Mecanismo de difusión del lechada en medios porosos basado en las características de cambio de fase de la pulpa de relaves

Convertir los residuos mineros en una herramienta útil

La minería moderna deja tras de sí vastas lagunas de finos residuos llamados relaves, que pueden filtrar metales y amenazar presas. Los ingenieros están aprendiendo a reutilizar este lodo como material de construcción bombeándolo en terrenos débiles o en huecos de minas, un proceso denominado inyección (grouting). Este estudio plantea una pregunta aparentemente sencilla con grandes implicaciones de seguridad: cuando esta lechada a base de relaves fluye por el subsuelo y se endurece lentamente, ¿cómo se desplaza exactamente y cuánta presión hace falta para empujarla?

Por qué importan el flujo y el endurecimiento

En los cálculos, la inyección suele tratarse como si la mezcla inyectada permaneciera líquida y delgada durante todo su recorrido subterráneo. En realidad, la pulpa de relaves se comporta más como una pasta dental blanda que se va endureciendo hasta convertirse en una masa rígida. Si se ignora este endurecimiento lento, los ingenieros pueden sobrestimar mucho hasta dónde se extenderá la lechada y subestimar la presión necesaria para empujarla a través del suelo o los residuos mineros. Dado que el terreno real es un laberinto de poros sinuosos —no tubos rectos— las teorías simplificadas pueden inducir a errores en el diseño, poniendo en riesgo una adecuada refuerzo o incluso daños en estructuras próximas.

Observando el espesor de la lechada en tiempo real

Los investigadores mezclaron primero relaves finos con cemento, cal, ceniza volante y agua siguiendo recetas controladas, y emplearon un reómetro rotacional de alta precisión para medir cómo cedía y fluía la lechada durante dos horas. Variaron dos mandos clave que los proyectos prácticos pueden controlar: la temperatura (10°C, 25°C y 50°C) y la relación agua‑cemento (desde relativamente seca, 1.0, hasta más fluida, 3.0). La respuesta de la lechada se ajustó a un tipo de material con esfuerzo de fluencia conocido como fluido de Bingham: por debajo de cierto empuje apenas se mueve; por encima de ese umbral fluye. De forma crucial, tanto el esfuerzo de fluencia como la viscosidad aparente aumentaron con el tiempo, y ambos se pudieron describir mediante simples curvas cuadráticas en el tiempo. Las mezclas más secas y las temperaturas más altas hicieron que la lechada se endureciera más rápido y con mayor intensidad, siendo el contenido de agua el factor de mayor influencia.

De las curvas de laboratorio al flujo subterráneo

A continuación, el equipo construyó un modelo matemático de cómo esta lechada que se espesa con el tiempo se difunde a través de un medio poroso. Trataron la red de poros tortuosa como haces de tubos estrechos, tuvieron en cuenta que en algunas regiones del tubo se forma un «tapón» rígido de lechada casi no deformada, y permitieron que tanto el esfuerzo de fluencia como la viscosidad dependieran de la edad de la mezcla desde su preparación. Al vincular los gradientes locales de presión, la velocidad media del flujo y las propiedades materiales en evolución, derivaron una ecuación que predice cómo debería aumentar la presión de inyección con el tiempo a medida que el frente de la lechada avanza en el terreno.

Probar la teoría en una columna alta de arena

Para comprobar si la teoría se correspondía con la realidad, los autores construyeron un contenedor de ensayo de acero de 2,4 metros de altura relleno con distintas arenas y limos a base de relaves. Inyectaron la lechada bajo caudales, temperaturas y relaciones de mezcla controladas, y monitorizaron la presión en doce profundidades. En las nueve condiciones de ensayo, la presión en cada sensor aumentó con el tiempo y fue mayor cuanto más cerca estaba de la tubería de inyección. Las curvas presión‑tiempo mostraron un comportamiento claro en dos etapas: un segmento inicial casi lineal y de ascenso suave, seguido de una subida tardía que se aceleraba rápidamente a medida que la lechada se espesaría y las vías de flujo resultaban más difíciles de penetrar. Al comparar las predicciones del modelo con las mediciones, el nuevo modelo de Bingham con parámetros dependientes del tiempo siguió mucho mejor los datos que una versión anterior que suponía un esfuerzo de fluencia fijo, reduciendo los errores globales hasta aproximadamente un 10%.

Qué significa esto para una inyección más segura y eficiente

Para el público general, la conclusión es que la pulpa de relaves no es solo agua sucia: es un material vivo que se espesa mientras se desplaza, y cambios pequeños en el contenido de agua o la temperatura pueden alterar de forma drástica su comportamiento subterráneo. Al capturar este cambio de fase tanto en mediciones de laboratorio como en un modelo de flujo refinado, el estudio ofrece a los ingenieros una forma más realista de predecir hasta dónde se extenderán dichas lechadas y cómo se irá acumulando la presión de inyección en el tiempo. Esto puede ayudar a diseñar presas de relaves más seguras, refuerzos de terreno más fiables y una mejor reutilización de residuos mineros, reduciendo riesgos ambientales y haciendo la construcción subterránea más predecible.

Cita: Xing, S., Jia, J., Zheng, C. et al. Porous media grouting diffusion mechanism based on tailings slurry phase change characteristics. Sci Rep 16, 5571 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36009-z

Palabras clave: pulpa de relaves, inyectado, medio poroso, rheología, reutilización de residuos mineros