Estabilização de rejeito de minério de ferro tratado com ativação alcalina pelo método one-part

Abstract

A mineração representa aproximadamente 5% do produto interno bruto (PIB) do Brasil, fornecendo insumos para setores como metalurgia, petroquímica, siderurgia e produção de fertilizantes. O crescimento da atividade mineral no país tem impulsionado a demanda por matérias-primas, obrigando as empresas do setor a explorar jazidas com minérios de baixo teor, o que reduz a rentabilidade dos processos de extração. Como consequência, há um aumento significativo na geração de rejeitos, que são predominantemente armazenados em barragens de contenção, demandando estratégias eficientes de gerenciamento e segurança. Nos últimos anos, o Brasil registrou um aumento de 14 vezes no número de incidentes envolvendo barragens de rejeito, intensificando a necessidade de desenvolver métodos eficazes para mitigar esses eventos. A estabilização química por meio da adição de cimentos convencionais tem se mostrado uma solução eficiente para melhorar a resistência mecânica dos rejeitos e reduzir o risco de falhas estruturais. No entanto, do ponto de vista ambiental, a produção de cimento Portland convencional é responsável por aproximadamente 7% das emissões globais de CO2, tornando necessária a busca por alternativas mais sustentáveis para a estabilização desses materiais. Dessa forma, a utilização de cimentos alternativos, como os álcali-ativados, se mostra competitiva, pois apresenta resistências similares as dos cimentos convencionais, com menor consumo energético e impacto ambiental. Por esse motivo, este estudo teve como principal objetivo avaliar e comparar o comportamento mecânico, químico e mineralógico de um rejeito de minério de ferro estabilizado com dois tipos de aglomerantes: cimento Portland (CPII E32) e cimento álcali-ativado binário (CAA), utilizando escória de alto-forno e metacaulim como precursores e hidróxido de sódio e silicato de sódio como ativadores. A caracterização mecânica do rejeito estabilizado foi realizada por meio de ensaios de resistência à compressão simples (qu), e módulo de elasticidade secante (E50), enquanto a performance foi avaliada por meio da análise da durabilidade por ciclos de molhagem, secagem e escovação. Além disso, a mineralogia e a microestrutura das amostras foram verificadas por espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier (FTIR), difração de raios X (DRX) e microscopia eletrônica de varredura com espectroscopia por dispersão de energia (MEV/EDS). Foram analisados nove diferentes traços para cada tipo de cimento, considerando variações nos seguintes parâmetros de moldagem: teor de aglomerante (2%, 4% e 6%), peso específico aparente seco (19,9 kN/m³, 21,0 kN/m³ e 22,2 kN/m³) e tempo de cura. As amostras foram curadas por períodos de 7, 28, 91 e 182 dias à temperatura ambiente, além de um ensaio adicional com cura térmica a 60 °C durante 7 dias. A resistência à compressão simples e o módulo de elasticidade secante aumentaram com maiores teores de ligante, peso específico aparente seco (γd) e tempo de cura. O aumento de γd reduz a porosidade, intensifica o intertravamento e mobiliza o atrito entre partículas, enquanto o acréscimo do teor de ligante potencializa as reações químicas. De modo geral, as amostras estabilizadas com CPII E32 apresentaram desempenho mecânico superior às estabilizadas com CAA. No ensaio de resistência à compressão simples, apenas as amostras com 6% de CAA e 182 dias de cura superaram o CPII, atingindo 1180,19 kPa frente a 1148,29 kPa. Para o módulo de elasticidade secante, a única condição na qual o CAA obteve melhor desempenho foi no traço com 6% de aglomerante e cura térmica, registrando 187,15 MPa, superior aos 163,92 MPa do CPII. No ensaio de durabilidade, os menores índices de perda (após 12 ciclos) foram registrados para amostras com 6% de agente cimentante e γd de 22,2 kN/m³, sendo 5,64% para o CAA e 5,33% para o CPII. Os ensaios mineralógicos e microestruturais permitiram identificar os produtos de reação formados na estabilização com CPII e CAA. O DRX revelou que as amostras estabilizadas com CPII apresentaram, além do silicato de cálcio hidratado (C-S-H), picos correspondentes ao hidróxido de cálcio (Ca(OH)2), conhecido como portlandita, e à calcita. Nas amostras estabilizadas com CAA, foram identificados produtos secundários relacionados ao NA- S-H, zeólitas, e ao C-A-S-H, hidrotalcita, indicando a formação de uma matriz híbrida do tipo (C,N)-A-S-H. Esses resultados foram corroborados pelos espectros de FTIR, que exibiram picos característicos em torno de 1000 cm⁻¹ para ambos os aglomerantes, evidenciando a presença de C-S-H e (C,N)-A-S-H. Os resultados de MEV-EDS reforçaram essas observações, demonstrando que as amostras estabilizadas com CAA apresentaram alta concentração de Ca, Na, Si e Al, enquanto aquelas estabilizadas com CPII apresentaram predominância de Ca e Si. A partir dos resultados obtidos nesta pesquisa, conclui-se que o CAA proposto para estabilização demonstrou desempenho mecânico satisfatório, superando, em algumas condições, a estabilização com CPII E32. Esses resultados indicam que o CAA é uma alternativa viável para a estabilização de rejeitos de minério de ferro, possibilitando a redução das emissões de CO2 e dos custos energéticos associados ao processo, tornando-se uma opção promissora para aplicações geotécnicas sustentáveis.

Mining accounts for approximately 5% of Brazil's gross domestic product (GDP), supplying raw materials to industries such as metallurgy, petrochemicals, steelmaking, and fertilizer production. The expansion of mining activities in the country has driven the demand for raw materials, forcing companies in the sector to exploit ore deposits with lower grades, reducing the profitability of extraction processes. As a consequence, there has been a significant increase in the generation of tailings, which are predominantly stored in containment dams, requiring efficient management and safety strategies. In recent years, Brazil has recorded a 14-fold increase in incidents involving tailings dams, intensifying the need to develop effective methods to mitigate such events. Chemical stabilization through the addition of conventional cements has proven to be an efficient solution to enhance the mechanical strength of tailings and reduce the risk of structural failures. However, from an environmental perspective, the production of conventional Portland cement accounts for approximately 7% of global CO2 emissions, necessitating the search for more sustainable alternatives for the stabilization of these materials. In this context, the use of alternative binders, such as alkali-activated cements, has emerged as a competitive solution, as they provide mechanical properties comparable to conventional cements, with lower energy consumption and reduced environmental impact. For this reason, this study aimed to evaluate and compare the mechanical, chemical, and mineralogical behavior of iron ore tailings stabilized with two types of binders: Portland cement (CPII E32) and binary alkali-activated cement (AAC), using ground granulated blast-furnace slag (GGBFS) and metakaolin as precursors, and sodium hydroxide and sodium silicate as activators. The mechanical characterization of the stabilized tailings was conducted through unconfined compressive strength (UCS) tests, secant modulus of elasticity (E50) determination, and durability analysis by wetting-drying and brushing cycles. Additionally, the mineralogical and microstructural properties of the samples were analyzed using Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray diffraction (XRD), and scanning electron microscopy with energydispersive spectroscopy (SEM/EDS). Nine different mix designs were analyzed for each cement type, considering variations in molding parameters: binder content (2%, 4%, and 6%), dry unit weight (19.9 kN/m³, 21.0 kN/m³, and 22.2 kN/m³), and curing time. The samples were cured at room temperature for 7, 28, 91, and 182 days, along with an additional test involving thermal curing at 60 °C for 7 days. The unconfined compressive strength and secant modulus of elasticity increased with higher binder content, dry unit weight (γd), and curing time. The increase in γd reduces porosity, enhances particle interlocking, and mobilizes friction between particles, while the higher binder content intensifies chemical reactions, improving mechanical performance. In general, the samples stabilized with CPII E32 exhibited superior mechanical performance compared to those stabilized with AAC. In the UCS test, only the samples with 6% AAC and 182 days of curing exceeded CPII, reaching 1,180.19 kPa compared to 1,148.29 kPa. Regarding the secant modulus of elasticity, the only condition in which AAC outperformed CPII was in the mix with 6% binder and thermal curing, achieving 187.15 MPa, higher than the 163.92 MPa obtained for CPII. In the durability test, the lowest mass loss indices (after 12 cycles) were recorded for samples with 6% cement and γd of 22.2 kN/m³, with values of 5.64% for AAC and 5.33% for CPII. Mineralogical and microstructural tests allowed for the identification of reaction products formed during stabilization with CPII and AAC. XRD analysis revealed that CPII-stabilized samples contained not only calcium silicate hydrate (CS- H) but also calcium hydroxide (Ca(OH)2), known as portlandite, and calcite. In the AACstabilized samples, secondary reaction products related to N-A-S-H, zeolites, and C-A-S-H, hydrotalcite, were identified, suggesting the formation of a hybrid reaction product of the (C,N)- A-S-H type. These results were corroborated by FTIR spectra, which exhibited characteristic peaks around 1000 cm⁻¹ for both binders, confirming the presence of C-S-H and (C,N)-A-S-H. SEM-EDS results reinforced these findings, showing that AAC-stabilized samples had high concentrations of Ca, Na, Si, and Al, while CPII-stabilized samples exhibited a predominance of Ca and Si. Based on the results obtained in this study, it can be concluded that the proposed AAC for stabilization exhibited satisfactory mechanical performance, outperforming CPII E32 in some conditions. These findings indicate that AAC is a viable alternative for the stabilization of iron ore tailings, contributing to the reduction of CO2 emissions and energy costs associated with the process, making it a strategic option for sustainable geotechnical applications.