Mechanical properties and self-expansion mechanism of cemented slag- based backfill influenced with biomass ash
Deze studie toont aan dat het opnemen van biomassa-as in gesmeerde slakgebaseerde achtervulling de mechanische sterkte en zelfexpansie-eigenschappen optimaliseert door de vorming van C-S-H-gel te bevorderen bij specifieke kritieke ratio's, terwijl een excessief asgehalte niet-gereageerd silica introduceert dat de prestaties degradeert.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
In de diepe ondergrondse gangen van de moderne mijnbouw hangen veiligheid en efficiëntie af van wat er gebeurt nadat het erts is verwijderd. Wanneer mijnwerkers waardevolle mineralen extraheren, laten zij enorme, lege holtes achter die kunnen ervoor zorgen dat het gesteente erboven instort. Om dit te voorkomen, vullen ingenieurs deze ruimtes met een mengsel van water, cement en vermalen gesteentegranulaat, waardoor een solide massa ontstaat die het mijnplafond ondersteunt. Echter, met bepaalde soorten gesteentegranulaat, bekend als slak, doet zich een specifieke uitdaging voor, omdat dit van nature uitzet wanneer het uithardt. Deze zelfexpansie is een tweesnijdend zwaard. Enerzijds helpt het de vulstof op te zwellen en stevig tegen het mijnplafond aan te drukken, waardoor gevaarlijke kieren worden geëlimineerd. Anderzijds verzwakt deze zwelling het materiaal vaak, waardoor het te fragiel wordt om zware lasten te dragen of om zijn vorm in de loop van de tijd te behouden. Het doel voor ingenieurs is al lang om een manier te vinden om de nuttige expansie te behouden terwijl het gevaarlijke verzwakken wordt gestopt.
Onderzoekers aan de Jiangxi University of Science and Technology en de North China University of Science and Technology zetten zich in om dit puzzelstukje op te lossen door te testen met een veelvoorkomend bijproduct van het verbranden van plantaardige materie voor energie: biomassa-as. Ze mengden deze as in een gecementeerde achtervulling gemaakt van mijnslak om te zien of het als een regulator kon fungeren. Het team bereidde tientallen cilindrische monsters voor, waarbij de hoeveelheid toegevoegde as varieerde van nul tot vijf procent van het totale vaste gewicht. Vervolgens wachtten ze tot deze monsters gedurende perioden van zeven, veertien en achttienentwintig dagen waren uitgehard, waarbij ze tests uitvoerden die maten hoeveel ze konden worden samengedrukt voordat ze braken en hoeveel ze konden rekken voordat ze knapten. Ze volgden ook hoe de monsters in grootte groeiden over de tijd. Om precies te begrijpen wat er binnenin het materiaal gebeurde, gebruikten ze krachtige microscopen en chemische scanners om naar de minuscule structuren te kijken die ontstonden terwijl het mengsel uithardde.
De resultaten onthulden een delicaat evenwicht dat volledig afhangt van de precieze hoeveelheid toegevoegde as. Wanneer de onderzoekers een kleine hoeveelheid biomassa-as toevoegden, werd de achtervulling aanzienlijk sterker. De as fungeerde als een fijn poeder dat de kleine openingen tussen de grotere gesteentedeeltjes opvulde en reageerde met het cement om een sterkere, meer samenhangende lijm te creëren. Dit proces maakte het materiaal dichter en minder geneigd om grote interne scheuren te ontwikkelen. Echter, de studie toonde aan dat dit voordeel een strikte limiet heeft. Als er te veel as wordt toegevoegd, begint het materiaal te falen. De overtollige as introduceert meer silica, een component die het cement niet volledig kan gebruiken, waardoor ongereageerde deeltjes achterblijven die de structuur verzwakken. De onderzoekers identificeerden een specifiek "sweet spot" voor het asgehalte. Voor het materiaal om zijn maximale sterkte te bereiken na achttienentwintig dagen, werd gevonden dat de ideale hoeveelheid biomassa-as ongeveer 2,5 procent van het totale gewicht was. Voor de weerstand van het materiaal tegen uitrekking, was de ideale hoeveelheid iets lager, rond de 1,7 procent.
Net zoals de sterkte een curve van stijging en vervolgens daling volgde, volgde het expansiegedrag van de achtervulling een vergelijkbaar patroon. Zonder enige as expandeerde de achtervulling behoorlijk in de loop van de tijd, wat nuttig is om gaten te vullen maar slecht is voor de structurele integriteit. Naarmate de onderzoekers kleine hoeveelheden as toevoegden, daalde het expansiepercentage, wat betekende dat het materiaal stabieler bleef en niet zoveel groeide. Deze vermindering in expansie was een direct gevolg van de as die hielp bij het creëren van een compactere, dichtere interne structuur. Echter, zodien het asgehalte een kritieke drempel van ongeveer 3 procent passeerde, begon de expansie weer toe te nemen. De overtollige as verstoorde de chemische reacties die het materiaal normaal gesproken stabiel houden, waardoor het meer opzwelde dan de controlemengsels.
Door de microscopische details te bestudelen, bevestigde het team dat de as werkt door de vorming van een gelachtige substantie te bevorderen die de gesteentedeeltjes aan elkaar bindt. Wanneer de hoeveelheid as precies goed is, vult deze gel de poriën en creëert het een dicht, sterk netwerk. Wanneer er te veel as aanwezig is, wordt het netwerk poreus en zwak omdat de extra deeltjes de vorming van de gel verhinderen. De studie concludeert dat biomassa-as een krachtig hulpmiddel is voor mijningenieurs, maar alleen als het met precisie wordt gebruikt. Het biedt een manier om de achtervullingsmaterialen af te stemmen, waardoor zij kunnen kiezen tussen een mengsel dat meer expandeert om een plafond te vullen of een mengsel dat sterk blijft om zware lasten te dragen, simpelweg door de hoeveelheid toegevoegde as aan te passen. Deze ontdekking biedt een praktische methode om de veiligheid in mijnen te verbeteren door een afvalproduct om te vormen tot een precies technisch instrument.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.