Activation mécanique et chimique des scories de cuivre de la Fonderie Horne en vue de leur valorisation comme ajout cimentaire dans les remblais miniers en pâte cimentés

Khaddari, Achraf (2025). Activation mécanique et chimique des scories de cuivre de la Fonderie Horne en vue de leur valorisation comme ajout cimentaire dans les remblais miniers en pâte cimentés. (Mémoire de maîtrise). Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue. Depositum. https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1681

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Résumé

RÉSUMÉ

L’utilisation du remblai minier en pâte cimenté (RPC) est devenue une pratique incontournable dans les mines souterraines, grâce à ses nombreux avantages en termes de productivité, de sécurité des travailleurs et de réduction de l’impact environnemental sur les sites miniers. Cependant, la hausse continue des coûts du ciment Portland et des ajouts cimentaires, notamment le laitier de haut fourneau granulé et broyé (GGBFS ou slag), rend ce matériau de plus en plus onéreux. Dans de nombreux cas, les liants (ciments et ajouts cimentaires) représentent plus de 75% des coûts totaux liés aux opérations de remblayage.

Pour faire face à cette problématique tout en maintenant les performances du RPC, il est crucial de développer des liants alternatifs qui offrent des propriétés mécaniques satisfaisantes à moindre coût. Une des voies prometteuses consiste à optimiser les formulations en intégrant des matériaux aluminosilicatés disponibles localement, comme les scories de cuivre (CS) de la Fonderie Horne. Cette voie permettrait de réduire le coût global des liants et les émissions de CO2 liées à la production du clinker servant à la fabrication du ciment Portland, tout en diminuant l’exploitation excessive des ressources naturelles non renouvelables (argiles, gypse, calcaire, etc.). En outre, cette voie de valorisation contribuera à la résolution des problèmes environnementaux liés au stockage en surface des scories, considérées comme des matériaux potentiellement dangereux.

Dans ce contexte, l’objectif principal de ce projet de maîtrise est d’optimiser différentes stratégies d’activation de la capacité pouzzolanique de trois types de CS issues de la Fonderie Horne, située à proximité des mines abitibiennes. Cela permettrait de valoriser ces scories en tant qu’ajouts cimentaires dans la fabrication de remblais en pâte cimentée (RPC). Pour ce faire, il est nécessaire d’évaluer l’effet de différentes méthodes d’activation, telles que le broyage mécanique et l’activation chimique. Ces approches reposent sur l’utilisation de divers agents, tels que le Na₂SO₄, le NaOH, ainsi que des sous-produits industriels à faible coût, comme la poussière de four à chaux (LKD) et la poussière de l’épurateur à sec circulant (CDSD). Ces agents permettent notamment une substitution partielle du ciment Portland (GU) par CS activées.

Dans un premier temps, des mélanges de RPC simulés (RPCS), utilisant le Sil-Co-Sil 106 comme squelette inerte, ont été élaborés. Ces mélanges ont permis d’étudier l’effet de l’activation mécanique et chimique sur la réactivité des CS. Les résultats montrent que l’optimisation de la finesse des CS par broyage, sur une durée de 40 à 80 minutes, améliore leur activité pouzzolanique et se traduit par une augmentation de la résistance mécanique des RPCS pouvant atteindre jusqu’à 28%.

De plus, l’activation chimique a également amélioré les performances des RPCS. Par exemple, un liant composé de 30 % de CS2 et 70 % de GU (30CS2/70GU) a atteint une résistance à la compression uniaxiale (UCS) de 1214 kPa à 28 jours, soit environ 80 % de celle du liant de référence 100GU. Le liant 40CS4/60GU, activé avec du Na₂SO₄ à une concentration de 0,3 M, a quant à lui présenté de très bonnes performances, avec une résistance de 1637 kPa à 28 jours, surpassant même celle du liant 100GU. Ainsi, le liant ternaire 55GU/15LKD/30CS3 a atteint 1179 kPa grâce à l’ajout de LKD. Le liant 40GU/10CDSD/50CS4 a enregistré une résistance de 914 kPa, bénéficiant des propriétés alcalines et sulfatiques du CDSD. Cependant, l’activation avec le NaOH s’est avérée inefficace, produisant une résistance maximale de 282 kPa, probablement en raison de la faible teneur en CaO des CS.

Ensuite, les analyses d’hydratation, telles que l’ATG/ATD, le FTIR et le MEB-EDS, confirment la formation de produits tels que le C-S-H, la portlandite (CH), l’ettringite (AFt) et les monosulfates (AFm), avec des quantités variant selon les liants utilisés. Ces résultats mettent en évidence l’efficacité des méthodes d’activation appliquées, qui favorisent la dissolution du verre des silicates de fer (Fe2SiO4) et de l’aluminate (Al2O3), contribuant ainsi à la production d’hydrates à moyen terme.

Par la suite, les formulations de liants optimaux, incluant le liant témoin (100GU) ainsi que le liant de référence (20GU/80GGBFS), largement utilisé dans les mines de l’Abitibi, ont été évaluées à l’aide de RPC formulés avec des résidus miniers réels. Les résultats ont montré que le liant 20GU/80GGBFS présente des résistances élevées à 23°C (avec une UCS à 28 jours pouvant atteindre 3000 kPa), en particulier avec les résidus des mines LaRonde et Goldex. Cette performance est attribuée à l’interaction des sulfates et des carbonates issus des résidus, qui favorise la formation de C-S-H et d’ettringite (AFt) en grande quantité en présence du GGBFS. En revanche, les RPC fabriqués à partir des liants optimisés à base de CS ou du liant témoin (100GU) combinés aux mêmes résidus miniers ont affiché des résistances plus faibles (UCS maximale de 1170 kPa à 28 jours), comparativement aux RPC simulés formulés avec le Sil-Co-Sil® 106 (UCS maximale de 1550 kPa à 28 jours). Cette diminution de performance est attribuée à la forte teneur en sulfates des résidus, qui inhibe les réactions d’hydratation et entraîne l’apparition de microfissurations dans la matrice.

À 60°C, les CS améliorent la réaction pouzzolanique et l’hydratation, augmentant la résistance des RPC au-delà des liants témoins. Toutefois, une exposition prolongée à cette température peut provoquer des fissurations associées à une formation excessive et rapide de C-S-H. Enfin, une évaluation économique sommaire des liants à base de scories de cuivre montre une réduction des coûts allant jusqu'à 39% et une diminution des émissions de CO2eq jusqu'à 35% par rapport au 100GU.

ABSTRACT

The use of cemented paste backfill (CPB) has become a key practice in underground mining operations due to its numerous advantages in terms of productivity, worker safety, and reduction of the environmental footprint at mine sites. However, the continuous increase in the cost of Portland cement and supplementary cementitious materials (SCMs), such as ground granulated blast furnace slag (GGBFS or slag), is making CPB increasingly expensive. In many cases, binders (cement and SCMs) account for more than 75% of the total backfilling costs.

To address this challenge while maintaining CPB performance, it is essential to develop alternative binders that are both cost-effective and mechanically reliable. A promising approach involves optimizing binder formulations using locally available aluminosilicate materials, such as copper slag (CS) from the Horne Smelter. This strategy would help reduce binder costs and CO₂ emissions associated with clinker production, while limiting the overexploitation of non-renewable natural resources (e.g., clay, gypsum, limestone). Furthermore, valorizing CS contributes to solving the environmental problems related to surface storage of these potentially hazardous materials.

In this context, the main objective of this master’s research project was to optimize various activation strategies to enhance the pozzolanic reactivity of three types of copper slag (CS2, CS3, and CS4) produced by the Horne Smelter, located near Abitibi mining operations. The goal was to valorize these slags as supplementary cementitious materials in the production of CPB. This involved evaluating the effects of different activation methods, including mechanical grinding and chemical activation. These methods employed various agents, such as Na₂SO₄, NaOH, and low-cost industrial by-products like lime kiln dust (LKD) and circulating dry scrubber dust (CDSD), enabling partial replacement of Portland cement (GU) with activated CS.

Initially, simulated CPB mixes (SCPB) were prepared using Sil-Co-Sil® 106 as an inert aggregate. These mixes were used to assess the effect of mechanical and chemical activation on CS reactivity. Results showed that optimizing the fineness of CS through grinding for 40 to 80 minutes significantly enhanced their pozzolanic activity, resulting in compressive strength gains of up to 28%.

Moreover, chemical activation further improved SCPB performance. For instance, a binder composed of 30% CS2 and 70% GU (30CS2/70GU) achieved an unconfined compressive strength (UCS) of 1214 kPa at 28 days, representing approximately 80% of the reference 100GU binder. The 40CS4/60GU binder, activated with 0.3 M Na₂SO₄, exhibited excellent performance with a UCS of 1637 kPa at 28 days, surpassing the 100GU binder. Similarly, the ternary binder 55GU/15LKD/30CS3 reached 1179 kPa due to the effect of LKD, while 40GU/10CDSD/50CS4 reached 914 kPa, benefiting from the alkaline and sulfate content of CDSD. Conversely, NaOH activation proved ineffective, with a maximum strength of only 282 kPa, likely due to the low CaO content in the CS.

Hydration analyses using TGA/DTG, FTIR, and SEM-EDS confirmed the formation of hydration products such as C-S-H, portlandite (CH), ettringite (AFt), and monosulfates (AFm), with varying quantities depending on the binder composition. These results highlight the effectiveness of the applied activation methods, which promote the dissolution of the glassy matrix in iron silicates (Fe₂SiO₄) and alumina (Al₂O₃), contributing to the generation of hydrates at later ages.

Subsequently, optimal binder formulations were tested with real mine tailings, including the 100GU reference binder and the industry-standard 20GU/80GGBFS binder used in Abitibi mines. The 20GU/80GGBFS binder showed high strength at 23 °C (UCS up to 3000 kPa at 28 days), particularly with LaRonde and Goldex tailings. This is attributed to the favorable interaction between sulfates and carbonates in the tailings, which promotes the formation of C-S-H and ettringite in the presence of GGBFS. In contrast, CPBs made with the CS-based binders or the 100GU binder, combined with the same tailings, displayed lower strengths (UCS up to 1170 kPa), compared to simulated CPBs with Sil-Co-Sil® 106 (UCS up to 1550 kPa). This decrease was attributed to the high sulfate content in the tailings, which inhibited hydration reactions and induced microcracking in the matrix.

At 60 °C, CS significantly enhanced pozzolanic reactivity and hydration kinetics, resulting in strength gains exceeding those of the reference binders. However, prolonged exposure to this temperature led to microstructural cracking due to the rapid and excessive formation of C-S-H. Finally, a preliminary economic assessment showed that CS-based binders could reduce binder costs by up to 39% and CO₂eq emissions by up to 35% compared to the 100GU binder.

Type de document:	Thèse ou mémoires (Mémoire de maîtrise)
Directeur ou directrice de recherche:	Belem, Tikou
Codirecteurs de mémoire/thèse:	Maqsoud, Abdelkabir
Informations complémentaires:	Institution en extension : Polytechnique Montréal / Ce mémoire contient un article de conférence. Voici le lien vers la version officielle : l’article « Utilisation of copper slags as supplementary cementitious materials in cemented paste backfill » a été publié par Australian Centre for Geomechanics (ACG), The University of Western Australia dans « Paste 2025: Proceedings of the 27th International Conference on Paste, Thickened and Filtered Tailings » : https://doi.org/10.36487/ACG_repo/2555_33
Mots-clés libres:	Scories de cuivre ; remblai en pâte cimentée ; ajout cimentaire ; activité pouzzolanique ; activation mécanique ; activation chimique ; hydratation ; résistance à la compression uniaxiale
Divisions:	Mines et eaux souterraines > Maîtrise en génie minéral
Date de dépôt:	15 mai 2025 13:28
Dernière modification:	15 mai 2025 13:28
URI:	https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1681

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