Proprietà ingegneristiche e meccanismo microscopico del suolo cementato composito a base di fosfogesso e gomma

Trasformare i rifiuti in terreno più resistente

Le città moderne dipendono da un terreno stabile per strade, ferrovie e fondazioni, ma i suoli su cui costruiamo sono spesso deboli e facilmente danneggiabili dall’acqua. Al tempo stesso, l’industria produce montagne di rifiuti, dagli pneumatici usati al fosfogesso, un sottoprodotto della produzione di fertilizzanti. Questo studio esplora un modo per affrontare entrambi i problemi contemporaneamente: miscelare gomma da pneumatici di scarto e fosfogesso nel suolo stabilizzato con cemento per ottenere un materiale da costruzione più resistente, meno fragile e più idrorepellente.

Perché il suolo cementato ordinario non basta

Gli ingegneri comunemente aggiungono cemento a suoli molli o argillosi per renderli sufficientemente resistenti per rilevati stradali e fondazioni. Pur essendo efficace, questo approccio produce un materiale che può essere fragile, soggetto a fessurazione e a perdita di resistenza quando saturo d’acqua. Inoltre si basa molto sul cemento, la cui produzione richiede molta energia ed emette grandi quantità di anidride carbonica. Nel frattempo, pneumatici scartati e cumuli di fosfogesso occupano terreni preziosi e possono danneggiare l’ambiente. Impiegare questi rifiuti per migliorare i suoli cementati promette prestazioni migliori e un minore impatto ambientale.

Miscelare suolo, fosfogesso e gomma

I ricercatori hanno raccolto suolo argilloso da un cantiere della metropolitana, fosfogesso da un impianto di fertilizzanti e gomma macinata da pneumatici di scarto. Hanno miscelato questi materiali con una quantità moderata di cemento ordinario variando con cura le proporzioni di fosfogesso e gomma. Prove di laboratorio standard hanno misurato la compattabilità delle miscele, la resistenza a compressione e la permeabilità all’acqua. Per osservare cosa accadeva all’interno, il team ha anche usato la diffrazione a raggi X per individuare nuovi minerali e microscopi elettronici per visualizzare le piccole strutture formatesi durante l’indurimento.

Trovare il punto ottimale tra resistenza e duttilità

Gli esperimenti hanno mostrato che fosfogesso e gomma svolgono ruoli complementari. Il fosfogesso, se aggiunto nella giusta misura, ha reso la miscela suolo‑cemento significativamente più resistente e compatta. Un’aggiunta di circa un quarto di fosfogesso (in peso rispetto alla miscela suolo–fosfogesso) ha dato i migliori risultati, aumentando la resistenza a compressione di diverse volte rispetto al suolo non trattato e migliorando la resistenza alle prime età, fattore importante durante la costruzione. Un eccesso di fosfogesso, tuttavia, lasciava particelle non reattive che indebolivano la struttura e la rendevano più porosa. Le particelle di gomma si sono comportate diversamente: piccole quantità, intorno all’1–1,5%, aumentavano leggermente resistenza e rigidezza, mentre quantità maggiori riducevano progressivamente la resistenza massima. Allo stesso tempo, più gomma rendeva il materiale meno fragile, permettendo deformazioni maggiori prima della rottura e il mantenimento di più resistenza dopo la fessurazione — una caratteristica importante per resistere a impatti e carichi ripetuti.

Tenere lontana l’acqua

Il movimento dell’acqua attraverso il terreno è cruciale per la stabilità a lungo termine, specialmente sotto le strade. Lo studio ha rilevato che la stabilizzazione dell’argilla con cemento, fosfogesso e una piccola quantità di gomma riduceva drasticamente la permeabilità. Con circa il 25% di fosfogesso e intorno al 2% di gomma, la permeabilità del materiale scendeva a livelli estremamente bassi, molto migliori rispetto ai requisiti tipici per i sottobasi stradali. I prodotti di reazione a base di fosfogesso riempivano i pori e irrigidivano la rete di particelle, mentre frammenti di gomma comprimibili contribuivano a bloccare e deviare i percorsi dell’acqua. Con il progredire della cura, la struttura interna si compatta ulteriormente e il flusso d’acqua diminuisce ancora.

Cosa succede a livello microscopico

Le immagini al microscopio hanno rivelato il motivo dei grandi cambiamenti prestazionali. Nelle miscele senza fosfogesso si formavano fasi gel-like tra i granuli di suolo, ma rimanevano molte cavità ampie. L’aggiunta di fosfogesso ha portato a abbondanti cristalli a ago e a ulteriore gel che si intrecciava fra i granuli, legando i componenti e riempiendo gli spazi vuoti. Ciò ha creato uno scheletro compatto e interconnesso in grado di sopportare carichi maggiori e di ridurre i canali per l’acqua. A contenuti molto elevati di fosfogesso, particelle fini in eccesso e acidità locale cominciavano a degradare alcuni di questi aghi, spiegando la perdita di resistenza. Le particelle di gomma non reagivano chimicamente ma agivano come inclusioni morbide: quando sono poche si incastrano nelle cavità e aumentano l’attrito; se abbondanti creano punti deboli e piccole cavità lungo i loro bordi, riducendo la resistenza complessiva ma aumentando la capacità di deformarsi e assorbire energia.

Un terreno da costruzione più equilibrato e sostenibile

In sintesi, lo studio dimostra che una miscela bilanciata di fosfogesso e gomma da pneumatici di scarto può trasformare un’argilla debole in un materiale da costruzione resistente, duttile e altamente resistente all’acqua. Una ricetta ottimale — approssimativamente 8% di cemento, 25% di fosfogesso e circa 1–2% di gomma — offre un buon compromesso tra rigidità e flessibilità riducendo drasticamente il flusso d’acqua. Per il lettore non specialista, il messaggio è semplice: combinando in modo intelligente due problematici rifiuti industriali con piccole quantità di cemento, gli ingegneri possono costruire strade e fondazioni più sicure riducendo in contemporanea inquinamento e il carico sulle discariche.

Citazione: 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

Parole chiave: fosfogesso, gomma da pneumatici di scarto, suolo stabilizzato con cemento, materiali per rilevati stradali, miglioramento del terreno