Mechanical properties and self-expansion mechanism of cemented slag- based backfill influenced with biomass ash
Diese Studie zeigt auf, dass die Einbindung von Biomasseasche in zementbasierte Schlacke-Verfüllungen deren mechanische Festigkeit und Selbstexpandierungseigenschaften durch die Förderung der C-S-H-Gel-Bildung bei spezifischen kritischen Verhältnissen optimiert, während ein übermäßiger Aschegehalt unreagierte Kieselsäure einführt, welche die Leistungsfähigkeit verschlechtert.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
In den tiefen unterirdischen Stollen des modernen Bergbaus hängen Sicherheit und Effizienz davon ab, was geschieht, nachdem das Erz abgebaut wurde. Wenn Bergleute wertvolle Mineralien extrahieren, hinterlassen sie riesige, leere Hohlräume, die dazu führen können, dass das darüber liegende Gestein einstürzt. Um dies zu verhindern, füllen Ingenieure diese Räume mit einer Mischung aus Wasser, Zement und zerstoßenem Gesteinsabfall auf, wodurch eine feste Masse entsteht, die das Bergwerkdach stützt. Jedoch entsteht bei bestimmten Arten von Gesteinsabfällen, bekannt als Schlacke, eine spezifische Herausforderung, da diese beim Aushärten natürlich expandieren. Diese Selbstexpansion ist ein zweischneidiges Schwert. Einerseits hilft sie dem Füllmaterial, sich auszudehnen und sich fest gegen das Bergwerkdach zu pressen, wodurch gefährliche Lücken eliminiert werden. Andererseits schwächt dieses Quellen oft das Material, wodurch es zu brüchig wird, um schwere Lasten zu tragen, oder verhindert, dass es über die Zeit seine Form behält. Das Ziel der Ingenieure war es seit langem, einen Weg zu finden, die hilfreiche Expansion beizubehalten und gleichzeitig die gefährliche Schwächung zu stoppen.
Forscher der Jiangxi University of Science and Technology und der North China University of Science and Technology machten sich daran, dieses Rätsel zu lösen, indem sie ein gängiges Nebenprodukt der Verbrennung von Pflanzenmaterial zur Energiegewinnung testeten: Biomascheasche. Sie mischten diese Asche in eine zementierte Verfüllung aus Bergbau-Schlacke, um zu sehen, ob sie als Regulator fungieren konnte. Das Team bereitete Dutzende von zylindrischen Proben vor, wobei die Menge der hinzugefügten Asche variierte – von null bis fünf Prozent des gesamten Feststoffgewichts. Anschließend ließen sie diese Proben über Zeiträume von sieben, vierzehn und achtundzwanzig Tagen aushärten und unterzogen sie Tests, die maßen, wie stark sie zusammengedrückt werden konnten, bevor sie brachen, und wie sehr sie sich dehnten, bevor sie rissen. Sie verfolgten auch, wie sehr die Proben im Laufe der Zeit an Größe zunahmen. Um genau zu verstehen, was im Inneren des Materials geschah, verwendeten sie leistungsstarke Mikroskope und chemische Scanner, um die winzigen Strukturen zu untersuchen, die sich während des Aushärtens der Mischung bildeten.
Die Ergebnisse zeigten ein empfindliches Gleichgewicht, das vollständig von der präzisen Menge der hinzugefügten Asche abhängt. Als die Forscher eine kleine Menge Biomascheasche hinzufügten, wurde die Verfüllung signifikant stärker. Die Asche wirkte wie ein feines Pulver, das die winzigen Lücken zwischen den größeren Gesteinspartikeln füllte und mit dem Zement reagierte, um einen stärkeren, kohäsiveren Klebstoff zu erzeugen. Dieser Prozess machte das Material dichter und weniger anfällig für die Bildung großer interner Risse. Die Studie stellte jedoch fest, dass dieser Vorteil eine strikte Grenze hat. Wenn zu viel Asche hinzugefügt wird, beginnt das Material zu versagen. Die überschüssige Asche führt mehr Siliziumdioxid ein, eine Komponente, die der Zement nicht vollständig nutzen kann, wodurch unreagierte Partikel zurückbleiben, die die Struktur schwächen. Die Forscher identifizierten einen spezifischen „Sweet Spot“ für den Aschegehalt. Damit das Material nach achtundzwanzig Tagen seine maximale Festigkeit erreicht, wurde die ideale Menge an Biomascheasche auf etwa 2,5 Prozent des Gesamtgewichts festgelegt. Für den Widerstand des Materials gegen Zugkräfte lag die ideale Menge etwas niedriger, bei etwa 1,7 Prozent.
Genau wie die Festigkeit einer Kurve folgte, die erst ansteigt und dann abfällt, folgte das Expansionsverhalten der Verfüllung einem ähnlichen Muster. Ohne jegliche Asche expandierte die Verfüllung im Laufe der Zeit recht stark, was zwar nützlich ist, um Lücken zu füllen, aber schlecht für die strukturelle Integrität ist. Als die Forscher kleine Mengen Asche hinzufügten, sank die Expansionsrate, was bedeutete, dass das Material stabiler blieb und nicht so stark wuchs. Diese Reduktion der Expansion war ein direktes Ergebnis der Tatsache, dass die Asche half, eine dichtere, kompaktere interne Struktur zu schaffen. Sobald der Aschegehalt jedoch einen kritischen Schwellenwert von etwa 3 Prozent überschritt, begann die Expansion wieder anzusteigen. Die überschüssige Asche störte die chemischen Reaktionen, die das Material normalerweise stabil halten, was dazu führte, dass es stärker aufquoll als die Kontrollproben.
Durch die Untersuchung der mikroskopischen Details bestätigte das Team, dass die Asche dadurch wirkt, dass sie die Bildung einer gelartigen Substanz fördert, die die Gesteinspartikel zusammenbindet. Wenn die Menge der Asche genau richtig ist, füllt dieses Gel die Poren aus und schafft ein dichtes, starkes Netzwerk. Wenn es zu viel Asche gibt, wird das Netzwerk porös und schwach, weil die zusätzlichen Partikel die Bildung des Gels verhindern. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass Biomascheasche ein mächtiges Werkzeug für Bergbauingenieure ist, aber nur, wenn sie mit Präzision eingesetzt wird. Sie bietet eine Möglichkeit, das Verfüllmaterial abzustimmen, sodass sie zwischen einer Mischung wählen können, die stärker expandiert, um ein Dach zu füllen, oder einer, die stabil bleibt, um schwere Lasten zu tragen, indem sie einfach die Menge der zur Mischung hinzugefügten Asche anpassen. Diese Entdeckung bietet eine praktische Methode zur Verbesserung der Sicherheit in Bergwerken, indem ein Abfallprodukt in ein präzises technisches Werkzeug verwandelt wird.
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