Les enjeux liés aux problématiques de développement durable encouragent de plus en plus d'industriels, dans le secteur du bâtiment, à se lancer dans une politique de réduction de la consommation énergétique de leurs procédés industriels. C'est dans ce cadre qu'est menée cette étude, où nous nous intéressons au cas particulier de la fabrication des plaques de plâtre, qui de par les qualités qu'elles présentent liées à leur caractère pratique et rapide à poser (temps pour le neuf que la rénovation), sont parmi les matériaux de construction les plus utilisés à l'heure actuelle. En effet pour leur fabrication, on récupère d'abord du gypse depuis la carrière que l'on calcine pour avoir de l'hémihydrate, que l'on mélange ensuite avec de l'eau pour en faire du gypse, que nous rencontrons dans les plaques de plâtre. Cependant, pour avoir une meilleure ouvrabilité lors de la préparation, on est obligé d'ajouter une quantité d'eau excédentaire par rapport à celle que nécessite la stoechiométrie de la réaction d'hydratation – quantité qu'il faudrait évacuer par la suite par séchage. Ainsi, la fabrication des plâtre s'avère être très énergivore ; c'est tout l'intérêt de la thèse où il s'agira de mieux comprendre la physique qui régit le séchage du plâtre de façon à réduire cette surconsommation énergétique. Pour mener cette étude, nous nous sommes d'abord intéressés au cas du séchage de milieux poreux assez simples (empilement de billes de verre, tubes capillaires), nous servir ensuite de la compréhension des mécanismes physiques qui régissent le séchage de ces dits-milieux, d'une part, et des observations locales (RMN, IRM, microtomographie), d'autre part, pour expliquer les différents mécanismes physiques qui entrent en jeu lors du séchage du plâtre. Cette démarche nous a donné la possibilité d'avoir une bonne maîtrise de la physique du séchage du plâtre, c'est-à-dire l'identification des différents leviers et paramètres qui régissent sa cinétique. Ceci nous a permis de mettre en place un modèle physique pour la prédiction de cette cinétique - modèle qui peut être utilisé pour une démarche d'optimisation énergétique de la fabrication des plaques de plâtre / Issues related to sustainability encourage more building material industries to engage policies in making processes energy consumption reduction. This study is conducted in this purpose, and is focused on the case of plasterboard. Indeed for plasterboard manufacturing, gypsum from quarry are first calcined to get hemihydrate, which is then mixed with water to make again gypsum we find in plasterboard. However, to get a good workability during the preparation process, it is necessary to add an excess amount of water relative to that required by the stoichiometry of the hydration reaction. This excess water should be evacuated thereafter drying. Thus, the manufacture of gypsum proved to be very energy intensive : that is the cornerstone of this thesis, during which we will try to understand the physics that govern the drying of plaster in order to reduce its energy consumption. To conduct this study, we are primarily interested in understanding of simple porous media drying (stack of glass beads, capillary tubes). Then based on our understanding of the physical mechanisms that govern their drying, on one hand, and on local observations (NMR, MRI, microtomography), on the other hand, we give an explanation to the different physical mechanisms of plaster drying. This allows us to establish a physical model to predict the drying kinetics of plaster - model that can be used for energy optimization approach during the manufacturing process of plasterboard. Its can also be used for the drying kinetics prediction of other building materials

Malgré une mise en oeuvre en apparence très simple, le béton manifeste une grande complexité, provenant de ses caractères multiéchelle et multiphysique. Le plâtre pris présente des traits de complexité similaires. Cette étude a pour principal but d'évaluer si l'homogénéisation des milieux aléatoires est pertinente pour appréhender de façon prédictive le comportement mécanique du plâtre pris et de la pâte de ciment. Les phénomènes explorés incluent et vont au delà de l'élasticité : rupture, endommagement, fluage. La raideur et la limite élastique du plâtre pris sont d'abord modélisées et validées. Le comportement post-pic est aussi abordé. Un modèle morphologique de pâte de ciment est ensuite itérativement mis au point, et validé en élasticité. On considère également la limite élastique des c-s-h et on aborde le fluage de ceux-ci et de la pâte. Enfin, on explore l'impact de phénomènes intergranulaires sur la rupture (en vue d'applications aux grès) et le fluage de polycristaux poreux.

L'étude des systèmes polyphasés du type solide-gaz et solide-liquide occupe une place importante en cinétique hétérogène. De nombreux travaux expérimentaux et théoriques ont été entrepris pour tenter de résoudre les problèmes posés par ces systèmes. A la suite des recherches effectuées au laboratoire, consacrées à la thermodynamique des hydrates non stoechiométriques et à la cinétique de déshydratation des sels, il nous a paru intéressant de suivre les réactions d'hydratation telles que : solide 1 + eau vapeur &#8594 solide 2 et .solide 1 + eau liquide &#8594 solide 2. Pour illustrer ce travail, nous avons choisi d'examiner le comportement vis-à-vis de l'eau du sulfate de calcium hémihydraté, constituant essentiel du plâtre. En 1975, la France a produit 3,3 millions de tonnes de plâtre et s'est classée premier producteur européen et troisième producteur mondial derrière les Etats-Unis et l'U.R.S.S. Etant donné l'importance industrielle du produit, des moyens d'investigation de plus en plus perfectionnés ont été mis en oeuvre. Néanmoins, les conclusions demeurent fragmentaires et peu cohérentes. Afin de progresser dans la compréhension des mécanismes réactionnels, il est nécessaire d'entreprendre l'étude du phénomène d'hydratation selon une démarche originale: elle consiste à suivre la réaction avec l'eau vapeur. Cette méthode très intéressante sur un plan fondamental permet : D'une part, de séparer les différentes étapes et d'autre part, de stopper l'hydratation à tout moment sans séchage préalable du solide.

Le sulfate de calcium dihydraté que l'on trouve à l'état naturel sous forme de gypse est également un sous-produit d'une préparation de l'acide orthophosphorique. La principale application de ce matériau est la préparation du plâtre, que l'on considère souvent comme un hemihydrate du sulfate de calcium. Etant donné l'intérêt industriel de ce produit (en 1967 la production française de plâtre a été de 2,5 Mt) un grand nombre de travaux ont été effectués tant sur les conditions de la déshydratation du gypse que sur la nature des produits obtenus. Cependant, on constate que les conclusions des différents auteurs sont souvent très divergentes. Dans le cadre général des recherches effectuées au laboratoire, nous désirions entreprendre une étude sur la cinétique de la déshydratation du sulfate de calcium dihydraté. Compte tenu des données de la littérature, il s'est avéré nécessaire, avant d'aborder les études cinétiques, d'effectuer une recherche systématique sur la composition et la structure des produits obtenus au cours de la déshydratation : C'est l'objet de ce travail. Nous nous sommes efforcé d'opérer avec un solide initial de composition et de structure connues et reproductibles. Deux types d'expériences ont été effectués suivant la nature de l'atmosphère gazeuse au-dessus du solide. Des expériences sous air, en présence de l'atmosphère normale du laboratoire, avaient pour but, d'une part la mise au point de l'appareillage par comparaison avec les résultats signalés dans la littérature, d'autre part, il s'agissait de se rapprocher des conditions habituelles d'utilisation du gypse. De plus, associés à des expériences effectuées sous vide dynamique (10^-3 Torr) les résultats obtenus sous air nous ont permis de délimiter l'intervalle de température intéressant. Il convient en outre de remarquer que sous vide dynamique la pression partielle de vapeur d'eau est pratiquement nulle (de l'ordre de 10^-5Torr). Ce n'est qu'en la présence d'une atmosphère gazeuse parfaitement définie qu'il est possible d'obtenir des résultats reproductibles ayant une signification certaine. Une deuxième série d'expériences effectuées en présence de vapeur d'eau pure sous des pressions déterminées nous ont permis de déceler avec précision l'influence des différents paramètres et d'expliquer les résultats obtenus sous air.

Le phosphogypse est un sous-produit de la synthèse de l'acide phosphorique (utilisé pour la fabrication d'engrais). Ce travail de thèse a consisté à étudier l'influence des impuretés majoritaires, à savoir les ions monohydrogénophosphates HPO₄^2- et fluorophosphates FPO₃^2- sur les propriétés des phosphogypses et sur la réactivité des phosphoplâtres, de manière à les valoriser dans l'industrie plâtrière. <br />Pour cela, nous avons cherché : <br /> * à déterminer le rôle de ces ions sur le diagramme de phases CaO-SO₃-H₂0 à température ambiante ; <br /> * à déterminer l'effet de la température (simulation de la cuisson de gypse en plâtre) sur ce diagramme de phases ; <br /> * à comprendre la différence de réactivité entre les différents échantillons après cuisson.<br />Les ions HPO₄^2- et FPO₃^2- peuvent se substituer aux ions sulfates et entraînent une cristallisation du gypse avec une morphologie en "roses des sables". Lorsque la totalité des ions sulfates est substituée par les ions HPO₄^2- (ou FPO₃^2-), de nouvelles phases apparaissent : l'ardéalite (Ca(SO₄)_1-x(HPO₄)_x.2H₂O avec 0.42< x < 0.54 puis la brushite : CaHPO₄.2H₂O (ou le fluorophosphate de calcium dihydraté : CaFPO₃.2H₂O). La déshydratation des phases pures (brushite et fluorophosphate de calcium dihydraté) et solutions solides a été étudiée. Nous avons retenu que lors de la calcination de la brushite à 150°C, il n'y a ni déshydratation totale, ni passage par une phase sous-hydratée mais obtention d'un mélange de deux phases : la brushite (24%) et la monétite (76%) ayant des propriétés différentes de la brushite et de la monétite seules. A cette même température, la déshydratation du fluorophosphate de calcium dihydraté provoque un dégagement d'acide fluorhydrique (gaz responsable de la corrosion prématurée des fours) et de l'apparition d'une phase de phosphate de calcium amorphe. La réactivité de nos échantillons après calcination (sous forme de plâtre) a pu être interprétée à partir des résultats obtenus par couplage de la conductimétrie avec la pH-métrie et ponctuellement des mesures d'extraction de solution et analyse du solide résiduel au cours de l'hydratation. Nous avons pu conclure que : <br />- les ions HPO₄²⁻ syncristallisées ou appartenant aux produits de déshydratation de la brushite (soit un mélange brushite et monétite) entraînent un retard à l'hydratation (ce retard est maximal pour une température de calcination de la brushite à 160°C). Ces retards sont accentués si l'on opère en milieu alcalin. (Ainsi, les traitements de neutralisation à la chaux des phosphogypses contenant des impuretés phosphatées sont néfastes pour lhydratation). <br />- les ions FPO₃²⁻ appartenant à la phase fluorophosphate de calcium augmentent la durée d'hydratation, mais syncristallisés, ils accélèrent les temps de prise s'ils sont issus d'une cuisson "flash", ou bien se transforment en ions HPO₄²⁻ syncristallisés (avec dégagement d'acide fluorhydrique) pour un mode de calcination plus lent et lon est alors ramené au cas précédent. Ces travaux de thèse ont donc permis de mettre en place des méthodes de caractérisation des phosphogypses, de comprendre certains phénomènes observés en usines telles que des fins de prise très longues, la corrosion rapide des fours, et d'établir un classement pour connaître leur aptitude à une valorisation dans l'industrie plâtrière.

Une plaque de plâtre allégée est un produit constituée d’un cœur, « mousse de plâtre », dont la porosité peut atteindre 75% et de revêtements de carton. Il est important de comprendre et caractériser le comportement mécanique de la plaque de plâtre pour optimiser le compromis résistance thermique / tenue mécanique. Pour répondre à cet objectif, des méthodologies spécifiques de corrélation d’images numériques et d’identification du comportement mécanique dans des régimes fortement non-linéaires (endommagement, effondrement de la porosité, fissuration macroscopique…) ont été développées et mises en œuvre. Une première classe de propriétés mécaniques, conditionnant la manutention et la pose des plaques, concerne la tenue à la flexion. Des essais de flexion trois et quatre points ont été réalisés jusqu’à la rupture. La corrélation d’images numériques 2D a été utilisée pour suivre la cinématique de l’essai. Le comportement de la plaque de plâtre en flexion a été identifié grâce à une description continue et homogénéisée de type poutre où la dégradation progressive de la rigidité de la plaque est décrite par une loi d’endommagement. Une procédure d’identification spécifique est présentée où imperfections expérimentales et brisures éventuelles de symétrie sont prises en compte. L’analyse montre que le comportement de la plaque en flexion est essentiellement piloté par les propriétés mécaniques de la face cartonnée et de la qualité de l’interface papier-plâtre. Le mécanisme de rupture en flexion a été également identifié par des essais in-situ dans un tomographe. Une deuxième catégorie de propriétés mécaniques concerne un essai normatif d’arrachement. Grâce à des tests réalisés au sein d’un tomographe, et à l’analyse de la cinématique par corrélation d’images volumiques, les différentes étapes clefs ont été identifiées, et la compaction du cœur par effondrement de la porosité sous compression a été reconnu comme le facteur limitant. Dans le but de mieux comprendre ce mécanisme de ruine des essais d’indentation sphérique tomographiés ont été réalisés sur des échantillons de mousse constitutive du cœur de la plaque. Sous l’indenteur, une transition brutale entre comportement élastique et compaction forte accompagnée d’un effondrement de la porosité est visible. Pour répondre à la nécessité d’estimer finement l’état de déformation multiaxiale qui caractérise cette transition, une procédure originale de corrélation d’images volumiques intégrée a été développée. Elle s’appuie sur un code commercial d’éléments finis comme moyen de générer une base cinématique adaptée à l’essai d’indentation sphérique. Le couplage d’essais mécaniques in-situ, la corrélation d’images volumiques et la simulation numérique d’une part, et l’intégration d’informations connues a priori dans la démarche d’identification d’autre part ont permis d’identifier un critère de ruine local. Le comportement triaxial du plâtre poreux a été caractérisé également via des essais triaxiaux homogènes, en suivant différents trajets de chargement. Le comportement triaxial du plâtre moussé a été identifié. Les résultats obtenus sont en accord avec les résultats de l’identification conduite sur l’essai d’indentation. / Lightweight plasterboard is a product composed of a "plaster foam" core whose porosity can reach 75% lined with two sheets of paper. To optimize the compromise between thermal resistance and mechanical strength, it is important to understand and characterize the mechanical behavior of the plasterboard. In the present work, specific methodologies for digital image correlation and identification of the mechanical behavior in highly nonlinear regimes (damage, collapse of porosity, macroscopic cracking ...) have been developed and implemented. A first set of mechanical properties, crucial for handling and placarding, concerns the bending strength. Three and four points bending tests were performed until failure. Digital image correlation was used to follow the kinematic of the test. The behavior of the plasterboard has been identified through a homogenized continuum description based on plate kinematic where the progressive degradation of bending stiffness is described through a damage law. A specific procedure for identification is presented where experimental imperfections and symmetry breakdown are tolerated and accounted for. The analysis shows that the mechanical behavior of the plasterbaord in bending test is controlled primarily by the mechanical properties of the paper lining and the quality of gypsum / paper interface. The failure mechanism in bending test was also identified through in-situ tests performed inside the tomograph. A second category of mechanical properties relates to a normative test “Nail pull test”. Through tests conducted inside the tomograph and the analysis of the kinematics by digital volume correlation, the different key stages of the failure mechanism have been identified. The compaction of the core by the collapse of porosity in compression has been recognized as the limiting factor. In order to better understand the compaction mechanism in-situ spherical indentation tests were performed on foamed samples prepared from the board core. The results from the in-situ experiment show that a compacted zone develops under the indenter, displaying a very sharp boundary with the undamaged material that behaves elastically. To meet the need for estimating accurately the state of multiaxial strain that characterizes this transition, a new methodology is presented. It is an integrated digital volume correlation based on a library of fields adapted to the spherical indentation test and computed from commercial finite element software. Coupling in-situ mechanical tests, digital volume correlation and numerical simulations on the one hand, and integration a priori known information in the identification process on the other hand allowed us to identify a local failure criterion. The behavior of porous plaster was also characterized via homogeneous triaxial tests, by following different loading paths. The triaxial behavior of foamed plaster has been identified. The results are in agreement with those obtained via the identification procedure conducted on the spherical indentation tests.

La notoriété du plâtre de Paris dépasse les frontières de la France, son utilisation pour le moulage, la sculpture, les décors architecturaux associés aux productions artistiques françaises lui donnèrent ses lettres de noblesse. Le plâtre est avant toute chose un des matériaux les plus utilisé dans la construction francilienne, et l’un des plus visibles. La moitié des bâtiments parisiens et une grande partie du bâti historique d’Île-de-France offrent encore à la vue du passant des façades enduites en plâtre, datant d’entre le XVIIe siècle et le milieu du XXe siècle. Cependant, les enduits de plâtre sont confondus avec des enduits de ciment ou de chaux, sont appelés à tort plâtre-et-chaux et sont parfois recouverts de peintures épaisses qui brouillent leur observation. De ce fait, les enduits, souvent qualifiés d’ouvrages constructifs mineurs, sont peu étudiés et le plâtre reste un matériau encore ignoré malgré un regain d’intérêt de la part des chercheurs sur les matériaux « pauvres » tels que la chaux ou la terre. Les enduits au plâtre ont pourtant une valeur autre qu’historique et technique. L’esthétique de leur riche ornementation qui cisèle les parements d’ombre et de lumière, mais également leurs couleurs et leurs textures, participent pour beaucoup aux ambiances urbaines. Cette étude se propose d’explorer le déclin de l’utilisation du plâtre en façade à travers l’analyse d’un corpus de soixante édifices soit une centaines de façades décrites et intégrées à une base de données et à un Système d’Information Géographique (SIG). Les enduits observés couvrent trois siècles, de l’âge d’or de la pratique au XVIIe siècle jusqu’à la disparition des savoir-faire suite aux grands conflits du XXe siècle, en passant par les changements drastiques dans la fabrication des matériaux lors de la révolution industrielle. La lecture des traités de construction, des journaux, des brevets d’invention et l’étude de devis de maçonnerie et de procès-verbaux d’experts du bâtiment complètent la recherche de terrain par une étude historique. De 1667 aux années 1980, l’usage du plâtre en extérieur est décortiqué à travers l’évolution de l’extraction, de la fabrication, de la mise en œuvre du plâtre et de la conception des façades. La thèse explore comment, de matériau incontournable à la construction, le plâtre est peu à peu relégué aux décors intérieurs au fur et à mesure de l’altération de sa qualité et de la disparition des savoir-faire locaux. / Plaster of Paris’ notoriety exceeds France’s national borders, its use in moulding, sculpture, architectural ornaments in French artistic production built its reputation. Beyond plaster for moulding, gypsum plaster is one of the most used materials for building construction in the Paris area, and one the most obvious one. In fact, half of Paris ancient buildings and a large part of historical buildings in the region Ilede-France have facades covered with gypsum-based renders and ornaments. However, gypsum renders are still mistaken with lime or cement renders, people call them gypsum-and-lime renders and most of them are covered by thick layers of recent paints, making their observation difficult. Renders are often qualified as minor items in the construction field and are not studied much, while external gypsum plaster is still mostly ignored even though there is a renewal for this kind of materials thanks to wider studies on the uses of earth and lime. Gypsum renders, though, have historical and technical values, but are also aesthetically pleasing. Their rich ornamentation carves facades with lights and shadows, colors and textures. The skin of the buildings shapes the urban atmosphere.Our study will explore the rise and fall of external gypsum renders through the analysis of sixty buildings and one hundred facades which have been put into a database and a Geographical Information System (GIS). The studied facades have been built and rendered over three centuries, from the golden age of the seventeenth century to the loss of know-how in the second half of the twentieth century. The period of the industrial revolution is carefully analyzed as the industrial sector experienced drastic changes in the process of making plaster. This fieldwork is completed with historical research based upon the readings of construction treatises, newspapers, invention patents, building cost estimates and building experts’ statements from various centuries. The use of external gypsum renders is analyzed from 1667 until 1980, through the evolution of the extraction, production and execution processes as well as building conception. This report expresses how gypsum plaster was an essential material for construction and slowly became a fragile one, only good to use in decoration and internal works, as its legendary good quality deteriorated and local know-how disappeared.

Dans le but de fabriquer des panneaux ignifugés en gypse et en particules de bois présentant une meilIeure résistance à l'eau et d~ mei Heures caractéristiques mécaniques, on a ajouté au gypse une proportion de 30 % de ciment Portland. Pour définir le type d 'espèce de bois à utiliser pour la fabrication des panneaux on a déterminé la compatibilité de quatre espèces du bois avec le gypse et le ciment. Dans ce but, on a utilisé la calorimétrie isotherme. Les espèces étudiées étaient, le pin gris (Pinus banksiana), le sapin baumier (Abies balsamea), le bouleau blanc (Betula papyrifera) et le peuplier faux-tremble (Populus tremuloides). Le pin gris, le bouleau blanc et le peuplier faux-tremble ont été les plus compatibles et aptes à la fabrication de panneaux bois-gypse ou bois-gypse-ciment. Le sapin baumier cause un retard de la prise des liants inorganiques mais un prétraitement à l'eau chaude permet son utilisation pour la fabrication de panneaux. On a décidé d'utiliser le pin gris dans la fabrication des panneaux à cause de sa bonne compatibilité tant avec le gypse qu'avec le ciment. Les panneaux ont été fabriqués avec 53 % de liant inorganique, 22 % de particules de pin gris (0,5 - 2,6 mm à 10 % de teneur en humidité) et 25 % d'eau (basé sur la masse humide du panneau) et pressés à 5-7 MPa pendant 30 minutes à 60°C à une épaisseur de Il mm. On a élaboré deux types de panneaux. Le premier a utilisé seulement le gypse comme liant et le deuxième un mélange de gypse et de ciment en proportion 70:30 de la masse sèche en poudre. Les propriétés physiques et mécaniques des panneaux ont été testées selon la norme ASTM D 1037 en évaluant le gonflement en épaisseur"la"dilatation linéaire, l'absorption d'eau, la masse volumique, la résistance à la flexion, la cohésion interne, la dureté et la résistance à l'arrachement des vis, en éprouvettes sèches et saturées par immersion dans l'eau. La conductivité thermique à été déterminée selon la norme ASTM C 518 et la détermination de la dégradation thermique a été faite par analyses thermogravimétrique (TGA). Les résultats ont été comparés avec un panneau en gypse commercial. Si on les compare aux panneaux sans ciment et aux panneaux en gypse commercial ± placoplâtres¿, les panneaux en gypse et particules de bois renforcés avec du ciment Portland possèdent une meilleure stabilité dimensionnelle, une plus faible absorption d' eau, un gonflement en épaisseur plus faible, une plus grande résistance à la flexion et à l'arrachement des vis, une meilleure cohésion interne et une plus grande dureté. On a pu remarquer qu'en conditions saturées suite à l'immersion dans l'eau pendant 24 heures, toutes les caractéristiques étaient améliorées par la présence du ciment Portland. En conclusion, l'élaboration de panneaux en gypse et particules de bois renforcés avec du ciment Portland donne un bon, produit résistant à l'humidité, avec de bonnes propriétés physico-mécaniques et une résistance à la dégradation thermique acceptable. Même si ces propriétés restent plus faibles que celles de panneaux bois-ciment, le coût est moindre et la période de prise de panneaux en gypse-ciment et particules de bois est plus courte, ce qui incite l'utilisation de cette alternative.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal