ARTICULO

 

Efecto de los Residuos Mineros en la  Durabilidad del Concreto, el Caso de Soluciones Ácidas Sulfuradas

 

 

Ing. Juan Carlos Montenegro Bravo
Instituto de Investigaciones en Metalurgia y Materiales, IIMETMAT
Universidad Mayor de San Andrés, UMSA. La Paz, Bolivia Institut für Nachhaltige Abfallwirtschaft und Entsorgungstechnik, Montanuniversität Leoben, Austria.

 

 

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RESUMEN

El estudio abarca el efecto de los residuos de minerales sulfurosos en Bolivia, provenientes de las operaciones minero metalúrgicas, que al entrar en contacto con el agua y oxígeno generan soluciones ácidas sulfuradas. Estas soluciones ácidas provocan, además de otros daños al medio ambiente, contaminación de extensas áreas geográficas y severo deterioro y corrosión en las estructuras de concreto pues al entrar en interacción con los constituyentes del cemento se producen reacciones químicas expansivas y de sustitución. Estos ambientes son también favorables al desarrollo de sulfobacterias que aceleran la formación de soluciones ácidas, con lo que el problema se agrava más.

El trabajo realiza un análisis de las áreas contaminadas y de la formación de etringita y taumasita en muestras de laboratorio, como los principales responsables del deterioro de estructuras de concreto, con probetas de las mismas características del Proyecto Iberoamericano DURACON y de otras composiciones.

Palabras claves: Soluciones ácidas sulfuradas, sulfobacterias, etringita, taumasita.

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INTRODUCCIÓN

La actividad minero metalúrgica en Bolivia se ha desarrollado principalmente en torno a la explotación del zinc, plomo, plata, estaño y oro. Como sucede en gran parte del mundo, los residuos industriales de esta actividad han causado y siguen provocando un impacto negativo al medio ambiente, sobre todo en suelos y aguas, pese a los esfuerzos de aplicación de la legislación ambiental [1]. Es muy larga la historia de la explotación minera, durante la cual se ha acumulado y depositado millones de toneladas de estos residuos sólidos y líquidos provocando una altísima contaminación en las áreas industriales y urbanas de los departamentos de Potosí y Oruro.

El estudio se centra en la contaminación del suelo por efluentes líquidos y residuos sólidos, por su efecto directo en la generación de soluciones ácidas sulfuradas que atacan al concreto. Durante las operaciones de explotación minera a cielo abierto o subterránea, la porción de rocas o minerales estériles es depositado en botaderos de desmontes o escombreras, generando grandes acumulaciones a lo largo de la actividad minera.

Desde el punto de vista mineralógico, estos desmontes tienen características peculiares. Cuanto mayor cantidad de minerales sulfurosos estén presentes (pirita, galena, calcopirita, etc,) mayor también será el riesgo medioambiental por su potencialidad de ser generadores de soluciones ácidas (drenaje ácido de roca - DAR).

Por otra parte, las colas son los residuos finos sólidos generados durante el procesamiento hidrometalúrgico de recuperación de los minerales. Las colas forman con el agua empleada en el proceso, una pulpa que contiene entre 30 a 50 % de sólidos que es depositada en presas (diques) de colas o estanques. De los 5 millones de toneladas de residuos sólidos que produce anualmente la minería en Bolivia, sólo el 50% de estos residuos es descargado en diques de colas de construcción satisfactoria, la otra mitad es vertida al suelo, ríos o arroyos [2]. Estos residuos finos tienen elevados contenidos sulfurosos por la naturaleza de los yacimientos existentes en Bolivia, que al entrar en contacto con el oxígeno del aire y agua se genera un proceso de oxidación de los sulfuros e hidrólisis con la consecuente generación de aguas ácidas sulfatadas, proceso que generalmente es acelerado por la acción bacteriana.

Los principales depósitos metálicos en Bolivia y en los que se realiza una explotación intensiva son yacimientos de minerales sulfurosos y se clasifican [3], respecto a su potencialidad de generación de drenaje ácido de roca (DAR), de potencialidad III (muy alta) y de potencialidad IIB (alta). Esta es una realidad dramáticamente confirmada por el alto grado de contaminación provocada principalmente en las regiones mineras y urbanas de Potosí y Oruro [4, 5].

Las aguas ácidas provenientes del DAR son generadas por las interacciones naturales que se produce entre los residuos sólidos sulfurosos (colas y desmontes) y las aguas superficiales o de lluvia. Durante la formación del DAR, la mayoría de los minerales sulfurosos en los desmontes o en las colas pueden oxidarse juntos y liberar agua ácida de altas concentraciones. Estas aguas ácidas normalmente son neutralizadas con la adición de calcita (CaCO₃) a objeto de reducir su peligrosidad.

Las aguas ácidas resultantes y colas vertidas, contienen elevadas concentraciones de sulfatos en solución y otros metales, por lo que los suelos y aguas afectadas por su contaminación, sumada a la presencia de actividad de sulfobacterias, son una fuente para una severa corrosión del acero, degradación y destrucción prematura del concreto.

Las estructuras de hormigón afectadas por estas aguas sulfatadas son muros, diques, columnas, edificaciones, canales y tuberías de hormigón, sistemas de alcantarillado y daños a la infraestructura sanitaria y a la red de distribución de agua potable. Este es el caso de algunos sectores de las ciudades de Potosí y Oruro.

 

DESARROLLO EXPERIMENTAL

Los ensayos se realizaron con las dos mezclas de concreto empleadas en el Proyecto DURACON [6] (a/c 0,65 y a/c 0,45), y una de cemento Portland IP-40 de relación a/c 0,45.

Se emplearon especímenes cilíndricos de concreto de relación a/c 0,65 y 0,45. No se utilizaron probetas de las dimensiones 25 X 25 x 285 mm, recomendadas por el método ASTM C 1012 para la evaluación de la sulfato resistencia por expansión de morteros, pues los ensayos realizados, antes que evaluar la expansión, se orientaron a realizar una inspección visual periódica de las probetas y análisis de microscopía electrónica de los productos generados en el concreto al cabo de 6 meses de exposición.

Los especímenes fueron sumergidos en solución diluida de sulfato de sodio al 5 %, tomando como referencia el Método ASTM C 1012, y en solución de drenaje ácido de roca generado por piritas. El drenaje obtenido corresponde a la composición de una muestra de perforación de suelo correspondiente al denominado Playón Tarapaya de la ciudad de Potosí, área fuertemente contaminada por colas y desmontes de minerales sulfurosos. La ley de sulfuros de fracciones - 48 M (297 um, serie Tyler) de las muestras de suelo del Playón Tarapaya, alcanza a un promedio de 19,73 % de sulfuros constituidos principalmente por piritas.

En las Figuras 1, 2 y 3 respectivamente, se observa la ubicación geográfica de la zona minera de estudio, parte de los desmontes y la generación de drenaje ácido de roca (DAR).

 

RESULTADOS

Al cabo de 6 meses de exposición de las probetas en solución de sulfato de sodio al 5 % y en solución de drenaje de suelo contaminado, las observaciones realizadas son las siguientes:

1. Los especímenes de 0,65 a/c en la solución de 5% de sulfato de sodio presentan pequeños agrietamientos y un leve deterioro manifiesto en los bordes de los cilindros (Figuras 4 y 5). Los especimenes de 0,45 a/c no presentan modificaciones apreciables a simple vista ni los concretos de cemento IP-40.

2. Los especímenes de 0,65 a/c en la solución de drenaje ácido presentan una fisuración notable y desprendimiento al menor esfuerzo de algunas de sus partes. Su deterioro es prácticamente completo (Figura 6). Los especimenes de 0,45 a/c presentan un deterioro menor pero también se manifiestan fisuras y desprendimientos (Figura 7). Lo mismo ocurre con el concreto IP-40, aunque en menor medida (Figura 8).

Figura 8. Degradación concreto IP-40 en DAR

 

DISCUSIÓN DE RESULTADOS

Los resultados obtenidos en los especimenes de concretos sometidos al ensayo, se explican básicamente por las reacciones entre el aluminato tricálcico C₃A presente en el cemento Pórtland y los sulfatos (SO₄ ²-) existentes en las soluciones de ensayo y que se manifestaron físicamente por agrietamientos y degradación de los especímenes (Figuras 4 a 8). Estos resultados están directamente relacionados a la formación de etringita, yeso (productos expansivos) y taumasita, producto sustitutivo que disgrega la pasta de cemento en el concreto.

La existencia de una fuente casi permanente de sulfatos presentes en la solución DAR se explica por la oxidación e hidrólisis de los minerales sulfurosos, principalmente de la pirita.

Ante la presencia de agua y oxígeno, el sulfuro es liberado formando ácido sulfúrico y el hierro, a su vez, se libera inicialmente como Fe⁺²:

El bajo pH y el Fe³⁺ pueden a su vez actuar y disolver más pirita y puede reaccionar con otros minerales sulfurosos.

En este proceso la acción bacteriana, en especial el género Thiobacillus, presente en la zona de estudio, también juega un rol muy importante en la producción de hierro férrico y actúan como catalizadores de las reacciones de oxidación e hidrólisis que generan el drenaje ácido, que para el caso in situ, agravan el proceso observado en laboratorio.

La actividad de Thiobacillus ferroxidans sobre la superficie de la pirita se explica en las siguientes reacciones [7, 8]:

La existencia o generación de ión férrico Fe³⁺ influye a su vez, de manera indirecta, disolviendo aun más la pirita, de acuerdo a las reacciones siguientes:

Como se ve, la acción de estas bacterias contribuyen a acelerar las reacciones descritas anteriormente y que corresponden a la generación de drenaje ácido.

El ataque por sulfatos con formación de etringita observado, corresponde al típico ESA (ettringite form of sulfate attack) que se caracteriza por contar con la existencia de una fuente externa de sulfatos en solución y por tener como productos de reacción sales expansivas, como son el sulfato de calcio dihidratado (yeso) y la etringita.

El sulfato de sodio reacciona con el Ca(OH)₂ formando yeso, el cual a su vez reacciona con el aluminato tricálcico hidratado para dar lugar a la formación de etringita:

 

Por la cantidad de etringita formada, se produjeron agrietamientos debido a la reacción expansiva de la etringita que no solo ocupó poros o micro fisuras (Figuras 9, 10 y 11), sino que generó fuertes tensiones internas.

El ataque por sulfatos con formación de Taumasita (TSA - Thaumasite form of sulfate attack) se explica debido a que los constituyentes afectados son los silicatos cálcicos hidratados (CHS), principal agente ligante del cemento. Implica la sustitución del CHS por la taumasita, dando como resultado final una estructura sin cohesión alguna y de fácil desprendimiento [9].

por lo que la fuente de estos carbonatos se encuentra paradójicamente en el neutralizador empleado como "inhibidor" ambiental, como es la calcita.

Las obras que más riesgo corren de sufrir el ataque TSA son las fundaciones de estructuras de concreto, túneles y tuberías subterráneas. Las condiciones necesarias para este mecanismo de ataque son:

•    que la fundación de concreto se encuentre en suelos húmedos,

•     presencia de sulfatos en solución,

•    que exista una fuente de iones carbonato

•    y que la temperatura ambiente sea menor a 15°C[10].

Todas estas condiciones se cumplen en las zonas de estudio.

Comparado con el ataque ESA con formación de etrigita, el TSA es mucho peor, pues la formación de taumasita se realiza a costa de los silicatos de calcio hidratados CHS, que son los principales constituyentes que brindan resistencia y cohesión al concreto.

 

CONCLUSIONES

Para que pueda ocurrir la formación de taumasita se necesita la disponibilidad de iones sulfatos e iones carbonato. No se observo presencia de taumasita en los ensayos de solución de sulfato de sodio al 5%, pero si en el caso del ensayo con solución DAR, debido a la existencia de carbonato de sodio, neutralizador comúnmente usado en las operaciones mineras (Figura 12).

Una fuente importante de iones carbonato puede encontrarse en el mismo concreto, si en su elaboración se ha empleado agregado calcáreo o calizo. Sin embargo, los concretos empleados en el ensayo fueron elaborados con agregado silíceo,

1.  Ninguno de los especimenes ensayados ofreció resistencia satisfactoria al ataque del drenaje DAR proveniente de los residuos mineros.

2.  Para el caso de la solución de sulfato de sodio se confirma que la resistencia al ataque de sulfatos mejora al emplear en el concreto la menor relación de agua/cemento posible y al utilizar cemento con puzolana.

3.  La resistencia al ataque de sulfatos en el concreto está relacionada a la disminución del contenido de C₃A e hidróxido de calcio en el cemento por dilución del contenido de clinker en el cemento puzolánico, que pueden inhibir en alguna medida las reacciones de formación de yeso y etringita.

4.  Para el caso de suelos contaminados con drenaje ácido de roca, la presencia de puzolana no evita la presencia destructora de la taumasita.

5.  En las operaciones de mitigación ambiental de la minería debe emplearse otro neutralizante de las aguas provenientes de DAR, pues el empleo de calcita favorece el ataque de los sulfatos por formación de taumasita.

 

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] Ley de Medio Ambiente. Capítulo XI. La Paz, 1992.        [ Links ]

[2] Servicio Nacional del Medio Ambiente -Swedish Geological AB. "Evaluación Ambiental del Sector Minero, Bolivia". SENMA, La Paz, 1993.        [ Links ]

[3] Knight Piésold Consultores S.A., Ministerio de Desarrollo Económico, Viceministerio de Minería y Metalurgia. "Guía Ambiental de Presas de Colas". Unidad Sectorial de Medio Ambiente, La Paz, 2001.        [ Links ]

[4] Fundación MEDMIN, Proyecto CIPMA. "Valorización de los impactos ambientales de la minería en el área de la ciudad de Potosí". 2000.        [ Links ]

[5] Zambrana, German. "Estudio Piloto de una de la áreas contaminadas del rio Tarapaya-Potosí". 2002.        [ Links ]

[6] DURACON, "Influencia de la Acción del Medio Ambiente en la Durabilidad del Concreto". C. Andrade/ Coordinadora Internacional Subprograma XV: ‘^‘Corrosion/Environment Impact on Materials; O. Troconis de Rincón/ Coordinadora Internacional DURACON; Argentina (M. Barboza, F. Irassar); Bolivia(J. C. Montenegro); Brasil (M. G. de Lima, P. Helene); Chile (R. Vera, A. M. Carvajal); Colombia (R. M. de Gutiérrez, S. Del Vasto); Costa Rica (E. Saborio); México (A. Torres-Acosta, J. Pérez-Quiroz, M. Martínez-Madrid, P. Castro-Borges, E. I. Moreno); Portugal (M. Salta, A. P. de Melo); Spain (I. Martínez, M. Castellote); Uruguay (G. Rodrıíguez, M. Derrégibus); Venezuela (M. Sánchez, E. A. de Partidas, R. Fernández).        [ Links ]

[7] Zagury, G.J., K.S. Narasiah and R.D. Tyagi. "Adaptation of indigenous Iron-oxidizing bacteria for bioleaching of heavy metals in contaminated soils". Environ.Tech. 15: 517-530. 1994.        [ Links ]

[8] Tuovinen, O.H., B.C. Kelly, and S.N. Groudev. "Mixed cultures in biological leaching processes and mineral biotechnology. Mc Graw-Hill. New York. 1991.        [ Links ]

[9] Halliwell; Crammond, N.; Baker, A. "The thaumasite form of sulfate attack in limestone-filled cement mortars". Building Research Establishment. 1996.        [ Links ]

[10] Parker, Dave. "Sulphate attack hits M5 bridges". New Civil Enginner, Abril. 1998.        [ Links ]