Modelagem constitutiva do comportamento multiaxial de rejeito de mineração artificialmente cimentado

Abstract

O setor mineral é um dos pilares da economia nacional, contribuindo significativa e positivamente para o PIB brasileiro e para o desempenho da balança comercial. Entretanto, esse setor apresenta impactos ambientais expressivos, principalmente, devido aos subprodutos que são gerados durante as etapas de extração e beneficiamento dos minerais, como por exemplo os rejeitos de mineração. Materiais produzidos artificialmente que apresentam elevada variabilidade nas propriedades físicas e químicas. Essa variabilidade contribui para a elevação dos riscos relacionados às barragens de rejeitos. Nesse sentido, o processo de filtragem e de compactação surge como uma alternativa, pois resulta em pilhas de rejeito que são mais resistentes e com menor suscetibilidade à liquefação em comparação com rejeitos em pasta. Além disso, para a construção de pilhas mais altas e mais íngremes é possível utilizar agentes cimentantes. A estabilização química reduz deformações e aumenta a resistência do rejeito tratado. Contudo, é necessário considerar os efeitos da anisotropia inerente, que decorre da deposição por gravidade ou do processo de compactação. Assim, o presente trabalho visa desenvolver e validar um novo modelo constitutivo para prever o comportamento mecânico de misturas rejeito-cimento sob carregamentos multiaxiais a fim de representar o comportamento de pilhas compactadas de rejeito de mineração artificialmente cimentado. Para isso, o desenvolvimento do modelo foi dividido em seis etapas: implementação do modelo para anisotropia inerente em areias (Li e Dafalias, 2002); calibração desse modelo; validação desse modelo; desenvolvimento do modelo proposto através da sobreposição de efeitos; validação do modelo proposto; e análise paramétrica. Os resultados obtidos das simulações realizadas demonstraram que o modelo de Li e Dafalias (2002) foi validado para um rejeito de mineração de ferro. Também foi demonstrado que o modelo proposto representou adequadamente o comportamento multiaxial de uma mistura rejeito-cimento (através da sobreposição de efeitos) por meio de dez tipos diferentes de carregamentos monotônicos, incluindo ensaios drenados e não drenados (com e sem cimentação). A análise demonstrou que o modelo proposto consegue simular adequadamente o efeito do ganho de resistência e da redução da anisotropia causada pela cimentação. Portanto, foi desenvolvido e validado um novo modelo constitutivo capaz de prever o comportamento mecânico de misturas rejeito-cimento sob carregamentos monotônicos multiaxiais.

The mining sector is one of the pillars of the national economy, contributing significantly and positively to Brazil's GDP and the performance of the trade balance. However, this sector has significant environmental impacts, mainly due to the byproducts that are generated during the extraction and processing of minerals, such as mining tailings. These are artificially produced materials that present high variability in physical and chemical properties. This variability contributes to the increase in risks related to tailings dams. In this sense, the filtration and compaction process emerge as an alternative, as it results in filtered tailings stacks that are more resistant and less susceptible to liquefaction compared to paste tailings. In addition, cementing agents can be used to build taller and steeper piles. Chemical stabilization reduces deformations and increases the resistance of the treated tailings. However, it is necessary to consider the effects of inherent anisotropy, which results from gravity deposition or the compaction process. Thus, this work aims to develop and validate a new constitutive model to predict the mechanical behavior of tailings-cement mixtures under multiaxial loadings in order to represent the behavior of compacted stacks of artificially cemented mining tailings. For this purpose, the development of the model was divided into six stages: implementation of the model for inherent anisotropy in sands (Li and Dafalias, 2002); calibration of this model; validation of this model; development of the proposed model through the superposition of effects; validation of the proposed model; and parametric analysis. The results obtained from the simulations performed demonstrated that the Li and Dafalias (2002) model was validated for an iron ore tailing. It was also demonstrated that the proposed model adequately represented the multiaxial behavior of a tailings-cement mixture (through the superposition of effects) by ten different types of monotonic loadings, including drained and undrained tests (with and without cementation). The analysis demonstrated that the proposed model can adequately simulate the effect of strength gain and anisotropy reduction caused by cementation. Therefore, a new constitutive model capable of predicting the mechanical behavior of tailing-cement mixtures under multiaxial monotonic loading was developed and validated.