Comportamento geomecânico de rejeito de minério de ferro ultrafino sob baixas e altas tensões : influência das condições de compactação e cimentação

Abstract

A indústria mineral possui elevada importância econômica e social, entretanto os processos de beneficiamento mineral geram grandes volumes de rejeitos, cuja disposição representa um dos principais desafios ambientais e geotécnicos da mineração. Nesse contexto, técnicas de desaguamento e empilhamento a seco vêm sendo amplamente discutidas como alternativa às barragens convencionais. Contudo, os rejeitos ainda apresentam elevada variabilidade geotécnica, tornando fundamental a compreensão do seu comportamento geomecânico sob diferentes condições de carregamento. Além disso, técnicas de estabilização química vêm sendo investigadas como alternativa para melhoria das propriedades geotécnicas de rejeitos de mineração. Dessa forma, esta pesquisa teve como objetivo avaliar a influência das condições de compactação e da cimentação no comportamento geomecânico de um rejeito de minério de ferro ultrafino, não cimentado e cimentado com cimento Portland CP V-ARI, submetido a baixos níveis de tensão confinante (p’ = 50, 150 e 300 kPa), elevados níveis de confinamento (p’ = 1.000 e 2.000 kPa) e altíssimas tensões (12 MPa e 40 MPa). Para isso, foram realizados ensaios de resistência à compressão simples, compressão oedométrica, compressão triaxial drenada, análise de quebra de grãos e análise morfológica das partículas. Os resultados demonstraram que o comportamento geomecânico do rejeito é fortemente influenciado pelas condições iniciais de compactação, pela cimentação e pelo nível de tensão aplicado. Para as amostras não cimentadas, verificou-se que as envoltórias de ruptura são diretamente dependentes das condições de compactação inicial, evidenciando a influência do fabric do material. Já para as amostras cimentadas, observou-se comportamento distinto, no qual uma única envoltória de ruptura pode ser ajustada para as condições do ramo seco e do ramo úmido, indicando que, para um mesmo índice de vazios, as ligações cimentícias predominam em relação aos efeitos do teor de umidade inicial. A condição ótima apresentou comportamento distinto devido ao menor índice de vazios inicial e ao maior grau de intertravamento entre partículas. A ocorrência de quebra de grãos foi observada para tensões superiores a 12 MPa, promovendo alterações granulométricas e morfológicas nas partículas do rejeito. De forma integrada, os resultados indicam que o comportamento do rejeito de minério de ferro é governado pela interação entre a estrutura inicial induzida pela compactação e a cimentação artificial, sendo que a influência de quebra das partículas ocorre apenas sob níveis de tensão altíssimos.

The mining industry plays a major economic and social role, however, mineral processing activities generate large volumes of tailings, whose disposal represents one of the main environmental and geotechnical challenges in mining. In this context, dewatering and dry stacking techniques have been widely discussed as alternatives to conventional tailings dams. Nevertheless, tailings still exhibit high geotechnical variability, making it essential to understand their geomechanical behavior under different loading conditions. In addition, chemical stabilization techniques have been investigated as an alternative for improving the geotechnical properties of mining tailings. Therefore, this research aimed to evaluate the influence of compaction conditions and cementation on the geomechanical behavior of an ultrafine iron ore tailings material, both untreated and treated with Portland cement CP V-ARI, subjected to low confining stress levels (p’ = 50, 150, and 300 kPa), high confinement levels (p’ = 1.000 and 2.000 kPa), and extremely high stresses (12 MPa and 40 MPa). To achieve this objective, unconfined compressive strength (UCS), oedometer compression, drained triaxial compression, particle breakage, and particle morphology analyses were performed. The results demonstrated that the geomechanical behavior of the tailings is strongly influenced by the initial compaction conditions, cementation, and the applied stress level. For the untreated samples, the failure envelopes were found to be directly dependent on the initial compaction conditions, highlighting the influence of the material fabric. In contrast, the cemented samples exhibited a distinct behavior, in which a single failure envelope could be adjusted for both the dry-side and wet-side compaction conditions, indicating that, for the same void ratio, cementitious bonds predominate over the effects of the initial water content. The optimum compaction condition presented a distinct behavior due to its lower initial void ratio and higher degree of particle interlocking. Particle breakage was observed for stress levels higher than 12 MPa, promoting granulometric and morphological changes in the tailings particles. Overall, the results indicate that the behavior of iron ore tailings is governed by the interaction between the initial structure induced by compaction and artificial cementation, while the influence of particle breakage becomes significant only under extremely high stress levels.