Mechanical properties and self-expansion mechanism of cemented slag- based backfill influenced with biomass ash
Este estudio demuestra que la incorporación de ceniza de biomasa en el relleno de base de escoria cementada optimiza su resistencia mecánica y sus propiedades de autoexpansión al promover la formación de gel C-S-H en proporciones críticas específicas, mientras que un contenido excesivo de ceniza introduce sílice no reaccionada que degrada el rendimiento.
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En los profundos túneles subterráneos de la minería moderna, la seguridad y la eficiencia dependen de lo que sucede después de la extracción del mineral. Cuando los mineros extraen minerales valiosos, dejan tras de sí vastos vacíos que pueden provocar el colapso de la roca superior. Para prevenir esto, los ingenieros rellenan estos espacios con una mezcla de agua, cemento y desechos de roca triturada, creando una masa sólida que sostiene el techo de la mina. Sin embargo, surge un desafío específico con ciertos tipos de roca residual, conocidos como escoria, que naturalmente se expanden al endurecerse. Esta autoexpansión es un arma de doble filo. Por un lado, ayuda a que el material de relleno se hinche y se presione firmemente contra el techo de la mina, eliminando huecos peligrosos. Por otro lado, este hinchamiento a menudo debilita el material, volviéndolo demasiado frágil para soportar cargas pesadas o impidiendo que mantenga su forma con el tiempo. El objetivo de los ingenieros ha sido durante mucho tiempo encontrar una manera de mantener la expansión útil mientras se detiene el debilitamiento peligroso.
Investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Jiangxi y de la Universidad de Ciencia y Tecnología del Norte de China se propusieron resolver este enigma probando un subproducto común de la quema de materia vegetal para obtener energía: la ceniza de biomasa. Mezclaron esta ceniza en un relleno cementado hecho de escoria minera para ver si podía actuar como un regulador. El equipo preparó docenas de muestras cilíndricas, variando la cantidad de ceniza añadida desde cero hasta el cinco por ciento del peso sólido total. Luego esperaron a que estas muestras curaran durante períodos de siete, catorce y veintiocho días, sometiéndolas a pruebas que medían cuánto podían ser comprimidas antes de romperse y cuánto podían estirarse antes de quebrarse. También rastrearon cuánto crecían las muestras en tamaño a lo largo del tiempo. Para entender exactamente qué estaba sucediendo dentro del material, utilizaron potentes microscopios y escáneres químicos para observar las diminutas estructuras formadas a medida que la mezcla se endurecía.
Los resultados revelaron un equilibrio delicado que depende enteramente de la cantidad precisa de ceniza añadida. Cuando los investigadores añadieron una pequeña cantidad de ceniza de biomasa, el relleno se volvió significativamente más fuerte. La ceniza actuó como un polvo fino que llenó los pequeños huecos entre las partículas de roca más grandes y reaccionó con el cemento para crear un pegamento más fuerte y cohesivo. Este proceso hizo que el material fuera más denso y menos propenso a desarrollar grandes grietas internas. Sin embargo, el estudio encontró que este beneficio tiene un límite estricto. Si se añade demasiada ceniza, el material comienza a fallar. El exceso de ceniza introduce más sílice, un componente que el cemento no puede utilizar completamente, dejando atrás partículas no reaccionadas que debilitan la estructura. Los investigadores identificaron un "punto ideal" para el contenido de ceniza. Para que el material alcanzara su máxima resistencia después de veintiocho días, se encontró que la cantidad ideal de ceniza de biomasa era aproximadamente el 2.5 por ciento del peso total. Para la resistencia del material a ser estirado, la cantidad ideal era ligeramente menor, alrededor del 1.7 por ciento.
Al igual que la resistencia siguió una curva de ascenso y luego de caída, el comportamiento de expansión del relleno siguió un patrón similar. Sin ninguna ceniza, el relleno se expandía bastante con el tiempo, lo cual es útil para llenar huecos pero malo para la integridad estructural. A medida que los investigadores añadían pequeñas cantidades de ceniza, la tasa de expansión disminuía, lo que significaba que el material se mantenía más estable y no crecía tanto. Esta reducción en la expansión fue un resultado directo de cómo la ceniza ayudaba a crear una estructura interna más apretada y compacta. Sin embargo, una vez que el contenido de ceniza superaba un umbral crítico de aproximadamente el 3 por ciento, la expansión comenzaba a aumentar de nuevo. El exceso de ceniza perturbaba las reacciones químicas que usualmente mantienen el material estable, causando que se hinchara más que las muestras de control.
Al examinar los detalles microscópicos, el equipo confirmó que la ceniza funciona promoviendo la formación de una sustancia de tipo gel que une las partículas de roca. Cuando la cantidad de ceniza es la adecuada, este gel llena los poros y crea una red densa y fuerte. Cuando hay demasiada ceniza, la red se vuelve porosa y débil porque las partículas adicionales impiden que el gel se forme adecuadamente. El estudio concluye que la ceniza de biomasa es una herramienta poderosa para los ingenieros mineros, pero solo si se usa con precisión. Ofrece una forma de ajustar el material de relleno, permitiéndoles elegir entre una mezcla que se expande más para llenar un techo o una que se mantiene fuerte para soportar cargas pesadas, simplemente ajustando la cantidad de ceniza añadida a la mezcla. Este descubrimiento proporciona un método práctico para mejorar la seguridad en las minas al convertir un producto de desecho en una herramienta de ingeniería precisa.
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