Comme on le sait, le ciment est produit selon un procédé dit “ deux broyages et une cuisson ” (mélange brut → clinker → ciment). La qualité du ciment, c'est-à-dire sa résistance, dépend des conditions de cuisson du clinker et de la composition minérale de ce dernier. Le clinker est généralement composé de quatre minéraux principaux : le silicate tricalcique (C₃S), le silicate dicalcique (C₂S), l’aluminate tricalcique (C₃A) et l’aluminoferrite tétracalcique (Ca₄AlFe). Parmi ceux-ci, le C₃S et le C₃A contribuent à la résistance précoce du ciment, tandis que le C₂S, le Ca₄AlFe et le C₃S contribuent à sa résistance à long terme.

Le C₃S est le principal minéral présent dans le clinker de ciment (représentant environ 40%–60%).

L'utilisation des résidus miniers pour la production de ciment consiste à exploiter certains oligo-éléments présents dans ces résidus afin d'influencer la formation du clinker et la composition minérale de celui-ci. Une grande quantité de résidus miniers est ajoutée au mélange brut de ciment, et le ciment est produit selon le procédé de fabrication habituel afin de respecter les normes nationales. Étant donné que les résidus miniers sont généralement déjà broyés à une certaine finesse, le procédé peut différer quelque peu du procédé de production habituel. Un exemple de schéma de procédé est présenté à la figure 5-7.

Figure 5-7 : Schéma du processus de fabrication du ciment à partir de résidus miniers

D’une manière générale, les résidus à faible teneur en silice sont plus adaptés à la production de ciment, car une teneur élevée en quartz nécessiterait de grandes quantités de matériaux correctifs, ce qui irait à l’encontre de l’objectif consistant à utiliser de grandes quantités de déchets. Le type de ciment produit à partir des résidus dépend des caractéristiques de composition de ces derniers et des conditions du procédé.

Fabrication de ciment à partir de résidus de minerai de fer

Sur la nouvelle ligne de production de clinker par procédé à sec de 2 500 t/j du groupe Liaoning Gongyuan Cement, les résidus de fer sont utilisés comme matière première siliceuse, ce qui représente une utilisation d’environ 100 000 tonnes de résidus de fer par an. Fin 2004, la nouvelle ligne de production de clinker par procédé à sec d'une capacité de 2 500 t/j est entrée en phase d'essais de production et de mise en service. Au stade initial, le mélange de matières premières a été conçu à partir de quatre composants : calcaire, résidus de fer, cendres volantes et cendres de pyrite. Les proportions des matières premières et la consommation théorique de celles-ci sont indiquées dans le tableau 5-11. Lorsque la teneur en Fe₂O₃ des résidus de fer est relativement élevée, le matériau correctif de fer initial (scories de pyrite) peut être omis, et un mélange à trois composants composé de calcaire, de résidus de fer et de cendres volantes peut être utilisé. Des essais ont démontré qu’avec des mesures appropriées, un four à précalcination peut remplacer entièrement les matériaux siliceux et ferreux traditionnels par des résidus de fer pour produire un clinker de bonne qualité, permettant ainsi une production stable de ciment de haute qualité, tel que le ciment ordinaire de classe 52,5, tout en réduisant considérablement les coûts des matières premières. Lors de l’utilisation, il convient de prêter attention à la forte teneur en humidité de la poudre de résidus de fer : une alimentation forcée doit être mise en place pour garantir un écoulement régulier du matériau. Un léger colmatage peut se produire lors du dosage des résidus de fer ; il convient de renforcer les mesures anti-colmatage dans le système de précalcination à l’entrée du four, d’installer davantage de canons à air et de stabiliser le système de calcination. L’utilisation de résidus de fer en hiver donne des résultats encore meilleurs.

Tableau 5-11 Proportions des matières premières et consommation théorique de matériaux

Wang Jinzhong et al. ont mené des recherches expérimentales sur la calcination du ciment Portland ordinaire en utilisant des résidus de fer comme matière première. Leur analyse thermique de la pâte de ciment a montré qu'une quantité appropriée de résidus de fer abaisse la température de décomposition des carbonates de 10 à 30 °C et réduit la température de début de cristallisation des minéraux du clinker de 10 à 25 °C. L’utilisation combinée d’une quantité appropriée de résidus de fer et d’un minéralisateur permet de contrôler la température de cuisson dans une plage comprise entre 1 300 et 1 450 °C.

Fabrication de ciment à partir de résidus de molybdène et de fer

La mine de molybdène-fer de Xianlinbu, à Hangzhou, a étudié une technologie de production de ciment par combustion consistant à remplacer partiellement les matières premières du ciment par des résidus de molybdène-fer. Un essai industriel couronné de succès a été mené à la cimenterie de Hemu, dans le comté de Yuhang, générant des avantages économiques significatifs. Sur la base d’une production annuelle de ciment de 35 000 tonnes pour cette usine, les économies réalisées sur les coûts de production s’élèvent à elles seules à 248 000 RMB par an, tandis que la production de ciment augmente de plus de 4 600 tonnes par an. Outre de grandes quantités d’oxydes tels que le SiO₂, le Fe₂O₃, l’Al₂O₃ et le CaO, les résidus miniers de cette région contiennent également des oligo-éléments (par exemple, le Mo). Utilisés comme matière première pour la production de ciment, ils remplacent non seulement une partie du calcaire et de l’argile, ainsi que la totalité des matières premières ferreuses, mais le molybdène, en tant qu’oligo-élément, favorise également la formation du clinker, ce qui permet de réaliser des économies d’énergie et de réduire la consommation, offrant ainsi un moyen efficace de valorisation globale de ces résidus miniers.

Le mécanisme par lequel le molybdène, oligo-élément ajouté, favorise la formation du clinker de ciment est le suivant : il favorise la décomposition du carbonate de calcium, en abaissant respectivement la température initiale de décomposition et la température du creux endothermique de 10 °C et 20 °C ; en modifiant la vitesse de migration des particules dans la masse fondue, il favorise la formation de C₃A ainsi que la réaction au cours de laquelle le C₂S absorbe le CaO libre pour former du C₃S, facilitant ainsi la formation du clinker ; il n’a aucun effet néfaste sur la composition minérale du clinker, permet de réduire la teneur en CaO libre dans le clinker et améliore la résistance précoce de celui-ci.

5.2.3 Production de ciment à partir de résidus de cuivre et de plomb-zinc

5.2.3.1 Mécanisme d'action

L'ajout de résidus de cuivre ou de plomb-zinc lors de la calcination du ciment vise principalement à exploiter les oligo-éléments présents dans ces résidus pour améliorer les conditions de formation des minéraux silicatés et des minéraux fondants pendant la calcination du clinker, accélérer la croissance cristalline du silicate tricalcique, stabiliser la transformation structurelle du cristal de silicate dicalcique de type β, abaissant ainsi la température à laquelle la phase liquide se forme, ce qui entraîne la formation d’une petite quantité de minéraux à résistance précoce et se traduit par une amélioration notable de la qualité du clinker, en particulier de sa résistance précoce.

5.2.3.2 Composition minérale des résidus miniers

De nombreuses études ont été menées, tant au niveau national qu’international, sur la calcination du ciment à partir de résidus de plomb-zinc et de cuivre. Ces deux types de résidus peuvent non seulement remplacer une partie des matières premières du ciment, mais aussi agir comme minéralisants, ce qui permet d’augmenter efficacement le rendement et la qualité du clinker tout en réduisant la consommation de charbon. Les principaux composants des résidus de plomb-zinc sont le SiO₂, l’Al₂O₃, le Fe₂O₃ et le CaO, auxquels s’ajoutent des oligo-éléments tels que le Ba, le Ti et le Mn. Des expériences montrent que l’utilisation de résidus de plomb-zinc et de fluorine comme minéralisant composite pour la calcination du clinker de ciment est plus efficace que l’utilisation de gypse et de fluorine comme minéralisant composite, ce qui permet d’abaisser la température de la phase liquide à environ 1 130 °C et la température de calcination du clinker à 1 250–1 300 °C.

En ce qui concerne les résidus de cuivre et de plomb-zinc, lorsque leur teneur en CaO est relativement élevée et leur teneur en MgO faible, ils peuvent être utilisés comme matières premières pour la fabrication du ciment. Les exigences spécifiques sont les suivantes :

• Lorsque les résidus sont principalement composés de quartz et de calcite, avec un rapport CaO/SiO₂ > 0,5–0,7, CaO > 18%–25%, Al₂O₃ > 5%, MgO < 3%, S < 1,5%–3%, il est possible de produire du ciment de qualité inférieure.
• Lorsque la teneur en CaO est inférieure à 18% et que le rapport CaO/SiO₂ est inférieur à 0,5, il est possible d'ajouter de la chaux ou du calcaire afin d'ajuster la teneur en CaO de la pâte brute de manière à respecter les exigences techniques susmentionnées.
• Le Fe₂O₃ présent dans les résidus miniers est un composant bénéfique pour le ciment ; une quantité appropriée permet d'abaisser la température de cuisson du clinker. Les composants chimiques tels que le MgO, le TiO₂, le K₂O et le Na₂O sont nuisibles dans les matières premières du ciment ; leur teneur doit être contrôlée de manière à ce que MgO < 3%, TiO₂ < 3%, K₂O + Na₂O < 4% et S < 1%.

Des essais ont montré que, pour les résidus miniers répondant aux exigences techniques susmentionnées, leur dosage en tant qu’adjuvant de ciment peut atteindre 15%–55%. Lorsque du clinker issu des résidus 15% est ajouté en tant qu’adjuvant au ciment, la classe du ciment atteint 600 ; avec un ajout de 30%, elle atteint 500 ; avec un ajout de 50%, elle atteint 400. Le ciment présente de bonnes performances, avec une prise normale et une bonne solidité.

Le groupe cimentier Henan Xiangshan a utilisé des scories de résidus de plomb-zinc provenant du comté d’Yichuan pour remplacer les cendres de pyrite, et des résidus de quartz calciné provenant des environs de l’usine pour remplacer l’argile, en tant que matières premières ferreuses et siliceuses respectivement pour la pâte de ciment, afin de produire du clinker de ciment. Pour répondre aux besoins en Al₂O₃ de la pâte brute, des cendres volantes ont été ajoutées. Les compositions chimiques des matières premières sont présentées dans le tableau 5-12. Le schéma de dosage était le suivant : calcaire 90%, résidus de quartz calcinés 6,5%, scories de résidus de plomb-zinc 2,0%, cendres volantes 1,5%. Une production d’essai a été réalisée sur un four long semi-sec de φ3,6 m × 70 m équipé d’un système de production d’électricité à partir de la chaleur résiduelle, en suivant ce schéma de dosage. Au terme de près de 20 jours de production d’essai, il a été démontré que l’utilisation de scories de résidus de plomb-zinc à la place des cendres de pyrite et de résidus de quartz calcinés à la place de l’argile dans la composition permettait d’obtenir un clinker répondant aux exigences. Les oligo-éléments (Pb, Zn, etc.) présents dans les scories de résidus de plomb-zinc agissent comme des minéralisants pendant la calcination du clinker, favorisant la réaction de combustion ; la production de clinker est passée de 18,5 t/h à 19,5 t/h. Le remplacement des cendres de pyrite par des scories de résidus de plomb-zinc a également permis de résoudre le problème de colmatage du mélange brut lors de l’alimentation, stabilisant ainsi la composition de ce dernier. Plus de 20 000 tonnes de scories de résidus de plomb-zinc sont utilisées chaque année ; cela permet à lui seul de réaliser une économie d’environ 35 RMB par tonne de clinker sur les coûts des matières premières. Pour la seule année 2003, les économies réalisées sur les coûts des matières premières se sont élevées à près de 250 000 RMB, ce qui démontre des avantages économiques significatifs.

Tableau 5-12 Composition chimique des matières premières (fraction massique / %)

Après avoir incorporé 5,321 TP3T de résidus de cuivre, la cimenterie spécialisée du comté de Changle, dans la province du Shandong, a obtenu un clinker de meilleure qualité, répondant aux exigences de la production de ciment haut de gamme. La consommation de charbon par tonne de clinker a diminué de 15,71 TP3T par rapport à l’indice cible, et le remplacement du minéralisateur composite a permis de réduire les coûts de production de 121 TP3T. La cimenterie forestière de la ville de Huludao, dans la province du Liaoning, constitue un autre exemple réussi d’utilisation de résidus de plomb-zinc pour remplacer une partie des matières premières destinées à la production de ciment. La pratique de production a démontré que l’utilisation de résidus de plomb-zinc dans le mélange améliore considérablement la combustibilité du mélange brut, réduit la consommation de chaleur du clinker et augmente le rendement du four à cuve. Une usine équipée d’un four à cuve d’une capacité de 100 000 t/a peut utiliser plus de 10 000 tonnes de résidus de plomb-zinc par an, générant ainsi des bénéfices économiques supérieurs à 1 million de RMB.

La société Shaanxi Yaobai Xiushan Cement Co., Ltd. a utilisé des scories issues de résidus de plomb et de zinc pour produire du ciment Portland de haute qualité à faible teneur en alcalis. Les oligo-éléments présents dans ces résidus, tels que le plomb, le zinc et le cuivre, agissent comme catalyseurs dans le processus de cuisson du clinker, ce qui permet d’abaisser la température de cuisson et de réduire considérablement la consommation de charbon par unité de produit. À elles seules, les économies combinées de charbon et d’électricité s’élèvent à plus de 5 millions de RMB par an pour l’entreprise. De plus, 120 000 tonnes d’argile sont économisées chaque année, ce qui équivaut à plus de 100 mu (environ 6,7 hectares) de terres agricoles. La pratique a démontré que le ciment produit à partir de résidus de plomb-zinc présente une résistance élevée, une bonne maniabilité, une bonne résistance à la corrosion et une bonne imperméabilité. Associées à ses caractéristiques de faible teneur en alcalis, ces propriétés garantissent la fiabilité et la durabilité du béton, offrant ainsi au produit de larges perspectives commerciales. L’investissement total pour cette technologie s’est élevé à 25 millions de RMB, avec des bénéfices annuels atteignant 13 millions de RMB ; l’entreprise a amorti son investissement en seulement deux ans, réalisant ainsi des bénéfices substantiels. L’utilisation des résidus miniers pour produire du ciment permet non seulement de réduire l’occupation des sols et d’éliminer les risques environnementaux et de sécurité liés aux importants stocks de résidus, mais aussi de transformer des déchets en matériaux de valeur, générant ainsi d’énormes avantages économiques.

Xuan Qingqing et al. ont étudié la combustibilité de mélanges bruts de ciment Portland à haute teneur en C₃S préparés à partir de résidus de plomb-zinc et de schiste, ainsi que les propriétés des clinkers ainsi obtenus. Ils ont conçu 18 compositions de clinker et les ont calcinées à 1 350 °C, 1 400 °C, 1 450 °C et 1 500 °C. Les clinkers ont été analysés pour déterminer leur teneur en chaux libre et par diffraction des rayons X. Les résultats ont montré qu’à 1 500 °C, il était possible de préparer un clinker présentant une teneur en C₃S de 74,52% ; à la température de calcination normale d’un four rotatif industriel, un clinker présentant une teneur en C₃S de 70,71% a été obtenu. Le ciment obtenu en ajoutant 4% de gypse à certains clinkers répondait aux exigences du ciment Portland 52,5R. Après ajout de 20% de poudre de résidus, les exigences de résistance du ciment ordinaire 42,5R ont été satisfaites ; avec 30% de poudre de résidus, le ciment a satisfait aux exigences de résistance du ciment ordinaire 32,5R.

5.2.4 Fabrication de ciment à partir d'autres résidus miniers

L'utilisation d'autres résidus miniers pour la production de ciment a également suscité un vif intérêt de la part des chercheurs. Par exemple, la société Shandong Yinan Leijin Co., Ltd. a utilisé des résidus d'or pour produire du ciment routier de haute qualité, obtenu par broyage de broyeur à boulets et le ciment résistant aux sulfates. L'expérience montre que les résidus aurifères à forte teneur en fer et à faible teneur en aluminium conviennent non seulement à la fabrication du ciment Portland ordinaire, mais aussi et surtout à celle du ciment routier et du ciment résistant aux sulfates. D'après les essais réalisés, la quantité de résidus aurifères utilisée par tonne de ciment est comprise entre 360 et 400 kg.