Comportamento mecânico de rejeito de minério de ferro filtrado e compactado com uso de cimento e fibra

Abstract

Rupturas recentes de barragens a montante de rejeitos de mineração, especialmente no Brasil, têm impulsionado a busca por estruturas alternativas para armazenagem desse material, sendo a principal delas a pilha de rejeitos filtrados e compactados. O rejeito filtrado e compactado pode ter seu desempenho mecânico melhorado através de técnicas de melhoramento de solo com o uso de materiais cimentantes (cimento Portland) e/ou inertes (fibras de polipropileno). Portanto, o presente trabalho tem como objetivo avaliar o comportamento mecânico do rejeito de minério de ferro considerando diferentes posições ao longo da curva compactação (ramo seco, úmido e ponto ótimo), distintos teores de cimento (1%, 3% e 5%) e a utilização de fibras (0,5%). Para isso, foram realizados ensaios de resistência à compressão simples (RCS), pulso ultrassônico e ensaios triaxiais consolidados drenados (CID). Os resultados de RCS e pulso ultrassônico demonstraram que, para o material cimentado reforçado e não reforçado, quanto mais seco o material for compactado na curva de compactação, mais resistente e rígido ele será, independente do teor de cimento e fibra utilizado. Para o ensaio de RCS, o padrão de ruptura depende não apenas do teor de cimento e de fibras utilizados, mas também de quão úmido ou seco o material foi compactado em relação à curva de compactação. Além disso, a adição de fibras altera a resposta do material de frágil para dúctil, especialmente para baixos teores de cimento. Em relação aos ensaios CID, mesma tendência da RCS foi observada para o material cimentado. No entanto, para o material cimentado e reforçado, tendência diferente da RCS foi observada, indicando que o ponto ótimo é o mais resistente e rígido. Essa divergência foi atribuída ao tipo de drenagem ocorrendo em cada ensaio. Para o material puro (sem cimento e sem reforço), os ensaios CID apresentaram maior resistência e rigidez para o material compactado no ponto ótimo da curva de compactação. Para um menor grau de compactação, o aumento da umidade reduz a resistência. No caso do material reforçado, mesma tendência do material puro foi obtida. As análises tensão-dilatância e módulo de elasticidade colaboraram para o entendimento do comportamento do material nas diferentes condições de compactação, cimento e fibra. Além disso, a influência do fabric formado após a compactação foi considerado um fator predominante no comportamento inicial do material.

Recent failures of upstream tailings dams, especially in Brazil, generated the search for alternative structures for storing this material. The main studied one is dry stacking filtered and compacted tailings. The filtered and compacted tailings can improve their mechanical performance through ground improvement techniques using cementing materials (Portland Cement) and/or inert materials (polypropylene fibers). Therefore, the present work aims to evaluate the mechanical behavior of iron ore tailings under different compaction conditions, cement and fiber contents through unconfined compressive strength tests (UCS), ultrasonic pulse and consolidated drained (CID) triaxial tests. The results of UCS and ultrasonic pulse showed that, for the reinforced and unreinforced cemented material, the drier the material is compacted on the compaction curve, the stronger and stiffer it will be, regardless of the cement or fiber content used. For the UCS tests, the failure pattern depends not only on the cement and fiber content, but also on how wet or dry the material was compacted on the compaction curve. In addition, adding fibers turns the brittle material into a ductile one, especially for low cement contents. Regarding the CID tests, the same trend of UCS was observed for the cemented material. However, a different trend from UCS was observed, for the cemented and reinforced material, indicating that the optimum point is the strongest and stiffest. This divergency was attributed to the type of drainage conditions occurring in each test. For the uncemented and unreinforced material, the CID tests showed higher strength and stiffness for the compacted material at the optimum point of the compaction curve. In a low compaction degree, the higher the moisture content, the lower the strength. The same pattern was obtained for the reinforced uncemented material. The stress-dilatancy and Young’s modulus collaborated to understand the behavior under the different compaction, cement and fiber conditions. Furthermore, the influence of the fabric formed after the compaction procedure was found to be a predominant factor on the initial behavior of the material. However, further detailing through microstructural analysis is still required.