Rozwój wytrzymałości we wczesnym wieku i mechanizm przejścia od kruchości do plastyczności w cementowym zasypie z gangiem wzmocnionym włóknami bazaltowymi

Mocniejsze podpory pod ziemią z odpadów skalnych

Nowoczesne kopalnie często wtłaczają do pustych chodników mieszanki kruszywa i cementu, by podtrzymać strop i ograniczyć osiadanie terenu na powierzchni. Jednak te sztuczne filary mogą pękać nagle, zagrażając bezpieczeństwu pracowników. W badaniu zbadano, jak dodanie drobnych włókien bazaltowych do takiego zasypu może uczynić go jednocześnie mocniejszym i mniej kruchym w kluczowych pierwszych tygodniach po umieszczeniu.

Dlaczego zasyp kopalniany potrzebuje zmian

Badany zasyp nazywa się cementowanym zasypem z gangiem, w przeważającej części wykonywanym z odpadów skalnych, popiołu lotnego i niewielkiej ilości cementu zmieszanego z wodą. Po stwardnieniu pomaga przenosić ciężar nadkładu. Konwencjonalne mieszanki jednak zachowują się jak kruche skały: wytrzymują ściskanie do pewnego momentu, a następnie tracą nośność bardzo szybko po utworzeniu głównego pęknięcia. Badacze dążyli do tego, by zasyp zachowywał się bardziej jak wytrzymały, lekko elastyczny materiał, który może odkształcać się i rozpraszać uszkodzenia, zamiast zawodzić gwałtownie.

Malutkie włókna o dużym zadaniu

Zespół dodał do zasypu krótkie cięte włókna bazaltowe w różnych udziałach masowych, od braku włókien do 0,60 procent masy suchej, i dojrzewał próbki przez 3 do 60 dni. Następnie ściskał cylindry w maszynie badawczej, rejestrując maksymalne obciążenie i odkształcenie do zniszczenia. Zawartość włókien na poziomie 0,30 procent wyróżniała się: po 28 dniach wytrzymałość na ściskanie była o około dwie trzecie wyższa, a odkształcenie przy szczycie o około jedną trzecią większe niż w próbkach bez włókien. Jeszcze ważniejsze z praktycznego punktu widzenia było to, że między 3 a 7 dniem wytrzymałość tej mieszanki wzrosła ponad czterokrotnie, osiągając poziom, który realistycznie może podtrzymywać wczesne prace górnicze w rejonie zasypu.

Od nagłego pękania do kontrolowanych uszkodzeń

Aby zobaczyć, jak materiał się rozpada, badacze nasłuchiwali drobnych sygnałów akustycznych generowanych przez rozwijające się pęknięcia oraz obserwowali powierzchnie za pomocą kamer i cyfrowych narzędzi obrazowania. W zwykłym zasypie pęknięcia dominowały jako proste rozwarstwienia na rozciąganie, które szybko przecinały próbkę, prowadząc do nagłej utraty nośności. W obecności włókien pęknięcia były odchylane, rozgałęziane i czasem zmuszone do przesuwczych ścieżek, tworząc bardziej złożoną sieć mniejszych rys. Przy optymalnym udziale włókien uszkodzenia rozpraszały się w układzie skośnym, mieszanym, zamiast po pojedynczym pionowym rozłamie, a spadek wytrzymałości po osiągnięciu szczytu był mniej stromy. Symulacje komputerowe wielu związanych cząstek potwierdziły ten obraz, pokazując więcej, lecz mniejszych segmentów pęknięć oraz więcej uszkodzeń kontaktów typu ścinanie przy obecności włókien.

Co dzieje się wewnątrz na poziomie mikroskopowym

Obrazy z mikroskopu elektronowego ujawniły, dlaczego włókna mają tak duże znaczenie. W zwykłym zasypie stwardniały żel cementowy i kryształy pozostawiały wiele porów i słabych miejsc, gdzie mogły inicjować się pęknięcia. W próbkach wzmocnionych włóknami bazaltowymi włókna były otoczone gęstą warstwą produktów hydratacji, które ściśle wiązały je z otaczającą matrycą. Ta trójelementowa powierzchnia styku włókno–produkty cementowe–cząstki skalne działała jak maleńkie kotwy i mostki. Gdy pęknięcie zbliżało się do włókna, miało tendencję do załamywania się, rozdwajania lub spowalniania, zamiast przebijać je prosto. Jednak przy zbyt dużej ilości włókien następuje ich zlewanie się w skupiska, tworząc nowe puste przestrzenie i słabe pasma, które mogą ponownie sprzyjać szybkiemu pękaniu i zmniejszać korzyści.

Implikacje dla bezpieczniejszych i bardziej ekologicznych prac górniczych

Dla testowanych warunków zawartość włókna bazaltowego bliska 0,30 procent zapewniała najlepszy balans wczesnej wytrzymałości, ciągliwości i odporności na nagły zanik nośności. Ulepszony zasyp można wykonać w dużej mierze z odpadów kopalnianych, a mimo to zapewniać stabilniejsze podparcie stropu w pierwszym tygodniu i później. Chociaż potrzebne są dalsze badania przy wyższych naprężeniach spotykanych pod ziemią, wyniki sugerują, że starannie dobrana dawka włókien może przekształcić kruchy zasyp kopalniany w bardziej wytrzymałe, niezawodne podparcie, które jednocześnie sprzyja recyklingowi odpadów skalnych.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: włókno bazaltowe, cementowany zasyp z gangiem, wytrzymałość we wczesnym wieku, podpora stropu kopalni, ewolucja pęknięć