Les réactions qui se passent dès le début du gâchage et se poursuivent dans le temps sont extrêmement complexes.
Le ciment Portland contient quatre constituants principaux : le silicate tricalcique 3 CaO, SiO₂ ou, par abréviation, C₃S ; le silicate bicalcique 2 CaO, SiO₂ ou, par abréviation, C2S ; l’aluminate tricalcique 3 CaO, Al₂ O₃ ou, par abréviation, C₃A ; l’alumino-ferrite tétracalcique 4 CaO, Al₂ O₃, Fe₂ O₃ ou, par abréviation, C₄ AF.
Ces constituants anhydres donnent en présence d’eau, naissance à des silicates, des aluminates de calcium hydratés et de la chaux hydratée dite Portlandite formant un gel micro-cristallin, à l’origine du phénomène dit de « prise ».
C’est le développement et la multiplication de ces micro-cristaux dans le temps qui expliquent l’augmentation des résistances mécaniques. Le ciment durci est une véritable « roche artificielle » qui évolue dans le temps et en fonction des conditions extérieures.
Avant d’atteindre son stade final, l’évolution du ciment passe par trois phases successives.

■ Phase dormante

La pâte de ciment – ciment + eau – reste en apparence inchangée pendant un certain temps (de quelques minutes à plusieurs heures suivant la nature du ciment). En fait, dès le malaxage, les premières réactions se produisent, mais sont ralenties par la présence du gypse.

■ Début et fin de prise

Après une à deux heures pour la plupart des ciments, on observe une augmentation brusque de la viscosité : c’est le début de prise, qui est accompagné d’un dégagement de chaleur. La fin de prise correspond au moment où la pâte cesse d’être déformable et se transforme en un matériau rigide.

■ Durcissement

On a l’habitude de considérer le durcissement comme la période qui suit la prise et pendant la quelle l’hydratation du ciment se poursuit. La résistance mécanique continue à croître très longtemps, mais la résistance à 28 jours est la valeur conventionnelle.

Le ciment se caractérise par un certain nombre de critères mesurés de façon conventionnelle, soit sur la poudre, soit sur pâte, soit sur « mortier normal » (mélange normalisé de ciment, sable et eau défini par la norme NF EN 196-1).

■ Caractéristiques de la poudre

La surface spécifique (finesse Blaine)
Elle permet de mesurer la finesse de mouture d’un ciment. Elle est caractérisée par la surface spécifique ou surface développée totale de tous les grains contenus dans un gramme de ciment (norme NF EN 196-6). Elle s’exprime en cm²/g. Suivant le type de ciment, cette valeur est généralement comprise entre 2 800 et 5 000 cm²/g.

La masse volumique apparente
Elle représente la masse de la poudre par unité de volume (vides entres les éléments inclus). Elle est de l’ordre de 1 000 kg/m³ (1 kg par litre) en moyenne pour un ciment.

La masse volumique absolue
Elle représente la masse de la poudre par unité de volume (vides entre les éléments exclus).
Elle varie de 2 900 à 3 150 kg/m³ suivant le type de ciment.

■ Caractéristiques mesurées sur pâte ou sur « mortier normal »

Le début de prise
Il est déterminé par l’instant où l’aiguille de Vicat – aiguille de 1 mm² de section pesant 300 g – ne s’enfonce plus jusqu’au fond d’une pastille de pâte pure de ciment. Les modalités de l’essai font l’objet de la norme NF EN 196-3.

Suivant les types de ciment, le temps de début de prise doit être supérieur à 45 minutes ou à 1 heure.

L’expansion
Elle se mesure suivant un procédé normalisé par la norme NF EN 196-3 et grâce aux aiguilles de Le Chatelier. Il permet de s’assurer de la stabilité du ciment. L’expansion ne doit pas être supérieure à 10 mm sur pâte pure pour tous les ciments (NF EN 197-1).

Le retrait
La mesure du gonflement dans l’eau et du retrait dans l’air est effectuée sur prisme de 4 x 4 x 16 cm sur « mortier normal » (norme NF P 15-433). Le retrait est limité à 0,8 mm/m ou à 1 mm/m suivant le type de ciment.

Les résistances mécaniques
Mesurées sur éprouvettes de mortier normal, elles caractérisent de façon conventionnelle la résistance du ciment définie par sa valeur nominale. Cette valeur est la limite inférieure de résistance en compression à 28 jours.