Compréhension des mécanismes de séchage dans les matériaux de construction

L’explosion démographique et la recherche permanente du bien-être dans le  domaine de l’habitat, rendent à l’heure actuelle, l’usage des matériaux de construction incontournable dans notre société. Aussi pour donner aux bâtiments une meilleure esthétique et une bonne isolation thermo-acoustique, des matériaux de construction comme le plâtre sont utilisés dans les cloisons et en tant qu’enduits. Par rapport aux autres matériaux de construction, le plâtre présente de nombreux avantages liés à ses propriétés d’isolation thermique et acoustique, grâce à sa faible densité apparente et à sa grande porosité (≈ 50%). La conductivité thermique du plâtre est de l’ordre de 0,25 W.m⁻¹ .K⁻¹ , contre 1,15 W.m⁻¹ .K⁻¹ pour le ciment. De plus, grâce à la grande quantité d’eau qui entre dans la constitution de ses hydrates, le plâtre a une très bonne résistance au feu et un fort pouvoir de régulation hygrométrique. En revanche, comme il résiste mal à l’humidité, les emplois du plâtre concernent exclusivement les ouvrages d’intérieurs où on le retrouve le plus souvent sous forme de plaque de plâtre. Ces plaques de plâtre sont fabriquées à partir de la poudre d’hémihydrate (ou semihyhydrate), communément désignée sous le nom poudre de plâtre. L’hémihydrate en contact avec l’eau réagit et donne une structure rigide, qui constitue des plaques de plâtre, et que l’on désigne aussi sous le nom de plâtre. Dans ce mémoire, le mot plâtre se rapporte exclusivement au plâtre pris, qui a la même structure chimique que le gypse (CaSO4, 2H2O).

Actuellement, les enjeux industriels et environnementaux, liés aux problématiques de développement durable, sont tels que de nombreuses études cherchent à réduire la consommation d’énergie lors de l’exploitation de la matière première gypse et et lors de la fabrication des plaques de plâtre. L’innovation dans ce domaine réside essentiellement sur la réduction du temps de prise .

Pendant la fabrication des plâques de plâtre en industrie, le matériau prend en 5 minutes, puis vient l’évacuation de l’eau en excès par séchage (qui se déroule dans les sécheurs) qui s’étend sur plus de 45 minutes. Cette opération de séchage est la plus consommatrice d’énergie dans le processus de fabrication des plaques de plâtre. Ainsi une réduction de la consommation d’énergie du processus industriel de fabrication passe nécessairement par une maîtrise du séchage.

La compréhension de la physique du séchage revêt une importance capitale dans une démarche d’optimisation, et pourtant les techniques pratiques s’appuient souvent sur des méthodes empiriques ou sur des modèles phénoménologiques. Ceci tient à la complexité du problème, qui met en jeu un couplage entre caractéristiques locales de la structure interne et propriétés de transfert à une échelle macroscopique au sein du matériau. Le plâtre est un liant hydraulique (sa microstructure évolue et se développe au cours des réactions chimiques d’hydratation), mais de composition nettement plus simple que celle du ciment ou du mortier, et pouvant par conséquent servir de milieu modèle pour améliorer la compréhension du séchage des autres matériaux de construction dans un cadre plus général. Jusqu’alors de nombreuses recherches ont été réalisées sur ce matériau portant sur le lien entre ses réactions chimiques d’hydratation et ses propriétés mécaniques finales [1], le lien entre sa microstructure et ses performances mécaniques [2], et sur l’évolution de sa microstructure au cours des réactions d’hydratation [3]. Mais très peu d’études ont été réalisées sur la compréhension de son mécanisme de séchage en industrie, encore moins sur l’optimisation de ce dernier. L’objectif de ce travail est de comprendre les mécanismes physiques qui entrent en jeu lors du séchage de ce dernier, d’établir l’impact des réactions chimiques et de la présence des ions en solution sur la cinétique de séchage, et de mettre en place un modèle physique permettant de prédire la cinétique de séchage en fonction des différents paramètres.

En tant que matériau ignifuge  , le plâtre constitue l’un des plus vieux matériaux de construction utilisé par l’homme. En effet il fut utilisé depuis l’Égypte antique, où on s’en servait pour assembler les pierres des édifices et pour réaliser des enduits. Les Romains s’en servaient aussi pour les enduits, les sculptures et en tant qu’additif  pour adoucir les vins. Au Moyen Âge, on découvrit que le plâtre résiste mieux au feu que le bois du fait de ses propriétés ignifuges. De ce fait, il fut utilisé comme enduit de protection (anti-feu). Pendant cette époque, le plâtre fût largement utilisé dans l’habitat local en France, à tel point qu’au XVIIIe siècle, Paris devint la ville du plâtre grâce à ses gisements souterrains. Un édit de Louis XIV en 1667 rendra même le matériau ignifuge obligatoire en tant qu’enduit intérieur et extérieur, pour éviter les propagations d’incendies, ceci afin d’éviter à Paris le sort funeste de Londres lors du Grand incendie de 1666. Au XIXe siècle le four à plâtre industriel fut inventé, ce qui permet d’augmenter sa production de façon exponentielle. En 1788 Goethe, dans son récit du Carnaval de Rome, décrit la fabrication des confettis tels qu’ils existaient à l’époque. Ils étaient faits de billes de plâtre, réalisées à l’aide d’un entonnoir. C’est seulement à partir de 1891, que ce type de confettis commença à être remplacé par sa variante moderne, en papier, que nous connaissons. Le plâtre fût également proposé au XIXe siècle pour la conservation de la viande. Cependant, il faut attendre la fin du XIX siècle pour que le « plasterboard »  , ancêtre de la plaque de plâtre, voit le jour aux États-Unis. L’expansion de cette nouvelle technique de fabrication du plâtre, aura lieu après la seconde guerre mondiale. En effet les conséquences de la crise de 1929, auxquelles s’ajoutent celles de la seconde guerre mondiale, placent les industries de nombreux pays occidentaux dans une situation délicate. Ces pays doivent répondre à des besoins conséquents en matériaux de construction, avec des moyens dérisoires et des techniques obsolètes. Soutenus par le Plan Marshall, des experts se réunissent aux Etats-Unis pour étudier de nouvelles techniques de construction rapides et efficaces. C’est alors que le choix du plasterboard s’imposa.

De nos jours, le plâtre est aussi utilisé directement en tant qu’enduits, ou en tant qu’éléments préfabriqués sous formes de carreaux ou de plaques. C’est un matériau particulièrement adapté à une utilisation en intérieur, grâce à ses propriétés d’isolation thermique, acoustique et sa très grande résistance au feu (incombustible, mauvais conducteur de chaleur, ne libère aucun produit toxique en cas d’incendie[5]).