Evolución de la resistencia en edad temprana y mecanismo de transición frágil a dúctil del relleno consolidadode ganga reforzado con fibra de basalto

Soportes subterráneos más resistentes a partir de residuos rocosos

Las minas modernas a menudo impulsan mezclas de roca triturada y cemento en túneles vacíos para sostener el techo y limitar el hundimiento del terreno en la superficie. Pero estos pilares artificiales pueden fisurarse de forma repentina, lo que pone en riesgo la seguridad de los trabajadores. Este estudio explora cómo la adición de pequeñas fibras de basalto a dicho relleno puede hacerlo tanto más resistente como menos frágil durante las semanas críticas después de su colocación.

Por qué el relleno minero necesita una reforma

El relleno estudiado aquí se denomina relleno de ganga cementado, y está compuesto principalmente por residuos rocosos, ceniza volante y una pequeña cantidad de cemento mezclada con agua. Una vez endurecido, ayuda a soportar el peso de la roca suprayacente. Sin embargo, las mezclas convencionales tienden a comportarse como una piedra frágil: resisten la compresión hasta cierto punto y luego pierden fuerza rápidamente cuando se forma una grieta principal. Los investigadores buscaron que el relleno se comportara más como un material tenaz y ligeramente flexible que pueda deformarse y distribuir el daño en lugar de fallar de golpe.

Fibras diminutas con una gran tarea

El equipo mezcló fibras cortas picadas de basalto en el relleno en distintas fracciones de masa, desde ninguna hasta el 0,60 por ciento de la masa sólida, y curó las muestras entre 3 y 60 días. Luego comprimieron los cilindros en una máquina de ensayo para registrar la carga que podían soportar y la deformación antes de la falla. Una dosificación de fibra del 0,30 por ciento destacó: tras 28 días, la resistencia a la compresión fue aproximadamente un 66 % mayor y la deformación máxima alrededor de un 33 % superior respecto a las muestras sin fibra. Aún más importante para aplicaciones mineras reales, entre el día 3 y el día 7 la resistencia de esta mezcla se multiplicó por más de cuatro, alcanzando niveles que pueden soportar de forma realista la explotación temprana cerca del área rellenada.

De la rotura súbita al daño controlado

Para observar cómo se fracturaba el material, los investigadores escucharon señales acústicas producidas por el crecimiento de grietas y vigilaron las superficies con cámaras y herramientas digitales de imagen. En el relleno sin fibras, la fracturación estuvo dominada por fisuras tensiles rectas que atravesaban rápidamente la muestra, conduciendo a una pérdida abrupta de capacidad. Con fibras, las grietas se desviaron, ramificaron y, a veces, se forzaron a caminos de deslizamiento, produciendo una red más compleja de grietas más pequeñas. En el contenido de fibra óptimo, el daño se propagó en un patrón oblicuo y mixto en lugar de a lo largo de una única fisura vertical, y la caída post‑pico de resistencia fue menos pronunciada. Simulaciones numéricas de muchas partículas unidas respaldaron este panorama, mostrando segmentos de fractura más numerosos pero más pequeños y más fallas por corte en los contactos cuando había fibras presentes.

Qué ocurre a nivel microscópico

Imágenes de microscopía electrónica revelaron por qué las fibras son tan relevantes. En el relleno sin fibras, el gel de cemento endurecido y los cristales dejaban muchos poros y puntos débiles donde podían iniciarse grietas. En las muestras reforzadas con fibras, las fibras de basalto estaban envueltas en una capa densa de productos de hidratación que las unía firmemente a la matriz circundante. Esta interfaz tripartita de fibra, productos del cemento y partículas rocosas actuó como pequeños anclajes y puentes. Cuando una grieta se acercaba a una fibra, tendía a doblarse, bifurcarse o ralentizarse en lugar de atravesarla. Sin embargo, cuando se añadían demasiadas fibras, tendían a aglomerarse y crear nuevos huecos y bandas débiles, que podían volver a guiar la fractura rápida y reducir el beneficio.

Implicaciones para una minería más segura y limpia

Para las condiciones probadas, un contenido de fibra de basalto cercano al 0,30 por ciento ofreció el mejor equilibrio entre resistencia temprana, ductilidad y resistencia al colapso súbito. El relleno mejorado puede fabricarse en gran medida a partir de residuos de mina y, aun así, proporcionar un soporte de techo más estable durante la primera semana y más allá. Aunque se requiere trabajo adicional bajo las tensiones más altas que se encuentran en profundidad, estos resultados sugieren que dosificar las fibras con cuidado puede transformar un relleno minero frágil en un soporte más tenaz y fiable que también ayuda a reciclar los residuos rocosos.

Cita: 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

Palabras clave: fibra de basalto, relleno de ganga cementado, resistencia en edad temprana, soporte del techo minero, evolución de grietas