Mechanical properties and self-expansion mechanism of cemented slag- based backfill influenced with biomass ash
Cette étude démontre que l'incorporation de cendres de biomasse dans un remblai à base de laitier cimenté optimise sa résistance mécanique et ses propriétés d'autotranspansion en favorisant la formation de gel C-S-H à des ratios critiques spécifiques, tandis qu'un excès de teneur en cendres introduit de la silice non réagie qui dégrade les performances.
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Dans les tunnels profonds des mines modernes, la sécurité et l'efficacité dépendent de ce qui se passe après l'extraction du minerai. Lorsque les mineurs extraient des minéraux précieux, ils laissent derrière eux de vastes vides qui peuvent provoquer l'effondrement de la roche située au-dessus. Pour prévenir cela, les ingénieurs remplissent ces espaces avec un mélange d'eau, de ciment et de déchets de roche concassée, créant une masse solide qui soutient le toit de la mine. Cependant, un défi spécifique surgit avec certains types de déchets rocheux, connus sous le nom de laitier, qui se dilatent naturellement en durcissant. Cette auto-expansion est une arme à double tranchant. D'un côté, elle aide le matériau de remplissage à gonfler et à presser fermement contre le toit de la mine, éliminant les interstices dangereux. De l'autre côté, ce gonflement affaiblit souvent le matériau, le rendant trop fragile pour supporter des charges lourdes ou l'empêchant de conserver sa forme au fil du temps. L'objectif des ingénieurs a longtemps été de trouver un moyen de conserver l'expansion utile tout en stoppant l'affaiblissement dangereux.
Des chercheurs de l'Université de technologie des sciences de Jiangxi et de l'Université de technologie de l'eau de Chine du Nord ont entrepris de résoudre ce casse-tête en testant un sous-produit courant de la combustion de la matière végétale pour l'énergie : la cendre de biomasse. Ils ont mélangé cette cendre à un remblai cimenté composé de laitier minier pour voir si elle pouvait agir comme un régulateur. L'équipe a préparé des dizaines d'échantillons cylindriques, faisant varier la quantité de cendre ajoutée de zéro jusqu'à cinq pour cent du poids total des solides. Ils ont ensuite attendu que ces échantillons durcissent sur des périodes de sept, quatorze et vingt-huit jours, les soumettant à des tests qui mesuraient jusqu'à quel point ils pouvaient être comprimés avant de rompre et jusqu'à quel point ils pouvaient s'étirer avant de se briser. Ils ont également suivi l'évolution de la taille des échantillons au fil du temps. Pour comprendre exactement ce qui se passait à l'intérieur du matériau, ils ont utilisé des microscopes puissants et des scanners chimiques pour observer les minuscules structures formées lors du durcissement du mélange.
Les résultats ont révélé un équilibre délicat qui dépend entièrement de la quantité précise de cendre ajoutée. Lorsque les chercheurs ont ajouté une petite quantité de cendre de biomasse, le remblai est devenu nettement plus résistant. La cendre a agi comme une fine poudre qui a comblé les minuscules interstices entre les particules rocheuses plus volumineuses et a réagi avec le ciment pour créer une colle plus forte et plus cohérente. Ce processus a rendu le matériau plus dense et moins susceptible de développer de larges fissures internes. Cependant, l'étude a montré que cet avantage possède une limite stricte. Si trop de cendre est ajoutée, le matériau commence à faillir. L'excès de cendre introduit davantage de silice, un composant que le ciment ne peut pas pleinement utiliser, laissant derrière lui des particules non réagies qui affaiblissent la structure. Les chercheurs ont identifié un « point idéal » pour la teneur en cendres. Pour que le matériau atteigne sa résistance maximale après vingt-huit jours, la quantité idéale de cendre de biomasse a été trouvée à environ 2,5 pour cent du poids total. Pour la résistance du matériau à l'étirement, la quantité idéale était légèrement inférieure, soit environ 1,7 pour cent.
Tout comme la force suivait une courbe ascendante puis descendante, le comportement d'expansion du remblai suivait un schéma similaire. Sans aucune cendre, le remblai se dilatait considérablement au fil du temps, ce qui est utile pour combler les vides mais mauvais pour l'intégrité structurelle. À mesure que les chercheurs ajoutaient de petites quantités de cendre, le taux d'expansion chutait, ce qui signifie que le matériau restait plus stable et ne grandissait pas autant. Cette réduction de l'expansion était le résultat direct de la cendre aidant à créer une structure interne plus serrée et plus compacte. Cependant, une fois que la teneur en cendre dépassait un seuil critique d'environ 3 pour cent, l'expansion recommençait à augmenter. L'excès de cendre perturbait les réactions chimiques qui maintiennent habituellement la stabilité du matériau, provoquant un gonflement plus important que les échantillons de contrôle.
En examinant les détails microscopiques, l'équipe a confirmé que la cendre fonctionne en favorisant la formation d'une substance gélatineuse qui lie les particules rocheuses entre elles. Lorsque la quantité de cendre est juste, ce gel remplit les pores et crée un réseau dense et solide. Lorsqu'il y a trop de cendre, le réseau devient poreux et faible car les particules excédentaires empêchent la formation correcte du gel. L'étude conclut que la cendre de biomasse est un outil puissant pour les ingénieurs miniers, mais seulement si elle est utilisée avec précision. Elle offre un moyen de moduler le matériau de remblai, leur permettant de choisir entre un mélange qui se dilate davantage pour combler un toit ou un mélange qui reste fort pour supporter des charges lourdes, simplement en ajustant la quantité de cendre ajoutée au mélange. Cette découverte fournit une méthode pratique pour améliorer la sécurité dans les mines en transformant un déchet en un outil d'ingénierie précis.
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