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De acuerdo con el Banco Central de Chile, la actividad minera es responsable de la generación directa del 12,5% del Producto Interno Bruto (PIB), según datos entregados en las Cuentas Nacionales hasta el año 2020. Esto sumado al Informe de Política Monetaria (IPoM) de septiembre 2024, la inversión minera ha mostrado un elevado dinamismo en los últimos años, con una proyección de 5,54 millones de toneladas de cobre para el año 2034 según la Proyección de la Producción de Cobre en Chile, elaborada por la Comisión Chilena del Cobre (COCHILCO) [Ver aquí]
Para comprender el escenario actual de la minería del cobre y cómo se hace partícipe en la industria de construcción con hormigón, abordaremos algunos aspectos clave que permitirán visualizar la estrecha y ascendente colaboración entre ambas industrias.
Principales procesos de extracción del cobre
Ver más keyboard_arrow_downLa extracción del cobre inicia con un proceso de chancado de la materia prima, la cual produce dos subproductos: óxido de cobre y sulfuro de cobre, ambos con diferentes procesos de refinamiento.
Óxido de cobre
Los óxidos pasan directamente a la Lixiviación mediante un proceso de hidrometalurgia, donde el material chancado es rociado con una solución de agua y ácido sulfúrico entre 45 y 65 días, proceso conocido como curado. El material restante o ripio se transporta a botaderos donde podría iniciar un nuevo proceso de Lixiviación.
Este proceso permite obtener una concentración de sulfato de cobre de 9 gramos por litro (gpl). Posteriormente se remueven los restos sólidos de los líquidos mediante un proceso llamado extracción por solvente, el cual aumenta la concentración de 9 a 45 gpl, mediante la aplicación de parafina y resina orgánica.
La solución resultante se lleva a la etapa de Electroobtención, el cual recupera el cobre mediante la aplicación de energía eléctrica (electrometalugia). Esta etapa tiene por objetivo obtener cátodos de cobre de 99,99% de pureza.
Sulfuro de cobre
Para obtener cobre mediante este proceso, se requiere pasar el material chancado a un proceso de Molienda, llegando a una granulometría de 0,18 milímetros. Se obtiene incorporando agua hasta obtener un fluido lechoso, al cual se le añaden reactivos para pasar al proceso de Flotación, donde se logra un 31% de pureza del cobre.
La etapa de Flotación se desarrolla en piscinas, donde el cobre, el molibdeno y otros minerales de valor, emergen a la superficie dentro de burbujas mediante una conducta hidrófoba que separa los minerales del agua. Como efecto contrario, están los reactivos depresores que recolectan los materiales que no son importantes, como la pirita, los cuales se quedan en el agua. Este tipo de residuo es conocido como relaves mineros.
El material obtenido en la Flotación, pasa a un proceso de Fundición a 1200°C, previo análisis de concentración de cobre, hierro, azufre y sílice, además de la humedad en cada muestra. Cuando el concentrado pasa a un estado líquido, los elementos se separan naturalmente según su peso. De esta manera los minerales más livianos quedan en la parte superior, mientras que el cobre queda concentrado en la parte inferior.
La Conversión, es la fase en la que, mediante combinaciones químicas, se separa el cobre de la Escoria (considerado residuo). El resultado se le denomina “cobre blíster”, cuya pureza alcanza el 96%. La escoria de cobre, se genera en esta etapa.
En la etapa de la Pirorrefinación, el objetivo es extraer los restos de oxígeno del cobre blíster. Se obtiene incorporando las barras de cobre por hornos anódicos, en los que se inyecta gas natural con vapor de aire, logrando un 99,7% de pureza. El resultado es moldeado en planchas de cobre (ánodos) de un peso que puede superar los 400 kg.
Finalmente está la etapa de Electrorrefinación, el cual disuelve los ánodos provenientes de la Fundición a través de la electrósis, produciendo cátodos de 99,99% de pureza.
[Fuente: fotografías e información rescatada de Codelco Educa].
Panorama de Producción del Cobre (2024-2034)
Es importante destacar que la industria minera del cobre cumple un rol fundamental en la economía nacional, siendo Chile uno de los principales productores de este mineral en el mundo. De acuerdo con la Proyección de la Producción de Cobre en Chile (Periodo 2024-2034), las operaciones de óxidos están mostrando signos de agotamiento progresivo. La producción hidrometalúgica nacional irá disminuyendo, alcanzando una caída de 35,8% para el año 2034.
Por otra parte, el foco de inversión estará en la explotación de minerales sulfurados, lo que podría representar cerca del 80% de la producción total del cobre para el 2034. Sin embargo, y pese a la alta disponibilidad de estos recursos, el envejecimiento natural de los yacimientos y la eventual escasez de nuevos proyectos, podría limitar su potencial de crecimiento con el paso de los años.
Si consideramos los procesos de extracción del cobre, priorizar la industria minera hacia los procesos de sulfurado, generaría un mayor impacto medioambiental, produciendo mayor cantidad de relaves y escorias, además de los desafíos involucrados con el uso eficiente del agua. Es por esto que, la colaboración entre academia, sector público y privado, jugarán un rol clave para el desempeño futuro de la minería chilena, mediante un fuerte compromiso con la innovación, la sustentabilidad y la productividad, para minimizar los impactos medioambientales, sociales y económicos de este cambio en el modelo de negocio.
Valorización de residuos en la construcción
La valorización de los residuos mineros es un gran desafío y una gran oportunidad para avanzar en sustentabilidad y en la recuperación de espacios medioambientales que se han visto afectados al convertirse en zonas de acopio de residuos, principalmente con los relaves mineros y la escoria de cobre.
Desde la academia, se ha desarrollado I+D para potenciar su utilización en la industria de la construcción con hormigón, debido a su potencial para reducir la huella de carbono del hormigón y entregar alternativas ante el uso de áridos naturales. A modo de ejemplo, el Proyecto T2CM (Tailings to Construction Materials) está desarrollando agregados artificiales con 90% de relaves mineros, Material Cementicio Suplementario (MCSs) con un reemplazo de hasta 40-60%, y geopolímeros con 95% de relave.
Claudia Eugenin, estudiante de Doctorado en Ingeniería y Ciencias con la Industria en la UC, está desarrollando junto a los académicos Iván Navarrete y Wernher Brevis, una investigación sobre los efectos técnicos, económicos y medioambientales de usar relaves como reemplazo parcial del cemento en hormigones imprimibles en 3D, iniciativa financiada por el programa Piensa Minería de Codelco.
La escoria de cobre, por otro lado, se ha implementado en la industria como reemplazo de áridos naturales, obteniendo importantes beneficios en resistencia y desempeño mecánico. En cuanto a su uso como Material Cementicio Suplementario (MCSs), la escoria de cobre cuenta con desafíos aún pendientes. Los académicos Yimmy Silva y Gerardo Araya de la Escuela de Construcción Civil UC y miembros académicos del Centro de Innovación del Hormigón UC, han desarrollado I+D con la escoria de cobre como reemplazo parcial del cemento para evaluar sus propiedades y desempeño. Uno de los focos principales, es evaluar su durabilidad a lo largo de los años.
Noticia: Valorización de la Escoria de Cobre como MCS en la producción de hormigón Sostenible
“Cuando se utiliza un subproducto o residuo alternativo a los materiales tradicionales en la fabricación de cemento u hormigón, es fundamental evaluar sus propiedades tanto a edades iniciales como a largo plazo”.
Yimmy Silva
Construcción Civil UC
Publicaciones científicas relacionadas
Ver más keyboard_arrow_downA continuación, podrá revisar algunos artículos científicos relacionados con el uso de las escorias de cobre como Material Cementicio Suplementario. Dichos resultados, se encuentran publicados en las revistas científicas: Case Studies in Construction Materials, Sustainability, y Materials, respectivamente:
1.- Short- and long-term experimental performance of concrete with copper slag: Mechanical and physical properties assessment
[Ver aquí]
En este estudio, se analizaron los efectos de la escoria de cobre como sustituto parcial del cemento en la fabricación de hormigón, destacando su desempeño mecánico a edades de curado tanto tempranas como prolongadas.
2.- Valorization of Recycled Aggregate and Copper Slag for Sustainable Concrete Mixtures: Mechanical, Physical, and Environmental Performance
[Ver aquí]
El segundo estudio evaluó el uso simultáneo de escoria de cobre y áridos reciclados provenientes de residuos de construcción y demolición, abordando tanto su comportamiento mecánico como el impacto ambiental en términos de emisiones de CO₂ equivalente generadas por los hormigones.
3.- Exploring the Potential of Alternative Materials in Concrete Mixtures: Effect of Copper Slag on Mechanical Properties and Carbonation Resistance
[Ver aquí]
El tercer estudio se centró en evaluar aspectos de durabilidad, específicamente la resistencia de mezclas de hormigón con escoria de cobre como sustituto parcial del cemento frente a procesos de carbonatación.
Actualmente, se está estudiando el desempeño de las mezclas con escoria de cobre como sustituto parcial del cemento frente al ataque por sulfatos, ampliando así el conocimiento sobre su durabilidad en condiciones agresivas.
Fotografía: PhD Yimmy Silva, Escuela de Construcción Civil UC, miembro académico Centro de Innovación del Hormigón UC.
Escoria de cobre como MCSs en hormigones
Dentro de los principales hallazgos de I+D con escoria de cobre en hormigones, está su potencial para sustituir parcialmente al cemento. Hasta el momento, las investigaciones de los académicos Yimmy Silva y Gerardo Araya, sugieren un reemplazo de hasta 15%, el cual no perjudica las propiedades del hormigón, e incluso podría mejorarlas. Sin embargo, un porcentaje mayor de reemplazo podría reducir significativamente la resistencia, debido a que es un material con baja reactividad.
Noticia: Nueva actualización de la Norma NCh 163 permitirá el uso de escorias y relaves en el hormigón
Adicionalmente se ha observado que su desempeño depende en gran medida de la calidad del cemento que se utilice, ya que, al incorporar escoria a un hormigón con una resistencia igual o mayor a G40, se hace más evidente la disminución de su desempeño, versus un hormigón de calidad media entre G25 y G35, donde dicha disminución no afecta la resistencia esperada.
“Con hormigones de menor desempeño y adecuando de mejor forma la escoria (tamaño de partículas inferiores, morfologías menos irregulares, etc), posiblemente podamos subir de un 10 a un 15 o 20% de reemplazo, y eso es lo que se aprecia en la mayoría de las investigaciones que se han realizado. Existe una gran variedad de datos que sugieren diferentes porcentajes de reemplazo de cemento. La clave es ir a las aplicaciones particulares para sacar el mejor provecho de nuestros diseños y de la valorización de residuos que podemos hacer”.
Yimmy Silva
Construcción Civil UC
A partir de esta premisa, el profesor Gerardo Araya, propone una nueva posibilidad de negocio enfocada en el cemento de retail disponible para el usuario B2C (consumidor final). Esto, debido a que su resistencia bordea el G25 y G35, y al ser incorporada la escoria de cobre como MCSs, no genera pérdidas significativas a corto plazo. Al tratarse de aproximadamente el 20% del mercado, es una gran posibilidad para valorizar la escoria de cobre, aportar a la sustentabilidad, reducir la huella de carbono, sin perjudicar la durabilidad, factor clave al momento de construir con hormigón.
“Tenemos que ver cómo funciona esta propuesta, cuánto ayuda al bajar costos, reducir la carga medioambiental. Todavía no está en el nivel de ganarle a un cemento de alta resistencia, pero podríamos compararlo con hormigones con cementos corrientes, y ahí la competencia y la comparación va a ser mucho más viable. Sería un punto de partida”.
Gerardo Araya
Construcción Civil UC
Fotografía: PhD Gerardo Araya-Letelier, Escuela de Construcción Civil UC, miembro académico Centro de Innovación del Hormigón UC.
Durabilidad y desafíos con la industria minera
De acuerdo con el académico Gerardo Araya, la mayor parte de las investigaciones en torno a la valorización de residuos está enfocado en la caracterización del material y ver su comportamiento a corto plazo, pero también se deben enfocar los esfuerzos en evaluar la durabilidad a lo largo de los años, así como la exposición a agentes agresivos. Para evaluar estos aspectos, es necesario un mecanismo de degradación acelerada que permita evaluar el desempeño de los hormigones por al menos 50 años, y así analizar cuán sostenibles estamos siendo con las decisiones que estamos tomando hoy en día.
Reportaje: Análisis de Ciclo de Vida del Hormigón: Factor Clave para un futuro sostenible
Para lograr un correcto ensayo de degradación acelerada, es necesaria una cámara que controle los niveles de temperatura y humedad, factores que pueden incidir en los resultados y dificultar los análisis a largo plazo.
Otros de los desafíos relevantes para valorizar los residuos mineros, está en el desarrollo de análisis de radioactividad, pruebas que no se están realizando en la actualidad, pero son requeridas para avanzar con la aplicación de estos materiales.
“Hace unos meses enviamos un estudio que fue rechazado por no contar con ensayos de radioactividad, lo que nos abrió otro panorama que no habíamos visualizado. Ahora hemos realizado ensayos de durabilidad, ensayos de lixiviación, pero no habíamos considerado la radioactividad”.
Gerardo Araya
Construcción Civil UC
En cuanto al desempeño actual que se ha observado con la escoria de cobre como MCSs en los hormigones, el académico Yimmy Silva sugiere una alternativa que puede ser considerada en la industria, y es evaluar el comportamiento de la escoria mediante un enfriamiento rápido, proceso que podría realizarse con agua (u otro sistema) que permita cambiar la forma en que se está acopiando el material. Recordemos que la escoria de cobre se genera en la etapa de Conversión, previa a la Fundición donde el cobre es procesado a 1200°C.
“El enfriamiento rápido no deja que la estructura se organice, sino que queda desordenada (amorfo), lo que favorece a un material puzolánico para que se mantenga más reactivo. Normalmente los materiales cuando son más amorfos, tienen una mayor reactividad. Entonces si se aumenta la amorficidad, puede lograr un mejor desempeño”.
Yimmy Silva
Construcción Civil UC
Esta propuesta podría mejorar el desempeño de la escoria como MCSs, pero es necesario probarla, evaluarla y comprobar si dicha hipótesis puede ser viable dentro de los procesos industriales, considerando desempeño, productividad, sustentabilidad, entre otros análisis de costos y beneficios.
Diversidad de residuos mineros
El estudio de los residuos mineros no solo abarca la escoria de cobre, sino también la escoria de acero y los relaves mineros. La normativa vigente ya contempla el uso de áridos artificiales provenientes de escorias de acero, lo que abre oportunidades para su incorporación en hormigones estructurales.
Los académicos Yimmy Silva y Gerardo Araya, explican que existen tres tipos de escorias derivadas del acero: la escoria de alto horno, utilizada en cementos siderúrgicos como el del puente Chacao, la escoria blanca, y la escoria negra, provenientes del reciclaje del acero. Cada una de estas escorias cuenta con un porcentaje importante de hierro, lo que también puede ser aprovechado para hacer acero, generando una nueva oportunidad para la industria chilena.
“No porque un material tenga algún tipo de elemento no tan positivo quiere decir que no se puede usar. A lo mejor se compensa con una reducción de costos, menor huella de carbono, por ejemplo. Siempre se compensa por otro lado, y de esa manera son elementos que no se van a desechar”.
Gerardo Araya
Construcción Civil UC
La valorización de residuos mineros está generando importante I+D en el país, sobre todo por los impactos que tiene esta industria en diversas áreas. Para avanzar en su aplicación, los investigadores enfatizan la importancia de establecer compromisos con la industria minera para mejorar la gestión del material desde su origen. Además, destacan la necesidad de realizar análisis de ciclo de vida para evaluar el impacto ambiental y económico de su incorporación en hormigones comerciales.
Autora: Valeria F. Moraga D.