Influência da variação de umidade de compactação nas propriedades mecânicas de rejeito de minério de ferro estabilizado com aglomerante pozolânico

Abstract

A geração de rejeitos é inerente a atividade de mineração de ferro, pois o minério de ferro é extraído a partir de rochas com composição mineralógica variada, as quais não são inteiramente formadas por minerais ferrosos. Assim, o volume de rejeitos gerados é influenciado pela demanda global por minério de ferro e pelo grau de pureza das jazidas; ou seja, o esgotamento de reservas de alta qualidade implica aumento na geração de rejeitos. Tradicionalmente, esses têm sido armazenados em barragens, as quais foram recentemente proibidas no contexto brasileiro: a resolução da Agência Nacional de Mineração (ANM) nº13 de 2019 exige o descomissionamento de barragens desse tipo e a resolução nº 85/2021 da ANM estabelece regras para o reaproveitamento dos rejeitos de mineração. Esse cenário impeliu as companhias mineradoras brasileiras à busca por alternativas para disposição final e/ou reaproveitamento dos rejeitos. Dentre essas possibilidades destaca-se a disposição em pilhas; isto é, em estruturas formadas a partir da compactação mecânica de rejeitos filtrados em uma condição não saturada. Assim, o presente trabalho avaliou a estabilização de uma mistura de rejeito de minério de ferro (20% de rejeitos ultrafinos e 80% de rejeitos granulares) com a adição de 6% de um aglomerante pozolânico (50% de metacaulim e 50% de cal hidratada calcítica) sob distintas características de compactação em diferentes tempos de cura. Estudou-se a influência de 5 (cinco) teores de umidade (8, 10, 12, 14 e 16%), 2 (dois) pesos específicos aparente seco (19 e 20 kN/m³) e 4 (quatro) tempos de cura (7, 14, 28 e 90 dias) na resistência a compressão simples (RCS) e no módulo de cisalhamento inicial (G0) das misturas estabilizadas considerando-se um planejamento fatorial completo. Adicionalmente, foram realizados ensaios de compressão triaxial em amostras representativas para avaliar com maior profundidade a influência do teor de umidade na resposta mecânica do material. De maneira geral, todas as variáveis estudadas impactaram de maneira semelhante RCS e G0, com destaque para a densidade e para o tempo de cura com ganhos de resistência ao longo do tempo de 1084% na densidade de compactação de 19 kN/m³ e 870% na de 20 kN/m³ entre 7 e 90 dias de cura. O teor de umidade, embora significativo, teve menor influência na resposta mecânica, incluindo os ensaios de compressão triaxial. Assim, mostrou-se que a adição de um aglomerante pozolânico é eficaz em promover a melhoria nas propriedades mecânicas do rejeito avaliado e confere certa resiliência, como demonstrado pela baixa influência do teor de umidade nas propriedades mecânicas avaliadas. Variar a umidade de 8% a 15% (e manter o grau de compactação) não afetou substancialmente a resposta mecânica das misturas cimentadas em relação a G0, RCS e qmáx. Isso é essencial para condições de campo, onde o controle de umidade, antes e durante a compactação, é um processo complexo para conceber adequadamente uma pilha de rejeitos. Dessa forma, é uma alternativa viável para utilização prática em pilhas, já que as características de compactação são determinantes para o desempenho adequado dessas estruturas.

The generation of waste is inherent to the iron ore mining activity, as iron ore is extracted from rocks with varied mineralogical compositions, which are not entirely composed of iron minerals. Thus, the volume of waste generated is influenced by global demand for iron ore and the purity of the deposits; that is, the depletion of high-quality reserves leads to an increase in waste generation. Traditionally, these have been stored in dams, which were recently banned in the Brazilian context: the resolution of the National Mining Agency (ANM) No. 13 of 2019 mandates the decommissioning of such dams, and resolution No. 85/2021 of the ANM establishes rules for the reuse of mining waste. This scenario has driven Brazilian mining companies to seek alternatives for final disposal and/or reuse of waste. Among these possibilities, the disposal in piles stands out; that is, in structures formed from the mechanical compaction of filtered waste in a non-saturated condition. Thus, this study evaluated the stabilization of a mixture of iron ore waste (20% ultrafine waste and 80% granular waste) with the addition of 6% of a pozzolanic binder (50% metakaolin and 50% hydrated calcitic lime) under different compaction characteristics and various curing times. The influence of five moisture contents (8, 10, 12, 14, and 16%), two dry apparent specific weights (19 and 20 kN/m³), and four curing times (7, 14, 28, and 90 days) on the unconfined compressive strength (UCS) and the initial shear modulus (G0) of the stabilized mixtures was studied, considering a complete factorial planning. Additionally, triaxial compression tests were conducted on representative samples to further evaluate the influence of moisture content on the mechanical response of the material. In general, all studied variables similarly impacted UCS and G0, particularly density and curing time, with resistance gains over time of 1084% in the density of 19 kN/m³ and 870% in 20 kN/m³ between 7 and 90 days of curing. The moisture content, although significant, had less influence on the mechanical response, including triaxial compression tests. Thus, it was shown that the addition of a pozzolanic binder is effective in promoting improvements in the mechanical properties of the evaluated waste and provides certain resilience, as demonstrated by the low influence of moisture content on the assessed mechanical properties. Varying the moisture from 8% to 15% (while maintaining the degree of compaction) did not substantially affect the mechanical response of the cemented mixtures concerning G0, UCS, and qmax. This is essential for field conditions, where moisture control before and during compaction is a complex process for adequately designing a waste pile. Therefore, it is a viable alternative for practical use in piles, as the compaction characteristics are decisive for the proper performance of these structures.