Propriétés mécaniques et mécanisme microscopique du sol cimenté composite phosphogyps-rubber

Transformer les déchets en un sol plus résistant

Les villes modernes dépendent d’un terrain stable pour les routes, les voies ferrées et les fondations, mais les sols sur lesquels nous construisons sont souvent faibles et facilement endommagés par l’eau. Parallèlement, l’industrie génère des montagnes de déchets, des pneus usagés au phosphogyps, un sous-produit de la fabrication d’engrais. Cette étude explore une façon d’aborder ces deux problèmes simultanément : incorporer du caoutchouc de pneus usés et du phosphogyps dans un sol stabilisé au ciment pour obtenir un matériau de construction plus résistant, moins fragile et plus résistant à l’eau.

Pourquoi le sol cimenté ordinaire est insuffisant

Les ingénieurs ajoutent couramment du ciment aux sols mous ou argileux pour les rendre assez solides pour des plateformes routières et des fondations. Bien que cette méthode fonctionne, le matériau obtenu peut être fragile, se fissurer facilement et perdre de la résistance une fois imbibé d’eau. Il repose aussi fortement sur le ciment, dont la fabrication est énergivore et émet de grandes quantités de dioxyde de carbone. Parallèlement, les pneus jetés et les tas de phosphogyps occupent des terres précieuses et peuvent nuire à l’environnement. Utiliser ces déchets pour améliorer les sols cimentés promet à la fois de meilleures performances et une empreinte environnementale réduite.

Mélange de sol, phosphogyps et caoutchouc

Les chercheurs ont prélevé un sol argileux sur un chantier de métro, du phosphogyps dans une usine d’engrais et du caoutchouc broyé à partir de pneus usés. Ils les ont mélangés avec une quantité modérée de ciment ordinaire et ont fait varier soigneusement les proportions de phosphogyps et de caoutchouc. Des essais de laboratoire standard ont ensuite mesuré la compacité atteignable, la charge supportée avant rupture et la perméabilité à l’eau. Pour comprendre les processus internes, l’équipe a également utilisé la diffraction des rayons X pour détecter de nouveaux minéraux et des microscopes électroniques pour visualiser les microstructures formées lors du durcissement.

Trouver le point d’équilibre entre résistance et ténacité

Les expériences ont montré que le phosphogyps et le caoutchouc jouent des rôles complémentaires. Le phosphogyps, lorsqu’il est ajouté en quantité appropriée, rend le mélange sol–ciment sensiblement plus fort et plus dense. Une addition d’environ un quart de phosphogyps (en poids du mélange sol–phosphogyps) a donné les meilleurs résultats, multipliant la résistance en compression par rapport au sol non traité et améliorant la résistance à jeune âge, importante pendant la construction. En revanche, un excès de phosphogyps laissait des particules non réactionnées qui affaiblissaient la structure et la rendaient plus poreuse. Les particules de caoutchouc se comportaient différemment : de petites quantités, autour de 1–1,5 %, augmentaient légèrement la résistance et la rigidité, mais des proportions plus élevées réduisaient progressivement la résistance maximale. Dans le même temps, davantage de caoutchouc rendait le matériau moins fragile, lui permettant de se déformer davantage avant rupture et de conserver plus de résistance après fissuration — une caractéristique importante pour résister aux impacts et aux sollicitations répétées.

Limiter l’infiltration d’eau

Le mouvement de l’eau à travers le sol est critique pour la stabilité à long terme, surtout sous les routes. L’étude a révélé que la stabilisation de l’argile avec du ciment, du phosphogyps et une petite quantité de caoutchouc réduisait drastiquement la perméabilité. Avec environ 25 % de phosphogyps et autour de 2 % de caoutchouc, la perméabilité du matériau est tombée à des niveaux extrêmement bas, bien mieux que les exigences habituelles pour les couches de fondation routière. Les produits de réaction à base de phosphogyps comblent les pores et resserrent le réseau de particules, tandis que les fragments de caoutchouc compressibles contribuent à bloquer et rediriger les voies d’écoulement. Avec le temps, au fur et à mesure du durcissement, la structure interne devient encore plus dense et l’écoulement d’eau diminue davantage.

Ce qui se passe au niveau microscopique

Les images au microscope ont révélé pourquoi les performances évoluaient autant. Dans les mélanges sans phosphogyps, des phases gélatineuses fines se formaient entre les grains de sol, mais de nombreuses cavités importantes restaient. L’ajout de phosphogyps a conduit à l’apparition abondante de cristaux en forme d’aiguilles et d’un gel supplémentaire qui s’entrelace dans le sol, liant les grains et comblant les vides. Cela a créé un squelette compact et interverrouillé capable de supporter des charges plus élevées et laissant moins de canaux pour l’eau. À des teneurs très élevées en phosphogyps, l’excès de particules fines et l’acidité locale ont commencé à dégrader certaines de ces aiguilles, expliquant la baisse de résistance. Les particules de caoutchouc ne réagissaient pas chimiquement mais agissaient comme des inclusions souples : en faible quantité, elles s’inséraient dans les interstices et augmentaient le frottement ; en grande quantité, elles créaient des points faibles et de petites cavités le long de leurs limites, réduisant la résistance globale mais augmentant la capacité d’allongement et d’absorption d’énergie.

Un sol de construction plus équilibré et durable

Au final, l’étude montre qu’un mélange soigneusement équilibré de phosphogyps et de caoutchouc de pneus usés peut transformer une argile faible en un matériau de construction solide, tenace et très résistant à l’eau. Une recette optimale — approximativement 8 % de ciment, 25 % de phosphogyps et environ 1–2 % de caoutchouc — trouve un bon compromis entre rigidité et flexibilité tout en limitant fortement l’écoulement d’eau. Pour un non-spécialiste, le message est clair : en combinant intelligemment deux déchets industriels problématiques avec de faibles quantités de ciment, les ingénieurs peuvent construire des routes et des fondations plus sûres tout en réduisant la pollution et la pression sur les décharges.

Citation: 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

Mots-clés: phosphogyps, caoutchouc de pneus usagés, sol stabilisé au ciment, matériaux de plateforme routière, amélioration des sols