玄武岩繊維補強セメント化廃鉱石充填材の初期強度発達と脆性から延性への遷移機構

鉱山の廃石からより強い地中支保へ

現代の鉱山では、つぶした岩石とセメントの混合物を空洞に注入して屋根を支え、地表沈下を抑えることがよく行われます。しかし、これらの人工的な支柱は突然亀裂が入ることがあり、作業員の安全を脅かします。本研究は、こうした充填材に微細な玄武岩繊維を添加することで、設置後の最初の数週間という重要な期間において、強度と脆性低減の両方を実現できるかを探っています。

鉱山充填材が見直される理由

ここで扱う充填材はセメント化廃鉱石充填材と呼ばれ、主に廃石、フライアッシュ、少量のセメントを水と混ぜて作られます。硬化すると上載岩の荷重を負担します。しかし従来の配合は脆い石のように振る舞い、圧縮に抵抗した後、主要な亀裂が発生すると急速に強度を失います。研究者らは、充填材が一度に破壊するのではなく変形して損傷を拡散させる、やや柔軟で靭性のある材料のように振る舞うことを目指しました。

小さな繊維の大きな役割

研究チームは短く切断した玄武岩繊維を無添加から固形分質量の0.60％までの各重量分率で混合し、3日から60日間養生した試料を作製しました。その後、円柱試料を加圧機で圧縮して、破壊に至るまで荷重とひずみを記録しました。繊維含有量0.30％が際立っており、28日後の圧縮強度は無繊維試料に比べ約2/3高く、ピークひずみは約1/3大きかったのです。実用上さらに重要なのは、この配合では3日から7日の間に強度が4倍以上に跳ね上がり、充填直近での早期採掘を現実的に支えうる水準に達した点です。

突然の破壊から制御された損傷へ

材料の破壊のしかたを調べるため、研究者らは成長する亀裂が発する小さな音（AE）を計測し、カメラとデジタル画像解析で表面の変化を観察しました。無繊維の充填材では、引張性の直線的な割れが支配的で試料を素早く貫き、容量を急激に失わせました。一方繊維入りでは、亀裂がそらされ分岐し、滑りを伴う経路に誘導されることが増え、より複雑な小規模亀裂の網目が形成されました。最適な繊維量では損傷は単一の垂直割れの沿いではなく斜めの混合パターンへ広がり、ピーク後の強度低下が緩やかになりました。多数の結合粒子を用いた数値シミュレーションもこの像を支持し、繊維があると破壊セグメントはより多数かつ小さくなり、せん断型の接触破壊が増えることを示しました。

微視的レベルで起きていること

電子顕微鏡像は繊維の重要性を説明しました。無繊維の充填材では、硬化したセメントゲルや生成結晶に多くの空隙や弱点が残り、そこが亀裂の発生源となりました。繊維補強試料では、玄武岩繊維は緻密な水和生成物に包まれ、周囲のマトリックスと強固に結合していました。この繊維・セメント生成物・岩粒子の三者からなる界面は小さなアンカーや橋渡しの働きをし、亀裂が繊維に接近すると直進するのではなく曲げられ、分裂し、あるいは減速される傾向がありました。しかし繊維を過剰に加えると、繊維が凝集して新たな空隙や弱帯を生み、再び迅速な亀裂進展を促して効果を損なうことがありました。

より安全で循環型の鉱業への示唆

試験条件では、玄武岩繊維含有量約0.30％が初期強度、延性、突然崩壊に対する耐性の最良バランスを示しました。改良された充填材は鉱山廃石を主に用いながら、初週以降の屋根支持をより安定して提供できます。地下で見られるより高い応力下での追加検討は必要ですが、注意深く配合された繊維が脆い鉱山充填材をより靭性のある信頼できる支保材に変え、廃石の再利用にも寄与することを示唆しています。

引用: 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

キーワード: 玄武岩繊維, セメント化廃鉱石充填材, 初期強度, 鉱山支保, 亀裂進展