MEMORIA DESCRIPTIVA

CAMPO DE APLICACIÓN

[0001] La presente invención se dirige a la fabricación de pellets de áridos artificiales a partir de relaves, preferentemente, relaves provenientes de la minería del cobre, y al uso de estos pellets como soluciones de ingeniería.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

[0002] Los áridos o agregados son materiales ampliamente utilizados en la construcción. Los áridos más utilizados en la industria tienen un origen natural, a partir de arena, gravilla o roca molida, entre otros, y se presentan en la forma de material particulado de grano medio o grueso. Los agregados naturales, un recurso natural no-renovable, son uno de los minerales más explotados, existiendo un creciente interés en masificar el uso de agregados artificiales en reemplazo de aquellos de origen pétreo. Sin embargo, la fabricación de agregados artificiales usualmente es costosa, como ocurre en los agregados cerámicos, que requieren aplicar tratamientos de alta temperatura a una materia prima, como la arcilla.

[0003] La industria de la construcción utiliza principalmente áridos (grava, gravilla, arena, filler) ya sea en la generación de rellenos y terraplenes para emparejar terrenos o construir puentes, en la construcción de caminos rurales o con superficie de rodado como bases y subbases ,y también constituyen el 80% del hormigón que se utiliza y el 90% de las mezclas asfálticas que se utilizan. Sólo en la Región Metropolitana, Chile, se utilizó en 2019 más de 1800 millones de toneladas de áridos. Para la extracción de áridos se requieren permisos especiales ambientales los que son cada vez más escasos debido a los impactos ambientales que conllevan. Esto ha hecho que las fuentes de áridos naturales se alejen de los centros de consumo lo que ha incrementado su precio significativamente y, por otro lado, fomentando la explotación ilegal de áridos con impactos ambientales enormes.

[0004] Por otra parte, existen soluciones relacionadas a la fabricación de áridos artificiales a partir de materiales reciclados, como el plástico, o a partir de subproductos de otros procesos, como los agregados fabricados a partir de la escoria de alto homo, como subproducto no metálico durante la fundición de hierro y acero, por ejemplo. Los áridos artificiales a partir de materiales reciclados resuelven muchos problemas de la industria, pero aún suelen ser costosos de fabricar y, en la mayoría de los casos, no son útiles en aplicaciones donde se requiere robustez mecánica, como en la fabricación de concreto para la construcción.

[0005] En efecto, los áridos artificiales usualmente se clasifican como agregados livianos o de bajo peso, ya que pesan menos de 1 g/cm ³ o incluso menos de 0,8 g/cm ³ . En este último caso, los agregados livianos solo son útiles en aplicaciones donde no se requiere robustez mecánica, como en los materiales de aislación, ya que no tienen la suficiente resistencia mecánica como para su uso en la fabricación de materiales para la construcción.

[0006] En este sentido, la industria minera genera aproximadamente 200 toneladas de relave por tonelada de cobre producido, provocando que en Chile se produjeran en 2019 1120 millones de toneladas de relave que terminaron en tranques de relaves, lo cual genera riesgos ambientales relevantes como los asociados a riesgos sísmicos y percolación de metales tóxicos a las napas subterráneas. Eso implica importantes gastos en las empresas mineras para el manejo y gestión de los tranques de relaves, y está siendo una de las principales barreras para la generación de nuevos proyectos mineros o para la ampliación de proyectos existentes.

[0007] Por su parte, los geopolímeros son polímeros sintéticos inorgánicos de aluminosilicatos que proceden de la reacción química conocida como geopolimerización. Esta reacción se produce al mezclar aluminosilicatos con activadores alcalinos concentrados (o menos frecuentemente con ácidos), comúnmente hidróxidos y/o silicatos alcalinos, con lo cual se obtiene una nueva red molecular polimérica.

[0008] Los procesos de geopolimerización se basan en la formación de polímeros minerales en ambientes alcalinos a presiones normales o altas (del orden de hasta 35 MPa), temperaturas desde la ambiental hasta 120°C, donde además se pueden utilizar distintos activadores químicos (hidróxidos de metales alcalinos) y/o silicatos para colaborar en la formación de estos polímeros. La conformación química de estos geopolímeros, con arreglos moleculares de tipo -Si-O-Al-O- por ejemplo, permite la utilización de silicatos y alúminas en arreglos altamente compactos en ambientes de pH alto.

[0009] Existen diferentes tipos de geopolímeros, de los cuales los más estudiados han sido fabricados a partir de cenizas volantes, escorias de alto horno, metacaolín y otras materias primas ricas en aluminosilicatos altamente reactivos. Los geopolímeros son materiales que presentan características sobresalientes en cuanto a su resistencia mecánica, resistencia al fuego y resistencia a agentes corrosivos. Investigaciones sobre impacto ambiental demuestran que los geopolímeros son una alternativa a materiales con gran cantidad de energía incorporada, como es el caso del hormigón a base de cemento Portland, que es el material de construcción más utilizado en el mundo.

[0010] Para la obtención de geopolímeros se necesita de dos componentes principales; en primer lugar, una fuente rica en aluminosilicatos y, en segundo lugar, una solución alcalina endurecedora con una concentración adecuada. Una fuente de aluminosilicates que ha tratado de implementarse se obtiene a partir de los relaves provenientes de la minería.

[0011] La aproximación tradicional de los geopolímeros ha sido identificar materiales particulados que ya cuentan con un gran potencial de geopolimerización, sin hacer procesos previos de activación. Sin embargo, esta aproximación limita en demasía los materiales para ser geopolimerizables, y le resta competitividad, ya que dichos materiales, además de ser escasos, pueden estar a grandes distancias de los centros de consumo. En consecuencia, implementar geopolimerización en la fabricación tradicional de áridos artificiales resulta en desventajas económicas y ambientales. En este sentido, además de ser útil en el contexto del método de la invención, la posibilidad de utilizar residuos de la minería (pasivo ambiental) para geopolimerización abre las puertas para una minería más verde que, en lugar de residuos, entrega un material de construcción competitivo y que a su vez evita la explotación de áridos naturales.

[0012] En el estado del arte existen soluciones que intentan abordar esta problemática. Una de ellas corresponde al documento CN111253097 divulga un método para preparar un material cementicio geopolimérico a partir de relaves de molibdeno. Se indica que el material geopolimérico se prepara a partir de residuos sólidos de molibdeno y cenizas volantes, mediante un proceso simple, de bajo coste, y bajo consumo de energía. El método comprende mezclar los residuos de molibdeno con las cenizas volantes junto con NaOH sólido y/o KOH sólido, calcinar la mezcla entre 500 y 700°C durante 30-90 minutos, enfriar y mezclar la mezcla calcinada con agua, colocando la mezcla preparada en un molde de acero, moldeando por compresión a 10-30 MPa y curar entre 40-60°C durante 24-72 horas, obteniendo así el material de cementación geopolimérico.

[0013] Asimismo, la tesis titulada “Estudio de factibilidad de obtención de hormigones geopoliméricos a partir de desechos minerales” (Pedro Díaz Universidad de Chile) divulga un estudio acerca de hormigones geopoliméricos obtenidos a partir de relaves mineros sin adición de cemento Portland. De acuerdo a la información contenida en la tesis, se verificó que la incorporación de relaves de cobre como fuente de aluminosilicatos tiene una influencia negativa en la resistencia mecánica en flexión y compresión de hormigones geopoliméricos, obteniéndose valores de 0,99 y 2,99 MPa, respectivamente, cuando se reemplaza el 100% de aluminosilicatos de ceniza volante por los de relaves de cobre. De lo anterior, se puede entender que los altos valores de resistencias mecánicas (mayores a 30 MPa en compresión) se deben principalmente a las fracciones volumétricas de áridos y cenizas volantes dentro del hormigón geopolimérico.

[0014] Por otra parte, la peletización es un proceso que se aplica a algunos materiales, tales como minerales de hierro, con el objeto de aglomerar partículas muy finas, en bolas de un cierto tamaño o diámetro, que se conocen como “Pellets”. Estos pellets son de un tamaño uniforme, alta resistencia mecánica y gran porosidad.

[0015] La aglomeración de materiales es recomendable para materiales muy pulverulentos cuyas partículas de menor tamaño se pierden como residuos que no pueden ser utilizados directamente en el lugar de recolección.

[0016] Tal como hemos mostrado, en la literatura e investigaciones relacionadas, se observa que existen divulgaciones sobre la geopolimerización de relaves mineros para la aplicación de soluciones como cementos geopoliméricos y bloques. Sin embargo, estas soluciones están limitadas a un ámbito geográfico cercano al punto de generación de los relaves. Esto debido a la dificultad de traslado de los polvos y las normativas ambientales sobre material particulado que podrían afectar la factibilidad de estas soluciones. En vista de esto, es que existe la necesidad de contar con una solución al problema del traslado del material de manera segura para su uso en aplicaciones de ingeniería (mezclas de hormigón, rellenos, bases y subbases), y a su vez, que esta solución provea un material obtenido desde relaves de la minería del cobre con buenas propiedades mecánicas que lo hagan útil para las aplicaciones mencionadas.

[0017] Como se ha señalado, la invención propuesta resuelve ambos problemas simultáneamente, generando un producto útil para la industria de la construcción.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

[0018] La presente invención provee solución a los problemas señalados mediante la provisión de un producto peletizado que se obtiene a partir de un relave de la minería del cobre, que posee todas las características adecuadas para ser usado en aplicaciones de obras civiles, además de ser un producto fácil de transportar. De esta manera, se proporciona un producto apropiado para aplicaciones de ingeniería de fácil traslado, al mismo tiempo que se emplea un material de desecho de la industria minera, aplicando economía circular. De esta forma, la invención soluciona los problemas de generación de tranques de relave de la industria minera, que son un pasivo ambiental, de extracción de áridos naturales (recurso natural no-renovable) de la industria de la construcción, y de la dificultad de trasladar este tipo de relaves a lugares alejados.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

[0019] Como parte de la presente invención se presentan las siguientes figuras representativas de la misma, las que enseñan modalidades preferentes de la invención y, por lo tanto, no deben considerarse como limitantes a la definición de la materia reivindicada.

Figura 1: Gráfico de distribución de tamaño de partículas de un conjunto de relaves, según ejemplo 1.

Figura 2: Gráfico de análisis termogravimétrico de relaves y coactivador, según ejemplo 1.

Figura 3: Gráfico de XRD (Difracción de rayos X) de relaves y coactivador, según ejemplo 1. Figura 4: Gráfico de calorimetría reacción geopolimérica relave LS3, coactivador y LS3 + coactivador, según ejemplo 1.

Figura 5: Diseño experimental y puntos experimentales para diseño de mezcla, según ejemplo 1.

Figura 6: Gráfico de resultados de resistencia mecánica de diseño estadístico para factores analizados, según ejemplo 1 para el relave LS3.

Figura ?: Gráfico de resultados de resistencia mecánica de diseño estadístico para factores analizados, según ejemplo 1 para el relave LS5.

Figura 8: Diseño experimental y puntos experimentales para fabricación de pellets, según ejemplo 1.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

[0020] La presente invención se refiere a un producto de peletizado (pellets) que comprende geopolímeros de relaves de la minería del cobre, el proceso de fabricación de dichos pellets y al uso de los mismos en aplicaciones de ingeniería, tal como como superficies de rodado, bases y sub-bases e incluso en hormigones.

[0021] En sus aspectos generales, el proceso propuesto requiere tres materias primas: (1) relaves, que puede ser un relave minero como residuo sólido particulado obtenido de la molienda y extracción de cobre, por ejemplo; (2) activador alcalino, que corresponde a reactivos de pH alto que pueden ser disueltos en solución con agua a diferente concentración; y (3) coactivador, que corresponde a reactivos que ayudan en la reacción.

[0022] En este contexto, el proceso propuesto comprende un proceso de conformado y geopolimerización del relave, cuyo objetivo es activar y endurecer el material de relave. Dado que los relaves son muy variables en su composición mineralógica, el proceso propuesto es capaz de adaptarse con facilidad a las características de cada relave. Ello puede implicar variaciones en la proporción de relaves, coactivador y activadores alcalinos a utilizar, así como en la concentración molar de cada activador alcalino y en los tiempos y temperaturas de endurecimiento (curado).

[0023] Luego, la activación de los relaves, especialmente cuando estos poseen un potencial de geopolimerización reducido, permite mejorar los resultados del proceso de geopolimerización. En este contexto, el método propuesto puede comprender pasos previos que permiten medir el potencial de un determinado relave para ser geopolimerizable, y determinar tratamientos de activación de los relaves que les permitan alcanzar dicho potencial. En muchas ocasiones, los relaves, que son básicamente roca molida en el rango de 100 micrones, no tienen los mejores atributos para ser geopolimerizables, ya sea porque no cuentan con ciertos componentes o porque dichos componentes se encuentran poco expuestos o en estado cristalino, lo que otorga una baja reactividad. El proceso de la invención permite exponer mayor cantidad de materiales geopolimerizables, como Ca, Al y Si, permitiendo a su vez, modificar la microestructura del relave haciéndola más amorfa (menos cristalina) y, por lo tanto, más reactiva. Los tratamientos de activación del relave consideran ciclos térmicos y de molienda que alteran significativamente la reactividad y capacidad de geopolimerización de los relaves. En adición se considera el uso de coactivadores adicionales como cemento o cenizas volantes, que pueden potenciar más aun los resultados y propiedades de los áridos obtenidos. De manera general, el método propuesto comprende las etapas de: a) agregar al menos un activador alcalino, y opcionalmente, al menos un co-activador a un relave, generando una mezcla; b) curar la mezcla al menos una temperatura y por al menos un tiempo predeterminados; y c) procesar la mezcla mediante peletizado, obteniendo un árido artificial.

[0024] El al menos un activador alcalino se puede agregar sólido, cuando el relave ya tenga un contenido de humedad, o disuelto en forma de solución alcalina, con una concentración molar entre 5 M y 10 M. Dicho activador alcalino puede ser un hidróxido de metal alcalino, tal como NaOH. La solución alcalina se agrega en una cantidad entre 30 y 40% p/p del relave. De acuerdo con una modalidad de la invención, la solución alcalina se agrega en dos etapas, una primera porción previo al curado y una segunda porción durante el peletizado. Por ejemplo, alrededor de un 80% de la solución puede agregarse al relave previo al curado y, el 20% restante, puede agregarse durante el peletizado. Preferentemente, la segunda porción de la solución alcalina que se agrega durante el peletizado se incorpora en la forma de spray. En este contexto, la incorporación de la primera porción de la solución alcalina puede considerarse como una etapa de pre-humectado.

[0025] El al menos un coactivador puede corresponder a ceniza volante, incorporada en proporciones de hasta 20% p/p de la mezcla. La reactividad del relave se ve aumentada cuando se adiciona un 20% de coactivador, en una proporción mayor que lo que representa la adición por sí misma, esto es, la suma de los dos compuestos, activador y coactivador genera una reactividad mayor que la acción individual de cada uno en las proporciones contenidas en la mezcla. Otros materiales que se pueden usar como coactivadores son caolín, arcilla calcinada o cemento.

[0026] La etapa de curado de la mezcla contempla exposición de la mezcla por cierto tiempo a temperatura elevada, por ejemplo entre 23°C y 70°C. Una realización podría contemplar una etapa de curado por 7 días a una temperatura de 60°C. La temperatura de curado busca acelerar el proceso de geopolimerización, existiendo distintas combinaciones de tiempo y temperatura para arribar al resultado deseado. Alternativamente, el curado se realiza en dos etapas, aplicando alta temperatura (60-70°C) durante 7 días y, luego, curando a temperatura ambiente por cierto tiempo. [0027] Por otra parte, el peletizado busca mejorar las condiciones de fabricación de los áridos artificiales, de manera que el proceso sea escalable con facilidad. Se determinó que ángulos de peletizado de entre 30°y 60° son preferidos para la obtención de pellets de calidad deseable en términos de forma y tamaño. Para el peletizado puede utilizarse un dispositivo peletizador de velocidad y ángulo de rotación variables, de manera de formar agregados de forma regular, preferentemente circular, y de tamaño adecuado, preferentemente entre 5 mm y 19 mm. Preferentemente, se implementan velocidades de entre 20 y 50 rpm y ángulos de entre 30 y 60°. Además, el dispositivo peletizador puede estar adaptado para recibir la segunda porción de la solución alcalina, que puede agregarse durante el peletizado en la forma de spray.

[0028] Alternativamente, el relave puede ser pretratado de manera previa a la agregación del activador y coactivador. Dicho pretratamiento del relave puede ser mediante molienda, para obtener un tamaño de partícula adecuado, tratamiento térmico, para generar transformaciones cristalinas, y/o mediante la incorporación de adyuvantes como carbonato de calcio u hidróxido de calcio, principalmente para proporcionar elementos que favorezcan las reacciones de geopolimerización, como el calcio. En el caso de incorporación de adyuvante, pueden agregarse en cantidades de hasta el 10% p/p de la mezcla, por ejemplo.

[0029] Finalmente, el proceso de la invención también puede contemplar, inicialmente, una primera etapa de caracterización del relave, cuyo objetivo es determinar el tipo de relave a procesar para ajustar los parámetros del proceso propuesto de manera de optimizar la producción de áridos. Como se mencionó anteriormente, los relaves son muy variables en su composición mineralógica y, si bien el proceso desarrollado es aplicable a una gran variedad de relaves de distinto origen, puede ser deseable conocer las características del relave con antelación, con miras a optimizar la producción de áridos según las necesidades de cada aplicación. El proceso de la invención es versátil en el ajuste de distintos parámetros de operación, como lo son la cantidad y concentración de activadores y coactivadores, la temperatura y tiempo de curado y el ángulo y tamaño de peletización, ajustes que pueden optimizarse en función del tipo de relave a procesar. [0030] Cuando se aplica la primera etapa de caracterización del relave, se busca realizar un análisis elemental del relave, es decir, buscando identificar los elementos disponibles en el relave para el proceso de geopolimerización. Además, mediante la caracterización del relave es posible identificar la distribución de tamaño de partículas que forman el relave, lo que permite determinar si tienen un tamaño adecuado para la generación de reacciones. Esta información puede utilizarse no solo en el ajuste de los parámetros de la metodología planteada, sino que también en la etapa de pretratamiento del relave, en caso de aplicarse, por ejemplo, mediante molienda para ajustar el tamaño de partícula.

MODALIDADES PREFERIDAS DE LA INVENCIÓN

La presente invención se dirige a un proceso de fabricación de pellets a partir de relaves mineros que comprende las siguientes etapas:

• seleccionar un relave que tenga un contenido de aluminosilicatos mayor o igual al 4% (determinado como óxidos de aluminio) y un contenido de sulfato menor o igual al 15% (determinado como óxido);

• agregar un activador alcalino;

• pre-mezclar los sólidos y el activador alcalino para formar semillas;

• peletizar las semillas formadas; y

• curar los pellets formados.

En una modalidad preferida de la invención el proceso para fabricar pellets comprende reducir el tamaño del relave una vez seleccionado.

En otra modalidad preferida de la invención el proceso comprende calcinar el relave seleccionado a una temperatura de hasta 900°C.

Aun en otra modalidad preferida de la invención, el proceso comprende agregar al material seleccionado un co-activador seleccionado de ceniza volante, caolín, arcilla calcinada, metacaolín, Ca(OH)2, cemento, ceniza de cascarilla de arroz, ceniza de biosólidos, cenizas de residuos municipales, otras cenizas de materiales orgánicos o volcánicas y/o mezcla de los mismos, en donde el activador alcalino se agrega de forma sólida o en solución. En donde el activador alcalino en solución se agrega en una cantidad entre 15 y 50% masa/masa respecto de los sólidos, con una concentración molar entre 5 M y 17,5 M, y el activador alcalino cuando se incorpora en forma de solución se agrega en cantidad de 60% y 100% respecto del total de solución alcalina.

En una modalidad de la invención, las semillas formadas tienen un tamaño de hasta 5 mm.

En otra modalidad de la invención durante la etapa de peletizado del proceso las semillas se humectan con una solución del activador alcalino.

En una modalidad preferida de la invención, el peletizado se realiza usando un plato peletizador a un ángulo de corte entre 40° y 60°.

En otra modalidad de la invención el curado se realiza a una temperatura de hasta 95 °C por hasta 14 días.

En una modalidad de la invención luego de la etapa de curado con temperatura se realiza una etapa de curado de los pellets formados a temperatura ambiente.

La presente invención también se dirige a un proceso de fabricación de agregados finos a partir de relaves mineros, que comprende las siguientes etapas:

• seleccionar un relave que tenga un contenido de aluminosilicatos mayor o igual al 4% (determinado como óxidos de aluminio) y un contenido de sulfato menor o igual al 15% (determinado como óxido);

• agregar un activador alcalino;

• pre-mezclar los sólidos y el activador alcalino para formar semillas; curar las semillas formadas. En una modalidad preferida de la invención el proceso para preparar agregados finos comprende reducir el tamaño del relave una vez seleccionado.

En otra modalidad preferida de la invención el proceso comprende calcinar el relave seleccionado a una temperatura de hasta 900°C.

Aun en otra modalidad preferida de la invención, el proceso comprende agregar al material seleccionado un co-activador seleccionado de ceniza volante, caolín, arcilla calcinada, metacaolín, Ca(OH)2, cemento, ceniza de cascarilla de arroz, ceniza de biosólidos, cenizas de residuos municipales, otras cenizas de materiales orgánicos o volcánicas y mezcla de los mismos, en donde el activador alcalino se agrega de forma sólida o en solución. En donde el activador alcalino en solución se agrega en una cantidad entre 15 y 50% masa/masa respecto de los sólidos, con una concentración molar entre 5 M y 17,5 M, y el activador alcalino cuando se incorpora en forma de solución se agrega en cantidad de 60% y 100% respecto del total de solución alcalina.

En una modalidad de la invención, las semillas formadas tienen un tamaño de hasta 5 mm.

En otra modalidad de la invención el curado se realiza a una temperatura de hasta 95 °C por hasta 14 días.

En una modalidad de la invención luego de la etapa de curado con temperatura se realiza una etapa de curado de los agregados formados a temperatura ambiente.

La presente invención también se refiere a los pellets y agregados finos obtenidos mediante los procesos precedentes.

En una modalidad de la invención los pellets tienen un tamaño entre 5 y 40 mm.

En otra modalidad de la invención los agregados finos tienen un tamaño de hasta 5 mm

Por último, la presente invención se dirige al uso de los pellets y agregados finos fabricados para aplicaciones de obras civiles. Preferentemente, se emplean en rellenos, bases y subbases o en mezclas de hormigón. EJEMPLO

[0031] Los relaves de minería, como la minería del cobre, tienen características químicas típicas que pueden resumirse en: poca reactividad, alto contenido de cuarzo y tamaño de partículas cercanos a los 100 micrones en promedio. Mediante la implementación de la invención es posible activar los relaves y, mediante procesos de conformado y geopolimerización, obtener relaves con propiedades mecánicas deseables.

[0032] La metodología se inicia con un análisis elemental de los relaves, o caracterización del relave, los cuales son un indicador de posibles elementos disponibles para los procesos de geopolimerización .

[0033] En la Tabla 1 se muestra la composición elemental de un conjunto de relaves estudiados originalmente, de los cuales se seleccionaron dos de ellos por su contenido de aluminatos (referido en este caso como la presencia de óxido de aluminio) y contenido de fases de calcio (referido en este caso como presencia de óxido de calcio), ambos como un indicador inicial de posibles fases geopolimerizables. En este caso, además, se observa la distribución de tamaño de partículas de los relaves (ver Figura 1), lo que permite determinar si tienen un tamaño adecuado para la generación de reacciones, entendido como un tamaño idealmente inferior a los 100 micrones, haciendo el símil con las reacciones cementicias, donde se buscan tamaños inferiores a los 70 micrones para reacciones de hidratación desde el punto de vista físico.

Tabla 1: Composición elemental de relaves en estudio mediante XRF (Fluorescencia de Rayos X).

[0034] En todos los relaves se observa un tamaño de partícula adecuado para la búsqueda del proceso de geopolimerización, sin embargo, la composición elemental arroja que aquellos relaves con más alto contenido de aluminio y calcio tienen más posibilidad de tener ser posibles candidatos a un proceso de geopolimerización exitoso en primera medida. Esto sin considerar que, posteriormente, los relaves pueden ser pretratados mecánicamente para reducir su tamaño de partícula con el fin de hacerlos más reactivos o de disponibilizar fases que puedan reaccionar. Además, posteriormente se pueden aplicar pretratamiento de tipo térmico, lo cual modifica fases cristalinas. En esta etapa se seleccionaron los relaves LS3 y LS5.

[0035] Considerando lo anterior, se establece un espacio de interés para la elaboración de agregados peletizados a partir de relaves mineros que, preferentemente, cumplan requisitos químicos y físicos en las partículas a aglomerar: - Composición elemental con contenido de óxidos de aluminio mayor a 4%, preferentemente mayor a 8%.

- Tamaño de partícula p(0,9) (90% de las partículas) inferior a 150 micrones.

- Contenido de sulfatas inferior a 10%, medido como óxidos.

[0036] Posteriormente, se realiza un análisis termogravimétrico (TGA), el cual permite ver ciertas composiciones químicas y evaluar si hay posibilidad de transformaciones cristalinas ante tratamientos térmicos. La Figura 2 muestra un análisis termogravimétrico de relaves que, para los relaves seleccionados, evidencia la existencia de fases que pueden aumentar su capacidad cementicia y geopolimérica sobre todo entre los 700 y 800°C, para el relave LS5. En el caso del relave LS3 no se observan modificaciones importantes en la estructura cristalina o perdida de fases como carbonatas (que se pueden ver entre los 400°C y los 600°C).

[0037] Finalmente, lo anterior puede ser comprobado mediante un análisis de difracción de rayos X (XRD), como se muestra en la Figura 3, donde se pueden observar fases cristalinas típicas en relaves, principalmente cuarzo que es altamente cristalino y poco reactivo, y otras fases que pueden modificarse ante tratamiento térmicos como dolomitas y carbonatas (por descomposición) además de fases como caolinitas y feldespatos en el caso de LS5. El relave LS3 no se ve muy modificable, sin embargo, esto puede relacionarse con la presencia de fases amorfas en el caso de aluminatos y calcios necesarios para las reacciones de geopolimerización.

[0038] Finalmente, mediante calorimetría isotérmica se ensayó como la adición de algún coactivador puede generar una mejora en la reactividad en los procesos geopoliméricos, observándose que la reactividad se ve aumentada cuando se adiciona un 20% de ceniza como coactivador, en una proporción mayor que lo que representa la adición por sí misma, esto es, que la suma de los dos compuestos genera una reactividad mayor que la acción individual de cada uno en las proporciones contenidas en la mezcla. Los resultados de este ensayo se pueden observar en la Figura 4, mediante la calorimetría de reacción geopolimérica relave LS3 y coactivador (FA1) por sí solo, además de LS3 + FA1. La Fig. 2 y la Fig. 3 también incluyen datos del co-activador (FA1) por sí solo.

[0039] En base a dichos resultados, se realizó un diseño experimental para factores de diseño de mezcla de los geopolímeros, considerando que estos relaves no serán tratados en una primera etapa (pero atendiendo que puede mejorar la resistencia con una calcinación de hasta 800°). Con este diseño se pretende medir cual punto experimental entrega la mejor resistencia mecánica, para después fabricar agregados con este punto experimental.

[0040] El diseño experimental consideró los siguientes factores de diseño de mezcla:

- Adición de hidróxido de calcio como adyuvante en un pretratamiento del relave: esto con el fin de proveer el calcio que pudiera ser necesario para las reacciones, hasta en un 10%.

- Adición de coactivador (ceniza): en este caso, hasta en un 20%, para proveer resistencia temprana y materiales fallantes que pudiera requerir la reacción de geopolimerización. En este caso se usó ceniza volante, sin embargo, se pueden utilizar otros materiales como caolín, arcilla calcinada o cemento.

- Concentración de activador alcalino (NaOH): en solución, considerando entre 5M y 10M

- Temperatura de curado: la temperatura acelera los procesos de geopolimerización, probada entre temperatura ambiente (23 °C) y 70°C. Este curado se realizó los primeros 7 días de la reacción, para posteriormente se curó a temperatura ambiente.

- Cantidad de solución: principalmente agua con el activador alcalino disuelto. Se probó entre 30 y 40% p/p de los polvos.

[0041] El diseño experimental permitió analizar tendencias y buscar el mejor punto del diseño. El diseño se optimizó para reducir el número de ensayos, como se muestra en la Figura 5, donde se expone el diseño experimental y puntos experimentales para cada diseño de mezcla. [0042] Los resultados de resistencia mecánica de diseño estadístico para factores analizados se pueden ver en la Figura 6, donde se observa que en general la incorporación de adiciones de calcio y coactivador tiene un impacto positivo en la resistencia, al igual que la incorporación mayores cantidades de activador en forma de concentración molar en la solución, aunque estadísticamente la cantidad de agua no se mostró relevante. La temperatura de desarrollo del proceso también es relevante estadísticamente (siendo el factor que más influye en este proceso), siendo seguido por la presencia de coactivador y el factor de la concentración molar (descontando las combinaciones de estos factores).

[0043] Considerando estos resultados, se continúa trabajando con el relave LS3, que anteriormente se había mostrado menos reactivo o con menor probabilidad de ser reactivo, pero que obtiene una resistencia mayor (18 MPa a 28 días y 19 MPa a 56 días).

[0044] Con este diseño, se eligió el relave LS3 para la fabricación de agregados en un peletizador, en los diseños de mezcla 15 y 16 y analizando 3 variables:

- Velocidad de rotación, donde se prueba cual velocidad permite la formación de agregados de forma regular (medianamente circular) y de tamaño adecuado (no tamaño de arena, entre 5mm y 19mm). Se prueban 2 velocidades de rotación a 20 rpm y 50 rpm.

- Angulo de rotación del peletizador, de la misma manera, para probar la formación adecuada de pellets/agregados, probando 2 ángulos a 30° y 60°.

- Forma de alimentación de la solución, donde se varia la forma en que la solución es adicionada a los agregados, eligiendo entre incorporar toda la solución alcalina antes del proceso de peletizado u ocupar el 80% de la solución y posteriormente introducir a modo de spray el restante 20%.

[0045] El diseño experimental para fabricación de pellets se puede ver en la Figura 7, con las consiguientes corridas experimentales. [0046] Los resultados de este diseño permitieron determinar que, en general, la agregación de la solución alcalina en porciones separadas, antes del curado y durante el peletizado, es favorable para la formación de los pellets. En el caso de la velocidad y los ángulos, estos resultados son parecidos a que se observaron anteriormente con la fabricación de pellets con cenizas volantes solas: ángulos cercanos a los 60° y velocidades superiores a los 45 rpm permitieron la formación de agregados de manera efectiva. En este sentido, se opta por utilizar los agregados fabricados mediante un ángulo de 60° y 50 rpm, con una alimentación basada en un 80% de solución alcalina en un proceso de premezclado, y el 20% restante como spray.

[0047] Con este proceso, se fabricaron agregados de los diseños de mezcla 15 y 16, para medir sus propiedades de absorción, densidad y resistencia al impacto mediante el ensayo de Impact Value (estándar BS812-112), para relacionar esta resistencia con sus posibles usos en aplicaciones de ingeniería. Las mediciones de densidad dieron como resultados valores de 1,9932 y 2,1214 para cada uno de los diseños de mezcla (15 y 16), con mediciones de absorción de 21% en promedio, lo que hace factible el uso de estos agregados como agentes de curado interno en otras aplicaciones a futuro (proveer agua en procesos de hidratación).

[0048] Las mediciones de Impact Value resultaron en 29,2% para el diseño de mezcla 15 y 26,4% para el diseño de mezcla 16. Aquí los valores de resistencia se invirtieron respecto del diseño de mezcla original, pudiendo deberse a los procesos de fabricación donde se introduce más variables. De todas maneras, estos valores permiten su utilización como material de base y subbase, incluso siendo posible su utilización para fabricar superficies de rodado (valores entre 20 y 30%) e incluso hormigones para uso en pavimentos (valores inferiores a 45%).

[0049] Mediante el ejemplo anterior se demuestra que la aplicación de la metodología desarrollada, cuyo esquema se presenta en la Figura 8, propone una alternativa viable a la fabricación de áridos artificiales a partir de materiales reciclados, en este caso, a partir de relaves mineros.

[0050] A modo de conclusión, es importante destacar que el proceso propuesto por la presente invención tiene como claras ventajas la aglomeración de residuos mineros (relaves) que de otra manera conformarían un pasivo ambiental sin uso conocido más que su depósito, transformándolos en materiales de construcción (agregados finos y agregados gruesos en forma de pellets) que tienen diferentes aplicaciones en obras civiles de alta demanda; transformación y procesamiento que es efectuado de manera fácil y sin procesos industriales complejos, con materiales altamente disponibles para su ejecución, que incluye técnicas de análisis científicas para la optimización de sus propiedades funcionales para la ingeniería y construcción, con la ventaja adicional de ser factibles de ser transportados como cualquier otro árido.

[0051] La especificación precedente se considera únicamente ilustrativa de los principios de la invención. El alcance de las reivindicaciones no debe estar limitado por las realizaciones a modo de ejemplo expuestas en la sección anterior, sino que se les debe dar la interpretación más amplia congruente con la memoria descriptiva como un todo.