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水泥的硬化是一个复杂的过程，主要包括水化反应和结晶过程。水泥加水后，其中的硅酸盐、铝酸盐、铁酸盐和石膏等成分与水发生化学反应，生成水化产物，如硅酸钙凝胶、氢氧化钙和其他水化产物。这些水化产物逐渐填充水泥颗粒间的空隙，并形成一定的晶体结构和胶体结构，使水泥浆体逐渐失去可塑性，变成不能流动的紧密状态，强度逐渐增加，最终变成具有相当强度的石状固体。如果原先还掺有集合料如砂、石子等，水泥就会把它们胶结在一起，形成坚固的整体，即混凝土。
从物理和化学观点来看，水泥的凝结和硬化是连续进行的、不可截然分开的一个过程。凝结是硬化的基础，指水泥浆体从可塑性状态变成非可塑性，并有很低强度的过程；硬化是凝结的继续，指浆体强度逐渐提高，能抵抗外来作用力的过程。但在施工中，为了保证施工质量，通常会在水泥浆体失去可塑性以前结束施工，因此人为地将这个过程划分为凝结和硬化两个阶段。