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1. Hydratation & Microstructure

1.1 Principe de Le Chatelier & Dissolution

L'hydratation est une réaction exothermique de dissolution-précipitation. Au contact de l'eau, les minéraux anhydres du ciment se dissolvent, saturent la solution interstitielle en ions (Ca2+, OH-, SiO4 4-, AlO4 5-), puis précipitent sous forme d'hydrates solides.
La Contraction de Le Chatelier : Le volume absolu des hydrates formés est inférieur (~10%) à la somme des volumes initiaux (Eau + Ciment). Cette réduction de volume crée une porosité interne inévitable, même en l'absence d'évaporation.

1.2 Phases de la Réaction (Calorimétrie)

1.3 Cristallochimie des Produits

• C-S-H (Gel de Tobermorite) : (50-60% vol). Silicates de Calcium Hydratés. Nanostructure en feuillets mal cristallisés. C'est la "colle" du béton qui assure la résistance mécanique. Rapport C/S ~ 1.7.
• Portlandite (CH) : (20-25% vol). Hydroxyde de Calcium Ca(OH)2. Grandes plaquettes hexagonales. Faible résistance mécanique (plans de clivage) mais maintient le pH > 12.5.
• Ettringite (AFt) : Aiguilles cristallines formées par la réaction C3A + Gypse. Contrôle la prise. Si elle se forme après durcissement (DEF), elle est expansive et destructrice.
• Monosulfoaluminate (AFm) : Forme stable de l'ettringite si tout le gypse est consommé.

1.4 Structure Poreuse & ITZ

La porosité définit la durabilité. On distingue :
Macropores (> 50 nm) : Pores capillaires, vestiges de l'eau excédentaire. Vecteurs de perméabilité.
Mésopores (10-50 nm) : Pores entre les amas de C-S-H.
Micropores (< 10 nm) : Pores de gel, intrinsèques à la structure. L'eau y est adsorbée et ne gèle pas (jusqu'à -78°C).
ITZ (Interfacial Transition Zone) : Zone de faiblesse de 20-50µm autour des granulats, caractérisée par une porosité plus élevée et une orientation préférentielle des cristaux de Portlandite. C'est ici que s'initient souvent les fissures.

2. Minéralogie et SCMs (Matériaux Cimentaires Supplémentaires)

2.1 Clinker : Les Acteurs Principaux

2.2 La Réaction Pouzzolanique (Secondaire)

L'utilisation de SCMs (Cendres volantes, Fumées de silice, Métakaolin) modifie la chimie du durcissement.
Mécanisme : \(CH + SiO_2 (amorphe) + H_2O \rightarrow C-S-H_{secondaire}\).
Cette réaction consomme la Portlandite (soluble et faible) pour créer du C-S-H supplémentaire (insoluble et fort). Elle densifie la matrice et réduit la porosité, mais retarde le développement des résistances initiales (la réaction ne démarre que lorsqu'il y a assez de CH formé par le ciment).

3. Thermodynamique & Pièces Massives

3.1 Chaleur d'Hydratation

L'hydratation dégage entre 250 et 500 Joules/gramme de ciment. Dans une pièce massive (barrage, radier épais), cette chaleur ne peut s'évacuer.
Condition Quasi-Adiabatique : La température au cœur peut monter à 70-80°C.
L'énergie d'activation \(E_a\) permet de modéliser cette cinétique via la loi d'Arrhenius : \(k = A \cdot e^{-E_a / RT}\).

3.2 Fissuration Thermique

4. Facteurs de Cinétique & Adjuvants

4.1 Finesse et E/C

Surface Spécifique (Blaine) : Plus le ciment est fin (> 4000 cm²/g), plus l'hydratation est explosive (haute résistance jeune, fort dégagement de chaleur).
Effet Crossover : Un béton durci à basse température aura une microstructure plus ordonnée et une résistance finale supérieure à un béton "cuit" trop vite.

4.2 Chimie des Adjuvants

Accélérateurs (Sels de Calcium, Chlorures)

Augmentent la solubilité des silicates. Utilisés par temps froid pour atteindre le seuil de non-gel (5 MPa) avant la nuit.

Retardateurs (Sucres, Gluconates)

S'adsorbent sur les grains de ciment, formant une barrière temporaire qui bloque la nucléation des hydrates. Indispensables par temps chaud ou pour le bétonnage en continu de grands ouvrages.

Superplastifiants (PCP)

Agissent par répulsion stérique. Ils n'accélèrent pas la chimie mais permettent de réduire l'eau (E/C faible), ce qui densifie mécaniquement le béton durci.

5. Propriétés Mécaniques & Rhéologie

5.1 Loi de Montée en Résistance

L'évolution suit souvent une loi exponentielle (type Eurocode 2) : \[ f_{cm}(t) = \beta_{cc}(t) \cdot f_{cm} \] Avec \(\beta_{cc}(t) = \exp\left(s \cdot \left(1 - \sqrt{\frac{28}{t}}\right)\right)\) où \(s\) dépend du type de ciment (0.20 pour CEM I R à 0.38 pour CEM III).
Note Importante : La résistance à la traction \(f_{ctm}\) évolue plus favorablement au jeune âge, mais reste le talon d'Achille du matériau.

5.2 Rigidité (Module de Young) et Poisson

Le module élastique \(E_{cm}\) se développe plus vite que la résistance. À t=3 jours, un béton peut avoir 80% de sa rigidité finale mais seulement 50% de sa résistance.
Coefficient de Poisson (\(\nu\)) : Varie de 0.15 à 0.20. Il est plus faible au très jeune âge (comportement poreux compressible) et se stabilise ensuite.

6. Stabilité Dimensionnelle (Retrait & Fluage)

6.1 Les Retraits

• Retrait Plastique : Évaporation avant prise. Fissures de surface aléatoires.
• Retrait Endogène (Autodessiccation) : Prépondérant dans les BHP (E/C < 0.4). Le ciment consomme toute l'eau libre, créant une succion capillaire interne énorme (plusieurs MPa) qui contracte le squelette.
• Retrait de Dessiccation : Équilibre hydrique avec l'environnement (HR < 100%). Phénomène lent (asymptote à 30 ans).

6.2 Le Fluage (Creep)

Déformation différée sous charge constante.
Fluage Propre : Sans échange d'eau. Dû au glissement des feuillets de C-S-H et à la consolidation de la microstructure.
Fluage de Dessiccation : Interaction complexe entre le séchage et la charge (effet Pickett).
Conséquence : Les flèches des poutres augmentent avec le temps (x2 à x3 par rapport à la flèche élastique).

7. Durabilité & Propriétés de Transfert

7.1 Perméabilité & Diffusion

La durabilité est régie par la capacité des fluides à pénétrer le béton.
Perméabilité (Darcy) : Écoulement sous pression (eau, gaz). Dépend de la connectivité des macropores.
Diffusion (Fick) : Mouvement des ions (Chlorures Cl-) sous gradient de concentration. Coefficient \(D_{eff} \approx 10^{-12} m^2/s\).

7.2 Carbonatation

Le CO2 atmosphérique diffuse dans les pores et réagit : \(Ca(OH)_2 + CO_2 \rightarrow CaCO_3 + H_2O\).
Cette réaction abaisse le pH de 13 à 9. À ce niveau, le film passif protégeant les armatures est détruit. La corrosion démarre. La profondeur carbonatée évolue en \(x = K \sqrt{t}\).

8. La Cure et Pratiques Chantier

La cure n'est pas une option, c'est une obligation normative (NF EN 13670). Elle vise à bloquer l'évaporation le temps que la porosité de surface se ferme.

9. Techniques d'Analyse Avancées

10. Conclusion

Le durcissement du béton est un domaine où la chimie quantique rencontre le génie civil. De la nano-structure des C-S-H à la stabilité d'un barrage, tout est lié. L'ingénieur moderne ne peut plus se contenter de commander un "C25/30" ; il doit comprendre l'intimité du matériau pour prescrire la bonne formulation, les bons adjuvants, et surtout, imposer une mise en œuvre et une cure irréprochables garantissant la pérennité séculaire de l'ouvrage.