Impact de la carbonatation accélérée des résidus miniers issus de roches ultramafiques sur leurs propriètés mécaniques

Thiam, Mamadou Bassirou (2026). Impact de la carbonatation accélérée des résidus miniers issus de roches ultramafiques sur leurs propriètés mécaniques. (Mémoire de maîtrise). Polytechnique Montréal. Depositum. https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1904

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Résumé

RÉSUMÉ

La carbonatation minérale accélérée des résidus miniers issus de roches ultramafiques, appelés pour la suite résidus miniers ultramafiques, constitue une technologie prometteuse permettant de combiner la séquestration permanente du dioxyde de carbone (CO2) et l’amélioration des propriétés mécaniques de ces matériaux. Dans le contexte du projet Dumont Nickel, où les résidus miniers sont envisagés comme matériau devant participer dans la construction des digues de retenue, cette étude vise à évaluer l’impact de ce procédé sur leur résistance mécanique.

Les travaux ont d’abord porté sur la caractérisation physique, chimique et minéralogique des résidus. Les analyses ont révélé une densité relative des grains de 2,63, une surface spécifique d’environ 10290 m2/kg ainsi que la présence de minéraux magnésiens réactifs, notamment la brucite (≈ 4,5% en poids), principal minéral responsable du potentiel de séquestration du CO2. Un protocole expérimental de carbonatation accélérée a ensuite été développé afin de produire des éprouvettes homogènes destinées aux essais de compression simple (UCS) et de cisaillement direct. Les résidus, préparés à différent degré de saturation initial, soit environ 50%, 65% et 80%, ont été soumis à des injections séquentielles de CO2 pur (100%), à raison de 3 minutes par injection, 3 fois par jour, pendant des durées de 3, 6 et 9 jours. Une prolongation jusqu’à 18 jours a également été réalisée pour les éprouvettes destinées aux essais UCS.

Les résultats montrent que la carbonatation accélérée améliore significativement les propriétés mécaniques des résidus ultramafiques. Les résistances les plus élevées en UCS et au cisaillement direct ont été obtenues pour les éprouvettes présentant un degré de saturation initial de 50%, mettant ainsi en évidence le rôle déterminant de l’état hydrique sur l’efficacité des réactions de carbonatation. Les gains de masse mesurés après carbonatation présentent une bonne corrélation avec les gains de carbone déterminés par analyse soufre carbone, confirmant que l’augmentation de la masse résulte en partie de la fixation du CO2 sous forme de carbonate. La formation de ces carbonates induit un phénomène de cimentation qui renforce les liaisons entre les particules, augmente la cohésion du matériau et augmente sa résistance mécanique. Les observations macroscopiques ont également mis en évidence la formation d’un front de carbonatation progressant de la périphérie vers le cœur des éprouvettes au cours du temps d’injection. Cette carbonatation offre ainsi des perspectives intéressantes pour la valorisation des résidus miniers ultramafiques dans la construction d’ouvrages de stockage des résidus plus stables, tout en contribuant à la réduction de l’empreinte carbone de l’industrie minière. Overall, this technology offers promising opportunities for the valorization of ultramafic mine tailings as construction materials for more stable tailings containment structures while contributing to the reduction of the mining industry’s carbon footprint.

ABSTRACT

Accelerated mineral carbonation of ultramafic mine tailings is a promising technology that combines the permanent sequestration of carbon dioxide (CO2) with the improvement of the mechanical properties of these materials. In the context of the Dumont Nickel Project, where mine tailings are being considered as construction materials for tailings storage facility embankments, this study aims to evaluate the effect of accelerated mineral carbonation on their mechanical strength.

The study first focused on the physical, chemical, and mineralogical characterization of the tailings. The analyses revealed a specific gravity of 2,63, a specific surface area of approximately 1029 m2/kg, and the presence of reactive magnesium-bearing minerals, particularly brucite (≈ 3.2 wt%), which is the main mineral responsible for the CO2 sequestration potential. An experimental accelerated carbonation protocol was then developed to produce homogeneous specimens for unconfined compressive strength (UCS) and direct shear tests. The tailings were prepared at different initial degrees of saturation, approximately 50%, 65%, and 80%, and subjected to sequential injections of pure CO2 (100%), with three-minute injections performed three times per day over periods of 3, 6, and 9 days. An extended carbonation period of up to 18 days was also investigated for specimens subjected to UCS testing.

The results demonstrate that accelerated carbonation significantly improves the mechanical properties of the ultramafic tailings. The highest UCS and direct shear strengths were obtained for specimens prepared at an initial degree of saturation of 50%, highlighting the critical role of moisture conditions in controlling carbonation efficiency. The measured mass gains after carbonation showed a strong correlation with the carbon gains determined by sulfur-carbon analyses, confirming that the increase in mass results, in part, from the sequestration of CO2 as stable carbonate minerals. The precipitation of these carbonates induced a cementation mechanism that strengthened the bonds between particles, increased the material cohesion, and enhanced its mechanical strength. Macroscopic observations also revealed the progressive development of a carbonation front advancing from the outer surface toward the core of the specimens as the carbonation period increased.

Type de document:	Thèse ou mémoires (Mémoire de maîtrise)
Directeur ou directrice de recherche:	Mbonimpa, Mamert
Codirecteurs de mémoire/thèse:	Belem, Tikou et Plante, Benoît
Informations complémentaires:	Institution en extension : Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue.
Mots-clés libres:	carbonatation accélérée, résidus miniers, roches ultramafiques, propriétés mécanique, accelerated carbonation, mine tailings, ultramafic rocks, mechanical properties
Divisions:	Mines et eaux souterraines > Maîtrise en génie minéral
Date de dépôt:	26 oct. 2026 14:35
Dernière modification:	26 oct. 2026 14:35
URI:	https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1904

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