Plâtre

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Ca

Calcium

Produit minéral

Données physico-chimiques

Données atomiques

Formule	Masse molaire	Minéral	Structure cristalline
CaSO4,½H2O	145,15 g.mol-1	bassanite	monoclinique, de paramètres a = 0,481 nm, b = 0,693 nm, c = 1,267 nm et angle bêta = 90,27°

Données physiques

Masse volumique	Déshydratation	Solubilité dans l’eau
2,63 g.cm-3	se transforme en anhydrite à 163°C	à 20°C : 0,88 g/100 g d’eau

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 :

en milliers de t

Allemagne	1 098		Espagne	244
Turquie	1 016		Iran	229
Thaïlande	431		Oman	163
Tunisie	343		États-Unis	113
France	281		Maroc	74

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 :

en milliers de t

Belgique	414		Allemagne	158
Nigeria	388		Malaisie	157
Norvège	299		France	112
Corée du Sud	233		Suisse	111
Inde	199		Canada	107

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 :

CaSO4,½H2O	CaSO4	CaCO3	MgCO3	Argile et silice	Adjuvants
72 %	18 %	7 %	1 %	2 %	< 1 %

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