Reconstitution and characterization of iron ore tailings samples

Dissertação de Mestrado em Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaOs recentes acidentes com barragens de rejeitos e a reativação de inúmeras minas no mundo têm motivado um crescente interesse da comunidade científica e técnica em estudar o comportamento destes materiais utilizando uma perspetiva geotécnica. Além disso, a ambicionada transição para uma economia baseada em energia renovável, que promova o desenvolvimento sustentável, aumentará significativamente o consumo de metais e minerais, os quais terão de ser obtidos por exploração mineira em condições cada vez mais exigentes.Uma das dificuldades da caraterização experimental de materiais geotécnicos é a reprodução em laboratório de amostras reconstituídas, que sejam uniformes e homogêneas, mas mantendo as características fundamentais do material natural. Este problema é agravado no caso de barragens de rejeitos, pois, além da variabilidade entre barragens, devido a origens minerais, processos de produção e tratamento diferentes, existe grande variabilidade do material na barragem consoante a distância do lançamento do rejeito ou a profundidade. Tal ocorre frequentemente por segregação do material, sobretudo em minas de ferro, devido à presença de sílica e ferro moídos de forma muito fina, mas com grandes diferenças na densidade das partículas. Esta limitação, associada ao valor comercial do rejeito, tem limitado a caracterização do comportamento mecânico destes materiais sob ações de carregamento generalizadas, o que afeta a capacidade para avaliar a segurança dos depósitos de rejeitos.Em primeiro lugar, este trabalho avalia a capacidade para reproduzir amostras reconstituídas homogêneas e representativas dos rejeitos de minas de ferro. Assim, para além da descrição detalhada do processo de reconstituição de amostras utilizado e da capacidade para obter amostras de diferentes geometrias para ensaios de caraterização mecânica, são avaliadas as características físicas e de identificação do material reconstituído e é feita a comparação destas com as características que os rejeitos usualmente exibem in situ. Após validação do processo de reconstituição dos rejeitos de uma mina de ferro portuguesa, são realizados diversos ensaios para caracterizar o comportamento mecânico de amostras reconstituídas, com diferentes composições, e de amostras indeformadas recolhidas na mina. Os resultados dos ensaios edométricos e triaxiais realizados, os quais incluem ensaios monotônicos de compressão e extensão, drenados e não drenados, e ainda ensaios cíclicos, permitem estabelecer os aspectos mais relevantes do comportamento mecânico do rejeito.The recent accidents with tailings dams and the reactivation of countless mines in the world have motivated a growing interest of the scientific and technical community in studying the behavior of these materials using a geotechnical perspective. Moreover, the desired transition to an economy based on renewable energy, promoting sustainable development, will significantly increase the demand for metals and minerals, which need to obtained through mining in increasingly challenging conditions. One of the difficulties in the experimental characterization of geotechnical materials is the reproduction in the laboratory of reconstituted samples, which are uniform and homogeneous while maintaining the fundamental characteristics of the natural material. This problem is aggravated in the case of tailings dams because, in addition to the variability between dams, due to different mineral origins, production and treatment processes, there is great variability of the material in the dam depending on the distance of the tailings release or the depth. This often occurs due to segregation of the material, namely in iron ore mines, due to the presence of silica and iron very finely grounded but with large differences in the density of particles. This limitation, together with the commercial value of tailings, has hampered the characterization of the mechanical behaviour of these materials under generalized loading, which affects the ability to assess the safety of tailings dams. Firstly, this work evaluates the capacity to reproduce reconstituted samples that are homogeneous and representative of iron mine tailings. Thus, in addition to the detailed description of the sample reconstitution process used and the ability to obtain samples of different geometries for mechanical characterization tests, the physical and identification characteristics of the reconstituted material are evaluated, and a comparison is made with the characteristics that tailings usually exhibit in situ. After validating the reconstitution procedure for the tailings from a Portuguese iron mine, various tests are carried out to characterize the mechanical behaviour of reconstituted samples, using different compositions, and undisturbed samples collected from the site. The results of the oedometer and triaxial tests carried out, which include triaxial monotonic compression and extension tests, under drained and undrained conditions, as well as cyclic tests, allow the main aspects of the mechanical behaviour of the tailings to be established