N’est-il pas symptomatique que le premier numéro d’une nouvelle revue, « L’ESPRITDES MATERIAUX - Architectureet Philosophie», soit consacréaux bétons? C’est enDES MATERIAUX - Architectureet Philosophie», soit consacréaux bétons? C’est entout cas une reconnaissance dubéton comme archétype du lien entre matériaux et société.

Plus sérieusement, il est utile de rappeler que les matériaux cimentaires sont – et de loin– les matériauxles plus utilisés au monde. Ce sont essentiellementeux qui façonnent– les matériauxles plus utilisés au monde. Ce sont essentiellementeux qui façonnentnotre environnement. Voies de circulation, ouvrages d’art et d’assainissement, bâtimentsde toute nature, édifices historiques, rien n’échappe à leur omniprésence. Comprendre etmaîtriser leur mécanique et leur physico-chimie constitue l’un des enjeux majeurs dudéveloppement durable. En dépendent, non seulement la conservation de notrepatrimoine et de notre cadre de vie, mais aussi le développement de matériaux innovantssusceptibles d’améliorer ce dernier.

Malgré cet intérêt, les matériaux cimentaires sont pratiquement absentsdes ouvrages etdes cours généralistes de science des matériaux, ou des enseignements de physique ouchimie du solide. Métaux, polymères, céramiques, semi-conducteurs occupent la place.Pourtant, que de richesses ! Les matériaux cimentaires constituent à euxseuls unconcentré de presque toutes les avancées des dernières décennies dans le domaine desinterfaces, des milieux divisés, des milieux poreux, des milieux multiphasiques, dudésordre, des lois d’échelles et, de manière plus générale encore, des approches multi-échelles des matériaux complexes. La prise de conscience de cette réalité complexe estallée de pair avec un développement sans précédent des techniques, expérimentales,numériques ou théoriques, permettant de l’appréhender, depuis les plus petites échellesde longueur. Les techniques de microscopie en champ proche, les méthodes modernes desimulation numérique moléculaire et les techniques de spectroscopie et d’imagerie lesplus récentes y jouent désormais un rôle essentiel. C’est la raison pour laquelle l’ATILHet le CNRS ont organisé en 2008, à la suite d’une première édition en 2003 et d’uneseconde en 2005, l’école dont l’enseignement est repris sur ce site.

Le fondement des connaissances – le plus souvent à la pointe de la recherche – quiontétéenseignéesdanscetteécoleestl’acquisdetrois opérationscollectivesderecherche–

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étéenseignéesdanscetteécoleestl’acquisdetrois opérationscollectivesderecherche–des « CPR » ou Contrats de Programmes de Recherche pour employer la terminologieofficielle du CNRS – menées conjointement par l’ATILH et le CNRS.

Le premier CPR a eu pour objectif d’explorer les bases communes des divers systèmes,peu nombreux, qui « font prise » en réagissant avec l’eau.

Le second s’est plus explicitement centré sur la compréhension des phénomènesphysiques conduisant à l’émergence des propriétés de cohésion qui résultent del’hydratation du ciment Portland et du silicate tricalcique en particulier.

Le troisième, en cours, est focalisé sur la structure et les propriétésde l’espace poreuxdes matériaux cimentaires, propriétés qui conditionnent nombre de caractéristiquesapplicatives essentielles comme la durabilité ou la résistance au feu.

Avant de s’attacher à décrire des résultats de pointe et les techniquessophistiquées quiont permisdelesobtenir,il y adesélémentsessentielssurla fabricationdu cimentà faire

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ont permisdelesobtenir,il y adesélémentsessentielssurla fabricationdu cimentà faireconnaître de tous. C’est l’objet de la contribution de Christophe Charron à cette école.

Si « le » béton est toujours un mélange de granulats, de liant et d’eau, sous le mot« béton» secacheenréalitéunemultitudedematériauxd’usagesdifférents. Un bétonde« béton» secacheenréalitéunemultitudedematériauxd’usagesdifférents. Un bétondevoussoir n’est pas un béton de chape et encore moins un béton architectonique de façade.Résistance, densité, aspect, maniabilité sont les principales caractéristiques qu’il fautadapter à l’usage.

Formuler un béton pour atteindre ces caractéristiques, c’est d’abord maîtriser l’art dumélange de grains, de liquide et d’adjuvants. Cette maîtrise repose sur un mélange debases théoriques solides, d’approches semi-empiriques et sur le bilan raisonnéd’un trèsgrande pratique.

Les présentations de Richard Cavailles et de Laurent Nachbaur expliquent tout cela avecmoult exemples et même des exercices pour ceux qui sont désireux de tester leursconnaissances !

Les (trop) nombreuses catastrophes liées à des incendies, des séismes ou deseffondrements,ou encorecertainscasde pathologieillustrent que,malgrésasimplicité

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effondrements,ou encorecertainscasde pathologieillustrent que,malgrésasimplicitéapparente, le béton est un produit très technique dont la formulation et les conditions demise en œuvre doivent être rigoureusement définies et encadrées si l’on veutassurer saqualité, sa durabilité et son adaptation à l’usage. C’est la raison d’être de la normalisationque de garantir cette qualité en toutes circonstances. Patrick Guiraud a surendre vivant etattractif ce monde utile mais austère.

Les techniques de caractérisation du clinker, du ciment anhydre et des matériaux hydratés– matériauxcomplexess’il en est – sont encoretrès souventdes techniquesreposant– matériauxcomplexess’il en est – sont encoretrès souventdes techniquesreposantessentiellement sur l’analyse chimique (à l’aide d’outils puissants comme les sondes àplasma), complétée par l’usage de la diffraction des rayons X en mode d’identification.Pourtant les techniquesquantitatives d’analyse par diffraction des rayons X sontmaintenant pleinement arrivées à maturité. La méthode Rietveld est la méthode deréférence.

L’usage des rayons X ne se limite pas aux effets de diffraction. La tomographie parabsorption des rayons X permet depuis longtemps d’obtenir des coupes et desreprésentations 3D en médecine. L’usage du rayonnement synchrotron a permis d’étendrela méthode à des matériaux très absorbants comme les matériaux cimentaires et, surtout,d’en améliorer la résolution.

Les présentations de Karen Scrivener et d’Emmanuel Gallucci nous font découvrirtoutcela.

Le ciment est avant tout une colle ou, plus exactement, un précurseur de colle. Lavraiecolle, ce sont les hydratesqui se formentpar réactiondu cimentanhydreavecl’eau, et

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colle, ce sont les hydratesqui se formentpar réactiondu cimentanhydreavecl’eau, etmême sous l’eau. C’est ce qui vaut au ciment de partager avec le plâtre l’appellation deliant « hydraulique ». Les présentations d’André Nonat expliquent les conditions àsatisfaire pour réaliser cette prouesse et elle en décortique tous les mécanismes en nousguidant pas-à-pas dans les arcanes du processus de dissolution-diffusion-précipitationque l’on nomme « hydratation » et qui conduit généralement à la prise.

Comme l’usage d’adjuvants organiques de toutes sortes fait désormais partir de lapratique cimentaire, les présentations d’André Nonat abordent également l’influence deces adjuvants sur le processus d’hydratation.

Les hydrates sont donc les composés-clés des matériaux cimentaires. Certains d’entreeux sontbien cristalliséset ont, desurcroît,unestructuresimple. D’autres,au contraire,

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eux sontbien cristalliséset ont, desurcroît,unestructuresimple. D’autres,au contraire,comme le silicate de calcium hydraté, sont très mal organisés. La présentation de Jean-Baptiste d’Espinose et Nicolas Lequeux fait le point sur nos connaissances dans cedomaine, en se focalisant sur les silicates et les aluminates. Elle aborde également lespossibilités d’incorporation d’éléments mineurs. Enfin, elle laisse entrevoir ce quepourraient être les hydrates « hybrides » du futur mêlant minéral et organique.

Parmi les techniques qui ont permis de faire le plus de progrès dans notre connaissancede la structure des hydrates à l’échelle atomique, c’est sans aucun doute la résonancemagnétique nucléaire dite « du solide » qu’il faudrait citer. La RMN du silicium et del’aluminium, complétée par celle du proton et, éventuellement, du carbone, constitue labase mais les techniques croisées, mettant en œuvre plusieurs noyaux, se révèlentparticulièrement puissantes.

D’où viennent les propriétés de cohésion des liants hydrauliques ? A priori, laréponseestloin d’êtreévidente,comptetenudu caractèreextrêmementdivisédes

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réponseestloin d’êtreévidente,comptetenudu caractèreextrêmementdivisédeshydrates principaux. Quelle est la nature et quelle est l’intensité des forces quiagissent entre ces nanoparticules ?

La présentation de Roland Pellenq aborde ces questions d’un point de vueparticulier, celui du modélisateur moléculaire qui cherche à comprendre lesconditions – de structure, de chimie des surfaces, de composition des solutions –à réaliser pour générer des forces attractives puissantes, en se focalisant surl’hydrate le plus important : le C-S-H. Le schéma qui émerge de ces travaux estglobalement celui de forces électrostatiques et iono-covalentes à courte et trèscourte portée, intimement liées à la charge des particules et à la présence decalcium.

La présentation d’Eric Lesniewska aborde la même question d’un point de vuecomplémentaire,celui de la mesuredes forces attractivesou répulsivesà l’échelle

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complémentaire,celui de la mesuredes forces attractivesou répulsivesà l’échelle(sub)nanométriques. Les expériences impliquées sont récentes et ce n’est que grâce audéveloppement des microscopes en champ proche que la mesure directe des forces entrehydrates a été rendue possible.

Le béton est avant tout un mélange de grains auquel on ajoute de l’eau. Rendrehomogènepuisgarderdanscetétatd’homogénéité,aureposcommesousécoulement,ce

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homogènepuisgarderdanscetétatd’homogénéité,aureposcommesousécoulement,cemélange contenant des grains pluri-centimétriques dans un milieu de suspension aussipeu visqueux que de l’eau n’est pas une chose simple. La présentation de François deLarrard et Thierry Sedran nous introduit aux diverses phases du malaxage, auxmécanismes du ressuage, et à la modélisation des caractéristiques rhéologiques desbétons.

Les matériaux cimentaires ont ceci de magique qu’ils sont une forme de pierre artificiellequi se met en placeà l’état fluide. Ce fluide est néanmoinstrès particulier. C’est une

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qui se met en placeà l’état fluide. Ce fluide est néanmoinstrès particulier. C’est unesuspension de grains de taille variables, dispersés dans un liquide simple. La présentationde Philippe Coussot nous introduit à tous les comportements – simples ou inattendus – dece type de fluide pâteux. Instabilités, coincements, ou évolutions temporelles sontmonnaie courante !

Pour assagir ces fluides récalcitrants, il est d’usage d’utiliser desadjuvants organiques, leplus souventsousforme de polymèreshydrosolubles. La présentationde Robert Flatt

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plus souventsousforme de polymèreshydrosolubles. La présentationde Robert Flattnous introduit à ce monde qui part de la chimie organique pour aboutir aux techniques demodélisation numérique des écoulements de grains, en passant par la physico-chimie desforces de surface.

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La micromécanique est une branche de la mécanique des milieux continus qui a pourobjet le calcul des propriétés de milieux hétérogènes en prenant explicitement en comptela distribution et les caractéristiques, mécaniques et géométriques, des différentes phases,l’une d’entre elles pouvant tout simplement être l’espace poreux. Luc Dormieuxprésenteune introduction à cette approche et l’applique ensuite, dans un premier temps, au calculdes propriétés élastiques d’un plâtre pris et d’une pâte de ciment au jeune âge. Dans undeuxième temps, il aborde le fluage des C-S-H.

Comprendre les phénomènes à l’échelle des pores est une étape importante, mais savoircommentpasserde cetteéchelleà l’échelle qui intéressevraimentl’ingénieur, l’échelle

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commentpasserde cetteéchelleà l’échelle qui intéressevraimentl’ingénieur, l’échellemacro, est tout aussi important. C’est l’objet de la poromécanique, dont la présentationd’Olivier Coussy donne les bases et qu’elle illustre en l’appliquant au séchage et aussiaux gel-dégel.

Cet espace poreux est aussi le chemin par lequel l’ennemi peut entrer. Etl’ennemi estbanal : de l’eau et des sels dissous. Mais lorsque l’eau gèle et les sels cristallisent, ilspeuvent générer des contraintes assassines. La présentation d’Olivier Coussy explique lathermodynamique et la mécanique de ces phénomènes et leur dépendance vis-à-vis de lamicrostructure poreuse.

Déjà évoqué dans les présentations de Jean-Pierre Korb et celle d’Olivier Coussy, lecaractèremulti-échellede la microstructuredes matériauxcimentairesest approfondi

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caractèremulti-échellede la microstructuredes matériauxcimentairesest approfondidans la présentation de Denis Damidot. On peut y découvrir comment cettemicrostructure évolue dans le temps et, surtout, comment elle est corrélable auxperformances mécaniques. Cette présentation est également une initiation aux ciments,mortiers et bétons « virtuels », ces automates cellulaires qui permettent, d’une part, decomprendre les phénomènes collectifs qui accompagnent l’hydratation et, d’autre part, deprédire avec un réalisme surprenant – pour autant que les données de départ soient lesbonnes – le développement de la microstructure, des propriétés mécaniques et despropriétés de transport.

Les matériaux cimentaires sont tous poreux, peu ou prou. Cette porosité est une source defaiblesse,mais c’est aussiune sourcede confort. Cet espace« en creux » est aussi

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faiblesse,mais c’est aussiune sourcede confort. Cet espace« en creux » est aussicomplexe, sinon plus que les phases solides. La présentation de Pierre Levitz fournit lesbases conceptuelles et les outils nécessaires à la description de ce labyrinthe et à sonanalyse.

Celle de Jean-Pierre Korb, fondée sur l’utilisation de la RMN – encore elle ! Mais elle lejustifie pleinement– nousemmèneplus loin dansl’exploration de ce labyrinthe. En se

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justifie pleinement– nousemmèneplus loin dansl’exploration de ce labyrinthe. En seservant de l’eau comme molécule-sonde, la RMN permet de faire ce qui pouvait semblerune gageure : suivre le développement de la microstructure poreuse des pâtescimentaires, depuis les échelles sub-nanométriques jusqu’aux échelles presquemacroscopiques.

Il en va du béton comme des hommes: les jeunes années sont déterminantes pour la suitede l’existence ! Dans le cas du béton, ce sont les phénomènesthermiquesliés à

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de l’existence ! Dans le cas du béton, ce sont les phénomènesthermiquesliés àl’exothermicité des réactions d’hydratation et les phénomènes hydriques liés à cesmêmes réactions (auto-dessiccation) ou au séchage qui, par leur action mécanique(retrait, fissuration, fluage), sont particulièrement importants à maîtriser. Jean-MichelTorrenti décortique ces différents phénomènes et nous explique comment les contrôler oules éviter.

Correctement formulé et mis en œuvre, le béton est un matériau très durable. Mais enenvironnementagressif, il est mis à rude épreuve! La présentationde Micheline

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environnementagressif, il est mis à rude épreuve! La présentationde MichelineMoranville et Fabienne Robert présente les divers mécanismes (attaque externe par l’eaude mer, la lixiviation par les eaux pures, l’attaque sulfatique interne, la réaction alcali-granulats…) qui peuvent endommager le béton et donne les bases, fondées sur laconnaissance des équilibres thermodynamiques et celle des propriétés de transport, quipermettent de modéliser la durabilité. L’usage des bétons pour le stockage des déchets yest également abordé.

La description et la compréhension des mécanismes d’attaque ne suffisent pas pourprédirela durabilitéd’un béton. Encorefaut-il pouvoir construireet mettreen œuvreun

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prédirela durabilitéd’un béton. Encorefaut-il pouvoir construireet mettreen œuvreunmodèle qui intègre à la fois la thermodynamique (les équilibres) et la cinétique desréactions d’attaque, tout en prenant en compte la texture poreuse du matériau. C’estl’objet de la présentation de Denis Damidot et Micheline Moranville.

L’une des vertus souhaitées des matériaux cimentaires est la durabilité. La présentationde Véronique Baroghel-Bouny se charge de nous introduire aux techniquesqui

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de Véronique Baroghel-Bouny se charge de nous introduire aux techniquesquipermettent, non pas de la mesurer directement, mais de déterminer les paramètres quivont la contrôler. En dehors de la stabilité cristallochimique intrinsèque des phasessolides, ce sont les paramètres qui touchent à l’aire interfaciale, à l’espace poreux et, au-delà, aux propriétés de transport et à la réactivité interfaciale. Certaines de ces techniquessont considérées comme classiques, mais avec les matériaux cimentaires, leur mise enoeuvre et l’interprétation des résultats ne l’est jamais…

Le béton est durable et il est aussi amical pour l’environnement. Certes, la fabrication duciment est responsabled’une fraction significativede la productionde gaz carbonique,

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ciment est responsabled’une fraction significativede la productionde gaz carbonique,mais son impact est en réalité très faible si l’on réalise l’énorme volume de bétonemployé annuellement dans le monde : à peu près 7 km3, soit plus d’un m3 par habitant !C’est précisément parce que son impact sur l’environnement est faible que nouspouvonsen utiliser de telles quantités sans conséquences fâcheuses. Il est devenu l’un des piliersde notre civilisation. La présentation d’Alain Capmas détaille les différents volets decette analyse, y compris certains aspects sociaux.

Ne croyez pas que le béton soit un matériau figé. Il est en pleine évolution! Les bétons àultra-hautesperformances,permettantde réaliserdesouvragesd’une esthétique,d’une

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ultra-hautesperformances,permettantde réaliserdesouvragesd’une esthétique,d’unefiabilité et d’une durabilité sans pareilles, les bétons auto-plaçants, pouvant être mis enplace sans nuisance sonore et au prix d’un effort très réduit sont évoqués dans le coursdeRichard Cavaillès.

Luigi Cassar axe sa présentation sur les bétons auto-nettoyants et dépolluants,susceptibles d’améliorer radicalement notre environnement urbain, ce sont des exemplesspectaculaires de cette évolution. La présentation de Luigi Cassar est un feu d’artifice.

Les référencesdes courbes, croquis, diagrammes, photos et autres illustrations de cesdiapositives proviennent des bibliographies des différents cours ; les courbes,

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diapositives proviennent des bibliographies des différents cours ; les courbes,diagrammes, croquis, photos et autres illustrations sans référenceappartiennent auxauteurs dont les cours sont présentés dans cette introduction à l’Ecole Thématique.