Pesquisa sobre o efeito do tamanho do dano em preenchimento coesivo com alto índice areia‑cimento

Por que o tamanho do suporte subterrâneo importa

Minas modernas frequentemente bombeiam um tipo de rocha artificial, chamado preenchimento coesivo, em túneis vazios para evitar o colapso do maciço. Esse material é composto por rejeitos triturados (lamas), água e uma pequena quantidade de cimento. Para segurança, os engenheiros precisam saber exatamente quão resistente é esse material — e isso depende não só da sua composição, mas também do tamanho e da forma dos blocos testados em laboratório. Este estudo levanta uma pergunta simples, porém importante: quando alteramos as proporções de areia e cimento e a geometria do corpo de prova, o quanto nossas medidas de resistência se desviam da resistência real do material enterrado em profundidade?

Como as minas usam o rejeito para manter a segurança

No método de preenchimento, os rejeitos do processamento de minério são misturados com água e cimento e então bombeados para cavidades subterrâneas. Após endurecer, esse material sustenta o teto e as paredes, permitindo a retirada de mais minério sem causar desabamentos perigosos. A resistência desse pasta endurecida — sua capacidade de resistir à compressão e à esmagamento — afeta diretamente a largura e a altura que os engenheiros podem projetar nesses espaços. Como muitas minas usam misturas com muito areia e pouco cimento (altas relações areia–cimento) para reduzir custos, o material resultante pode ficar relativamente fraco. Medir com precisão essas resistências baixas em máquinas padrão é difícil, por isso os pesquisadores frequentemente alteram o tamanho ou a forma das amostras de laboratório. Essa conveniência, porém, pode distorcer silenciosamente os resultados.

Testando formas e misturas diferentes

Os autores prepararam numerosos blocos de preenchimento coesivo usando três relações areia‑cimento (de 8:1 até 24:1) e três teores de sólidos (71–73 por cento), espelhando condições reais de mina. Eles focalizaram três formas simples com diferentes razões altura‑por‑largura: um bloco baixo e robusto, um cubo e uma coluna alta e esbelta. Após 28 dias de cura, cada corpo de prova foi comprimido em uma prensa até a falha. A equipe então utilizou ferramentas estatísticas para avaliar o quanto cada fator — proporção da mistura, teor de sólidos e forma do corpo de prova — influenciou a resistência medida. Também construíram modelos computacionais com software de elementos finitos para investigar o interior das amostras e visualizar como as tensões se acumulavam antes da ruptura.

O que as formas revelam sobre tensões internas

Os ensaios mostraram tendências claras. Quando a quantidade de cimento diminuiu (maior relação areia‑cimento), a resistência caiu drasticamente — em até três quartos na faixa testada — porque havia menos material ligante para unir os grãos. A elevação do teor de sólidos tornou a pasta ligeiramente mais resistente ao reduzir poros internos, mas esse efeito foi modesto. A forma do corpo de prova, entretanto, desempenhou um papel surpreendentemente grande: sob a mesma mistura e teor de sólidos, os blocos baixos pareceram mais resistentes, os cubos um pouco menos, e as colunas altas as menos resistentes. A observação das formas de fratura revelou que espécimes curtos tendiam a fissurar verticalmente, enquanto os altos falhavam ao longo de linhas diagonais em X, sugerindo estados de tensão internos diferentes.

Por que blocos curtos parecem mais resistentes do que realmente são

Para entender essas diferenças, os autores examinaram como as placas de carregamento no topo e na base dos corpos de prova confinavam o material. Nos blocos mais curtos, o atrito contra essas placas impedia que as laterais próximas às extremidades se expandissem radialmente. Isso criou regiões coniformes fortemente comprimidas em ambas as extremidades que se sobrepunham no centro, colocando a maior parte do material em um estado tridimensional de compressão que o faz parecer mais resistente do que realmente é. Nas colunas altas, apenas zonas finas próximas às placas eram fortemente confinadas; a longa seção central sofreu basicamente compressão unidirecional, mais parecida com a tensão que o preenchimento experimenta no subsolo. Simulações computacionais confirmaram esse quadro, mostrando concentrações intensas de tensão perto das extremidades dos blocos curtos e tensões mais uniformes no centro dos cilindros altos.

Convertendo resultados de laboratório em resistência do mundo real

Como os espécimes mais altos são menos distorcidos por esses efeitos de extremidade, sua resistência medida reflete mais de perto a resistência real do preenchimento na mina. Usando o conjunto completo de dados de ensaio, os pesquisadores construíram relações matemáticas que traduzem a resistência medida de blocos curtos ou cúbicos em valores equivalentes para espécimes altos. Essas fórmulas de conversão, válidas para as faixas testadas de mistura e teor de sólidos, fornecem uma ferramenta prática para engenheiros: eles podem continuar usando tamanhos de espécime convenientes em laboratório e, em seguida, corrigir os resultados para melhor corresponder ao comportamento em mina. Ao fazer isso, o estudo ajuda a garantir que o suporte subterrâneo não seja subdimensionado, o que colocaria a segurança em risco, nem sobredimensionado, o que desperdiçaria cimento e recursos.

Citação: Jiang, D., Li, H. & Sun, G. Research on damage size effect of cemented paste backfill under high sand-cement ratio conditions. Sci Rep 16, 11215 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40983-9

Palavras-chave: preenchimento coesivo, suporte do maciço mineiro, efeito de escala, relação areia–cimento, resistência à compressão