Desenvolvimento de um equipamento triaxial para altas tensões e sua aplicação no estudo do comportamento de rejeitos de nióbio

Abstract

A crescente demanda por disposição de rejeitos de mineração em pilhas de grandes alturas tem submetido os materiais a tensões de confinamento elevadas, superando os limites operacionais de equipamentos de laboratório convencionais. Diante desse cenário, esta pesquisa apresenta o desenvolvimento de um aparato triaxial de alta pressão, projetado em aço inoxidável e instrumentado, interna e externamente, para operar com tensões de até 20 MPa, com diversas trajetórias de tensões, incluindo comportamento cíclico, integrado a um sistema automatizado de controle e aquisição de dados. A pesquisa teve como objetivo principal avaliar o comportamento mecânico de um rejeito de flotação de nióbio proveniente de Araxá-MG sob condições de altas tensões. Após a validação do equipamento com areia de Osório, o programa experimental com o rejeito contemplou ensaios de carregamento axial, drenado e não drenado e descarregamento lateral sob diferentes níveis de confinamento. Os resultados demonstram que o material apresenta um aumento progressivo da resistência ao cisalhamento com a elevação da tensão, acompanhado pela supressão da dilatância, devido a pressão confinante, e uma marcante tendência contrativa, evidenciando a ocorrência de esmagamento de partículas. A análise no plano 𝑞 − 𝑝′ permitiu a determinação do ângulo de atrito efetivo, que se mostrou consistente com a literatura para rejeitos não plásticos. Conclui-se que o estudo contribui para o avanço do conhecimento sobre o comportamento de rejeitos em condições de elevadas tensões, além de demonstrar a viabilidade do desenvolvimento de equipamentos laboratoriais de alto desempenho em ambiente acadêmico, fornecendo subsídios relevantes para análises de estabilidade e projeto de estruturas de disposição de rejeitos.

The increasing demand for the disposal of mining tailings in high stacks has subjected these materials to elevated confining stresses, exceeding the operational limits of conventional laboratory equipment. In this context, this research presents the development of a high-pressure triaxial apparatus, designed in stainless steel and instrumented both internally and externally to operate under stresses of up to 20 MPa, capable of applying various stress paths, including cyclic loading, and integrated with an automated control and data acquisition system. The main objective of this study was to evaluate the mechanical behavior of a niobium flotation tailings material from Araxá–MG under high-stress conditions. After validation of the apparatus using Osório sand, the experimental program conducted on the tailings included axial loading tests under drained and undrained conditions, as well as lateral unloading under different confinement levels. The results demonstrate that the material exhibits a progressive increase in shear strength with increasing stress, accompanied by suppression of dilatancy due to confining pressure and a pronounced contractive tendency, indicating the occurrence of particle crushing. Analysis in the q–p' plane allowed for the determination of the effective friction angle, which proved to be consistent with values reported in the literature for non-plastic tailings. It is concluded that this study contributes to advancing the understanding of tailings behavior under high-stress conditions, while also demonstrating the feasibility of developing high-performance laboratory equipment in an academic environment, providing relevant support for stability analyses and the design of tailings storage structures.