Caractérisation minéralogique, évolution microstructurale et comportement environnemental de remblais miniers cimentés en pâte = Mineralogical Characterization, Microstructural Evolution and Environmental Behaviour of Mine Cemented Paste Backfills.

Les activités de concentration des minéraux métalliques et des métaux précieux produisent des quantités importantes de résidus miniers ayant un potentiel de génération de drainage minier acide (DMA). Un moyen de gestion des résidus
\nminiers consiste à fabriquer un matériau appelé le remblai cimenté en pâte (RCP). Le RCP est un mélange de résidus miniers, de liant hydraulique et d’eau dont le pourcentage solide est compris entre 70 et 85%. Le RCP est acheminé sous terre afin de remplir les chantiers exploités et ainsi servir de soutènement pour l’extraction efficace du gisement. Cette activité permet aussi le retour sous terre d’une proportion importante de résidus miniers.
\nHistoriquement, les travaux réalisés sur les RCP ont été principalement dédiés à l’optimisation des types et des proportions de ciment et d’eau afin d’améliorer la
\nrésistance mécanique. Étant donné l’impact important de la minéralogie des résidus miniers sur cette résistance, l’application des solutions proposées est souvent limitée
\nà un site donné. Dans les dernières années, l’utilisation croissante du RCP, les modifications aux législations qui pointent à l’horizon et la mise sur pied de groupes de recherche voués aux problèmes associés à la gestion des résidus miniers ont cependant changé cette vision. En effet, les chercheurs ont commencé à s’intéresser à d’autres aspects des RCP tels que la minéralogie, l’évolution des propriétés hydriques et microstructurales et la capacité de stabilisation des contaminants pour n’en nommer que quelques uns. Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse s’inscrivent à l’intérieur de ces efforts de la communauté scientifique pour la gestion intégrée des résidus miniers. Les objectifs de la thèse sont : i) une meilleure compréhension du RCP en étudiant les phénomènes fondamentaux à la base du gain de résistance mécanique, tel que l’évolution de la minéralogie et son impact sur la microstructure, et ii) établir des liens entre les aspects microstructuraux et minéralogiques préalablement étudiés et le comportement environnemental des remblais sulfureux potentiellement générateurs d’acide. Les chapitres de développement de la thèse sont au nombre de quatre. Les
\ndeux premiers mettent en lumière des travaux sur la structure des pores des RCP, le troisième traite de la minéralogie des RCP en lien avec les processus de cimentation et le dernier présente une étude sur la réactivité d’un RCP en chantier.
\nL’évolution de la porosité et de la structure des pores a été étudiée par porosimétrie au mercure (MIP) et par l’analyse d’images issues de la microscopie électronique à
\nbalayage en mode électrons rétrodiffusés (SEM-IA). Ces travaux ont été effectués sur des échantillons fabriqués à partir d’une poudre de silice ayant une granulométrie similaire aux résidus miniers. Pour tous les échantillons, trois liants hydrauliques (ciment Portland de type 10 (T10), T10 additionné de 30% de cendre volante (CV) de type C et T10 additionné de 80% de laitier de haut-fourneau (LHF)) et trois types d’eau de gâchage (une eau pure et deux eaux en provenance des épaississeurs à résidus de deux mines) ont été utilisés. Les résultats obtenus avec la technique MIP ont montré une diminution de la dimension des pores avec le temps. Cependant, la porosité totale évaluée avec cette technique est demeurée pratiquement constante durant les 92 jours de cure. Les changements microstructuraux observés peuvent s’expliquer par l’hydratation des liants utilisés et la précipitation de sulfates. Ceci a occasionné une augmentation de la résistance en compression simple de tous les échantillons pendant la période d’essai. Une équation générale reliant la courbe de distribution des pores évaluée au MIP et la
\nrésistance en compression a été proposée. Les résultats SEM-IA ont permis de déceler une baisse de la porosité totale des échantillons dans le temps, ce qui est contraire aux résultats MIP. Dans le but d’estimer la taille des pores et la tortuosité des RCP, des algorithmes de traitement des images ont été développés. Ces analyses indiquent qu’un raffinement de la porosité s’opère dans le temps. Par
\nailleurs, le comportement du liant à base de LHF est atypique par rapport aux deux autres liants utilisés. Les échantillons fabriqués avec le mélange T10:LHF montre la
\nporosité la plus fine et une résistance mécanique plus élevée. L’étude porosimétrie des RCP indique aussi une augmentation de résistance induite par les sulfates
\nintroduits dans les mélanges à partir des eaux de mine.
\nLa phase solide du RCP (principalement du point de vue minéralogique) et son influence sur la structure du matériau ont été étudiées sur des échantillons similaires
\nà ceux décrits ci-dessus. L’évolution des phases cimentaires a été suivie par thermogravimétrie et par mesure des flux de chaleur. Ces techniques ont aussi été
\nappuyées par le développement d’un logiciel de cartographie minéralogique par traitement des images rayon X en mode point en provenance du MEB (SEM-XMAP).
\nL’utilisation de SEM-XMAP dans le contexte des RCP (faible quantité de ciment et forte proportion d’eau) a favorisé la visualisation de la distribution des phases cimentaires dans un RCP. Les principaux résultats de l’étude montrent que les minéraux occasionnant la cimentation des RCP sont similaires à ceux retrouvés dans les matériaux tels que les pâtes de ciment et les mortiers. Un effet pouzzolanique est également noté dans les mélanges incluant des CV et des LHF.
\nCes résultats montrent aussi que malgré un rapport eau sur ciment élevé, une fraction des liants (principalement les CV et LHF) ne s’est pas hydratée même après 180 jours de cure. Par ailleurs, le gain de résistance mécanique semble avoir été favorisé par la précipitation de sulfates et par l’utilisation d’une eau sulfatée et acide qui a permis une meilleure dissolution et hydratation du ciment et des ajouts
\nminéraux.
\nL’étude sur la réactivité d’un RCP sulfureux en chantier a révélé que la consommation d’oxygène a diminué rapidement et s’est stabilisée à environ 0,2 mol O2/m2/jour 14 jours après la mise en contact du remblai avec l’air. Cette diminution de consommation d’oxygène est attribuée à la création d’une couche protectrice d’oxydation de 200 à 400 μm d’épaisseur ayant une porosité plus faible que le RCP non-oxydé en raison de la précipitation de minéraux secondaires. Cette baisse de réactivité est aussi attribuée à un degré de saturation élevé du RCP et à la formation
\nd’une couche calcique autour des grains de pyrite de la couche d’oxydation qui réduit leur réactivité. Les techniques d’analyse minéralogique utilisées n’ont pas
\npermis l’identification de sulfates secondaires dans le RCP de cette mine. Par contre, l’analyse de l’eau des pores obtenue par extraction sous presse a révélé de fortes concentrations en soufre et un pH supérieur à 9 tout au long de la période d’essai de 80 jours. Ainsi, malgré une proportion de sulfure inclus dans le RCP d’environ 53% et des conditions favorables à l’oxydation, le soufre n’a pas
\nmassivement précipité sous forme de sulfate.
\nCette thèse a permis de mieux comprendre les mécanismes d’hydratation des liants dans les remblais cimentés en pâte et d’apprécier les changements microstructuraux associés. Considérant que les connaissances des propriétés microstructurales sont essentielles pour comprendre et prédire le comportement d’un matériau poreux, les méthodes originales développées et adaptées pour qualifier et quantifier l’évolution et la nature de la microstructure du matériau dans le temps favoriseront la compréhension des comportements mécaniques et environnementaux des RCP.
\nCette thèse a également permis d’établir que l’utilisation du RCP limite significativement la génération de DMA.

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