Le Durcissement du Béton

1. Introduction : Prise et Durcissement

1.1 Définition et Distinction Prise/Durcissement

Après gâchage (mélange des constituants avec l'eau), le béton passe par plusieurs étapes :

• Période Dormante : Le mélange reste ouvrable pendant un certain temps (typiquement 1 à 2 heures), permettant son transport et sa mise en place. Les réactions d'hydratation sont très lentes.
• Prise : Transition de l'état fluide à l'état solide. Le béton perd son ouvrabilité et commence à développer une cohésion interne. On distingue conventionnellement le début de prise (le béton n'est plus facilement remaniable) et la fin de prise (le béton a acquis une certaine rigidité). La prise résulte principalement de l'hydratation rapide du C₃A et de la formation initiale d'ettringite et de C-S-H.
• Durcissement : Développement progressif des résistances mécaniques du béton après la fin de prise. Cette phase, qui peut durer des mois voire des années, est principalement due à l'hydratation plus lente des silicates (C₃S et C₂S) et à la densification de la microstructure.

La prise est donc le passage de l'état plastique à l'état solide, tandis que le durcissement est l'acquisition des propriétés mécaniques après la prise.

1.2 Le Ciment Portland : Composition

Le durcissement du béton est intrinsèquement lié aux réactions chimiques du ciment Portland avec l'eau. Le ciment Portland est obtenu par cuisson à haute température (~1450°C) d'un mélange de calcaire (source de CaO) et d'argile (source de SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃), formant un produit appelé clinker. Le clinker est ensuite broyé finement avec une petite addition de gypse (sulfate de calcium, CaSO₄·2H₂O) pour réguler la prise.

Les principaux constituants minéralogiques (phases) du clinker, responsables des réactions d'hydratation, sont (notation cimentière entre parenthèses) :

• Silicate Tricalcique (Alite) : \(3\text{CaO} \cdot \text{SiO}_2\) (C₃S) - Typiquement 50-70%
• Silicate Bicalcique (Bélite) : \(2\text{CaO} \cdot \text{SiO}_2\) (C₂S) - Typiquement 15-30%
• Aluminate Tricalcique : \(3\text{CaO} \cdot \text{Al}_2\text{O}_3\) (C₃A) - Typiquement 5-12%
• Ferro-aluminate Tétracalcique (Célite) : \(4\text{CaO} \cdot \text{Al}_2\text{O}_3 \cdot \text{Fe}_2\text{O}_3\) (C₄AF) - Typiquement 5-15%

La proportion relative de ces phases influence fortement la vitesse d'hydratation et le développement des résistances.

2. Réactions d'Hydratation du Ciment

Lorsque le ciment est mélangé à l'eau, ses constituants anhydres réagissent chimiquement pour former de nouveaux composés hydratés, solides et stables, qui constituent la "colle" liant les granulats entre eux. C'est l'hydratation.

2.1 Hydratation des Silicates de Calcium (C₃S et C₂S)

Ce sont les réactions les plus importantes pour le développement des résistances à long terme. Elles produisent deux principaux hydrates :

• Silicates de Calcium Hydratés (C-S-H) : Principal produit de l'hydratation (50-60% du volume de la pâte hydratée). C'est un gel amorphe ou mal cristallisé de composition variable (\(x\text{CaO} \cdot y\text{SiO}_2 \cdot z\text{H}_2\text{O}\)), formant un réseau très fin et poreux qui assure la cohésion et la résistance de la pâte de ciment.
• Hydroxyde de Calcium (Portlandite) : Ca(OH)₂ (CH) - Forme des cristaux hexagonaux plus gros (20-25% du volume). Contribue moins directement à la résistance mais joue un rôle important en maintenant un pH élevé (~12.5) dans la solution interstitielle, ce qui protège les armatures d'acier de la corrosion (passivation).

Les réactions simplifiées sont :

Le C₃S réagit beaucoup plus vite que le C₂S. Le C₃S est donc responsable des résistances à court terme (premiers jours/semaines), tandis que le C₂S contribue aux résistances à plus long terme (mois/années).

2.2 Hydratation des Aluminates et Ferro-aluminates (C₃A et C₄AF)

Ces phases réagissent très rapidement avec l'eau.

• Hydratation du C₃A : En l'absence de gypse, la réaction est quasi instantanée ("prise flash"), ce qui n'est pas souhaitable. Le gypse (sulfate de calcium) est ajouté au ciment pour contrôler cette réaction. En présence de gypse, le C₃A réagit pour former de l'ettringite (trisulfoaluminate de calcium hydraté, \(C_6A\bar{S}_3H_{32}\)), qui forme de fines aiguilles recouvrant les grains de C₃A et ralentissant leur hydratation ultérieure. Cette formation rapide d'ettringite contribue au début de prise. \[ \text{C}_3\text{A} + 3\text{C}\bar{S}\text{H}_2 + 26\text{H} \longrightarrow \text{C}_6\text{A}\bar{S}_3\text{H}_{32} \quad (\text{Ettringite}) \] Une fois le gypse consommé, l'ettringite peut réagir avec le C₃A restant pour former du monosulfoaluminate de calcium hydraté (\(C_4A\bar{S}H_{12}\)). \[ 2\text{C}_3\text{A} + \text{C}_6\text{A}\bar{S}_3\text{H}_{32} + 4\text{H} \longrightarrow 3(\text{C}_4\text{A}\bar{S}\text{H}_{12}) \quad (\text{Monosulfoaluminate}) \]
• Hydratation du C₄AF : Réagit de manière similaire au C₃A, mais plus lentement, formant également de l'ettringite et des phases de type monosulfoaluminate contenant du fer.

Ces réactions des phases alumineuses contribuent peu à la résistance finale mais sont cruciales pour la prise et peuvent influencer la durabilité (sensibilité aux sulfates).

2.3 Dégagement de Chaleur (Chaleur d'Hydratation)

Toutes les réactions d'hydratation sont exothermiques (dégagent de la chaleur). La quantité de chaleur dégagée et la vitesse de dégagement dépendent de la composition du ciment (le C₃A et le C₃S sont les plus exothermiques) et des conditions de réaction (température, finesse du ciment).

Ce dégagement de chaleur provoque une élévation de température du béton, particulièrement sensible dans les pièces massives où la chaleur a du mal à se dissiper. Cette élévation de température peut accélérer le durcissement mais aussi générer des contraintes thermiques importantes lors du refroidissement ultérieur, pouvant causer des fissures (retrait thermique endogène).

Schéma typique du dégagement de chaleur au cours de l'hydratation du ciment Portland.

2.4 Cinétique des Réactions

Les différentes phases du ciment ne réagissent pas à la même vitesse :

• C₃A (+ Gypse) : Très rapide (minutes à heures), contrôle la prise.
• C₃S : Rapide (premiers jours à semaines), responsable de la résistance initiale.
• C₄AF : Vitesse intermédiaire.
• C₂S : Lent (semaines à mois/années), contribue à la résistance à long terme.

Le degré d'hydratation global augmente progressivement avec le temps, mais n'atteint jamais 100% (il reste toujours des grains de ciment anhydres, surtout dans les bétons à faible E/C).

3. Formation de la Microstructure

Les réactions d'hydratation conduisent à la formation d'une structure solide poreuse complexe, la pâte de ciment hydratée (PCH), qui enrobe les granulats et assure la cohésion de l'ensemble.

3.1 Les Hydrates : C-S-H, Portlandite, Ettringite...

Les produits solides de l'hydratation (les hydrates) précipitent dans l'espace initialement rempli d'eau entre les grains de ciment.

• C-S-H : Forme la matrice continue, un gel avec une très grande surface spécifique et une porosité intrinsèque (pores gélulaires de taille nanométrique). C'est le composant clé pour la résistance et les propriétés différées (retrait, fluage).
• Portlandite (CH) : Cristallise sous forme de plaques hexagonales plus grosses, souvent localisées dans les pores plus larges ou à l'interface avec les granulats.
• Ettringite (AFt) : Forme de longues aiguilles au début de l'hydratation.
• Monosulfoaluminate (AFm) : Forme des plaques hexagonales plus tardivement.

Représentation schématique de la microstructure de la PCH.

3.2 La Pâte de Ciment Hydratée (PCH)

L'ensemble de ces hydrates, des pores et des grains de ciment non hydratés forme la PCH. Sa structure évolue avec le temps : les hydrates comblent progressivement l'espace initialement rempli d'eau, réduisant la porosité et augmentant la connectivité de la phase solide. C'est cette densification de la microstructure qui est à l'origine du gain de résistance et de rigidité du béton.

3.3 Porosité (Capillaire, Gélulaire)

La PCH est intrinsèquement poreuse :

• Porosité Capillaire : Ce sont les vides laissés par l'eau de gâchage qui n'a pas été consommée par l'hydratation ou qui n'a pas pu être comblée par les hydrates. Leur taille est de l'ordre du micromètre. Cette porosité dépend fortement du rapport E/C initial et du degré d'hydratation. Elle contrôle la perméabilité du béton et donc sa durabilité vis-à-vis de la pénétration des agents agressifs.
• Porosité Gélulaire : Pores de très petite taille (nanomètres) situés à l'intérieur même du gel C-S-H. Elle est inhérente à la structure des C-S-H et influence les phénomènes de retrait et de fluage.

3.4 Interface Pâte-Granulats (ITZ)

La zone de transition interfaciale (ITZ - Interfacial Transition Zone) est une région de quelques dizaines de micromètres autour des gros granulats. Elle présente une microstructure différente du reste de la pâte : plus poreuse, plus riche en portlandite (gros cristaux orientés) et moins dense en C-S-H. Cette zone est souvent considérée comme le "maillon faible" du béton, influençant sa résistance mécanique et sa perméabilité.

4. Développement des Propriétés Mécaniques

Le processus de durcissement se traduit par une amélioration progressive des propriétés mécaniques du béton.

4.1 Augmentation de la Résistance (Compression, Traction)

La résistance en compression (\(f_c\)) est la propriété la plus caractéristique du béton. Elle augmente rapidement au cours des premiers jours/semaines (grâce à l'hydratation du C₃S) puis plus lentement pendant des mois/années (contribution du C₂S). La résistance à 28 jours (\(f_{c28}\)) est la valeur de référence pour la classification des bétons. La résistance en traction (\(f_t\)) est beaucoup plus faible (environ 1/10 de \(f_c\)) mais suit une évolution similaire.

4.2 Évolution du Module d'Élasticité

Le module d'Young (\(E_c\)), qui mesure la rigidité du matériau, augmente également avec le degré d'hydratation et la densification de la microstructure. Son évolution est corrélée à celle de la résistance en compression.

Évolution typique de la résistance en compression du béton avec le temps (échelle log).

4.3 Relation Microstructure-Propriétés

Les propriétés mécaniques sont directement liées à la microstructure de la PCH :

• La résistance dépend de la quantité et de la qualité des liaisons formées par les C-S-H, ainsi que de la porosité capillaire (moins il y a de pores, plus le béton est résistant).
• La rigidité (module E) est également liée à la densité du réseau de C-S-H.
• La perméabilité (et donc la durabilité) est principalement contrôlée par la taille, la distribution et la connectivité des pores capillaires.

5. Facteurs Influant sur le Durcissement

La vitesse et le degré de durcissement sont influencés par plusieurs facteurs interdépendants.

5.1 Rapport Eau/Ciment (E/C)

C'est l'un des facteurs les plus importants. Un rapport E/C faible (moins d'eau pour une même quantité de ciment) conduit à :

• Une pâte de ciment hydratée plus dense et moins poreuse.
• Des résistances mécaniques plus élevées à terme.
• Une meilleure durabilité (perméabilité plus faible).

Cependant, un E/C trop faible peut rendre le béton difficile à mettre en œuvre (manque d'ouvrabilité) et ralentir l'hydratation par manque d'eau disponible. La valeur optimale est un compromis.

5.2 Type et Finesse du Ciment

• Type de Ciment : La proportion des différentes phases (C₃S, C₂S, C₃A...) influence la cinétique. Un ciment riche en C₃S (ex: CEM I 52,5 R) aura un durcissement initial plus rapide qu'un ciment riche en C₂S (ex: CEM III/C ou CEM V, ciments à faible chaleur d'hydratation).
• Finesse de Mouture : Un ciment plus fin (surface spécifique plus grande) réagit plus vite avec l'eau, accélérant la prise et le durcissement initial, et dégageant plus de chaleur au jeune âge.

5.3 Température

La température a un effet majeur sur la vitesse des réactions d'hydratation :

• Une température élevée accélère l'hydratation et le gain de résistance à court terme, mais peut conduire à une microstructure moins homogène et à des résistances finales potentiellement plus faibles. Elle augmente aussi le risque de fissuration par retrait thermique.
• Une température basse (proche de 0°C) ralentit considérablement, voire stoppe, l'hydratation. Le bétonnage par temps froid nécessite des précautions (chauffage des constituants, protection thermique). Le gel du béton frais avant qu'il n'ait atteint une résistance suffisante (~5 MPa) cause des dommages irréversibles.

5.4 Conditions de Cure (Humidité)

La cure consiste à maintenir le béton dans des conditions d'humidité et de température favorables pendant les premiers jours/semaines après le coulage, afin d'assurer une hydratation optimale du ciment, notamment en surface.

• Une cure insuffisante (séchage prématuré) stoppe l'hydratation en surface, conduit à une porosité plus élevée, une résistance de surface plus faible, et augmente le risque de fissuration par retrait plastique et de séchage.
• Les méthodes de cure incluent : maintien des coffrages, arrosage régulier, application de bâches humides, pulvérisation de produits de cure (formant un film imperméable).

Une bonne cure est essentielle pour la résistance et la durabilité du béton.

5.5 Adjuvants

Certains adjuvants chimiques ajoutés au béton peuvent modifier la cinétique de durcissement :

• Accélérateurs de durcissement : Augmentent la vitesse de gain de résistance au jeune âge (ex: chlorure de calcium - usage limité, ou adjuvants non chlorés).
• Retardateurs de prise : Ralentissent la prise et le début du durcissement (utiles par temps chaud ou pour les longs transports).
• Plastifiants / Superplastifiants : Permettent de réduire la quantité d'eau de gâchage pour une ouvrabilité donnée (donc de diminuer le E/C), ce qui favorise les résistances et la durabilité.

6. Suivi du Durcissement

Il est souvent nécessaire de suivre l'évolution du durcissement sur chantier pour déterminer les moments opportuns pour le décoffrage, la mise en charge, ou pour contrôler la qualité du béton mis en œuvre.

6.1 Essais Mécaniques (Écrasement d'Éprouvettes)

La méthode de référence consiste à prélever des échantillons de béton frais sur chantier, à confectionner des éprouvettes normalisées (cylindres ou cubes), à les conserver dans des conditions standardisées (eau à 20°C), puis à les écraser en laboratoire à différents âges (ex: 2, 7, 28, 90 jours) pour mesurer l'évolution de la résistance en compression.

6.2 Notion de Maturité du Béton

La maturité est un concept qui tente de combiner l'effet du temps et de la température sur le développement de la résistance. Elle est souvent exprimée en degrés-heures ou degrés-jours au-dessus d'une température de référence (ex: -10°C). En mesurant l'historique de température du béton en place (avec des sondes), on peut estimer sa maturité et, via des courbes de calibration préalablement établies en laboratoire, en déduire sa résistance probable sans avoir à attendre l'écrasement d'éprouvettes.

6.3 Essais Non Destructifs (END)

Ces essais permettent d'estimer la résistance du béton en place sans le détruire :

• Scléromètre (Marteau Schmidt) : Mesure l'indice de rebondissement d'une masse sur la surface du béton. Simple et rapide, mais donne une indication très superficielle et peu précise, influencée par de nombreux facteurs (humidité, carbonatation...). Doit être calibré avec des essais destructifs.
• Ultrasons : Mesure de la vitesse de propagation des ondes ultrasonores à travers le béton. La vitesse est corrélée à la qualité et à la résistance du béton. Permet de détecter des zones de moindre qualité ou des vides.

7. Conclusion

Le durcissement du béton est un processus physico-chimique complexe, initié par les réactions d'hydratation des différentes phases du ciment Portland en présence d'eau. Ces réactions conduisent à la formation d'une microstructure solide et poreuse (la pâte de ciment hydratée), dominée par le gel C-S-H, qui lie les granulats et confère au matériau ses propriétés mécaniques.

Le développement de la résistance et de la rigidité est progressif et dépend fortement de facteurs clés tels que la composition du béton (notamment le rapport E/C), l'âge au chargement, la température et les conditions de cure. La maîtrise de ces facteurs est essentielle pour obtenir un béton performant et durable.

La compréhension des mécanismes de durcissement et de l'évolution des propriétés qui en découle est fondamentale pour l'ingénieur génie civil, tant pour la formulation des bétons que pour la conception, le calcul et l'exécution des ouvrages.