Mechanical properties and self-expansion mechanism of cemented slag- based backfill influenced with biomass ash
本研究は、バイオマス灰をセメントスラグ系バックフィルに混入することで、特定の臨界比においてC-S-Hゲルの生成を促進し、機械的強度および自己膨張特性を最適化できる一方で、過剰な灰の含有量は未反応のシリカを導入し性能を低下させることを示している。
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現代の地下採掘における深いトンネルでは、鉱石が取り除かれた後の工程が安全性と効率性を左右します。採掘者が貴重な鉱物を抽出すると、その後に広大な空洞が残り、それが原因で上部の岩盤が崩落する恐れがあります。これを防ぐため、エンジニアは水、セメント、そして砕いた岩石の廃棄物を混合したものでこれらの空間を埋め、坑道の天井を支える強固な塊を作り出します。しかし、スラグとして知られる特定の種類の廃棄物には、特有の課題が生じます。スラグは硬化する際に自然に膨張する性質があるのです。この自己膨張は諸刃の剣です。一方で、材料を膨らませて坑道の天井に隙間なく密着させる助けとなりますが、他方では、この膨張によって材料が弱まり、重い荷重を支えるには脆すぎたり、時間の経過とともに形状を維持できなくなったりすることがよくあります。エンジニアの長年の目標は、有益な膨張を維持しつつ、危険な弱体化を止める方法を見つけることでした。
江西理工大学と北華理工大学の研究者たちは、植物性物質を燃焼させてエネルギーを得る際に出る一般的な副産物である「バイオマス灰」を用いて、この難題を解決しようと試みました。彼らは、この灰を採掘用スラグを用いたセメント充填材に混合し、調整剤として機能するかどうかを検証しました。研究チームは、添加する灰の量を全固形重量のゼロから最大5パーセントまで変化させた数十個の円柱状サンプルを用意しました。その後、サンプルを7日間、14日間、28日間の期間で養生させ、どれだけの圧力で壊れるか（圧縮強度）と、どれだけの引き伸ばしで断裂するか（引張強度）を測定する試験を行いました。また、時間の経過とともにサンプルがどの程度増大するかについても追跡しました。材料の内部で正確に何が起きているのかを理解するために、強力な顕微鏡や化学スキャナーを用い、混合物が硬化する過程で形成される微細な構造を観察しました。
結果は、添加される灰の量に完全に依存する繊細なバランスを明らかにしました。少量のバイオマス灰を加えると、充填材は著しく強くなりました。灰は細かい粉末のように作用して、大きな岩粒子間の微細な隙間を埋め、セメントと反応してより強固で粘り強い接着剤を作り出しました。このプロセスにより、材料は緻密になり、内部に大きな亀裂が生じる可能性が低くなりました。しかし、この利点には厳格な限界があることが判明しました。灰を加えすぎると、材料は崩壊し始めます。過剰な灰は、セメントが使い切れない成分であるシリカを導入するため、未反応の粒子が残り、構造を弱めてしまうのです。研究者たちは、灰の含有量における特定の「スイートスポット（最適値）」を特定しました。28日後の最大強度に達するための理想的なバイオマス灰の量は、全重量の約2.5パーセントであることが分かりました。引張抵抗力については、理想的な量はそれよりもわずかに低い、約1.7パーセントでした。
強度の変化が上昇した後に下降するという曲線を描いたのと同様に、充填材の膨張挙動も似たようなパターンを示しました。灰が含まれていない状態では、充填材は時間の経過とともにかなり膨張しました。これは隙間を埋めるには有用ですが、構造的な完全性には悪影響を及ぼします。研究者が少量の灰を加えると、膨張率は低下し、材料はより安定し、増大しにくくなりました。この膨張の抑制は、灰がより緻密で強固な内部構造を作るのを助けた直接的な結果でした。しかし、灰の含有量が約3パーセントの臨界閾値を超えると、膨張は再び上昇し始めました。過剰な灰は、材料を安定させる通常の化学反応を妨げ、コントロール群（比較対象）よりも膨張を引き起こしたのです。
微視的な詳細を検討することで、チームは、灰が岩粒子を結合させるゲル状の物質の形成を促進することによって作用することを確認しました。灰の量が適切であれば、このゲルが細孔を埋め、緻密で強固なネットワークを作り出します。灰が多すぎると、余分な粒子がゲルの形成を妨げるため、ネットワークは多孔質で脆弱になります。本研究は、バイオマス灰は精密に使用される場合にのみ、採掘エンジニアにとって強力なツールとなることを結論付けています。それは、灰の量を調整することによって、天井を埋めるために膨張させる混合物にするか、あるいは重い荷重を支えるために強固に保つ混合物にするかを選択できる、充填材を微調整する方法を提供するのです。この発見は、廃棄物を精密なエンジニアリングツールへと変えることで、坑山の安全性を向上させる実用的な手法を提供しています。
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