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水泥是非常重要的基礎建築材料，幾乎所有的建築，因建物特性的不同，都需要用到各種不同的水泥。水泥與水混合後，經過物理、化學的變化過程，能由可塑性漿體變成堅硬而具有一定強度的固狀體，並能將散粒材料膠結成為整體。水泥是一種水硬性膠凝材料，即一種細磨的無機材料，通過水化過程發生凝結和硬化，硬化後甚至在水中也可保持強度和穩定性。
一、 水泥的歷史
古代的希臘人與羅馬人使用了一種石灰和火山灰的混合物，在摻水後緩慢反應變成堅硬的固體，建造了無數的道路、城牆、溝渠等工程，這種混合物就是最早的水泥。
在20世紀中期，考古學家在南歐發現了古代燒窯，顯示遠在四千多年前，人類就已經利用石灰石來製作灰泥－石灰與砂的混合物。
1796年英國人詹姆士.帕加(James Parker)用泥灰岩燒製一種棕色水泥，稱「羅馬水泥」。在1824年，英國人阿斯普丁（Joseph Aspdin）發明了用黏土和石灰煅燒而得到水泥的方法，並且取得英國的專利權。這種水泥的主要成分是氧化鈣和氧化矽，也就是矽酸鈣，是一種矽酸鹽，用它製成的混凝土，硬化以後，硬度、外觀和顏色，都跟當時英國波特蘭島上所產的波特蘭石材很相近，所以取名為「波特蘭水泥」（Portland cement）。
在俄國最早發明水泥的是一位建築師契利耶夫。1820 年前後，契利耶夫在莫斯科從事建築工作時，也嘗試用石灰與黏土混合起來煅燒製造出水泥。他使用這種新材料建造了許多建築物，其中最著名的是修復克里姆林宮的牆垣。
二、水泥的種類
水泥的種類繁多，按其礦物組成可分為：
1. 矽酸鹽水泥(又名波特蘭水泥，portland cement，主要水硬性物質是矽酸鈣)
2. 鋁酸鹽類水泥(主要水硬性物質是鋁酸鈣)
3. 硫鋁酸鹽水泥(主要水硬性物質是硫鋁酸鈣)
4. 氟鋁酸鹽水泥
5. 鐵鋁酸鹽水泥等。
它們的水硬性物質不同，因而性能也各異，如鋁酸鹽類水泥凝結速度快，硫鋁酸鹽水泥硬化後體積會膨脹等。而按其用途和性能又分為通用水泥(用於一般的建築工程，主要是矽酸鹽類的五種水泥)、專用水泥(適應於專門用途的水泥：大壩水泥、油井水泥、砌築水泥等)和特性水泥(具有比較突出的某種性能的水泥：膨脹水泥、低熱水泥、彩色水泥、白水泥等)三大類。
三、水泥的製造
最常見的水泥為普通矽酸鹽水泥。普通矽酸鹽水泥的原料，基本上是含石灰的物質，如石灰石和泥灰、白矽石等，及含黏土的物質，如泥土、頁岩和火山岩等。
製作過程為先從山上取得石灰塊，然後將其打破、粉碎成細小的粉末，再和頁岩、黏土或其他物質充分混合，此混合步驟可在採石場中進行。在乾式的過程中所有的粉碎和混雜都是用乾式的材料來做，最後的混合物是在碾碎機中完成的。接著在濕式過程中，最後的磨碎過程是在水泥漿中進行，混合物的製作是在磨碎機，也在大桶中進行。在此兩大過程中，最主要在控制最後供給燒爐的物件。泥漿被放入燒爐鍛燒，在高溫下發生複雜的物理、化學變化，經熔化、冷卻後，再在熟料中加入3%以下的石膏以控制凝結速度，然後一起研磨成細粉，即得普通矽酸鹽水泥。主要製作過程如下：
四、水泥的凝固
水泥加水後的凝結、硬化包括很複雜的物理化學變化過程，首先水泥微粒表面成分發生水化，水解反應：
3CaO‧SiO2 + nH2O＝2CaO‧SiO2‧(n-1)H2O + Ca(OH)2
2CaO‧SiO2 + mH2O＝2CaO‧SiO2‧mH2O
3CaO‧Al2O3 + 6H2O＝3CaO‧A12O3‧6H2O
4CaO‧Al2O‧Fe2O3+7H2O＝3CaO‧A12O3‧6H2O+CaO‧A12O3‧Fe2O3‧H2O
矽酸鹽水泥與水反應，主要形成四個化合物：氫氧化鈣、含水矽酸鈣、含水鋁酸鈣及含水鐵酸鈣，它們共同決定水泥硬化過程特性變化。水泥凝結硬化過程大致分為三個階段：溶解水化期(準備期)、膠化期(凝結期)和結晶期(硬化期)。
水泥的水化初期是水泥微粒表面形成水化物膜，水化產物層不斷增厚，其中包含較多膠體尺寸的晶體結構。隨著水化反應的不斷進行，各種水化產物逐漸填滿原來由水所佔據的空間，固體粒子逐漸接近，水泥水化硬化。硬化水泥漿體是由無數鈣礬石的針狀晶體和多種形貌的水化矽酸鈣，再夾雜著六方板狀的氫氧化鈣和單硫型水化硫鋁酸鈣等晶體交織在一起而形成的，它們密集連生交叉結合，又受到顆粒間的凡德瓦力或化學鍵的影響。硬化水泥漿就成為由無數晶體編織而成的“毛氈”，具有強度。因此，水化產物的形貌、表面結構以及生長的情況等，就成為水泥強度產生差異的關鍵因素。一般，容易相互交叉的纖維狀、針狀、棱柱狀或六方板狀等水化產物所構成的漿體強度較高；而立方體、近似於球狀的多面體等則強度較低。當水化產物的原子或離子配位不規則，電荷分佈有偏置時，結構不穩定，表面能大，相互之間就會產生很大的結合力。另外，當生成的水化產物粒子形態和尺寸各異、大小不一時，較易鑲嵌結合，形成較為緊密的堆積，表現出較高的強度。
水泥硬化後初期，生成的游離氫氧化鈣微溶於水，通過吸收空氣中二氧化碳，反應生成難溶性碳酸鈣堅硬外殼，可阻止內部氫氧化鈣繼續溶解。
五、水泥的顏色
水泥建築物大多數呈現灰灰暗暗的顏色，所以常以「水泥叢林」來形容大城市的市貌。為了彌補水泥色彩單調的缺點，可以用不含氧化鐵和錳的純粹石灰石和白黏土製成白水泥。在灰白色的水泥中加進硫酸鋇，也可以起增白的作用，成為白水泥。另外，摻入貝殼磨成的粉，也可以燒製出另一種白水泥。
有了白水泥當底子，就可以生產出彩色的水泥。例如在白色水泥中加進氧化釩，可以製成紅色水泥；加進鉻酸鉛，可以製作成黃色水泥；加進氧化鉻，可以製成綠色水泥；加進硫化錫，可以製成金色水泥。這些加工物可以使得城市建築物變得更亮麗多彩。最有趣的是「變色水泥」，在水泥燒製過程中加進二氯化鈷，它在空氣乾燥時，呈現藍色；天快要下雨空氣潮濕時，它變成紫色；下雨以後，這種水泥又因為吸了水分而變成豔麗的玫瑰色。除了多采多姿以外，還可以預報天氣呢！
六、特殊水泥
隨著科學技術的進步與使用上的需求，也出現了具有各式各樣奇妙功能的特種水泥，例如耐酸水泥、彈性水泥、潤滑水泥、油井水泥、防水水泥、快硬水泥、膨脹水泥、耐高溫的高鎂水泥、放射性包封用的水泥等。
如果在水泥熟料磨細的時候，加進一種叫油酸鈉的化合物，在磨出來的水泥顆粒表面上就會形成一層防水薄膜，成為防水水泥。如果在燒製水泥的原料裡加進3％的氯化鈣，就可以製出快乾水泥，使混凝土硬化速率加快。另外有一種專門的快乾水泥，是用石灰石和鐵礬土燒到燒結狀態，再磨成細粉而製成的。如果在普通水泥原料中摻入大約2％的硫鐵酸鈣，就成了膨脹水泥，體積膨脹約0.15％。它可用來修理破損的建築物，當膨脹水泥混凝土硬化後，就緊密地與原來的混凝土膠合在一起，減少了收縮的裂痕。如果用石英砂、氟矽酸鈉與水玻璃依一定比例調和，乾燥以後再把它磨細，就可製出耐酸的水泥了。耐鹼水泥是在普通水泥中加入石灰岩、白雲岩、花崗岩和石英砂為材料製成的。在製造水泥製品的過程中，採用完善的攪拌方式，驅除其中的氣泡，同時加入少量聚合凝固物質，就可得到一種新型、無缺陷的彈性水泥。
七、水泥工業的污染性
雖然水泥為我們帶來這麼多的好處，尤其是在建築物和交通上，然而水泥的原料主要是從礦石開採來的，生產水泥是一種消耗能源也不可避免地帶來一些污染的工業。
水泥工業是一種高耗能的產業，所耗用的燃料主要是煤炭、電力和重油，生產每公噸的水泥平均要耗用112.9度的電、132.7公斤的煤和0.42公升的重油，能源支出占總生產成本的三分之二以上。
水泥工業造成的空氣污染是很嚴重的，在臺灣地區的84種污染行業中，水泥業就在前幾名。每年排放近十萬公噸的硫氧化合物（SOX）、和大約二萬五千公噸的氮氧化合物（NOX），這兩者都高居污染行業的首要地位。總懸浮微粒（total suspended particulates, TSP）的排放量大約是每年四萬五千公噸，也高居第二位。
另外，水泥的主要原料是石灰石與黏土。一公噸的水泥需要1.4公噸的石灰石、300 公斤的黏土和60公斤的矽砂。過去水泥業者大都用露天的開採方式，以節省成本，但常常會造成水土流失、坍方、景觀和生態的破壞、動植物滅絕的嚴重後遺症。在環保意識逐漸抬頭以後，水泥業者大半已經改用豎井式開採法，這種從山頂鑿洞開採的方式，比較不會造成礦區地表的裸露，對整體生態環境的破壞已經有相當程度的改善。
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