Propriedades mecânicas e evolução de energia de enchimentos cimentados de rejeito com pó de rocha sob compressão uniaxial: efeito do tipo e teor de pó de rocha

Transformando resíduos de mineração em suporte subterrâneo mais seguro

A mineração moderna deixa montanhas de rocha finamente moída chamadas rejeitos e pilhas de pedra residual de pedreiras. Ambos são caros para armazenar e podem ameaçar terras e recursos hídricos próximos. Este estudo explora uma forma de transformar esses resíduos em um material de construção mais forte e seguro que pode ser bombeado de volta para o subsolo para suportar espaços escavados, reduzindo custos e riscos ambientais ao mesmo tempo.

Por que a sobra de rocha é um problema crescente

Em grandes regiões mineradoras, incluindo a China, bilhões de toneladas de rejeitos foram empilhadas, com centenas de milhões de toneladas novas adicionadas a cada ano. Esses enormes depósitos ocupam terra, podem vazar poluentes e, em raros casos, falhar de forma catastrófica. Uma solução promissora é misturar rejeitos com cimento e água para criar uma pasta espessa que é bombeada de volta para túneis e câmaras de mina esvaziados, onde endurece formando uma rocha artificial. Esse chamado enchimento ajuda a sustentar o terreno, limita o reassentamento da superfície e aprisiona os resíduos com segurança no subsolo. Mas o enchimento convencional muitas vezes necessita de aditivos químicos caros ou fibras sintéticas para atingir a resistência e durabilidade exigidas, o que eleva custos e preocupa o meio ambiente.

Acrescentando pó de rocha para melhorar o enchimento

Os pesquisadores testaram uma ideia simples: moer resíduos de rocha de pedreira locais até obter um pó fino e incorporá-lo aos rejeitos, cimento e água para criar um novo material que chamam de enchimento cimentado de rejeito com pó de rocha (CTRPB). Eles focaram em três rochas muito comuns — granito, basalto e mármore — e misturaram cada pó no enchimento em níveis diferentes, de 3% a 15% do material sólido. Amostras cilíndricas foram moldadas, curadas por 28 dias e então comprimidas em um ensaio de compressão uniaxial, que aplica carga constante enquanto mede a resistência e como o material se deforma e se rompe. Isso permitiu à equipe comparar resistência, rigidez e comportamento de falha com um enchimento padrão sem pó de rocha.

Como o material se comporta sob compressão

Todas as amostras apresentaram quatro estágios claros durante a compressão: primeiro, pequenos poros e trincas se fecharam; em seguida, o material deformou-se de forma quase linear e elástica; depois, as trincas se propagaram e o material cedeu; finalmente, após a resistência máxima, ele quebrou e perdeu grande parte de sua capacidade de suportar carga. O pó de rocha alterou cada um desses estágios. Em quantidades moderadas, as partículas finas preencheram espaços entre os grãos dos rejeitos, criando uma estrutura mais densa e homogênea e uma transferência de esforços mais suave. Como resultado, o novo enchimento suportou cargas maiores e deformou-se mais antes de falhar. No entanto, quando se adicionou pó de rocha em excesso, ele diluiu o cimento, enfraqueceu as ligações entre partículas e a resistência começou a cair novamente.

Resistência, tenacidade e energia armazenada

As misturas com melhor desempenho foram aquelas com cerca de 9% de pó de basalto ou granito e cerca de 12% de pó de mármore. Em comparação com o enchimento simples, essas combinações ótimas aumentaram a resistência à compressão em até aproximadamente 70%, permitindo também deformações maiores no pico de carga. Interessantemente, a rigidez do material (módulo elástico) tendia a diminuir ligeiramente com a adição do pó de rocha, mesmo com o aumento de resistência. Esse trade-off significa que o enchimento modificado pode flexibilizar um pouco mais e absorver mais energia antes de falhar. Ao examinar a área sob as curvas tensão-deformação, os autores calcularam quanta energia as amostras armazenaram elasticamente e quanta dissiparam como dano. Com pó de rocha, a densidade de energia total e as quantidades armazenadas e dissipadas aumentaram fortemente — em alguns casos mais de duas a quatro vezes — mostrando que o CTRPB pode absorver e liberar quantidades muito maiores de energia sob carregamento.

Rastreando danos e prevendo a falha

Para entender melhor quando e como o novo enchimento falha, a equipe construiu um modelo matemático de “dano” que acompanha o crescimento de microtrincas internas à medida que a deformação aumenta. Eles trataram o material como se fosse composto por muitos pequenos elementos cuja resistência varia estatisticamente e usaram essa estrutura para ajustar uma equação por partes às curvas tensão-deformação medidas. O modelo captura quatro estágios de dano: estágio sem dano, estágio inicial de dano lento, estágio de dano de aumento rápido e um estágio final em que o dano se estabiliza enquanto a amostra atinge a falha completa. Na região pré-pico — antes do material alcançar sua resistência máxima — as previsões do modelo coincidem bem com os experimentos, de modo que engenheiros poderiam usá‑lo para estimar quão próxima uma zona preenchida está da falha sob cargas subterrâneas previstas.

O que isso significa para minas mais verdes e seguras

Em termos simples, este estudo mostra que quantidades bem escolhidas de pós de rochas comuns podem transformar resíduos de minas e pedreiras em um enchimento mais forte e com maior capacidade de absorção de energia, que suporta aberturas subterrâneas de forma mais eficaz. Embora teores muito altos de pó de rocha possam tornar o material mais frágil após a falha, o aumento de resistência e de armazenamento de energia antes da ruptura significa que, quando projetado adequadamente, o CTRPB pode reduzir a necessidade de aditivos caros e ajudar a consumir múltiplas correntes de resíduos ao mesmo tempo. Para operações de mineração que buscam reduzir volumes de disposição, cortar custos e manter a estabilidade do solo, essa abordagem oferece uma receita prática e respaldada pela ciência para colocar o pó de rocha residual em uso no subsolo.

Citação: 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

Palavras-chave: enchimento de mina, pó de rocha, manejo de rejeitos, mineração subterrânea, utilização de resíduos