Copper tailings as supplementary cementitious material : activation, leaching and environmental behaviour
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Date
2020
Authors
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Abstract
El impacto de la industria del cemento en la generación de gases de efecto invernadero (5-8 % del total global) hace necesario la búsqueda de alternativas a este material que permitan reducir su impacto, sin afectar las ventajas y propiedades que permiten su amplia utilización en la construcción. Por otro lado, la generación de residuos de la industria del cobre, a tasas crecientes debido a la baja ley de los minerales alcanzando las 200 toneladas de relaves por tonelada producida de cobre, hacen que la búsqueda de formas de uso de estos residuos sea una importante necesidad y ofrezca una oportunidad para la minería. Esto es de alto impacto en países productores de cobre como Chile. En esta tesis se investigó la unión de estas dos necesidades: la utilización de relaves de la industria del cobre como material cementicio suplementario. Para esto, se propuso el uso de tratamientos mecánicos y térmicos para mejorar la capacidad cementicia de los relaves, estudiando también la capacidad de la matriz cementicia de retener la lixiviación de cobre y finalmente el desempeño medioambiental de las mezclas de concreto con relaves tratados.
La activación de relaves de cobre mediante tratamientos de molienda y calcinación se estudió comparando mezclas cementicias sin relaves y con relaves sin tratar versus muestras con relaves tratados, esto últimos elegidos entre muestras que mostraron mayor potencial de activación, mostrando aumentos de hasta un 40% en la resistencia mecánica. La heterogeneidad de las muestras se observó al analizar el aumento de entre un 80% y un 140% en la capacidad puzolánica de los relaves una vez tratados.
La lixiviación de metales pesados de muestras cementicias conteniendo relaves fue analizada, estudiando específicamente el mecanismo de atrapamiento de fases de cobre dentro de la matriz cementicia. Se determinó que la razón agua-cemento es estadísticamente significativa al analizar la lixiviación de cobre, y se observó la migración de fases de cobre durante el proceso de hidratación hacia productos cementicios como silicatos de calcio hidratados, lo cual fue comprobado mediante análisis de SEM y XANES. También se midió los niveles de lixiviación generales, observando que cuando los relaves están incorporados en la matriz cementicia, los niveles de lixiviación son despreciables.
Finalmente, con la información anterior se desarrolló una metodología para la medición del impacto medioambiental del uso de relaves como material cementicio suplementario, usando análisis de ciclo de vida (LCA) para determinar el posible beneficio del uso de estos desechos. Como resultado se determinó que los beneficios del uso de relaves dependen de la capacidad de estos como material cementicio suplementario, y que, a mayor nivel de desempeño, mejores son los indicadores ambientales comparados con mezclas sin relaves. La nueva metodología propuesta permite una comparación certera de mezclas cementicias con materiales cementicios suplementarios, facilitando el estudio medioambiental de estos y otros residuos.
Este estudio demostró la factibilidad del uso de relaves como material cementicio suplementario, con las limitaciones impuestas por la heterogeneidad, la presencia de altas concentraciones de cobre y los impactos medioambientales analizados y discutidos.El impacto de la industria del cemento en la generación de gases de efecto invernadero (5-8 % del total global) hace necesario la búsqueda de alternativas a este material que permitan reducir su impacto, sin afectar las ventajas y propiedades que permiten su amplia utilización en la construcción. Por otro lado, la generación de residuos de la industria del cobre, a tasas crecientes debido a la baja ley de los minerales alcanzando las 200 toneladas de relaves por tonelada producida de cobre, hacen que la búsqueda de formas de uso de estos residuos sea una importante necesidad y ofrezca una oportunidad para la minería. Esto es de alto impacto en países productores de cobre como Chile. En esta tesis se investigó la unión de estas dos necesidades: la utilización de relaves de la industria del cobre como material cementicio suplementario. Para esto, se propuso el uso de tratamientos mecánicos y térmicos para mejorar la capacidad cementicia de los relaves, estudiando también la capacidad de la matriz cementicia de retener la lixiviación de cobre y finalmente el desempeño medioambiental de las mezclas de concreto con relaves tratados.
La activación de relaves de cobre mediante tratamientos de molienda y calcinación se estudió comparando mezclas cementicias sin relaves y con relaves sin tratar versus muestras con relaves tratados, esto últimos elegidos entre muestras que mostraron mayor potencial de activación, mostrando aumentos de hasta un 40% en la resistencia mecánica. La heterogeneidad de las muestras se observó al analizar el aumento de entre un 80% y un 140% en la capacidad puzolánica de los relaves una vez tratados.
La lixiviación de metales pesados de muestras cementicias conteniendo relaves fue analizada, estudiando específicamente el mecanismo de atrapamiento de fases de cobre dentro de la matriz cementicia. Se determinó que la razón agua-cemento es estadísticamente significativa al analizar la lixiviación de cobre, y se observó la migración de fases de cobre durante el proceso de hidratación hacia productos cementicios como silicatos de calcio hidratados, lo cual fue comprobado mediante análisis de SEM y XANES. También se midió los niveles de lixiviación generales, observando que cuando los relaves están incorporados en la matriz cementicia, los niveles de lixiviación son despreciables.
Finalmente, con la información anterior se desarrolló una metodología para la medición del impacto medioambiental del uso de relaves como material cementicio suplementario, usando análisis de ciclo de vida (LCA) para determinar el posible beneficio del uso de estos desechos. Como resultado se determinó que los beneficios del uso de relaves dependen de la capacidad de estos como material cementicio suplementario, y que, a mayor nivel de desempeño, mejores son los indicadores ambientales comparados con mezclas sin relaves. La nueva metodología propuesta permite una comparación certera de mezclas cementicias con materiales cementicios suplementarios, facilitando el estudio medioambiental de estos y otros residuos.
Este estudio demostró la factibilidad del uso de relaves como material cementicio suplementario, con las limitaciones impuestas por la heterogeneidad, la presencia de altas concentraciones de cobre y los impactos medioambientales analizados y discutidos.
Description
Tesis (Doctor in Engineering Sciences)--Pontificia Universidad Católica de Chile, 2020
Tesis (Doctor in Engineering Sciences)--Politecnico di Milano, 2020
Tesis (Doctor in Engineering Sciences)--Politecnico di Milano, 2020