Comportamento mecânico de um rejeito de minério de ferro estabilizado com cimento Portland

Abstract

A compreensão do comportamento geotécnico de rejeitos de mineração é de extrema relevância para a segurança do projeto e operação de estruturas de disposição final desses rejeitos. O Brasil é um grande produtor mineral, sendo o segundo maior produtor de minério de ferro do mundo e, dessa forma, concentrações expressivas de rejeitos são consequências. Esses rejeitos de mineração são correntemente dispostos em sistemas de disposição em que o próprio rejeito faz parte da estrutura, como as barragens de montante, de jusante e de linha de centro, as pilhas etc., que designa um domínio avançado das propriedades e dos comportamento desses rejeitos. Contudo, nos últimos anos devido a tragédias envolvendo rompimento de barragens brasileiras, tais como às de Brumadinho e de Mariana, além das grandes dimensões e sistemas de disposição, que atualmente têm dezenas de metros de altura. É nesse cenário, que o objetivo fundamental deste trabalho foi de estudar o comportamento mecânico de um rejeito de minério de ferro estabilizado com cimento Portland. Preliminarmente, foi realizada a caracterização completa do rejeito para obtenção das propriedades físicas e químicas intrínsecas do material, indispensáveis para a realização das próximas etapas. Em seguida, foram realizados ensaios de resistência à compressão simples (qu), de velocidade de pulso ultrassônico (G0) e de tração por compressão diametral (qt), para um entendimento primário das resistências e rigidezes do rejeito. Por fim, e não menos importante, o rejeito puro e a mistura de rejeito-cimento foram submetidos à ensaios de compressão triaxial consolidado isotropicamente drenado e/ou nãodrenado (CID e CIU, respectivamente) para a determinação dos parâmetros de resistência e rigidez e compreensão do comportamento durante o cisalhamento. Foram realizados ensaios triaxiais drenados no rejeito não-estabilizado com tensões efetivas de 1.000, 2.000 e 4.000 kPa. Já para o rejeito estabilizado com cimento Portland, foram empregados ensaios triaxiais drenados e não-drenados, com tensões efetivas de 200, 400, 800 e 1.600 kPa e 50, 100, 200 e 400 kPa, respectivamente. Através dos resultados de caracterização, determinou-se que o rejeito possui relativamente alto teor de grãos grossos (53,53% retido na #200, 0,074 mm); densidade real dos grãos de 2;916 kN=m3; não-plástico (NP); e com alto teor de sílica e de ferro. Com as resultâncias dos ensaios de qu, G0 e qt, identificou-se a grande efetividade do teor de cimento e da porosidade e, por consequência, do índice h=Civ na resistência e rigidez do rejeito-cimento. Com os ensaios triaxiais para o rejeito não-estabilizado, o rejeito não apresentou pico pronunciado e teve somente comportamento contrativo; obtendo-se um intercepto coesivo efetivo (c) nulo e um ângulo de atrito interno efetivo (f) de 35,12°. Já para o rejeito estabilizado, em ambos os ensaios triaxiais drenados e não-drenados, houve uma ruptura abrupta. Para os drenados, obtiveram comportamento inicialmente contrativo seguido de dilatância; e para os não-drenados, excesso de poropressão positiva, inicialmente e, seguido de poropressão negativa até o fim do ensaio. Através desses, pode-se determinar c = 255;15 kPa e f = 38,11°, mostrando a grande efetividade do cimento Portland na estabilização do rejeito de minério de ferro.

Understanding the geotechnical behavior of mining tailings is extremely relevant for the safety of the design and operation of structures for the final disposal of these tailings. Brazil is a large mineral producer, being the second largest producer of iron ore in the world and, therefore, significant concentrations of tailings are consequences. These mining tailings are currently disposed of in disposal systems in which the tailings themselves are part of the structure, such as upstream, downstream and centerline dams, piles, etc., which designates an advanced domain of properties and behavior of these tailings. However, in recent years, due to tragedies involving the rupture of Brazilian dams, such as those in Brumadinho and Mariana, in addition to the large dimensions and disposal systems, which are currently tens of meters high. It is in this scenario that the fundamental objective of this work was to study the mechanical behavior of an iron ore tailings stabilized with Portland cement. Preliminarily, a complete characterization of the tailings was carried out in order to obtain the intrinsic physical and chemical properties of the material, which are essential for carrying out the next steps. Then, unconfined compressive strength (qu), ultrasonic pulse velocity (G0) and brazilian tensile strength (qt) tests were performed for a primary understanding of the strengths and stiffnesses of the tailings. Last, but not least, the pure tailings and the tailings-cement mixture were submitted to isotropically drained and/or undrained consolidated triaxial compression tests (CID and CIU, respectively) to determine the strength and stiffness parameters and understanding of behavior during shear. Drained triaxial tests were carried out on the non-stabilized tailings with effective stresses of 1,000, 2,000 and 4,000 kPa. For the tailings stabilized with Portland cement, drained and undrained triaxial tests were used, with effective stresses of 200, 400, 800 and 1,600 kPa and 50, 100, 200 and 400 kPa, respectively. Through the characterization results, it was determined that the tailings have a relatively high content of coarse grains (53.53% retained in #200, 0.074 mm); specific gravity of 2:916 kN=m3; non-plastic (NP); and with high silica and iron content. With the results of the tests of qu, G0 and qt, it was identified the great effectiveness of the cement content and porosity and, consequently, of the h=Civ index in the strength and tailings-cement stiffness. With the triaxial tests for the non-stabilized tailings, the tailings did not present a pronounced peak and had only a contractive behavior; obtaining an effective cohesive intercept (c) of zero and an effective internal friction angle (f) of 35.12°. For the stabilized tailings, in both the drained and undrained triaxial tests, there was an abrupt rupture. For the drained, they initially obtained a contractive behavior followed by dilatation; and for the non-drained ones, excess of positive pore pressure, initially and, followed by negative pore pressure until the end of the test. Through these, it is possible to determine c = 255:15 kPa and f = 38.11°, showing the great effectiveness of the Portland cement in the stabilization of iron ore tailings.