La carbonatation est l’un des processus initiateurs de la corrosion des armatures du béton armé. Sa cinétique est souvent utilisée pour modéliser la durabilité des ouvrages. La carbonatation résulte de la réaction en présence d’eau entre le dioxyde de carbone contenu dans l’air et les phases hydratées de la pâte de ciment. Elle donne du carbonate de calcium et provoque une baisse du pH qui induit la dépassivation des armatures et leur corrosion. La carbonatation des matériaux à base de ciment a été largement étudiée ces dernières années mais les données de la littérature sont extrêmement contradictoires sur la plupart des évolutions qu’elle engendre tant au niveau microstructural qu’à l’échelle macroscopique. Notre travail a eu pour objectif d’étudier les conséquences microscopiques et macroscopiques de la carbonatation sur deux mortiers standards simples à base de ciment CEM I et CEM II. Nous avons mené une étude expérimentale approfondie sur deux mortiers normalisés à base de ciment CEM I et CEM II pour comprendre les mécanismes physico-chimiques de la carbonatation. Nous avons utilisé les techniques suivantes pour examiner les conséquences de la carbonatation sur les caractéristiques microstructurales de la matrice cimentaire : analyse thermogravimétrique, diffraction de rayons X, pycnométrie à l’hélium, adsorption – désorption d’azote et de vapeur d’eau. Comme ces modifications observées au niveau de la microstructure induisent à leur tour des évolutions significatives au niveau des propriétés macroscopiques d’usage et des indicateurs de durabilité, nous avons examiné les conséquences de la carbonatation sur la perméabilité au gaz, la vitesse de propagation des ondes ultrasonores, la conductivité thermique et la résistivité électrique de surface. Notre étude a également porté sur la contribution de la carbonatation à la cicatrisation des mortiers endommagés thermiquement. Enfin, nos résultats expérimentaux ont été utilisés comme base de données pour élaborer un modèle sur la propagation de CO2 dans la matrice cimentaire. / Carbonation is one of the most important factors that initiate the corrosion of steel bars in reinforced concrete. Its kinetics are often used to model the durability of structures. Under the action of carbon dioxide from the air and with the presence of water in the pores, several hydrated phases of the cement paste are carbonated and form calcium carbonate. This process causes a decrease in pH of the pore water, which subsequently induces the depassivation and corrosion of the rebars. Although the carbonation of cementitious materials has been extensively studied in recent years, results in literature about changes in both micro and macroscopic levels are extremely contradictory. The aim of this work is to study the micro and macroscopic effects of carbonation on two standard cement mortars CEM I and CEM II. A wide experimental campaign was conducted on two standard mortars CEM I and CEM II in order to apprehend the physicochemical mechanisms of the carbonation. The following techniques were used to examine the impacts of carbonation on the microstructural characteristics of the cementitious matrix : thermogravimetric analysis, X-ray diffraction, helium pycnometry, nitrogen and water vapor adsorption-desorption. As changes observed in the microstructure could consequently induce significant modifications in the macroscopic properties and the sustainability indicators, we examined the effects of carbonation on the gas permeability, the ultrasonic waves velocity, the thermal conductivity and electrical resistivity. Our work also studied the self-healing effect caused by carbonation of thermally damaged mortars. Finally, our experimental results were used as a database to elaborate a model of the propagation of CO2 in the cementitious matrix.