Étude des propriétés d’écoulement (rhéologie) et de durcissement de mélanges de remblais en pâte cimentés fabriqués avec des résidus miniers épaissis à l’aide de polymères superabsorbants (PSA)

El Mahboub, Khadija (2021). Étude des propriétés d’écoulement (rhéologie) et de durcissement de mélanges de remblais en pâte cimentés fabriqués avec des résidus miniers épaissis à l’aide de polymères superabsorbants (PSA). (Thèse de doctorat). Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue. Depositum. https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1884

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Résumé

RÉSUMÉ

La gestion des résidus miniers fins est l’un des plus grands défis auxquels le secteur minier au Canada et dans le monde est confronté. La densification des résidus miniers fins (sous forme de résidus épaissis, en pâte ou filtrés) avant leur dépôt (ou entreposage) en surface constitue l’une des différentes méthodes alternatives à la méthode conventionnelle. En effet, la méthode conventionnelle consiste à l’entreposage des résidus sous forme de pulpe dans des parcs à résidus entourées d’importantes digues de retenue, et ce, pour faire face aux principaux problèmes géotechniques (ruptures de digues de retenue) et environnementaux (drainage minier acide). Une partie des résidus densifiés peut être retournée sous terre sous forme de remblai en pâte cimenté (RPC) pour le remplissage des chantiers ouverts. Toutefois, les technologies actuelles d’épaississement/de densification des résidus miniers en pulpe destinés soit au dépôt en surface ou à la fabrication des RPC semblent certes efficaces mais dispendieuses à cause des coûts d’achats, d’exploitation et de maintenance des équipements lourds (hydrocyclones, épaississeurs, filtres) utilisés afin d’atteindre la cible de densité solide désirée.

L’objectif principal de cette thèse consiste à évaluer le potentiel des polymères superabsorbants (PSA) à densifier les pulpes de résidus miniers destinés soit l’entreposage en surface dans des parcs à résidus ou à la fabrication des remblais en pâte cimentés, sans aucun recours aux différents équipements conventionnels (épaississeurs, filtres). Les PSA sont des matériaux très hydrophiles capables d’absorber et d’emmagasiner d’importantes quantités d’eau entre leurs chaînes macromoléculaires. Les objectifs spécifiques de cette étude consistaient à : (1) évaluer l’influence de certains facteurs sur la performance des PSA; (2) étudier le comportement rhéologique des RPC épaissis afin d’optimiser les conditions de leur pompage et transport par pipelines; et (3) examiner l’effet des PSA sur le processus de durcissement des RPC épaissis. Les matériaux superabsorbants utilisés dans cette étude sont à base d’acrylate et d’acrylamide. Différents types de résidus provenant de quatre différents sites miniers de la région de l’Abitibi ont été échantillonnés. Le pourcentage solide initial des résidus a été ajusté en y ajoutant de l’eau de procédé pour obtenir des pulpes de résidus de deux différents pourcentages solides initiaux à savoir 40 et 50%.

Ce travail a abouti à un ensemble de résultats intéressants. En effet, cette étude a permis de mettre en exergue l’influence de certains facteurs sur les propriétés d’absorption et de rétention d’eau des PSA à savoir: les propriétés physico-chimiques du matériau superabsorbant et du résidu à épaissir, le dosage de PSA, leur mode d’addition (direct ou indirect) et leur temps de résidence. Les résultats de cette étude ont également mis au point le potentiel des PSA à épaissir/densifier rapidement les pulpes de résidus, qui s’est traduit par l’atteinte de pourcentages solides finaux des résidus épaissis allant de 70 à 82% en 15 min seulement pour des dosages de PSA qui se situent entre 10 et 29 kg de PSA/m3 de pulpe de résidus, et ce, quelque ce soit le mode d’ajout adopté. Cependant, le mode d’ajout indirect semble être l’option la plus viable et opérationnelle.

Cette étude a également mis en lumière la capacité des PSA à améliorer véritablement la fluidité des mélanges de remblais épaissis au fil du temps en réduisant suffisamment leur paramètres rhéologiques (seuil d’écoulement et viscosité à cisaillement infini) au point de pouvoir opter pour un système de transport par gravité. Le comportement de désorption du liquide initialement absorbé par les PSA dans la matrice environnante au fil du temps semble être le principal mécanisme qui régit les propriétés rhéologiques des remblais épaissis. Ce comportement dépend de la concentration des ions calcium contenus dans le milieu environnant. En effet, le comportement rhéologique des remblais épaissis préparés uniquement avec le ciment Portland (type GU) a été plus affectée par la présence de PSA comparé à celui des remblais épaissis fait avec le liant composé de 20% de GU et 80% de Slag.

Les résultats des analyses thermogravimétriques et de la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) ont montré que le processus de durcissement des remblais est fortement influencé par la présence des PSAs. Cette étude indique que les PSAs favorisent la formation de la portlandite et la précipitation subséquente du carbonate de calcium. La quantité de carbonate de calcium et de portlandite se sont avérées dépendre du type de liant utilisé. Également, les PSA ont démontré leur capacité à réduire le niveau du pH des filtrats de pâte de ciment de fortement alcalin (11,7 ൑ pH ൑ 12,2) à modérément ou légèrement alcalin (6,8 ൑ pH ൑10,0) selon le type et la proportion de liant. Ce comportement freine les réactions pouzzolanique et inhibe la formation des C-S-H, responsable de l’acquisition de la résistance mécanique du remblai en pâte cimenté.

ABSTRACT

Fine mine tailings management is one of the greatest challenges the mining industry in Canada and around the world. The densification of fine tailings (thickened, paste, filtered) prior surface deposition is one of the various alternative approaches to the conventional method, which consists of storing the tailings as a slurry in tailings storage facilities surrounded by large containment dams. This approach enables to face the main geotechnical and environmental problems associated with the conventional technique of tailings disposal, namely acidic mine drainage and dam failures. A part of the densified tailings can be returned underground in the form of cemented paste backfill (CPB) for the filling of open stopes. However, the current technologies for the thickening/densification of tailings slurries dedicated, either for surface deposition or for the preparation of CPB certainly seem effective but expensive because of purchasing, operating and maintenance costs of the heavy equipments (hydrocyclones, thickeners, and filters) concerned to achieve the required density.

The main objective of this research consists of evaluating the potential of superabsorbent polymers (SAPs) for densifying mine tailings slurries intended, either for surface deposition in tailings storage facilities or for the the preparation of CPB, without ever using the various conventional equipment (thickeners, filters). SAPs are very hydrophilic materials capable of absorbing and retaining a large amount of water in their macromolecular chains. The specific objectives of this study were to: (1) assess the influence of certain factors on the performance of SAPs and the concomitant degree of thickening of the tailing’s slurries; (2) study the rheological behavior of thickened CPB (containing SAP) for optimizing their pumping and pipelines transport conditions; and (3) evaluate the effect of SAP on the hardening process of thickened CPB. Different types of tailings were sampled from four different mining sites in Abitibi- region. The initial solid content of the tailings was adjusted by adding process water to obtain tailings pulps of two different initial solid mass concentrations, namely 40 and 50%.

This work has led to a set of attractive results. Indeed, this study highlights the impact of some factors on the water absorption and retention properties of SAP including the physico-chemical properties of the superabsorbent material and the tailings to be dehydrated, the SAP dosage, their addition method (direct and indirect) and their residence time. The results have also demonstrated the potential of SAP to thicken/densify rapidly tailings slurries, which has translated into final solid mass concentrations of the resulting thickened tailings in the range of 70-82% in 15 min only for SAP dosages ranging from 10 to 29 kg of SAP/m3 of tailings slurry, whichever addition mode adopted. However, the indirect addition mode seems to be the most viable and operational option.

This study highlighted the SAP ability to really improve the fluidity of the CPB mixtures over time by sufficiently lowering their rheological parameters (yield stress and infinite shear viscosity) even to the point of opting for pipeline gravity transport. The desorption of stored water by the SAPs in the surrounding matrix over time seems to be the main mechanism governing the rheological properties of the thickened CPB. This behavior depends on the concentration of calcium ions contained in the surrounding medium. In fact, the rheological behavior of thickened backfills prepared only with Portland cement (GU) was more affected by the presence of SAPs compared to that of thickened backfills made with the blended binder consisting of 20% GU and 80% Slag.

The results of thermogravimetric and Fourier transform spectroscopy (FTIR) analyses showed that the presence of SAP strongly influences the hardening process of the CPB containing them. This study indicates that SAPs promote the formation of portlandite and subsequent precipitation of calcium carbonate. The amount of these hydration products has been found to depend on the type of the used binder. This study has also demonstrated the potential of SAPs to reduce the pH level of cement paste filtrates from strongly alkaline (11.7 ≤ pH ≤12.2) to moderately or slightly alkaline (6.8 ≤ pH ≤10.0), depending on the binder type and its proportion. SAPs have also revealed their ability to reduce the pH levels of the cement paste filtrate from strongly alkaline to moderately or slightly alkaline, depending on the binder type and its proportion. This impedes pozzolanic reactions and inhibits the formation of C-S-H, responsible for the strength acquisition within the CPB incorporating SAPs.

Type de document:	Thèse ou mémoires (Thèse de doctorat)
Directeur ou directrice de recherche:	Belem, Tikou
Codirecteurs de mémoire/thèse:	Mbonimpa, Mamert et Maqsoud, Abdelkadir
Informations complémentaires:	Institution en extension : Polytechnique Montréal
Mots-clés libres:	épaississement/densification, résidus épaissis, remblais épaissis, polymère superabsorbants, gestion des résidus miniers, rhéologie, durcissement, thickening/densification, thickened tailings, thickened backfill, superabsorbent polymers, mine tailings management, rheology, hardening.
Divisions:	Mines et eaux souterraines > Doctorat en génie minéral
Date de dépôt:	24 sept. 2026 14:04
Dernière modification:	24 sept. 2026 14:04
URI:	https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1884

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