Entwicklung der Frühfestigkeit und Mechanismus des spröde-zu-duktil Übergangs von basaltfaserverstärktem zementiertem Bergrestfüllgut

Stärkere Untertage-Unterstützungen aus Bergabfall

Moderne Bergwerke pumpen oft Gemische aus zerkleinertem Gestein und Zement in freie Strecken, um das Dach zu stützen und Setzungen an der Oberfläche zu begrenzen. Diese künstlichen Pfeiler können jedoch plötzlich versagen, was die Sicherheit der Beschäftigten gefährdet. Diese Untersuchung zeigt, wie das Hinzufügen winziger Basaltfasern derartige Ausfüllungen in den entscheidenden ersten Wochen nach dem Einbringen sowohl stärker als auch weniger spröde machen kann.

Warum Bergbau-Füllungen überarbeitet werden müssen

Die hier untersuchte Füllung heißt zementiertes Bergrestfüllgut und besteht vorwiegend aus Abfallgestein, Flugasche und einer kleinen Menge Zement, gemischt mit Wasser. Nach dem Erhärten trägt es die Last des darüber liegenden Gesteins. Konventionelle Mischungen verhalten sich jedoch häufig wie spröder Stein: Sie widerstehen der Kompression bis zu einem Punkt und verlieren dann sehr schnell an Festigkeit, sobald ein Hauptriss entsteht. Die Forscherinnen und Forscher wollten, dass sich die Füllung eher wie ein zähes, leicht flexibles Material verhält, das sich verformen und Schäden verteilen kann, statt plötzlich komplett zu versagen.

Winzige Fasern mit großer Aufgabe

Das Team mischte kurze, gehackte Basaltfasern in unterschiedlichen Gewichtsanteilen in das Füllgut, von keiner Zugabe bis zu 0,60 Prozent der Feststoffmasse, und lagerte Proben für 3 bis 60 Tage. Anschließend wurden Zylinder in einer Prüfmaschine zusammengedrückt, um zu messen, welche Lasten sie tragen und wie stark sie sich vor dem Versagen verformen konnten. Ein Fasergehalt von 0,30 Prozent fiel besonders auf: Nach 28 Tagen war die Druckfestigkeit etwa zwei Drittel höher und die Spitzendehnung etwa ein Drittel höher als bei faserfreien Proben. Noch wichtiger für den praktischen Bergbau: Zwischen Tag 3 und Tag 7 stieg die Festigkeit dieser Mischung um das Mehrfache und erreichte ein Niveau, das frühzeitiges Bergbauarbeiten nahe der aufgefüllten Bereiche realistisch stützen kann.

Von plötzlichem Versagen zu kontrollierter Schädigung

Um zu beobachten, wie das Material zerbrach, zeichneten die Forschenden kleine akustische Signale wachsender Risse auf und überwachten Oberflächen mit Kameras und digitalen Bildverarbeitungswerkzeugen. Bei unbewehrtem Füllgut dominierten gerade Zugspalten, die schnell durch die Probe liefen und zu abruptem Kapazitätsverlust führten. Mit Fasern wurden Risse umgelenkt, verzweigten sich und zwangen sie manchmal zu Scherpfaden, wodurch ein komplexeres Netzwerk vieler kleiner Risse entstand. Beim optimalen Fasergehalt verbreitete sich der Schaden in einem schrägen, gemischten Muster statt entlang einer einzigen vertikalen Spalte, und der Abfall der Festigkeit nach dem Spitzenwert wurde weniger steil. Computersimulationen zahlreicher verklebter Partikel bestätigten dieses Bild: Es traten zahlreichere, aber kleinere Bruchsegmente sowie vermehrt scherartige Kontaktversagen auf, wenn Fasern vorhanden waren.

Was auf mikroskopischer Ebene passiert

Elektronenmikroskopische Aufnahmen erklärten, warum Fasern so wichtig sind. Im unbewehrten Füllgut hinterließ das gehärtete Zementgel mit seinen Kristallen viele Poren und Schwachstellen, an denen Risse entstehen konnten. In faserverstärkten Proben waren die Basaltfasern von einer dichten Schicht hydrationsbedingter Produkte umgeben, die sie fest mit der umgebenden Matrix verbanden. Diese dreiteilige Grenzfläche aus Faser, Zementprodukten und Gesteinspartikeln wirkte wie kleine Anker und Brücken. Wenn ein Riss auf eine Faser traf, neigte er dazu, abzulenken, zu spalten oder abzubremsen, statt gerade hindurchzugehen. Wurden jedoch zu viele Fasern hinzugefügt, verklumpten sie und bildeten neue Hohlräume und schwache Bereiche, die wiederum schnelles Aufreißen begünstigen und den Nutzen reduzieren konnten.

Folgen für sichereren und saubereren Bergbau

Für die getesteten Bedingungen bot ein Basaltfasergehalt um 0,30 Prozent die beste Balance aus Frühfestigkeit, Duktilität und Widerstand gegen plötzlichen Einsturz. Die verbesserte Füllung kann größtenteils aus Bergwerksabfällen hergestellt werden und dennoch in der ersten Woche und darüber hinaus stabilere Dachstützung bieten. Obwohl unter den im Untergrund herrschenden höheren Spannungen noch weitere Untersuchungen nötig sind, deuten die Ergebnisse darauf hin, dass sorgfältig dosierte Fasern sprödes Bergwerksfüllgut in eine zähere, verlässlichere Stütze verwandeln können und zugleich zur Wiederverwertung von Abfallgestein beitragen.

Zitation: Mao, J., Shi, X., Feng, J. et al. Early-age strength evolution and brittle-to-ductile transition mechanism of basalt-fiber-reinforced cemented gangue backfill. Sci Rep 16, 15141 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46049-0

Schlüsselwörter: Basaltfaser, zementiertes Bergrestfüllgut, Frühfestigkeit, Unterstützung des Bergstrebendachs, Rissentwicklung