Copper tailings as supplementary cementitious material: activation, leaching behaviour and environmental performance

The impact of the cement industry on the generation of greenhouse gases (5-8% of the total worldwide) makes mandatory the search for more environmentally compatible alternatives, without affecting the advantages that allow for its wide use in the construction industry. Moreover, waste generation from copper industry, at increasing rates due to the progressively lower grade of minerals, reaching 200 tons of tailings per ton of produced copper, makes mandatory the search for new ways of using such a waste and offers an opportunity for mining industry to be environmentally compatible as well. This is especially critical in countries were copper industry is relevant and a high impact activity such as Chile. This research project associated these challenges by using tailings from the copper industry as a supplementary cementitious material (SCM) capable of replacing an important part of the cement. To achieve this, the use of mechanical and thermal treatments was studied to improve the cementitious capacity of the tailings, also analysing the capacity of the cementitious matrix to entrap copper and reduce leaching, and finally assessing and evaluating the environmental performance of concrete mixtures with treated tailings. Copper tailings activation, through grinding and calcination, was studied comparing cementitious mixtures without tailings, with un-treated tailings, and treated tailings, the latter chosen among cases that showed the highest activation potential. The treatments showed increases of up to 40% in mechanical performance. The heterogeneity of tailing samples was observed analysing the increase of pozzolanic capacity between 80% and 140% of the tailings after treatment. Leaching of heavy metals from cementitious samples containing tailings was analysed, studying specifically the mechanism of entrapment of copper phases within the cementitious matrix. The water-cement ratio was determined to be statistically significant in controlling copper leaching, and migration of copper phases during the hydration process towards cementitious products such as calcium silicates hydrates (CSH) was observed as verified by SEM and XANES. Leaching levels were also measured for other metals, observing that when tailings are incorporated into the cementitious matrix, leaching levels are negligible. Finally, with the previous information and results, a methodology was developed to measure the environmental impact of the use of tailings as SCM, using life cycle analysis (LCA) to determine the possible benefit of the use of these materials. As a result, it was determined that the benefits of the use of treated tailings vary depending on their cementitious capacity as SCM, and, at a higher level of mechanical performance, environmental indicators show better results compared to mixtures without tailings. The new proposed methodology allows an accurate comparison of cementitious mixtures with SCM, allowing a proper environmental study of these and other residues. This study demonstrated the feasibility of the use of tailings as supplementary cementitious material, with the limitations imposed by heterogeneity, the presence of high copper concentrations and the environmental impacts analysed and discussed.

L'impatto dell'industria del cemento sulla generazione di gas a effetto serra (5-8% del totale globale) rende necessaria la ricerca di alternative a questo materiale che ne riducano l'impatto, senza compromettere i vantaggi e le proprietà che ne consentono un ampio utilizzo nel settore delle costruzioni. D'altra parte, la generazione di rifiuti dell'industria del rame, a tassi crescenti a causa del basso contenuto di minerali, che raggiunge 200 tonnellate di residui per tonnellata prodotta di rame, rende la ricerca di modalità di utilizzo di questi rifiuti un'esigenza e un'opportunità importante per l'industria mineraria. Questo è soprattutto vero per i Paesi produttori di rame come il Cile. In questa tesi, è stata studiata l'unione di queste due esigenze: l'uso di residui dell'industria del rame come materiale cementizio supplementare. Per questo, è stato proposto l'uso di trattamenti meccanici e termici per migliorare la capacità dei residui come materiale cementizio, studiando anche la capacità della matrice cementizia di trattenere la lisciviazione del rame (metallo) e infine le prestazioni ambientali delle miscele cementizie contenenti i residui trattati. L'attivazione dei residui dalla produzione del rame attraverso trattamenti di macinazione e calcinazione è stata studiata confrontando miscele cementizie senza residui e con residui non trattati rispetto a miscele con residui trattati, questi ultimi scelti tra i residui che mostravano il più alto potenziale di attivazione, mostrando aumenti fino al 40% della resistenza meccanica. L'eterogeneità dei residui è stata osservata analizzando l'aumento tra l'80% e il 140% della capacità pozzolanica dei residui trattati. È stata analizzata la lisciviazione di metalli da miscele cementizie contenenti i residui, studiando in particolare il meccanismo di intrappolamento delle fasi del rame (metallo) all'interno della matrice cementizia. È stato determinato che il rapporto acqua-cemento è statisticamente significativo quando si analizza la lisciviazione del rame e si è osservata la migrazione delle fasi del rame durante il processo di idratazione verso prodotti cementizi come i silicati di calcio idratati (CSH), attraverso l'analisi SEM e XANES. Sono stati inoltre misurati i livelli generali di lisciviazione, osservando che quando i residui sono incorporati nella matrice cementizia, i livelli di lisciviazione sono trascurabili. Infine, con le informazioni di cui sopra, è stata sviluppata una metodologia per misurare l'impatto ambientale dell'uso dei residui come materiale cementizio supplementare, utilizzando l'analisi del ciclo di vita (LCA) per determinare il possibile beneficio dell'uso di questi rifiuti. I risultati mostrano che i benefici dell'uso dei residui dipendono dalla loro capacità di materiale cementizio supplementare e che, a un livello più elevato di prestazioni, gli indicatori ambientali sono migliori di quelli delle miscele senza residui. La nuova metodologia proposta consente un confronto corretto e accurato di miscele cementizie con materiali cementizi supplementari, facilitando lo studio ambientale di questi e altri residui. Questo studio ha dimostrato la fattibilità dell'uso dei residui dalla produzione del rame come materiale cementizio supplementare, analizzando i limiti imposti dall'eterogeneità, la presenza di elevate concentrazioni di rame e l'impatto ambientale.