Evolução da resistência em idades iniciais e mecanismo de transição frágil-para- dúctil do enchimento cimentado de ganga reforçado com fibra de basalto

Suportes subterrâneos mais fortes a partir de resíduos rochosos

Minas modernas frequentemente bombeiam misturas de rocha britada e cimento para túneis vazios para sustentar o teto e limitar o recalque do solo na superfície. Mas esses pilares artificiais podem rachar subitamente, ameaçando a segurança dos trabalhadores. Este estudo explora como a adição de pequenas fibras de basalto a esse enchimento pode torná-lo mais forte e menos frágil durante as semanas cruciais após a aplicação.

Por que o enchimento de mina precisa de uma reformulação

O enchimento estudado aqui é chamado enchimento de ganga cimentado, composto principalmente por resíduo de rocha, cinzas volantes e uma pequena quantidade de cimento misturada com água. Depois de endurecido, ajuda a suportar o peso da rocha sobrejacente. No entanto, misturas convencionais tendem a se comportar como pedra frágil: resistem à compressão até certo ponto e então perdem resistência muito rapidamente quando uma fissura principal se forma. Os pesquisadores queriam que o enchimento se comportasse mais como um material tenaz e ligeiramente flexível, capaz de deformar-se e espalhar o dano em vez de falhar de uma vez.

Fibras minúsculas com grande função

A equipe misturou fibras curtas de basalto picadas no enchimento em diferentes frações em massa, de zero até 0,60 por cento da massa sólida, e curou amostras por 3 a 60 dias. Em seguida, comprimiram os cilindros em uma máquina de ensaio para registrar quanto carregamento podiam suportar e quanto podiam deformar antes da ruptura. Um teor de fibra de 0,30 por cento destacou-se: após 28 dias, a resistência à compressão era cerca de dois terços maior e a deformação de pico cerca de um terço maior do que em amostras sem fibra. Ainda mais importante para minas reais, entre o dia 3 e o dia 7 a resistência desta mistura aumentou mais de quatro vezes, atingindo um nível que pode realisticamente suportar a mineração inicial próxima à área preenchida.

De fraturas súbitas a danos controlados

Para ver como o material se rompia, os pesquisadores escutaram pequenos sinais acústicos gerados pelo crescimento de fissuras e observaram superfícies com câmeras e ferramentas de imagem digital. No enchimento simples, o fraturamento foi dominado por rupturas tensais retas que rapidamente cortavam a amostra, levando à perda abrupta da capacidade. Com fibras, as fissuras foram desviadas, ramificaram-se e às vezes forçadas a seguir caminhos de deslizamento, produzindo uma teia mais complexa de fissuras menores. No teor de fibra ótimo, o dano espalhou-se em um padrão misto oblíquo em vez de ao longo de uma única fissura vertical, e a queda de resistência pós-pico tornou-se menos acentuada. Simulações computacionais de muitas partículas ligadas corroboraram esse quadro, mostrando segmentos de fratura mais numerosos, porém menores, e mais falhas por cisalhamento nas interfaces quando as fibras estavam presentes.

O que acontece internamente, em nível microscópico

Imagens de microscópio eletrônico revelaram por que as fibras são tão importantes. No enchimento simples, o gel cimentício endurecido e os cristais deixavam muitos poros e pontos fracos onde as fissuras podiam se iniciar. Nas amostras reforçadas com fibras, as fibras de basalto estavam envoltas por uma camada densa de produtos de hidratação que as ligava firmemente à matriz circundante. Essa interface tripla de fibra, produtos cimentícios e partículas rochosas atuou como pequenos âncoras e pontes. Quando uma fissura se aproximava de uma fibra, tendia a dobrar-se, dividir-se ou desacelerar em vez de atravessá-la diretamente. Contudo, quando fibras em excesso eram adicionadas, elas se aglomeravam e criavam novos vazios e faixas fracas, o que podia novamente conduzir a fissuras rápidas e reduzir o benefício.

Implicações para uma mineração mais segura e limpa

Para as condições testadas, um teor de fibra de basalto próximo a 0,30 por cento ofereceu o melhor equilíbrio entre resistência inicial, ductilidade e resistência ao colapso súbito. O enchimento melhorado pode ser fabricado em grande parte a partir de resíduos de mina e ainda fornecer suporte de teto mais estável durante a primeira semana e além. Embora sejam necessários mais estudos sob as tensões mais elevadas encontradas em profundidade, esses resultados sugerem que doses cuidadosas de fibras podem transformar enchimentos frágeis de mina em um suporte mais tenaz e confiável que também ajuda a reciclar o resíduo rochoso.

Citação: 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

Palavras-chave: fibra de basalto, enchimento de ganga cimentado, resistência em idade jovem, suporte de teto de mina, evolução de fissuras