Mechanical properties and self-expansion mechanism of cemented slag- based backfill influenced with biomass ash
Este estudo demonstra que a incorporação de cinza de biomassa em enchimento à base de escória cimentada otimiza sua resistência mecânica e propriedades de autoexpansão ao promover a formação de gel C-S-H em razões críticas específicas, enquanto o conteúdo excessivo de cinza introduz sílica não reagida que degrada o desempenho.
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Nos túneis profundos sob a terra das minas modernas, a segurança e a eficiência dependem do que acontece após a remoção do minério. Quando os mineradores extraem minerais valiosos, eles deixam para trás vastos vazios vazios que podem fazer com que a rocha acima desmorone. Para evitar isso, engenheiros preenchem esses espaços com uma mistura de água, cimento e resíduos de rocha triturada, criando uma massa sólida que sustenta o teto da mina. No entanto, um desafio específico surge com certos tipos de resíduos de rocha, conhecidos como escória, que naturalmente se expandem conforme endurecem. Essa autoexpansão é uma faca de dois gumes. Por um lado, ajuda o material de preenchimento a inchar e pressionar firmemente contra o teto da mina, eliminando lacunas perigosas. Por outro lado, esse inchaço frequentemente enfraquece o material, tornando-o frágil demais para suportar cargas pesadas ou impedindo-o de manter sua forma ao longo do tempo. O objetivo dos engenheiros tem sido, há muito tempo, encontrar uma maneira de manter a expansão útil enquanto se interrompe o enfraquecimento perigoso.
Pesquisadores da Universidade de Ciência e Tecnologia de Jiangxi e da Universidade de Ciência e Tecnologia do Norte da China partiram para resolver esse enigma testando um subproduto comum da queima de matéria vegetal para geração de energia: a cinza de biomassa. Eles misturaram essa cinza em um enchimento cimentado feito de escória de mineração para ver se ela poderia agir como um regulador. A equipe preparou dezenas de amostras cilíndricas, variando a quantidade de cinza adicionada de zero até cinco por cento do peso total de sólidos. Eles então esperaram que essas amostras curassem ao longo de períodos de sete, quatorze e vinte e oito dias, submetendo-as a testes que mediam o quanto podiam ser espremidas antes de quebrar e o quanto podiam esticar antes de romper. Eles também monitoraram o quanto as amostras cresceram em tamanho ao longo do tempo. Para entender exatamente o que estava acontecendo dentro do material, eles usaram microscópios poderosos e scanners químicos para observar as estruturas minúsculas formadas conforme a mistura endurecia.
Os resultados revelaram um equilíbrio delicado que depende inteiramente da quantidade precisa de cinza adicionada. Quando os pesquisadores adicionaram uma pequena quantidade de cinza de biomassa, o enchimento tornou-se significativamente mais forte. A cinza agiu como um pó fino que preencheu as pequenas lacunas entre as partículas de rocha maiores e reagiu com o cimento para criar uma cola mais forte e coesa. Esse processo tornou o material mais denso e menos propenso a desenvolver grandes rachaduras internas. No entanto, o estudo descobriu que esse benefício tem um limite rigoroso. Se muita cinza for adicionada, o material começa a falhar. O excesso de cinza introduz mais sílica, um componente que o cimento não consegue utilizar totalmente, deixando para trás partículas não reagidas que enfraquecem a estrutura. Os pesquisadores identificaram um "ponto ideal" para o conteúdo de cinzas. Para que o material atingisse a força máxima após vinte e oito dias, a quantidade ideal de cinza de biomassa foi encontrada em aproximadamente 2,5 por cento do peso total. Para a resistência do material ao ser puxado, a quantidade ideal era ligeiramente menor, cerca de 1,7 por cento.
Assim como a força seguiu uma curva de ascensão e depois queda, o comportamento de expansão do enchimento seguiu um padrão semelhante. Sem nenhuma cinza, o enchimento expandiu bastante ao longo do tempo, o que é útil para preencher lacunas, mas ruim para a integridade estrutural. À medida que os pesquisadores adicionavam pequenas quantidades de cinza, a taxa de expansão caía, o que significa que o material permanecia mais estável e não crescia tanto. Essa redução na expansão foi um resultado direto da cinza ajudando a criar uma estrutura interna mais apertada e compacta. No entanto, uma vez que o conteúdo de cinza ultrapassou um limiar crítico de cerca de 3 por cento, a expansão começou a subir novamente. O excesso de cinza interrompeu as reações químicas que normalmente mantêm o material estável, fazendo com que ele inchasse mais do que as amostras de controle.
Ao examinar os detalhes microscópicos, a equipe confirmou que a cinza funciona promovendo a formação de uma substância gelatinosa que une as partículas de rocha. Quando a quantidade de cinza está correta, esse gel preenche os poros e cria uma rede densa e forte. Quando há excesso de cinza, a rede torna-se porosa e fraca porque as partículas extras impedem que o gel se forme adequadamente. O estudo conclui que a cinza de biomassa é uma ferramenta poderosa para engenheiros de minas, mas apenas se usada com precisão. Ela oferece uma maneira de ajustar o material de enchimento, permitindo que eles escolham entre uma mistura que expande mais para preencher um teto ou uma que permaneça forte para suportar cargas pesadas, simplesmente ajustando a quantidade de cinza adicionada à mistura. Essa descoberta fornece um método prático para melhorar a segurança nas minas, transformando um resíduo de produção em uma ferramenta de engenharia precisa.
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