Evoluzione della resistenza nei primi giorni e meccanismo di transizione fragile‑duttile del riempimento cementato con gangue rinforzato con fibre di basalto

Sostegni sotterranei più robusti a partire dagli scarti rocciosi

Le miniere moderne spesso pompano miscele di roccia frantumata e cemento nei tunnel vuoti per sostenere il tetto e limitare l’abbassamento del terreno in superficie. Ma questi pilastri artificiali possono rompersi improvvisamente, mettendo a rischio la sicurezza dei lavoratori. Questo studio esplora come l’aggiunta di sottili fibre di basalto al riempimento possa renderlo sia più resistente sia meno fragile nelle settimane cruciali successive alla posa.

Perché il riempimento delle miniere va rinnovato

Il materiale studiato qui è chiamato riempimento cementato con gangue, composto principalmente da scarti rocciosi, cenere volante e una piccola quantità di cemento miscelata con acqua. Una volta indurito, contribuisce a sopportare il peso delle rocce sovrastanti. Tuttavia, le miscele convenzionali tendono a comportarsi come una pietra fragile: oppongono resistenza alla compressione fino a un certo punto, poi perdono rapidamente capacità quando si forma una cricca principale. I ricercatori hanno voluto che il riempimento si comportasse più come un materiale tenace e leggermente flessibile, in grado di deformarsi e distribuire il danneggiamento invece di rompersi tutto in una volta.

Piccole fibre con un grande compito

Il team ha miscelato fibre di basalto corte e tritate nel riempimento a diverse frazioni in peso, da zero fino allo 0,60 percento della massa solida, e ha curato i campioni per 3 fino a 60 giorni. Poi ha compresso i cilindri in una macchina di prova per registrare il carico che potevano sostenere e la deformazione prima della rottura. Un contenuto di fibra dello 0,30 percento si è distinto: dopo 28 giorni, la resistenza a compressione era circa due terzi maggiore e la deformazione di picco circa un terzo maggiore rispetto ai campioni senza fibre. Ancora più importante per le applicazioni reali, tra il giorno 3 e il giorno 7 la resistenza di questa miscela è aumentata di oltre quattro volte, raggiungendo un livello che può realisticamente sostenere le attività minerarie precoci vicino all’area riempita.

Da rotture improvvise a danni controllati

Per osservare come il materiale si fratturasse, i ricercatori hanno ascoltato i piccoli segnali acustici prodotti dalle cricche in crescita e hanno monitorato le superfici con fotocamere e strumenti di analisi digitale delle immagini. Nel riempimento senza fibre la fratturazione era dominata da fessure tensili lineari che attraversavano rapidamente il campione, provocando una perdita di capacità improvvisa. Con le fibre, le cricche venivano deviate, ramificate e talvolta costrette a percorsi di scorrimento, generando una rete più complessa di fratture più piccole. Al contenuto ottimale di fibre, il danneggiamento si è propagato con un andamento obliquo e misto invece che lungo una singola fessura verticale, e il calo post‑picco di resistenza è diventato meno brusco. Simulazioni al computer di molti elementi legati hanno confermato questo quadro, mostrando segmenti di frattura più numerosi ma più piccoli e più rotture per scorrimento nei contatti quando erano presenti le fibre.

Cosa accade a livello microscopico

Immagini al microscopio elettronico hanno rivelato perché le fibre contano così tanto. Nel riempimento senza fibre, il gel cementizio indurito e i cristalli lasciavano molti pori e punti deboli dove le cricche potevano partire. Nei campioni rinforzati con fibre, le fibre di basalto erano avvolte da uno strato denso di prodotti di idratazione che le legava saldamente alla matrice circostante. Questa interfaccia tripartita di fibra, prodotti cementizi e particelle rocciose agiva come piccoli ancoraggi e ponti. Quando una cricca si avvicinava a una fibra, tendeva a flettersi, biforcarsi o rallentare invece di attraversarla direttamente. Tuttavia, aggiungendo troppe fibre, queste si raggruppavano e creavano nuovi vuoti e bande deboli, che potevano di nuovo favorire la frattura rapida e ridurre il vantaggio.

Implicazioni per un’estrazione più sicura e sostenibile

Per le condizioni testate, un contenuto di fibre di basalto vicino allo 0,30 percento offriva il miglior equilibrio tra resistenza precoce, duttilità e resistenza al collasso improvviso. Il riempimento migliorato può essere realizzato in gran parte con scarti di miniera ma fornire un sostegno del tetto più stabile durante la prima settimana e oltre. Sebbene siano necessari ulteriori studi per condizioni di sforzo più elevate tipiche delle profondità sotterranee, questi risultati suggeriscono che dosi controllate di fibre possono trasformare un riempimento fragile in un sostegno più tenace e affidabile, contribuendo al contempo al riciclo degli scarti rocciosi.

Citazione: 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

Parole chiave: fibra di basalto, riempimento cementato con gangue, resistenza in età precoce, sostegno del tetto della miniera, evoluzione delle cricche