Propiedades mecánicas y evolución energética del relleno cementado de relaves y polvo de roca bajo compresión uniaxial: efecto del tipo y contenido de polvo de roca

Convertir los residuos mineros en un soporte subterráneo más seguro

La minería moderna genera montones de roca finamente triturada llamados relaves y acumulaciones de piedra sobrante de las canteras. Ambos resultan costosos de almacenar y pueden amenazar terrenos y recursos hídricos cercanos. Este estudio explora una forma de convertir esos residuos en un material de construcción más resistente y seguro que puede bombearse de nuevo al subsuelo para apuntalar los espacios excavados, reduciendo a la vez costes y riesgos ambientales.

Por qué la roca sobrante es un problema creciente

En las principales regiones mineras, incluida China, se han acumulado miles de millones de toneladas de relaves, con cientos de millones de toneladas nuevas cada año. Estos enormes depósitos ocupan terreno, pueden filtrar contaminantes y, en casos raros, fallar catastróficamente. Una solución prometedora es mezclar relaves con cemento y agua para crear una lechada espesa que se bombee de nuevo a túneles y cámaras minadas, donde endurece formando una roca artificial. Este llamado relleno ayuda a sostener el terreno, limita el hundimiento superficial y encierra los residuos de forma segura bajo tierra. Pero el relleno convencional a menudo necesita aditivos químicos caros o fibras sintéticas para lograr la resistencia y durabilidad requeridas, lo que aumenta tanto los costes como las preocupaciones ambientales.

Añadir polvo de roca para mejorar el relleno

Los investigadores probaron una idea simple: moler la roca de desecho de las canteras locales hasta convertirla en polvo fino y mezclarla con relaves, cemento y agua para crear un nuevo material que denominan relleno cementado de relaves y polvo de roca (CTRPB). Se centraron en tres rocas muy comunes —granito, basalto y mármol— y añadieron cada polvo al relleno en distintos porcentajes, del 3 % al 15 % del material sólido. Se moldearon muestras cilíndricas, se curaron durante 28 días y luego se comprimieron en una prueba uniaxial, que aplasta la muestra de forma constante mientras mide la tensión máxima que soporta y cómo se deforma y fractura. Esto permitió al equipo comparar resistencia, rigidez y comportamiento de falla frente a un relleno estándar sin polvo de roca.

Cómo se comporta el material bajo trituración

Todas las muestras mostraron cuatro etapas claras durante la compresión: primero, se cerraron pequeños poros y grietas; a continuación, el material se deformó de forma casi lineal y elástica; luego las grietas se propagaron y el material cedió; finalmente, tras alcanzar la resistencia máxima, se fracturó y perdió gran parte de su capacidad portante. El polvo de roca modificó cada una de estas etapas. En cantidades moderadas, las partículas finas llenaron los huecos entre los granos de relave, creando una estructura más densa y homogénea y una transferencia de esfuerzos más suave. Como resultado, el nuevo relleno pudo soportar cargas mayores y deformarse más antes de romperse. Sin embargo, cuando se añadió demasiado polvo de roca, se diluyó el cemento, se debilitaron los enlaces entre partículas y la resistencia volvió a disminuir.

Resistencia, tenacidad y energía almacenada

Las mezclas con mejor comportamiento fueron las que contenían aproximadamente un 9 % de polvo de basalto o granito y alrededor de un 12 % de polvo de mármol. En comparación con el relleno simple, estas mezclas óptimas aumentaron la resistencia a la compresión hasta en torno al 70 %, al tiempo que permitieron mayores deformaciones en la carga máxima. Curiosamente, el módulo de elasticidad del material tendió a disminuir ligeramente al añadir polvo de roca, incluso cuando la resistencia aumentaba. Ese intercambio significa que el relleno modificado puede flexionar un poco más y absorber más energía antes de fallar. Al examinar el área bajo las curvas tensión‑deformación, los autores calcularon cuánta energía almacenaron las muestras de forma elástica y cuánta se disipó como daño. Con polvo de roca, la densidad energética total y las cantidades almacenadas y disipadas aumentaron notablemente —en algunos casos más de dos a cuatro veces—, lo que muestra que el CTRPB puede absorber y liberar cantidades de energía mucho mayores durante la carga.

Rastrear el daño y predecir la falla

Para entender mejor cuándo y cómo falla el nuevo relleno, el equipo formuló un modelo matemático de “daño” que sigue el crecimiento de microgrietas internas a medida que aumenta la deformación. Trataron el material como si estuviera formado por muchos pequeños elementos con resistencias variables en términos estadísticos y usaron este marco para ajustar una ecuación por tramos a las curvas tensión‑deformación medidas. El modelo captura cuatro etapas de daño: una etapa indemne, una etapa inicial de daño lento, una etapa de daño de rápida progresión y una etapa final donde el daño se estabiliza al acercarse la muestra a la falla completa. En la región previa al pico —antes de que el material alcance su máxima resistencia— las predicciones del modelo concuerdan bien con los experimentos, por lo que los ingenieros podrían usarlo para estimar qué tan cerca está una zona rellenada de fallar bajo las cargas esperadas en el subsuelo.

Qué significa esto para minas más verdes y seguras

En términos sencillos, este estudio demuestra que cantidades cuidadosamente escogidas de polvos de roca comunes pueden convertir los residuos de mina y cantera en un relleno más resistente y capaz de absorber más energía, que sostiene de forma más eficaz los huecos subterráneos. Aunque contenidos muy altos de polvo de roca pueden volver el material más frágil después de la falla, la mayor resistencia y la mayor capacidad de almacenamiento energético antes de la falla indican que, bien diseñado, el CTRPB puede reducir la necesidad de aditivos costosos y ayudar a consumir múltiples corrientes de residuos a la vez. Para las operaciones mineras que buscan reducir volúmenes de disposición, bajar costes y mantener la estabilidad del terreno, este enfoque ofrece una receta práctica y basada en la ciencia para aprovechar la roca residual en el subsuelo.

Cita: Zhang, J., Zou, Q., Cai, W. et al. Mechanical properties and energy evolution of cemented tailings-rock powder backfill under uniaxial compression: effect of rock powder type and content. Sci Rep 16, 5855 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36436-y

Palabras clave: relleno de mina, polvo de roca, gestión de relaves, minería subterránea, utilización de residuos