Diseños eficientes de mezclas de pasta de relleno utilizando aditivos de nueva generación - Percepción versus realidad

Los superplastificantes de alto rendimiento con capacidad para reducir significativamente el agua de una determinada mezcla de hormigón, manteniendo la trabajabilidad pero influyendo notablemente en sus características de resistencia y durabilidad, se introdujeron en la industria de la construcción a nivel mundial a finales de la década de 1990 (Ramachandran et al., 1998). Hoy en día, la razón fundamental para el desarrollo y utilización constante de estos superplastificantes en la producción de hormigón es el efecto que produce trabajar con relaciones agua/cemento bajas en la resistencia y durabilidad del mismo. A modo de ejemplo: Para producir un hormigón de 25 MPa es necesario utilizar alrededor de 300 kg de cemento sin el uso de aditivos. En cambio, cuando se produce un hormigón de 75 MPa, se necesitan 450 kg de cemento más la incorporación de un superplastificante para reducir la relación agua/cemento. Por tanto, empleando sólo 1,5 veces más cemento, la resistencia del hormigón es capaz de triplicarse (Aitcin y Flatt 2016).

Al igual que el hormigón, la pasta de relleno es un sistema cementoso que comparte grandes similitudes con el mismo. El hecho de trabajar el hormigón con relaciones agua/cemento bajas produce un efecto positivo en el desarrollo de resistencias con un contenido de cemento determinado, que es aún más pronunciado en un sistema saturado de agua o sobresaturado de agua como es la pasta de relleno, donde la relación agua/cemento se encuentra en órdenes de magnitud superiores a los que nos encontramos en el hormigón. La reducción del agua en tales sistemas tiene un efecto muy importante en el desarrollo de resistencias de la pasta de relleno (Erismann et. al. 2016).

En la actualidad, este principio tan sencillo, que se ilustra en la figura 1 (lado izquierdo), sólo se ha introducido parcialmente en la industria de la pasta de relleno en minería, donde el uso de estos aditivos no está normalizado y en muchos casos no se utilizan aditivos en absoluto, con el fin de optimizar la relación coste-rendimiento de las plantas de relleno (Erismann et.al. 2017). La figura 1 (lado derecho) indica que las mezclas de pasta sobresaturadas con una relación agua/cemento de 5 y superior tienen una correlación deficiente entre la cantidad empleada de conglomerante y el desarrollo de resistencias. Esto supone claramente un reto a la hora de cumplir con los requisitos de resistencia en este tipo de mezclas.

Este artículo pretende abordar esta carencia mediante la presentación de tres estudios de casos de minas en las que se utilizan aditivos y tienen un efecto sumamente positivo en la calidad y el rendimiento del sistema de relleno. Los tres yacimientos mineros no guardan ninguna relación entre sí desde el punto de vista geográfico y mineralógico. Al elegir estos casos diferentes, los autores desean subrayar la importancia de haber seleccionado adecuadamente los aditivos, teniendo en cuenta la huella mineralógica y física de estos yacimientos y, por tanto, de los residuos generados, que son la base de la mezcla de fabricación de la pasta de relleno.

Definitivamente, el objetivo común al utilizar aditivos es aumentar el contenido en sólidos del relleno, lo que a su vez debería afectar positivamente el desarrollo de resistencias, tal y como queda ilustrado en la figura 1. Dado que el 'yield stress' (límite de fluencia) mantiene una correlación positiva con el contenido en sólidos del relleno, es decir, cuanto mayor sea el contenido en sólidos, mayor será el 'yield stress' (Silva 2017), se espera que el aumento del contenido de sólidos del relleno tenga un efecto en la presión de bombeo del sistema de relleno de la mina.

No obstante, los datos de presión reales de las minas demuestran que éste no es necesariamente el caso. Al combinarse con los aditivos, se puede lograr una reducción de la presión y, al mismo tiempo, aumentar en gran medida el contenido de sólidos. Esto se ilustrará mediante los tres casos de estudio.

Para este artículo se han utilizado datos de tres plantas de pasta diferentes durante un período de tres años. Las minas en las que están ubicadas estas plantas de pasta se encuentran en América del Norte, África Occidental y Europa, siendo tres tipos de yacimientos diferentes. La mina situada en Norteamérica es un yacimiento típico de tipo Carlin. La mina de Europa se conoce como un yacimiento de tipo SEDEX (SEdimentary EXhalative) y la de África Occidental un yacimiento de oro de tipo Orogénico que es muy común en esta parte de África (Partington et.al. 2000). A pesar de las diferencias en cuanto a los procesos de formación del mineral, la alteración mineralógica, el tipo de mineralización y la litología de la roca, estos depósitos también comparten ciertas similitudes.

Los análisis de la distribución del tamaño de las partículas y de la composición de las fases mineralógicas se realizaron en los laboratorios de Sika Technology en Zúrich (Suiza). Los análisis mineralógicos se realizaron mediante microscopía electrónica de barrido (SEM por sus siglas en inglés) para identificar y confirmar las fases mineralógicas y, posteriormente, cuantificarlas mediante difracción de rayos X.

Todas estas minas utilizan enormes cantidades de pasta de relleno a base de cemento y disponen de diferentes requisitos en cuanto al desarrollo de resistencias iniciales y finales, así como de la trabajabilidad de la pasta fresca. La resistencia de la pasta se ensayó de acuerdo a las especificaciones de la mina, analizando en casi todos los casos las resistencias a las edades de 7, 14, 28 y 56 días. Como es habitual en muchas minas, la trabajabilidad se comprueba utilizando conos de asentamiento de hormigón estandarizados para medir la fluidez de la pasta producida. La trabajabilidad de la pasta está relacionada con el 'yield stress' (límite de fluencia) y la medición del cono ha demostrado ser un método muy útil para obtener una indicación del 'yield stress' real de la pasta (Silva 2017). El intervalo de trabajabilidad suele estar en el rango de asentamiento de 7-10 pulgadas (18-25 cm) (Erismann et.al. 2017). La medición del asentamiento y de la extensión final de la torta generada es útil a la hora de obtener una indicación del 'yield stress' (límite de fluencia) real (Silva 2017). Este método de prueba sigue siendo el más común en las minas. También se prestó especial atención al comportamiento de la presión de bombeo, tanto en la superficie como en el interior de la mina siempre que fue posible.

Seleccionar el aditivo adecuado para una pasta determinada es fundamental para optimizar el coste-rendimiento de un sistema de pasta de relleno (Erismann et. al 2017). Esto puede observarse basándose en los tipos de yacimientos elegidos descritos en la figura 2, donde se muestran las secciones geológicas simplificadas. Estos yacimientos presentan las siguientes características:

A) Depósito sedimentario exhalativo polimetálico (plomo, zinc, plata, cobre) en Europa: Estos depósitos derivan de un antiguo pozo hidrotermal en el subsuelo marino que depositó metales tras el enfriamiento y las reacciones redox de las sales hidrotermales en contacto con las aguas marinas del fondo del océano (McKibben et.al 1997). Normalmente se produce una alteración distintiva de la roca asociada a estos depósitos. En este caso, se trata de una alteración potásica intensa, rica en Na₂O y K₂O con minerales asociados como la moscovita y la biotita.

B) Yacimientos de filones de oro orogénicos: Este tipo de yacimientos de oro es de los más relevantes a nivel mundial. En este caso concreto, la zona que contiene el oro está definida por una zona estrecha, altamente tensionada y fracturada, que está fuertemente alterada a ambos lados de la formación, incluyendo alteraciones de productos como carbonatos, sílice, albita, pirita, clorita y hematita.

C) Depósito de oro de tipo Carlin, alojados en formaciones de caliza/dolomita: Este tipo de yacimientos se caracteriza por una litología de predominio calcáreo con unos rasgos de alteración distintivos que pueden vincularse directamente a corrientes hidrotermales responsables de la introducción del oro con disoluciones de carbonatos, alteraciones argílicas y la silicificación (Hausen y Kerr 1968, Radtke 1985, Bakken 1990).

La alteración mineralógica de estos sistemas es importante tenerla en cuenta de cara a la eficacia del aditivo que se vaya a emplear. La efectividad puede comprobarse con bastante facilidad realizando mediciones del 'yield stress' (con un viscosímetro o reómetro) o midiendo el diámetro de la torta al levantar un cono respecto al empleo de diferentes aditivos en una pasta determinada. Una gran influencia en la reología de la pasta normalmente se debe a una gran plastificación de la misma y, por tanto, relacionarse con un fuerte incremento del diámetro de la torta en la mesa y de los valores de asentamiento, así como con una disminución del 'yield stress”'(límite de fluencia), tanto para las mediciones del reómetro como del viscosímetro. Este proceso de selección dio como resultado tres tipos diferentes de aditivos que se utilizaron para estos depósitos. Los criterios exactos de selección no se describirán en este documento, sin embargo, la presencia de filosilicatos en los tres depósitos, así como las fases calcáreas dominantes en los depósitos B y C, influyen enormemente en la compatibilidad de ciertos polímeros para estos relaves específicos.

En la tabla 1 se muestra una visión general de la composición mineralógica y, por tanto, de la química en general de los yacimientos. En dicha tabla se indica la composición porcentual de determinadas fases minerales.

En la figura 3 se muestra la distribución del tamaño de las partículas de los tres relaves mineros. La mina A tiene los relaves más gruesos y la mina C las fracciones de tamiz más finas, con un 80% de los relaves que pasan la fracción de 50 µm.

4.1. Contenido en sólidos

Una vez que se ha seleccionado un aditivo adecuado para un proyecto de pasta de relleno, la reacción producida en la planta de pasta, después de realizar la dosificación de aditivo, suele ser una disminución importante del par en la amasadora de doble eje. Esta disminución del par se mide indirectamente por la disminución de la energía demandada por la amasadora para un volumen determinado de pasta. Las plantas de pasta modernas tienen un rango de energía fijo en el que se supone que la mezcladora debe trabajar, con el fin de proporcionar una consistencia adecuada de la pasta y poder ser bombeada a través de todo el sistema. Una vez que el consumo de energía cae por debajo de este límite predefinido, la adición de agua se reduce automáticamente. Lo mismo ocurre cuando los niveles de energía aumentan por encima del límite predefinido. En este caso, se añade agua a la mezcla para llevar la viscosidad de la pasta a la ventana deseada. Como los aditivos suelen reducir en gran medida el 'yield stress' (límite de fluencia) de la pasta, una vez que se añade el aditivo el amasado se hace más fácil, el nivel de energía demandado es menor, el agua se reduce y el contenido de sólidos aumenta.

Esta reacción se puede observar en las figuras 4, 5 y 6, en las que parámetros como la adición de agua y la presión de línea (tanto en la superficie como en el interior de la mina), así como la dosificación de aditivo y el contenido de sólidos, se representan sobre el eje que representa el tiempo. Es fácil observar que la dosificación de aditivos y la adición de agua a la mezcla mantienen una estrecha correlación. Cuanto mayor cantidad de aditivo se dosifica en el sistema, mayor es la reducción de adición de agua. La trabajabilidad de la pasta suele medirse mediante una prueba común de asentamiento en la mayoría de las minas. En los tres yacimientos, se ha utilizado esta prueba de asentamiento para hacer un seguimiento de la trabajabilidad de la pasta a lo largo del período de muestreo.

Como requisito para todas las pruebas realizadas se marcaron los límites de consistencia entre 7 y 10 pulgadas (18-25 cm) en un cono de asentamiento de hormigón estándar, cumpliéndose estos valores en todo momento.

4.2. Presión de bombeo

Una vez que se añade el aditivo a una mezcla de pasta, el 'yield stress' (límite de fluencia) de la mezcla suele disminuir considerablemente. Como respuesta del sistema, posteriormente, la adición de agua se reduce de la mezcla para alcanzar las propiedades deseadas de la pasta en términos de desarrollo de resistencia y contenido de cemento. El 'yield stress' (límite de fluencia) aumentará de nuevo, pudiendo comprobar que hay una correlación claramente descrita entre el contenido en sólidos de la pasta y su 'yield stress' (límite de fluencia) (Silva 2017, Sofra 2017).

Los resultados de las pruebas de las aplicaciones a gran escala con aditivo para las tres plantas de pasta descritas varían, pero la mayoría de los datos registrados mostraron una presión de línea estable o una presión de línea más baja después de que la planta alcanzara un nuevo equilibrio con una dosificación de aditivo constante. La dosificación de aditivo suele oscilar entre el 0,4 y el 2% en peso del cemento. Esta bajada de la presión puede observarse detalladamente en las figuras 4, 5 y 6. En todos los proyectos, la presión es más baja tanto en la superficie como en el interior de la mina respecto a un aumento en la dosificación de aditivo, inclusive aumentando el contenido en sólidos. Los picos de presión se producen una vez que se inicia la dosificación del aditivo, ya que la planta reacciona ante la disminución del 'yield stress' (límite de fluencia), lo que se indica por el menor valor del par de la amasadora y la posterior reducción instantánea del agua. Estos picos de presión durante la fase de arranque están probablemente relacionados con los límites de regulación de la adición/reducción de agua en la amasadora. Este aspecto se aborda con más detalle en los siguientes puntos.

4.3. Resistencia

El aumento del contenido en sólidos es muy favorable para el desarrollo de resistencia de la pasta, tanto en términos de desarrollo a edades tempranas (después de unos días) como a edades finales después de 28 y 56 días. Estas ganancias de resistencia permiten una reducción de cemento importante de la mezcla cumpliendo los requisitos de resistencia característicos del relleno. En la figura 7 se muestran los resultados de resistencia para diferentes contenidos de cemento con y sin el empleo de aditivo. El potencial de reducción de cemento observado en los proyectos descritos oscila entre el 20 y el 50%.

Con relativa frecuencia se ha observado una pérdida de resistencia en las operaciones con pasta de relleno a medida que pasa el tiempo. Este inconveniente no se ha observado en ninguno de los tres proyectos descritos y tampoco se espera que se manifieste a largo plazo, ya que tienen un contenido total de sulfuros muy bajo en los relaves empleados y, por tanto, bajas cargas de SO4^2- en el agua de procesamiento. El SO42- disuelto puede tener un efecto importante en la resistencia a largo plazo de la pasta de relleno, especialmente en los rellenos que contienen una gran proporción de minerales sulfurosos. Valores elevados de SO4^2- en el agua intersticial del relleno tienen un efecto negativo importante en la resistencia a largo plazo de la pasta de relleno a base de cemento. La reducción de la relación agua/cemento de la mezcla mitigará en parte este problema, pero no lo detendrá.

El efecto de la dosificación del aditivo en la mezcla de la pasta demostró tener una influencia significativa en una serie de propiedades de la pasta producida. Las altas relaciones agua/cemento en los diseños de pasta son comunes y relaciones por encima de 5 representan un reto para lograr las resistencias necesarias para un determinado relleno. Esto se debe principalmente a las propiedades intrínsecas de las mezclas en sí mismas y a las limitaciones de los valores de resistencia asociados. Incluso en estas mezclas de alto contenido en agua, los aditivos pueden ser muy útiles favoreciendo enormemente la dispersión del cemento y resto de partículas (Lewis et. al. 2000).

Dado que el contenido en sólidos de una mezcla de pasta es el factor que impulsa el desarrollo de resistencias con un contenido de cemento determinado, la capacidad de un aditivo adecuado para reducir drásticamente el 'yield stress', facilita la condición previa para reducir la cantidad de agua de la pasta de relleno. Sin embargo, mantener la trabajabilidad de la pasta y permanecer dentro de los límites de presión de bombeo de la mina es fundamental cuando se utilizan aditivos. Estos límites de trabajabilidad se controlaron de manera continua en los tres casos de estudio utilizando un cono de medida estándar de consistencia del hormigón para la pasta.

Incluso teniendo en cuenta que el contenido en sólidos se incrementó en todos los casos descritos, los valores de asentamiento tendieron a ser elevados durante todo el período de observación, lo que indica que podría retirarse mayor cantidad de agua. En dos de las tres plantas, la adición de agua a la mezcladora se redujo casi a cero, sin posibilidad de eliminar más agua de la mezcla. Por tanto, el potencial para aumentar el contenido en sólidos y las resistencias alcanzó el límite, a menos que se llevaran a cabo mejoras en las unidades de deshidratación de la tora de relaves para disponer de materiales más secos, con menor contenido de humedad. En dos de los tres casos descritos en este documento, el aditivo compensa con creces el efecto del aumento del contenido en sólidos sobre la presión de la línea del sistema de bombeo, con presiones que caen muy por debajo de los límites que se observaban antes de la adición del aditivo. Este fenómeno podría estar relacionado principalmente con el efecto perjudicial que tiene el exceso de agua sobre el bombeo de una mezcla de pasta. La pasta sobresaturada tiende a segregarse y el agua libre provoca niveles de presión elevados en comparación con las mezclas que contienen menos agua.

Se han registrado picos de presión en todas las operaciones descritas. Estos picos de presión estaban relacionados principalmente con el período de tiempo en el que acaba de empezar la dosificación de aditivo. Esto refleja el impacto contundente y casi instantáneo del aditivo en el 'yield stress' de la mezcla de pasta, lo que provoca una reducción inmediata del agua añadida a la amasadora. Como habitualmente esta adición de agua no se controla con el cuidado adecuado (limitaciones de las válvulas de los equipos) y el sistema tiende a compensar en exceso los cambios del valor del par de la amasadora, el agua se extrae demasiado rápido, provocando picos de presión a corto plazo. Un ejemplo es el caso A: el tiempo de descarga de la amasadora a la tolva de alimentación de la bomba de pistón está asociado a una determinada viscosidad de la pasta que, a su vez, está relacionada con el consumo de energía de la amasadora. Como el aditivo provocaba una fuerte caída de la demanda de energía de la amasadora, estos tiempos de descarga eran mucho más rápidos, lo que hacía que los niveles de llenado de la tolva aumentaran y que la bomba bombeara más rápido, lo que provocaba un aumento de la presión de la línea de pasta. Este problema se solucionó fijando los tiempos de descarga de la tolva, dando lugar a una velocidad de bombeo continua.

Las ganancias de resistencia en todos los casos descritos fueron muy significativas y en todos los proyectos se pudo conseguir una reducción de cemento. La reducción de cemento compensa en gran medida el coste adicional de incorporar aditivo y tiene un efecto sumamente positivo en el coste global del conjunto del sistema de pasta de relleno. Además, el desarrollo de la resistencia es más rápido debido a una hidratación del cemento mejor, más rápida y completa, lo que permite ciclos más rápidos y aumentar la tasa de eficiencia del relleno a medida que el metro cúbico de relleno contiene un mayor contenido en sólidos y menos agua. Además, dado que el consumo de cemento es uno de los mayores impulsores de CO₂ en las explotaciones mineras de interior, la reducción de cemento en la pasta de relleno mejorará de manera notable este importante balance de emisiones.

Los aditivos de pasta de relleno han demostrado tener un gran efecto en las mezclas de pasta una vez que se consigue el aditivo óptimo basado en las propiedades físicas y químicas de los relaves. Los aditivos son adecuados para mejorar los diseños de las mezclas de pasta al aumentar el contenido en sólidos de la mezcla, lo que permite obtener también unos valores más altos de resistencia con el mismo contenido de cemento. Los rellenos sobresaturados con relaciones agua/cemento superiores a 5 representan un reto para las operaciones de pasta de relleno, ya que contenidos muy elevados de cemento no mejorarán realmente la resistencia. La eficacia de los aditivos aumenta considerablemente con la capacidad de las plantas de pasta para producir tortas de relave secas de alrededor del 80% en sólidos. Una vez alcanzados unos valores de deshidratación óptimos, los aditivos permitirán reducir la cantidad de agua añadida a la mezcla, incluso hasta cantidades prácticamente nulas.

Los tres casos que se presentaron en este artículo demostraron un elevado potencial de reducción de cemento tras la aplicación de los aditivos. El potencial de reducción de cemento puede llegar al 20-50% del total del cemento empleado. Las presiones de bombeo se mantuvieron constantes o se llegaron a reducir incluso aumentando considerablemente el contenido en sólido de las mezclas de pasta. El rendimiento en cuanto a costes de las plantas de pasta puede mejorarse en gran medida utilizando la última tecnología de aditivos y su optimización.

La rentabilidad general de estos proyectos depende notablemente de los precios del cemento disponible, de la eficacia y la dosificación del aditivo y de la capacidad de la planta de pasta para proporcionar una torta de relave lo suficientemente seca y de buena calidad.

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