Données physico-chimiques

Données atomiques

Données physiques

Données thermodynamiques

Hémihydrate cristallisé (bassanite) :

• Enthalpie molaire standard de formation à 298,15 K : -1 575,2 kJ.mol^-1
• Enthalpie libre molaire standard de formation à 298,15 K : -1 436,4 kJ.mol^-1
• Entropie molaire standard à 298,15 K : S° = 134,4 J.K^-1mol^-1
• Capacité thermique molaire sous pression constante à 298,15 K : Cp° = 124,3 J.K^-1mol^-1

Données industrielles

Matières premières

Gypse naturel, synthétique ou recyclé, voir les chapitres sulfate de calcium et gypse.

Fabrication industrielle

Quelle que soit l’origine du gypse, naturel, synthétique ou recyclé, une déshydratation partielle, par chauffage, donne de l’hémihydrate de calcium selon la réaction suivante, à 150°C :

CaSO₄,2H₂O = CaSO₄,1/2H₂O + 3/2 H₂O

Un chauffage à plus haute température, 290°C, donne de l’anhydrite CaSO₄, sulfate complètement déshydraté, appelé « surcuit » par la profession. Un chauffage à plus de 700°C, donne une anhydrite très peu réactive à l’eau, appelée « plâtre cuit à mort ».

Procédés utilisées : 2 types.

• Le procédé par voie sèche, qui est de très loin le plus utilisé, est réalisé à la pression atmosphérique. Il donne, vers 140-170°C, de l’hémihydrate bêta et par chauffage vers 400-600°C, de l’anhydrite (CaSO₄). Le chauffage est effectué, en général, dans des fours rotatifs, de 1 à 2,5 m de diamètre et 10 à 30 m de longueur. Les fours sont munis intérieurement de pales permettant le brassage de la charge. Ils fonctionnent à température constante et donnent soit de l’hémihydrate soit de l’anhydrite en fonction de la température de chauffage choisie, le mélange éventuel étant effectué par la suite. Les capacités de production varient de 5 à 30 t à l’heure.
• Le procédé par voie humide s’effectue sous pression saturante de vapeur d’eau, dans des autoclaves, sous 2 à 7 bar, pendant quelques heures. Il donne de l’hémihydrate alpha utilisé pour des plâtres spéciaux et pour les moulages dentaires. La résistance mécanique de l’hémihydrate alpha est nettement plus importante que celle de l’hémihydrate bêta mais les coûts de production sont beaucoup plus élevés. En conséquence, la production annuelle est faible, de l’ordre de quelques dizaines de milliers de t/an, en France, par comparaison à celle du plâtre obtenu par voir sèche (quelques millions de t/an).

La prise du plâtre

Lors d’un ajout d’eau, l’hémihydrate et l’anhydrite se dissolvent, puis CaSO₄,2 H₂O précipite : c’est la prise du plâtre.

CaSO₄,1/2H₂O + 3/2 H₂O = CaSO₄,2H₂O

Le plâtre fait prise du fait de la différence de solubilité entre l’hémihydrate et de dihydrate (le gypse). La solubilité de l’hémihydrate est, à 20°C, de 9 g.L^-1, alors que celle du gypse est de 2 g.L^-1. En conséquence, en présence d’eau, l’hémihydrate passe en solution, le dihydrate se forme en fixant une partie de l’eau de la solution, la solution devient sursaturée en sulfate qui précipite. Il se reforme ainsi du gypse matière première du plâtre. En 30 minutes environ, 95 % de l’hémihydrate se transforme en dihydrate et il faut moins de 2 heures pour que la réaction soit totale.
La quantité théorique d’eau est de 36 g d’eau pour 145 g d’hémihydrate mais dans la pratique, afin d’avoir une pâte facilement moulable, la quantité ajoutée est de 4 à 5 fois plus importante.
Afin de moduler la vitesse de prise divers ajouts peuvent être effectués.

• Des accélérateurs, particulièrement utilisés dans l’élaboration de produits préfabriqués, permettent de diminuer le temps de prise. Le gypse finement broyé (provenant par exemple du recyclage de chutes de fabrication) permet d’apporter de nombreux germes de cristallisation. L’ajout d’ions sulfate permet également d’accélérer la prise.
• Les principaux retardateurs de prise sont des phosphates alcalins, des acides organiques et leurs sels (par exemple l’acide citrique et les citrates).

Productions

En 2018, la production mondiale est d’environ 100 millions de t, dont, en 2019, 17 millions de t aux États-Unis.

Commerce international : en 2019.

Principaux pays exportateurs, sur un total mondial de 4,707 millions de t :

Source : ITC

Les exportation allemandes sont destinées principalement à 20 % à la Belgique, 16 % aux Pays Bas, 11 % à la Suède, 10 % à la Suisse, 10 % à la France.

Principaux pays importateurs :

Source : ITC

Les importations belges proviennent principalement à 58 % d’Allemagne, 42 % de France.

Produits en plâtre

Poudre : le plâtre utilisé en construction, appelé plâtre de Paris, est un mélange. Il est principalement constitué d’hémihydrate bêta (CaSO₄,½H₂O, de 60 à 80 %) et d’anhydrite (CaSO₄), les autres composés présents provenant d’impuretés contenues initialement dans le gypse. Il est obtenu par le procédé par voie sèche. Les propriétés du plâtre (donc ses utilisations) dépendent, en grande partie, de sa composition en hémihydrate et en anhydrite. Exemple de composition de plâtre destiné à la réalisation d’enduits :

Le plâtre utilisé pour élaborer des produits préfabriqués (carreaux, plaques…) est généralement de l’hémihydrate bêta.

Carreaux : ils ont généralement une épaisseur comprise entre 4 et 10 cm pour des dimensions de 66 x 50 cm. Le plâtre est versé sur l’eau et après un gâchage de quelques dizaines de secondes, le plâtre est coulé dans des moules verticaux en acier, à fond mobile. Le démoulage a lieu après 7 à 10 minutes par montée du fond qui ainsi extrude le carreau en lui donnant une finition de surface particulièrement lisse. Un séchage est réalisé, à l’air chaud, dans des séchoirs tunnels pendant 20 à 35 heures. Le coût du séchage représente environ 25 % du prix de revient du produit fini.

Plaques : elles ont généralement une épaisseur comprise entre 9,5 et 15 mm pour des dimensions de 1,2 x 2,5 m. La production se déroule en continu sur un tapis à une vitesse comprise entre 60 et 160 m/min. Après mélange (avec un rapport massique eau/plâtre de 80 à 90 %, un ajout d’amidon pour assurer l’adhérence avec le carton et un accélérateur de prise, en général du gypse finement broyé) et gâchage, le plâtre est coulé entre 2 feuilles continues de carton recyclé, l’ensemble étant ensuite laminé à l’épaisseur souhaitée par deux cylindres puis coupé en bout de chaîne, la prise étant terminée. Les plaques sont enfin séchées pendant environ 45 minutes. La longueur d’une chaîne de fabrication est de 350 à 500 m avec des consommations qui peuvent atteindre 200 000 t/an de gypse et 10 000 t/an de carton pour des capacités annuelles de production de 20 millions de m² de plaques. En 2020, la capacité moyenne de production d’une usine est de 32 millions de m²/an.
Les plaques ont été inventées, en 1894, aux États-Unis, par Augustine Sackett, où elles sont appelées « plasterboard » ou « wallboard ». Au Québec, elles sont appelées « cloisons sèches ».
Les coûts de productions sont répartis, par exemple pour Siniat, entre le papier, 25 %, l’énergie, 25 % et le gypse, 10 %.
En 2020, les capacités mondiales de production sont de 17,171 milliards de m²/an dont 3,21 milliards m²/an en Chine.
En 2019, la capacité annuelle de production des États-Unis est, dans 63 usines, de 3,168 milliards de m² pour une production de 2,23 milliards de m².

Producteurs de plaques :

Propriétés du plâtre

Lors du séchage du plâtre, naturel ou en usine, le départ de l’eau s’accompagne de l’apparition d’une porosité qui confère au plâtre des qualités d’isolation thermique et phonique. Par ailleurs, la présence de cette porosité permet de réguler l’hygrométrie des locaux.
C’est un matériau résistant au feu. Il est classé A1, c’est-à-dire incombustible. D’autre part, du fait de sa porosité, il est mauvais conducteur de la chaleur et surtout, lors d’un incendie, il libère de l’eau (l’eau de constitution du gypse), en se déshydratant par une réaction de plus endothermique (qui absorbe de la chaleur). Par kilogramme de plâtre, la consommation d’énergie est de 711 kJ pour déshydrater et 544 kJ pour vaporiser l’eau libérée. Tant qu’il reste de l’eau à vaporiser, la température du matériau reste constante à 100°C. Enfin, les transformations subies ne génèrent aucun gaz toxique ni combustible.

Situation française

Production

Gypse et anhydrite, en 2018 : 5,315 millions de t dont 614 000 t utilisées, en 2016, dans les cimenteries.

Commerce extérieur

Exportations, en 2019 :

• Plaques : 86 675 t vers la Belgique à 42 %, le Royaume Uni à 20 %, l’Espagne à 12 %.
• Carreaux : 23 713 t vers la Belgique à 75 %, le Maroc à 5 %, l’Espagne à 5 %.
• Plâtre de construction : 281 062 t vers la Belgique à 61 %, l’Espagne à 8 %, les Pays Bas à 8 %.

Importations, en 2019 :

• Plaques : 433 599 t d’Espagne à 41 %, d’Italie à 20 %, de Belgique à 19 %.
• Carreaux : 71 189 t d’Espagne à 47 %, d’Allemagne à 21 %, des Pays Bas à 9 %.
• Plâtre de construction : 112 187 t d’Allemagne à 55 %, d’Espagne à 35 %, de Belgique à 6 %.

Producteurs

3 groupes assurent l’essentiel de la production.

• Siniat, filiale du groupe belge Etex, avec des usines de plaques à Auneuil (60) : 38 millions de m²/an, Carpentras (84), Saint Loubès (33) avec 35 millions de m²/an, Ottmarsheim (68), des usines de plâtre en poudre au Pin (77), Mazan (84), Carresse (64) et des produits en plâtre à Mériel (95) avec 150 000 t/an.
• Placoplâtre, filiale de Saint-Gobain, avec des usines de plaques à Vaujours (93) avec 72 millions de m²/an, Chambéry (73) avec 40 000 m²/an et Cognac (16) avec 33 millions de m²/an, des usines de carreaux et de poudre à Cormeilles (95) et Vaujours (93).
• Plâtres Knauf, filiale française du groupe Knauf avec une usine de plaques de plâtre à Saint-Soupplets (77), avec une production de 45 millions de m²/an de plaques et une consommation de gypse de 450 000 t/an.

Utilisations

Consommations de plaques : 2,3 milliards de m² de plaques, en 2016, aux États-Unis, 1,6 milliard de m²/an de plaques, en Europe, plus de 300 millions de m²/an de plaques, en France.

Autres utilisations :

Une autre utilisation importante est la fabrication de moules dans l’industrie céramique par exemple pour élaborer des pièces en série : faïences, porcelaines, grès, céramiques sanitaires…

Des mortiers à base de plâtre (sous forme d’anhydrite) et de sable sont utilisés pour réaliser des sols intérieurs de locaux.

Le stuc est un plâtre additionné d’ajouts chimiques et de poudre de pierre, il est destiné à imiter le marbre. Le staff est un plâtre armé de fibres végétales, de fibres de verre ou d’autres matériaux, il est utilisé pour confectionner des plaques pour plafond, des rosaces, des corniches… et est concurrencé par le polyuréthane.

Bibliographie

Données physico-chimiques

Données atomiques

Données physiques

Données thermodynamiques

Gypse cristallisé :

• Enthalpie molaire standard de formation à 298,15 K : -2 023,4 kJ.mol^-1
• Enthalpie libre molaire standard de formation à 298,15 K : -1 798,1 kJ.mol^-1
• Entropie molaire standard à 298,15 K : S° = 194,2 J.K^-1mol^-1
• Capacité thermique molaire sous pression constante à 298,15 K : Cp° = 186,1 J.K^-1mol^-1

Données industrielles

État naturel

Le sulfate de calcium se présente sous forme de gypse : CaSO₄, 2 H₂O ou d’anhydrite : CaSO₄, dans des roches sédimentaires. Ce sont les gisements de gypse qui sont principalement exploités. Ils sont nombreux dans le monde, particulièrement en Chine, en Amérique du Nord et en Europe.

Quelques gypses naturels particuliers : le gypse qui se présente généralement sous forme de roches, peut aussi se rencontrer dans la nature sous forme de roses des sables. Il forme également l’albâtre qui lorsqu’il est pur est translucide et utilisé traditionnellement comme vitrage au Yémen. Impur, l’albâtre est veiné.

Exploitations industrielles

Les exploitations, qu’elles soient souterraines ou à ciel ouvert, sont, en France, d’après le code minier et la propriété du sous-sol, dénommées carrières. Les exploitations souterraines sont exploitées de façon classique selon la méthode des chambres et piliers avec un taux de récupération d’environ 35 %. Les exploitations sont à ciel ouvert lorsque le gisement n’est pas à une trop grande profondeur. Après extraction, les roches sont concassées en blocs primaires de moins de 200 mm puis subissent un concassage secondaire jusqu’à moins de 50 mm de diamètre. La teneur en gypse des roches extraites est supérieure à 75 %. Le gypse exploité en France qui a une pureté supérieure à 90 % (souvent 98 %) ne nécessite pas de traitement de purification. Exemple de composition de gypse extrait en France :

Aux États Unis, en 2019, la production minière est assurée par 47 sociétés qui exploitent 52 carrières principalement dans l’Oklahoma, le Nevada, le Texas, le Kansas, l’Arkansas, l’Iowa…

En Europe, en 2019, 154 carrières sont en exploitation, dont 26 en Espagne.

Productions

Gypse naturel, en 2019. Monde : 140 millions de t, Union européenne, en 2019 : 22,2 millions de t.

Commerce international : il a concerné, en 2019, 33,275 millions de t de gypse et anhydrite.

Principaux pays exportateurs de gypse et d’anhydrite :

Les importations des États-Unis proviennent à 34 % d’Espagne, 32 % du Mexique, 28 % du Canada, 5 % de Turquie.

Réserves :

Les réserves mondiales sont considérables, probablement de plus du million de millions de tonnes, avec en particulier 700 millions de t aux États-Unis, 450 millions de t au Canada, 340 millions de t au Brésil, 200 millions de t en Turquie.

Principaux producteurs :

• Le groupe chinois BNBM (Beijing New Building Material) est le principal producteur mondial.
• Knauf, exploitait, dans le monde 70 carrières avec une production annuelle de 5 millions de t de gypse et, en avril 2019, a acquis US Gypsum Corp (USG) qui exploite 9 carrières aux États-Unis et 3 au Mexique. Les carrières en exploitation de UGS fournissent 53 % de la consommation des usines de plâtre, le désulfogypse acheté aux centrales thermiques, 39 % et le gypse naturel acheté 8 %. Par ailleurs, est partie prenant dans une joint venture 50/50 avec le groupe australien Boral, avec 3 carrières en exploitation, à Oman, en Australie et en Thaïlande.
• Saint-Gobain et ses filiales exploitent 75 carrières, dont 7 carrières en France (voir plus loin) et avec sa filiale Certain Teed Corp. 4 carrières aux États-Unis et 2 au Canada.
• National Gypsum Co. (NGC) avec 7 carrières aux États Unis et une au Canada, qui est la plus importante exploitation mondiale, à Milford Station au nord d’Halifax, en Nouvelle Écosse.
• Georgia Pacific Corp. (GPC), filiale du groupe Koch Industries, avec 3 carrières exploitées aux États Unis.
• Siniat, filiale du groupe belge Etex, a acheté, fin 2011, les activités du groupe Lafarge dans le gypse et le plâtre, en Europe et Amérique Latine et en janvier 2016 celles d’Afrique du Sud.
• Par ailleurs, les activités de Plâtres Lafarge en Asie, c’est-à-dire 50 % de la joint venture avec le groupe australien Boral, ont été reprises par ce dernier, fin 2011.
  Les activés de Plâtres Lafarge en Australie ont été, fin 2011, vendues au groupe Knauf.
  Les activités de Plâtre Lafarge en Amérique du Nord, où la production de plaques de plâtre est réalisée exclusivement à l’aide de gypse de désulfuration, ont été vendues mi-2013 pour former Continental Building Products, repris, en 2020, par Saint-Gobain.
  LafargeHolcim poursuit l’activité de Lafarge dans le gypse et le plâtre en Algérie et au Maroc, en association avec Saint-Gobain dans ce dernier pays.

Le gypse synthétique sous-produit de traitements chimiques

La production mondiale de gypse synthétique est supérieure à celle du gypse naturel. Toutefois, plus de la moitié du gypse synthétique est du phosphogypse qui présente des inconvénients pour une utilisation en construction. Aux États Unis, en 2017, le gypse synthétique provenant à 85 % de la désulfuration des gaz de combustion des centrales thermiques au charbon (FGD : Flue Gas Desulfurization) représente la moité de la consommation totale de gypse.

Diverses industries donnent comme sous-produit du gypse et en particulier l’industrie des engrais phosphatés donne du phosphogypse. Ce gypse, qui concentre les impuretés du minerai de base, pose souvent des problèmes de stockage et de préservation de l’environnement. Après purification, une utilisation comme matière première pour fabriquer du plâtre a été envisagée avec succès dans certains pays dépourvus de gypse naturel (Belgique, Pays-Bas…). En France, les tentatives effectuées dans les années 70 ont échoué.

Les traitements chimiques de désulfuration des gaz de combustion, à l’aide de carbonate de calcium ou d’hydroxyde de calcium, donnent un gypse, non pollué, directement utilisable comme matière première. La production de ce type de gypse synthétique s’est développé fortement en liaison avec la préservation de l’environnement. Toutefois, la diminution, aux États-Unis et en Allemagne, de la production d’électricité à partir de charbon entraîne une réduction de la production de ce co-produit.

Le phosphogypse

L’industrie des engrais phosphatés produit du gypse (1,7 t/t de phosphate) lors de la fabrication de l’acide phosphorique à partir de phosphate naturel selon la réaction :

Ca₁₀(PO₄)₆F₂ + 10 H₂SO₄ + 20 H₂O = 6 H₃PO₄ + 10 CaSO₄,2H₂O + 2 HF

La quantité de gypse formé (appelé phosphogypse) est considérable, de l’ordre de 241 millions de t/an dans le monde. L’acide phosphorique formé sert, en grande partie, à produire du superphosphate triple ou des phosphates d’ammonium. Dans le cas de la fabrication du superphosphate normal, de moins en moins utilisé, le gypse, qui n’est pas séparé, accompagne le phosphate monocalcique dans l’engrais. Lors de la fabrication de l’acide phosphorique l’élimination du gypse est effectuée par filtration. Dans les années 80, la production totale française était d’environ 6 millions de t dont 900 000 t dans chacune des unités de Grand Quevilly, Grand Couronne et du Havre, en Seine Maritime. Cette production était du même ordre de grandeur que celle du gypse naturel (voir le chapitre acide phosphorique). Cette production est terminée depuis 2004.

Afin de valoriser ce sous-produit, en 1978, 4 usines de traitement fonctionnaient en France. Par exemple, l’usine de fabrication de carreaux de plâtre de Grand Quevilly, construite en 1975, de 300 000 t de capacité, a été arrêtée en 1979, le coût du séchage (pour éliminer l’eau absorbée par le phosphogypse) et de la purification rendant la production non rentable. Tous les autres pays ont abandonné cette valorisation sauf le Japon et la Belgique. Pour ces pays, la récupération du phosphogypse pour l’industrie du plâtre est considérée rentable. Dans le monde, en 2018, l’utilisation du phosphogypse est de 50 à 60 millions de t, principalement en agriculture. En conséquence, la plus grande partie du phosphogypse produit est stockée avec, dans le monde, une accumulation de 3 à 4 milliards de t dont 1,2 milliard de t en Floride.

Les autres inconvénients de l’utilisation du phosphogypse pour fabriquer du plâtre résident dans l’extrême finesse du gypse obtenu qui rend difficile son utilisation dans le cas de plâtres à enduire. Par ailleurs, la radioactivité de certains phosphogypses, liée à la présence de traces d’uranium dans le minerai phosphaté et à l’émission de radon, entraîne une utilisation délicate dans le bâtiment.

Le désulfogypse

La désulfuration des gaz de combustion de charbon et de fuel est de plus en plus rendue obligatoire afin de préserver l’environnement. Cela concerne principalement les centrales thermiques au charbon qui produisent de l’électricité. La France, avec un parc important de centrales nucléaires, est peu concernée. Par contre, des pays tels que l’Allemagne, la Grande Bretagne, les États-Unis, le Japon, pratiquent, à grande échelle, la désulfuration des fumées. En 2018, aux États-Unis, il y a 381 unités de production de désulfogypse avec une production de 29,742 millions de t et une utilisation de 16,635 millions de t à comparer à une production de gypse naturel de 20 millions de t.

La technique de désulfuration la plus couramment adoptée, car la moins chère, consiste à absorber le dioxyde de soufre (ainsi que les oxydes d’azote) présent dans les gaz de combustion, par une suspension dans l’eau de carbonate de calcium. Les réactions globales sont les suivantes :

SO₂ + CaCO₃ = CaSO₃ + CO₂

CaSO₃ + 1/2 O₂ + 2 H₂O = CaSO₄,2H₂O

La fixation par une suspension aqueuse d’hydroxyde de calcium (c’est le classique lait de chaux) est aussi utilisée, selon la réaction globale suivante :

2 SO₂ + 2 Ca(OH)₂ + O₂ + 2 H₂O = 2 CaSO₄,2H₂O

Le gypse obtenu est appelé désulfogypse, gypse FGD (Flue Gas Desulfurization) ou REA gips en Allemagne. C’est la principale ressource de substitution du gypse. En 2012, la production de l’Union européenne a été de 18 millions de t dont 7,03 millions de t en Allemagne.
Aux États Unis, en 2018, sur les 16,635 millions de t, 67 % ont été utilisés dans l’industrie des plaques de plâtre, 10 % dans celle du ciment et 6 % en agriculture. Le désulfogypse non utilisé a été mis en décharge.
La France ne produit qu’une faible quantité de désulfogypse du fait de l’importance du parc nucléaire pour la production d’électricité et en conséquence de la faible consommation de charbon dans des centrales thermiques. Par exemple, en 2018, la centrale thermique EdF de Cordemais (44) a produit ainsi 38 017 t de désulfogypse valorisé dans la production de ciment et 6 561 valorisé en agriculture.
Le développement du gaz de schiste aux États-Unis a entraîné, pour l’alimentation des centrales thermiques produisant de l’électricité, en partie la substitution du charbon par le gaz naturel qui renferme moins de soufre que le charbon et en conséquence, une production moindre de désulfogypse.

Les autres gypses synthétiques

La fabrication de l’acide fluorhydrique à partir du spath fluor coproduit de l’anhydrite appelée fluoranhydrite selon la réaction, réalisée à 200°C :

CaF₂ + H₂SO₄ = CaSO₄ + 2 HF

D’autres industries produisent également du gypse : la fabrication de l’acide borique (borogypse), des acides citrique (citrogypse) et tartrique, du dioxyde de titane (titanogypse), du sucre… Les quantités de gypse produites par ces industries restent limitées.

Du gypse est également coproduit, en faible quantité, lors de la production de chlorure de sodium par évaporation d’eau de mer dans des marais salants (voir le chapitre chlorure de sodium).

Productions de gypse synthétique

Source : Global Gypsum Magazine, mars 2020

Recyclage

Le gypse utilisé en construction est totalement recyclable car mis en œuvre sous forme de plâtre (gypse partiellement déshydraté) il est réhydraté en gypse. Les chutes de fabrication et d’installation des plaques de plâtre sont récupérées et recyclées dans la fabrication de nouvelles plaques. Le plâtre provenant de la démolition d’immeubles est également, en partie, recyclé en agriculture. Aux États Unis, le recyclage représente, en 2016, 4 millions de t.
En France, en 2018, le recyclage, hors déchets de fabrication, a porté sur 93 000 t soit 27 % d’un gisement estimé à 350 000 t. L’objectif est d’atteindre 70 % en 2020.
Par exemple, en 2018, la société Placoplâtre a recyclé 51 000 t de plâtre, sur 3 sites, Vaujours, Chambéry et Cognac, à l’aide d’un réseau de 170 collecteurs.
Siniat recycle le plâtre sur 4 sites, Auneuil, Saint-Loubès, Ottmarsheim et Carperntras, à l’aide d’un réseau de 150 collecteurs.

Situation française

La production naturelle de gypse et d’anhydrite est, en 2019, de 3,260 millions de t.

Gisement du Bassin Parisien : avec 3 400 hectares exploitables il a été formé à l’Éocène, il y a 65 millions d’années. Il est constitué de 3 à 4 couches (appelées masses) successives de gypse séparées par des marnes (argiles calcaires) qui ont protégé le gypse de la dissolution. La couche la plus proche de la surface est la plus épaisse (jusqu’à 21 m), la deuxième couche étant plus mince (environ 7 m). Ces 2 couches sont les principales actuellement exploitées. L’érosion intense du quaternaire n’a laissé subsister que des buttes dans lesquelles sont effectuées les exploitations actuelles. Les réserves exploitables de gypse du Bassin Parisien qui étaient estimées, il y a 25 ans pouvoir durer 100 ans, ne sont plus actuellement que de 30 à 40 ans du fait de l’emprise de l’urbanisation et de la réglementation.

Carrières : en France, sur 14 carrières de gypse en cours d’exploitation, les principales sont situées :

• Dans le Bassin Parisien, les carrières exploitées fournissent environ 68 % de la production française : dans le Val d’Oise à Cormeilles en Parisis (à ciel ouvert et en cours de transformation en exploitation souterraine) et Montmorency (souterraine), dans la Seine-Saint-Denis à Bernouille (souterraine), dans la Seine et Marne au Pin-Villeparisis (à ciel ouvert), Villevaudé-Le Pin (souterraine) et Saint Soupplets (souterraine).
• En Provence (environ 13 % de la production française) : en particulier à Lantosque (06) et Mazan (84) où la carrière à ciel ouvert, la plus importante d’Europe, a une capacité de production de 750 000 t/an.
• Dans le Sud-Ouest (environ 9 % de la production française), à Carresse (64), Pouillon (40).
• Dans les Alpes (environ 5 % de la production française) à Saint Jean de Maurienne (73) et Lazer (05).
• En Charente (environ 4 % de la production française), à Cherves-Richemont (16).

Production d’anhydrite : des gisements sont présents en Moselle. Ils sont exploités par :

• Saint-Gobain au travers de sa filiale Anhydrite Minérale, à Faulquemont (57), avec une exploitation souterraine et une capacité de production de 370 000 t/an.
• Knauf au travers de sa filiale L’Anhydrite Lorraine, à Koenigsmacker (57). L’exploitation est souterraine avec une capacité de production de 500 000 t/an.

Principaux producteurs :

• La société Placoplâtre, filiale de Saint-Gobain, avec une capacité de production d’environ 2 millions de t/an, exploite 7 carrières en France à :
  • Pouillon (40), qui couvre 79 hectares, exploitée à ciel ouvert, avec 15 000 t/an pour alimenter principalement l’usine de Cognac qui produit des plaques de plâtre et des amendements de sols.
  • Lazer (05), qui couvre 171 hectares dont 12 en exploitation à ciel ouvert, avec de 80 000 à 150 000 t/an pour alimenter l’usine de plaques de plâtre de Chambéry en couvrant 1/3 de ses besoins.
  • Saint Jean de Maurienne (73), détenue à 77 % par Placoplâtre et 20 % par Vicat, couvre 41 hectares, exploitée à ciel ouvert, avec 265 000 t/an pour alimenter l’usine de plaques de plâtre de Chambéry et les cimenteries régionales. Journellement, un train de 1 100 t assure le transport entre la gare de Saint Jean de Maurienne et Chambéry.
  • Cormeilles en Parisis (95), qui couvre 86 hectares, exploitée à ciel ouvert, avec 350 000 t/an pour alimenter à l’aide d’un convoyeur à bande, l’usine proche de fabrication de plâtres industriels et de carreaux de plâtre. Les 3 couches du gisement, possédant des épaisseurs de 16, 5 et 2 mètres sont exploitées. Les réserves de l’exploitation à ciel ouvert s’épuisant, l’exploitation sera poursuivie souterrainement dans la première couche.
  • Montmorency (95), qui couvre 1418 hectares sur 16 communes, dont 945 exploités par Placoplâtre, le reste par Siniat, exploitée souterrainement à 80 mètres de profondeur, avec 620 000 t/an extraites dans la principale couche du gisement, à l’aide de galeries de 8 m de large et de 8 à 11 m de haut, avec des piliers de 16×16 ou 10×10 m². Le concassage et le criblage sont effectués en souterrain.
  • Bernouille (93) sur les communes de Coubron et Vaujours, qui couvre 82 hectares, exploitée souterrainement, avec 500 000 t/an pour alimenter l’usine proche de Vaujours (93).
  • Le Pin-Villeparisis (77), qui couvrait 91 hectares, exploitée à ciel ouvert, avec 600 000 t/an pour alimenter l’usine de plaques de plâtre de Vaujours (93). Le gisement s’épuisant, la carrière, à ciel ouvert du Bois Gratuel – Les Mazarins, a pris le relai sur 55 hectares avec une production de 580 000 t/an.
  • Placoplâtre a un projet d’ouverture d’une nouvelle carrière à ciel ouvert au fort de Vaujours (93) sur un ancien site du Commissariat à l’Énergie Atomique afin d’alimenter l’usine de Vaujours, la carrière de Bernouille arrivant en fin d’exploitation.
• La société Siniat, qui a repris les activités de Plâtres Lafarge, exploite, en France, les carrières de Montmorency (95), Villevaudé-Le Pin (77), Carresse (64), Lantosque (06) et Mazan (84).
• Le groupe Knauf Plâtre exploite la carrière de Saint Soupplets (77).
• Le groupe Garandeau exploite la carrière de Cherves-Richemont (16).

Commerce extérieur : en 2019.

Les exportations étaient de 297 529 t avec comme principaux marchés à :

• 74 % la Belgique,
• 21 % les Pays Bas,
• 5 % l’Allemagne.

Les importations s’élevaient à  336 929 t en provenance principalement à :

• 48 % d’Espagne,
• 20 % d’Allemagne,
• 5 % des Pays Bas.

Utilisations

Consommations : en 2018, la consommation mondiale, de gypse naturel et synthétique, est de 278,5 millions de t dont, en 2019, aux États-Unis, 42 millions de t.

La part importante de consommation du gypse dans la fabrication de produits de plâtre (plaques…) concerne principalement les États-Unis et l’Europe.

• Plâtre : voir ce chapitre.
• Cimenteries : le ciment contient de 3 à 5 % de gypse qui sert de régulateur de prise. En 2018, la consommation mondiale de gypse par l’industrie cimentière est de 160,8 millions de t, à 55,8 % naturel et 44,2 % synthétique. En France, en 2016, 641 000 t de gypse ont été consommées dans les ciments, aux États-Unis, en 2016, la consommation a été de 4,11 millions de t.
• Agriculture : le gypse apporte les ions calcium et sulfate nécessaires à la croissance des plantes, en évitant l’augmentation du pH comme lors de l’apport de chaux.
• Autres utilisations (de consommations faibles) : industries du papier, du verre, des peintures, traitement des eaux, constructions dans les régions sèches (Souf et Mzab algérien).
• Le sulfate de calcium commence à être utilisé pour effectuer des greffes osseuses.

L’anhydrite est utilisé dans l’industrie cimentière ainsi que pour élaborer des chapes « liquides » destinées aux planchers chauffants.

Bibliographie

Données physico-chimiques

Données atomiques

Données physiques

Données chimiques

Données thermodynamiques

Sulfate de calcium cristallisé (anhydrite) :

• Enthalpie molaire standard de formation à 298,15 K : -1 434,7 kJ.mol^-1
• Enthalpie libre molaire standard de formation à 298,15 K : -1 322,4 kJ.mol^-1
• Entropie molaire standard à 298,15 K : S° = 106,7 J.K^-1mol^-1
• Capacité thermique molaire sous pression constante à 298,15 K : Cp° = 99,7 J.K^-1mol^-1
• Enthalpie molaire standard de fusion à la température de fusion : 28 kJ.mol^-1

Données industrielles

Voir également les chapitres gypse et plâtre.

Le sulfate de calcium est la forme déshydratée du gypse et du plâtre. Son minéral, l’anhydrite, peut être extrait de gisements miniers. Le sulfate de calcium est aussi coproduit par divers procédés industriels, par exemple lors de la fabrication de l’acide fluorhydrique à partir du spath fluor.

Production d’anhydrite

Des gisements sont présents, en France, en Moselle. Ils sont exploités par :

• Saint-Gobain au travers de sa filiale Anhydrite Minérale, à Faulquemont (57), avec une exploitation souterraine et une capacité de production de 370 000 t/an.
• Knauf au travers de sa filiale L’Anhydrite Lorraine, à Koenigsmacker (57). L’exploitation est souterraine avec une capacité de production de 500 000 t/an.

Utilisation

L’anhydrite est utilisé dans l’industrie cimentière ainsi que pour élaborer des chapes « liquides » destinées aux planchers chauffants.

Données physico-chimiques

Données atomiques

Données physiques

Données chimiques

Données thermodynamiques

Hydroxyde de calcium cristallisé :

• Enthalpie molaire standard de formation à 298,15 K : -986,5 kJ.mol^-1
• Enthalpie libre molaire standard de formation à 298,15 K : -896,4 kJ.mol^-1
• Entropie molaire standard à 298,15 K : S° = 83,4 J.K^-1mol^-1
• Capacité thermique molaire sous pression constante à 298,15 K : Cp° = 87,5 J.K^-1mol^-1

Données industrielles

L’hydroxyde de calcium, la chaux éteinte et l’oxyde de calcium, la chaux vive, sont traités dans le même chapitre, l’un étant obtenu à partir de l’autre, les producteurs de l’un sont également producteurs de l’autre et les statistiques sont regroupées pour les deux produits.

Fabrication industrielle

L’oxyde de calcium (CaO, chaux vive) est obtenu par calcination du calcaire, entre 900 et 1400°C (une température basse donne une chaux plus réactive) dans différents types de fours :

• des fours verticaux (les seuls employés en France), ont jusqu’à 30 m de haut et 7 m de diamètre, les fours étant souvent regroupés par batterie de 4 fours avec une capacité de production pouvant atteindre 800 t/jour. La consommation d’énergie est comprise entre 3,6 et 4,5 GJ/t de chaux. Ils présentent l’inconvénient de ne pas pouvoir traiter les pierres les plus fines, comprises entre 10 et 40 mm, qui boucheraient le four.
• des fours rotatifs (proches de ceux utilisés en cimenteries) avec des capacités de production pouvant atteindre 1 800 t/j. Leur fonctionnement est entièrement continu, le temps de séjour de la charge étant de 6 à 8 heures. La consommation d’énergie est comprise entre 5,5 et 9 GJ/t. Ils peuvent traiter les pierres fines de 10 à 60 mm.

Le calcaire enfourné dans le four (en anglais, le calcaire est dénommé « limestone » : pierre à chaux) a une granulométrie comprise entre 40 et 120 mm pour les fours verticaux et 10 et 150 mm pour les fours rotatifs. Il faut, en moyenne, 3,5 t de calcaire extrait pour produire une tonne de chaux. Cette calcination est une source importante de CO₂ (par exemple pour le procédé Solvay de fabrication de Na₂CO₃).

CaCO₃ = CaO + CO₂

La chaux vive obtenue est un solide poreux, avec une porosité qui peut varier de 25 à 55 %. Elle doit être stockée à l’abri de l’humidité (voir ci-dessous) et à l’abri de l’air car l’humidité atmosphérique donne de l’hydroxyde qui en présence du dioxyde de carbone atmosphérique donne du carbonate et libère de l’eau qui éteint d’autant plus la chaux vive.

Les fours sont toujours situés près des carrières d’extraction du calcaire. Une partie importante de la production est réalisée directement par les industries utilisatrices telles que les sucreries, les papeteries, quelques usines sidérurgiques. En France, ces productions intégrées ne sont pas prises en compte par les statistiques de la profession.

L’hydroxyde de calcium (Ca(OH)₂, chaux éteinte) est obtenu par addition d’eau à la chaux vive dans des hydrateurs de 8 à 20 t/h. La quantité d’eau ajoutée est ajustée de façon à obtenir la chaux éteinte sous forme d’une poudre sèche. Par tonne de CaO, il faut 0,3 m³ d’eau pour l’hydratation et par ailleurs, de 0,3 à 0,4 m³ est évacué en vapeur. La température atteinte est de 110°C.

CaO + H₂O = Ca(OH)₂                                       ΔH° = – 65,5 kJ/mole

La réaction est réversible et par chauffage au-dessus de 100°C, l’hydroxyde peut redonner de l’oxyde sauf s’il s’est formé du carbonate, dans ce cas une température plus élevée, vers 900°C, est nécessaire. L’extinction de la chaux vive se produit avec une forte expansion volumique d’environ un facteur 2,5.

Schéma du procédé de fabrication sur le site de Lhoist.

Différents types d’oxydes et hydroxydes de calcium :

• Chaux grasses (> 90 % de CaO) : elles sont obtenues à partir de calcaire pur (> 95 % de CaCO₃). Elles donnent de l’onctuosité aux mortiers lorsqu’elles sont utilisées en construction.
• Chaux maigres : elles sont obtenues à partir de calcaire moins pur. Utilisées en construction, ces chaux (appelées chaux aériennes) peuvent fixer le CO₂ de l’air pour redonner du carbonate de calcium selon la réaction :

Ca(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃ + H₂O

• Chaux hydrauliques naturelles : obtenues à partir de calcaire contenant jusqu’à 22 % d’argile qui lors de la calcination donne des silicates et aluminates de calcium faisant prise par hydratation, selon les mêmes réactions que la prise d’un ciment (voir le chapitre ciments).
• Chaux magnésiennes (5 % < MgO < 34 %) ou dolomitiques (34 % < MgO < 41,6 %) obtenues à partir de calcaire magnésien ou de dolomie. Elles contiennent MgO ou Mg(OH)₂ après hydratation.

Eau et lait de chaux :

• L’eau de chaux est obtenue par dissolution, juste avant saturation, d’hydroxyde de calcium dans l’eau, la solubilité de l’hydroxyde étant, à 20°C, de 0,125 g pour 100 g de solution. Son pH est de 12,4, à 25°C. Une solution fraîchement préparée est limpide, elle se trouble au cours du temps par dissolution du dioxyde de carbone atmosphérique et précipitation de carbonate de calcium.
• Le lait de chaux est une solution saturée d’hydroxyde de calcium contenant, en suspension, un excès d’hydroxyde.

Productions

En 2019. Monde : 430 millions de t de CaO et Ca(OH)₂, Union européenne, en 2017 : 29,0 millions de t de CaO et Ca(OH)₂.

Situation française

Production : 2,6 millions de t sur 18 sites, en 2018.

Les 3 usines les plus importantes situées près des centres sidérurgiques – Réty près de Dunkerque, Dugny en Lorraine, Châteauneuf les Martigues près de Fos-sur-Mer – écoulent sur ce marché 36 % de la production française. L’usine de Réty, exploitée par le groupe Lhoist, est la plus importante, en France, avec 710 000 t/an, destinées à 60 % à la sidérurgie, 30 % l’industrie papetière, 10 % la construction et l’agriculture.

Une partie de la chaux, chaux captive, (environ 30 % de la production) peut être produite directement par les utilisateurs dans les industries sucrières, les papeteries, la sidérurgie, les industries chimiques.

Producteurs : appelés chaufourniers.

• Lhoist, à Dugny (55), Réty (62), Sorcy (08), Boran (60), Neau (53), Saint Gauthier (36), Gannat (03), Terrasson (24), Sauveterre-la-Lémance (47), Carmaux (81), Bertholène (12), Poliénas (38), Sassenage (38), La Buisse (38), Ensuès la Redonne (13), Châteauneuf les Martigues (13), Robion (84).
• Le Groupe Pigeon à Vaiges (53), avec 2 fours et une capacité de production de 65 000 t/an.
• Les Établissements Bocahut, filiale d’Eiffage, à Avesnes (59) avec 2 fours et une capacité de production de 120 000 t/an.
• le Groupe Saint Hilaire à Trept (38), avec un four à 2 cuves et une capacité de production de 100 000 t/an.
• La Société Jany-Auriol, avec les Chaux de Ronel, à Dénat (81).
• SEE Bruyères à Saint-Front sur Lémance (47).
• Carmeuse, à Bois Bernard (62), possède un site d’hydratation de la chaux.

Commerce extérieur : en 2019.

Chaux vive :

• Exportations : 741 375 t à 70 % vers l’Allemagne, 32 % la Finlande, 16 % la Belgique, 7 % la Suède.
• Importations : 355 966 t à 46 % de Belgique, 37 % d’Espagne, 10 % d’Italie, 4 % d’Allemagne.

Chaux éteinte :

• Exportations : 35 350 t à 21 % vers l’Espagne, 20 % la Suisse, 17 % l’Italie, 10 % Singapour, 7 % l’Allemagne.
• Importations : 86 271 t à 43 % d’Espagne, 21 % d’Allemagne, 18 % de Belgique, 12 % du Royaume Uni.

Chaux hydraulique :

• Exportations : 23 440 t à 25 % vers le Royaume Uni, 21 % l’Italie, 13 % la Turquie, 12 % la Belgique, 10 % l’Espagne.
• Importations : 15 428 t à 77 % d’Allemagne, 14 % de Belgique, 7 % d’Italie.

Utilisations

Consommations : en 2019, la consommation des États-Unis est de 18,0 millions de t, dont, en 2017, 15,0 millions de t pour la chaux vive et 2,64 millions de t pour la chaux éteinte. Les usages captifs ont été de 1,23 million de t.

En 2018, la part de la Chine dans la consommation mondiale est de 65 %.

Par secteur d’utilisation : chaux vive et éteinte

La chaux magnésienne est principalement utilisée dans l’amendement des sols.

Utilisations diverses :

• Sidérurgie : dans les convertisseurs forme avec les impuretés des scories liquides et ainsi diminue dans les aciers les teneurs en silicium et phosphore (en donnant des silicates et phosphates de calcium) ainsi que celles de soufre et manganèse. La consommation est de 40 à 100 kg de CaO par t d’acier.
• Métallurgie : utilisée dans le procédé Bayer de fabrication de l’alumine à partir de bauxite : elle permet de régénérer la soude et d’éliminer la silice, ainsi que pour extraire Mg²⁺ à partir de solutions de chlorure de magnésium. Utilisée (1 à 3 kg/t de minerais) au cours de la flottation des minerais sulfurés pour ajuster le pH, elle est aussi un agent dépresseur de la pyrite : elle permet de faire flotter sélectivement la chalcopyrite et la blende. Elle est également utilisée lors de la lixiviation cyanurée des minerais d’or afin de maintenir en permanence un pH basique et éviter ainsi les dégagements de HCN.
• Constructions routières : pour stabiliser et assécher les sols, particulièrement les sols argileux : 10 à 30 kg/m². CaO fixe l’eau lors de son hydratation et en élimine une partie par évaporation suite à l’élévation de température liée à la réaction d’hydratation. Également comme ajout (filler) dans le bitume.
• Construction : sous forme de chaux hydraulique. Représente la principale utilisation de la chaux en Allemagne et en Italie. En France, les utilisations dans ce secteur, sont très réduites.
• Traitement des eaux :
  • de consommation et de chauffage : pour décarbonater les eaux trop dures, par précipitation de CaCO₃, et ajuster le pH.
  • usées : le chaulage stabilise les boues résiduaires des stations d’épuration, détruit la plupart des germes pathogènes, diminue les odeurs, précipite, sous forme d’hydroxydes insolubles, les métaux lourds et sous forme de phosphate de calcium, peu soluble, les phosphates. Utilisation de 50 à 200 kg de CaO/t de boue déshydratée. La solidification de la boue dure de 2 à 5 jours. Les boues, à forte teneur en chaux, peuvent être utilisées comme amendement calcique en agriculture ou mises en décharge.
• Traitement des effluents gazeux : fixation du SO₂, de HCl (emploi, en 2007-09, en France, de 60 000 à 85 000 t) et HF des gaz de combustion (voir également le chapitre dioxyde de soufre). Plus de 90 % des procédés actuels utilisent la chaux ou ses dérivés comme produit de traitement.
  • Par injection de CaO ou CaCO₃, dans les flammes ou dans le lit fluidisé de combustion.
  • Par traitement des fumées après combustion, principalement à l’aide de Ca(OH)₂, injecté à sec ou par lavage des gaz avec du lait de chaux :

Ca(OH)₂ + SO₂ = CaSO₃ + H₂O et CaSO₃ + 1/2 O₂ = CaSO₄.

Le sulfogypse ainsi obtenu peut être utilisé, à la place du gypse naturel, pour fabriquer du plâtre (au Japon, États-Unis, Allemagne, Pays-Bas, Belgique).
CaO est également utilisé pour fixer le chlorure d’hydrogène des gaz d’incinération des ordures ménagères et des déchets industriels. Les ordures ménagères donnent de 700 à 2 000 mg de HCl/m³ de gaz de combustion. Les valeurs limites des teneurs en éléments polluants sont de 300 mg/m³ d’air pour SO₂, 50 mg/m³ pour HCl et 2 mg/m³ pour HF. La fixation de HCl donne du chlorure de calcium selon la réaction :

Ca(OH)₂ + 2 HCl = CaCl₂ + 2 H₂O

Dans le cas de l’incinération des ordures ménagères, la consommation de CaO est de 7 à 14 kg/t d’ordure.

• Amendement agricole : la chaux vive, éteinte ou magnésienne permet lors de son apport appelé chaulage :
  • d’apporter les ions Ca²⁺ et Mg²⁺ consommés par les cultures (80 à 100 kg de CaO/ha/an, 20 à 40 kg de MgO/ha/an), lessivés par les pluies (350 à 450 kg de CaO/ha/an, 10 à 50 kg de MgO/ha/an).
  • de diminuer l’acidité des sols (un sol acide a son pH compris entre 4,5 et 6,7), cette acidité étant soit naturelle soit apportée par les engrais. Pour augmenter le pH de 0,5 unité, il faut pour une terre sableuse, de 400 à 1 000 kg de CaO/hectare. Le pH optimal d’un sol varie, selon les cultures, entre 6,5 et 7,5.
• Chimie : utilisée en pétrochimie et pour fabriquer le carbure de calcium, le carbonate de calcium précipité, l’hypochlorite de calcium…
• Obtention de pH basiques pour la flottation des minerais, le traitement des eaux…
• Sucreries : permet par floculation de précipiter les impuretés en donnant des sels de Ca²⁺ insolubles. Utilisation de 32 kg de CaO/t de betterave.
• Pâte à papier (pâte au sulfate pour papier kraft) : pour régénérer la solution de soude et de sulfate de sodium qui se transforme en carbonate de sodium lors de la séparation de la cellulose. Utilisation de 270 kg de CaO/t de papier.

Bibliographie