Évolution de la résistance en jeune âge et mécanisme de transition fragile-vers-ductile du remblai cimenté à la gangue renforcé par fibres de basalte

Soutiens souterrains renforcés à partir de déchets rocheux

Les mines modernes injectent souvent des mélanges de roche concassée et de ciment dans des galeries vides pour soutenir le toit et limiter l'affaissement en surface. Mais ces piliers artificiels peuvent se fissurer de manière brutale, mettant en danger la sécurité des ouvriers. Cette étude examine comment l'ajout de fines fibres de basalte à ce remblai peut le rendre à la fois plus résistant et moins fragile pendant les premières semaines cruciales après la mise en place.

Pourquoi le remblai de mine a besoin d'une refonte

Le remblai étudié ici est appelé remblai cimenté à la gangue, composé principalement de déchets rocheux, de cendres volantes et d'une petite quantité de ciment mélangé à de l'eau. Une fois durci, il aide à supporter le poids des couches rocheuses supérieures. Les mélanges conventionnels ont toutefois tendance à se comporter comme une roche fragile : ils résistent à la compression jusqu'à un certain point, puis perdent rapidement de la résistance dès qu'une fissure principale se forme. Les chercheurs souhaitaient que le remblai se comporte davantage comme un matériau tenace et légèrement flexible, capable de se déformer et de répartir les dommages au lieu de céder soudainement.

De minuscules fibres à une grande mission

L'équipe a incorporé des fibres de basalte courtes et hachées dans le remblai à différentes fractions massiques, de zéro jusqu'à 0,60 % de la masse solide, et a cureté des échantillons pendant 3 à 60 jours. Ils ont ensuite comprimé les cylindres dans une machine d'essai pour enregistrer la charge qu'ils pouvaient supporter et la déformation avant rupture. Une teneur en fibres de 0,30 % s'est révélée remarquable : après 28 jours, la résistance en compression était supérieure d'environ deux tiers et la déformation maximale d'environ un tiers par rapport aux échantillons sans fibres. Plus important pour les applications minières, entre le jour 3 et le jour 7 la résistance de ce mélange a augmenté de plus de quatre fois, atteignant un niveau susceptible de soutenir concrètement les travaux précoces près de la zone remblayée.

De la fissuration soudaine à des dommages maîtrisés

Pour observer la rupture du matériau, les chercheurs ont enregistré de petits signaux acoustiques produits par le développement des fissures et ont examiné les surfaces avec des caméras et des outils d'imagerie numérique. Dans le remblai sans fibres, la fissuration se manifestait principalement par des ruptures tensiles nettes qui traversaient rapidement l'échantillon, entraînant une perte de capacité brutale. Avec des fibres, les fissures étaient déviées, ramifiées et parfois forcées à suivre des trajectoires de glissement, produisant un réseau plus complexe de fissures plus petites. À la teneur en fibres optimale, les dommages se répartissaient selon un schéma oblique et mixte plutôt que le long d'une unique fissure verticale, et la chute de résistance après le pic devenait moins abrupte. Des simulations numériques de nombreux particules liées ont confirmé ce tableau, montrant des segments de fracture plus nombreux mais plus petits et davantage de ruptures de contacts de type cisaillement lorsque des fibres étaient présentes.

Ce qui se passe à l'échelle microscopique

Les images au microscope électronique ont révélé pourquoi les fibres ont autant d'effet. Dans le remblai sans fibres, la pâte de ciment durcie et les cristaux laissaient de nombreux pores et points faibles où les fissures pouvaient démarrer. Dans les échantillons renforcés, les fibres de basalte étaient entourées d'une couche dense de produits d'hydratation qui les liait fermement à la matrice environnante. Cette interface tripartite fibre-produits de ciment-particules rocheuses agissait comme de petits ancrages et passerelles. Lorsqu'une fissure approchait d'une fibre, elle avait tendance à se courber, se scinder ou ralentir plutôt qu'à la traverser directement. Cependant, lorsque trop de fibres étaient ajoutées, elles s'aggloméraient et créaient de nouveaux vides et des bandes faibles, qui pouvaient à nouveau favoriser une fissuration rapide et réduire l'effet bénéfique.

Conséquences pour une exploitation minière plus sûre et plus propre

Pour les conditions testées, une teneur en fibres de basalte proche de 0,30 % offrait le meilleur compromis entre résistance précoce, ductilité et résistance à l'effondrement soudain. Le remblai amélioré peut être fabriqué en grande partie à partir de déchets de mine tout en assurant un soutien de toit plus régulier pendant la première semaine et au-delà. Bien que des travaux supplémentaires soient nécessaires sous les contraintes plus élevées rencontrées en profondeur, ces résultats suggèrent que des fibres dosées avec soin peuvent transformer un remblai de mine fragile en un support plus résistant et fiable tout en contribuant au recyclage des déblais rocheux.

Citation: 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

Mots-clés: fibre de basalte, remblai cimenté à la gangue, résistance en jeune âge, support de toit de mine, évolution des fissures