Estériles de carbón

Propiedades físicas ^{(6 y 7)}

En general, los estériles del carbón están constituidos por fragmentos de diversas rocas, con una granulometría 0-200, siendo difícil la presencia de bloque de tamaño métrico, procedente de los estériles de mina. El peso específico medio de los estériles de carbón en España está comprendido entre 23,5 y 28,5 kN/m³. La plasticidad suele estar comprendida entre de tipo media-baja a inexistente.

Los estériles de mina se caracterizan por tener una granulometría más irregular, no estar degradados y, en general, no poseer carbón.

Los estériles de lavadero poseen una granulometría y una composición mineralógica y química muy regulares, y no suelen estar degradados ni disgregados a la salida de los lavaderos. Su contenido en carbón es variable, en función de los tamaños correspondientes a los diferentes cortes granulométricos que se realizan en los lavaderos. Son de color gris y tienen un cierto porcentaje de lajas. Se suelen clasificar en gruesos (>150 mm), granos (150 a 10 mm), menudos (10 a 1 mm) y finos (<1mm). El peso específico de las partículas de los granos y menudos es del orden de 2,5 t/m³, mientras que la de los finos es algo inferior, del orden de 2,2 t/m³.

Los estériles de escombrera, tanto los estériles rojos como los estériles negros, presentan granulometrías muy variables, que son función de los tipos de estériles originales, con porcentajes importantes de partículas superiores a 50 mm. En el caso de los estériles negros, se pueden encontrar en las escombreras tamaños decimétricos hasta en algún caso métrico. El tamaño medio de las partículas está comprendido entre 0,5-1 mm a 34-40 mm, y el porcentaje de finos entre el 2% y el 75%. La densidad aparente puede variar desde 1,26 t/m³, en los escombros más flojos, hasta 1,80 t/m³ en los más compactos. El peso específico relativo de las partículas está comprendido entre 2,4 y 2,8. En general, los finos suelen ser poco plásticos, con valores del  límite líquido (LL) de 18 a 30 y con índices de plasticidad (IP) de 3 a 10. La densidad Proctor normal se sitúa en el intervalo 1,55-2,02 t/m³, con humedades óptimas de compactación comprendidas entre 12% y 8%, respectivamente. El CBR para la densidad Proctor normal suele estar comprendido entre 9 y 16, mientras que para la densidad Proctor modificado, el CBR varía entre 11 y 29.

En cuanto a los estériles rojos, se trata de un material que tiene naturaleza granular con una distribución continua de tamaños, con un cierto porcentaje de material lajoso y quebradizo; el tamaño máximo de los estériles rojos puede ser del orden de 300 mm, mientras que el porcentaje de finos suele ser inferior al 10%, siendo dicho material no plástico. La densidad máxima Proctor Modificado suele ser del orden de 1,8 t/m³, con una humedad óptima en torno al 11%. El CBR presenta valores altos, habiéndose alcanzado algunos del orden de 40, e incluso superiores. Por otra parte, los estériles rojos son susceptibles al hielo, por lo que, si es preciso prever la influencia de la helada, se aconseja la utilización de aquéllos a una profundidad superior a la de la penetración de la helada.

En cuanto a la petrografía de los estériles del carbón, estudios realizados en nuestro país, muestran que existe una gran variación debido a la diversidad y complejidad de su geología. Los estériles de la mayoría de las cuencas carboníferas son rocas sedimentarias –areniscas, pizarras arenosas y carbonosas- con una relación cuarzo/arcilla muy variable; las rocas con minerales arcillosos son, generalmente, más frecuentes que las rocas con cuarzo⁽⁷⁾. En los estériles de mina predominan normalmente las areniscas y en los estériles de lavadero son más abundantes las pizarras. Asimismo, los estériles también presentan, aunque en menor proporción, rocas ferruginosas, carbonosas, etc.

En lo relativo a su composición mineralógica, los estériles son mezclas de diferentes componentes que pueden variar considerablemente de una cuenca a otra, aunque predominan los de las rocas arcillosas, tales como illita, caolinita, clorita, etc. Los porcentajes de cuarzo oscilan entre el 20% y el 50%, disminuyendo el contenido a medida que se reduce el tamaño y encontrándose los menores valores en los estériles de antracita. Otros minerales presentes son piritas, carbonatos, etc⁽⁷⁾.

En la tabla 3 se recogen, a modo de resumen, las propiedades del todo-uno menor de 50 mm de los estériles de carbón, según estudios realizados en España⁽⁸⁾.

Tabla  3: Características del todo-uno menor de 50 mm de los estériles de carbón

Propiedades químicas

Los estudios realizados⁽⁹⁾ ponen de manifiesto que los estériles en general poseen un elevado porcentaje de SiO₂ (40-70%) y una importante proporción de alúmina, Al₂O₃ (10-25%), siguiéndoles en importancia el Fe₂O₃, K₂O y Na₂O. El contenido de azufre es variable, en general inferior al 2% (en algún caso 3,6%) y se puede presentar bajo diversos compuestos químicos, siendo el más frecuente la pirita. Asimismo, los estériles contienen carbono fijo en porcentajes que, una vez descontadas las cenizas y los volátiles, pueden llegar al 16% en los estériles de hulla y el 27% en los de antracita.

En los estériles rojos, el porcentaje de sílice está entorno al 55% y el de alúmina al 25% y suelen ser superiores al que presentan los estériles negros. El contenido de óxido férrico es bastante variable, con valores medios cercanos al de los estériles negros (5%). Los estériles rojos contienen sulfatos; dependiendo del porcentaje de éstos pueden presentar pH ácido. A veces se ha detectado presencia de carbonatos. También pueden aparecer contenidos de materia orgánica, en función de la norma que se aplique en su determinación (si se determina según la norma UNE 103204, es decir, cuando los valores que se obtienen de la materia orgánica oxidable son superiores al 2%, que es el valor que en el PG3, art.333, se considera para rocas marginales, y para su uso será necesario un estudio especial aprobado por el Director de las Obras que justifique la valorización de este residuo. Si se determina el porcentaje de materia orgánica descomponible, los valores que han obtenido son muy bajos, del 0,1 a 0,36%).

En los estériles negros el porcentaje de sílice es del 50% aproximadamente, el de alúmina es del 20% aproximadamente, y el óxido de hierro está entorno al 7%. La composición química de los estériles negros es, pues, similar a la de la arcilla. Pueden presentar contenidos de materia orgánica, según la norma que se aplique para su determinación.

El contenido medio de carbón de los estériles de escombrera del Norte de España es del orden del 5%, pudiendo dicho porcentaje llegar a ser hasta del 30% en las escombreras más antiguas.

Los estériles suelen ser neutros o ligeramente alcalinos, pero en contacto con agua y en presencia de piritas, pueden dar lugar a lixiviados ácidos; no obstante, éstos pueden ser neutralizados rápidamente por reacción con los elementos alcalinos presentes en los estériles.

En la tabla 4 se recoge a modo de resumen la composición química media de los estériles de carbón españoles⁽¹⁾.

Tabla 4: composición química media de los estériles de carbón españoles

Propiedades mecánicas^{(1 y 8)}

Los valores medios de compactación dan valores de densidad seca máxima superiores a 17 kN/m³, con unas humedades medias óptimas comprendidas entre 6 y 12%. Una particularidad de estos materiales es su degradabilidad por efecto de la compactación, aumentando con la energía aplicada. Las consecuencias de este fenómeno se limitan a aumentar el porcentaje de los tamaños más pequeños (significativa en el intervalo 10-20 mm), sin que varíe notablemente ni el porcentaje ni la plasticidad de los finos ⁽¹⁾. Sin embargo, una compactación muy intensa puede afectar negativamente a las propiedades físicas y mecánicas del material (pe. el ángulo de rozamiento obtenido en ensayo triaxial pasa de 29-32º a 13º) ⁽⁸⁾.

El índice CBR está comprendido entre 8 y 29, con un valor medio del orden de 10. Los parámetros de resistencia al corte en muestras del Reino Unido han dado valores del ángulo de rozamiento entre 25 y 40º, aunque puede disminuir hasta 20º en los residuos más meteorizados; la cohesión es del orden de 9 kPa en residuos no meteorizados e incluso nula, pero puede llegar hasta 50 kPa y por encima de este valor en condiciones de mayor alteración ambiental.