Mineralogical–functional criteria for the integration of mining residues into building ceramic materials

Abstract

The valorisation of mining waste within the ceramic industry represents a key strategy for advancing towards more sustainable production models, reducing the consumption of natural resources and lowering the carbon footprint associated with the construction sector. However, the marked mineralogical and chemical heterogeneity of these wastes hinders their systematic incorporation into ceramic bodies intended for the manufacture of bricks and other construction products. The absence of unified criteria that define the technical role each type of residue may play within the ceramic process generates uncertainty for manufacturers and prevents the establishment of stable synergies between the extractive and ceramic industries. The objectives of this paper are to establish a conceptual framework linking the mineralogical composition of mining residues with the ceramic functions they may perform, and to propose a functional classification comprising five categories—non-plastic fillers, fluxes, structural loads, plasticity modifiers and colourants—to guide their potential use. Technical criteria are also defined to assess the suitability of each residue for its application in ceramic construction materials, complemented by a replicable methodological tool intended to support further research and industrial feasibility studies. The methodology is based on a critical review of scientific and technical literature combined with a conceptual synthesis of key ceramic properties. The main types of mining residues generated in extractive and metallurgical operations are identified, and their predominant mineralogical families analysed. For each residue, essential parameters are considered, including mineralogical composition, thermal behaviour, particle size distribution, potential plasticity and the presence of critical compounds. From this information, correspondences are established between residue properties and their potential ceramic functions, together with minimal environmental considerations to ensure the viability of incorporating these materials into construction products. The main outcome is the development of a mineralogical–functional classification that allocates mining residues to the five proposed ceramic functions. Silica- and quartz-rich residues are identified as potential fillers; feldspathic materials and those with low melting temperatures function as fluxes; clay-rich residues and phyllosilicates act as structural loads or plasticity modifiers; while iron-oxide-rich or metallic-oxide-bearing materials are suitable as colourants. This classification not only evaluates technical functionality but also considers compatibility with ceramic shaping and firing processes (extrusion, pressing and sintering), alongside effects on final properties such as porosity, mechanical strength and water absorption. This study therefore proposes a methodological approach for classifying mining residues according to specific ceramic functions, facilitating their selection and potential application in construction materials. Moreover, it enables the identification of opportunities for substituting natural raw materials, optimising ceramic formulations and supporting circular-economy strategies, including emissions reduction across the sector. Although conceptual in nature, this work provides a solid basis for future research aimed at experimentally validating the performance of each category at laboratory scale. Overall, the systematic application of this classification has the potential to make a significant contribution to the sustainability and efficiency of the ceramic production process.

La valorización de residuos mineros dentro de la industria cerámica representa una estrategia clave para avanzar hacia modelos de producción más sostenibles, reduciendo el consumo de recursos naturales y disminuyendo la huella de carbono asociada al sector de la construcción. Sin embargo, la marcada heterogeneidad mineralógica y química de estos residuos dificulta su incorporación sistemática en pastas cerámicas destinadas a la fabricación de ladrillos y otros productos de construcción. La ausencia de criterios unificados que definan el papel técnico que cada tipo de residuo puede desempeñar dentro del proceso cerámico genera incertidumbre para los fabricantes e impide establecer sinergias estables entre las industrias extractiva y cerámica. Los objetivos de este trabajo son establecer un marco conceptual que vincule la composición mineralógica de los residuos mineros con las funciones cerámicas que pueden desempeñar, y proponer una clasificación funcional compuesta por cinco categorías —cargas no plásticas, fundentes, cargas estructurales, modificadores de plasticidad y colorantes— para orientar su posible uso. También se definen criterios técnicos para evaluar la idoneidad de cada residuo para su aplicación en materiales cerámicos de construcción, complementados con una herramienta metodológica replicable destinada a apoyar futuras investigaciones y estudios de viabilidad industrial. La metodología se basa en una revisión crítica de la literatura científica y técnica combinada con una síntesis conceptual de las propiedades cerámicas clave. Se identifican los principales tipos de residuos mineros generados en operaciones extractivas y metalúrgicas, y se analizan sus familias mineralógicas predominantes. Para cada residuo se consideran parámetros esenciales, entre ellos la composición mineralógica, el comportamiento térmico, la distribución granulométrica, la plasticidad potencial y la presencia de compuestos críticos. A partir de esta información se establecen correspondencias entre las propiedades de los residuos y sus posibles funciones cerámicas, junto con consideraciones ambientales mínimas para garantizar la viabilidad de incorporar estos materiales a productos de construcción. El principal resultado es el desarrollo de una clasificación mineralógico-funcional que asigna los residuos mineros a las cinco funciones cerámicas propuestas. Los residuos ricos en sílice y cuarzo se identifican como posibles cargas; los materiales feldespáticos y aquellos con bajas temperaturas de fusión funcionan como fundentes; los residuos ricos en arcilla y los filosilicatos actúan como cargas estructurales o modificadores de plasticidad; mientras que los materiales ricos en óxidos de hierro o que contienen óxidos metálicos son adecuados como colorantes. Esta clasificación no solo evalúa la funcionalidad técnica, sino que también considera la compatibilidad con los procesos de conformado y cocción cerámica (extrusión, prensado y sinterización), junto con los efectos sobre propiedades finales como la porosidad, la resistencia mecánica y la absorción de agua. Por tanto, este estudio propone un enfoque metodológico para clasificar residuos mineros según funciones cerámicas específicas, facilitando su selección y posible aplicación en materiales de construcción. Además, permite identificar oportunidades para sustituir materias primas naturales, optimizar formulaciones cerámicas y apoyar estrategias de economía circular, incluida la reducción de emisiones en todo el sector. Aunque de carácter conceptual, este trabajo proporciona una base sólida para futuras investigaciones orientadas a validar experimentalmente el rendimiento de cada categoría a escala de laboratorio. En conjunto, la aplicación sistemática de esta clasificación tiene potencial para contribuir significativamente a la sostenibilidad y eficiencia del proceso de producción cerámica.