Ontwikkeling van vroegtijdige sterkte en broos-naar-ductiel overgangsmechanisme van basaltvezel-versterkte gecementeerde steenbreukvulling

Sterkere ondergrondse ondersteuning uit mijnafval

Moderne mijnen pompen vaak mengsels van gebroken gesteente en cement in lege tunnels om het dak te ondersteunen en bodemdaling aan het oppervlak te beperken. Maar deze kunstmatige zuilen kunnen plotseling barsten, wat de veiligheid van arbeiders bedreigt. Deze studie onderzoekt hoe het toevoegen van kleine basaltvezels aan dergelijke vullingen ze zowel sterker als minder bros kan maken tijdens de cruciale eerste weken na plaatsing.

Waarom mijnvulling een opknapbeurt nodig heeft

De hier bestudeerde vulling wordt gecementeerde steenbreukvulling genoemd en bestaat voornamelijk uit mijnafval, vliegas en een kleine hoeveelheid cement met water. Nadat het is uitgehard, draagt het bij aan het dragen van het overliggende gesteente. Conventionele mengsels gedragen zich echter vaak als bros gesteente: ze weerstaan compressie tot een punt, en verliezen daarna snel sterkte zodra een hoofdscheur ontstaat. De onderzoekers wilden dat de vulling zich meer gedraagt als een taai, licht flexibel materiaal dat vervorming en schadeverspreiding toelaat in plaats van plotseling falen.

Kleine vezels met een grote taak

Het team mengde korte, gehakte basaltvezels in de vulling bij verschillende massa-fracties, van geen tot 0,60 procent van de vaste massa, en liet monsters uitharden van 3 tot 60 dagen. Ze drukten vervolgens de cilinders in een testmachine om vast te leggen hoeveel belasting ze konden dragen en hoeveel vervorming ze konden verdragen vóór bezwijken. Een vezelinhoud van 0,30 procent sprong eruit: na 28 dagen was de drukkracht ongeveer tweederde hoger en de piekvervorming ongeveer een derde hoger dan bij vezelvrije monsters. Nog belangrijker voor echte mijnen: tussen dag 3 en dag 7 steeg de sterkte van dit mengsel meer dan vier keer, tot een niveau dat realistisch vroegtijdige mijnwerkzaamheden nabij het gevulde gebied kan ondersteunen.

Van plots scheuren naar gecontroleerde schade

Om te zien hoe het materiaal uiteenviel, luisterden de onderzoekers naar kleine geluidssignalen die door groeiende scheuren werden veroorzaakt en observeerden ze oppervlakken met camera’s en digitale beeldverwerking. In gewone vulling werden scheuren gedomineerd door rechte trekbreuken die snel door het monster liepen en leidden tot een abrupt verlies aan draagkracht. Met vezels werden scheuren afgebogen, vertakt en soms in schuifvlakken gedwongen, wat een complexer netwerk van kleinere scheuren opleverde. Bij de optimale vezelinhoud verspreidde de schade zich in een schuine, gemengde patroon in plaats van langs één verticale scheur, en werd de daling na de piek in sterkte minder scherp. Computersimulaties van veel gebonden deeltjes ondersteunden dit beeld en toonden talrijkere maar kleinere breuksegmenten en meer schuifachtige contactfalen wanneer vezels aanwezig waren.

Wat er op microscopisch niveau gebeurt

Beelden van elektronenmicroscopie lieten zien waarom vezels zoveel uitmaken. In gewone vulling liet het uitgeharde cementgelei en de kristallen veel poriën en zwakke plekken achter waar scheuren konden beginnen. In vezelversterkte monsters waren de basaltvezels omgeven door een dichte laag hydratieproducten die ze stevig aan de omringende matrix bond. Deze drievoudige interface van vezel, cementproducten en gesteentepartikel fungeerde als kleine ankers en bruggen. Wanneer een scheur een vezel naderde, boog of splitste deze vaak of vertraagde in plaats van er recht doorheen te snijden. Echter, bij te veel toegevoegde vezels klonterden ze samen en ontstonden er nieuwe holtes en zwakke banden, die op hun beurt weer snelle scheurvorming konden bevorderen en het voordeel verminderden.

Gevolgen voor veiligere en schonere mijnbouw

Voor de geteste omstandigheden bood een basaltvezelgehalte rond 0,30 procent de beste balans tussen vroege sterkte, ductiliteit en weerstand tegen plotseling instorten. De verbeterde vulling kan grotendeels uit mijnafval worden gemaakt en toch stabielere dakondersteuning bieden tijdens de eerste week en daarna. Hoewel verder onderzoek nodig is bij de hogere spanningen die ondergronds voorkomen, suggereren deze resultaten dat zorgvuldig gedoseerde vezels bros mijnvullingsmateriaal kunnen omvormen tot een taaier, betrouwbaarder steunmateriaal dat ook helpt bij het recyclen van mijnafval.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: basaltvezel, gecementeerde steenbreukvulling, vroege sterkte, dakondersteuning mijnbouw, scheurontwikkeling