Poudres de verre sous forme de flux : fabrication de briques et glaçures
Un flux est un additif à un processus de fabrication qui diminue la température de fonctionnement, améliorant ainsi l’efficacité de l’ensemble du processus tout en réduisant simultanément les coûts des processus énergivores. Dans la fabrication de briques et d’autres matériaux de construction, non seulement le flux ajouté diminue la température de fonctionnement, mais peut également améliorer les propriétés physiques et mécaniques de la brique d’argile finie après la cuisson(1).
La réduction des besoins énergétiques pour la production de briques est une priorité, la production au Royaume-Uni faisant état d’utiliser 706 kWh d’électricité par tonne de briques produite(2). Dans l’espace de glaçure céramique, où une cuisson post-application est couramment utilisée pour finir le produit, les flux réduisent la température requise et, dans certains cas, améliorent la finition.
Les sources de verre broyé
peuvent être très variées, allant de la poudre de verre produite comme sous-produit de la fabrication de verre de plaque / récipient ou des flux de recyclage du verre. L’élimination du verre des sites d’enfouissement est une priorité. Le verre transparent a tendance à être préféré pour l’ajout de briques, mais en raison des petites quantités de colorants dans le verre coloré, ceux-ci peuvent également être utilisés.
Flux de poudre de verre dans les briques
Les briques sont l’un des matériaux de construction les plus courants, essentiel à l’économie mondiale moderne. La brique de base est constituée d’argile, qui est cuite (soit dans un four / four ou un four industriel électrique), après quoi elle sèche et durcit, devenant mécaniquement et compressivement plus résistante, en plus d’être plus poreuse et plus légère. Les ajouts courants de verre broyé ne dépassent pas 20 % en poids, car cela entraînera des problèmes de maniabilité et une diminution des rendements économiques(3).
Pour la fabrication de briques, le verre doit
avoir une taille de particules inférieure à 1 mm afin de pouvoir passer efficacement à travers les broyeurs avant le mélange et la cuisson(4). En général, le verre finement broyé avec une taille de particules inférieure à 75 μm abaisse les températures de cuisson(5).
La chimie qui se produit lors de la cuisson d’une brique est complexe et l’ajout de verre broyé diminue généralement la température de cuisson requise. Malgré les réactions chimiques complexes qui ont lieu, l’ajout de poudres de verre a un impact sur le processus via deux collecteurs majeurs:
Maturation du corps en argile
Pendant la cuisson, la chaleur provoque un frittage des particules d’argile ensemble pour former une liaison à partir de la fusion de la silice et de l’alumine (donnant à la brique sa résistance caractéristique), les poudres de verre à point de fusion inférieur fondent avant le processus de frittage, et réduisent ainsi la température globale de frittage si elles sont uniformément réparties dans l’argile humide(6)
Le verre sodocalcique agit comme un flux en raison de son manque de cristallinité et de sa teneur élevée en oxyde de sodium. La température réduite requise pour former une liaison vitreuse et l’augmentation de la composante de phase vitreuse dans la brique finie ont été associées à une meilleure structure globale et à de meilleures propriétés de durabilité. En outre, la recherche a montré qu’une teneur accrue en verre entraîne une porosité plus faible dans le produit final, ce qui permet d’absorber moins d’eau - allongeant la durée de vie des briques - car les taux d’absorption d’eau sont inversement proportionnels aux niveaux de porosité(7). Enfin, en raison des processus de recristallisation dans les phases de chauffage/refroidissement, la quantité d’espèces amorphes est répercutée, ce qui entraîne une amélioration des propriétés mécaniques avec une teneur en verre aussi faible que 5 %(8).
Rétrécissement/vitrification
Le retrait est une préoccupation pendant le processus de fabrication de la brique, car une brique qui n’est pas conforme aux normes de taille sera jetée si elle ne correspond pas aux tolérances acceptables. Au fil des ans, les fabricants ont cherché à comprendre le retrait et ont développé des méthodes pour le modérer. L’une de ces méthodes consiste à ajouter du verre broyé à l’argile humide. La recherche a montré que le retrait de la cuisson dans les argiles contenant de la poudre de verre est égal ou inférieur à celui de l’argile non pure(9). La vitrification est augmentée lorsque du verre est utilisé dans le mélange, ce qui entraîne une densité plus élevée et une absorption d’eau moindre, ce qui entraîne lui-même moins de retrait pendant la cuisson(10). Ce phénomène s’explique par le remplissage des pores avec la phase vitreuse susmentionnée. Une étude utilisant un verre broyé exceptionnellement élevé à 45 % en poids n’a rapporté presque aucun retrait linéaire et significativement moins de fissuration(11).
La microscopie électronique à balayage démontre qu’à mesure que la proportion de verre ajoutée à la brique est devenue dense. Les augmentations de densité globale sont associées à des valeurs accrues de résistance à la compression et mécanique. Il a été proposé que la taille des particules de verre semblable aux grains de sable soit efficace pour réduire la plasticité, réduisant ainsi le retrait dans l’étape de mise en forme-séchage avant la cuisson(12).
Flux de poudre de verre dans les glaçures
Les glaçures céramiques sont de fines couches de verre créées à la surface ou de céramique pour offrir des propriétés esthétiques et de durabilité améliorées, et sont généralement à base de quartz et de silice, ainsi que d’un flux tel que l’oxyde de sodium ou de potassium. Des études ont permis de remplacer une partie ou la totalité du flux par du verre broyé provenant de diverses sources, avec des charges allant jusqu’à 30 % en poids(13). Le principal avantage de l’utilisation du verre broyé comme flux est la réduction des coûts en l’utilisant au lieu de la silice/quartz fritté(14), même si des réductions modestes de la température de cuisson sont observées, en raison du point de fusion inférieur du verre réduisant la température de cuisson globale(15).
L’enrassement (fissuration due à l’inadéquation de la température de dilatation thermique) est l’un des principaux défauts observés dans les glaçures céramiques(16), et les ajouts de verre au mélange de glaçure peuvent assurer des températures d’expansion plus proches entre la céramique et la glaçure - réduisant ainsi le risque d’engouement. Comme dans les briques, l’ajout de verre moulu peut réduire la plasticité avant la cuisson.
Résumé
- La poudre de verre est un matériau peu coûteux qui peut être utilisé comme flux dans la production de briques et de glaçures, remplaçant d’autres matériaux sans effets néfastes
- Dans les briques, l’ajout de poudre de verre diminue la température de cuisson, augmente la résistance mécanique et réduit le retrait lors de la cuisson. La densité est augmentée et l’absorbance de l’eau est diminuée. Les poudres de verre peuvent être utilisées en quantités allant jusqu’à 20% en poids.
- Dans les glaçures céramiques, le verre moulu remplace les flux coûteux tels que les oxydes de sodium et de potassium et provoque une légère diminution de la température de cuisson. L’utilisation de verre broyé peut réduire le crazing et est utilisée en quantités allant jusqu’à 30% en poids.
Références
1 F. Andreola et coll., Ceram. Int., 2008, 34, 1289
2 The Carbon Trust (en ligne), 2015, Industrial Energy Efficiency Accelerator, Guide to the Brick Sector, consulté le 10 février 2020, https://www.carbontrust.com/resources/industrial-energy-efficiency
3 T. Manfredini et coll., Ceram. Int., 2016, 42, 13333
4 M. Dondi et al., Waste Manag., 2009, 29, 1945
5 York Handmade Bricks Co. Ltd., Glass Addition Trials, The Waste and Resources Action Programme, Banbury, Royaume-Uni, 2005
6 S. Mustafi et al., J. Sci. Res., 2011, 24, 2
7 D. Eliche-Quesada et coll., Appl. Clay Sci., 2011, 52, 270
8 C. Zanelli et coll., Ceram. Int., 2008, 34, 455
9 N. Phonphuak et al., J. Cleaner Prod., 2016, 112, 3057
10 V. Loryuwnyonga et al., Waste Manag., 2009, 29, 2717
11 1404928 de brevets italiens, 2013
12 F. Andreola et coll., Environ. Manag. J., 2013, 12, 57
13 K. Strcker et H.B. Costa, Mater. Sci. Forum, 2014, 775-776, 635
14 D. V. Van Gordon, Recovered Soda-Lime Glass as a Ceramic Body flux, dans: W. J. Smothers, Materials and Equipment - Whitewares - Structural Clay, Wiley, New York, 2009
15 Brevet américain US415808A, 1978
16 D. V. Van Gordon et W.C. Spangenberg, J. Am. Ceram. Soc., 1955, 38, 331
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