Les processus de fabrication

Les matériaux en terre cuite sont fabriqués à partir de « terres argileuses » naturelles, composées de minéraux argileux, auxquelles l’industriel ajoute, si besoin, des dégraissants et additifs (Kornmann, 2005) afin d'obtenir un matériau cuit répondant, selon l'utilisation, à des critères rigoureux concernant l'aspect, la résistance mécanique, la durabilité dans le temps, les performances thermiques, l'imperméabilité... Avant de présenter plus en détail la nature des matières premières utilisées dans la production, nous proposons une description des processus de production généralement utilisés dans l'industrie française, depuis la préparation de la pâte jusqu’à la cuisson.

Une fois la matière première extraite des carrières, l’étape suivante est appelée "préparation des terres". Il existe trois voies de préparation de la pâte : sèche, humide et semi-humide. En France et plus généralement pour la production de tuiles et briques, c'est la préparation semi-humide qui est généralement utilisée :

La préparation sèche n'est pas utilisée en France, mais est très développée dans les régions au climat sec

sous lesquelles il est possible de produire des argiles sèches en sortie de carrière. Cette préparation présente l'avantage d'obtenir des granulométries très fines grâce à l'effritement des particules (les particules humides ne feraient que s'écraser par déformation plastique). Cette granulométrie très fine permet une meilleure homogénéité du produit, un meilleur aspect esthétique, une cuisson à plus faible température ainsi qu’une meilleure résistance mécanique. Elle est particulièrement intéressante pour les mélanges argileux comportant un pourcentage en calcaire significatif (on parle d'argile calcaire dans l'industrie de la terre cuite) car la faible granulométrie permet d'éviter la formation de grains de chaux lors de la cuisson. Les principaux inconvénients de cette préparation sont la nécessité d'un climat sec permettant l’extraction de matériaux argileux secs ou quasi secs et la nécessité d’un stockage fermé pour éviter l'ajout d'humidité entre l’extraction et la cuisson.

La préparation humide utilise une suspension de grains dans l’eau (barbotine) qui est utilisée par

certains céramistes et artisans pour des productions spécifiques nécessitant un trempage du modèle dans la barbotine ou un dépôt de celle-ci au pinceau. Cette méthode généralement plus coûteuse que la préparation semi-humide (apport en eau, séchage et matériel de façonnage spécifique) reste réservée à des productions limitées.

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Figure 1-5 : Procédé de fabrication de produits de terre cuite (Kornmann, 2005)

La préparation semi-humide est la méthode utilisée en France dans la fabrication de produits industriels de construction en terre cuite.

La première étape consiste à éliminer les impuretés avec des épierreurs et des séparateurs magnétiques. Ensuite, le concassage et la fragmentation du matériau argileux favorisent l’homogénéisation du mélange et faciliteront son humidification. Un broyage est enfin effectué dans des meules verticales ou à cylindres horizontaux adaptés à la nature du mélange.

Les matières premières sont ensuite stockées dans une fosse, par superposition de couches horizontales des différents matériaux argileux exploités, c'est l'étape d'enfossage. Plusieurs mois peuvent s’écouler entre l’enfossage et la préparation de la pâte. Le prélèvement des matériaux s'effectue par tranches verticales de manière à réaliser un premier mélange auquel seront ajoutés dégraissants et éventuels additifs à l’aide de distributeurs doseurs. Un malaxage final permet d'homogénéiser le mélange et son taux d’humidité.

31 Une fois la pâte préparée, le façonnage a deux rôle principaux : d'une part donner une cohésion suffisante à la pâte (élimination de l'air inclus, amélioration de la plasticité grâce au mouillage par injection de vapeur d'eau et intensification de la compression de la pâte) et d'autre part donner à la pâte la forme finale du produit. La première étape commune à tous les produits est le filage. Ensuite, en fonction de la nature de la production, il y a pressage ou pas. La majorité des tuiles ainsi que quelques briques pleines sont produites par filage puis pressage suite aux contraintes techniques principalement liées à leur forme. La majorité de la production de briques se fait seulement par filage.

L'opération de séchage est une étape délicate et importante de la fabrication pour obtenir des produits de qualité. Elle est nécessaire pour que les produits ne contiennent plus que 1 à 2 % d'eau résiduelle avant la cuisson car les produits sortent du façonnage avec une teneur en eau qui varie de 15 à 30 % selon la matière première. Ce séchage doit donc être le plus uniforme possible.

Il existe deux grands types de séchoirs utilisés dans l'industrie de la terre cuite, les séchoirs statiques à chambres et les séchoirs continus. Dans les séchoirs statiques ou à chambres à grande ventilation, les produits sont posés sur des étagères et sont séchés de façon individuelle par de l'air qui est brassé. Chaque chambre est ventilée de façon séparée. Ces séchoirs sont adaptés aux temps de séchage relativement longs (12 à 72 h). Dans les séchoirs à circulation continue des produits, ces derniers passent lentement dans le séchoir sur des wagons se déplaçant sur des rails. Ces séchoirs sont parfois en ligne avec le four permettant d'éviter une manipulation entre le séchoir et le four. Les temps de séchage sont généralement plus courts que dans les séchoirs à chambre (12 à 48 h pour un séchoir tunnel traditionnel, en moins de 12 h pour un séchoir "rapide").

Afin d'obtenir les propriétés et qualités des céramiques que les produits n'ont pas en sortie de séchoir, il est nécessaire de les soumettre à la cuisson à des températures élevées (900 à 1 150°C).

Lors de la cuisson, de nombreuses réactions physico-chimiques se réalisent dans le mélange argileux : • jusqu'à 200°C : dégagement de l'eau résiduelle de séchage et de l'eau d'hydratation (les

smectites peuvent perdre une part importante de leur eau), on parle d'eau physisorbée ; • de 200 à 450°C : élimination des matières organiques ;

• à 350°C : décomposition totale ou partielle des hydrates non argileux ;

• de 400 à 680°C : destruction des minéraux argileux avec départ de l'eau de constitution ; • 573°C, appelé Point Quartz : changement de forme cristallographique du quartz ;

• 750 à 850°C : décomposition du carbonate de chaux en chaux vive et dégagement de gaz carbonique.

Les industriels des tuiles et briques utilisent principalement des fours tunnels pour leur production (Figure 1-5). Ce sont des fours continus à feu fixe et charge mobile que traversent les matériaux à cuire. On y trouve plusieurs zones successives par lesquelles passent les produits :

• le préfour qui permet de préchauffer rapidement la charge à 100°C ;

• la zone de chauffage des produits où les vitesses de montée en température sont souvent de 30 à 100°C/h ;

32 • la zone de refroidissement où les produits refroidissent par réchauffage de l'air soufflé qui se déplace vers la zone de cuisson. On distingue trois zones de refroidissement : la zone de trempe pour un refroidissement rapide par injection d'air frais, une zone de refroidissement lent pour le passage du Point Quartz (température critique de changement de phase cristalline du quartz pouvant générer des zones de faiblesses du produit cuit, voire des fêles) et une seconde zone de refroidissement rapide jusqu'à la sortie des produits.

Après le refroidissement, les produits nécessitent souvent des finitions :

• une rectification des briques pour la pose à joint mince (planéité et parallélisme des faces de pose) ;

• un siliconage des tuiles par trempage pour éviter d'éventuelles efflorescences ;

• un engobe pour les tuiles afin de modifier leur couleur naturelle, de leur donner un aspect lisse et/ou d'obtenir une couche de base pour un émaillage ;

• ...

Après les finitions, les produits finis subissent un contrôle qualité. La production de terre cuite nécessite un grand nombre de manutentions, de plus en plus automatisées entre les différentes étapes de production, l'empilage et le dépilage pour le séchoir et pour le four, l’emballage, la palettisation...

La composition du mélange de production a un impact direct sur la fabrication puisqu'elle en conditionne les étapes ultérieures (façonnage, séchage et cuisson) afin d'obtenir des produits respectant les cahiers des charges des industriels (aspect produit fini, dimensions finales après retrait, résistance mécanique, conductivité thermique...). Les caractéristiques du mélange, si importantes dans le processus de fabrication, font l'objet du paragraphe suivant.