Mechanical properties and self-expansion mechanism of cemented slag- based backfill influenced with biomass ash
Questo studio dimostra che l'incorporazione di ceneri da biomassa nel riempimento a base di scoria cementata ottimizza la resistenza meccanica e le proprietà di auto-espansione promuovendo la formazione di gel C-S-H a specifici rapporti critici, mentre un contenuto eccessivo di ceneri introduce silice non reagita che degrada le prestazioni.
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Nei profondi tunnel sotterranei delle miniere moderne, la sicurezza e l'efficienza dipendono da ciò che accade dopo la rimozione del minerale. Quando i minatori estraggono minerali preziosi, lasciano dietro di sé vasti vuoti vuoti che possono causare il crollo della roccia sovrastante. Per prevenire questo, gli ingegneri riempiono questi spazi con una miscela di acqua, cemento e scarti di roccia frantumata, creando una massa solida che sostiene il soffitto della miniera. Tuttavia, una sfida specifica sorge con certi tipi di scarti di roccia, noti come scoria, che naturalmente si espandono mentre induriscono. Questa auto-espansione è un'arma a doppio taglio. Da un lato, aiuta il materiale di riempimento a gonfiarsi e a premere strettamente contro il soffitto della miniera, eliminando pericolosi spazi vuoti. Dall'altro, questo rigonfiamento spesso indebolisce il materiale, rendendolo troppo fragile per sostenere carichi pesanti o impedendogli di mantenere la sua forma nel tempo. L'obiettivo per gli ingegneri è stato a lungo quello di trovare un modo per mantenere l'espansione utile fermando al contempo l'indebolimento pericoloso.
I ricercatori dell'Università della Scienza e della Tecnologia di Jiangxi e dell'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina Settentrionale si sono posti l'obiettivo di risolvere questo enigma testando un comune sottoprodotto della combustione di materia vegetale per l'energia: la cenere di biomassa. Hanno mescolato questa cenere in un riempimento cementizio composto da scoria mineraria per vedere se potesse agire come un regolatore. Il team ha preparato decine di campioni cilindrici, variando la quantità di cenere aggiunta da zero fino al cinque per cento del peso totale dei solidi. Hanno poi atteso che questi campoli maturassero per periodi di sette, quattordici e ventotto giorni, sottoponendoli a test che misuravano quanto potessero essere schiacciati prima di rompersi e quanto potessero allungarsi prima di spezzarsi. Hanno anche monitorato quanto i campioni crescessero di dimensioni nel tempo. Per capire esattamente cosa stesse accadendo all'interno del materiale, hanno utilizzato potenti microscopi e scanner chimici per osservare le minuscole strutture che si formavano mentre la miscela induriva.
I risultati hanno rivelato un delicato equilibrio che dipende interamente dalla precisa quantità di cenere aggiunta. Quando i ricercatori hanno aggiunto una piccola quantità di cenere di biomassa, il riempimento è diventato significativamente più forte. La cenere ha agito come una polvere fine che ha riempito i piccoli spazi tra le particelle di roccia più grandi e ha reagito con il cemento per creare una colla più forte e coesiva. Questo processo ha reso il materiale più denso e meno propenso a sviluppare grandi crepe interne. Tuttavia, lo studio ha scoperto che questo beneficio ha un limite rigoroso. Se viene aggiunta troppa cenere, il materiale inizia a fallire. L'eccesso di cenere introduce più silice, un componente che il cemento non può utilizzare completamente, lasciando dietro di sé particelle non reagite che indeboliscono la struttura. I ricercatori hanno identificato un preciso "punto ottimale" per il contenuto di cenere. Affinché il materiale raggiunga la sua massima resistenza dopo ventotto giorni, la quantità ideale di cenere di biomassa è stata trovata essere circa il 2,5 per cento del peso totale. Per la resistenza del materiale alla trazione, la quantità ideale era leggermente inferiore, circa l'1,7 per cento.
Proprio come la forza seguiva una curva di crescita e poi di declino, il comportamento di espansione del riempimento seguiva un modello simile. Senza alcuna cenere, il riempimento si espandeva notevolmente nel tempo, il che è utile per riempire i vuoti ma dannoso per l'integrità strutturale. Man mano che i ricercatori aggiungevano piccole quantità di cenere, il tasso di espansione diminuiva, il che significa che il materiale rimaneva più stabile e non cresceva tanto. Questa riduzione dell'espansione era un risultato diretto della cenere che aiutava a creare una struttura interna più stretta e compatta. Tuttavia, una volta che il contenuto di cenere superava una soglia critica di circa il 3 per cento, l'espulsa iniziava a salire di nuovo. L'eccesso di cenere interrompeva le reazioni chimiche che di solito mantengono stabile il materiale, causando un rigonfiamento maggiore rispetto ai campioni di controllo.
Esaminando i dettagli microscopici, il team ha confermato che la cenere funziona promuendo la formazione di una sostanza simile a un gel che lega insieme le particelle di roccia. Quando la quantità di cenere è quella giusta, questo gel riempie i pori e crea una rete densa e forte. Quando ce n'è troppa, la rete diventa porosa e debole perché le particelle extra impediscono al gel di formarsi correttamente. Lo studio conclude che la cenere di biomassa è uno strumento potente per gli ingegneri minerari, ma solo se utilizzata con precisione. Essa offre un modo per calibrare il materiale di riempimento, permettendo loro di scegliere tra una miscela che si espande di più per riempire un soffitto o una che rimane forte per sostenere carichi pesanti, semplicemente regolando la quantità di cenere aggiunta alla miscela. Questa scoperta fornisce un metodo pratico per migliorare la sicurezza nelle miniere trasformando un prodotto di scarto in uno strumento di ingegneria preciso.
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