En el estado de Sonora se encuentra ubicada la empresa minera Mexicana de Cananea, SA de CV, que produce aproximadamente 75 mil toneladas diarias de jales de cobre. Este desecho se está acumulando en una presa de sedimentación construida para evitar que los escurrimientos fluviales lo acarreen hacia otras áreas cercanas. En particular, la presa de control evita que se contamine la cuenca del río Sonora, el más importante del estado. A pesar de los esfuerzos de la empresa minera, la contaminación del área de embalse de la presa misma es inevitable, así como la del canal (sin revestimiento) que lleva los residuos desde la planta concentradora hasta la presa. Este problema puede provocar la infiltración de contaminantes en los mantos acuíferos de la zona. Los resultados del estudio que aquí exponemos plantean la posibilidad de emplearlos en la construcción.

Objetivo e importancia del estudio

El objetivo del estudio fue investigar y analizar las propiedades físicas y químicas de los jales de cobre, con el propósito de determinar si este desecho industrial es adecuado para desarrollar propiedades puzolánicas al ser incluido como aditivo mineral en el concreto de cemento portland.

La importancia del trabajo está asociada a la posibilidad de emplear los jales de cobre como un aditivo mineral que pueda reaccionar en forma puzolánica con el hidróxido de calcio que libera el cemento al hidratarse; reacción que generaría a su vez un nuevo elemento de dureza. Es decir, existe la posibilidad de que en lugar de que los jales de cobre se almacenen por millones de toneladas sin ninguna utilidad, la industria de la construcción los pueda emplear como un adicionante que por efecto puzolánico se convierta en piedra artificial, tal y como sabemos lo hace el cemento solo. Debe aclararse que cuando el cemento solo se hidrata produce fundamentalmente dos cosas: gel (silicatos hidratados) causante de la dureza y resistencia e hidróxido de calcio Ca(OH)₂ (cal libre), este último producto no contribuye a la resistencia pero ocupa un espacio en la estructura. Un ejemplo de su falta de cohesión es el hecho de que el hidróxido de calcio es arrastrado fácilmente fuera del concreto por el agua que logra establecer un flujo a través del material (la cal libre arrastrada se conoce comúnmente como salitre, el cual aparece como manchas en el concreto después de mojarse, especialmente en la temporada de lluvias).

Metodología empleada

El comportamiento de los jales de cobre se analizó tomando en cuenta básicamente tres áreas de interés que fueron las propiedades físicas, la composición química y la composición mineralógica. Algunos análisis de laboratorio se realizaron procesando el material en cuestión y algunos otros se realizaron con mezclas de mortero incluyendo los jales como un aditivo mineral. El mortero se elaboró mezclando cemento portland tipo I, arena y agua. Por definición, un aditivo es una sustancia diferente a los elementos básicos mencionados como integrantes de un mortero; en este caso los jales de cobre cumplen con esta definición y se les considera como un aditivo, el término mineral se adopta por tratarse de una especie de suelo o mineral en polvo.

Análisis de propiedades físicas

Las propiedades físicas se analizaron empleando como guía la norma ASTM (American Society for Testing and Materials) C 311 "Standard Test Methods for Sampling and Testing Fly Ash or Natural Pozzolans for use as a Mineral Admixture in Portland Cement Concrete". Los resultados obtenidos se cotejaron con las especificaciones incluidas en la norma ASTM C 618 "Standard Specification for Coal Fly Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolan for Use as a Mineral Admixture in Concrete".

Dentro de las pruebas realizadas para determinar las propiedades físicas de los jales de cobre se incluyeron: densidad (ASTM C 188), finura, contracción por secado de barras de mortero (ASTM C 157), sanidad (expansión en autoclave, ASTM C 151), índice de actividad puzolánica con cemento portland (ASTM C 109).

Análisis químico

Las pruebas realizadas para el análisis químico se hicieron de acuerdo a la norma ASTM C 311 y sus referencias. Para la determinación de los óxidos presentes en los jales de cobre se emplearon 174 diferentes muestras procesadas mediante el método de plasma. El análisis se realizó en el laboratorio CHEMEX-LAB de la ciudad de Hermosillo, Sonora. Los datos fueron proporcionados por Mexicana de Cananea S.A. de C.V. Se detectó la presencia de los siguientes óxidos: SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, MgO, K₂O, Na₂O y CaO. La prueba de pérdida por ignición se basó en la norma ASTM C 114.

Análisis mineralógico

El análisis mineralógico se realizó mediante el método de Difracción de Rayos X, con el objeto de conocer la cantidad de materia cristalina y amorfa de los jales de cobre.

Resultados y discusión

Según la norma ASTM C 618 existen tres clases de aditivos minerales que son:

• Clase N. Puzolanas crudas o calcinadas como las tierras diatomaceas, horstenos opalinos, arcillas, lutitas, tobas y cenizas volcánicas o pumicitas

• Clase F. Cenizas volantes producidas durante la combustión de antracita o carbón bituminoso.

• Clase C. Cenizas volantes normalmente producidas por la combustión de lignito o de carbón sub-bituminoso, el cual puede contener CaO en más de 10 por ciento.

De acuerdo con la definición anterior, se considera que los jales de cobre pueden ubicarse dentro de las puzolanas clase N, ya que las otras variedades de cenizas son resultado de la combustión del material molido para generar energía eléctrica. Por lo tanto, la discusión de resultados se centrará en las comparaciones pertinentes considerando las especificaciones correspondientes a la clase N.

Los resultados del análisis químico para la determinación de los óxidos y la prueba por ignición se presentan en el cuadro 1. La norma ASTM requiere un mínimo de 70 por ciento para las sumas de los porcentajes de la sílice (SiO₂), alúmina (Al₂O₃) y fierro (Fe₂O₃), y un máximo de 10 por ciento para la pérdida por ignición. Como se puede comprobar en el cuadro 1, la suma de los óxidos para los jales de cobre es de 83.47 por ciento, en tanto que la pérdida por ignición es de 11.44 por ciento. Según los resultados los jales de cobre no cumplen con el requisito de pérdida por ignición; esto indica que el material contiene partículas lo suficientemente suaves para ser consumidas por el fuego, afectando posiblemente en algún grado la reactividad final del material.

Cuadro 1. Análisis químico de los jales de cobre

SiO₂ 63.50%

Al₂O₃ 16.17%

Fe₂O₃ 3.80%

MgO 0.56%

K₂O 3.84%

CaO 0.14%

Na₂O 0.22%

Pérdida por ignición 11.44%

Los resultados del análisis mineralógico obtenidos mediante difracción de rayos x, se muestran en la figura 1. El propósito principal de este análisis consistió en detectar la presencia de material amorfo, el cual según la ASTM es indicativo de la posible alta reactividad del material. La figura 1 muestra que el material analizado no contiene minerales amorfos o no cristalinos, se observa cómo la línea base de la gráfica permanece sobre el eje horizontal. Las fases no cristalinas o amorfas se denotarían en un análisis por difracción de rayos x como secciones curvas (se levanta la línea base) denotando una concavidad hacia abajo entre los picos distintivos de los materiales que se detecten. En este análisis las concentraciones estimadas de los minerales cristalinos presentes en los jales de cobre son: cuarzo (55%), muscovita (30%), caolinita (10%) y pirita (5%).

Si bien es cierto que la ausencia de minerales amorfos se liga con una posible baja en la actividad puzolánica, es necesario verificar ésta por medio de pruebas físicas. Los resultados de las pruebas físicas que se consideran más simples y por lo tanto de un mayor interés para los constructores, se presentan a continuación.

• Densidad

Se procesaron tres muestras y se obtuvieron las densidades de 2.75, 2.72 y 2.732, con variaciones con respecto al promedio muy por abajo del 5 por ciento máximo especificado.

• Sanidad

Se procesaron dos muestras para someterlas a la prueba de expansión en autoclave. Se fabricaron las barras de mortero con una proporción de cien partes de cemento y 25 partes de aditivo mineral. Las barras de mortero de la prueba 1 (muestra 1) presentaron una expansión de 0.14%, en tanto que las barras de la prueba 2 (muestra 2) presentaron una expansión de 0.10 por ciento. Los resultados contrastan con el máximo permitido de 0.8 por ciento.

• Requerimiento de agua

Al igual que en las anteriores características, la ASTM C 618 establece una especificación para la variación del requerimiento de agua respecto a la mezcla de control. En este ensaye se empleó una mezcla de control. denominada mortero de control 1, el cual no incluyó aditivo mineral. Los resultados de este análisis se muestran en el cuadro 2, donde se observa que el porcentaje de agua requerido por diversas mezclas de ensaye con respecto a la mezcla de control 1 es menor que el máximo permitido de 115 por ciento.

Cuadro 2. Requerimiento de agua

Mezcla ensayada Agua óptima (ml) % respecto al control 1 ASTM C 618

100% cemento (control 1) 242.5 100

90% cemento + 10% aditivo 250 103

80% cemento + 10% aditivo 257 106 115% máximo

70% cemento + 30% aditivo 263 108

80% cemento + 20% aditivo 240 99

Las mezclas ensayadas donde se consideran diversos porcentajes de sustitución parcial de cemento por el aditivo mineral (jales de cobre), tienen como objetivo averiguar los beneficios de esta sustitución especialmente en la resistencia desarrollada, en este caso, el cuadro 2 nos permite prever que los jales de cobre no influirán en que la mezcla de mortero o de concreto requiera mucho más agua que la mezcla de control (en construcción, cuando las mezclas de concreto tienden a ser aguadas la resistencia final baja). Aparentemente, la mezcla de 80 por ciento de cemento más 20 por ciento de aditivo es excelente.

• Finura

La finura se analizó mediante un ensayo granulométrico de acuerdo con la norma ASTM C 618. Las mallas empleadas fueron las núm. 48, 65, 100, 150, 200, 325 y 400; sin embargo, la norma solamente marca una especificación para el porcentaje retenido en la malla núm. 325. El análisis granulométrico arrojó 47.14 por ciento de retenido (por peso) en la malla 325, mientras que la especificación señala un máximo de 34 por ciento. Ciertamente, los jales de cobre resultaron más gruesos de lo especificado y esto influirá de alguna manera para que la reactividad puzolánica no sea muy alta.

• Contracción por secado

La contracción por secado se obtuvo ensayando tres barras de mortero según la norma ASTM C 618, el porcentaje de contracción obtenido fue de 0.02 por ciento, el cual resultó menor que el máximo que permite la norma de 0.03 por ciento.

• Actividad puzolánica con cemento portland

Para detectar el grado de actividad puzolánica de los jales de cobre se realizaron pruebas de resistencia a la compresión empleando cubos de mortero (5× 5 × 5 cm). Se emplearon cinco mezclas, dos de control y tres de prueba para los porcentajes de sustitución de cemento que parecieron más atractivos. Las mezclas ensayadas fueron las mostradas en el cuadro 3. En este cuadro se incluye la mezcla de control 1 mencionada anteriormente y la mezcla de control 2, en el mortero de control 2 se empleó como reemplazo del cemento (en 20 por ciento) un material de relleno denominado filler que presenta cero reactividad con el cemento.

Cuadro 3. Proporciones de las mezclas empleadas para detectar la actividad puzolánica

Control 1 Prueba Prueba Prueba Control 2

Relación A / C 0.485 0.555 0.514 0.751 0.6

Cemento 500 g 450 g 400 g 350 g 400 g

Jales (aditivo) 0 g 50 g 100 g 150 g 100 g

Arena 1,375 g 1,375 g 1,375 g 1,374 g 1,375 g

Agua 242.5 ml 250 ml 257 ml 263 ml 240 ml

Fluidez 89.5 91 91.5 91 93

Debe mencionarse que las mezclas fueron proporcionadas para obtener una fluidez (prueba normalizada con la que se controla lo aguado de la mezcla) semejante. Las mezclas que se presentan de izquierda a derecha en el cuadro 3 se identificarán también como:

100% cemento (control 1)

90% cemento + 10% aditivo mineral (prueba)

80% cemento + 20% aditivo mineral (prueba)

70% cemento + 30% aditivo mineral (prueba)

80% cemento + filler (control 2)

Los resultados de los ensayes de resistencia a la compresión a los siete y 28 días se presentan en el cuadro 4, donde se puede observar que no existe una diferencia significativa entre los resultados de resistencia a los siete días y a los 28 días con respecto a la mezcla de control 1. Sin embargo, se puede apreciar en el mismo cuadro que la mezcla óptima resulta ser la constituida por 80 por ciento de cemento y 20 por ciento de aditivo mineral (jales de cobre), ya que estos resultados superan el mínimo establecido por la norma ASTM C 618 de 75 por ciento. Los resultados de resistencia a la compresión también se pueden apreciar en las figuras 2 y 3. Los resultados de la mezcla de control 2 nos permiten apreciar que los jales de cobre sí ayudan a mejorar la resistencia; recuérdese que la mezcla de control 2 fue fabricada con un agregado inerte (filler), el cual se ha comprobado que no reacciona con el cemento.

El poder puzolánico de los jales de cobre queda demostrado en el hecho de que cumple con los requisitos mínimos establecidos por la norma ASTM C 618. La pregunta es: ¿podrán los jales de cobre desarrollar más resistencia con el tiempo hasta acercarse o superar a la mezcla de control 1? Es posible contestar esta pregunta realizando más ensayos a edades superiores que los contemplados en esta investigación.

Conclusiones

El presente trabajo permite concluir que los jales de cobre presentan una reactividad puzolánica con el cemento portland, ya que cumplen con el mínimo especificado por la norma ASTM C 618. Sin embargo, los cambios en resistencia debidos a la actividad puzolánica entre los siete y los 28 días no fueron significativos. Como se puede observar de los resultados, no basta con que la suma de la sílica, alúmina y fierro sobrepasen 70 por ciento mínimo requerido por la norma ASTM C 618, sino que hacen falta otras características más para que el aditivo se constituya en un excelente material puzolánico, entre otras, que se posea una estructura mineralógica amorfa y una finura alta. Sin embargo, los jales de cobre pueden ser muy útiles para emplearse en concretos y morteros ya que poseen actividad puzolánica y esto permite, por un lado, un ahorro de cemento en las mezclas, y por otro, se puede dar en la construcción un buen destino a un desecho industrial que de otra manera llegaría eventualmente a contaminar si permaneciera inutilizado.

Normas de referencia

ASTM C 109 Test Method for Compressive Strength of Hydraulic Cement Mortars.

ASTM C 151 Test Method for Autoclave Expansion of Portland Cement.

ASTM C 157 Test Method for Length Change for Hardened Hydraulic Cement Mortar and Concrete.

ASTM C 188 Test Method for Density of Hydraulic Cement.

ASTM C 311 Standard Test Methods for Sampling and testing Fly Ash or Natural Pozzolans for Use as a Mineral Admixture in Portland-Cement Concrete.

ASTM C 305 Practice for Mechanical Mixing of Hydraulic Cement Pastes and Mortars of Plastic Consistency.

ASTM C 618 Specification for Fly Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolan for Use as a Mineral Admixture in Portland Cement Concrete.

Figura 1. Difracción de rayos x de jales de cobre.

Figura 2. Resistencia a la compresión de cubos de mortero ensayados a siete días.

(Resistencia a la compresión (kg / cm²) 100% cemento 90% cemento + 10% aditivo 80% cemento + 20% aditivo 70% cemento + 30% aditivo 80% cemento + 20% filler

Figura 3. Resistencia a la compresión de cubos de mortero ensayados a 28 días.

(Resistencia a la compresión (kg / cm² 100% cemento 90% cemento + 10% aditivo 80% cemento + 20% aditivo 70% cemento + 30% aditivo

80% cemento + 20% filler 400 350 300 250 200 150 100 50 0)