Propriedades de engenharia e mecanismo microscópico do solo cimentado compósito com gesso de fosfato e borracha

Transformando Resíduos em Solo Mais Forte

Cidades modernas dependem de um solo estável para estradas, ferrovias e fundações, mas os solos sobre os quais construímos muitas vezes são fracos e facilmente danificados pela água. Ao mesmo tempo, a indústria gera montanhas de resíduos, desde pneus de automóveis usados até gesso de fosfato, um subproduto da produção de fertilizantes. Este estudo explora uma maneira de enfrentar ambos os problemas simultaneamente: misturar borracha de pneus descartados e gesso de fosfato em solo estabilizado com cimento para criar um material de construção mais resistente, menos frágil e mais resistente à água.

Por que o Solo Cimentado Comum Falha

Engenheiros costumam misturar cimento em solos moles ou ricos em argila para torná-los suficientemente fortes para subleitos e fundações. Embora esse método funcione, o material resultante pode ser frágil, rachar com facilidade e perder resistência quando saturado. Também depende em grande medida do cimento, cuja fabricação é intensiva em energia e emite grandes quantidades de dióxido de carbono. Enquanto isso, pneus descartados e pilhas de gesso de fosfato ocupam terra valiosa e podem prejudicar o meio ambiente. Usar esses resíduos para melhorar o solo cimentado promete tanto melhor desempenho quanto menor impacto ambiental.

Misturando Solo, Gesso de Fosfato e Borracha

Os pesquisadores coletaram solo argiloso de um canteiro de obras do metrô, gesso de fosfato de uma fábrica de fertilizantes e borracha moída de pneus usados. Misturaram esses materiais com uma quantidade moderada de cimento comum e variaram cuidadosamente as proporções de gesso de fosfato e borracha. Testes laboratoriais padrão mediram então quão densamente as misturas podiam ser compactadas, quanto peso podiam suportar antes de falhar e com que facilidade a água podia passar através delas. Para ver o que acontecia no interior, a equipe também usou difração de raios X para detectar novos minerais e microscópios eletrônicos para visualizar as pequenas estruturas formadas conforme o material endurecia.

Encontrando o Ponto Ideal entre Resistência e Tenacidade

Os experimentos mostraram que gesso de fosfato e borracha desempenham papéis complementares. O gesso de fosfato, quando adicionado na quantidade certa, tornou a mistura solo-cimento significativamente mais forte e densa. Uma adição de cerca de um quarto de gesso de fosfato (em peso da mistura solo–gesso de fosfato) apresentou os melhores resultados, triplicando ou mais a resistência à compressão em comparação com o solo não tratado e melhorando a resistência em envelhecimento precoce, o que é importante durante a construção. No entanto, excesso de gesso de fosfato deixou partículas não reagidas que enfraqueceram a estrutura e a tornaram mais porosa. As partículas de borracha comportaram-se de forma diferente: pequenas quantidades, na ordem de 1–1,5%, aumentaram levemente a resistência e a rigidez, mas quantidades maiores reduziram gradualmente a resistência máxima. Ao mesmo tempo, mais borracha tornou o material menos frágil, permitindo maior deformação antes da ruptura e a retenção de mais resistência após o aparecimento de fissuras — uma característica importante para resistir a impactos e carregamentos repetidos.

Mantendo a Água à Distância

O movimento da água através do solo é crítico para a estabilidade a longo prazo, especialmente sob estradas. O estudo descobriu que estabilizar a argila com cimento, gesso de fosfato e uma pequena quantidade de borracha reduziu dramaticamente a facilidade com que a água poderia permear o material. Com cerca de 25% de gesso de fosfato e aproximadamente 2% de borracha, a permeabilidade do material caiu para níveis extremamente baixos, muito melhores do que os requisitos típicos para subleitos rodoviários. Produtos de reação à base de gesso de fosfato preencheram poros e apertaram a rede de partículas, enquanto fragmentos de borracha compressíveis ajudaram a bloquear e redirecionar caminhos da água. Com o tempo, à medida que a cura progrediu, a estrutura interna ficou ainda mais densa e o fluxo de água diminuiu ainda mais.

O Que Acontece no Nível Microscópico

Imagens de microscópio revelaram por que o desempenho mudou tanto. Em misturas sem gesso de fosfato, fases gelatinosas microscópicas formaram-se entre os grãos de solo, mas muitos vazios grandes permaneceram. A adição de gesso de fosfato levou à formação abundante de cristais em forma de agulha e de gel adicional que entrelaçaram-se pelo solo, ligando os grãos e preenchendo lacunas. Isso criou um esqueleto compacto e intertravado capaz de suportar cargas mais altas e deixou menos canais para a água. Em teores muito altos de gesso de fosfato, partículas finas em excesso e acidez local começaram a degradar algumas dessas agulhas, explicando a queda de resistência. As partículas de borracha não reagiram quimicamente, mas atuaram como inclusões macias: quando escassas, encaixavam-se nas lacunas e aumentavam o atrito; quando abundantes, criaram pontos fracos e pequenos vazios ao longo de suas interfaces, reduzindo a resistência geral, mas aumentando a capacidade de deformar e absorver energia.

Um Solo de Construção Mais Equilibrado e Sustentável

No geral, o estudo mostra que uma mistura cuidadosamente equilibrada de gesso de fosfato e borracha de pneus descartados pode transformar argila fraca em um material de construção resistente, tenaz e altamente resistente à água. Uma receita ótima — aproximadamente 8% de cimento, 25% de gesso de fosfato e cerca de 1–2% de borracha — alcança um equilíbrio útil entre rigidez e flexibilidade ao mesmo tempo em que limita fortemente o fluxo de água. Para o leitor não especializado, a mensagem é direta: ao combinar de forma inteligente dois resíduos industriais problemáticos com pequenas quantidades de cimento, os engenheiros podem construir estradas e fundações mais seguras reduzindo a poluição e a carga sobre aterros sanitários.

Citação: 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

Palavras-chave: gesso de fosfato, borracha de pneus usados, solo estabilizado com cimento, materiais para subleito, melhoria do solo