Bazalt elyaf takviyeli çimentolu atık dolgunun erken yaş dayanımı gelişimi ve gevrekten sünekliğe geçiş mekanizması

Atık kayadan daha güçlü yeraltı destekleri

Modern madenler genellikle çatıyı desteklemek ve yüzeyde oluşacak çöküntüyü sınırlamak için kırılmış kaya ve çimento karışımlarını boş tünellere pompalıyor. Ancak bu yapay sütunlar ani şekilde çatlayabiliyor ve bu da işçi güvenliğini tehdit ediyor. Bu çalışma, dolguya çok ince bazalt elyafları eklemenin yerleştirmenin ilk haftalarındaki kritik dönemde hem daha güçlü hem de daha az gevrek olmasını nasıl sağlayabileceğini araştırıyor.

Maden dolgularının neden yenilenmesi gerekiyor

Burada incelenen dolgu, ağırlıklı olarak atık kaya, uçucu kül ve az miktarda çimentonun su ile karıştırılmasıyla elde edilen çimentolu atık dolgudur. Sertleştikten sonra üzerindeki kaya ağırlığını taşımaya yardımcı olur. Bununla birlikte geleneksel karışımlar genellikle gevrek taş gibi davranır: sıkıştırmaya karşı direnirler ama ana bir çatlak oluştuğunda dayanım hızla kaybolur. Araştırmacılar, dolgunun tümden çökmek yerine şekil değiştirebilen ve hasarı yayarak dağıtabilen daha sünek, dayanıklı bir malzeme gibi davranmasını istediler.

Büyük iş için minik elyaflar

Araştırmacılar kısa doğranmış bazalt elyaflarını dolguya katı madde kütlesinin ağırlıkça %0'dan %0,60'a kadar farklı oranlarda eklediler ve numuneleri 3 ila 60 gün kürlediler. Daha sonra silindirleri bir test makinesinde sıkıştırarak yük taşıma kapasitesini ve kırılmadan önce ne kadar deformasyon gösterebildiklerini kaydettik. %0,30 elyaf içeriği öne çıktı: 28 gün sonra basınç dayanımı elyafsız numunelere göre yaklaşık iki katın üçte ikisi kadar (yaklaşık %66) daha yüksek ve tepe deformasyonu yaklaşık üçte bir daha yüksekti. Gerçek madenler için daha da önemli olarak, bu karışımın dayanımı 3 ila 7. günler arasında dört kattan fazla artarak geri doldurulan alana yakın erken madenciliği destekleyebilecek bir seviyeye ulaştı.

Ani çatlamadan kontrollü hasara

Malzemenin nasıl parçalandığını görmek için araştırmacılar büyüyen çatlakların çıkardığı küçük sesleri dinlediler ve yüzeyleri kameralar ile dijital görüntüleme araçlarıyla izlediler. Düz dolguda çatlaklar genellikle örsleme (çekme) doğrultusunda düz ayrılmalarla hakim oldu ve bu hızlıca numunenin kapasitesinin ani bir şekilde düşmesine yol açtı. Elyaflı numunelerde çatlaklar sapma gösterdi, dallandı ve bazen kayma yollarına yönlendirildi; bu da daha küçük, daha karmaşık bir çatlak ağı üretti. Optimal elyaf içeriğinde hasar, tek bir dikey ayrılma yerine eğik, karışık bir desende yayıldı ve tepe sonrası dayanım düşüşü daha az dik oldu. Birçok bağlı parçacıktan oluşan bilgisayar simülasyonları da bunu destekledi; elyaf varlığında daha fazla fakat daha küçük kırık segmentleri ve daha fazla kesme tipi yüzey başarısızlığı görüldü.

Mikro düzeyde içeride neler oluyor

Elektron mikroskopu görüntüleri elyafların neden bu kadar önemli olduğunu ortaya koydu. Düz dolguda sertleşmiş çimento jeli ve kristaller birçok gözenek ve çatlağın başlayabileceği zayıf noktalar bırakıyordu. Elyaf takviyeli numunelerde bazalt elyaflar bir yoğun hidratasyon ürünü tabakasıyla sarılmıştı ve bu onları çevreleyen matrise sıkı şekilde bağlıyordu. Elyaf, çimento ürünleri ve kaya parçacıklarından oluşan bu üç parçalı ara yüzey küçük ankrajlar ve köprüler gibi davrandı. Bir çatlak elyafa yaklaştığında doğrudan kesmek yerine eğilme, bölünme veya yavaşlama eğilimi gösterdi. Ancak çok fazla elyaf eklendiğinde bunlar birbirine kümelenip yeni boşluklar ve zayıf bantlar oluşturdu; bu da hızlı çatlamayı yeniden yönlendirebilir ve faydayı azaltabilirdi.

Daha güvenli ve daha temiz madencilik için sonuçlar

Test edilen koşullar için, yaklaşık %0,30 bazalt elyaf içeriği erken dayanım, süneklik ve ani çöküşe karşı direnç açısından en iyi dengeyi sundu. İyileştirilmiş dolgu büyük ölçüde maden atığından üretilebilir ve ilk hafta ve sonrasında tavan desteğini daha stabil sağlayabilir. Yeraltında bulunan daha yüksek gerilmeler altında ek çalışmalar gerekse de, bu sonuçlar dikkatli dozlanmış elyafların gevrek maden dolgularını daha dayanıklı, daha güvenilir bir desteğe dönüştürebileceğini ve aynı zamanda atık kayaların geri kazanımına katkı sağlayabileceğini düşündürmektedir.

Atıf: 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

Anahtar kelimeler: bazalt elyafı, çimentolu atık dolgu, erken yaş dayanımı, maden tavan desteği, çatlak evrimi