Untersuchung des Schädigungsgrößeneffekts von zementiertem Pastebackfill bei hohem Sand-Zement-Verhältnis

Warum die Größe der unterirdischen Stützen wichtig ist

Moderne Bergwerke pumpen oft eine Art künstliches Gestein, sogenannten zementierten Pastebackfill, in Hohlräume, um ein Nachsacken des Gebirges zu verhindern. Dieser Werkstoff besteht aus Restgestein (Tailings), Wasser und einer kleinen Menge Zement. Für die Sicherheit müssen Ingenieure genau wissen, wie belastbar dieses Backfill ist – doch diese Festigkeit hängt nicht nur von der Zusammensetzung ab, sondern auch von der Größe und Form der Prüfkörper im Labor. Diese Studie stellt eine einfache, aber wichtige Frage: Wenn wir das Verhältnis von Sand zu Zement und die Form des Prüfkörpers ändern, wie stark weichen unsere Festigkeitsmessungen von der tatsächlichen Festigkeit des tief verlegten Materials ab?

Wie Bergwerke Abfallgestein zur Sicherung nutzen

Beim Backfill-Bergbau wird das bei der Erzaufbereitung anfallende Abfallgestein mit Wasser und Zement vermischt und in leere unterirdische Hohlräume gepumpt. Nach dem Aushärten stützt dieses Material Dach und Wände, sodass weiteres Erz abgebaut werden kann, ohne gefährliche Einstürze zu verursachen. Die Festigkeit der gehärteten Paste – ihre Fähigkeit, Druck und Quetschen zu widerstehen – beeinflusst direkt, wie breit und hoch die unterirdischen Räume gestaltet werden können. Weil viele Bergwerke zur Kostensenkung Mischungen mit hohem Sandanteil und sehr wenig Zement (hohe Sand‑Zement‑Verhältnisse) verwenden, kann das resultierende Material relativ schwach sein. Solch niedrige Festigkeiten genau auf Standardprüfmaschinen zu messen ist schwierig, weshalb Forschende oft die Größe oder Form ihrer Labormuster verändern. Diese Bequemlichkeit kann die Ergebnisse jedoch unbemerkt verzerren.

Prüfung verschiedener Formen und Mischungen

Die Autoren stellten zahlreiche Prüfkörper aus zementiertem Pastebackfill her, mit drei Sand‑zu‑Zement‑Verhältnissen (von 8:1 bis 24:1) und drei Feststoffgehalten (71–73 Prozent), um reale Bergwerksbedingungen abzubilden. Sie konzentrierten sich auf drei einfache Formen mit unterschiedlichen Höhen‑zu‑Breiten‑Verhältnissen: einen kurzen, gedrungenen Block, einen Würfel und eine hohe, schlanke Säule. Nach 28 Tagen Aushärtung wurde jeder Probekörper in einer Presse bis zum Versagen belastet. Anschließend nutzte das Team statistische Methoden, um zu bestimmen, welchen Einfluss jeweils Mischungsverhältnis, Feststoffgehalt und Probenform auf die gemessene Festigkeit haben. Außerdem erstellten sie Computermodelle mit Finite‑Elemente‑Software, um in die Proben hineinzuschauen und zu visualisieren, wie sich Spannungen vor dem Versagen aufbauen.

Was Formen über verborgene Spannungen verraten

Die Tests zeigten deutliche Trends. Mit abnehmendem Zementanteil (höheres Sand‑Zement‑Verhältnis) sank die Festigkeit stark – in der getesteten Spanne um bis zu drei Viertel –, weil weniger Bindemittel vorhanden war, das die Körner zusammenhält. Eine Erhöhung des Feststoffgehalts machte die Paste durch Reduktion innerer Poren leicht fester, dieser Effekt war aber mäßig. Die Form des Prüfkörpers spielte jedoch eine überraschend große Rolle: Bei gleicher Mischung und gleichem Feststoffgehalt wirkten die kurzen, gedrungenen Blöcke am stärksten, die Würfel etwas schwächer und die hohen Säulen am schwächsten. Die Beobachtung der Rissmuster zeigte, dass kurze Proben tendenziell vertikal aufspalteten, während hohe Proben entlang X‑förmiger diagonaler Linien versagten, was auf unterschiedliche innere Spannungszustände hinweist.

Warum kurze Blöcke stärker erscheinen, als sie tatsächlich sind

Um diese Unterschiede zu erklären, untersuchten die Autoren, wie die Auflageplatten oben und unten die Proben seitlich einschränkten. Bei den kürzeren Blöcken verhinderte Reibung an diesen Platten, dass die Seiten in der Nähe der Enden nach außen wölbten. Dies erzeugte stark komprimierte, kegelartige Bereiche an beiden Enden, die sich in der Mitte überlappten und den Großteil des Materials in einen dreidimensionalen Druckzustand versetzten, wodurch es fälschlich stärker erscheint. Bei den hohen Säulen waren nur dünne Zonen nahe den Platten stark eingeschränkt; der lange Mittelabschnitt erlebte überwiegend ein eindimensionaleres Zusammendrücken, das dem Spannungszustand im Untergrund näherkommt. Computersimulationen bestätigten dieses Bild, indem sie intensive Spannungskonzentrationen nahe den Enden kurzer Blöcke und gleichmäßigere Spannungen in der Mitte hoher Proben zeigten.

Laborergebnisse in reale Festigkeit umrechnen

Da die höchsten Proben am wenigsten durch diese Rand‑/Endeffekte verzerrt werden, entsprechen ihre gemessenen Festigkeiten am ehesten der tatsächlichen Festigkeit des Backfills im Bergwerk. Mithilfe des vollständigen Datensatzes erstellten die Forschenden mathematische Beziehungen, die die gemessene Festigkeit kurzer oder kubischer Proben in äquivalente Werte für hohe Proben übersetzen. Diese Umrechnungsformeln, gültig für die getesteten Bereiche von Mischungsverhältnis und Feststoffgehalt, bieten Ingenieuren ein praktisches Werkzeug: Sie können weiterhin bequeme Probengrößen im Labor verwenden und die Ergebnisse anschließend korrigieren, um die reale Verhalten im Bergwerk besser abzubilden. Damit hilft die Studie, sicherzustellen, dass die unterirdische Stützung weder unterdimensioniert – was die Sicherheit gefährden würde – noch überdimensioniert und damit Zement und Geld verschwendet wird.

Zitation: Jiang, D., Li, H. & Sun, G. Research on damage size effect of cemented paste backfill under high sand-cement ratio conditions. Sci Rep 16, 11215 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40983-9

Schlüsselwörter: zementierter Pastebackfill, unterirdische Gebirgsstützung im Bergbau, Größeneffekt, Sand‑Zement‑Verhältnis, Druckfestigkeit