Actuellement, la plupart des produits en béton cellulaire relèvent des catégories des matériaux de construction hydratés et des matériaux de construction cimentaires, leur principe de durcissement étant essentiellement le même que celui des briques en résidus miniers. Le béton cellulaire est une pierre artificielle silicatée, légère et microporeuse, fabriquée à partir de matériaux siliceux et calcaires comme matières premières principales, auxquels sont ajoutés un agent moussant et d’autres additifs, puis mélangés à de l’eau, moulés, pré-durcis, découpés et durcis en autoclave. Il s’agit d’un nouveau type de matériau de mur léger qui allie isolation thermique, résistance au feu, isolation acoustique et facilité de mise en œuvre. Le sable utilisé pour la fabrication du béton cellulaire doit généralement présenter une fraction massique de SiO₂ supérieure à 70% et une fraction massique de quartz supérieure à 40%.

5.7.1 Fabrication de béton cellulaire à partir de résidus de fer

Les résidus de fer peuvent être utilisés pour produire du béton cellulaire. Les principales matières premières sont les résidus de fer, le laitier trempé à l'eau et le ciment, ainsi qu'un agent moussant (poudre d'aluminium), un stabilisateur de mousse et des régulateurs. Les exigences relatives aux résidus de fer utilisés dans la production de béton cellulaire sont les suivantes : SiO₂ > 65%, SiO₂ libre > 40%, Na₂O < 1,5%–2%, K₂O < 3%–3,5%, Fe₂O₃ < 18%, perte au feu < 5%, teneur en argile < 10%. Une partie du SiO₂ présent dans les résidus de fer se trouve sous forme de quartz, appelé SiO₂ libre, qui réagit avec l’oxyde de calcium disponible dans les conditions de durcissement en autoclave. Une autre partie du SiO₂ se trouve dans le feldspath ou d’autres composants minéraux ; ce SiO₂ combiné ne peut pas participer efficacement à la réaction avec l’oxyde de calcium disponible. Par conséquent, l’exigence relative à la teneur en SiO₂ des résidus de fer concerne principalement la fraction de quartz. Bien que la teneur en quartz ne puisse pas être mesurée directement, comme elle entretient une certaine relation avec la teneur totale en SiO₂, il est possible d’estimer la teneur approximative en quartz des résidus de fer. Par exemple, lorsque la teneur en SiO₂ des résidus de fer est de 75%, environ 40% correspondent à du quartz pur.

L'utilisation de résidus de fer pour la fabrication de béton cellulaire, ainsi que de blocs de béton cellulaire, de dalles de plancher, de panneaux de toiture, de panneaux muraux, de blocs isolants et d'autres matériaux, a été mise en œuvre avec succès dans l'industrie. L'usine de briques de laitier d'Angang utilise les résidus miniers provenant du concentrateur de la montagne de Dagu, mélangés à du ciment, de la chaux et d'autres matières premières, pour produire du béton cellulaire. Le produit est léger et présente de bonnes propriétés d’isolation thermique. L’usine a une production annuelle de 100 000 m³ de béton cellulaire, consommant environ 30 000 tonnes de résidus par an. Les proportions des matières premières sont les suivantes : résidus miniers 66%, chaux vive 25%, ciment 8%, gypse 1%, poudre d’aluminium 0,08%–0,12%. Le processus de production est illustré à la figure 5-10.

Le 13 août 2013, le nouveau projet de transformation industrielle de la mine de fer de Mingli, dans le comté de Daixian (province du Shanxi) – portant sur la production expérimentale de briques standard et de blocs de béton cellulaire à partir de sable de résidus miniers – a été mis en service, pour un investissement de 180 millions de yuans. Il permet de traiter 1,2 million de m³ de sable de résidus miniers par an, de créer entre 150 et 200 emplois, et de produire chaque année 120 millions de briques standard en sable de résidus miniers et 300 000 m³ de blocs de béton cellulaire à base de sable de résidus miniers, pour une valeur de production supérieure à 100 millions de yuans et des recettes fiscales dépassant 30 millions de yuans.

Wang Yan et al. ont mené des recherches expérimentales sur la fabrication de béton cellulaire à partir des résidus miniers de la mine de fer de Chengchao, appartenant à la Wuhan Iron and Steel Corporation. L'analyse de la composition des résidus a montré que la teneur en SiO₂ était d'environ 50%, présente principalement sous forme de feldspath, avec une teneur en quartz inférieure à 10%, et qu'ils contenaient environ 10% de minéraux de type gypse. Les résidus présentant de faibles teneurs en SiO₂ et en quartz, mais une teneur élevée en gypse, il a été décidé d’ajouter du ciment (ciment Portland ordinaire 425#) pour augmenter la teneur en matière siliceuse, ainsi que de la chaux (CaO disponible à 85%) comme matière calcaire. En raison de la forte teneur en gypse des résidus, il n’a pas été nécessaire d’ajouter de gypse supplémentaire lors de la fabrication du béton cellulaire. Les matières premières utilisées pour produire du béton cellulaire à partir de résidus de fer sont les résidus de fer, la chaux, le ciment et la poudre d’aluminium. Le schéma du processus de préparation est présenté à la figure 5-11. La vérification expérimentale a montré que les proportions optimales des matières premières sont les suivantes : ajout de matière siliceuse de 11% à 20%, rapport matière calcaire/matière siliceuse de 3:7, dosage de poudre d’aluminium de 0,08%. Cela permet de produire du béton cellulaire de classe 600 présentant une résistance à la compression moyenne d’environ 3,5 MPa et une résistance minimale de 2,8 MPa, ce qui répond aux exigences de la norme nationale.

Figure 5-10 Schéma du processus de fabrication des blocs de béton cellulaire

Han Chen et ses collègues de l’Université des sciences et technologies de Wuhan ont mené des recherches expérimentales sur la fabrication de béton cellulaire en utilisant comme matière première principale des résidus de fer provenant de Jinshandian, à Huangshi, dans la province du Hubei. La teneur en SiO₂ des résidus de fer utilisés étant faible (35,43%), de la poudre de quartz d’une teneur en SiO₂ de 98% a été ajoutée en tant que matériau à haute teneur en silicium. Les autres matières premières comprenaient de la chaux (chaux vive disponible dans le commerce, broyée jusqu’à obtenir une finesse présentant un résidu sur un tamis de 200 mesh (0,074 mm) inférieur à 15%), du ciment (ciment de classe 32,5 disponible dans le commerce), un agent moussant (poudre d’aluminium, de pureté analytique) et des régulateurs (gypse, hydroxyde de sodium).

Figure 5-11 Schéma du procédé de fabrication de béton cellulaire à partir des résidus de la mine de fer de Chengchao

Le processus de fabrication du béton cellulaire se déroule comme suit : Les résidus de fer, la chaux vive, le ciment, le gypse et d’autres matières premières sont pesés selon une certaine proportion et mélangés de manière homogène. On ajoute de l’eau et des additifs, puis le mélange est agité pendant 5 minutes. La poudre d’aluminium est dissoute dans une petite quantité d’eau, puis ajoutée. Une fois le mélange homogène, la pâte est versée dans des moules triples de 10 cm × 10 cm × 10 cm, qui sont ensuite placés dans une étuve et pré-durcis à 70 °C pendant 2 heures. Après le pré-durcissement, les blocs sont découpés, démoulés, puis envoyés dans un autoclave pour un durcissement sous pression de vapeur saturée à 1,2 MPa pendant 6 heures. Après le traitement en autoclave, les produits finis sont placés dans une étuve et séchés à 105 °C jusqu’à poids constant, puis soumis à des essais de performance et à une analyse microscopique. Le déroulement spécifique du procédé est illustré à la figure 5-12.

Les résultats montrent que, dans des conditions où le rapport massique entre les résidus miniers, la poudre de quartz, la chaux, le ciment et le gypse est de 50 : 20 : 18 : 10 : 2, avec une teneur en poudre d’aluminium de 0,1% et une teneur en hydroxyde de sodium de 0,4%, et après broyage des résidus jusqu’à une finesse de 95,35% passant au tamis de 0,074 mm, le béton cellulaire ainsi préparé présente une densité de 637 kg/m³ et une résistance à la compression de 4,31 MPa. Ces valeurs répondent aux exigences de la norme nationale relative aux produits en béton cellulaire de classe A3,5 et B07. Blocs de béton cellulaire autoclavé (GB11968—2006). Les analyses par diffraction des rayons X (DRX) et par microscopie électronique à balayage (MEB) montrent que le produit contient de grandes quantités de tobermorite et de gel C-S-H. Les produits d'hydratation s'imbriquent les uns dans les autres, formant une structure compacte qui joue un rôle important dans l'amélioration de la résistance du produit.

Figure 5-12 Schéma du procédé de fabrication de blocs de béton cellulaire à partir des résidus de fer de Jinshandian

L'Institut provincial des matériaux de construction du Guangdong a étudié la faisabilité de l'utilisation des résidus provenant d'un concentrateur de pyrite local pour produire des blocs de béton cellulaire autoclavé. Il a déterminé les proportions optimales du mélange et le régime d'autoclavage optimal pour la fabrication de blocs de béton cellulaire autoclavé à partir de ces résidus. Les produits en béton cellulaire autoclavé à base de résidus ainsi obtenus présentaient une densité moyenne de 716 kg/m³ et une résistance à la compression moyenne de 5,20 MPa, répondant ainsi aux exigences de la norme relative aux blocs de béton cellulaire autoclavé de classe A5.0 et B07. Blocs de béton cellulaire autoclavé (GB/T 11968—2006).

5.7.2 Fabrication de béton cellulaire à partir de résidus aurifères

Xia Ronghua et ses collègues de l’Université de technologie de Qingdao ont utilisé des résidus aurifères à granulométrie naturelle provenant d’une mine d’or du Shandong pour produire du béton cellulaire. La proportion optimale du mélange a été déterminée comme suit : résidus 63%, chaux 25%, ciment 10%, du gypse 2%, avec un dosage optimal d’adjuvants de 40 g/m³ et un rapport eau/solides optimal de 0,58. La finesse optimale des résidus était de 1,75% de résidus sur un tamis de 0,074 mm. Le régime d’autoclavage optimal était le suivant : temps de chauffage de 3 h, temps à température constante de 8 h, température maximale de l’autoclave de 205 °C, temps de refroidissement de 2,5 h. Le béton cellulaire à base de résidus miniers ainsi préparé présentait une densité moyenne de 697,8 kg/m³ et une résistance moyenne à la compression au démoulage de 6,32 MPa, répondant ainsi aux exigences des produits en béton cellulaire de classe A5.0 et B07.

La mine d’or de Shandong Jiaojia a investi plus de 17 millions de yuans pour construire une ligne de production de béton cellulaire d’une capacité annuelle de 300 000 m³. Cette ligne de production utilise des machines de découpe de blocs de béton cellulaire de pointe fabriquées en Chine ainsi que des autoclaves de dernière génération, le tout associé à un système de dosage commandé par ordinateur. Le produit repose sur une technologie de pointe de fabrication de blocs de béton cellulaire à base de ciment, de chaux et de sable, dont les principales matières premières sont le sable de résidus miniers, le ciment, la chaux, le phosphogypse et la poudre d’aluminium. Ces matières sont automatiquement dosées, mélangées, coulées, moulées, découpées et durcies à haute température et haute pression. Les blocs de béton cellulaire ainsi produits sont légers, isolants thermiques, insonorisants, imperméables, ignifuges, non radioactifs et faciles à mettre en œuvre, ce qui en fait un matériau de construction privilégié pour les bâtiments civils et publics.

Le projet intitulé “ Valorisation globale des résidus céramiques et des résidus aurifères pour la production de blocs de béton cellulaire ”, mené conjointement par l’Université normale du Fujian, la Base provinciale de développement des technologies des plastiques modifiés du Fujian et la société Fujian Wanqi Non-metallic Materials Co., Ltd., a passé avec succès l’évaluation organisée par le Département provincial de la construction du Fujian. Ce projet valorise de manière globale les trois principaux produits de la société Wanqi, en utilisant des résidus industriels tels que les résidus aurifères, les résidus céramiques (scories) et le calcaire de faible qualité générés au cours de la production pour fabriquer des blocs de béton cellulaire légers, créant ainsi un parc d’économie circulaire dédié à l’exploitation minière, ce qui constitue une initiative hautement innovante. L’envergure totale prévue du projet est une production annuelle de 500 000 m³ de blocs de béton cellulaire, qui sera mise en œuvre en trois phases. La première ligne de production, d’une capacité annuelle de 100 000 m³ de blocs de béton cellulaire, a été mise en service début 2007, pour un investissement total de 11,8279 millions de yuans, dont 9,8837 millions de yuans consacrés à la construction. Sur la base d’un prix de vente de 200 yuans/m³, la valeur moyenne annuelle de la production peut atteindre 20 millions de yuans, avec un bénéfice total annuel moyen de 3,2595 millions de yuans, des impôts versés s'élevant à 1,0756 million de yuans et un bénéfice net de 2,1839 millions de yuans, ce qui témoigne de bonnes perspectives économiques.

À l'issue d'une étude et d'une évaluation approfondies, la société Shandong Jinzhou Mining Group Co., Ltd. a investi plus de 30 millions de yuans dans un projet global de valorisation des résidus miniers. Ce projet comprend une ligne de production par lixiviation en tas des résidus miniers, une ligne de production de blocs de béton cellulaire d’une capacité de 150 000 m³ et une ligne de production de briques autoclavées d’une capacité de 60 millions de pièces. Tout d’abord, la technologie de lixiviation en tas est utilisée pour récupérer l’or et l’argent contenus dans les résidus miniers ; les résidus ainsi traités sont ensuite utilisés pour produire des blocs de béton cellulaire et des briques autoclavées, ce qui permet de valoriser 150 000 tonnes de résidus par an et d’augmenter les bénéfices annuels de 13 millions de yuans. Le rapport massique des principales matières premières pour la production de blocs de béton cellulaire est le suivant : m(résidus) : m(ciment) : m(chaux vive) : m(gypse) : m(poudre d’aluminium) = 68 : 8 : 22 : 2 : 0,07, avec un rapport eau/solides de 0,6. Le durcissement du produit s’effectue à l’aide de vapeur saturée à haute température et haute pression. Le régime d’autoclavage est le suivant : vide : de 0 à -0,06 MPa pendant 0,5 h ; chauffage et mise sous pression : de -0,06 à 1,3 MPa pendant 1,5 h ; température et pression constantes : 1,3 MPa pendant 8,0 h ; refroidissement et dépressurisation : de 1,3 à 0 MPa pendant 1,5 h. Les performances des blocs de béton cellulaire ainsi produits répondent aux exigences de qualité spécifiées dans Blocs de béton cellulaire autoclavé (GB 11968—2006). En 2008, le projet de la société Shandong Jinzhou Mining Group Co., Ltd., visant à produire des blocs de béton cellulaire et des briques autoclavées à partir de résidus aurifères, s’est vu décerner le titre de “ l’un des dix meilleurs projets de démonstration en matière d’économie circulaire dans la province du Shandong ”.”

La société Qingdao Shuangda New Building Materials Co., Ltd., située dans la province du Shandong, a mis en place des équipements et des technologies de pointe pour mener à bien un projet de valorisation des résidus aurifères, représentant un investissement total de plus de 16 millions de yuans. La première phase, qui porte principalement sur la production de blocs de béton cellulaire, est déjà entrée en phase d'essai, avec une production annuelle de 500 000 m³ de blocs de béton cellulaire (soit l'équivalent de 17,36 millions de briques standard) et une capacité de traitement de 220 000 tonnes de résidus aurifères. La deuxième phase est réservée à la fabrication de panneaux.

La chaîne de production de blocs en béton cellulaire, d'une capacité annuelle de 100 000 m³, construite et financée par la société Laizhou Development and Construction General Company dans la province du Shandong, a été mise en service à titre expérimental en juin 2004 et a permis de produire avec succès du béton cellulaire à partir de sable issu de résidus aurifères. Ces blocs ont été utilisés dans des projets de développement menés par l'entreprise.

5.7.3 Fabrication de béton cellulaire à partir de résidus de plomb et de zinc

Certains résidus de plomb-zinc peuvent être utilisés comme matériau siliceux à forte teneur en silicium, en remplacement des cendres volantes et du sable dans la fabrication du béton cellulaire. Li Fangxian et ses collaborateurs ont mené des recherches sur l'utilisation de résidus de plomb-zinc à haute teneur en silice (fournis par la société Zhejiang Suichang Gold Mine Co., Ltd.) pour remplacer le sable de rivière dans la fabrication du béton cellulaire. L’étude a montré que le procédé optimal pour la production de béton cellulaire à partir de résidus de plomb-zinc (fraction massique de SiO₂ > 62%) implique une température de coulée comprise entre 40 et 45 °C, avec les rapports massiques suivants : ciment : chaux mélangée : résidus de plomb-zinc : poudre d’aluminium : adjuvant : carbonate de sodium = 1,0 : 1,5 : 3,06 : 0,005 : 0,005 : 0,0047 ou 1,0 : 1,0 : 2,0 : 0,0036 : 0,0036 : 0,0034, et une teneur en bentonite de 2%. La résistance à la compression et la résistance au gel du béton cellulaire préparé répondent aux exigences des produits certifiés de classe B06, tandis que les valeurs de conductivité thermique et de retrait au séchage sont conformes aux normes nationales. Zhao Junping et al. ont utilisé des résidus industriels de plomb-zinc à haute teneur en silice et désulfurés pour produire du béton cellulaire ; la résistance, la résistance au gel et la stabilité de ce béton cellulaire étaient conformes aux normes nationales, et il ne contenait aucun radionucléide naturel.

Après près d'un an de recherche et développement, la société chargée de la gestion des résidus miniers du Bureau d'exploration géologique des métaux non ferreux de Chine orientale, dans la province du Fujian, a réussi, en mars 2013, à utiliser des résidus de plomb et de zinc comme matières premières pour fabriquer trois types de produits autoclavés : des tuiles en ciment, des briques de silicate autoclavées et du béton cellulaire. Les indicateurs de performance de ces produits étaient conformes aux normes nationales, et une demande de brevet a été déposée.

5.7.4 Fabrication de béton cellulaire à partir de résidus de cuivre à faible teneur en silicium

Qian Jiawei et al. ont mené des recherches expérimentales sur la fabrication de béton cellulaire à partir de résidus de cuivre à faible teneur en silicium. Les résidus de cuivre utilisés provenaient de la mine de cuivre de Shouwangfen, située dans la ville de Chengde, dans la province du Hebei. Les résidus d’origine ont été broyés jusqu’à obtenir une finesse de 98,9% passant au tamis de 0,074 mm. Comme les résidus de cuivre contenaient environ 44% de SiO₂ (fraction massique, id. ci-après) avec très peu de SiO₂ sous forme de quartz, ce qui ne répondait pas aux exigences générales relatives à la teneur en SiO₂ des matières premières destinées au béton cellulaire (le sable utilisé pour le béton cellulaire doit généralement présenter une teneur en SiO₂ > 70% et en quartz > 40%), du sable siliceux dont la teneur en SiO₂ est supérieure à 80% a été sélectionné pour fournir une partie de la matière siliceuse. La chaux et le ciment (ciment P·O 42,5) ont été utilisés comme matériaux calcaires ; l’agent moussant était de la poudre d’aluminium hydrophile, et le régulateur était du gypse naturel. Le schéma du procédé de fabrication du béton cellulaire à partir de résidus de cuivre est présenté à la figure 5-13. Les conditions de procédé étaient les suivantes : agitation avec de l’eau chaude à 55 °C (température de coulage de la boue d’environ 44 °C) et durcissement à température constante à 45 °C.

Des recherches expérimentales ont permis de déterminer que la proportion optimale des composants pour la préparation du béton cellulaire est la suivante : résidus de cuivre 32%, sable siliceux 34%, chaux 20%, ciment 8%, gypse naturel 6%, poudre d’aluminium 0,057%, et un rapport eau/matières solides de 0,53. Les résultats des essais ont montré que les éprouvettes de béton cellulaire (100 mm × 100 mm × 100 mm) préparées selon la proportion de mélange optimale ci-dessus présentaient une densité moyenne de 619,1 kg/m³ et une résistance moyenne à la compression de 4,5 MPa, ce qui répond aux exigences relatives aux produits en béton cellulaire de classe A3,5 et B06 spécifiées dans Blocs de béton cellulaire autoclavé (GB 11968—2006).