Estudo do comportamento de misturas compactadas de rejeito de minério de ferro filtrado-cimento Portland sob altas tensões

Abstract

A mineração, apesar de sua relevância incontestável para a economia global, impõe desafios ambientais significativos, particularmente em relação à gestão de resíduos obtidos durante o seu processo de beneficiamento. O Brasil, um dos principais produtores mundiais de minério de ferro, com o Quadrilátero Ferrífero contribuindo com aproximadamente 64% da produção nacional, tem acumulado vastos volumes de rejeitos dispostos hidraulicamente em digues chamados de barragens. As recentes alterações regulatórias, que proíbem a construção de novas barragens a montante e exigem o descomissionamento das existentes devido aos eventos catastróficos recentes, impulsionam a busca por novas alternativas de disposição. Nesse contexto, a técnica de empilhamento a seco (dry stacking) emerge como uma solução promissora, caracterizada pela compactação de rejeitos filtrados em pilhas, mitigando o risco inerente às barragens de rejeito convencionais. Para a aplicação bem-sucedida, o conhecimento aprofundado das propriedades geomecânicas dos rejeitos é crucial. Além das características físico-químicas básicas (composição química, mineralogia e granulometria), é fundamental determinar os parâmetros de deformabilidade e resistência em uma ampla gama de tensões efetivas. A inclusão de materiais ligantes, como o cimento Portland, pode aprimorar o desempenho mecânico do material compactado. Este estudo investiga o comportamento mecânico de misturas compactadas de rejeito de mineração de ferro (RMF) e cimento Portland. A avaliação foi realizada por meio de ensaios de compressão não confinada (qu), velocidade de pulso ultrassônico (G0) e ensaios triaxiais drenados em amostras secas, sob tensões de confinamento (σ’3) variando de 1,2 MPa a 120 MPa. Foram adotados três pesos específicos secos (γd: 17kN/m3, 18kN/m3, 19kN/m3) e cinco teores de cimento (%C: 0, 1%, 3%, 5%, 10% e 20%) em relação ao γd. Os resultados demonstram que tanto o teor de cimento quanto a densidade de compactação influenciam significativamente o comportamento mecânico do RMF. Observou-se um aumento na resistência à compressão não confinada (qu), na rigidez inicial (G0), na resistência ao cisalhamento (q), na tensão de plastificação inicial e na coesão efetiva com o aumento do teor de cimento e da compactação. Em contrapartida, houve uma redução no índice de porosidade/teor de cimento (η/Civ), na deformação volumétrica (ν) e na quebra de partículas. O RMF exibiu uma lenta tendência de convergência para uma única Linha Normal de Compressão Isotrópica (LNC), que não se definiu completamente mesmo sob a maior tensão de confinamento (120 MPa), e essa convergência tornou-se ainda mais lenta com o aumento do teor de cimento, caracterizando um comportamento transicional. Além disso, teores elevados de cimento (acima de 5%) afetaram a posição da Linha de Estado Crítico (LEC) no plano ν−lnp′ e o índice de quebra de partículas (Br), mesmo sob alta tensão de confinamento. A mineralogia, a granulometria e a morfologia das partículas do RMF também são fatores que impactam seu comportamento transicional.

Mining, despite its undeniable relevance to the global economy, poses significant environmental challenges, particularly concerning the management of waste generated during its beneficiation process. Brazil, one of the world's leading producers of iron ore, with the Iron Quadrangle contributing approximately 64% of national production, has accumulated vast volumes of tailings hydraulically disposed in dikes called dams. Recent regulatory changes, which prohibit the construction of new upstream dams and require the decommissioning of existing ones due to recent catastrophic events, drive the search for new disposal alternatives. In this context, the dry stacking technique emerges as a promising solution, characterized by the compaction of filtered tailings into stacks, mitigating the inherent risk of conventional tailings dams. For successful application, in-depth knowledge of the geomechanical properties of the tailings is crucial. In addition to basic physical-chemical characteristics (chemical composition, mineralogy, and particle size distribution), it is fundamental to determine deformability and strength parameters across a wide range of effective stresses. The inclusion of binding materials, such as Portland cement, can enhance the mechanical performance of the compacted material. This study investigates the mechanical behavior of compacted mixtures of iron ore mining tailings (IOMT) and Portland cement. The evaluation was conducted through unconfined compression tests (qu), ultrasonic pulse velocity tests (G0), and drained triaxial tests on dry samples under confining stresses (σ3′ ) ranging from 1.2 MPa to 120 MPa. Three dry unit weights (γd: 17kN/m3, 18kN/m3, 19kN/m3) and five cement contents (%C: 0, 1%, 3%, 5%, 10%, and 20%) relative to γd were adopted. The results demonstrate that both cement content and compaction density significantly influence the mechanical behavior of IOMT. An increase was observed in unconfined compressive strength (qu), initial stiffness (G0), shear strength (q), initial yield stress, and effective cohesion with increasing cement content and compaction. In contrast, there was a reduction in the void ratio/cement content index (η/Civ), volumetric strain (ν), and particle breakage. The IOMT exhibited a slow convergence tendency towards a single Isotropic Normal Compression Line (NCL), which did not fully define itself even under the highest confining stress (120 MPa), and this convergence became even slower with increasing cement content, characterizing a transitional behavior. Furthermore, high cement contents (above 5%) affected the position of the Critical State Line (CSL) in the ν−lnp′ plane and the particle breakage index (Br), even under high confining stress. The mineralogy, particle size distribution, and particle morphology of the IOMT are also factors that impact its transitional behavior.