Mechanical properties and self-expansion mechanism of cemented slag- based backfill influenced with biomass ash
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि सीमेंटेड स्लैग-आधारित बैकफिल में बायोमास ऐश को शामिल करना विशिष्ट महत्वपूर्ण अनुपातों पर C-S-H जेल निर्माण को बढ़ावा देकर इसकी यांत्रिक शक्ति और स्व-विस्तार गुणों को अनुकूलित करता है, जबकि अत्यधिक ऐश सामग्री अपरिष्कृत सिलिका पेश करती है जो प्रदर्शन को कम करती है।
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आधुनिक खनन की गहरी भूमिगत सुरंगों में, सुरक्षा और दक्षता इस बात पर निर्भर करती है कि अयस्क (ore) निकालने के बाद क्या होता है। जब खनिक मूल्यवान खनिज निकालते हैं, तो वे पीछे विशाल खाली स्थान छोड़ देते हैं जो ऊपर की चट्टान को ढहने का कारण बन सकते हैं। इसे रोकने के लिए, इंजीनियर इन स्थानों को पानी, सीमेंट और कुचले हुए चट्टान के कचरे के मिश्रण से भर देते हैं, जिससे एक ठोस द्रव्यमान बनता है जो खान की छत को सहारा देता है। हालाँकि, कुछ प्रकार के अपशिष्ट चट्टान, जिसे स्लैग (slag) कहा जाता है, के साथ एक विशिष्ट चुनौती उत्पन्न होती है, जो सख्त होने पर स्वाभाविक रूप से फैलती है। यह स्व-विस्तार एक दोधारी तलवार है। एक ओर, यह भरने वाले पदार्थ को फूलने और खान की छत के विरुद्ध मजबूती से दबने में मदद करता है, जिससे खतरनाक अंतराल समाप्त हो जाते हैं। दूसरी ओर, यह सूजन अक्सर सामग्री को कमजोर कर देती है, जिससे यह भारी भार उठाने के लिए बहुत नाजुक हो जाती है या समय के साथ अपना आकार बनाए रखने में असमर्थ हो जाती है। इंजीनियरों का लक्ष्य लंबे समय से इस तरह से इस मददगार विस्तार को बनाए रखना रहा है जबकि खतरनाक कमजोरी को रोकना रहा है।
जियांग्सी यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी और नॉर्थ चाइना यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं ने ऊर्जा के लिए पौधों के अवशेषों को जलाने से प्राप्त एक सामान्य उपोत्पाद: बायोमास ऐश (biomass ash) का परीक्षण करके इस पहेली को सुलझाने का प्रयास किया। उन्होंने देखा कि क्या यह राख एक नियामक (regulator) के रूप में कार्य कर सकती है, इसके लिए उन्होंने इसे खनन स्लैग से बने सीमेंटेड बैकफिल में मिलाया। टीम ने दर्जनों बेलनाकार नमूने तैयार किए, जिनमें कुल ठोस वजन के शून्य से लेकर पांच प्रतिशत तक राख की मात्रा को बदला गया। फिर उन्होंने इन नमलों को सात, चौदह और अट्ठाईस दिनों की अवधि में पकने (cure) के लिए छोड़ा, और उन परीक्षणों का सामना किया जो यह मापते थे कि टूटने से पहले उन्हें कितना दबाया जा सकता है और टूटने से पहले वे कितना खिंच सकते हैं। उन्होंने यह भी ट्रैक किया कि समय के साथ नमूनों के आकार में कितनी वृद्धि हुई। यह समझने के लिए कि सामग्री के भीतर वास्तव में क्या हो रहा है, उन्होंने सूक्ष्म संरचनाओं को देखने के लिए शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी और रासायनिक स्कैनर का उपयोग किया जो मिश्रण के सख्त होने के दौरान बनती हैं।
परिणामों ने एक नाजुक संतुलन का खुलासा किया जो पूरी तरह से डाली गई राख की सटीक मात्रा पर निर्भर करता है। जब शोधकर्ताओं ने थोड़ी मात्रा में बायोमास ऐश मिलाया, तो बैकफिल काफी मजबूत हो गया। राख ने एक महीन पाउडर की तरह काम किया जिसने बड़ी चट्टान के कणों के बीच के छोटे अंतराल को भर दिया और सीमेंट के साथ प्रतिक्रिया करके एक मजबूत, अधिक सुसंगत गोंद बनाया। इस प्रक्रिया ने सामग्री को सघन बना दिया और आंतरिक दरारें विकसित होने की संभावना को कम कर दिया। हालाँकि, अध्ययन में पाया गया कि इस लाभ की एक सख्त सीमा है। यदि बहुत अधिक राख मिलाई जाती है, तो सामग्री विफल होने लगती है। अतिरिक्त राख अधिक सिलिका पेश करती है, जो एक ऐसा घटक है जिसे सीमेंट पूरी तरह से उपयोग नहीं कर पाता है, जिससे बिना प्रतिक्रिया वाले कण पीछे रह जाते हैं जो संरचना को कमजोर करते हैं। शोधकर्ताओं ने राख की मात्रा के लिए एक विशिष्ट "स्वीट स्पॉट" (इष्टतम बिंदु) की पहचान की। सामग्री को अट्ठाईस दिनों के बाद अधिकतम मजबूती प्राप्त करने के लिए, बायोमास ऐश की आदर्श मात्रा कुल वजन का लगभग 2.5 प्रतिशत पाई गई। सामग्री के खिंचाव के प्रति प्रतिरोध के लिए, आदर्श मात्रा थोड़ी कम, लगभग 1.7 प्रतिशत थी।
जिस तरह से मजबूती एक बढ़ते और फिर गिरने वाले वक्र (curve) का अनुसरण करती है, बैकफिल का विस्तार व्यवहार भी एक समान पैटर्न का पालन करता है। बिना किसी राख के, बैकफिल समय के साथ काफी फैलता है, जो अंतरालों को भरने के लिए उपयोगी है लेकिन संरचनात्मक अखंडता के लिए बुरा है। जैसे-जैसे शोधकर्ताओं ने थोड़ी मात्रा में राख मिलाई, विस्तार दर गिर गई, जिसका अर्थ है कि सामग्री अधिक स्थिर रही और उतना अधिक नहीं बढ़ी। विस्तार में यह कमी इस बात का सीधा परिणाम थी कि राख ने एक अधिक सघन, सुगठित आंतरिक संरचना बनाने में मदद की। हालाँकि, एक बार जब राख की मात्रा लगभग 3 प्रतिशत की महत्वपूर्ण सीमा को पार कर गई, तो विस्तार फिर से बढ़ने लगा। अतिरिक्त राख ने उन रासायनिक प्रतिक्रियाओं को बाधित कर दिया जो आमतौर पर सामग्री को स्थिर रखती हैं, जिससे यह नियंत्रण नमूनों (control samples) की तुलना में अधिक सूज गई।
सूक्ष्म विवरणों की जांच करते हुए, टीम ने पुष्टि की कि राख एक जेल जैसे पदार्थ के निर्माण को बढ़ावा देकर काम करती है जो चट्टान के कणों को आपस में जोड़ता है। जब राख की मात्रा बिल्कुल सही होती है, तो यह जेल छिद्रों को भर देता है और एक सघन, मजबूत नेटवर्क बनाता है। जब बहुत अधिक राख होती है, तो अतिरिक्त कणों के कारण जेल ठीक से नहीं बन पाता, जिससे नेटवर्क छिद्रयुक्त और कमजोर हो जाता है। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि बायोमास ऐश खनन इंजीनियरों के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है, लेकिन केवल सटीक उपयोग के साथ। यह उन्हें बैकफिल सामग्री को ट्यून करने का एक तरीका प्रदान करता है, जिससे वे मिश्रण में जोड़ी गई राख की मात्रा को समायोजित करके, एक ऐसा मिश्रण चुनने में सक्षम होते हैं जो छत को भरने के लिए अधिक फैलता है या एक ऐसा जो भारी भार को सहारा देने के लिए मजबूत रहता है। यह खोज एक अपशिष्ट उत्पाद को एक सटीक इंजीनियरिंग उपकरण में बदलकर खनन में सुरक्षा में सुधार करने का एक व्यावहारिक तरीका प्रदान करती है।
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