Comprehensive analysis of cemented mine tailings granular materials anisotropy under multiaxial loading

Abstract

The mining sector is one of the most important economic sources in spite of the country. This economic sector is also in charge of producing tons of waste like tailings, which come from ore extraction and beneficiation. Soil dams, levees, and stack piles are the most common ways to dispose of this kind of residue, and in general encompasses considerable material volumes. Regardless of the methodology adopted, mine tailings disposal remains the major concern in the mining sector. Apart from the visual aspect that sometimes may affect natural landscapes, there is also a concern about water pollution and the soil structures’ safety. This latter aspect attracted worldwide experts’ attention after considerable geotechnical catastrophes increased in the last decade. Topics like tailings mechanical comprehension, soil liquefaction susceptibility, and tailings mechanical improvements have been spotted in the geotechnical area of study. Several possibilities have emerged aiming to enhance tailings’ mechanical behavior and thus avoid new structure failures. Within the possibilities, conventional and alternative binders, and synthetic fibers inclusion in the soil matrix demonstrated to be promising. Inserted into the mine tailings perspective, the scope of the present thesis concerns studying the geomechanical behavior of two cemented granular materials: (i) iron ore tailing, and (ii) ordinary sand, when subjected to multiaxial loading conditions. Unconfined compressive, splitting tensile, ultrasonic pulse velocity, triaxial, and true triaxial tests were carried out to a wide range of dry unit weights (16.0, 16.5, 17.5, 19.0, 20.5, and 22.0 kN/m³) and ordinary Portland cement contents (3, 2.66, 4.38, 5, 7, and 14.65%) when subjected to distinct loading stress paths. Some of the conclusions are: (i) The porosity/volumetric cement content index (η/Civ) proved to be useful and a reliable dosage tool for cement-treated soils even for a multiaxial loading condition. Despite of the cement content and porosity combinations, a single η/Civ index outcame the same engineering properties. (ii) The dry unit weight (porosity) impact on specimens’ engineering properties is described by a power function, whereas the cement content linearly impacted the same properties. (iii) The cement content dictated the specimens’ final stiffness. (iv) Mean effective stresses (p’) higher than the yielding threshold point may lessen the cement benefits on the ultimate failure strength. (v) On the other hand, a mean effective stress higher than the yielding threshold point did not influence the specimens’ stiffness. (vi) The induced Z-axis molding compaction anisotropy is erased with cement inclusion. However, this phenomenon is only evidenced for samples tested under the yielding threshold point.

Independentemente do país, o setor de mineração é uma das mais importantes fontes econômicas. Este setor econômico é responsável por produzir um grande volume de resíduos também conhecidos por rejeitos, que são oriundos da lavra e beneficiamento de minérios. Barragens de terra, diques, e pilhas são as formas mais comuns de dispor estes rejeitos, formas estas que demandam grandes volumes de solo. A despeito da metodologia adotada para dispor estes resíduos, sua correta disposição ainda é uma grande fonte de preocupação no setor minerário. Além do impacto visual em áreas naturais, há também apreensão quanto à possibilidade da poluição de corpos hídricos e a segurança destas estruturas executadas em solo. Este último aspecto veio à tona nos últimos anos, e atraiu a atenção de profissionais do mundo todo. Tópicos de estudo como a compreensão geomecânica dos rejeitos, sua susceptibilidade a liquefação, e metodologias para melhora de suas características se tornaram comuns na área geotécnica. Diversas alternativas surgiram na busca da melhora geomecânica destes materiais como o uso de agentes cimentantes clássicos e alternativos, e a utilização de fibras sintéticas se mostraram promissores. Este trabalho encontra-se inserido nesta perspectiva do tratamento de materiais granulares sob a ótica de rejeitos de mineração. O escopo deste trabalho é estudar o comportamento geomecânico de dois solos granulares (rejeito de minério de ferro e areia comum de rio) estabilizados pela inclusão de cimento Portland quando submetidos a um estado multiaxial de tensões. Ensaios como o de resistência à compressão, resistência à tração, pulso ultrassônico, triaxial e true triaxial foram realizados para uma ampla faixa de pesos específicos (16.0, 16.5, 17.5, 19.0, 20.5, e 22.0 kN/m³) e teores de cimento Portland (3, 2.66, 4.38, 5, 7, e 14.65%). São conclusões deste estudo: (i) o índice porosidade/teor volumétrico de cimento (η/Civ) provou ser útil, demonstrando ser uma robusta ferramenta de dosagem para materiais cementados mesmo quando submetidos a um estado multiaxial de tensões. A despeito da porosidade ou teor de cimento utilizado, um mesmo η/Civ resultará nas mesmas propriedades de engenharia. (ii) O impacto do peso específico (porosidade) na dosagem de solos cimentados pode ser descrito através de uma função do tipo potência, já o teor de cimento impacta de forma linear estes mesmos materiais. (iii) A quantidade de cimento inserido irá ditar a rigidez de amostras estabilizadas. (iv) Tensões efetivas médias (p’) acima da tensão de plastificação do material estabilizado resultam em perda parcial do benefício da inserção do cimento. Isto pode ser explicado pela quebra da cimentação quando da utilização de tensões elevadas. (vi) A anisotropia induzida pela compactação das amostras é eliminada com a inserção de cimento Portland. Entretanto, este fenômeno só é evidenciado em amostras submetidas a tensões efetivas médias inferiores a tensão de plastificação do material.