Stabilization of sulphidic mine tailings with MgO activated blast furnace slag

The mining industry is the biggest producer of waste materials in the form of waste rock and tailings. Tailings ponds create potential ecological risks due to hazardous substances the tailings themselves and the toxic additives used in the metal processing phase include (1). For example, in China, tailings storage is rated to be 18/93 among the most dangerous environmental risk sources (2). Serious environmental accidents worldwide, increased public awareness and increasingly stringent environmental regulations have promoted research to develop new innovative approaches to mitigate the risks caused by tailings. The Pyhäsalmi mine in Finland is one of the largest massive sulphidic ore mines in the world. The tailings potentially generate acid, mostly due to oxidation of iron sulphides (58 %). The total area of the tailings ponds is 150 ha which has mainly been covered with conventional methods at the beginning of the millennium. The mine will be closed in the near future, and the principal aim of the tailings recovery plan is to decrease environmental risks in the long-term by restricting acid generation caused by water and oxygen ingress. Several tailings pond cover liner options are currently under consideration. This study compares tailings stabilization with two alternative binder materials; alkali activated blast furnace slag (AAC) and Portland cement (PC). Stabilization is a commonly used technology to prevent the leaching of hazardous substances into the natural environment. Stabilization encapsulates hazardous substances both chemically and physically. In the research, MgO-activated blast furnace slag was compared with PC as a stabilization binder using a dosage of 10 w%. According to the literature, MgO activated BFS binder has not been studied or used earlier in the stabilization of tailings while PC is the most commonly used stabilization binder. However, the long-term durability of PC, especially in highly sulphidic environments, is questionable due to its vulnerability to sulphate attack and ecological impacts. These vulnerabilities are significant due to the need for high binder amounts and consequently required investments. In addition, commonly used liquid alkali activators, for example sodium and potassium hydroxides and silicates, have safety, cost and ecological issues. In this research, by-product based MgO was used as an activator in BFS instead of liquid alkali activators. The laboratory studies tested hydraulic conductivity, compression strength, oxygen diffusion, leaching, freeze-thaw resistance and water resistance, in addition to chemical, mineralogical, microscopic and thermal analysis. The Life Cycle Assessment (LCA) method was used to compare environmental impacts of the used binder materials. A stabilized tailings layer with a thickness of 300 mm was constructed as a part of the advanced hardpan cover pilot structure of 100 m2 in the tailings pond area. According to the tests, the hydraulic conductivity (6.08E-09 m/s) and compressive strength (11.5 MPa/28 days) of AAC were better than when using the corresponding amount of PC (2.04E-08 m/s and 10.3 MPa/28 days) indicating better immobilization efficiency and thus improved technical performance, in addition to competitive costs. LCA shows clear ecological benefits when using AAC instead of PC: a 35 % lower amount of generated greenhouse gas emissions due to the use of waste based binders. In addition, using the stabilization method in tailings storage reduces the need for natural moraine in the cover structure. The video script illustrates the use of AAC binder in the pilot structure. References (1) Manjunatha L.S. & Sunil B.M. (2013) Stabillization/solidification of iron ore mine tailings using cement, lime and fly ash, International Journal of Research in Engineering and Technology, Vol.02,12:625-636 Xie X., Tian W., Wang Y., Zhan G.X. (2009) The safety analysis of current situation and management countermeasure on tailing reservoir in China. Journal of Safety Science and Technology, 5(2): 5−9

Modification of Alkali Activated Blast Furnace Slag for Pothole Repairs

Potholes denote small, typically sharp edged holes in the pavement. The aim of this research was to study the usability of alkali activated (AA) blast furnace slag based material in the repair of paved roads, especially during the cold winter and spring seasons when such repairs are needed most and the use of hot asphalt is not possible. The objective was to a find material which is both more cost-efficient and durable than plain cold asphalt. Properties like rapid strength development, good bonding with old paving material, weather resistance, abrasion resistance, and low shrinkage were required. The influence of the chosen factors on the performance of the material was studied applying the multi-attribute optimization method. The impact of different additives, such as Portland cement, fibers and crushed tire rubber were studied. The results indicated that the AA slag based materials studied can be improved by suitable additives to make them reach desired performance. According to the tests, adding Portland cement increased compressive strength threefold after 3 hours and reduced shrinkage by 34% but should be a negative impact on higher levels related to freeze-thaw resistance. In addition, crushed rubber was indicated to have a positive impact related to all the studied performance properties

Biopolton lentotuhkat : Uudet symbioosituotteet ja käyttösovellutukset (GeoSynergy)

Symbioosituotteella tarkoitetaan tuotetta, jossa hyödynnetään teollisten yksiköiden sekundäärisiä raaka-aineita kuten energiateollisuuden jätteitä. Teolliseen symbioosiin liittyy tyypillisesti maantieteellinen läheisyys yhteistyö tavoitteena palvella teollisen ekologian realisoitumista eli energiatehokkuutta ja jätteiden kierrätystä uusia ratkaisuja luomalla. Teollisen symbioosin kehittämisen ajureita ovat mm. kasvava kuluttajakysyntä ekologisille tuotteille, tiukentuneet jätelait, niukkenevat luonnonvarat ja uusien teknologioiden luomat mahdollisuudet symbioosituotteiden kehittämiseen. Luonnonvarojen rajallisuus ja kasvava mineraalien tarve toimivat ajureina sekundääristen mineraalien energiatuotannon tuhkien hyödyntämiselle. Raportti on osaraportti projektin GeoSynergy (Uudet symbioosituotteet ja käyttösovellukset) aikana biopolton lentotuhkilla tehdyistä tutkimuksista. Kokeet keskittyivät kahden tehtaan lentotuhkan käyttöön tierakenteiden stabiloinnissa. Tutkimusten tavoitteena oli optimoida stabiloinnissa käytettävän sideaineen koostumus erityisesti huomioiden syksyllä 2015 toteutetun pilottikohteen vaatimukset. Raportissa annetaan suosituksia tutkittujen biopolton lentotuhkien käytöstä, kuvataan pilottikohteen toteutusta ja siihen liittyviä kustannusvertailuja

GeoROAD : Geopolymeeripohjaisten materiaalien käyttö tiereikien paikkauksissa

Teiden reikiintyminen muodostaa yleisimmän korjaustarpeen ja suurimman teiden ylläpitoa vaativan toimenpiteen. GeoRoad-hankkeen tavoitteena oli tutkia geopolymeerimateriaalien soveltuvuutta pinnoitettujen tievaurioiden korjauksessa erityisesti kylmänä vuodenaikana, jolloin akuutti korjaustarve on suurin. Talvikauden loppupuolella paikkausmateriaalit ovat alttiita toistuville pakkasen ja veden aiheuttamille rasituksille. Materiaaleilta vaaditaan nopeaa käyttöönottoa, yhteistoimintaa korjattavan alustan kanssa sekä kestävyyttä käyttövarmuuden, ympäristöystävällisyyden ja taloudellisuuden lisäksi. Geopolymeeripohjaisten materiaalien käyttö infrarakenteiden, kuten teiden ja lentokenttien, korjauksissa on ollut tunnettua jo vuosikymmeniä Kiinassa ja Pohjois-Amerikassa, jossa ensimmäiset patentoidut sovellutukset ja kaupalliset tuotteet olivat nopeasti kovettuvia betonirakenteiden korjausmateriaaleja. GeoRoad-hankkeessa on hyödynnetty laajaa kansainvälistä tutkimustietoa sekundääristen raaka-aineiden käyttömahdollisuuksista sekä geopolymeeri- ja asfalttimateriaalien ominaisuuksista uusina materiaalisovellutuksina. GeoRoad-hankkeessa komposiittiteknologiaa sovellettiin yhdistämällä uudella tavalla asfaltti- ja geopolymeerimateriaaleja päällystettyjen teiden korjauksissa. Yksi tärkeä tekijä oli partikkelikokojen ja –laatujen optimointi mikro- ja makrotasolla huomioiden materiaalien huokoisuus ja pintarakennetekijät. Muita tekijöitä olivat esimerkiksi materiaalien vanhenemisen aiheuttamat muutokset niiden toimivuudessa käytännön rasitusolosuhteissa. Hankkeen liiketoimintaa tukeva tutkimusosuus sisälsi mikro- ja makrotason tutkimuksia. Laboratoriotutkimusten avulla tutkittiin geopolymeerimateriaalien toimintaan tiereikien korjauksessa vaikuttavia ominaisuuksia sekä optimoitiin materiaalien koostumusta paikkaukseen soveltuvaksi. Pilottikoepaikkausten avulla tutkittiin materiaalivaihtoehtojen toimivuutta todellisissa sää- ja liikennerasitusolosuhteissa

Päällystämättömän tien kunnostaminen stabiloidulla sivukivi- ja teräskuonamurskeella

GeoSolutions-hankkeessa tutkittiin teollisuuden sivutuotteina syntyvien materiaalien kuten terästeollisuuden kuonien, rikastushiekkojen ja biopolton lentotuhkien, hyödyntämistä infrarakenteiden rakennusaineina perinteisen sementin ja kiviaineksen vaihtoehtona. Hankkeessa toteutettiin kolme koerakennetta, joista yksi oli vanha teollisuuskäytössä olevan tierakenteen kunnostus. Koerakenteen tavoitteena oli tien kantavuuden ja roudankestävyyden parantaminen. Kehitystyön tavoitteena oli edistää päällystämättömien teiden kunnostusmenetelmien kestävää kehittämistä, korvata sementin käyttöä sivutuotepohjaisilla sideaineilla ja kalliomurskeen käyttöä sivukivellä ja teräskuonamurskeella sekä saavuttaa sivuvirtoja hyödyntämällä kiinteä, kuormitus- ja deformaatiokestävyydeltään parantunut tierakenne. Lisäksi tavoitteena oli kehittää menetelmä, joka soveltuu myös myöhään syksyllä tehtäväksi ja joka ei aiheuta liikennekatkoja kunnostetulla tiellä. Hankkeen tuloksena kehitettiin useita uusia sivutuotepohjaisia sideainekomposiitteja, joilla voidaan korvata tavallista portlandsementtiä. Vaihtoehtoisten sideaineratkaisujen tehokkuutta, kustannuksia ja ympäristövaikutuksia analysoitiin koetutkimuskohteeseen tehdyn monimuuttuja-analyysin perusteella. Analyysien perusteella useilla eri teräskuonaa, biopolton lentotuhkaa, masuunikuonaa ja rikastushiekkoja sisältävillä sideaineyhdistelmillä voidaan saavuttaa merkittäviä kustannussäästöjä ja pienentää ympäristövaikutuksia ja silti saavuttaa halutut tekniset toimivuus- ja kestävyystavoitteet

Modification of Alkali Activated Blast Furnace Slag for Pothole Repairs

Potholes denote small, typically sharp edged holes in the pavement. The aim of this research was to study the usability of alkali activated (AA) blast furnace slag based material in the repair of paved roads, especially during the cold winter and spring seasons when such repairs are needed most and the use of hot asphalt is not possible. The objective was to a find material which is both more cost-efficient and durable than plain cold asphalt. Properties like rapid strength development, good bonding with old paving material, weather resistance, abrasion resistance, and low shrinkage were required. The influence of the chosen factors on the performance of the material was studied applying the multi-attribute optimization method. The impact of different additives, such as Portland cement, fibers and crushed tire rubber were studied. The results indicated that the AA slag based materials studied can be improved by suitable additives to make them reach desired performance. According to the tests, adding Portland cement increased compressive strength threefold after 3 hours and reduced shrinkage by 34% but should be a negative impact on higher levels related to freeze-thaw resistance. In addition, crushed rubber was indicated to have a positive impact related to all the studied performance properties

Hienon romuttamojätteen stabilointi betoniin

Autojen romutusprosessissa syntyvän hienon prosessialitteen eli fluffin (tai Automotive Shredder Residue, ASR) osuus on noin 20-25 % ja määrän on arvioitu kasvavan. Tällä hetkellä suurin osa fluffista sijoitetaan kaatopaikoille. Kaatopaikkasijoitus on kuitenkin huono vaihtoehto fluffin sisältämän DOC:n ja raskasmetallien vuoksi. ASR-jätteen hyötykäyttö rakentamisessa edellyttää sen inertiksi tekemistä eli raskasmetallien kapselointia liukenemattomaan muotoon. Raskasmetallien kapselointi sideaineiden avulla on yksi yleisimpiä menetelmiä lämpökäsittelyn ohella vähentää raskasmetallien aiheuttamia haittavaikutuksia ympäristössä. GeoSolutions-projektissa tutkittiin romuttamoprosessissa syntyvän hienoimman alitteen stabilointia betonissa korvaamalla filleri alitteella. Koetutkimuksissa vertailtiin eri sementtilaaduilla valmistettujen betonien mekaanisia ja stabilointiominaisuuksia käyttämällä kriteerinä MARA-raja-arvoja. Tulosten perusteella eri sementtilaatujen stabilointitehokkuus vaihteli. Stabiloinnin kannalta parhaat tulokset saatiin käyttämällä portlandseossementtejä. Alkaliaktivoidulla sementillä saavutettiin kuitenkin selvästi parempi puristuslujuus. Kokonaisarvion perusteella paras tulos saatiin alkaliaktivoidulla sementillä, kun arvioissa huomioitiin sideaineiden ympäristövaikutukset, tekniset ominaisuudet ja kustannukset

Kaksoishardpan rikastushiekka-altaan peiterakenteena : case Pyhäsalmi

Rikastushiekka-altaalle tehty koerakenne ja tutkimukset liittyivät osin Pyhäsalmen kaivoksen ja rikastushiekka-altaan sulkemissuunnitelmiin. Tutkimuksen ja koerakenteen tavoitteena oli saada uutta tietoa sivuvirtapohjaisten sideaineratkaisujen toimivuudesta rikastushiekan stabiloinnissa ja kehittää rikastushiekka-altaiden peiteratkaisujen kestävyyttä pitkällä aikavälillä. Hankkeessa tutkittiin tavallisen portlandsementin vaihtoehtona alkali-aktivoitua sideainekomposiittia rikastushiekan stabiloinnissa. Tulosten perusteella sivuvirtapohjainen komposiittisideaine oli stabilointitehokkuudeltaan parempi kuin normaali sementti. Stabiloitu rikastushiekkakerros muodosti osan koerakenteena toteutettua kaksoiskovakuorirakennetta. Koerakenteen ympäristövaikutuksia ja kustannustehokkuutta verrattiin vaihtoehtoisiin ratkaisuihin, jotka koostuivat moreenipeitteestä, biotuhkan ja teräskuonan yhdistelmästä ja pelkästä joko sementillä tai alkaliaktivoidulla komposiitilla stabiloidusta käsittelystä. Kokonaisarvion perusteella kaksoiskovakuorirakenne oli vaihtoehdoista paras erityisesti ympäristövaikutusten ja pitkäaikaiskestävyyden kannalt

Efficiency of MgO activated GGBFS and OPC in the stabilization of highly sulfidic mine tailings

Abstract MgO activated ground granulated blast furnace slag (GGBFS) is a form of alkali-activated composite, which is successfully used as a binder in the stabilization of highly sulfidic mine tailings. The aim of this study was to compare alkali activated composite (AAC) and ordinary Portland cement (PC) as stabilization agents, as well as their efficiency to stabilize sulfidic tailings and the results of three different diffusion and leaching methods. The Life Cycle Assessment (LCA) method was used to compare the environmental impacts of the binders. The lab-scale program covered hydraulic conductivity, compression strength, and freeze-thaw resistance tests of the stabilized tailings. The results indicate that the hydraulic conductivity (6.08 · 10⁻⁹ m/s) and compressive strength (11.5 MPa at 28 days) of AAC were better in comparison, if the corresponding amount of PC (2.04 · 10⁻⁸ m/s and 10.3 MPa at 28 days) was used. LCA shows clear ecological benefits when using AAC instead of PC in terms of lower global warming potential. Diffusion and leaching tests indicated better immobilization efficiency of AAC than PC concerning As, Cr, Cu, Ni, Se, Zn, and especially Mo. In comparison with plain tailings, AAC stabilization reduced leaching of As, Cr, Cu, Mo, Ni, Pb, Se, Zn, Cl, and SO₄ better than PC

Nordic Mining School (NMS) for advanced extractive technology and natural resources managment : a joint Luleå University of Technology and Oulu University initiative

Godkänd; 2009; 20091218 (andbra