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El relave minero de Colipa como aditivo estabilizante de suelos limo inorgánico (ML) para la construcción de edificaciones
Resumen Ejecutivo
Este estudio evaluó la viabilidad de utilizar el relave minero abandonado de Colipa (distrito de Santa Bárbara de Carhuacayán, Junín, Perú) como aditivo estabilizante para mejorar las propiedades mecánicas de suelos limo inorgánico (ML), empleados en cimentaciones de edificaciones. Se prepararon cuatro mezclas de suelo ML con diferentes porcentajes de relave (0%, 20%, 30% y 50% en peso) y se realizaron ensayos de laboratorio normalizados: granulometría, límites de Atterberg, Proctor estándar, gravedad específica y corte directo. Con los parámetros obtenidos se calculó la capacidad portante admisible (qadm) mediante la fórmula de Meyerhof. Los resultados demostraron que la adición de relave incrementa significativamente la capacidad portante del suelo ML, alcanzando un valor máximo de 7.57 kg/cm² para la mezcla con 50% de relave, lo que representa un aumento del 44.5% respecto al suelo sin estabilizar (5.25 kg/cm²). Este estudio ofrece una solución dual: estabilizar suelos problemáticos para construcción y reducir el impacto ambiental de pasivos mineros abandonados.
La adición de relave minero de Colipa como aditivo estabilizante para suelos ML mejora significativamente sus propiedades mecánicas. La capacidad portante admisible (qadm) aumentó de 5.25 kg/cm² (suelo puro) a 7.57 kg/cm² (mezcla con 50% de relave), lo que representa una mejora del 44.5%. Además, se observó un aumento progresivo en la densidad seca máxima (hasta 1.531 g/cm³) y en el ángulo de fricción interna (hasta 29.03°), confirmando la efectividad del relave como estabilizante.
Contexto y Problemática
Los depósitos de relave minero abandonados constituyen un grave problema ambiental en Perú, generando contaminación por metales pesados (como plomo y zinc) que afectan suelos, aguas subterráneas y ecosistemas. El depósito de Colipa, ubicado en la cuenca alta del río Mantaro, es uno de estos pasivos ambientales. Paralelamente, en muchas áreas urbanas del país se encuentran suelos limo inorgánico (ML), caracterizados por su baja capacidad portante y alta compresibilidad, lo que los hace inadecuados para cimentaciones directas sin estabilización previa. Este estudio busca abordar ambos problemas mediante la reutilización del relave como aditivo estabilizante, transformando un residuo contaminante en un recurso útil para la construcción, reduciendo así su volumen en el ambiente y mejorando las propiedades geotécnicas de suelos problemáticos.
Metodología de Investigación
1. Materiales y Preparación de Muestras
- Suelo ML: Extraído de una calicata de 2.00 m de profundidad en el distrito de San Martín de Porres, Lima.
- Relave minero: Proveniente del depósito abandonado de Colipa (Coordenadas UTM: 8762080.71 N, 356638.44 E, zona 18S), con altos contenidos de Zn (~8810.4 ppm) y Pb (~3844.4 ppm).
- Diseño de mezclas: Se prepararon cuatro combinaciones en porcentaje peso:
- Muestra 1: 100%S – 0%RLV (suelo puro)
- Muestra 2: 80%S – 20%RLV
- Muestra 3: 70%S – 30%RLV
- Muestra 4: 50%S – 50%RLV
2. Ensayos de Laboratorio Realizados
- Clasificación de suelos: Granulometría (ASTM D422) y límites de Atterberg (ASTM D4318) para confirmar la clasificación ML.
- Compactación: Ensayo Proctor estándar (ASTM D698) para determinar la densidad seca máxima (γd) y humedad óptima (w).
- Gravedad específica: Determinada según ASTM C127.
- Resistencia al corte: Ensayo de corte directo (ASTM D3080) para obtener cohesión (C') y ángulo de fricción (Ø).
3. Cálculo de Capacidad Portante
- Fórmula aplicada: Se utilizó la ecuación general de Meyerhof (1963) para calcular la carga portante última (qu).
- Condiciones de diseño: Se consideró una zapata cuadrada convencional de 1.30 m de ancho, ubicada a 2.60 m de profundidad, típica en zonas urbanas.
- Carga admisible: Se aplicó un factor de seguridad de 3 (según Norma E.050 del RNE) para obtener la carga portante admisible (qadm) a partir de qu.
Resultados Principales
1. Resultados de los Ensayos de Laboratorio
Propiedades índice y de compactación: La adición de relave incrementó progresivamente la densidad seca máxima y redujo la humedad óptima, indicando una mejor compactabilidad.
Parámetros de resistencia: Se observó un aumento significativo del ángulo de fricción interna (Ø) y una disminución de la cohesión (C'), típico de suelos estabilizados con materiales granulares.
| Muestra (%S - %RLV) | γd(max) (g/cm³) | Humedad óptima w (%) | Gravedad específica Gs | Ángulo de fricción Ø (°) | Cohesión C' (kg/m²) |
|---|---|---|---|---|---|
| 100%S - 0%RLV | 1.407 | 27.95 | 2.62 | 22.74 | 0.190 |
| 80%S - 20%RLV | 1.495 | 23.42 | 2.68 | 24.49 | 0.064 |
| 70%S - 30%RLV | 1.528 | 22.42 | 2.70 | 26.72 | 0.053 |
| 50%S - 50%RLV | 1.531 | 19.98 | 2.74 | 29.03 | 0.044 |
2. Capacidad Portante Admisible (qadm)
Cálculo y comparativa: La capacidad portante admisible mostró una tendencia ascendente con el aumento del porcentaje de relave, confirmando el efecto estabilizante.
| Muestra (%S - %RLV) | qadm (kg/cm²) | Variación respecto al suelo puro |
|---|---|---|
| 100%S - 0%RLV | 5.25 | Base (100%) |
| 80%S - 20%RLV | 4.67 | -11.0% |
| 70%S - 30%RLV | 5.84 | +11.2% |
| 50%S - 50%RLV | 7.57 | +44.5% |
Mecanismo de mejora: El incremento en la capacidad portante se atribuye al aumento de la densidad seca y del ángulo de fricción interna, resultantes de la incorporación de partículas granulares del relave que mejoran la trabazón entre partículas del suelo ML.
Discusión e Interpretación
Efectividad del Relave como Estabilizante
- Mejora progresiva: Aunque la mezcla con 20% de relave mostró una ligera disminución en qadm, las dosificaciones del 30% y 50% presentaron mejoras significativas (11.2% y 44.5%, respectivamente), demostrando que existe una dosificación óptima superior al 20%.
- Comparación con otros estudios: Los resultados son consistentes con investigaciones previas que utilizan relaves o escorias para estabilizar suelos ML o SC, confirmando la viabilidad técnica de reutilizar estos residuos mineros en ingeniería geotécnica.
- Aspectos ambientales controlados: El estudio señala que el uso de relave en cimentaciones es viable siempre que no exista nivel freático en la zona de implantación, evitando así la lixiviación de metales pesados. Esto implica la necesidad de estudios hidrogeológicos previos.
Implicaciones Prácticas y Sostenibilidad
- Doble beneficio ambiental: Esta aplicación reduce el volumen de pasivos mineros abandonados y evita la explotación de nuevos recursos naturales para estabilizantes convencionales (como cemento o cal), promoviendo una construcción más circular.
- Economía en construcción: Al aumentar la capacidad portante, se pueden reducir las dimensiones de las cimentaciones, ahorrando concreto y acero, lo que disminuye costos y la huella de carbono de la obra.
- Aplicabilidad en zonas urbanas: Especialmente útil en áreas donde el suelo ML es prevalente y existen restricciones para el uso de estabilizantes tradicionales por costo o logística.
- Limitaciones y futuro: Se requieren estudios adicionales sobre la durabilidad a largo plazo, el comportamiento frente a ciclos de humedad-sequedad y la validación en obras reales a escala piloto.
Conclusiones Principales
- El relave minero de Colipa se puede utilizar efectivamente como aditivo estabilizante para suelos ML, mejorando sus propiedades mecánicas de manera significativa, especialmente en dosificaciones del 30% y 50% en peso.
- La capacidad portante admisible (qadm) del suelo ML aumentó de 5.25 kg/cm² (suelo puro) a 7.57 kg/cm² (con 50% de relave), lo que representa una mejora del 44.5%, permitiendo el uso de cimentaciones más eficientes y económicas.
- Los ensayos de Proctor estándar demostraron un aumento progresivo de la densidad seca máxima hasta 1.531 g/cm³ (incremento del 108.8% respecto al suelo puro) y una reducción de la humedad óptima, mejorando la compactabilidad.
- El ensayo de corte directo mostró un incremento del ángulo de fricción interna hasta 29.03° en la mezcla con 50% de relave, indicando una mayor resistencia al deslizamiento y a la rotación.
- Esta investigación ofrece una solución sostenible con doble impacto positivo: estabilización de suelos problemáticos para construcción y reducción de la contaminación ambiental mediante la reutilización de un pasivo minero abandonado.
- Se recomienda aplicar esta tecnología en proyectos de construcción en áreas con suelos ML, previa evaluación de las condiciones hidrogeológicas del sitio para garantizar que el relave no entre en contacto con el nivel freático.
Palabras claves: Suelo ML, relave minero, aditivo estabilizante, capacidad portante admisible, ensayos de laboratorio, Proctor estándar, corte directo, cimentación, geotecnia, construcción sostenible, pasivos ambientales mineros.
Referencia Completa
Llacza Cardenas, H. A. (2023). El relave minero de Colipa, como aditivo estabilizante de suelos limo inorgánico (ML) para la construcción de edificaciones. Revista del Instituto de Investigación de la Facultad de Minas, Metalurgia y Ciencias Geográficas, 26(52), e25130. https://doi.org/10.15381/ligeo.v26i52.25130
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