Desarrollo de soluciones químicas especializadas para una reutilización más eficiente y sostenible de los residuos del procesamiento mineral

Master Builders Solutions lleva casi 20 años desarrollando productos para el relleno minero. Su gama MasterRoc MF comprende más de 25 productos, complementados con formulaciones desarrolladas específicamente para cada mina. Esta amplitud de gama responde a la variabilidad de los residuos de tratamiento, los conglomerantes y las aguas de proceso: un producto que funciona bien en una explotación puede requerir una formulación diferente en otra.

Añadir agua puede facilitar el transporte de una pasta difícil de manejar, pero también limita la concentración de sólidos y puede aumentar la cantidad de conglomerante necesaria para alcanzar la resistencia exigida. Los aditivos MasterRoc MF ofrecen otra vía para controlar este equilibrio. Al mejorar la reología de la pasta, determinadas formulaciones permiten aumentar el contenido de sólidos y reducir el consumo de cemento, siempre que se cumplan los requisitos de resistencia y de operación de la mina [1–3].

El relleno con pasta aporta sostenimiento al macizo rocoso y es una vía de aprovechamiento para los residuos de tratamiento aptos para este uso [4]. Master Builders Solutions, líder en soluciones químicas para construcción subterránea, contribuye mediante el desarrollo de productos, su suministro y el asesoramiento para su aplicación.

El equipo técnico trabaja con los materiales de la mina para seleccionar o desarrollar la formulación química adecuada y definir cómo utilizarla. La mina y sus equipos de ingeniería establecen el diseño del relleno y los criterios de aceptación; Master Builders Solutions proporciona el soporte para que el aditivo seleccionado aporte los beneficios previstos [2].

Los aditivos reductores de agua y dispersantes disminuyen la aglomeración de partículas y mejoran la fluidez para un contenido de agua determinado. La consiguiente reducción de la tensión de fluencia puede aprovecharse para disminuir la presión en la tubería o aumentar el contenido de sólidos manteniendo una fluidez aceptable. Cuando la resistencia lo permite, también puede facilitar una reducción del conglomerante. Los especialistas de Master Builders Solutions seleccionan la formulación y la dosificación en función de las prioridades del cliente, evaluando cómo interactúan estos beneficios en la mezcla ensayada [1–3].

Los ensayos de campo publicados ilustran este potencial. En un estudio de 2024, MasterRoc MF 707 redujo un 52% la tensión de fluencia de la pasta utilizada en el relleno principal y un 41,6% la presión en la tubería, sin modificar los contenidos de sólidos ni de conglomerante. Una mezcla posterior aumentó el contenido de sólidos del 76,5% al 78% y redujo el contenido de conglomerante declarado del 3% al 2,5%; su resistencia a compresión simple (UCS) a 28 días fue de 956 kPa, frente a los 796 kPa de la mezcla de referencia [2]. Estos resultados corresponden a los materiales y las condiciones de curado evaluados en dicho estudio.

El mantenimiento de la fluidez es tan importante como la fluidez inicial. Una pasta que sale con facilidad del mezclador puede rigidizarse durante el transporte o como consecuencia de una interrupción de la producción. Master Builders Solutions evalúa cómo afectan los productos seleccionados al mantenimiento de la trabajabilidad, al fraguado y a la resistencia inicial. Los resultados obtenidos sirven de orientación para el desarrollo de las formulaciones y para recomendar una dosificación ajustada para conseguir las condiciones de manejo especificadas por la mina.

Una molienda más fina puede mejorar la liberación de los minerales, pero el aumento de ultrafinos puede dificultar la deshidratación y el bombeo de los residuos resultantes. Un exceso de finos también puede perjudicar la flotación. Cuando las características del mineral lo permiten, la recuperación de partículas gruesas puede evitar una molienda innecesaria [5]. En la planta de relleno, los cambios en el tamaño de partícula y la superficie específica modifican la demanda de agua y las interacciones entre partículas. La investigación sobre pastas ultrafinas confirma que el pH y la dosificación del aditivo influyen en su reología [6].

Por ello, los ensayos de aplicación de Master Buileders Solutions utilizan residuos representativos y agua de proceso real, teniendo en cuenta los efectos de los reactivos utilizados aguas arriba. El equipo evalúa la influencia de la dosificación en la conservación de la fluidez, la tensión de fluencia y la viscosidad, y comprueba después la segregación, la exudación y el desarrollo de resistencias [6,7]. Los floculantes facilitan la deshidratación; los dispersantes para pasta mejoran el comportamiento de la mezcla concentrada. Sus funciones y puntos de adición son diferentes. El producto MasterRoc MF seleccionado debe ser compatible con los materiales que llegan a la planta de relleno y con el tiempo disponible para su transporte y colocación.

Una dosificación establecida para unos materiales no debe trasladarse directamente a otra. Las fracciones ricas en arcillas, la salinidad del agua y el floculante residual pueden modificar el comportamiento de la mezcla[1]. Esta variabilidad influye directamente en la selección y el desarrollo de productos de Master Builders Solutions. Cuando la gama existente no ofrece la respuesta adecuada, puede desarrollarse una formulación específica para la mina y de nuevo, ensayarse con sus materiales.

Antes de añadir el conglomerante, una tonelada seca de residuos con un 65% de sólidos en masa contiene unos 538 litros de agua. Al 75%, esta cantidad se reduce a 333 litros: aproximadamente 205 litros menos por tonelada seca, o 205.000 m³ por millón de toneladas secas. La figura 2 presenta un balance de masas, no un ahorro previsto por el uso de aditivos. El agua adicional disponible para su reutilización depende de la recuperación ya conseguida en otras partes del circuito.

Un mayor contenido de sólidos permite incorporar más residuos secos en un volumen fijo de relleno colocado. El tonelaje enviado a los depósitos en superficie solo disminuye cuando ese material adicional se coloca realmente en el interior de la mina; la deshidratación por sí sola no modifica la masa seca. La disponibilidad de cámaras, la densidad del relleno, el diseño de los diques de contención y la secuencia de explotación limitan este aprovechamiento [4]. Master Builders Solutions contribuye ensayando distintas opciones de aditivos a las concentraciones de sólidos propuestas por la mina. Esta puede cuantificar después las toneladas secas adicionales reutilizadas bajo tierra y el agua que deja de enviarse a su instalación de residuos.

Una pasta que requiera menos presión para un mismo caudal también puede reducir la demanda de bombeo o proporcionar margen operativo para una formulación con más sólidos [3,8]. Se trata de formas alternativas de aprovechar la mejora reológica. Para determinar el ahorro energético es necesario medir la potencia y el caudal, especialmente cuando la gravedad contribuye al transporte.

El desarrollo del producto comienza con los materiales de la mina y la mejora que se espera obtener del aditivo. Una elevada demanda de agua, la pérdida de trabajabilidad o un consumo excesivo de conglomerante pueden exigir respuestas químicas diferentes. Master Builders Solutions examina las características de los residuos, la química del agua de proceso y la compatibilidad con el conglomerante para seleccionar la mejor solución disponible o desarrollar una formulación específica. La mina facilita las condiciones de operación, los requisitos de resistencia y las edades de curado con los que se evaluará el aditivo [1,4].

La selección inicial en laboratorio compara las diferentes opciones de la gama MasterRoc MF con una mezcla de patrón sin aditivo, manteniendo los mismos contenidos de sólidos y de conglomerante. Se varía la dosificación para determinar su efecto sobre la fluidez, la estabilidad y la resistencia. A continuación, el equipo técnico puede estudiar la reducción de agua y, cuando los resultados lo justifican, la disminución del contenido de conglomerante. Estas comparaciones permiten distinguir el efecto inicial del producto de los efectos de un cambio de formulación y orientan los ajustes posteriores. Los ensayos de UCS con réplicas, a las edades de curado exigidas por la mina, permiten comprobar tanto la consistencia de los resultados como la resistencia media [2,3,7].

La dosificación elegida no es necesariamente la que produce el mayor asentamiento. Una mezcla adecuada debe mantenerse homogénea y desarrollar la resistencia exigida en el intervalo previsto de temperaturas y tiempos de permanencia. Una dosificación excesiva o combinaciones incompatibles pueden afectar al fraguado, por lo que la evaluación abarca las propiedades tanto en estado fresco como endurecido [1,7].

Los ensayos en mina permiten a Master Builders Solutions comprobar que la respuesta del producto observada en laboratorio se reproduce en condiciones reales. Nuestros técnicos especialistas en aplicación aportan su experiencia para ajustar la dosificación, la definición del punto de adición y el procedimiento de mezclado, mientras la mina supervisa el funcionamiento de la planta. La información sobre el comportamiento de la pasta y su resistencia ayuda a ajustar la selección del producto o la dosificación cuando cambia la alimentación. Esta colaboración conecta el desarrollo de las formulaciones con su aplicación práctica y proporciona asistencia técnica continuada tras el inicio del suministro.

El cemento genera emisiones por la calcinación de la caliza y el consumo de combustible en el horno [9]. Por tanto, una formulación MasterRoc MF que permita reducir el agua y alcanzar una resistencia adecuada con una dosificación menor de cemento puede mejorar tanto el coste de los materiales como la huella de carbono. La comparación debe basarse en la masa de cemento medida por metro cúbico de relleno que cumpla las especificaciones, en lugar de considerar únicamente el porcentaje de conglomerante, ya que una variación de la concentración de sólidos también modifica la densidad de la mezcla [3].

Las cenizas volantes pueden sustituir parte del cemento cuando su composición y reactividad son adecuadas para los residuos de tratamiento [10]. Las escorias y las arcillas calcinadas son otras opciones, aunque sustituir el conglomerante modifica las necesidades de aditivo. La investigación sobre conglomerantes con arcilla calcinada para relleno en pasta demuestra cómo la selección del superplastificante puede recuperar la trabajabilidad [11]. Master Builders Solutions evalúa la compatibilidad del producto con el conglomerante propuesto, centrándose en la reducción de agua, el tiempo de manejo y el desarrollo de resistencias. La evaluación de la mina también debe abordar la durabilidad, la permeabilidad y la lixiviabilidad, especialmente cuando los residuos contienen sulfuros. Un estudio español de análisis del ciclo de vida del relleno ilustra el potencial de un residuo de magnesita calcinada, con beneficios específicos para las mezclas ensayadas [12].

En un cálculo ilustrativo, sustituir el 25% de un consumo anual de 20.000 toneladas de cemento, manteniendo la masa total de conglomerante, evitaría el uso de 5.000 toneladas de cemento. Con un factor supuesto de 0,8 t CO2 por tonelada, el ahorro bruto sería de 4.000 t CO2. El ahorro neto debe tener en cuenta los materiales de sustitución, los aditivos, el transporte y cualquier cambio en la energía de deshidratación o bombeo [12]. Las evaluaciones reales deben utilizar factores de emisión específicos de los proveedores y límites de cálculo coherentes.

Los estériles de mina y los residuos minerales adecuados pueden ampliar la reutilización mediante el relleno, siempre que cumplan los requisitos granulométricos, de colocación y de compatibilidad geoquímica [13]. El reprocesamiento de residuos históricos, puede recuperar metales, pero también modifica el residuo que debe almacenarse. Los residuos que contienen magnesio pueden fijar CO₂ mediante carbonatación mineral, aunque es necesario demostrar la eliminación neta [14]. La energía renovable para la deshidratación y el bombeo, así como los equipos subterráneos eléctricos de batería, ofrecen reducciones adicionales cuando el suministro eléctrico y los ciclos de trabajo lo permiten [15,16]. Estas medidas complementan una formulación eficiente del relleno.

Un ensayo de aditivos debe demostrar qué aporta el producto al proceso existente de la mina. Master Builders Solutions supervisa la comparación de fluidez, dosificación y resistencia, mientras la mina evalúa el consumo de cemento y las emisiones de CO₂ por metro cúbico de relleno que cumple las especificaciones, la recuperación de agua, las toneladas secas destinadas al relleno subterráneo y el consumo energético. Los valores anuales muestran el efecto global. Las comparaciones de costes deben incluir el aditivo y su dosificación, junto con el ahorro de conglomerante. Los residuos que siguen almacenándose en superficie continúan necesitando medidas adecuadas de contención, seguimiento y gestión del cierre [17].

Master Builders Solutions aporta a este trabajo su experiencia en el desarrollo y la aplicación de productos. La gama MasterRoc MF constituye un punto de partida, con formulaciones específicas para cada mina cuando sus materiales requieren una respuesta diferente. En colaboración con el cliente, desde la toma de las primeras muestras, durante la realización de los ensayos previos y de aplicación y de forma continuada, una vez iniciado el suministro, Master Builders Solutions ayuda a convertir el potencial de sus aditivos en un beneficio real para las operaciones de relleno.

Referencias técnicas

[1] Martic, Z., Gelson, J. E., Champa, J. & Knight, B. (2011). Admixtures in backfill applications for cost and performance benefits. Paste 2011, Australian Centre for Geomechanics, 523–536. doi:10.36487/ACG_rep/1104_45_Martic

[2] Sadler, O., Ricketts, S. & Koupriantchik, D. (2024). Enhancing cemented paste backfill using chemical admixtures to create economic and environmentally sustainable paste fill. Paste 2024, Australian Centre for Geomechanics, 395–418. doi:10.36487/ACG_repo/2455_32

[3] Sato, K., Salter, R. & Zajac, A. D. (2024). Reducing CO2 accumulation in cemented paste backfill with optimised solids–cement equivalency and chemical admixtures. Paste 2024, Australian Centre for Geomechanics, 545–556. doi:10.36487/ACG_repo/2455_43

[4] Belem, T. & Benzaazoua, M. (2008). Design and Application of Underground Mine Paste Backfill Technology. Geotechnical and Geological Engineering, 26, 147–174. doi:10.1007/s10706-007-9154-3

[5] Anzoom, S. J., Bournival, G. & Ata, S. (2024). Coarse particle flotation: A review. Minerals Engineering, 206, 108499. doi:10.1016/j.mineng.2023.108499

[6] Zhu, L. et al. (2023). Rheology of ultrafine tailings cemented paste backfill: The effect of the aqueous solution pH and superplasticiser dosage. Construction and Building Materials, 404, 133270. doi:10.1016/j.conbuildmat.2023.133270

[7] Zhang, J. et al. (2018). Effects of Superplasticizer on the Hydration, Consistency, and Strength Development of Cemented Paste Backfill. Minerals, 8(9), 381. doi:10.3390/min8090381

[8] Boger, D. V. (2013). Rheology of Slurries and Environmental Impacts in the Mining Industry. Annual Review of Chemical and Biomolecular Engineering, 4, 239–257. doi:10.1146/annurev-chembioeng-061312-103347

[9] Scrivener, K. L., John, V. M. & Gartner, E. M. (2018). Eco-efficient cements: Potential economically viable solutions for a low-CO2 cement-based materials industry. Cement and Concrete Research, 114, 2–26. doi:10.1016/j.cemconres.2018.03.015

[10] Tuylu, S. (2022). Investigation of the Effect of Using Different Fly Ash on the Mechanical Properties in Cemented Paste Backfill. Journal of Wuhan University of Technology–Mater. Sci. Ed., 37, 620–627. doi:10.1007/s11595-022-2576-1

[11] Dhers, S., Freimut, D., Martic, Z. & Salter, R. (2024). Admixture impact on rheological properties of a calcined clay binder for cemented paste backfill. Paste 2024, Australian Centre for Geomechanics, 131–138. doi:10.36487/ACG_repo/2455_09

[12] Valenzuela-Díaz, M. J. et al. (2025). Life Cycle Assessment of Portland Cement Alternatives in Mine Paste Backfill. Applied Sciences, 15(18), 9996. doi:10.3390/app15189996

[13] Lee, C. & Gu, F. (2017). Co-disposal of waste rock with backfill. UMT 2017, Australian Centre for Geomechanics, 353–362. doi:10.36487/ACG_rep/1710_27_Lee

[14] Wilson, S. A. et al. (2014). Offsetting of CO2 emissions by air capture in mine tailings at the Mount Keith Nickel Mine, Western Australia: Rates, controls and prospects for carbon neutral mining. International Journal of Greenhouse Gas Control, 25, 121–140. doi:10.1016/j.ijggc.2014.04.002

[15] Igogo, T. et al. (2021). Integrating renewable energy into mining operations: Opportunities, challenges, and enabling approaches. Applied Energy, 300, 117375. doi:10.1016/j.apenergy.2021.117375

[16] Kukkonen, S. (2017). Energy consumption analysis of battery electric vehicles in underground environments. UMT 2017, Australian Centre for Geomechanics, 569–580. doi:10.36487/ACG_rep/1710_46_Kukkonen

[17] Kossoff, D. et al. (2014). Mine tailings dams: Characteristics, failure, environmental impacts, and remediation. Applied Geochemistry, 51, 229–245. doi:10.1016/j.apgeochem.2014.09.010