Mechanical properties and self-expansion mechanism of cemented slag- based backfill influenced with biomass ash
本研究表明，通过在水泥矿渣基充填料中引入生物质灰，可以在特定临界比例下促进C-S-H凝胶的形成，从而优化其机械强度和自膨胀性能，而过高的灰分含量则会引入未反应的二氧化硅，从而导致性能退化。
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在现代采矿业深邃的地下隧道中，安全与效率取决于矿石开采后的处理过程。当矿工开采出珍贵矿物时，他们会留下巨大的空洞，这可能导致上方的岩层坍塌。为了防止这种情况，工程师们用水、水泥和碎石废料的混合物填充这些空间，从而创造出一个支撑矿井顶部的固体质量。然而，某些类型的废石（被称为矿渣）带来了一个特定的挑战，因为它们在硬化时会自然膨胀。这种自膨胀是一把双刃剑：一方面，它有助于填充材料膨胀并紧紧压向矿井顶部的顶板，消除危险间隙；另一方面，这种膨胀往往会削弱材料，使其过于脆弱而无法承受重载，或无法随着时间的推移保持形状。工程师们长久以来的目标就是寻找一种方法，既能保留有益的膨胀，又能阻止危险的弱化。
江西理工大学与河北工业大学的研究人员致力于通过测试一种燃烧植物物质产生能量的常见副产品——生物质灰分，来解决这一难题。他们将这种灰分混入由矿渣制成的胶结充填料中，观察其是否可以起到调节器的作用。研究团队制备了数十个圆柱形样品，改变添加灰分的量，使其从零增加到总固体重量的5%。随后，他们等待这些样品在7天、14天和28天内固化，并通过测试来测量样品在破碎前能承受多大的挤压力，以及在断裂前能承受多大的拉伸力。他们还追踪了样品随时间变化的尺寸增长情况。为了精确了解材料内部究竟发生了什么，他们使用了强大的显微镜和化学扫描仪，来观察混合物在硬化过程中形成的微观结构。
结果揭示了一个完全取决于灰分添加量的微妙平衡。当研究人员加入少量的生物质灰分时，充填料变得显著增强。灰分就像一种细粉，填补了较大岩石颗粒之间的微小缝隙，并与水泥发生反应，创造出一种更强、更具凝聚力的“胶水”。这一过程使材料更加致密，且不易产生大型内部裂缝。然而，研究发现这种益处存在严格的限制。如果添加过多的灰分，材料就会开始失效。过量的灰分引入了更多的二氧化硅，而水泥无法完全利用这一成分，从而留下了未反应的颗粒，削弱了结构。研究人员确定了一个灰分含量的特定“黄金比例”。为了使材料在28天后达到最大强度，研究发现理想的生物质灰分含量约为总重量的2.5%。对于材料抗拉伸的能力，理想含量则略低，约为1.7%。
正如强度遵循上升后下降的曲线一样，充填料的膨胀行为也遵循类似的模式。在不添加任何灰分的情况下，充填料会随时间大幅膨胀，这虽然有助于填补缝隙，但对结构完整性不利。随着研究人员加入少量的灰分，膨胀率下降，这意味着材料更加稳定，不再过度生长。这种膨胀率的降低是由于灰分帮助构建了一个更紧密、更致密的内部结构。然而，一旦灰分含量超过约3%的临界阈值，膨胀便会再次上升。过量的灰分破坏了维持材料稳定的化学反应，导致其膨胀程度超过对照组。
通过观察微观细节，团队证实了灰分的作用机制在于促进一种类胶质物质的形成，这种物质将岩石颗粒结合在一起。当灰分量恰到好处时，这种胶质会填充孔隙，创造出一个致密且强大的网络。当灰分过多时，由于多余的颗粒阻碍了胶质的正常形成，网络会变得多孔且脆弱。研究结论指出，生物质灰分是采矿工程师的一件强大工具，但前提是必须精准使用。它提供了一种调节充填材料的方法，让工程师可以通过调整混合物中添加灰分的量，在“膨胀更多以填充顶板”或“保持更强以支撑重载”之间进行选择。这一发现通过将一种废弃物转化为一种精密的工程工具，为提高矿井安全性提供了切实可行的方法。
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