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Investigating the Hydrogeotechnical and Microstructural Properties of Cemented Paste Backfill Using the CUAPS Apparatus

Yilmaz, Erol (2010). Investigating the Hydrogeotechnical and Microstructural Properties of Cemented Paste Backfill Using the CUAPS Apparatus. Thèse. [Rouyn-Noranda], Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue, Sciences appliquées, 432 p.

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Résumé

Dans l'industrie minière et des minéraux, un grand volume et une large variété de résidus miniers qui se composent de fractions grossières et fines et pouvant être soit réactifs (production d'acide) ou non réactifs sont produits à travers le monde chaque jour. La plupart des opérations minières utilise la fraction grossière des résidus miniers pour le remblayage souterrain alors que les fines sont généralement déposées en surface dans des parcs à résidus ou derrière des digues de retenue. Il est toutefois bien connu que les digues de retenue sont à risque de rupture dû à une fuite, l'instabilité, la liquéfaction et d'un défaut de conception. En outre, les rejets générateurs d‘acidité peuvent causer des dommages importants à l'environnement sous la forme de drainage minier acide en libérant des métaux lourds, s'ils ne sont pas correctement gérés. Pour résoudre ces problèmes, la solution de gestion des résidus miniers est d'adopter une approche qui est techniquement appropriée, économiquement viable, écologiquement durable et socialement responsable. Le remblai cimenté en pâte (RCP) est l'une des plus récentes méthodes novatrices de gestion des résidus et se compose généralement d'un mélange des résidus miniers tout-venant sans deslamage (70-85% solides), un liant hydraulique (3-7% en poids) pour répondre aux critères de stabilité requise et d'eau de mélange (20-25% d'eau). La plupart des travaux de recherche a été jusqu'à présent effectuée en focalisant sur les propriétés physico-chimiques, minéralogiques, mécaniques et microstructurales des RCP. La plupart du temps, des moules en plastique conventionnels non drainés sont généralement utilisés pour déterminer les paramètres de conception du remblai minier en pâte qui dépendent du pourcentage solides, de la granularité des résidus, du type de liant et de sa teneur, et du temps de cure. Toutefois, des études récentes ont montré que pour une même recette de remblai utilisée au laboratoire et in situ après un temps de cure donné, la performance mécanique du remblai préparé au laboratoire était toujours inférieure à celle du remblai in situ. La raison principale derrière ce phénomène est que la cure du remblai en pâte in situ se serait faite sous l'action des contraintes effectives qui se seraient progressivement développées dans le chantier remblayé en raison de leur consolidation (sous poids propre ou par surcharge) et ainsi, entraîne l'amélioration du taux de d‘acquisition de la résistance mécanique finale. La mise en place et les propriétés des remblais in situ ne peuvent être reproduits à l'aide des moules classiques. Par conséquent, il existe un besoin évident de développer de nouveaux équipements et de nouvelles procédures d'essais capables de reproduire de façon réaliste les conditions de cure in situ des remblais cimentés en pâte dans un environnement de laboratoire contrôlé. Dans ce cas le but étant d'être en mesure d'atteindre des résistances mécaniques les plus élevées possibles et/ou au moins équivalentes pour une meilleure conception de remblai. Cette thèse est composée principalement de quatre articles/manuscrits de journaux avec comité de révision par les pairs. Le premier article essaye d'investiguer les différences dans les propriétés hydromécaniques des RCP observées entre les échantillons qui curent dans les conditions de laboratoire et in situ par le biais de la première version d'un nouvel appareil d‘essais en laboratoire appelé CUAPS (système de cure sous pression appliquée). Il aborde substantiellement les propriétés physiques, hydrotechniques et géochimiques d‘échantillons de RCP préparés avec des résidus catégorisés comme grossiers (15 wt% ­< grains de moins de 20 μm < 35 wt%) provenant d'une mine polymétallique européenne. Le deuxième article présente davantage l'évaluation de l'appareil CUAPS modifié qui permet d‘estimer certaines propriétés hydromécaniques des RCP incluant la compression anisotrope (consolidation 1-D) et la perméabilité. L'appareil CUAPS modifié capture bien la déformation axiale qui se produit dans le remblai pendant sa compression (soit par surcharge ou par son poids propre) et cela permet de réaliser des essais de consolidation unidimensionnelle, mais aussi des essais de dissipation de la pression interstitielle, de perméabilité (mesure de la conductivité hydraulique saturée), de cure sous contrainte effective appliquée et de cure sous différents taux de compression. Les résultats préliminaires illustrent bien l'efficacité, l'utilité et la capacité de cet appareil CUAPS modifié dans l'optique de l'optimisation réaliste des recettes de RCP à être utilisées pour le remblayage souterrain. Le troisième article focalise particulièrement sur les propriétés de consolidation unidimensionnelle à l'aide de l'appareil CUAPS modifié. Les échantillons de remblai en pâte ont été préparés avec des résidus catégorisés comme fins (35 wt% ­< grains de moins de 20 μm < 60 wt%). Le quatrième et dernier article présente les résultats de l'étude sur les effets des conditions de cure (consolidée et non consolidée) sur les propriétés microstructurales du RCP au moyen de la porosimétrie par intrusion de mercure (PIM) et la détermination de la surface spécifique. Quelques modèles empiriques de prédiction de la résistance en compression uniaxiale (UCS) en fonction de certains paramètres de la microstructure des RCP ont été proposés. Cette thèse de doctorat a non seulement permis une meilleure compréhension des propriétés des remblais en pâtes préparés en laboratoire, mais il a également permis d'évaluer avec succès l'appareil CUAPS modifié qui peut être un outil précieux pour la collecte de données équivalentes à celles du remblai in situ mais à l'échelle du laboratoire. Ce travail est considéré comme une étude originale qui a investigué le comportement en consolidation unidimensionnelle des échantillons de RCP à différents temps de cure et aussi le comportement d'échantillons de RCP curés sous une série d'incréments de pressions en permettant le développement graduel de la contrainte effective dû au drainage (simulant les chantiers souterrains remblayés). Cette recherche a donc contribué à une meilleure compréhension du comportement de ce matériau relativement complexe qu'est le RCP et a mis au point une procédure d‘essai pour évaluer la performance mécanique qui pourrait être considérée lors du processus de conception de tout remblai cimenté en pâte. Enfin, l'appareil CUAPS modifié aidera les chercheurs et les opérateurs des remblais à mieux comprendre les propriétés de consolidation des CPB frais ou durcis qui devraient être préparés en laboratoire. In the mining and mineral industry worldwide, large volumes and many varieties of mine tailings consisting of coarse and fine fractions that are either reactive (acid generating) or non-reactive are produced every day. Most mining operations use the coarse fraction of the tailings for underground backfill, while the fines are usually deposited on the surface into tailings impoundments or dams. However, it is well known that these dams are at risk of failure due to leakage, instability, liquefaction and inadequate design. Moreover, unless they are properly managed, acid-generating tailings can cause significant environmental damage by generating acid mine drainage that releases heavy metals. Overcoming such problems requires tailings management approaches that are technically suitable, economically viable, environmentally sustainable and socially responsible. Cemented paste backfill (CPB), an engineering material, is used in a recent, innovative tailings management method. Typically, CPB is a mixture of total mill tailings without removing the fines, or desliming (70–85 wt% solids), and single, binary and ternary hydraulic binders (3–7 wt%) in order to meet stability requirements and combined with mixing water (20–25 wt%). Most studies to date have focused on the physicochemical, mineralogical, mechanical and microstructural properties of CPB. Conventional undrained plastic moulds (non-perforated) are usually used to determine mine backfill design parameters, depending on the solid mass concentration, grain size grading, binder type and content, and curing time. However, recent studies have shown that for identical backfill recipes used in the laboratory and in situ after a given curing time, the performance (i.e., mechanical strength) of laboratory-prepared CPB samples is consistently lower than that obtained from in situ CPB samples. The primary reason is that in situ backfill material is cured under effective stresses that develop gradually in a stope due to self-weight and/or time-dependent consolidation loads, which accelerate the rate of final strength development. In situ CPB placement and properties cannot be replicated using conventional moulds. Therefore, innovative equipment and test procedures that allow realistic reproduction of in situ curing conditions of CPB materials in a controlled laboratory setting are needed. The aim is to obtain higher or at least equivalent mechanical strength, and consequently a better backfill design.

Type de document: Thèse (Thèse)
Directeur de mémoire/thèse: Belem, Tikou
Co-directeurs de mémoire/thèse: Benzaazoua, Mostafa et Bussière, Bruno
Informations complémentaires: Comprend des résumés. Thèse présentée comme exigence partielle du doctorat en sciences de l'environnement. Comprend des réf. bibliogr. (f.[372]-388).
Mots-clés libres: propriete remblai cuaps cimente pate hydrogeotechnique microstructural residu minier consolidation unidimensionnel conductivite sature hydraulique contrainte resistance compression pression mine tailing cemented paste backfill one-dimendional saturated hydraulic conductivity pore pressure cement hydration curing stress compressive strength
Divisions: Sciences appliquées > Doctorat en sciences de l'environnement
Date de dépôt: 13 déc. 2011 15:51
Dernière modification: 22 févr. 2013 19:42
URI: http://depositum.uqat.ca/id/eprint/34

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