Comportamento multiaxial de rejeitos de minério de ferro : influência da cimentação e de tempos de cura prolongados

Abstract

O Brasil é o segundo maior produtor de minério de ferro do mundo, o que resulta na geração de grandes volumes de rejeitos provenientes do beneficiamento desse minério. Tradicionalmente, esses rejeitos eram armazenados em barragens alteadas a montante, método que se tornou inviável após rupturas catastróficas recentes, impulsionando mudanças regulatórias e incentivando novas abordagens para a disposição segura desses materiais. O empilhamento drenado de rejeitos filtrados (dry stacking) surge como alternativa para reduzir riscos associados à liquefação, mas requer atenção quanto à estabilidade das pilhas, especialmente para maiores alturas. Nesse contexto, a inclusão de agentes cimentantes tem sido investigada como estratégia para melhorar o desempenho mecânico dos rejeitos e garantir maior confiabilidade estrutural. Embora estudos prévios tenham abordado o comportamento de rejeitos cimentados, há uma lacuna na literatura sobre a evolução dessas misturas a longos períodos de cura e sobre o impacto das diferentes trajetórias de tensão multiaxial nesses materiais. Assim, este estudo teve como objetivo avaliar o comportamento multiaxial de um rejeito de minério de ferro cimentado com cimento Portland CP-IV (pozolânico) ao longo do tempo de cura, considerando os efeitos da compactação e da cimentação na resistência e rigidez do material. Para tanto, foram realizados ensaios de resistência à compressão simples, ensaios triaxiais consolidados isotropicamente drenados (CID) e ensaios true triaxial, abrangendo longos tempos de cura, além de avaliações microestruturais. Os resultados mostraram que o maior ganho de resistência ocorreu até os 28 dias de cura, atingindo cerca de 60% da resistência total, com estabilização após 180 dias, sugerindo a conclusão das reações pozolânicas. A compactação e a cimentação atuaram de forma sinérgica, promovendo aumento na resistência e rigidez, influenciados diretamente pelo teor de cimento e tempo de cura. Nos ensaios true triaxial, a cimentação e o tempo de cura contribuíram para o aumento da resistência e da rigidez em todas as trajetórias de tensão. Nas amostras sem adição de cimento e nos primeiros tempos de cura, observou-se uma maior anisotropia, evidenciada pela influência da direção de compactação e das trajetórias de carregamento. Com o avanço do tempo de cura, especialmente aos 365 dias, as respostas mecânicas entre as diferentes trajetórias tornaram-se mais uniformes, indicando um comportamento progressivamente isotrópico proporcionado pela matriz cimentante. A boa aderência ao critério de ruptura de Kim & Lade, bem como a boa aproximação do critério de ruptura de Willam & Warnke, refletem a capacidade desses critérios em representar adequadamente o comportamento do material cimentado, principalmente em estágios mais avançados de cura, devido à consideração da tensão principal intermediária e à sensibilidade às variações dos invariantes de tensão. Assim, a cimentação com CP-IV associada ao empilhamento drenado se apresenta como uma alternativa tecnicamente viável para a estabilização de rejeitos de mineração, promovendo maior segurança geotécnica e contribuindo para práticas mais sustentáveis no setor minerário.

Brazil is the world's second-largest producer of iron ore, which results in the generation of large volumes of tailings from ore processing. Traditionally, these tailings were stored in upstream raised tailings dams, a method that has become unfeasible following recent catastrophic failures, prompting regulatory changes and encouraging new approaches for the safe disposal of these materials. The drained stacking of filtered tailings (dry stacking) has emerged as an alternative to reduce risks associated with liquefaction, but it requires careful consideration of stack stability, particularly at greater heights. In this context, the inclusion of cementing agents has been investigated as a strategy to improve the mechanical performance of tailings and ensure greater structural reliability. Although previous studies have addressed the behavior of cemented tailings, there is a gap in the literature regarding the long-term curing evolution of these mixtures and the influence of different multiaxial stress paths on their mechanical response. Thus, this study aimed to evaluate the multiaxial behavior of an iron ore tailing stabilized with pozzolanic Portland cement over time, considering the effects of compaction and cementation on the strength and stiffness of the material. To this end, unconfined compression tests, isotropically consolidated drained triaxial (CID) tests, and true triaxial tests were performed, covering extended curing periods, in addition to microstructural evaluations. The results showed that the most significant strength gain occurred within the first 28 days of curing, reaching approximately 60% of the total strength, with stabilization observed after 180 days, suggesting the completion of pozzolanic reactions. Compaction and cementation acted synergistically, increasing both strength and stiffness, directly influenced by the cement content and curing time. In the true triaxial tests, cementation and curing time enhanced strength and stiffness across all stress paths. In specimens without cement and at early curing stages, higher anisotropy was observed, evidenced by the influence of compaction direction and loading trajectories. As curing progressed, especially after 365 days, mechanical responses across different stress paths became more uniform, indicating a progressively isotropic behavior induced by the cemented matrix. The good agreement with the Kim & Lade failure criterion, as well as the fair approximation to the Willam & Warnke failure criterion, reflects the ability of these failure criteria to capture the behavior of the cemented material, particularly at advanced curing stages, due to their consideration of the intermediate principal stress and sensitivity to variations in stress invariants. Therefore, pozzolanic Portland cement (PC-IV) cementation combined with drained stacking presents itself as a technically feasible alternative for the stabilization of mine tailings, promoting greater geotechnical safety and contributing to more sustainable practices in the mining industry.