A produção de cimento gera um impacto ambiental negativo, principalmente relacionado à emissão de dióxido de carbono (CO2). O clínquer do cimento sulfoaluminato de cálcio belítico (CSAB) possui um menor teor de óxido de cálcio e é produzido com uma reduzida temperatura de sinterização (aproximadamente 200ºC a menos em relação ao clínquer Portland), sendo considerado mais eco-amigável. Para a produção do cimento CSAB são necessárias matérias-primas ricas em alumínio e convencionalmente a bauxita é o minério utilizado para compor a farinha, o que mais onera a produção desse tipo de cimento. Soma-se ainda o fato que a geração de resíduos e subprodutos industriais torna-se inerente aos processos e o coprocessamento de resíduos vem sendo cada vez mais utilizado por razões ambientais e energéticas. Logo, fontes alternativas de alumina são fundamentais para a viabilização deste cimento e o aproveitamento de resíduos agregaria um valor econômico e sustentável ao produto final. De modo estequiométrico, a bauxita pode ser completamente substituída pelo lodo de anodização do alumínio (LAA), o qual também pode complementar o conteúdo de alumínio de outros resíduos, valorizando-os. O objetivo deste estudo foi avaliar a produção e as propriedades de clínqueres/cimentos CSAB a partir da substituição da bauxita por cinza pesada e LAA. Para a caracterização das matérias-primas, clínqueres e cimentos nos estados anidro e hidratado foram utilizadas as seguintes técnicas: fluorescência de raios X; microscopia eletrônica de varredura e espectrometria por energia dispersiva; termogravimentria; calorimetria; e difração de raios X com refinamento pelo método de Rietveld. A partir dos resultados obtidos, a substituição da bauxita foi limitada a nível parcial devido à elevada formação de belita e periclásio. Nos clínqueres produzidos, foi constatado que a presença da cinza pesada favorece a formação da estrutura cristalina ortorrômbica da fase ye’elimita. A presença dos resíduos altera a quantificação das fases, porém não compromete a estabilização das mesmas. A presença dos resíduos na composição dos cimentos afeta o período inicial de hidratação devido à redução do conteúdo de ye’elimita. Nos clínqueres produzidos com cinza pesada, ocorre a formação de até 12,6% da fase alita a 1250ºC, principal constituinte do clínquer Portland. / Cement production generates high negative environmental impact, mainly associated to CO2 emissions. Calcium sulfoaluminate belite cement clinker (CSAB) has lower content of calcium oxide, and sintering reduced temperature (about 200°C lower than that used for Portland clinker), being considered as eco-friendly binder. For its production high amount of alumina is required, however the scarcity and high cost of bauxite make these cements costly. Additionally, the generation of waste and by-products becomes a drawback in the industrial processes and the coprocessing of wastes in cement plants is increasing for environmental and energy savings reasons. Alternative sources of alumina would add an economic and sustainable value to the final product and previous work has shown that the aluminum anodizing sludge can replace bauxite in the production process. Other sources of wastes can also be a possibility to increase the production and reduce the raw materials costs of these cements. Thus, the objective of this study was the evaluation of novel CSAB cements produced with bauxite replacement by bottom ash and aluminum anodizing sludge. CSAB cements were produced in the laboratory from different amounts of sludge and ashes. The raw materials, clinkers/cements and hydration products were physicaly-chemicaly and mechanical characterized. Results showed that the mineralogy composition of CSAB clinker was strongly affected due to the addition of bottom ash. The amount of bottom ash waste replacing bauxite controls the belite and periclase formation. Also it influences the early age hydration due the reduced ye’elimite formation and important changes in the crystalline structures of this phase occurs in the clinkers. Clinkers prepared from these replacement, are able to form 12.6% of alite (main phase Portland clinker), not normally found in CSAB clinkers, being sintered at 1250°C.

A produção de cimento gera um impacto ambiental negativo, principalmente relacionado à emissão de dióxido de carbono (CO2). O clínquer do cimento sulfoaluminato de cálcio belítico (CSAB) possui um menor teor de óxido de cálcio e é produzido com uma reduzida temperatura de sinterização (aproximadamente 200ºC a menos em relação ao clínquer Portland), sendo considerado mais eco-amigável. Para a produção do cimento CSAB são necessárias matérias-primas ricas em alumínio e convencionalmente a bauxita é o minério utilizado para compor a farinha, o que mais onera a produção desse tipo de cimento. Soma-se ainda o fato que a geração de resíduos e subprodutos industriais torna-se inerente aos processos e o coprocessamento de resíduos vem sendo cada vez mais utilizado por razões ambientais e energéticas. Logo, fontes alternativas de alumina são fundamentais para a viabilização deste cimento e o aproveitamento de resíduos agregaria um valor econômico e sustentável ao produto final. De modo estequiométrico, a bauxita pode ser completamente substituída pelo lodo de anodização do alumínio (LAA), o qual também pode complementar o conteúdo de alumínio de outros resíduos, valorizando-os. O objetivo deste estudo foi avaliar a produção e as propriedades de clínqueres/cimentos CSAB a partir da substituição da bauxita por cinza pesada e LAA. Para a caracterização das matérias-primas, clínqueres e cimentos nos estados anidro e hidratado foram utilizadas as seguintes técnicas: fluorescência de raios X; microscopia eletrônica de varredura e espectrometria por energia dispersiva; termogravimentria; calorimetria; e difração de raios X com refinamento pelo método de Rietveld. A partir dos resultados obtidos, a substituição da bauxita foi limitada a nível parcial devido à elevada formação de belita e periclásio. Nos clínqueres produzidos, foi constatado que a presença da cinza pesada favorece a formação da estrutura cristalina ortorrômbica da fase ye’elimita. A presença dos resíduos altera a quantificação das fases, porém não compromete a estabilização das mesmas. A presença dos resíduos na composição dos cimentos afeta o período inicial de hidratação devido à redução do conteúdo de ye’elimita. Nos clínqueres produzidos com cinza pesada, ocorre a formação de até 12,6% da fase alita a 1250ºC, principal constituinte do clínquer Portland. / Cement production generates high negative environmental impact, mainly associated to CO2 emissions. Calcium sulfoaluminate belite cement clinker (CSAB) has lower content of calcium oxide, and sintering reduced temperature (about 200°C lower than that used for Portland clinker), being considered as eco-friendly binder. For its production high amount of alumina is required, however the scarcity and high cost of bauxite make these cements costly. Additionally, the generation of waste and by-products becomes a drawback in the industrial processes and the coprocessing of wastes in cement plants is increasing for environmental and energy savings reasons. Alternative sources of alumina would add an economic and sustainable value to the final product and previous work has shown that the aluminum anodizing sludge can replace bauxite in the production process. Other sources of wastes can also be a possibility to increase the production and reduce the raw materials costs of these cements. Thus, the objective of this study was the evaluation of novel CSAB cements produced with bauxite replacement by bottom ash and aluminum anodizing sludge. CSAB cements were produced in the laboratory from different amounts of sludge and ashes. The raw materials, clinkers/cements and hydration products were physicaly-chemicaly and mechanical characterized. Results showed that the mineralogy composition of CSAB clinker was strongly affected due to the addition of bottom ash. The amount of bottom ash waste replacing bauxite controls the belite and periclase formation. Also it influences the early age hydration due the reduced ye’elimite formation and important changes in the crystalline structures of this phase occurs in the clinkers. Clinkers prepared from these replacement, are able to form 12.6% of alite (main phase Portland clinker), not normally found in CSAB clinkers, being sintered at 1250°C.

A produção de cimento gera um impacto ambiental negativo, principalmente relacionado à emissão de dióxido de carbono (CO2). O clínquer do cimento sulfoaluminato de cálcio belítico (CSAB) possui um menor teor de óxido de cálcio e é produzido com uma reduzida temperatura de sinterização (aproximadamente 200ºC a menos em relação ao clínquer Portland), sendo considerado mais eco-amigável. Para a produção do cimento CSAB são necessárias matérias-primas ricas em alumínio e convencionalmente a bauxita é o minério utilizado para compor a farinha, o que mais onera a produção desse tipo de cimento. Soma-se ainda o fato que a geração de resíduos e subprodutos industriais torna-se inerente aos processos e o coprocessamento de resíduos vem sendo cada vez mais utilizado por razões ambientais e energéticas. Logo, fontes alternativas de alumina são fundamentais para a viabilização deste cimento e o aproveitamento de resíduos agregaria um valor econômico e sustentável ao produto final. De modo estequiométrico, a bauxita pode ser completamente substituída pelo lodo de anodização do alumínio (LAA), o qual também pode complementar o conteúdo de alumínio de outros resíduos, valorizando-os. O objetivo deste estudo foi avaliar a produção e as propriedades de clínqueres/cimentos CSAB a partir da substituição da bauxita por cinza pesada e LAA. Para a caracterização das matérias-primas, clínqueres e cimentos nos estados anidro e hidratado foram utilizadas as seguintes técnicas: fluorescência de raios X; microscopia eletrônica de varredura e espectrometria por energia dispersiva; termogravimentria; calorimetria; e difração de raios X com refinamento pelo método de Rietveld. A partir dos resultados obtidos, a substituição da bauxita foi limitada a nível parcial devido à elevada formação de belita e periclásio. Nos clínqueres produzidos, foi constatado que a presença da cinza pesada favorece a formação da estrutura cristalina ortorrômbica da fase ye’elimita. A presença dos resíduos altera a quantificação das fases, porém não compromete a estabilização das mesmas. A presença dos resíduos na composição dos cimentos afeta o período inicial de hidratação devido à redução do conteúdo de ye’elimita. Nos clínqueres produzidos com cinza pesada, ocorre a formação de até 12,6% da fase alita a 1250ºC, principal constituinte do clínquer Portland. / Cement production generates high negative environmental impact, mainly associated to CO2 emissions. Calcium sulfoaluminate belite cement clinker (CSAB) has lower content of calcium oxide, and sintering reduced temperature (about 200°C lower than that used for Portland clinker), being considered as eco-friendly binder. For its production high amount of alumina is required, however the scarcity and high cost of bauxite make these cements costly. Additionally, the generation of waste and by-products becomes a drawback in the industrial processes and the coprocessing of wastes in cement plants is increasing for environmental and energy savings reasons. Alternative sources of alumina would add an economic and sustainable value to the final product and previous work has shown that the aluminum anodizing sludge can replace bauxite in the production process. Other sources of wastes can also be a possibility to increase the production and reduce the raw materials costs of these cements. Thus, the objective of this study was the evaluation of novel CSAB cements produced with bauxite replacement by bottom ash and aluminum anodizing sludge. CSAB cements were produced in the laboratory from different amounts of sludge and ashes. The raw materials, clinkers/cements and hydration products were physicaly-chemicaly and mechanical characterized. Results showed that the mineralogy composition of CSAB clinker was strongly affected due to the addition of bottom ash. The amount of bottom ash waste replacing bauxite controls the belite and periclase formation. Also it influences the early age hydration due the reduced ye’elimite formation and important changes in the crystalline structures of this phase occurs in the clinkers. Clinkers prepared from these replacement, are able to form 12.6% of alite (main phase Portland clinker), not normally found in CSAB clinkers, being sintered at 1250°C.

Abstract Millions of tons of mine tailings are generated worldwide annually. Since many valuable metals such as Ag, Cu, Pb, Zn, Au and Ni are usually incorporated into sulphidic minerals, a large proportion of the tailings generated contain high amounts of sulphates and heavy metals. Some of these tailings are used as paste backfill material at mining sites, but large amounts are still being deposited into the tailings dams under water coverage. Sulphidic minerals are stable underground but after mining of the ore and several processing steps these minerals can be oxidized when they come into contact with water and air. This oxidation generates acid and thus reduces the pH of the surrounding environment. Furthermore, the heavy metals present in the mine tailings can be leached into the environment. This phenomenon, called Acid Mine Drainage (AMD), is one of the most critical environmental issues related to the management of sulphidic-rich tailings. Since AMD generation can still occur hundreds of years after closure of the mine, the mine tailings need stable, sustainable and economically viable management methods in order to prevent AMD production in the long term. The aim of this PhD thesis was to study various solidification/stabilization (S/S) methods for the immobilization of sulphidic mine tailings. The main focus was to develop a suitable chemical environment for achieving effective heavy metal (mainly arsenic) and sulphate immobilization while simultaneously ensuring good mechanical properties. Three treatment methods were tested: alkali activation, stabilization using hydrated lime (Ca(OH)2) and blast furnace slag (GBFS), and calcium sulphoaluminate-belite (CSAB) cement stabilization. The mine tailings used in this study contained large amounts of sulphates and heavy metals such as Cr, Cu, Ni, Mn, Zn, V and As. The leaching of arsenic and sulphates from powdered tailings exceeded the legal limits for regular and inert waste. All treatment methods were found to generate a hardened matrix that was suitable for use as a backfilling or construction material, but the calcium-based binding system was the most suitable for effective immobilization of all the heavy metals (including arsenic) and the sulphates. Precipitation in the form of calcium sulphates/calcium arsenate and the formation of ettringite are the main stabilization methods employed in calcium-based stabilization/solidification (S/S) systems. Some evidence of physical encapsulation occurring simultaneously with chemical stabilization was noted. These results can be exploited further to develop more sustainable mine tailing management systems for use in the future. The tailings could be stored in a dry landfill area instead of in tailing dams, and in this way a long-term decrease in AMD generation could be achieved, together with a high potential for recycling. / Tiivistelmä Monet arvometallit kuten kulta, kupari ja nikkeli ovat sitoutuneena sulfidipitoisiin mineraaleihin. Louhittaessa ja rikastettaessa näitä sulfidimineraaleja syntyy miljoonia tonneja sulfidipitoisia rikastushiekkoja vuosittain. Rikastushiekat voivat sisältää myös runsaasti erilaisia raskasmetalleja. Osa rikastushiekoista hyödynnetään kaivostäytössä, mutta suurin osa rikastushiekoista läjitetään edelleen ympäristöön rikastushiekka-altaisiin veden alle. Kun sulfidipitoinen malmi kaivetaan ja käsitellään, sulfidiset mineraalit hapettuvat ollessaan kosketuksissa veden ja hapen kanssa. Hapettuessaan ne muodostavat rikkihappoa, laskien ympäristön pH:ta jolloin useimmat raskasmetallit liukenevat ympäristöön. Muodostuvia happamia kaivosvesiä voi syntyä vielä pitkään kaivoksen sulkemisen jälkeen ja ovat näin ollen yksi suurimmista kaivosteollisuuteen liittyvistä ympäristöongelmista. Lisäksi suuret rikastushiekka-altaat voivat aiheuttaa vaaraa myös ihmisille, mikäli altaan rakenteet pettävät. Rikastushiekkojen kestäviä ja ympäristöystävällisiä varastointimenetelmiä täytyy kehittää, jotta näitä ongelmia voidaan tulevaisuudessa ehkäistä. Tässä työssä tutkittiin menetelmiä, joilla kultakaivoksella syntyvät sulfidipitoiset vaaralliseksi jätteeksi luokitellut rikastushiekat saataisiin stabiloitua tehokkaasti. Työssä keskityttiin kolmeen erilaiseen menetelmään: alkali-aktivointiin, stabilointiin kalsiumhydroksidin ja masuunikuonan avulla ja stabilointiin CSAB sementin avulla. Valmistettujen materiaalien mekaanisia ja kemiallisia ominaisuuksia arvioitiin. Tavoitteena oli ymmärtää, miten eri menetelmät soveltuvat raskasmetallien (erityisesti arseenin) ja sulfaattien sitoutumiseen ja mikä on eri komponenttien rooli reaktioissa. Alkali-aktivoimalla rikastushiekkaa sopivan sidosaineen kanssa saavutettiin hyvät mekaaniset ominaisuudet ja useimmat haitta-aineet sitoutuivat materiaaliin. Ongelmia aiheuttivat edelleen sulfaatit ja arseeni. Kalsiumpohjaiset menetelmät sitoivat raskasmetallit (myös arseenin) ja sulfaatit tehokkaimmin. Sulfaatit ja arseeni saostuivat muodostaen niukkaliukoisia komponentteja kalsiumin kanssa. Samanaikaisesti rakenteeseen muodostui ettringiittiä, jolla on tutkitusti hyvä kyky sitoa erilaisia raskasmetalleja rakenteeseensa. Raskasmetallit myös kapseloituivat rakenteen sisään. Työn tuloksia voidaan hyödyntää, kehitettäessä rikastushiekkojen turvallista varastointia. Kun materiaalille saavutetaan riittävän hyvä lujuus ja kemiallinen stabiilius, rikastushiekat voitaisiin läjittää tulevaisuudessa kuivalle maalle altaan sijaan. Näin vältyttäisiin rikastushiekka-altaiden rakentamiselta ja voitaisiin vähentää happamien kaivosvesien muodostumista pitkällä ajanjaksolla. Saavutettujen tulosten perusteella rikastushiekkoja voidaan mahdollisesti tulevaisuudessa hyödyntää myös erilaisissa betonin tapaisissa rakennusmateriaaleissa.