Propiedades de ingeniería y mecanismo microscópico del suelo cementado compuesto de fosfogipsa y caucho

Convertir los residuos en un terreno más resistente

Las ciudades modernas dependen de un terreno estable para carreteras, ferrocarriles y cimientos, pero los suelos sobre los que construimos a menudo son débiles y se deterioran con facilidad por el agua. Al mismo tiempo, la industria genera enormes cantidades de residuos, desde neumáticos fuera de uso hasta fosfogipsa, un subproducto de la fabricación de fertilizantes. Este estudio explora una forma de abordar ambos problemas a la vez: mezclar caucho procedente de neumáticos usados y fosfogipsa con suelo estabilizado con cemento para crear un material de construcción más resistente, menos frágil y más impermeable.

Por qué el suelo cementado ordinario se queda corto

Los ingenieros suelen añadir cemento a suelos blandos o ricos en arcilla para hacerlos lo bastante fuertes para plataformas de carreteras y cimentaciones. Aunque este método funciona, el material resultante puede ser frágil, agrietarse con facilidad y perder resistencia al empaparse. Además, depende en gran medida del cemento, cuya fabricación consume mucha energía y emite grandes cantidades de dióxido de carbono. Mientras tanto, los neumáticos desechados y las pilas de fosfogipsa ocupan terrenos valiosos y pueden dañar el medio ambiente. Usar estos residuos para mejorar suelos cementados ofrece tanto un mejor rendimiento como una menor huella ambiental.

Mezclando suelo, fosfogipsa y caucho

Los investigadores recogieron suelo arcilloso en un emplazamiento de construcción de metro, fosfogipsa en una planta de fertilizantes y caucho molido procedente de neumáticos usados. Mezclaron estos materiales con una cantidad moderada de cemento ordinario y variaron cuidadosamente las proporciones de fosfogipsa y caucho. Pruebas de laboratorio estándar midieron luego cuán densamente podían compactarse las mezclas, la carga máxima que soportaban antes de fallar y la facilidad con la que el agua podía atravesarlas. Para ver lo que ocurría en el interior, el equipo también utilizó difracción de rayos X para detectar nuevos minerales y microscopios electrónicos para visualizar las microestructuras formadas durante el fraguado.

Encontrar el punto óptimo de resistencia y tenacidad

Los experimentos mostraron que la fosfogipsa y el caucho desempeñan papeles complementarios. La fosfogipsa, añadida en la cantidad adecuada, aumentó significativamente la resistencia y la densidad de la mezcla suelo‑cemento. Una adición de aproximadamente una cuarta parte de fosfogipsa (en peso respecto a la mezcla suelo–fosfogipsa) ofreció los mejores resultados, incrementando la resistencia a compresión varias veces respecto al suelo sin tratar y mejorando la resistencia a edades tempranas, lo que es importante durante la construcción. Sin embargo, un exceso de fosfogipsa dejó partículas sin reaccionar que debilitaron la estructura y la hicieron más porosa. Las partículas de caucho se comportaron de forma diferente: cantidades pequeñas, en torno al 1–1,5 %, aumentaron ligeramente la resistencia y la rigidez, pero cantidades mayores redujeron gradualmente la resistencia máxima. Al mismo tiempo, más caucho hizo el material menos frágil, permitiendo deformaciones mayores antes de romperse y reteniendo más resistencia tras el agrietamiento —una característica importante para resistir impactos y cargas repetidas.

Mantener el agua a raya

El movimiento del agua a través del suelo es crítico para la estabilidad a largo plazo, especialmente bajo carreteras. El estudio encontró que estabilizar la arcilla con cemento, fosfogipsa y una pequeña cantidad de caucho redujo drásticamente la permeabilidad. Con aproximadamente un 25 % de fosfogipsa y alrededor de un 2 % de caucho, la permeabilidad del material cayó a niveles extremadamente bajos, muy por encima de los requisitos típicos para capas subrasante de carreteras. Los productos de reacción derivados de la fosfogipsa llenaron poros y compactaron la red de partículas, mientras que los fragmentos comprimibles de caucho ayudaron a taponar y desviar las vías de paso del agua. Con el tiempo, a medida que el curado continuó, la estructura interna se volvió aún más densa y el flujo de agua disminuyó aún más.

Qué ocurre a escala microscópica

Las imágenes microscópicas revelaron por qué cambió tanto el comportamiento. En mezclas sin fosfogipsa se formaron pequeñas fases tipo gel entre los granos del suelo, pero quedaron grandes vacíos. La adición de fosfogipsa provocó abundantes cristales en forma de aguja y gel adicional que se entrelazó por el suelo, uniendo los granos y rellenando huecos. Esto creó un esqueleto compacto e interconectado capaz de soportar cargas mayores y que dejó menos canales para el agua. En contenidos muy altos de fosfogipsa, el exceso de partículas finas y la acidez local comenzaron a degradar algunas de estas agujas, lo que explica la pérdida de resistencia. Las partículas de caucho no reaccionaron químicamente pero actuaron como inclusiones blandas: cuando son pocas, encajan en huecos y añaden fricción; cuando son abundantes, crean puntos débiles y pequeñas cavidades a lo largo de sus bordes, reduciendo la resistencia global pero aumentando la capacidad de elongación y absorción de energía.

Un terreno más equilibrado y sostenible

En conjunto, el estudio demuestra que una mezcla cuidadosamente equilibrada de fosfogipsa y caucho de neumáticos usados puede transformar arcillas débiles en un material de construcción fuerte, tenaz y altamente resistente al agua. Una receta óptima —aproximadamente 8 % de cemento, 25 % de fosfogipsa y en torno al 1–2 % de caucho— logra un equilibrio útil entre rigidez y flexibilidad, al tiempo que reduce drásticamente el flujo de agua. Para el lector no especializado, el mensaje es claro: combinando de forma inteligente dos residuos industriales problemáticos con pequeñas cantidades de cemento, los ingenieros pueden construir carreteras y cimentaciones más seguras mientras reducen la contaminación y la carga sobre vertederos.

Cita: Ma, Q., Li, Y., Shu, H. et al. Engineering properties and microscopic mechanism of phosphogypsum-rubber composite cemented soil. Sci Rep 16, 8853 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42001-4

Palabras clave: fosfogipsa, caucho de neumáticos usados, suelo estabilizado con cemento, materiales para plataformas de carreteras, mejora del suelo