Инженерные свойства и микроскопический механизм фосфогипсо-резиново-цементированного грунта

Превращение отходов в более прочный грунт

Современные города зависят от устойчивого основания для дорог, железных дорог и фундаментов, но грунты, на которых мы строим, часто слабы и легко повреждаются влагой. Одновременно промышленность генерирует горы отходов — от использованных автомобильных шин до фосфогипса, побочного продукта производства удобрений. В этом исследовании рассматривается способ решения обеих проблем одновременно: смешивание резины из отработанных шин и фосфогипса с цементируемым грунтом для получения более прочного, менее хрупкого и более водостойкого материала для строительства.

Почему обычный цементированный грунт недостаточен

Инженеры обычно добавляют цемент в мягкие или глинистые грунты, чтобы сделать их достаточно прочными для земляного полотна и фундаментов. Этот подход работает, но получаемый материал может быть хрупким, легко трескаться и терять прочность при намокании. Кроме того, производство цемента энергоёмко и сопровождается большими выбросами CO2. В то же время выброшенные шины и свалки фосфогипса занимают ценные площади и наносят вред окружающей среде. Использование этих отходов для улучшения цементированного грунта обещает как лучшие эксплуатационные свойства, так и меньший экологический след.

Смешение грунта, фосфогипса и резины

Исследователи отобрали глинистый грунт на стройплощадке метро, фосфогипс с завода по производству удобрений и измельчённую резину из отработанных шин. Они смешали эти компоненты с небольшой долей обычного цемента и варьировали доли фосфогипса и резины. Стандартные лабораторные испытания оценивали плотность уплотнения смесей, несущую способность до разрушения и водопроницаемость. Чтобы понять, что происходило внутри, команда также использовала рентгеновскую дифракцию для выявления новых минералов и электронную микроскопию для визуализации мельчайших структур, формирующихся по мере затвердевания материала.

Поиск оптимума прочности и вязкости

Эксперименты показали, что фосфогипс и резина выполняют взаимодополняющие роли. Фосфогипс при добавлении в правильной дозе заметно повышал прочность и уплотнял смесь грунт–цемент. Приблизительно одна четверть фосфогипса (по массе от смеси грунт–фосфогипс) дала наилучшие результаты, увеличив прочность на сжатие в несколько раз по сравнению с необработанным грунтом и улучшив раннюю прочность, важную в период строительства. Однако избыточное количество фосфогипса оставляло не прореагировавшие частицы, которые ослабляли структуру и делали её более пористой. Частицы резины вели себя иначе: малые доли, порядка 1–1,5%, слегка повышали прочность и жесткость, но при больших количествах пиковой прочности уменьшался. В то же время большее содержание резины делало материал менее хрупким: он мог сильнее деформироваться перед разрушением и сохранял больше прочности после появления трещин — важное свойство для сопротивления ударам и повторным нагрузкам.

Защита от воды

Движение воды через грунт критично для долговременной стабильности, особенно под дорогами. Исследование показало, что стабилизация глины цементом с добавлением фосфогипса и небольшой доли резины драматически снижала водопроницаемость. При примерно 25% фосфогипса и около 2% резины проницаемость материала падала до очень низких значений, значительно превосходящих типичные требования к материалам дорожной насыпи. Продукты реакций на основе фосфогипса заполняли поры и уплотняли сеть частиц, а сжимаемые фрагменты резины помогали блокировать и перенаправлять пути течения воды. По мере продолжения отвердения внутренняя структура становилась ещё плотнее, и поток воды дополнительно уменьшался.

Что происходит на микроскопическом уровне

Микроскопические изображения показали, почему свойства изменяются так заметно. В смесях без фосфогипса между зернами грунта образовывались тонкие гелеобразные фазы, но оставалось много крупных пустот. Добавление фосфогипса приводило к образованию обильных игольчатых кристаллов и дополнительного геля, которые пронизывали грунт, связывая зерна и заполняя пустоты. Это создавало плотный, взаимозависимый каркас, способный нести большие нагрузки и оставлявший меньше каналов для воды. При очень высоких содержаниях фосфогипса избыток мелких частиц и локальная кислотность начинали разрушать часть этих иголочек, что объясняет снижение прочности. Частицы резины химически не реагировали, но выступали как мягкие включения: при небольшом количестве они заполняли зазоры и добавляли трение; при большом — создавали слабые зоны и мелкие полости по границам, снижая общую прочность, но повышая способность к растяжению и поглощению энергии.

Сбалансированное и более устойчивое строительное основание

В целом исследование демонстрирует, что тщательно сбалансированная смесь фосфогипса и резины из отработанных шин может преобразовать слабую глину в прочный, вязкий и высоко водостойкий строительный материал. Оптимальная рецептура — примерно 8% цемента, 25% фосфогипса и около 1–2% резины — обеспечивает полезный баланс между жёсткостью и гибкостью, существенно ограничивая водопроницаемость. Для неспециалиста посыл прост: разумное сочетание двух проблемных промышленных отходов с небольшим количеством цемента позволяет строить более безопасные дороги и фундаменты, сокращая при этом загрязнение и нагрузку на полигоны.

Цитирование: 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

Ключевые слова: фосфогипс, резина из автопокрышек, цементируемый грунт, материалы для земляного полотна, улучшение грунтов