Por: Maureen Ixchel Ramos Hernández
La minería es una de las actividades que generan mayor cantidad de contaminantes en el mundo. Luego de la extracción y refinado de los minerales con valor comercial, se producen residuos cuyo impacto está relacionado no sólo con los grandes volúmenes almacenados, sino también con el riesgo potencial de lixiviación de metales pesados al ambiente. En el esfuerzo por contrarrestar este impacto, esta investigación se enfoca en la caracterización de una muestra de residuos mineros para evaluar su potencial uso en la construcción de la capa subrasante de un pavimento.
La industria de la construcción demanda la explotación masiva de recursos naturales.
Una manera de mitigar el impacto de esos procesos y proteger al ambiente es emplear algunos residuos sólidos producto de los procesos mineros como sustitutos parciales de materias primas para generar nuevos materiales de ingeniería (Ferreira et al., 2015). Con ello se coadyuva a reducir la extracción de materiales vírgenes y a mitigar el impacto de la generación de materiales de desecho que, debido a su producción a gran escala, se ha convertido en una problemática ambiental que es crucial resolver (Novais et al., 2015). En muchos países, el manejo de los materiales de desecho generados por el proceso minero es un serio problema ambiental, tal como lo señalan Benzaazoua et al. (2008) y Sivakugan et al. (2006).
Orozco y Orozco (1992) definen a un relave o residuo de mina, también conocido como jal, como el residuo sin valor comercial de los procesos mineros, de características por lo general similares a las de una arena, que es depositado en presas de almacenamiento, también llamadas presas de ja- les. En el territorio nacional existen cientos de millones de toneladas de jales dispersos, sin un adecuado control de las condiciones de almacenamiento, que producen afectaciones ambientales, pero se destinan pocos recursos para realizar el diagnóstico y evaluación de riesgo de las presas de jales existentes (Ramos y Siebe, 2006).
La caracterización de residuos mineros como posibles sustitutos de materias primas representa una oportunidad para mitigar el impacto ambiental generado por esta actividad minera y por la sobreexplotación de bancos de materiales. Sin embargo, es necesario realizar la caracterización de cada presa de jales para determinar los posibles usos de estos residuos (Hernández et al., 2018; López y Pérez, 2018). El reúso de los residuos mineros puede ayudar a mitigar los problemas mencionados, y se les pueden dar distintas aplicaciones en función de sus características físicas y químicas, que dependen de su mineralogía y geoquímica, el tipo de equipos de extracción, tamaño de partícula del material y contenido de humedad (Lottermoser, 2010). No obstante, Benzaazoua et al. (2002) hacen evidente el riesgo potencial de la lixiviación de oligoelementos de los relaves no tratados, lo cual dificulta su aplicación en la ingeniería geotécnica como agregados sustitutos y rellenos para terraplenes, rellenos estructurales y materiales de construcción de carreteras, señalando que es necesario un tratamiento de estabilización previo a su empleo para fines constructivos. Al respecto, diversas investigaciones (Harter, 1983; Gerriste y Van Driel, 1984; Naidu et al., 1994) señalan que existe una correlación directa entre el pH del suelo y la retención de metales pesados, lo cual resulta en que los suelos básicos presenten una mayor adsorción de metales pesados que aquéllos con pH ácido.
Respecto al uso de residuos mineros en la construcción de carreteras, Mahmood y Mulligan (2010) estudiaron el posible empleo de relaves mineros mezclados con cemento Pórtland como bases de caminos sin recubrimiento, y concluyeron que las mezclas generadas con los materiales procedentes de cinco diferentes minas, de las seis muestreadas, tienen características suficientes y adecuadas para emplearse en la conformación de capas de soporte, con base en pruebas de resistencia a compresión no confinada.
Quian et al. (2011) emplearon relaves mineros de granito estabilizados con el 5% de cemento en una capa de sub-base, la cual presentó resistencias a la compresión simple y a la tensión similares a las de los agregados pétreos estabilizados con cemento, y con módulos estáticos y dinámicos superiores a éstos; construyeron un tramo de prueba de 20.38 km utilizando estos relaves como sub-base y demostraron la viabilidad de su uso como sustituto de los agregados vírgenes.
METODOLOGÍA
Con el fin de caracterizar los residuos mineros y determinar su potencial uso como material para conformar la capa subrasante de un pavimento, se llevó a cabo el muestreo y nueve pruebas de laboratorio conforme a la normativa mexicana y a equipos aplicables por prueba.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Las muestras para esta investigación fueron obtenidas de un depósito minero proveniente de una mina de Zacatecas de la que se extraen cuatro minerales principales: cobre, plata, zinc y plomo mediante el proceso de extracción de flotación. Dada la naturaleza de las labores realizadas y lo delicado de algunos datos, se acordó la completa confidencialidad de la empresa a la cual pertenecía la presa de jales muestreada, toda vez que no influye en el análisis de resultados. La composición química obtenida mediante difracción de rayos X muestra la presencia de cuarzo, calcita, sanidina, microclina, amesita, clinocloro y grossular. El difractograma de la muestra se detalla en la figura 1. La muestra se compone principalmente de cuarzo y calcita, mientras que el resto de los compuestos presentes son característicos de la roca que contiene a los minerales con valor comercial (Moreno, 2010). Los resultados obtenidos por difracción de rayos X muestra un panorama general de los componentes constituyentes de la muestra; sin embargo, para esta investigación es crucial conocer la cantidad de metales pesados presentes en la muestra, pues son elementos potencialmente contaminantes para el medio ambiente; se analizaron los 64 elementos que componen el material, y se puso énfasis en los 12 elementos contemplados en la NOM-147-SEMARNAT/SSA1-2004, que establece las concentraciones máximas permisibles en suelos contaminados por metales pesados (Semarnat, 2004). Se puede determinar que, en su estado natural, la muestra de jales mineros no puede fungir como suelo con fines de uso agrícola, residencial o comercial, debido a que rebasa el límite permisible de arsénico. Para emular el transporte de metales pesados por exposición a la lluvia, el material se sometió a una prueba de lixiviación. Posteriormente, se midió el pH del lixiviado generado y se obtuvo un valor de 7.29, considerado como neutro.
Después se analizaron los ocho metales pesados considerados en la normativa mexicana para determinar la inocuidad del material por medio de las tres técnicas de absorción atómica. Los valores obtenidos se muestran en la tabla 3 y se encuentran por debajo de los límites permisibles, por lo que se concluye que el material no requiere estabilización. Los lixiviados obtenidos de las muestras estabilizadas con cementante presentan un aumento en su pH en función del porcentaje de cemento, lo cual incrementa la adsorción de metales pesados del material y disminuye su potencial para la lixiviación, lo cual coincide con lo reportado en la bibliografía (Harter, 1983; Gerritse y Van Driel, 1984; Naidu et al., 1994).
Los residuos fueron sometidos a pruebas geotécnicas y mecánicas para evaluar su posible uso como capa de subrasante en un pavimento. Los resultados de las pruebas, así como los valores de cumplimiento para la capa en mención, de acuerdo con la norma mexicana N-CMT-1-03/02, se resumen en la tabla 4 (SCT, 2002b); respecto a la granulometría requerida para cumplir como capa de subrasante, el material tiene las características necesarias, ya que la normativa que se tomó como referencia sólo establece el tamaño máximo de partícula, que es de 76 mm, y no hay un límite mínimo de cumplimiento.
CONCLUSIONES
Los residuos analizados en los documentos consultados previamente a la elaboración de este trabajo poseen las características granulométricas, de resistencia y de límites de consistencia necesarios para ser empleados como material para subrasante, de conformidad con la norma mexicana N-CMT-1-03/02 (SCT, 2002b). Sin embargo, las propiedades índice, granulométricas e ingenieriles varían de manera significativa entre las muestras estudiadas por cada autor. Debido a esta discrepancia, no es posible generalizar los resultados esperados para todos los materiales. Sin embargo, los resultados obtenidos de diversas investigaciones indican que generalmente los residuos mineros tienen un tamaño de partícula fino (arena hasta limo) y se caracterizan por tener comportamientos similares a los de una arena (Orozco y Orozco, 1992; Castro et al., 2016; Been, 2016; Bernal et al., 2018; Candelaria et al., 2018).
En los residuos mineros obtenidos de la mina de Zacatecas que fueron utilizados en esta investigación, no fue necesaria la estabilización, ya que el material transportado por lixiviación se encuentra por debajo de los límites permisibles de contenido de metales pesados de acuerdo con la NOM155-SEMARNAT-2007. Esto puede deberse al pH neutro de la muestra, lo cual indicaría una alta adsorción de metales pesados que evitaría su migración Un parámetro muy importante en la industria de la construcción es la expansión de los materiales, puesto que en su mayoría son finos. Algunos autores (Roy et al., 2007; Zhao et al., 2014; Zhu et al., 2015; Castro et al., 2016) han encontrado que no todos los suelos que componen los residuos mineros presentan un comportamiento expansivo. Si bien es cierto que la cantidad de finos presentes en el material puede dar una idea de este comportamiento, la expansión de los suelos está directamente ligada a la composición mineralógica y a la actividad fisicoquímica superficial de las partículas que constituyen el material. De acuerdo con Roy et al. (2007) y Castro et al. (2016), y con los trabajos realizados para el estudio que se presenta, no se pudo verificar en la bibliografía alguna investigación profunda acerca de este comportamiento. Sin embargo, la experiencia de quienes conocen del tema indica que es un punto por examinarse antes de proceder a usar estos materiales. Se sugiere, además, revisar la composición mineralógica con alguna técnica conocida, como difracción de rayos X o fluorescencia de rayos X. Respecto a los criterios de aceptación establecidos en la normativa mexicana vigente, no se especifica un tamaño mínimo de agregado para la capa de subrasante, por lo que estos materiales, que generalmente presentan un alto contenido de finos, resultan admisibles en esta capa de pavimento (Sarsby, 2000; Baowei et al., 2013; Santos et al., 2013). En cuanto a los diagnósticos ambientales y evaluaciones de riesgo, en México se destinan pocos recursos a su realización en las numerosas regiones mineras; adicionalmente, no existe un inventario de la cantidad y situación de las presas de jales (Ramos y Siebe, 2006), éstas tienen problemas con la estabilidad durante la operación minera, y después de su cierre se presenta la exposición de los constituyentes tóxicos de los residuos mineros a través del polvo arrastrado por el viento, la erosión de los cuerpos de aguas superficiales, la inhalación por los seres humanos y animales, y la bioacumulación y bioamplificación de las plantas, lo cual representa un riesgo constante para su medio circundante (Azam y Li, 2010).
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