Fabrication de briques à partir de résidus de fer

Les résidus de fer constituent une matière première minérale composite, à savoir des déchets minéraux rejetés sous forme de boue à l'issue du traitement et de la séparation magnétique du minerai de fer. Leur composition comprend à la fois des composants chimiques et minéraux. Le composant principal est le quartz, contenant principalement du SiO₂, de l’Al₂O₃, du Fe₂O₃, du CaO, du MgO, etc., ainsi que de faibles quantités de K₂O, de Na₂O, de S, de P et d’autres éléments. Dans la plupart des résidus de fer, le composant principal est le SiO₂. Pour les résidus utilisés comme matières premières dans le secteur du bâtiment, la propriété clé est leur réactivité chimique dans une solution de Ca(OH)₂. Bien que les résidus de fer eux-mêmes ne possèdent pratiquement aucune propriété cimentaire hydraulique, lorsque la poudre de résidus de fer mélangée à de l’eau réagit avec du Ca(OH)₂ à température ambiante ou dans des conditions de durcissement hydrothermique, des composés dotés de bonnes propriétés cimentaires hydrauliques peuvent se former. De plus, selon la théorie de la structure hiérarchique des matériaux composites renforcés par des particules, le rôle principal des adjuvants minéraux est de réagir avec le matériau cimentaire pour former des gels ou des minéraux microcristallins, augmentant ainsi la quantité de la phase cimentaire. Ce principe est similaire à celui des matériaux de construction issus de résidus miniers produits par hydrosynthèse.

5.1.1.1 Fabrication de briques non cuites et de briques autoclavées

Les briques non cuites à la vapeur et non cuites au feu constituent un type de matériau de construction à base de résidus cimentés. Il s'agit de matériaux ou de produits de construction obtenus en liant des particules de résidus pour former un ensemble à l'aide d'un liant, à température ambiante ou à une température inférieure à 100 °C, ce qui permet d'obtenir des formes régulières répondant aux exigences d'utilisation. Dans ces matériaux, les résidus miniers servent principalement de granulats et ne participent généralement pas aux réactions chimiques qui conduisent à la formation du matériau ; cependant, leur morphologie, leur granulométrie, l’état de leur surface, leur résistance mécanique et leur stabilité chimique ont un impact significatif sur les performances techniques du matériau. Le principe fondamental réside dans le fait que les matières premières réagissent avec l’eau lors du malaxage pour former des substances telles que l’hydrate de silicate de calcium (CSH) et l’hydrate d’aluminate de calcium (CAH) (où C = CaO, S = SiO₂, A = Al₂O₃, F = Fe₂O₃). Ces deux produits d’hydratation lient entre elles les particules de résidus de fer et constituent également la principale source de résistance des briques de résidus de fer.

L'Institut de recherche minière de Ma'anshan a réussi à fabriquer des briques non cuites à partir des résidus miniers des mines de fer de Qidashan et de Waitoushan. Ce type de brique de mur non cuite utilise du sable fin issu des résidus miniers (SiO₂ > 70%) comme matière première principale, mélangé à une petite quantité de granulats, de liant calcaire et d’adjuvants. On ajoute une quantité d’eau appropriée et, après un malaxage homogène, le mélange est moulé sur une presse de 60 t à une pression comprise entre 19,6 et 114,7 MPa. Après démoulage, les briques sont mises à durcir dans des conditions standard (durcissement naturel) pendant 28 jours pour devenir des produits finis. Le déroulement du processus est illustré à la figure 5-1. Les briques fabriquées à partir des résidus miniers de Qidashan et de Waitoushan ont été testées, et tous les indicateurs répondaient aux exigences de la norme de brique de catégorie 100 spécifiée dans les “ Conditions techniques relatives aux briques d’argile non frittées ” publiées par l’ancien Bureau national des matériaux de construction.

L'Université technologique de Dalian, en collaboration avec la mine de fer d'Angang Dagushan, a utilisé des résidus de fer et de la chaux comme matières premières principales, auxquels ont été ajoutées des quantités appropriées de matériaux modifiés et d'adjuvants, afin de mettre au point des briques à base de résidus de fer cuites à la vapeur. Ces briques ont présenté de bonnes propriétés physiques et mécaniques, répondant aux exigences des briques standard de catégorie 100 et supérieure.

Feng Xueyuan et al. ont utilisé des résidus de fer à forte teneur en silicium, présentant des caractéristiques typiques de la région de Longguan, dans le comté de Chicheng, ville de Zhangjiakou, pour fabriquer des briques non étuvées et non cuites. Ces briques répondaient aux exigences de la norme nationale MU10 en matière de résistance à la compression et à la flexion. Avec un dosage optimal, le taux d’utilisation des résidus a atteint près de 50%. Zhang Jinrui, Jia Qingmei et leurs collaborateurs ont utilisé des résidus provenant de la mine de fer de Shirengou à Tangshan ; dans le cadre de leur étude expérimentale, ils ont ajouté des granulats grossiers et du ciment et ont produit des briques à base de résidus présentant des classes de résistance MU10 et MU15. La teneur en résidus dans le mélange brut a atteint jusqu’à 70%.

Le procédé de fabrication de briques autoclavées à partir de résidus de fer est fondamentalement le même que celui utilisé pour les briques non autoclavées et non cuites, la principale différence résidant dans le régime de durcissement. Jia Qingmei, Zhang Jinrui et al. ont également mené des recherches sur la fabrication de briques autoclavées à partir de résidus de fer à haute teneur en silicium provenant de la mine de fer de Tangshan Shirengou, obtenant de bons résultats. Après ajout de matériaux correcteurs, dosage, préparation du mélange et moulage par vibration, les résidus de fer ont été soumis à un traitement en autoclave pendant 11 heures. Les briques en résidus de fer autoclavées ainsi obtenues répondaient aux normes applicables en matière de résistance à la compression et à la flexion, avec un taux d’utilisation particulièrement élevé des résidus de fer, s’élevant en moyenne à 50% dans le mélange de matières premières.

Fig. 5-1 Schéma du processus de fabrication des briques à base de résidus miniers non cuits

Fabrication de briques décoratives pour murs et sols

La fabrication de briques de parement décoratives à partir de résidus sidérurgiques se caractérise par un procédé simple, un faible coût des matières premières, de bonnes propriétés physiques, une surface lisse et esthétique, ainsi qu’un effet décoratif comparable à celui d’autres types de briques de parement décoratives (par exemple, les briques de sol en ciment ou les carreaux de céramique émaillés). Chen Jichun et ses collaborateurs ont réussi à produire des briques de pavage colorées moulées à partir de résidus sidérurgiques à faible teneur en silicium (résidus surdimensionnés issus du criblage de la mine de fer de Chengchao, appartenant à la Wuhan Iron and Steel Mining Company). Le dosage optimal a été déterminé comme suit : ciment : cendres volantes : sable de résidus = 25 : 10 : 65, avec un rapport eau/ciment de 8%. Par la suite, ils ont étudié l’influence de différents adjuvants sur les performances du produit. À partir de résidus de fer à faible teneur en silicium (difficiles à valoriser), associés à des cendres volantes issues d’un procédé de décharge humide, à du ciment Portland ordinaire 425# et aux adjuvants TN, TH, TB, FN et TNC (réactifs chimiquement purs disponibles dans le commerce), ils ont fabriqué des pavés. L’ordre d’efficacité des adjuvants sur la résistance des briques et d’autres propriétés a été déterminé comme suit : FN > TNC > TN > TB > TH. Zhang Yi et al. ont utilisé des résidus de fer provenant de Huangmeishan, dans la province d’Anhui, comme matière première principale pour produire des briques de sol colorées par un procédé de moulage par vibration inverse et un procédé de pressage. La résistance à la compression des pavés dépassait la norme nationale, répondant ainsi aux exigences de la construction routière. Les proportions de mélange et les données associées sont présentées dans le tableau 5-1. Les pavés colorés produits par le procédé de vibration inverse sont esthétiques, très résistants, antidérapants et résistants à l’usure. Ce procédé nécessite un faible investissement, offre un retour sur investissement rapide, permet d’obtenir des produits de haute qualité dans de nombreuses variétés et présente une forte valeur ajoutée. Cependant, la demande et les coûts de transport sont élevés. Le procédé de pressage se caractérise par un haut degré d’automatisation, un rendement unitaire élevé, un flux de fabrication simple et une grande efficacité de production. Il offre de nombreux avantages tels que la résistance au glissement, la résistance à l’usure, la résistance au gel-dégel, le drainage de l’eau, la facilité de pose, la facilité de retrait, la facilité de rapiéçage et la facilité de réparation. Ces pavés sont largement utilisés dans les parcs, sur les routes et sur les places, avec une demande considérable et d’excellentes perspectives de développement.

L'Institut de recherche minière de Ma'anshan a utilisé des résidus fins provenant des mines de fer de Qidashan et de Waitoushan, auxquels il a ajouté une petite quantité de matériau cimentaire inorganique, du ciment Portland ordinaire, du ciment Portland blanc et une quantité appropriée d’eau. Après un mélange et une agitation homogènes, il a produit des briques de parement décoratives selon une structure à deux couches (couche de base et couche de surface). Le processus de production est illustré à la figure 5-2. Les essais effectués sur les produits ont montré que leur résistance à la compression…

Tableau 5-1 : Proportions des mélanges et résultats des essais de résistance à la compression

Fig. 5-2 Schéma du processus de fabrication des briques de parement décoratives

La résistance moyenne à la compression est de 19,6 MPa ; la résistance à la flexion est de 5,0 MPa, et la résistance aux alcalis ainsi qu’à la corrosion est relativement élevée. La fabrication de briques de parement décoratives à partir de résidus de fer se caractérise par un procédé simple, un faible coût des matières premières, de bonnes propriétés physiques, une surface lisse et esthétique, ainsi qu’un effet décoratif comparable à celui d’autres types de briques de parement décoratives (par exemple, les briques de sol en ciment ou les carreaux de céramique émaillés).

L'université de Tongji, en collaboration avec la mine de fer de Gushan de la société Ma’anshan Iron and Steel Co., a utilisé de la poudre de résidus miniers dont la granulométrie est inférieure à 0,15 mm comme matière première principale, mélangée à de la poudre de chaux vive 10%–15%, puis les a pressées pour obtenir des briques de mur et de sol de différentes spécifications et formes. Les briques produites sont de couleur brune sans aucun pigment ajouté, avec une teinte uniforme qui ne s’estompe pas, ce qui les rend adaptées à la maçonnerie apparente. L’utilisation de ciment Portland comme liant donne des résultats encore meilleurs et simplifie davantage le processus. Les briques de parement décoratives ainsi produites sont particulièrement adaptées au revêtement des murs extérieurs. Il est également possible de traiter la surface des briques finies avec une résine polyester insaturée mélangée à des pigments de différentes couleurs afin d’obtenir des briques de parement brillantes, unicolores ou présentant un motif marbré naturel. Il est également possible de fabriquer des briques sans aucun pigment, en utilisant uniquement de la résine ou d’autres revêtements, afin d’obtenir des briques brillantes de couleur brun foncé, qui peuvent remplacer les carreaux de céramique ordinaires et le marbre artificiel dans la décoration intérieure. Les briques à base de résidus miniers traitées par durcissement à la vapeur atmosphérique présentent une résistance à la compression de 12,4 MPa et une résistance à la flexion de 3,0 MPa. Lorsqu’on ajoute à la préparation une quantité appropriée de cendres volantes et une petite quantité de gypse, la résistance peut être portée à plus de 20,0 MPa. De plus, des essais ont montré que ce type de brique à base de résidus miniers est également un matériau résistant aux intempéries.

 Fabrication de briques de chaux-sable pressées à la machine

L'usine de traitement de la mine de fer de Jinling, tenant compte des caractéristiques de la mine, utilise les résidus miniers pour produire des briques de sable et de chaux pressées à la machine. Ces briques sont principalement composées de résidus de fer, mélangés à une quantité appropriée de ciment, puis mélangés à sec de manière homogène, avant d’être incorporés à une petite quantité de liant et broyés pour accroître leur activité de surface. Après avoir été moulées sur une presse, elles sont séchées à l’air libre. Le procédé est simple : il ne nécessite ni cuisson ni séchage à la vapeur, ce qui permet d’économiser de l’énergie (environ 0,16 t de charbon standard pour 10 000 briques par rapport aux briques d’argile) et ne génère aucune pollution. Les briques de chaux-sable ainsi produites présentent des dimensions précises, des arêtes nettes, un aspect soigné et une forme droite, ce qui réduit la quantité de mortier de plâtre nécessaire, augmente l’efficacité du travail et diminue les coûts de construction. La mine a mis en place une chaîne de production en octobre 1989. Des essais ont montré que tous les indicateurs de performance physique des briques de chaux-sable répondaient aux exigences techniques de la norme relative aux briques de chaux-sable pressées à la machine de catégorie 100.

5.1.1.4 Fabrication de briques à base de résidus carbonatés

La mine de fer de Yuquanling a lancé en 1986 des recherches sur l'utilisation des résidus miniers pour la fabrication de briques carbonatées, et ces travaux ont abouti. Les briques carbonatées à base de résidus miniers sont des matériaux de maçonnerie fabriqués à partir de sable issu des résidus miniers et de chaux. Après la préparation de la pâte et le moulage par compression, elles sont carbonatées à l'aide de dioxyde de carbone (CO₂) provenant des gaz d'échappement du four à chaux.

A. Principe

Les briques semi-finies de chaux-sable carbonatées forment d'abord des cristaux d'hydroxyde de calcium par l'hydratation et le durcissement de la chaux vive. Ensuite, grâce au CO₂ issu des gaz d'échappement du four à chaux, la carbonatation produit des cristaux de carbonate de calcium (CaCO₃). L’eau chimiquement liée s’évapore des hydrates, et le produit acquiert sa résistance finale à la carbonatation. Les réactions chimiques sont les suivantes :

CaO + H₂O → Ca(OH)₂
Ca(OH)₂ + nH₂O + CO₂ → CaCO₃ + (n+1)H₂O

B. Procédure

Le sable de résidus 80%–85% et la poudre de chaux 15%–20% sont dosés, mélangés à environ 9% d’eau, agités, puis moulés à l’aide d’une presse à briques à huit alvéoles. Avant d’entrer dans le four, les briques sont séchées soit dans un séchoir, soit à l’air libre, jusqu’à ce que leur teneur en humidité soit inférieure à 4%. Elles sont ensuite carbonatées dans un four tunnel avec une teneur en CO₂ comprise entre 20% et 40% et une profondeur de carbonatation supérieure à 60%. À la sortie du four, on obtient le produit fini.

Le processus de fabrication de ce type de brique est simple, peut être mis en œuvre à l'aide d'équipements sophistiqués ou rudimentaires, et ne pose aucun problème technique particulier. Il peut être produit en série partout où l'on dispose de sable de résidus miniers et de calcaire.

5.1.1.5 Fabrication de carreaux et de briques émaillés de type « serpentine »

Les résidus rejetés par la mine de fer de Weihai sont principalement constitués de scories serpentines, avec un volume annuel de rejet compris entre 100 000 et 150 000 tonnes. Afin d’exploiter pleinement ces scories de serpentine, des essais de faisabilité portant sur le processus de fabrication de carreaux émaillés à base de scories de serpentine ont été menés de mai à juillet 1987. Les principaux composants minéraux des scories de serpentine sont des minéraux silicatés tels que la serpentine, l’olivine, le diopside, la trémolite et la hornblende. La granulométrie après broyage est fine et homogène : généralement 85% < 0,256 mm. Compte tenu de ses caractéristiques physico-chimiques (composition minérale, composition chimique, granulométrie, etc.), ce laitier peut être directement utilisé comme matière première principale pour la fabrication de matériaux de parement courants destinés au bâtiment civil, tels que les briques et les tuiles.

A. Principe de fabrication des tuiles et briques émaillées à base de scories serpentines

Ce principe repose principalement sur les caractéristiques de fusion-cristallisation des minéraux. Au cours du processus de fusion à haute température, qui fait passer le matériau de la phase solide à la phase solide-liquide, les forces de répulsion entre les molécules augmentent, tandis que les forces de liaison entre les liaisons moléculaires diminuent. Au cours du processus de cristallisation, de la phase solide-liquide à la phase solide, les forces d'attraction entre les molécules augmentent, tout comme les forces de liaison entre les liaisons moléculaires. L'ébauche de tuile ou de brique en scories serpentines, qui se caractérise chimiquement par une teneur élevée en SiO₂, Al₂O₃, CaO, MgO et Fe₃O₄, subit une fusion et une cristallisation à haute température, achevant ainsi le processus de réaction physico-chimique phase solide → phase solide-liquide → phase solide. Cela renforce les forces de liaison entre les molécules, ce qui entraîne des modifications de la dureté, de la résistance mécanique, de la résistance à la corrosion, de l’absorption d’eau et d’autres propriétés des briques et tuiles cuites, améliorant ainsi diverses propriétés physiques initiales.

B. Processus de production

Le processus de fabrication principal des briques et tuiles émaillées à base de scories de serpentine comprend les étapes suivantes : préparation des matières premières, formage des ébauches, émaillage, séchage à l'air chaud et fusion-cristallisation.

(1) Préparation des matières premières. En fonction de la composition chimique et des caractéristiques physiques du laitier, préparez un matériau brut présentant une réfractarité et une finesse supérieures à celles des briques ou tuiles ordinaires. Le matériau de base doit généralement répondre aux exigences suivantes : composition chimique – SiO₂ 60%–70%, Al₂O₃ 10%–25%, CaO+MgO 0%–25%, Fe₂O₃ 3%–15% ; granulométrie – > 0,25 mm : 2%, 0,25–0,05 mm : 40%, 0,05–0,005 mm : 45%, < 0,005 mm : 12% ; indice de plasticité < 7 (déterminé par la limite liquide et la limite plastique) ; retrait au séchage < 12% ; retrait linéaire à la cuisson < 8%.

(2) Formage de pièces brutes. La matière première préparée est mélangée dans un malaxeur jusqu’à obtenir un état plastique, puis découpée en ébauches ; celles-ci sont ensuite acheminées vers un moule et pressées sur une presse pour former des ébauches brutes, avant d’être séchées dans une chambre de séchage.

(3) Vitrage. Les ébauches brutes, presque sèches, sont soumises à une finition de surface, puis recouvertes d’un émail (émail de base, émail coloré, etc.) selon les besoins. Après un séchage à l’air chaud dans une chambre de séchage jusqu’à ce que leur taux d’humidité soit inférieur à 1%, elles sont envoyées au four.

(4) Fusion-cristallisation. Les ébauches séchées sont placées dans un four (généralement un four poreux spécialement conçu à cet effet ou un four à tunnel construit en matériaux réfractaires). Pendant les 0 à 14 premières heures, la température est augmentée en moyenne de 50 °C par heure ; entre la 14e et la 20e heure, elle est augmentée en moyenne de 30 °C par heure. La température est ensuite maintenue constante pendant 25 à 28 heures, la température du four atteignant alors 1 000 à 1 050 °C. Lorsque le matériau se trouve à l’état de solution solide, le chauffage est interrompu pendant 4 à 6 heures et la température est abaissée pour permettre la cristallisation.

Ce procédé de fabrication de carreaux émaillés est simple, utilise des matières premières facilement disponibles et présente un faible coût, ce qui lui ouvre de larges perspectives d'utilisation.

5.1.1.6 Fabrication de briques à base de résidus miniers “ trois non ”

Angang (Anshan Iron and Steel Group) a mis au point des briques à base de résidus de fer “ trois zéros ” (sans compression, sans traitement à la vapeur, sans cuisson), en utilisant de la poudre de résidus de fer comme matière première principale. Des essais ont démontré que ces briques répondent pleinement aux exigences de la norme JC153-75 MU10, et le produit a passé avec succès l'évaluation technique au niveau provincial.

A. Principales matières premières et exigences de qualité

Ces briques sont composées principalement de poudre de résidus de fer, de chaux comme agent de durcissement et de ciment comme liant.

(1) Poudre de résidus de fer: résidus de fer provenant de l'usine d'enrichissement de Sanshao, dans la région d'Anshan. Leur composition chimique, leurs propriétés physiques et leur distribution granulométrique sont présentées dans les tableaux 5-2 et 5-3. Densité : 2,85 g/cm³ ; densité apparente : 1 480 kg/m³ ; teneur en boue ≤ 3% ; teneur en eau ≤ 2%.

Tableau 5-2 : Composition chimique de la poudre de résidus de fer

Tableau 5-3 : Répartition granulométrique de la poudre de résidus de fer

(2) Citron vert: chaux vive comme agent de durcissement. Teneur en CaO disponible ≥ 65% en masse ; densité apparente : 1 100 kg/m³. La distribution granulométrique est indiquée dans le tableau 5-4. La quantité d'ajout appropriée est comprise entre 10% et 20%.

Tableau 5-4 : Répartition granulométrique de la poudre de chaux vive

(3) Adjuvant – cendres volantes: Les cendres volantes sont un résidu industriel largement disponible. Densité : 2,2 g/cm³ ; densité apparente : 1 000 kg/m³ ; finesse : résidu sur tamis de 0,08 mm ≤ 8% ; perte au feu ≤ 7% ; teneur en SO₃ ≤ 3%. La composition chimique est indiquée dans le tableau 5-5. La quantité d’ajout appropriée est d’environ 15%.

Tableau 5-5 Composition chimique des cendres volantes

(4) Activateur et adjuvant composite: L'activateur est du gypse hémihydraté (CaSO₄·0,5H₂O) ; l'adjuvant composite est un agent K préparé en interne. La dose d'ajout appropriée est comprise entre 0,51 TP3T et 1,01 TP3T.

(5) Ciment: Ciment Portland ordinaire de classe 325 ou 425, ou ciment Portland à base de laitier de haut fourneau. La quantité est déterminée en fonction du coût et ne dépasse généralement pas 15%.

B. Mécanisme

Pour respecter le principe des “ trois non ” (pas de pressage, pas de traitement à la vapeur, pas de cuisson) dans la fabrication de briques à base de poudre de résidus miniers, il faut que les matières premières forment des silicates, des aluminates et des sulfoaluminates hydratés à température ambiante. L’analyse par diffraction des rayons X montre que les briques crues contiennent une quantité considérable de gel ou de cristaux de tobermorite C-S-H, ainsi qu’une petite quantité de cristaux aciculaires de sulfoaluminate de calcium hydraté. L’adjuvant composite ajouté aux briques est un tensioactif très efficace. Ses effets de dispersion et d’adsorption augmentent les points d’hydratation du ciment, améliorent les conditions d’interface entre le ciment, la chaux, la poudre de résidus miniers et les particules de cendres volantes, accélèrent la réaction d’hydratation et confèrent une résistance considérable à température ambiante.

Les principales réactions d'hydratation intervenant dans la fabrication des briques “ trois-zéro ” sont les suivantes (dans les formules de réaction, C = CaO, S = SiO₂, A = Al₂O₃, F = Fe₂O₃) :

2C₃S + 6H₂O = 3CaO·2SiO₂·3H₂O + 3Ca(OH)₂
2C₂S + 4H₂O = 3CaO·2SiO₂·3H₂O + Ca(OH)₂
C₃A + 6H₂O = 3CaO·Al₂O₃·6H₂O
C₄AF + 7H₂O = 3CaO·Al₂O₃·6H₂O + CaO·Fe₂O₃·H₂O
3CaO·Al₂O₃·6H₂O + 3CaSO₄·2H₂O + 20H₂O = C₃A·3CaSO₄·3H₂O
xCa(OH)₂ + Al₂O₃ + mH₂O = xCaO·Al₂O₃·mH₂O
yCa(OH)₂ + SiO₂ + nH₂O = yCaO·SiO₂·nH₂O

Le Ca(OH)₂ issu de l'hydratation du ciment réagit ensuite avec l'Al₂O₃ et le SiO₂ actifs présents dans la poudre de résidus miniers et les cendres volantes pour former des hydrates de silicate et d'aluminate à faible alcalinité, ce qui rend la structure de la brique dense, augmente sa résistance et lui confère une bonne résistance au gel, une bonne imperméabilité ainsi que d'autres excellentes propriétés.

C. Procédure

Le processus comprend principalement le dosage, le malaxage, le vieillissement, le moulage et le durcissement. Les matières premières sont dosées selon les proportions suivantes : poudre de résidus miniers : ciment : cendres volantes : chaux = 6:1,5:1,5:1 ou 7:1:1:1, avec ajout d’un activateur (gypse), puis mélangées à sec de manière homogène. On ajoute de l’eau et de l’agent K, puis on mélange uniformément à la main. La quantité d’eau ajoutée correspond généralement à 20%–30% de la masse de poudre de résidus miniers. Après le mélange, on laisse reposer le mélange pendant 20 à 30 minutes, puis on le laisse vieillir, on le place dans des moules et on lisse la surface. Les moules sont retirés au bout de 24 heures, et les briques sont mises à durcir à l’air libre ou dans l’eau pendant un mois. La résistance à l’eau est supérieure d’environ 20%–30% à celle à l’air libre.

Ce procédé de fabrication de briques permet d'utiliser de grandes quantités de résidus industriels, ce qui contribue à valoriser les ressources matérielles, à économiser de l'énergie et à réduire les coûts de production.

5.1.1.7 Fabrication de briques vitrifiées

Pour produire des briques vitrifiées, le minerai brut doit présenter des fractions massiques élevées de SiO₂ et d’Al₂O₃, et contenir également certaines quantités de substances à bas point de fusion telles que le K₂O, le Na₂O, le CaO et le MgO. La comparaison des compositions chimiques de briques vitrifiées nationales et internationales avec celles de plusieurs résidus de minerai de fer chinois typiques montre que les résidus de minerai de fer de type Anshan peuvent globalement répondre aux exigences de composition, et que certains résidus de minerai de fer peuvent y répondre moyennant l’ajout de sable de quartz. Il convient de noter que les résidus de minerai de fer contiennent une certaine quantité de Fe₂O₃ qui, après différents traitements de transformation, peut conférer au corps fritté différentes couleurs telles que le marron, le jaune, le rouge et le noir. Cela en fait un colorant naturel pour la production de briques vitrifiées colorées.

Dès la fin du XXe siècle, la Chine a commencé à étudier la faisabilité de l'utilisation de résidus miniers de fer pour la fabrication de briques vitrifiées en céramique. En 1997, Ni Wen et ses collègues de l’Université des sciences et technologies de Pékin (USTB) ont été les premiers à fabriquer des briques vitrifiées en céramique à partir des résidus miniers de la mine de fer de Damiao, en y ajoutant une certaine quantité d’argile. Ces briques présentaient une résistance à la compression de 162 MPa, une résistance à la flexion de 62 MPa et une absorption d’eau inférieure à 0,1%. Ces dernières années, à mesure que l’intérêt pour la valorisation des résidus miniers s’est accru et que la demande du marché en matériaux de construction n’a cessé de croître, les recherches sur la fabrication de briques vitrifiées à partir de résidus de fer se sont intensifiées. En 2007, l’Institut de recherche sur les métaux non ferreux du Hunan a utilisé des résidus de la société Benxi Iron and Steel comme matière première pour produire des briques vitrifiées. Le produit obtenu était de couleur grise, avec une absorption d’eau de 0,681 TP3T et une résistance à la compression de 65,3 MPa, répondant ainsi à la norme de l’industrie des matériaux de construction. En 2012, Shi Qi, de l’Institut de céramique de Jingdezhen, a utilisé des résidus de la société sidérurgique de Panzhihua pour produire des briques vitrifiées noires présentant une absorption d’eau de 0,1%–0,4%, une résistance à la compression de 46,2–48,7 MPa et une résistance à l’usure de 146–155 mm. En 2013, Jiao Juan et ses collègues de l’USTB ont mené des expériences sur la fabrication de carreaux homogènes et de briques vitrifiées en céramique à partir des résidus de fer de Chengchao, démontrant que ces résidus peuvent être utilisés pour produire des briques vitrifiées en céramique noires.

Étude expérimentale menée par l'USTB sur la fabrication de briques vitrifiées à partir de résidus de magnétite de Damiao contenant du vanadium et du titane, avec ajout d'argile

A. Matières premières

Les principaux minéraux présents dans les résidus de la mine de fer de Damiao sont des minéraux de gangue tels que le plagioclase, le pyroxène, la chlorite et l'épidote. Les résidus ont été finement broyés puis soumis à une analyse chimique ; les résultats sont présentés dans le tableau 5-6.

Tableau 5-6 : Résultats de l'analyse chimique des résidus (%)

Le principal minéral présent dans l'argile est la montmorillonite, dont la composition chimique est la suivante : SiO₂ 68,04%, Al₂O₃ 16,46%, K₂O 0,22%, Na₂O 2,31%, CaO 0,29%, MgO 6,20%, Fe₂O₃ en traces, perte au feu 5,92%. L'apport d'argile est de 10%.

B. Procédure

Les résidus miniers sont mélangés à de l’argile dans une proportion donnée, puis le mélange est broyé jusqu’à obtenir une granulométrie inférieure à 0,043 mm à plus de 98%. Le matériau séché est granulé avec 5% d’eau, et les granulés sont compressés en briques humides à une pression de 38 MPa. Les briques sont ensuite cuites à une température comprise entre 1 145 et 1 150 °C. Après polissage, les échantillons cuits se transforment en briques vitrifiées de couleur café. Les essais montrent que tous les indicateurs de performance répondent aux exigences applicables aux briques vitrifiées commerciales. Si la cuisson est effectuée en atmosphère réductrice (c’est-à-dire en plaçant les ébauches de briques dans un creuset avec de la poudre de charbon de bois, hermétiquement fermé, sans contact direct entre les briques et le charbon – un contact direct réduirait la magnétite en oxyde de fer et en fer métallique, provoquant une fusion), on obtient un corps noir qui devient noir brillant après polissage.

Les résidus miniers d'origine provenant de la mine de fer de Damiao peuvent être utilisés pour produire des briques vitrifiées de couleur café et noires qui répondent aux normes de qualité applicables aux briques vitrifiées destinées au marché. En ce qui concerne la résistance à l'état frais et la plage de températures de cuisson, une mise à l'échelle et des essais industriels sont envisageables.

Bien que les recherches sur la fabrication de briques vitrifiées à partir de résidus sidérurgiques aient débuté très tôt en Chine, la production industrielle à grande échelle de ce type de briques n'a pas encore été mise en place. Pour parvenir à une production à l'échelle industrielle, il reste encore à résoudre des problèmes techniques, à promouvoir le produit et à développer le marché.

5.1.1.8 Fabrication de briques cuites

Les briques cuites constituent un matériau de construction à l’histoire ancienne et dont la consommation est très importante. Pour produire ces briques, la Chine consomme chaque année de grandes quantités d’argile, et l’extraction de cette dernière détruit également de nombreuses terres agricoles. C’est pourquoi le gouvernement chinois a explicitement interdit la production de briques cuites en argile massive. Les briques cuites ne nécessitent pas de matières premières de haute qualité, mais requièrent de grands volumes. Les résidus de fer, qui constituent des déchets produits en grande quantité et peu valorisés, offrent de bonnes perspectives pour cette application. En remplaçant une partie de l’argile par des résidus de fer et en ajoutant une quantité appropriée de plastifiant, il est possible de cuire avec succès des briques d’argile ordinaires. De plus, en contrôlant la quantité de résidus de fer ajoutée, il est possible de produire des briques à base de résidus de fer présentant différents niveaux de résistance. L’utilisation de résidus de fer pour la fabrication de briques cuites permet de tirer parti des installations existantes, ne nécessite que peu d’investissements et génère des retours sur investissement rapides. Cela ouvre également une nouvelle voie pour la valorisation globale des résidus de fer, permettant ainsi d’économiser de l’énergie, de valoriser les déchets et de protéger l’environnement.

Wang Jinzhong a réussi à mettre au point des briques cuites à partir des résidus miniers de la mine de fer de Waitoushan, à Benxi. Les résidus miniers de fer présentant une composition complexe et un manque de cohésion, une utilisation excessive dans les briques cuites réduit leur plasticité ; à l’inverse, une utilisation insuffisante ne permet pas d’atteindre l’objectif d’une valorisation globale à grande échelle. C’est pourquoi, lors des essais, les résidus de fer ont été ajoutés à raison de 30%, 40%, 50% et 60%, en mélange avec de l’argile et une quantité appropriée d’un plastifiant de fabrication maison. Les résultats ont montré que les briques d’argile ordinaires pouvaient être cuites avec succès et qu’en contrôlant la quantité de résidus de fer, il était possible de produire des briques à base de résidus présentant différents niveaux de résistance. Le schéma du procédé est présenté à la figure 5-3.

Figure 5-3 Schéma du processus de fabrication de briques frittées à partir de résidus de fer

Dans le domaine de la fabrication de briques frittées à partir de résidus de fer, la mine de fer de Meishan constitue un exemple emblématique. La mine de fer de Meishan, en collaboration avec l’Université d’architecture et de technologie de Xi’an, l’Institut de recherche et de conception en céramique industrielle du Shandong et d’autres institutions, a mené des recherches systématiques comprenant des essais en laboratoire, des essais à l’échelle pilote et des essais industriels utilisant les résidus miniers de la mine de fer de Meishan. Le taux d’utilisation des résidus a atteint 80%–100%. Grâce à des recherches sur le procédé, la plage de température de cuisson des briques frittées à base de résidus a été fixée entre 1 050 et 1 150 °C. Lors de la cuisson, les briques pleines peuvent être empilées verticalement, tandis que les briques perforées et celles à grands trous doivent être empilées horizontalement. Dans une atmosphère oxydante, on obtient des produits rouges de couleur uniforme. Les briques pleines et perforées produites ont atteint une résistance à la compression conforme à la norme MU10 applicable aux briques frittées de construction. Des essais de résistance au gel-dégel, d’efflorescence et de résistance à l’éclatement par la chaux ont été réalisés. La résistance au gel-dégel et l’absorption d’eau étaient conformes aux normes applicables aux briques frittées de construction. En avril 2005, les résidus miniers ont été officiellement utilisés comme matière première pour la fabrication de briques, et les briques frittées produites ont été mises en œuvre dans des immeubles d’habitation commerciaux de grande hauteur.