Solubilité de différents minéraux aluminosilicatés en vue de leur contribution à la géopolymérisation dans les remblais miniers en pâte

L'utilisation du remblai minier en pâte cimenté (RMPC) est devenue une pratique quasiment incontournable dans les mines souterraines, en raison de ses nombreux avantages, notamment, sur les plans de la productivité minière, de la sécurité des travailleurs et de la réduction de l'empreinte écologique au niveau du site minier. Cependant, l'augmentation constante des coûts des ciments et des ajouts minéraux (ex. du laitier de haut fourneau ou slag) rend ce type de matériaux de plus en plus dispendieux. Dans la plupart des cas, le coût du liant (ciments et ajouts minéraux) atteint plus de 75% des coûts d'opération de remblayage. Pour faire face à ce problème de coûts tout en maintenant les performances des RMPC, la recherche s'est avérée pertinente afin de trouver des liants alternatifs conférant aux remblais miniers des propriétés géotechniques acceptables avec des coûts moins élevés. La géopolymérisation des résidus miniers, en tant que matériaux riches en alumine et en silice, est une technique prometteuse. Les géopolymères s'obtiennent par copolymérisation d'éléments individuels aluminosilicates provenant généralement de la dissolution alcaline de phases riches en silice et alumine. Par conséquent, les résidus miniers abitibiens, généralement riches en minéraux aluminosilicatés, pourraient constituer une matière première potentielle pour la géopolymérisation et donc pour la fabrication de remblais miniers en pâte géopolymère (RMPG). Il est anticipé que ce nouveau type de remblai serait moins coûteux que le RMPC et pourrait développer de très bonnes stabilités mécanique et chimique et une meilleure fixation des métaux toxiques. Ce projet a pour objectif principal d'évaluer le potentiel de la géopolymérisation des résidus miniers (avec ou sans additifs) pour la fabrication de remblais miniers en pâte. Plus spécifiquement, le projet vise à : (i) Réaliser des tests de dissolution alcaline de différents minéraux aluminosilicatés, fréquents dans les résidus miniers abitibiens, afin de sélectionner les minéraux les plus favorables à la géopolymérisation et à trouver les facteurs qui contrôlent la dissolution de ces minéraux, (ii) évaluer l'effet d'enrichissement des résidus miniers par ces phases minérales sélectionnées (ou par d'autres matériaux aluminosilicates, le cas échéant) sur la résistance mécanique des remblais géopolymères, (iii) sélectionner une recette optimale de remblai géopolymère et faire une comparaison économique sommaire avec la recette de remblai de référence (à base de liant composé 20%GU/80%SLAG). Les résultats des tests de dissolution alcaline des minéraux purs ainsi que des essais de géosynthèse (par activation alcaline) de remblai à base de résidus bruts ont montré que le potentiel de géopolymérisation dans les remblais miniers est appréciable; la cinétique de réaction (de géopolymérisation) est, cependant, lente. En effet, les résistances développées par les remblais géopolymères sont appréciables dans le contexte minier, mais ne sont obtenues qu'à long terme (au-delà de 28 jours). Par conséquent, pour assurer la résistance requise des remblais à court terme, plusieurs formulations de liants géopolymères ont été testées sur un remblai synthétique (dont le squelette est un sable fin considéré comme inerte au lieu des résidus réactifs). Ces liants sont obtenus par activation alcaline (par NaOH) des mélanges de GGBFS/ FA_F (laitier de haut fourneau granulé broyé/cendres volantes type F). Cette étude a permis de trouver des formulations de liants géopolymères pouvant assurer la résistance des remblais à court terme (≤28 jours). Les résultats de cette étude ne sont pas rapportés dans ce mémoire et feront l'objet d'une future publication. Enfin, sous la lumière des résultats précédents, différentes formulations de remblai minier ont été testées suivant des plans de mélanges standards (de Taguchi). Ces formulations ont été faites sur la base des résidus de la mine Goldex pour leur contenu en minéraux aluminosilicatés. L'analyse de résultats de ces plans ont permis de conclure que la géopolymérisation dans les remblais miniers est très prometteuse et que la substitution du ciment portland est ainsi possible. Le coût de nouveau remblai reste, cependant, très dépendant du prix de NaOH. Mots clés : Dissolution alcaline, géopolymérisation, aluminosilicates, résidus miniers, liants alternatifs, remblai minier en pâte.

Abstract

Cemented paste backfills (CPBs) have become common practice in many modern underground hard-rock mines, primarily due to increasing ore recovery and the safety of mine workings, as well as reductions in the amount of tailings requiring surface storage. However, the constant increase in the costs of Portland cement and other cementitious additives (e.g. blast furnace slag) makes CPB more expensive. In most cases, the cost of the binder (e.g. Portland cement or other additives) exceeds 75% of backfilling operation costs. To address this constraint while ensuring the performance of CPBs, there is a need for alternative binders that result in acceptable technical properties and lower costs. One potential solution is the geopolymerisation of mine tailings. The geopolymers are obtained by polycondensation of aluminosilicates species originating form dissolution of aluminosilicates materials at strongly alkaline medium in the presence (or not) of soluble silicates. Mine tailings, mostly rich in aluminosilicates minerals, could be a potential raw material for geopolymerisation and thus for the manufacture of geopolymer paste backfill (GPB). This new type of backfill is anticipated to be less expensive than the CPB and could develop very good geomechanical and chemical stabilities and better encapsulation of toxic metals. The main objective of this project is to evaluate the geopolymerization potential of mine tailings (with or without additives) to synthesis mine paste backfill. More specifically, the project aims to: (i) study the alkaline dissolution of various pure aluminosilicate minerals (frequent in mine tailings). The experiments aimed in selecting the most favorable silicate to geopolymerization and finding the factors that control the alkaline dissolution of these minerals. (ii) Study the enrichment effect of tailings by these selected mineral phases (or other aluminosilicates materials, if necessary) on the mechanical strength of geopolymer backfills, (ii) select an optimal geopolymer backfill recipe and make a brief economic comparison with the reference backfill recipe (backfill based blended binder 20%GU/80%SLAG). The results of alkaline dissolution tests of pure minerals and geosynthesis tests (by alkaline activation) of pure tailings-based backfill have shown that the geopolymerization potential in mine backfills is significant; however, reaction (geopolymerization) kinetic is slow. Indeed, the developed strength by geopolymer backfill is appreciable in the mining context but is only obtained in the long term (beyond 28 days). Therefore, to ensure the required strength of the backfill in the short term (≤28 days), several geopolymer binder formulations were tested on a synthetic backfill (based on fine sand instead of mine tailings). These binders are obtained by alkaline activation (by NaOH) of the mixtures GGBFS/FA_F (ground granulated blast furnace slag/type F fly ash). This study identified geopolymer binder formulations that could provide short-term backfill strength (≤28 days). The results of this study are not reported in this report and will be the subject of a future publication. Finally, in the light of the above results, different mine backfill formulations were tested according to standards design of experiments (Taguchi method). These formulations were based on the Goldex mine tailings for their aluminosilicate minerals content. The analysis of the results of these designs of experiments concluded that geopolymerization in mine backfill is very promising and that the substitution of Portland cement is possible. The cost of new backfill remains, however, highly dependent on the price of NaOH. Keywords: Alkaline dissolution, geopolymerization, aluminosilicates, mine tailings, alternative binders, mine paste backfill.