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3 mars 2013

Résistance du plâtre

1  Introduction

Le plâtre cuit est un liant permettant d'obtenir mortier ou enduit, à partir du seul mélange du plâtre cuit et de l'eau. Ses propriétés spécifiques en font un matériau à part dans le monde de la construction jusqu'au XXe siècle. Lucotte le qualifie ainsi : "La promptitude de son action le rend si essentiel et si nécessaire, qu'on ne peut trouver de matière plus utile, et qu'on ne peut, pour ainsi dire, s'en passer ni le remplacer dans la construction" (1783 [27]).
Le plâtre était utilisé autrefois pour de multiples usages : pour hourder les planchers et les murs, c'est-à-dire remplir les intervalles entre poteaux ou entre solives, pour couler la pierre de taille1, pour enduire les murs et les cloisons, pour fabriquer les corniches et moulures intérieures, pour enduire les lattis des voûtes à ossature bois, pour isoler les fers des conduits de cheminée, pour produire des objets en staff, etc.
Son usage se transforme au XXe siècle avec l'apparition des plaques de plâtre, utilisées pour réaliser cloisons non porteuses et plafonds suspendus. Il connaît une évolution marquée, avec l'apparition de différents additifs qui modifient ses propriétés, et augmentent sa résistance à l'humidité ou au feu. Nous laissons de côté ce matériau nouveau, et nous intéressons dans la suite au plâtre tel qu'il a été mis en œuvre dans les monuments anciens jusqu'au XIXe siècle. Nous présentons dans un premier temps un rapide historique de son usage, principalement en France, puis nous nous intéressons à son mode de fabrication, et sa mise en œuvre. Nous aborderons ensuite le cœur du sujet qui nous intéresse ici, la résistance du plâtre ancien et ses propriétés mécaniques.

2  Historique

Antiquité   Le plâtre est connu depuis la haute antiquité. Selon Adam, le plâtre semble avoir été utilisé comme mortier pour la première fois dans l'Egypte du IIIe millénaire (1989 [1]). Choisy mentionne son usage en Perse dans son Histoire de l'architecture (1899 [11]). Rondelet indique que Vitruve critique son usage2, et que les anciens l'utilisait uniquement pour les enduits (1803 [33]). Cependant pour ces derniers les mortiers de chaux additionnés de poudre de marbre lui étaient préférés.
Apparition en France   En France, il existe des preuves d'utilisation du plâtre pour monter les cloisons dès le IIIe siècle à Paris et dans les environs de Meaux (Benouis 1995 [4]). Pour la décoration, les stucs de chaux de tradition romaine sont progressivement remplacés par les stucs de plâtre autour du VIIIe siècle. La chaux est ensuite complètement supplanté par le plâtre pour les stucs lors de la période romane (Palazzo-Bertholon 2007 [31]).
Plus tard, au Moyen-Age, le plâtre servait, seul ou en complément du plomb, à sceller les pièces métalliques dans la maçonnerie. L'Héritier en donne plusieurs exemples dans des églises à Rouen (2007 [25]). Utilisé sous forme de coulis, il permettait également de couler les joints qu'il était difficile de ficher :
Il arrivait cependant parfois qu'il n'était pas possible de poser des claveaux, par exemple, à bain de mortier, lorsque les cintres avaient une très-grande portée et que les arcs étaient très-épais ; alors on coulait, dans les joints, du bon plâtre. C'est ainsi qu'avaient été bandés primitivement les claveaux des arcs de la rose occidentale de la cathédrale de Paris ; et il faut dire que le plâtre employé était excellent, car les lames de coulis s'enlevaient comme de minces tablettes d'un centimètre d'épaisseur, sans se briser.
Viollet-le-Duc 1864 [36]
Le gypse nécessaire à la fabrication du plâtre n'était pas disponible partout en France. La région la plus connue pour ses carrières de gypses est Paris. Palazzo-Bertholon cite également les régions de Cognac, Saint-Jean-de-Maurienne, et Arles-sur-Tech où l'exploitation du gypse est ancienne (2007 [31]). On trouve également des carrières en Franche-Comté et dans les Alpes de Haute-Provence., mais nous ne savons pas à partir de quelle époque ces carrières sont exploitées. Dans les régions où le gypse n'est pas disponible, on remplace le plâtre pour les enduits par du blanc de bourre, un mélange de lait de chaux, de sable blanc, de poil de bœuf (bourre) (Lucotte 1783 [27]).
Epoque moderne   Les sources écrites disponibles indiquent que les propriétés spécifiques du plâtre sont connues et exploitées au moins dès la fin du Moyen-Age.
Son gonflement est mis à profit pour la mise en charge des étaiements lors des reprises en sous-œuvre de piliers. Alberti fait référence spécifiquement à ce point dans De Re Aedificatoria (cité par Esposito 2011 [21]). Il indique que l'arche servant d'étaiement doit être construite en briques hourdées au plâtre, le plus rapidement possible, grâce à quoi la maçonnerie nouvelle soulèvera sur son dos [...] la charge de la vieille muraille.
En apres si quelque colonne ou ossement [?] de muraille estoit debilité, voyey comment vous y pourvoyerez. Soubz l'architrave de la massonnerie faictes y une puissante arche de bricque & de bon plastre, dessoubz laquelle encores mettez y de fortz pilliers massonnez dudict plastre, & bien accommodez a tel effect, en maniere que la dicte arche qui se bastit de neuf, remplisse bien le vuyde estant ordonné entre deux colonnes. Mais soit cest ouvrage mené si chauldement & a si grande haste que jamais on ne cesse tant que ce sera faict. Or la nature du plastre est qu'il enfle en se sechat, parquoy fault dire q ceste massonnerie nouvelle soubzlevera sur son dos ou cambrure, au moins tant qu'il sera en elle, la charge de la vieille muraille. A doncques vous ayant vostre cas apresté, ostez de la deste colonne endommagée, & en son lieu remettez en une autre qui soit saine & entiere.
Alberti traduit par Martin 1553 [2] Livre X Chapitre 17
Le pouvoir protecteur du plâtre en cas d'incendie est lui-aussi connu à cette époque. A Paris, l'ordonnance de police du 18 août 1667 impose de plâtrer les pans de bois des façades sur rues tant en dedans qu'en dehors (Fredet 2003 [22]), afin de ralentir la progression des incendies. Cette ordonnance fut peut-être favorisée par le grand incendie de Londres, qui ravagea la capitale anglaise un an plus tôt. Le pouvoir protecteur (ou plus exactement retardateur) du plâtre contre la propagation de l'incendie est lié à la réserve d'eau conservé au sein du plâtre pris, même si ce dernier semble sec. Meille explique bien plus tard qu'une "couche de plâtre de 1m2 et de 10mm d'épaisseur représente une réserve d'eau de 1,4 litres qui vont se dégager et limiter la progression du feu" (2001 [28]), ce qui explique cet effet protecteur.
L'usage du plâtre dans les régions non productrices de gypse se développe seulement à partir du XVIIIe siècle, à l'exception de la Normandie qui en importe par la Seine plus tôt depuis Paris (Bernardi 2011 [5]). A cette époque les quantités utilisées dans les régions productrices sont très importantes pour la construction des logements. Dans les maisons locatives parisiennes au XVIIIe siècle, le plâtre représente 22% en masse3 de l'ensemble des matériaux mis en œuvre pour la construction, soit plus que la masse de pierre de taille et de bois réunis (Boudriot 1982 [6]).
A la fin du XVIIIe siècle, les carreaux (pleins) de plâtre sont redécouverts pour la construction des cloisons (Rondelet 1803 [33]).
XIXe-XXe siècle   Au XIXe siècle, le plâtre trouve de nouveaux usages et s'adapte aux nouveaux modes de construction. Il accompagne le développement des structures en fonte, fer puddlé, puis acier, en permettant de les protéger du feu à faible coût. Il s'adapte notamment au passage des solives bois aux solives en fer puddlé. Il permet le développement des voûtes en brique de faible épaisseur posées de champ et construite sans cintrage (voûtes catalanes). Ces voûtes légères pouvaient être composées de plusieurs assises de briques afin d'augmenter leur capacité portante si besoin (par exemple pour porter une couverture). Le plâtre servait à construire la première assise composant la voûte, celle-ci nécessitant pour sa construction un mortier à prise rapide. Les assises suivantes étaient ensuite être construites en ciment portland4.
Le coulage au plâtre, que nous avons déjà mentionné au Moyen-âge, est très employé à Paris pour les constructions en pierre tendre (Noël 1968 [30]), malgré l'avis défavorable porté sur cette technique (et sur le plâtre et les maçons parisiens en général) par Rondelet (1803 [33]). Ce dernier soulignait que le coulage ne devait pas être employé pour les lits horizontaux, mais il ne semble donc pas avoir été entendu sur ce point.
Le plâtre est intensément employé pour construire les monuments de l'exposition universelle de 1900 à Paris, à l'exception du Petit Palais et du Grand Palais, en raison des gains de temps et des économies pour les édifices de l'exposition qui n'étaient pas destinés à durer. Cunha écrit ainsi que 1900 est le triomphe du plâtre et du staff, comme 1889 avait été celui du fer (da Cunha 1901 [14]).
Le début du XXe siècle voit l'apparition des plaques de plâtre. Ces plaques, inventées aux Etats-Unis en 1890, sont importées en Europe à partir de 1917 (Benouis 1995 [4]). C'est sur l'éclosion de ce nouveau mode constructif qui connaîtra un vif succès jusqu'à nos jours que nous clôturons notre bref historique sur l'emploi du plâtre dans la construction. Intéressons nous maintenant à sa production.

3  Cuisson, broyage, gâchage

La pierre à plâtre ou gypse, également appelée plâtre cru par Diderot et d'Alembert (1751 [18]), est composée essentiellement de sulfate de calcium dihydraté, dont la formule chimique est $\gypse $. Sa cuisson donne le sulfate de calcium semi-hydraté, autrement dit le plâtre cuit, dont la formule chimique est $\pplatre $. Après sa cuisson, il était battu ou broyé pour obtenir le plâtre cuit battu. Le gâchage de ce dernier permettait ensuite d'obtenir le plâtre pris. Nous allons maintenant détailler ces différentes étapes.

3.1  Cuisson

Le mode de cuisson du gypse tel qu'il est présenté par Dralet (1837 [19]) est le suivant. Le four était simplement composé de quatre murs. Les blocs de gypse les plus gros étaient posés à sec de manière à former une succession de voûtes entre ces quatre murs. Le reste des blocs étaient disposés sur la voûte par taille décroissante, de manière à avoir les blocs les plus petits au sommet. Le feu était ensuite allumé sous la voûte et entretenu pendant 18 à 20 heures, en prenant garde à ne pas dépasser une certaine température (non indiquée par Dralet - autour de 150oC). Cette cuisson permettait d'obtenir le plâtre cuit, qui était alors battu ou broyé par divers moyens pour obtenir le plâtre prêt à l'emploi (voir ci-dessous pour la définition des différents types de plâtre prêt à l'emploi).
Diderot et d'Alembert expriment la difficulté de cuire correctement le plâtre, et la manière dont on peut juger d'une cuisson réussie :
C'est une chose difficile que de bien cuire cette pierre. Du plâtre trop ou trop peu cuit est également mauvais. On connaît si la cuisson a été bien faite, lorsque le plâtre a une certaine onctuosité, & une graisse qui colle aux doigts quand on le manie. Par une raison contraire, le plâtre mal cuit est rude, & ne s'attache point aux doigts comme l'autre.
Diderot et d'Alembert 1751 [18]
Suivant les conditions de pression de vapeur d'eau régnant dans le four, le sulfate de calcium se forme sous forme de semihydrate $\alpha $ (pour une pression supérieure à 1MPa - voie humide) ou de semihydrate $\beta $ (pour une pression inférieure à 1MPa - voie sèche). A priori, le plâtre cuit obtenu dans les fours traditionnels jusqu'au début du XXesiècle est sous forme de semihydrate $\beta $, et nous ne donnerons dans la suite que les résultats concernant ce dernier5, qui est utilisé dans le domaine de la construction.
Fig 1: Four à plâtre - d'après Claudel et Laroque 1865 [13]
scanné par Google
Adam (1989 [1]) décrit un autre procédé de cuisson, plus rustique, la cuisson sur aire, qui remonte à la très haute antiquité, mais dont nous ne savons pas s'il a été utilisé en France : "sur une surface horizontale bien dégagée, les pierres de gypse sont étendues en une couche uniforme de faible épaisseur [...] recouverte ensuite d'une épaisse couche de combustible constitué de fiente d'animaux". La cuisson du plâtre est alors plus lente (plusieurs jours).

3.2  Produit fini

Le plâtre cuit était battu ou broyé une fois sorti du four. Après cette opération, il était passé au panier ou au tamis, pour obtenir différentes qualités de plâtre.
Les différents types de plâtre cuits battus sont décrits par Barré (1896 [3]), qui reprend dans les grandes lignes la description de Claudel et Laroque (1865 [13]). Il distingue :
  • "Le plâtre en panier qui est l'état dans lequel le fabricant le livre ; on l'emploie pour aires de planchers, hourdis de murs, pans de bois, et crépis. On appelle encore ainsi le plâtre tamisé dans un parier d'osier ; il est plus fin que le précédent et il sert pour les crépis d'une faible charge (épaisseur)".
  • "Le plâtre au sas, qui est passé dans un tamis de crin sert pour enduits et moulures".
  • "Le plâtre au tamis de soie, pour beaux enduits et moulures qui doivent recevoir la peinture".
Il ajoute deux termes techniques complémentaires :
  • "Les mouchettes sont les résidus du passage du plâtre au sas. On les utilise mêlées avec de l'autre plâtre pour gros ouvrages".
  • "La fleur de plâtre (plâtre à la pelle), poussière plus fine que celui passé au tamis, s'obtient en faisant sauter du plâtre sur une pelle, à laquelle la fleur s'attache facilement. On l'emploie pour octer les moulures, c'est-à-dire pour boucher les petits trous et repasser les arêtes."
Le plâtre gros, ou gros plâtre désignait "celui qui a été concassé grossièrement et que l'on destine pour les gros murs de moellons ou les hourdages de cloisons" (Lucotte 1783 [27]). Diderot et d'Alembert donnent une définition légèrement différente : "On appelle aussi gros plâtre, les gravois de plâtre qui ont été criblés, & qu'on rebat pour s'en servir à renformir, hourder, & gobuer" (1751 [18]). Il semblerait que ce terme ne désigne plus le même produit aujourd'hui.
Les pierres à plâtre qui étaient utilisées pour produire le plâtre cuit pouvaient contenir du carbonate de calcium ($\calcite $). Pour mémoire, le carbonate de calcium permet d'obtenir la chaux par cuisson puis extinction. Cependant, la température régnant dans les fours à plâtre étant nettement inférieure à la température nécessaire pour cuire le calcaire, le carbonate de calcium n'est pas transformé en chaux vive (mCaO) lors de la cuisson.
Dralet mentionne présence de carbonate de calcium dans le plâtre cuit vendu à Paris (1837 [19]). Il ajoute que les proportions des éléments constitutifs des pierres à plâtre varient suivant les régions, donnant donc naissance à des plâtres aux propriétés variables, plus ou moins adaptés à la construction ou à l'agriculture suivant les cas.

3.3  Gâchage

Hydratation  Le gâchage du plâtre cuit battu avec de l'eau donne lieu à une réaction d'hydratation exothermique, dont le résultat est le plâtre, dit plâtre pris dans la littérature scientifique pour le distinguer du plâtre cuit battu ou broyé. Il faut utiliser beaucoup plus d'eau que ce qui est strictement nécessaire du point de vue de la réaction chimique, pour permettre la mise en œuvre du plâtre. La réaction d'hydratation est donc suivie d'une phase de séchage, où l'eau en excès s'évapore, laissant place à des cavités qui donnent au plâtre sa porosité. Le plâtre pris a la même formule chimique que celle du gypse ($\gypse $), cependant il est beaucoup plus poreux que la pierre à plâtre dont il est issu. Son taux de porosité est compris entre 30 et 60% (Meille 2001 [28]).
Terminologie   Le plâtre était dit gâché serré lorsque le plâtre cuit battu était gâché avec un volume d'eau égal au volume de plâtre. Il était dit gâché clair lorsque la quantité d'eau était plus importante, ce qui ralentissait son temps de prise. On obtenait du coulis de plâtre en ajoutant beaucoup d'eau (Lucotte 1783 [27]). Claudel et Laroque précisent que le plâtre noyé correspond à un plâtre sous forme de coulis qui a déjà commencé à prendre (1865 [13]).
Taux de gâchage   Aujourd'hui le taux de gâchage est exprimé par le rapport entre la quantité d'eau et la quantité de plâtre cuit, exprimées en masse et non en volume comme dans les traités d'architecture anciens. Ce taux est noté E/P. Le rapport le plus fréquemment mentionné dans la littérature est E/P = 0,8, ou P/E =1,2. La densité du plâtre cuit battu vaut environ 1,2, et on en déduit donc que la recette traditionnelle des traités indiquant un "volume d'eau égal au volume de plâtre" correspond au taux de gâchage E/P=0,8 actuel.

4  Produits à base de plâtre

4.1  Plâtras

Les plâtras sont des morceaux de plâtre issus de travaux de démolition. On distingue les plâtras blancs, issus des travaux de démolition des pans de bois, plancher, etc. et les plâtras noirs issus des travaux de démolition des conduits de cheminée en plâtre (coffres). Les premiers étaient employés comme remplissage pour le hourdage des pans de bois et des planchers, en raison de leur légèreté, et afin de diminuer la quantité plâtre cuit nécessaire pour ces travaux. Les seconds étaient utilisés pour les ouvrages n'exigeant pas de propreté, en raison de l'apparition de tâches sur les enduits.
A Paris et dans les pays à plâtre, on trouve souvent à très bon compte des déchets de démolitions de cloisons, de plafonds et de légers ouvrages en plâtre de toutes sortes, en morceaux assez gros pour pouvoir remplacer les pierrailles et servir de matériaux solides pour le remplissage des planchers. On les appelle des plâtras, et on fait la maçonnerie des entrevous en plâtras et plâtre. Si les ouvrages démolis sont de première qualité et viennent de demeures propres, on en obtient des ouvrages économiques et parfaitement solides ; mais la plupart du temps, dans les grandes villes, en en ignore la provenance.
On peut bien par un triage sévère en retirer les parties salpêtrées ou bistrées, dont l'emploi aurait des conséquences déplorables, mais le triage ne permet pas d'en séparer les miasmes, microbes et saletés invisibles de toutes sortes dont sont infectés les matériaux de bien des vieilles demeures ; ils sont donc à proscrire des ouvrages soignés.
Denfer 1894 [17]
La mise en œuvre des plâtras dans les hourdis des pans de bois est décrit par Claudel et Laroque.
Pour les pans de bois et les cloisons légères, les lattis sont toujours espacés, et le vide entre les lattes voisines doit être de 0m18 environ ; on a soin que les lattes placées sur chacune des faces du pan de bois ou de la cloison se trouvent au milieu des intervalles des lattes placées sur l'autre face.
[...]
Pour les pans de bois, l'ouvrier, après avoir latté sur les deux faces, place à sec, dans l'épaisseur du pan de bois, des plâtras, des éclats de briques ou de moellons tendres, etc., qui se trouvent maintenus par les lattes ; puis il remplit tous les vides entre ces matériaux avec le plâtre, en dressant grossièrement la surface avec la main, de manière à affleurer le lattis ; le crépi qu'il pose ensuite complète le dressage des parement et les prépare à recevoir l'enduit.
Claudel et Laroque 1865 [13]

4.2  Eléments préfabriqués

Après la (ré)apparition des carreaux plein en plâtre fin XVIIIe siècle pour la construction des cloisons, l'ère industrielle voit le développement de divers produits préfabriqués.
Les carreaux creux en plâtre pour cloisons, plus légers que les carreaux pleins et permettant probablement une meilleure isolation acoustique sont introduits probablement début XIXe siècle.
Les hourdis creux pour plancher apparaissent peut-être un peu plus tard avec le développement des planchers métalliques. Chapron mentionne des carreaux creux en plâtre permettant de hourder l'espace entre solives métalliques (1860 [10]). Les vides représentaient 40% du volume total. Des essais de charges sur planchers sans fantons et dont les hourdis sont composés uniquement de ces carreaux creux entre solives sont rapportés par Chapron :
  • Des carreaux de 0m16 d'épaisseur, hourdant un planche à solives espacées de 1 mètre ont supporté, sans aucune altération et pendant six semaines, une charge de 3000kilog. par mètre superficiel.
  • Des carreaux de même épaisseur, hourdant un plancher dont les solives étaient espacées de 0m70 ont résisté sans altération au choc d'un sac de plâtre de 200 kilog. tombant d'aplomb en leur milieu de 3 mètres de hauteur.
Nous n'avons pas encore trouvé d'exemple de ce type de plancher à carreaux creux en plâtre sur des chantiers de restauration à Paris, et nous ne savons pas si ce type de hourdis en plâtre a connu le succès. Un système similaire est décrit par Claudel et Laroque en 1865 sous le nom de poterie creuse en plâtre.

4.3  Pigeonnage en plâtre

Le pigeonnage en plâtre est un mode de construction de cloisons de faible épaisseur dressée à la main par le maçon. Il servait principalement à monter les conduits de fumée dans les constructions parisiennes, et est décrit ainsi par Claudel et Laroque :
Sous ce nom, on désigne ordinairement une espèce de cloison de 0m08 d'épaisseur, faite en plâtre pur, et dressée à la main au fur et à mesure avant la prise. Cette espèce de cloison est généralement employée à la construction des coffres et languettes de cheminées, et à l'établissement des hottes de cheminées de cuisines.
Claudel et Laroque 1865 [13]

4.4  Stuc

Le stuc étant un procédé très ancien, il existe de multiples formes de stucs. Nous mentionnerons ici seulement les stucs présentés comme suit par Planat à la fin du XIXe :
Le plâtre aluné, ou stuc français se prépare en imbibant les morceaux de plâtre cuit d'une solution d'alun à 2% et en leur faisant subir une seconde cuisson. Ce plâtre aluné, gâché encore dans une légère solution d'alun, prend, après dessiccation, un aspect et une dureté qui le rapproche du marbre ou de l'albâtre.
[...]
Le stuc proprement dit se prépare en gâchant le plâtre ordinaire, bien blanc, avec une solution de colle forte, à laquelle on ajoute environ 2% de sulfate de zinc.
Planat 1888 [32]

4.5  Staff

La méthode du staff est décrite par da Cunha à l'occasion de l'exposition universelle de 1900 (1901 [14]).
Pour obtenir un modèle en staff, il faut avoir un moule en creux de l'objet à reproduire. On commence par le savonner intérieurement et par passer des couches d'huile, afin de faciliter le démoulage ultérieur. On passe ensuite un lait de chaux assez léger qui constituera la surface extérieure du modèle ; on n'attend pas que ce plâtre ait pris complètement et on applique des morceaux de toile que l'on a préalablement trempés dans de la chaux ; ceux-ci font corps avec les fils pour former un tout très compact, le staff épouse la couche de plâtre préalablement fixée et forme avec elle une croûte très intime d'un centimètre environ d'épaisseur. En dernier lieu, et afin de consolider le système, on fixe des morceaux de bois entrelacés qui soutiennent les éléments du modèle et constituent l'ossature même de la statue. On attend que le tout ait bien pris et on démoule.
Très souvent on emploie du chancre ou de l'étoupe au lieu de la toile d'emballage, le mélange prend alors le nom de torchis ; mais la plupart du temps on continue à l'appeler également "staff" comme l'autre composé.
Da Cunha 1901 [14]

5  Caractéristiques

Nous donnons dans la suite les caractéristiques mécaniques du plâtre pris. Ces données sont tirées pour la plupart de traités de construction du XIXe, et quelques unes sont tirées de thèses françaises qui ont été publiées depuis 1995. Il est rarement précisé le nombre d'échantillons testés pour obtenir les valeurs, et ces dernières correspondent parfois à des essais uniques.
Les caractéristiques varient suivant de nombreux paramètres : nature du plâtre, taux de gâchage, nature de l'eau de gâchage, humidité du plâtre pris considéré, conformité de sa mise en œuvre. Nous précisons autant que possible le type de plâtre correspondant à ces valeurs, mais cela n'est pas toujours précisé par les auteurs.
Pour se faire une idée de la variabilité à laquelle est sujette le plâtre, on peut noter que les pierres à plâtre issus de différents bancs au sein d'une même carrière donnent des plâtres de différentes qualité. Claudel et Laroque distinguent ainsi les bancs suivants : "le souchet (plâtre médiocre), le bousineux (plâtre de qualité inférieure), le toisé, le petit dur et le gros dur (plâtre d'excellente qualité), la ceinture, le gros gris et le petit glandeux (plâtre de qualité très médiocre), le gros glandeux, la brioche et le banc rouge (fournissent le meilleur plâtre), le gros banc (qualité moyenne)" (1865 [13]).
Pour toutes ces raisons, il faut noter que l'utilisation de ces données doit se faire avec prudence pour les plâtres anciens.
Avant de rentrer dans le détail de ces valeurs on pourra noter les grandes tendances suivantes :
  • plus le taux de gâchage E/P est important, plus le plâtre pris est poreux ;
  • plus le taux de gâchage E/P est important, plus sa masse volumique et sa résistance mécanique sont faibles.
Du point de vue mécanique, le plâtre a un comportement linéaire élastique avec rupture de type fragile à l'état sec. Ce comportement devient fortement non linéaire en présence d'eau (Meille 2001 [28, p. 181]).
Nous utilisons les notations suivantes dans la suite :
  • $E$ : le module d'Young, ou module d'élasticité, en GPa ;
  • $E/P$ : le taux de gâchage massique, rapport de la quantité d'eau sur la quantité de plâtre lors du gâchage  ;
  • $p$ : la porosité du plâtre pris.

5.1  Poids volumique et porosité

Gypse   Le poids volumique du gypse (pierres à plâtre) vaut 2310kg/m3 (Daligand 2002 [15]), mais ce dernier était peu employé sous forme de moellon dans les constructions. Claudel et Laroque mentionnent même son interdiction à Paris pour construire les bâtiments (1865 [13]).
Plâtre cuit battu   La masse volumique du plâtre cuit battu et passé ou non au panier était comprise entre 1190 et 1270 kg/m3 selon les sources que nous avons réuni. La poudre de plâtre commercialisée aujourd'hui a des caractéristiques similaires.
Indications relevées dans les ouvrages publiés :
  • Claudel et Laroque donnent 1200 à 1270kg/m3 pour le "plâtre cuit passé au panier" (1865 [13])
  • Barré donne 1190 à 1220kg/m3 pour le "plâtre cuit battu" (1896 [3])
  • Barré donne 1240 à 1250kg/m3 pour le "plâtre tamisé battu" (1896 [3])
Plâtre pris   Le poids volumique du plâtre pris variait entre 1030 et 1600kg/m3 suivant les cas. Cette valeur dépend de plusieurs paramètres :
  • le temps de séchage du plâtre : plus ce temps est long, plus le poids volumique est faible.
  • le taux de gâchage : plus le plâtre est gâché serré (avec peu d'eau), plus le poids volumique est fort.
Ainsi la valeur 1030kg/m3 correspond à un plâtre gâche clair après plusieurs mois de séchage6, alors que la valeur 1600kg/m3 correspond à un plâtre gâché serré après quelques heures de séchage seulement.
La masse volumique des plâtras et plâtres utilisés pour hourdir murs et plancher semble être égale à 1400kg/m3 dans la littérature (seulement deux sources trouvées sur ce point).
Indications relevées dans les ouvrages publiés :
  • plâtre pris, après quelques mois de séchage
    • Rondelet donne 1227kg/m3 pour ses parallélépipèdes en "plâtre" ayant servi à ses essais dix-huit mois après le gâchage (1803 [33])
    • Rondelet donne 1115kg/m3 pour ses parallélépipèdes en "plâtre gâché avec du lait de chaux" ayant servi à ses essais dix-huit mois après le gâchage (1803 [33])
    • Claudel et Laroque donnent 1390 à 1410kg/m3 pour le "plâtre gâché, deux mois après l'emploi" (1865 [13])
    • Durand-Claye donne 1040 et 1030kg/m3 pour le "plâtre gâché clair", dans ses essais de compression (1888 [20])
    • Durand-Claye donne 1380 et 1370kg/m3pour le "plâtre gâché serré", dans ses essais de compression (1888 [20])
    • Durand-Claye donne entre 1130 et 1160kg/m3pour le "plâtre", dans ses essais de traction (1888 [20])
    • Barré donne 1400 à 1410kg/m3 pour le "plâtre gâché sec" (1896 [3])
    • Barré donne 1400 à 1600kg/m3 pour le "plâtre" (1896 [3]) en citant le cours de construction de Brune. Barré indique que le "plâtre au panier, gâché serré" qui pèse après trente heures de séchage 1577kg/m3, ne pèse plus que 1400kg/m3 deux mois plus tard.
    • Barré donne 1200 à 1600kg/m3 pour le "plâtre" (1896 [3])
  • plâtre pris, après quelques jours de séchage ou qualifié de "humide".
    • Claudel et Laroque donnent 1571kg/m3 pour le "plâtre au panier, gâché très serré, trente heures après l'emploi" et pour le "plâtre au panier, gâché avec du lait de chaux" (1865 [13])
    • Claudel et Laroque donnent 1577 à 1600kg/m3 pour le "plâtre gâché, vingt-quatre heures après l'emploi" (1865 [13])
    • Barré donne 1570 à 1600kg/m3 pour le "plâtre gâché humide" (1896 [3])
  • plâtras et plâtre
    • Jolly et Joly donnent 1400kg/m3 pour les "hourdis en plâtras" (1863 [24])
    • Denfer donne "environ" 1400kg/m3 pour "les maçonneries de plâtras et plâtre" (1894 [17])
Porosité   La porosité du plâtre peut-être estimée à partir de son taux de gâchage, selon une formule établie par Sanahuja (2008 [34]) : \begin{align} p = \frac{E/P - 0.186}{E/P + 0.326} \label{eq:porosite} \end{align}

5.2  Résistance à la compression

Il existe très peu de sources indiquant la résistance à la compression du plâtre. Les valeurs que nous avons trouvé dans la littérature du XIXe siècle sont issues presque exclusivement des valeurs trouvées par Rondelet (1803 [33]).
Plâtre gâché à l'eau   Dans le cas où les auteurs ne précisaient pas la nature de l'eau employée pour le gâchage, nous avons fait l'hypothèse que de l'eau sans additif (chaux ou autre) avait été employée.
Indications relevées dans les ouvrages publiés :
  • Rondelet donne 1239/25=50kg/cm2 pour ses essais sur deux parallélépipèdes en "plâtre" dix-huit mois après le gâchage (1803 [33] - repris par Navier 1839 [29] - repris par Gauthey 1843 [23])
  • Claudel et Laroque donnent 52kg/cm2 pour le "plâtre au panier, gâché très serré, trente heures après l'emploi" (1865 [13]). Barré reprend probablement cette valeur et donne 5kg/cm2 pour la valeur de calcul ("charge dont on peut charger avec sécurité"), avec un coefficient de sécurité7 de 10 (1896 [3]).
  • Durand-Claye donne 60kg/cm2 et 78kg/cm2 pour le "plâtre gâché clair" (1888 [20])
  • Durand-Claye donne 140kg/cm2 et 142kg/cm2 pour le "plâtre gâché serré" (1888 [20])
  • Barré donne 50 à 90kg/cm2 pour le "plâtre" en citant le cours de construction de Brune (1896 [3]).
Plâtre gâché au lait de chaux   Indications relevées dans les ouvrages publiés :
  • Rondelet donne 1816/25=73kg/cm2 pour ses essais sur deux parallélépipèdes en "plâtre gâché avec du lait de chaux" dix-huit mois après le gâchage (1803 [33] - repris par Navier 1839 [29] - repris par Gauthey 1843 [23])
  • Claudel et Laroque donnent 73kg/cm2 pour le "plâtre au panier, gâché avec du lait de chaux" (1865 [13]). Barré reprend probablement cette valeur et donne 7,3kg/cm2 pour la valeur de calcul ("charge dont on peut charger avec sécurité"), avec un coefficient de sécurité8 de 10 (1896 [3]).
Résistance à la traction   La résistance en traction simple est largement inférieure à la résistance en compression simple (Sanahuja 2008 [34]). Rondelet indique avoir trouvé sur un essai un rapport de 1 pour 9 entre la résistance à la traction et la résistance à la compression. Les résultats publiés au XIXe siècle varient entre 4,9 et 16kg/cm2.
Indications relevées dans les ouvrages publiés :
  • Rondelet donne 76/2,05/2,72=5kg/cm2 pour le plâtre sans précision (1803 [33] - repris par Navier 1839 [29]) Il donne également pour l'adhérence aux pierres 37/2,05/2,72=2,5kg/cm2
  • Claudel et Laroque donnent de 12 à 16kg/cm2 pour un "mortier de plâtre après 1 mois de séchage" (1865 [13])
  • Claudel et Laroque donnent 5kg/cm2 pour un mortier de plâtre avec du gros sable représentant la moitié du volume du plâtre cuit (1865 [13])
  • Claudel et Laroque donnent 9,8kg/cm2 pour le "plâtre au panier, gâché très-serré" (1865 [13])
  • Claudel et Laroque donnent 7,0kg/cm2 pour le "plâtre au panier, gâché pour enduit (pas trop serré)" (1865 [13])
  • Claudel et Laroque donnent 4,9kg/cm2 pour le "plâtre au sas, gâché moins serré que le précédent" (1865 [13])

5.3  Résistance à la flexion

A l'état sec, le plâtre présente en flexion un comportement linéaire avec rupture fragile.
  • Coquard cité par Meille donne des valeurs moyennes comprises entre 36,6kg/cm2 et 45kg/cm2 pour E/P = 0,82, suivant la taille des échantillons étudiés (2001 [28])

5.4  Module d'Young

Meille a déterminé expérimentalement la formule suivante pour estimer l'effet de la porosité sur le module d'Young (2001 [28, p. 88]) : \begin{align} \frac{E}{E_{0}}=\frac{(1-p)^{2}}{1+p} \end{align}
En combinant cette formule avec la formule $(\ref{eq:porosite})$ ci-dessus, il est donc possible d'estimer le module d'Young suivant le taux de gâchage à partir des données suivantes, relevées dans les ouvrages publiés :
  • Meille donne 5GPa pour E/P = 0,8 (2001 [28])
  • Durand-Claye donne 4,4GPa et 5,8GPa pour le "plâtre gâché clair", pour une contrainte de compression valant environ le quart de la contrainte de rupture (1888 [20])
  • Durand-Claye donne 9,3GPa et 10,1GPa pour le "plâtre gâché serré", pour une contrainte de compression valant environ le quart de la contrainte de rupture (1888 [20])
  • Durand-Claye donne 5,8GPa et 6,8GPa pour le "plâtre", lors d'essais de flexion (1888 [20])

5.5  Effet de l'humidité

Plâtre cuit   Lorsque le plâtre cuit battu avait été exposé à l'humidité avant d'avoir été gâché, soit lors du transport, soit par un stockage trop long dans de mauvaises conditions, il pouvait perdre en qualité. Une partie du plâtre avait alors déjà subit la réaction d'hydratation, ne pouvant alors plus participer à la prise lors de l'emploi du plâtre sur le chantier. Le plâtre était dit éventé. L'utilisation de plâtre éventé conduit à des plâtres pris de mauvaise qualité.
Pour éviter que le plâtre cuit ne s'évente, Claudel et Laroque indiquent que quelques années9 avant la rédaction de leur ouvrage en 1865, le plâtre cuit était livré sur chantier sous forme de petits gravas, moins sujet à s'éventer que le plâtre au panier ou au sas. Ces petits gravas étaient broyés sur chantier, afin d'obtenir un plâtre pris de meilleur qualité (1865 [13]). Le broyage du plâtre sur chantier étant difficile, cette précaution semble avoir disparue dans la seconde moitié du XIXe siècle, et il n'est pas connu si cette précaution était réellement appliquée sur les chantiers auparavant.
Il faut noter toutefois que dans le cas des plâtres de grande qualité, on le laissait reposer quelques jours après sa fabrication, sans quoi sa prise était trop rapide pour permettre son utilisation.
Plâtre pris   Le comportement mécanique du plâtre pris humide se distingue nettement de celui du plâtre pris sec. La loi de comportement est modifiée (elle n'est plus linéaire), les caractéristiques mécaniques sont affaiblies, le temps d'application des charges devient un paramètre important etc. Cette modification est sensible dès les premières quantités d'eau absorbées par le plâtre sec. Les traités de la construction du XIXe siècle fournissent peu d'information sur la modification du comportement mécanique du plâtre. Notre principale source d'information est la thèse de Meille, qui consacre tout un chapitre de son travail aux propriétés mécaniques du plâtre pris en présence d'eau. Nous donnons dans la suite quelques faits marquants tirés de cette thèse sur le comportement du plâtre humide, et renvoyons le lecteur à la thèse elle-même pour le détail des résultats (Meille 2001 [28]).
Pour un plâtre pris saturé en eau, la résistance à la flexion diminue de moitié, et la déformation augmente de moitié par rapport aux caractéristiques du plâtre sec, la loi de comportement reliant la contrainte à la déformation n'étant alors plus linéaire. Le module d'Young diminue de 15% entre état sec et état saturé.
Dans un plâtre humide effet de la durée de charge est importante. Meille indique une rupture différée du plâtre humide pour des charges égale à 10 à 15% de la résistance à la compression à une charge instantanée.
Claudel et Laroque mentionnent une expérience intéressante : des fragments d'enduits prélevés dans une cave humide ont donné une résistance à la traction de 2kg/cm2 lors d'un premier essai. Cependant, après un mois d'exposition à l'air en été, les fragments avaient pris une résistance de 7kg/cm2 (1865[13]). Cette expérience semble indiquer que le plâtre pris humide retrouve une partie de la résistance perdue si des mesures sont prises pour le sécher. Ce type d'évolution est également applicable au module d'élasticité. Le module d'Young diminue de 7% environ lorsque le taux d'humidité de l'air passe de 12% à 97% HR, mais cette évolution est réversible après séchage en étuve (Meille 2001 [28]).
Dans le cadre d'une analyse d'une structure en plâtre, il faudra également tenir compte de l'augmentation de la masse volumique liée à l'humidité. En inversant les remarques sur l'influence du séchage sur la masse volumique, il apparaît que la masse volumique du plâtre pris peut augmenter de l'ordre de 15% pour le plâtre gâché serré imbibé d'eau. . Cette influence sera d'autant plus importante que le plâtre aura été gâche clair, et sera donc poreux.

5.6  Vieillissement

Rondelet souligne que le plâtre voit sa résistance décroître avec le temps (cohésion, traction, compression), "surtout lorsqu'il est exposé aux injures de l'air, ou à l'humidité". Il indique par contraste que le mortier de chaux (naturelle) voit sa résistance croître avec le temps (1803 [33]). Navier reprend les affirmations de Rondelet et indique simplement que la résistance à la traction "diminue beaucoup avec le temps" (1839 [29]).

5.7  Temps de prise et séchage

Le plâtre fait prise en 20 minutes environ après le gâchage. Le temps de prise pouvait être retardé par l'ajout de chaux, ou en augmentant le taux de gâchage (ajout de plus d'eau). Il existe aujourd'hui de nombreux additifs qui permettent d'accélérer le temps de prise (dans le cas des éléments préfabriqués) ou au contraire de le retarder (dans le cas d'une mise en œuvre manuelle).
Le séchage du plâtre dure plusieurs mois. Pendant cette phase, l'eau en excès par rapport à l'eau effectivement utilisée pour la réaction d'hydratation s'évapore. La masse volumique du plâtre diminue donc pendant la phase de séchage.

5.8  Gonflement et retrait

Suite au gâchage, le plâtre présente succession de phases de gonflement et de retrait que nous allons examiner maintenant.
La première phase est une phase de retrait. Cette phase est très rapide et n'a pas de conséquence pratique dans l'emploi du plâtre, qui est alors encore dans l'auge du maçon.
Cette phase de retrait est suivie par une phase de gonflement important (entre 0,3% et 1,5% environ). Cette phase de gonflement important correspond à la réaction d'hydratation du plâtre, et est terminée au bout de 20 min environ (Meille 2001 [28, p. 20]). Les auteurs du XIXe donnent un résultat légèrement différent. Ils indiquent que le gonflement lors de la prise du plâtre est de 1% environ après 24 heures, dont la moitié dès la première heure de prise (Claudel et Laroque 1865 [13], Barré 1896 [3]). Selon Claudel et Laroque, "cette force d'expansion du plâtre est suffisante pour renverser les constructions les plus solides". Il semblerait que le gonflement se poursuive beaucoup plus lentement pendant un certain temps après les 20 premières minutes, et avant le début de la troisième phase.
La troisième phase est à nouveau une phase de retrait, qui a lieu lors du séchage, suite à l'évaporation de l'eau résiduelle dans les pores inter-cristallins (Meille 2001 [28]). Cependant ce retrait de séchage est inférieur au dixième du gonflement de la phase d'hydratation. Par comparaison avec celui des ciments, qui est du même ordre de grandeur que le gonflement lors de la phase d'hydratation des ciments, on voit que le retrait du plâtre est extrêmement réduit (Daligand 2002 [15]).
Le gonflement, qui est une propriété caractéristique du plâtre par rapport aux autres liants anciens, est connue et décrite par Alberti pour la mise en charge des étaiements (voir supra) bien avant que ces phénomènes soient expliqués par la structure cristalline du plâtre. Viollet-le-Duc mentionne lui aussi le plâtre dans son article sur les étais pour assurer le contact entre un châssis en bois et un chapiteau, pour sans insister sur l'utilité de ce matériau par rapport à tout autre (1861 [35]).
Fig 2: Principe de l'évolution du volume du plâtre en fonction du temps après gâchage
d'après Meille 2001 [28]
Pour l'anecdote, le gonflement du plâtre est problématique pour la précision des reproductions par moulage en plâtre d'objets (voir par exemple les mésaventures de la conservation des cranes par coulage de plâtre, et les problèmes de précision des reproductions dans Broca 1864 [7] et [8]). Ces reproductions en plâtre qui avaient pour but la conservation et la diffusion des objets archéologiques peuvent aujourd'hui être remplacées par les modèles numériques construits par photogrammétrie ou scanner 3D.

5.9  Incompatibilité avec le ciment

L'emploi du plâtre en présence de ciment (et inversement) produit des réactions chimiques expansives qui peuvent être très néfaste pour la stabilité de la maçonnerie concernée (voir notre article concernant le coulinage des maçonneries, où ces phénomènes sont abordés).
Cette incompatibilité du plâtre avec les liants hydrauliques ne permet pas d'exploiter les qualités de résistance de ces derniers contre l'humidité pour protéger les plâtres. Il existe cependant un type de chaux hydraulique naturelle qui permettrait de faire des enduits de protection sur des supports au plâtre (voir de Brandois et Babics 2006 [16]).
Nous avons mentionné plus haut l'emploi combiné de plâtre puis de ciment pour construire les voûtes en brique plates sans coffrage à la fin du XIXe siècle. Nous n'avons pas pu réunir d'information sur les raisons qui expliquerait la compatibilité de l'usage de ces deux matériaux dans ce cas.

5.10  Divers

Il existe un type de plâtre, appelé plâtre surcuit, qui présente des propriétés particulières, dont une résistance très élevée (30MPa=300kg/cm2 à l'état sec) et un poids volumique plus élevé (1600 à 1750kg/m3) que les plâtre habituels (Lucas 2005 [26]). Nous ne disposons pas d'indications sur l'utilisation de ce plâtre pour les monuments anciens en France.

6  Conclusion

Les informations que nous avons tiré des traités de la construction concernant le plâtre doivent être prises avec précautions, en raison des différences qui ont déjà été noté dans le cas de la chaux entre la réalité observé sur le terrain par l'archéologie du bâti et les écrits qui nous sont parvenus (Büttner et Prigent 2007 [9]).
Comme dans le cas de la résistance des calcaires, nous avons pu noter au cours de cette étude la grande influence qu'ont eut les résultats des essais expérimentaux de Rondelet sur les auteurs ultérieurs, qui reprirent souvent directement les valeurs de ses essais. Les thèses qui ont été réalisés en France depuis les années 1995 permettent de mieux comprendre le comportement mécanique du plâtre utilisé dans les monuments anciens, même si ce dernier ne constituait pas le centre de leur étude.
 
Article mis en ligne le : 03/03/2013.
Révisé le : 05/03/2013.

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Notes:

1 Définition de Noël : Remplir les joints par gravité [...] le plus généralement au plâtre.
2 Vitruve à propos des corniches, tel que traduit par Choisy (1909 [12]) : "Et en elles le plâtre ne doit nullement intervenir ; mais (elles doivent être en mortier) de marbre tamisé, (et) traînées d'une venue : de crainte que (le plâtre), faisant prise plus vite, n'empêche l'ouvrage d'arriver d'une venue à siccité"
3 Poids des matériaux mis en œuvre en pourcentage dans la maison à loyers à Paris sous Louis XV: moellons 57,02%, plâtre 22,17%, pierre de taille 8,60%, chêne 7,79%, terre cuite 2,50%, métaux 0,36%, ardoise 0,22%, mortier salpêtre grès 1,32% (Boudriot 1982 [6])
4 Le plâtre et le ciment portland sont mentionnés par les sources d'époques, et il n'est pas rapporté d'incompatibilité entre ces deux matériaux dans ces documents dans ce cas précis.
5 Les différences principales du semihydrate $\alpha $ par rapport au semihydrate $\beta $, concernent le taux de gâchage E/P (plus faible pour $\alpha $), et la résistance du plâtre pris obtenu (plus grand pour $\alpha $). Le semihydrate $\alpha $ est utilisé par exemple pour la réalisation de moulage dentaire. Il existerait depuis les années 1930. Le lecteur intéressé par le semihydrate $\alpha $ pourra se reporter à Meille 2001 [28].
6 Le temps de séchage n'est pas précisé par Durand-Claye pour cette valeur de 1030kg/m3, mais pour les autres mortiers testés en compression par cet auteur les temps de séchage sont trois, quatre, six, huit et onze mois, ce qui pourrait indiquer que le plâtre a lui aussi séché au moins deux mois avant la prise de mesure. Nous avons fait cette hypothèse.
7 La valeur de ce coefficient de sécurité n'est pas indiquée clairement, mais semble correspondre à 10, qui est la valeur usuelle utilisée pour l'ensemble des maçonneries au XIXe siècle.
8 voir note de bas de page précédente sur le coefficient de sécurité.
9 Nous ne savons pas si ces quelques années avant la date de parution de l'ouvrage de Claudel et Laroque se rapportent à la première édition, ou à la troisième édition de 1865.