玄武岩纤维增强固结矸石回填的早期强度演化与脆性-韧性转变机理

由废石打造的更强地下支护

现代矿山常将碎石与水泥等混合物泵入空洞以支撑顶板并减少地表沉陷。但这些人工支柱可能会突然开裂，威胁工人安全。本研究探讨向此类回填体中加入细小玄武岩纤维，如何在置入后的关键几周内同时提高其强度与抗脆性。

为何矿井回填需要改良

本研究的回填材料称为固结矸石回填，主要由废石、粉煤灰和少量水泥与水混合而成。凝固后，它帮助承载上覆岩层的重量。然而，传统配比通常表现得像脆性岩石：在抗压达到一定值后，一旦出现主裂缝，强度会迅速丧失。研究者希望回填体表现得更像一种具有一定柔韧性的韧性材料，能够发生塑性变形并扩散损伤，而不是一次性整体破坏。

微小纤维担当大任

团队将短切玄武岩纤维按不同质量分数掺入回填体，从无纤维到占固体质量0.60％，并在3至60天内养护样品。随后对圆柱样品施加压缩，记录其承载力和破坏前的应变。纤维含量为0.30％的试样表现突出：养护28天后，抗压强度约比无纤维样品高出近三分之二，峰值应变约提高三分之一。对实际矿山更重要的是，该配比在3至7天间强度跃升超过四倍，达到能够在回填区附近支持早期开采的实际水平。

由突裂到可控损伤

为观察材料破坏过程，研究者监测由裂纹扩展发出的微小声发射信号，并用相机与数字图像工具观察表面。在普通回填体中，破裂以直线张拉裂缝为主，迅速切穿样品，导致承载能力骤降。加入纤维后，裂缝被偏转、分叉，有时被迫沿剪切路径延伸，形成更复杂的细裂缝网络。在最佳纤维含量下，损伤以斜向混合模式扩展，而不是沿单一竖直裂缝发展，峰后强度下降变得不那么陡峭。多颗粒粘结体的数值模拟也支持该观点：存在纤维时，裂段更多但更小，且接触破坏中剪切型失效增多。

微观尺度内部发生了什么

电子显微镜图像揭示了纤维为何如此关键。在无纤维回填中，水泥水化凝胶与结晶体留下了许多孔隙和弱点，容易成为裂缝起始处。在纤维增强样品中，玄武岩纤维被一层致密的水化产物包裹，与周围基体紧密粘结。纤维、胶结产物与岩粒构成的三相界面像微小的锚固与桥接体。当裂缝接近纤维时，往往会弯曲、分裂或减速，而不是径直穿透。然而，当纤维过多时，它们会聚集成团，形成新的空隙与弱带，这反而可能引导快速裂缝并降低增益效果。

对更安全、更清洁采矿的启示

在所测试条件下，接近0.30％的玄武岩纤维含量在早期强度、延性与抗突倒性能之间提供了最佳平衡。改良后的回填可主要由矿山废石制成，但在第一周及以后提供更稳定的顶板支护。尽管在更高地下应力条件下仍需进一步研究，这些结果表明，谨慎配比的纤维能将脆性矿井回填转变为更韧、更可靠的支护体，同时有助于循环利用废石。

引用: 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

关键词: 玄武岩纤维, 固结矸石回填, 早期强度, 矿井支护, 裂缝演化