Propriétés mécaniques et évolution énergétique d’un remblai cimenté à base de boues de mine et de poudre rocheuse sous compression uniaxiale : effet du type et de la teneur en poudre rocheuse

Transformer les déchets miniers en soutènement souterrain plus sûr

L’exploitation minière moderne laisse des montagnes de roche finement broyée appelées boues (tailings) et des tas de pierres de carrière résiduelles. Ces matériaux coûtent cher à stocker et peuvent menacer les terres et les eaux avoisinantes. Cette étude explore une façon de transformer ces déchets en un matériau de construction plus résistant et plus sûr, pouvant être pompé de nouveau en souterrain pour soutenir les espaces exploités, réduisant à la fois les coûts et les risques environnementaux.

Pourquoi les roches résiduelles posent un problème croissant

Dans les principales régions minières, y compris en Chine, des milliards de tonnes de boues ont été stockées, avec des centaines de millions de tonnes supplémentaires ajoutées chaque année. Ces vastes dépôts occupent de l’espace, peuvent libérer des polluants et, dans de rares cas, risquent des ruptures catastrophiques. Une solution prometteuse consiste à mélanger les boues avec du ciment et de l’eau pour créer une boue épaisse qui est pompée dans les galeries et cavernes vidées, où elle durcit en une roche artificielle. Ce remblai permet de soutenir le terrain, limite les affaissements de surface et enferme les déchets de manière sûre. Mais le remblai conventionnel nécessite souvent des additifs chimiques coûteux ou des fibres synthétiques pour atteindre la résistance et la durabilité requises, ce qui augmente les coûts et soulève des enjeux environnementaux.

Ajouter de la poudre rocheuse pour améliorer le remblai

Les chercheurs ont testé une idée simple : broyer les déchets de carrière locaux en une poudre fine et la mélanger avec les boues, le ciment et l’eau pour créer un nouveau matériau qu’ils appellent remblai cimenté boues–poudre rocheuse (CTRPB). Ils se sont concentrés sur trois roches très courantes — granit, basalte et marbre — et ont incorporé chaque poudre au remblai à des teneurs variables, de 3 % à 15 % de la matière solide. Des échantillons cylindriques ont été moulés, curés pendant 28 jours, puis comprimés en un essai de compression uniaxiale, qui écrase progressivement l’échantillon tout en mesurant la contrainte qu’il peut supporter et la façon dont il se déforme et se fissure. Cela a permis à l’équipe de comparer la résistance, la rigidité et le comportement de rupture avec un remblai standard sans poudre rocheuse.

Comportement du matériau sous écrasement

Tous les échantillons ont montré quatre étapes nettes lors de la compression : d’abord, les minuscules pores et fissures se referment ; ensuite, le matériau se déforme de façon presque linéaire et élastique ; puis, les fissures se propagent et le matériau commence à céder ; enfin, après la résistance maximale, il se rompt et perd une grande partie de sa capacité portante. La poudre rocheuse modifie chacune de ces étapes. À des teneurs modestes, les fines particules comblent les vides entre les grains de boue, créant une structure plus dense et plus homogène et une transmission des efforts plus régulière. En conséquence, le nouveau remblai peut supporter des charges plus élevées et se déformer davantage avant la rupture. Cependant, lorsqu’on ajoute trop de poudre rocheuse, elle dilue le ciment, fragilise les liaisons entre particules et la résistance commence de nouveau à diminuer.

Résistance, ténacité et énergie emmagasinée

Les mélanges les plus performants étaient ceux contenant environ 9 % de poudre de basalte ou de granit et environ 12 % de poudre de marbre. Par rapport au remblai simple, ces formulations optimales ont augmenté la résistance en compression jusqu’à environ 70 %, tout en autorisant des déformations plus importantes au moment de la charge maximale. Fait intéressant, la rigidité du matériau (module élastique) tendait à diminuer légèrement lorsque la poudre rocheuse était ajoutée, même si la résistance augmentait. Ce compromis signifie que le remblai modifié peut fléchir un peu plus et absorber davantage d’énergie avant la rupture. En examinant la surface sous les courbes contrainte–déformation, les auteurs ont calculé l’énergie stockée élastiquement et l’énergie dissipée par endommagement. Avec la poudre rocheuse, la densité d’énergie totale et les quantités stockées et dissipées ont augmenté fortement — de deux à quatre fois dans certains cas — montrant que le CTRPB peut absorber et relâcher des quantités d’énergie beaucoup plus importantes lorsqu’il est soumis à une charge.

Suivre l’endommagement et prévoir la rupture

Pour mieux comprendre quand et comment le nouveau remblai se casse, l’équipe a construit un modèle mathématique d’« endommagement » qui suit la croissance des microfissures internes au fur et à mesure de l’augmentation de la déformation. Ils ont considéré le matériau comme composé de nombreux petits éléments dont les résistances varient statistiquement et ont utilisé ce cadre pour ajuster une équation par morceaux aux courbes contrainte–déformation mesurées. Le modèle saisit quatre stades d’endommagement : un stade intact, un stade d’endommagement initial lent, un stade d’endommagement en croissance rapide et un stade final où l’endommagement se stabilise à l’approche de la rupture complète de l’éprouvette. Dans la zone avant le pic — avant que le matériau n’atteigne sa résistance maximale — les prédictions du modèle correspondent bien aux expériences, de sorte que les ingénieurs pourraient l’utiliser pour estimer à quel point une zone remblayée est proche de la rupture sous les charges attendues en souterrain.

Implications pour des mines plus vertes et plus sûres

En termes simples, cette étude montre que des quantités bien choisies de poudres rocheuses courantes peuvent transformer les déchets de mine et de carrière en un remblai plus résistant et plus absorbant d’énergie, capable de soutenir plus efficacement les ouvertures souterraines. Bien que des teneurs très élevées en poudre rocheuse puissent rendre le matériau plus fragile après rupture, l’augmentation de la résistance et de l’énergie stockée avant la rupture signifie que, s’il est correctement conçu, le CTRPB peut réduire le besoin d’additifs coûteux et contribuer à valoriser plusieurs flux de déchets simultanément. Pour les exploitations minières cherchant à diminuer les volumes à éliminer, réduire les coûts et maintenir la stabilité du terrain, cette approche offre une recette pratique et fondée sur la science pour utiliser la roche résiduelle en souterrain.

Citation: Zhang, J., Zou, Q., Cai, W. et al. Mechanical properties and energy evolution of cemented tailings-rock powder backfill under uniaxial compression: effect of rock powder type and content. Sci Rep 16, 5855 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36436-y

Mots-clés: remblai minier, poudre rocheuse, gestion des résidus, exploitation souterraine, valorisation des déchets