Tidig hållfasthetsutveckling och spröd-till-töjbar övergångsmekanism för basaltfibarförstärkt cementerat gangue-backfill

Starkare underjordiska stöd från bergavfall

Moderna gruvor pumpar ofta blandningar av krossat berg och cement in i tomma tunnlar för att hålla upp taket och begränsa sättningar i markytan. Men dessa konstgjorda pelare kan spricka plötsligt, vilket hotar arbetssäkerheten. Denna studie utforskar hur tillsats av mycket små basaltfibrer till sådan fyllnad kan göra den både starkare och mindre spröd under de avgörande första veckorna efter anläggning.

Varför gruvfyllnad behöver en uppgradering

Den här undersökta fyllningen kallas cementerat gangue-backfill och består till stor del av avfallsgång, flygaska och en liten mängd cement blandat med vatten. När den härdar hjälper den till att bära överliggande bergs vikt. Konventionella blandningar tenderar dock att uppföra sig som spröd sten: de motstår tryck upp till en viss punkt för att sedan snabbt förlora hållfasthet när en huvudspricka bildas. Forskarna ville att fyllningen skulle bete sig mer som ett segt, något flexibelt material som kan deformeras och sprida skador istället för att gå sönder plötsligt.

Små fibrer med en stor uppgift

Teamet blandade korta, hackade basaltfibrer i fyllningen vid olika viktfraktioner, från ingen upp till 0,60 procent av den fasta massan, och härdade prover i 3 till 60 dagar. De pressade sedan cylindrarna i en provningsmaskin för att registrera hur stor belastning de kunde bära och hur mycket de kunde töjas innan brott. En fiberhalt på 0,30 procent var utmärkande: efter 28 dagar var tryckhållfastheten cirka två tredjedelar högre och toppförlängningen cirka en tredjedel högre än i fiberfria prover. Ännu viktigare för verkliga gruvor var att styrkan för denna blandning mellan dag 3 och dag 7 ökade mer än fyra gånger, och nådde en nivå som realistiskt kan stödja tidig brytning nära det återfyllda området.

Från plötslig sprickbildning till kontrollerad skada

För att se hur materialet bröts sönder lyssnade forskarna efter små ljudsignaler från växande sprickor och bevakade ytor med kameror och digitala bildverktyg. I vanlig fyllning dominerades sprickbildningen av raka dragspalter som snabbt skar igenom provet och ledde till abrupt kapacitetsförlust. Med fibrer avleddes sprickor, förgrenades och tvingades ibland in i skjuvningsvägar, vilket skapade ett mer komplext nätverk av mindre sprickor. Vid optimal fiberhalt spreds skador i ett snett, blandat mönster istället för längs en enda vertikal spricka, och styrkefallet efter toppen blev mindre brant. Datorsimuleringar av många ihopbundna partiklar stöder denna bild och visar fler men mindre spricksegment samt fler skjuvningsrelaterade kontaktsvinn när fibrer var närvarande.

Vad som händer inuti på mikroskala

Elektronmikroskopbilder visade varför fibrer spelar så stor roll. I vanlig fyllning lämnade det härdade cementgelen och kristaller många porer och svaga punkter där sprickor kunde starta. I fiberförstärkta prover var basaltfibrerna inbäddade i ett tätt lager av hydrationsprodukter som bundit dem hårt till den omgivande matrisen. Detta tredelade gränssnitt mellan fiber, cementprodukter och bergpartiklar fungerade som små ankare och broar. När en spricka närmade sig en fiber tenderade den att böja av, dela sig eller sakta ner istället för att skära rakt igenom. När för många fibrer tillsattes klumpade de sig dock och skapade nya håligheter och svaga band, vilket återigen kunde styra snabba sprickor och minska nyttan.

Konsekvenser för säkrare och renare gruvdrift

För de undersökta förhållandena gav en basaltfiberhalt nära 0,30 procent den bästa balansen mellan tidig hållfasthet, töjbarhet och motstånd mot plötsligt kollaps. Den förbättrade fyllningen kan i stor utsträckning tillverkas av gruvavfall men ändå ge jämnare takstöd under den första veckan och därefter. Även om ytterligare arbete krävs under de högre spänningar som finns under jord, tyder dessa resultat på att noggrant doserade fibrer kan förvandla sprött gruvfyllnadsmaterial till ett segare, mer pålitligt stöd som också bidrar till återvinning av bergavfall.

Citering: 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

Nyckelord: basaltfiber, cementerat gangue-backfill, tidig ålder hållfasthet, takstöd i gruva, sprickutveckling