Rheology of Pb-Zn post-flotation waste in the Sierra de Cartagena-La Unión (SE Spain)
[SPA] El grado de saturación tiene una influencia significativa sobre la estabilidad geotécnica de las presas de relaves. En estas estructuras, la saturación de agua permanece elevada todo el año —incluso en zonas semiáridas— debido a la densidad, la granulometría y las propiedades hidrogeológicas de los materiales que controlan la altura capilar, la cual varía entre 1 y 20 m. Dichos relaves, dependiendo de su contenido en agua, muestran un comportamiento no newtoniano, caracterizado por tener una respuesta adelgazante, tensión de cedencia y tixotropía. Esta tesis explica el patrón reológico de las suspensiones preparadas a partir de los materiales procedentes de las presas de relaves de Pb-Zn que sufrieron licuefacción estática y deslizamiento (El Descargador, Peña del Águila) o procesos de licuefacción menores (La Peraleja) en la Sierra de Cartagena – La Unión (SE de España). La investigación también contiene una comparación del comportamiento de flujo de materiales recogidos en estratos originales con aquellos previamente licuefactados formando diques de arena. Además, el estudio incluye la influencia de otros parámetros fisicoquímicos de los residuos de post-flotación —distribución del tamaño de las partículas, densidad, forma de las partículas, composición elemental y mineralogía— en sus propiedades viscoelásticas como suspensiones minerales. Los tres depósitos examinados son instalaciones en ladera, con una construcción progresiva siguiendo el método de aguas arriba. Las emisiones al aire, agua y suelo convierten a estas estructuras en un riesgo permanente para el medio ambiente. La mayoría de las muestras se recogieron en la presa de lodos de El Descargador (9 estratos originales de una calicata y 13 muestras de una línea de diques de arena en una superficie de falla que se deslizó el 14/10/1963). La muestra recogida en la Peña del Águila se tamizó en el laboratorio para realizar la mayoría de los ensayos reométricos sobre la fracción menor de 50 μm. Por otra parte, la muestra de La Peraleja era un sedimento licuefactado resultante de procesos de elutriación a través del lecho de lodos. El estudio reométrico se puede resumir en cinco categorías: 121 ensayos previos, 278 operaciones de ajuste o calibración, 939 ensayos de flujo, 105 ensayos transitorios y 85 ensayos dinámicos. Los ensayos previos constituyen la experimentación inicial, no sistemática, donde las pruebas fallidas superaron a las acertadas, sobre todo dedicadas a comparar los sensores disponibles. La calibración del reómetro incluye los procedimientos cotidianos —calibración de inercia y fricción, mapeo rotacional y ensayos de verificación— ejecutados antes de cada secuencia experimental. Los ensayos de flujo, con un promedio del 81 % de experimentos útiles, fueron el grueso del trabajo, ya que estimaban parámetros clave, como la tensión de rebasamiento o la tensión de cedencia. Además, el 53 % de los ensayos transitorios fallaron y la totalidad de los ensayos dinámicos tuvieron éxito. En total se prepararon 309 suspensiones a lo largo del estudio. Los resultados confirmaron que la geometría de paletas es el mejor accesorio para los ensayos de flujo, y que la geometría de platos paralelos es una alternativa a considerar en ciertos ensayos transitorios y dinámicos. El sensor de paletas pequeñas permitió registrar buenos reogramas de suspensiones con una finura de las partículas de hasta 750 μm. El modelo de Herschel-Bulkley fue el que mejor se ajustó a la curva tensión-velocidad de los lodos. Se pudo registrar el espectro viscoelástico de las dispersiones en el rango 102–10–3 Hz. Las curvas exponenciales de tensión de cedencia frente a concentración revelaron la facilidad para fluir de los materiales de los diques de arena, incluso a mayores concentraciones que los estratos originales. Asimismo, presentaban mayor tixotropía y respuesta adelgazante. Los resultados también revelaron que un incremento de pH y CE favorecería la estabilidad de los relaves. Los fenómenos de campo, como las licuefacciones estática y dinámica, se pueden acometer mediante ensayos de flujo y dinámicos, respectivamente. De hecho, un modelo de deslizamiento que utilizaba resultados reológicos como entrada, predijo valores coherentes de máxima velocidad y distancia recorrida para la falla de flujo de El Descargador. Finalmente, la tensión crítica de cedencia del lodo se puede asimilar al concepto de tensión de cizalla residual en mecánica de suelos, lo que abre una puerta para usar estos estudios como complemento a los ensayos triaxiales en la resolución de problemas de estabilidad.[ENG] The degree of saturation has a significant influence on the geotechnical stability of tailings dams. In these structures, water saturation remains high throughout the year—even in semiarid areas—due to the density, particle size, and hydrogeological properties of the materials controlling capillary rise, which ranges 1–20 m. Such tailings, depending on its dewatering state, exhibit non-Newtonian behaviour, characterized by a shear thinning, yield stress, and thixotropic response. This thesis explains the rheological pattern of the Pb-Zn mine slurries prepared from the materials sampled in the tailings dams, which underwent static liquefaction and flow failure (El Descargador, Peña del Águila) or minor liquefaction processes (La Peraleja) in the Sierra de Cartagena – La Unión (SE Spain). The research also contains a flow behaviour comparison of materials collected in original strata with those previously liquefacted forming sand dykes. Additionally, the study includes the influence of other physicochemical characteristics of the post-flotation mine wastes—particle size distribution, density, particle shape, elemental and mineralogical composition—on its viscoelastic properties as mineral suspensions. The three tailings dams under review are off-valley facilities, with a progressive construction following the upstream method. Emissions to air, water, and land make these structures a sturdy hazard to the environment. Most of the specimens were collected in El Descargador tailings dam (9 original strata sampled from an existing trial pit, and 13 samples along a line of sand dykes from a failure surface occurred on 14/10/1963). Sample collected in Peña del Águila deposit was sieved in the laboratory to aim most of the rheometric tests over the fraction lower than 50 μm. Conversely, the sample from La Peraleja tailings dam was a liquefied sediment resulted from an elutriation process across the bedded tailings. Rheometric research can be summarized in five categories: 121 previous tests, 278 tunning or calibration operations, 939 flow tests, 105 transient tests, and 85 dynamic tests. Previous tests refer to the initial, non-systematic experimentation, where tentative tests exceeded the successful ones, mainly dedicated to compare the available sensors. Rheometer calibration includes the daily procedures—inertia and friction calibration, rotational mapping, and verification tests—executed before each sequence of experiments. Flow tests, with an average of 81% successful experiments, were the bulk of the work, because they produced important parameters, such as overshoot stress or yield stress. Furthermore, 53% of the transient tests failed, and 100% of the dynamic tests were successfully accomplished. An overall of 309 slurries were prepared along the study. The results confirmed that vane geometry was the best fixture for flow tests, and parallelplate geometry was a plausible alternative for certain transient and dynamic tests. A widegap vane sensor allowed to record smooth rheograms of slurries with particle finesses of up to 750 μm. Herschel-Bulkley model was the best approach to fit the stress-rate response of the slurries. A viscoelastic sprectrum of the dispersion could be generated in the range 102–10–3 Hz. Exponential curves of yield-stress versus concentration revealed the easiness to yield of materials from the sand dykes, even at higher concentrations than the original strata. They also presented longer time-effects and shear-thinning behaviour. The results disclosed that an increase in pH and EC favours the stability of the tailings. Field phenomena, such as static and dynamic liquefaction, can be addressed by flow and dynamic tests, respectively. In fact, a flow-slide model that used rheological results as input data, predicted coherent values of maximum velocity and maximum run-out distance for El Descargador flow failure. Finally, the critical yield stress of the slurry can be assimilated to the concept of residual shear stress in soil mechanics, what opens the door to use these studies to complement triaxial testing in the solution of stability problems.
Residuos industriales, Ensayo de materiales, Sedimentología, Estratigrafía, Reología
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