Proprietà meccaniche ed evoluzione dell’energia del riempimento cementato con polvere di scarto sotto compressione uniaxiale: effetto del tipo e della quantità di polvere rocciosa

Trasformare i rifiuti minerari in un supporto sotterraneo più sicuro

Le moderne attività minerarie lasciano dietro di sé grandi quantità di materiale finemente frantumato chiamato coda e cumuli di scarti di cava. Entrambi richiedono costi elevati per lo stoccaggio e possono rappresentare una minaccia per terreni e acque circostanti. Questo studio esplora un modo per trasformare questi rifiuti in un materiale da costruzione più resistente e sicuro che può essere pompato nuovamente sottoterra per sostenere gli spazi estratti, riducendo contemporaneamente costi e rischi ambientali.

Perché gli scarti di cava sono un problema in crescita

Nelle principali regioni minerarie, inclusa la Cina, miliardi di tonnellate di code sono state accatastate, con centinaia di milioni di tonnellate aggiunte ogni anno. Questi enormi depositi occupano territorio, possono rilasciare inquinanti e, in rari casi, possono collassare in modo catastrofico. Una soluzione promettente è miscelare le code con cemento e acqua per creare una pasta densa che viene pompata nei tunnel e nelle camere di cava vuote, dove si indurisce trasformandosi in una roccia artificiale. Questo cosiddetto riempimento aiuta a sostenere il terreno, limita il cedimento superficiale e incapsula i rifiuti in modo sicuro sottoterra. Tuttavia, il riempimento convenzionale spesso richiede additivi chimici costosi o fibre sintetiche per raggiungere la resistenza e la durabilità richieste, aumentando sia i costi sia le preoccupazioni ambientali.

Aggiungere polvere rocciosa per ottenere un riempimento migliore

I ricercatori hanno testato un’idea semplice: macinare gli scarti di cava locali in una polvere fine e miscelarla con code, cemento e acqua per creare un nuovo materiale che chiamano riempimento cementato a base di code e polvere rocciosa (CTRPB). Si sono concentrati su tre rocce molto comuni — granito, basalto e marmo — e hanno inserito ciascuna polvere nel riempimento a diversi livelli, dal 3% al 15% della massa solida. Sono stati preparati campioni cilindrici, fatti maturare per 28 giorni e poi compressi in una prova di compressione uniaxiale, che schiaccia gradualmente il campione misurando lo sforzo sopportato e come si deforma e si rompe. Questo ha permesso al team di confrontare resistenza, rigidità e comportamento a rottura rispetto a un riempimento standard senza polvere rocciosa.

Come si comporta il materiale sotto schiacciamento

Tutti i campioni hanno mostrato quattro fasi ben definite durante la compressione: prima si chiudono i pori e le microfessure; poi il materiale si comporta in modo quasi lineare ed elastico; successivamente si propagano le crepe e il materiale cede; infine, dopo la resistenza di picco, si rompe perdendo gran parte della capacità portante. La polvere rocciosa ha modificato ciascuna di queste fasi. A dosi moderate, le particelle fini riempiono gli spazi tra i granuli di coda, creando una struttura più densa e uniforme e un trasferimento degli sforzi più regolare. Di conseguenza, il nuovo riempimento è in grado di sopportare carichi maggiori e deformarsi di più prima della rottura. Tuttavia, quando la quantità di polvere rocciosa è eccessiva, si diluisce il cemento, si indeboliscono i legami tra le particelle e la resistenza comincia a diminuire.

Resistenza, tenacità ed energia immagazzinata

Le miscele con le prestazioni migliori risultavano quelle con circa il 9% di polvere di basalto o granito e circa il 12% di polvere di marmo. Rispetto al riempimento semplice, queste miscele ottimali hanno aumentato la resistenza a compressione fino a circa il 70%, permettendo al contempo deformazioni maggiori al carico di picco. È interessante che il modulo elastico del materiale (rigidità) tenda a diminuire leggermente con l’aggiunta di polvere rocciosa, anche quando la resistenza aumenta. Questo compromesso significa che il riempimento modificato può flettersi un po’ di più e assorbire più energia prima di guastarsi. Esaminando l’area sotto le curve sforzo‑deformazione, gli autori hanno calcolato quanta energia i campioni immagazzinano elasticamente e quanta dissipano per danno. Con la polvere rocciosa, la densità di energia totale e le porzioni immagazzinate e dissipate sono aumentate sensibilmente — in alcuni casi oltre due‑quattro volte — mostrando che il CTRPB può accumulare e rilasciare quantità d’energia molto maggiori durante il caricamento.

Monitorare il danno e prevedere la rottura

Per comprendere meglio quando e come il nuovo riempimento fallisce, il gruppo ha sviluppato un modello matematico di “danno” che segue la crescita delle microfessure interne al crescere della deformazione. Hanno trattato il materiale come composto da molti elementini le cui resistenze variano statisticamente e hanno usato questo quadro per adattare un’equazione a tratti alle curve sforzo‑deformazione misurate. Il modello cattura quattro fasi del danno: una fase indanneggiata, una fase iniziale di danno lento, una fase in cui il danno aumenta rapidamente e una fase finale in cui il danno si stabilizza mentre il provino raggiunge il collasso completo. Nella regione pre‑picco — prima che il materiale raggiunga la sua resistenza massima — le previsioni del modello si accordano bene con gli esperimenti, perciò gli ingegneri potrebbero utilizzarlo per stimare quanto una zona riempita sia vicina al cedimento sotto i carichi attesi in galleria.

Cosa significa per miniere più verdi e sicure

In termini semplici, questo studio dimostra che quantità attentamente scelte di polveri rocciose comuni possono trasformare i rifiuti di cava e di processo in un riempimento più resistente e con maggiore capacità di assorbire energia, che sostiene in modo più efficace le aperture sotterranee. Sebbene contenuti molto elevati di polvere possano rendere il materiale più fragile dopo la rottura, l’aumento di resistenza e di energia immagazzinata prima del collasso significa che, se progettato correttamente, il CTRPB può ridurre la necessità di additivi costosi e contribuire a valorizzare più flussi di rifiuto contemporaneamente. Per le attività minerarie che cercano di ridurre i volumi di smaltimento, abbassare i costi e mantenere la stabilità del terreno, questo approccio offre una ricetta pratica e supportata dalla ricerca per impiegare gli scarti rocciosi sottoterra.

Citazione: Zhang, J., Zou, Q., Cai, W. et al. Mechanical properties and energy evolution of cemented tailings-rock powder backfill under uniaxial compression: effect of rock powder type and content. Sci Rep 16, 5855 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36436-y

Parole chiave: riempimento minerario, polvere rocciosa, gestione delle ceneri, attività minerarie sotterranee, valorizzazione dei rifiuti