Förbättring av lerjordars mekaniska och skjuv-egenskaper med kalk, nano-MgO och återvunna PET-fibrer: experimentell och UPV-baserad utvärdering

Bygga på mjuka marker

Många städer växer ut över mark som vilar på lerlager som är naturligt svaga och känsliga för svällning, krympning och sprickbildning. Sådana jordar kan få vägar att spricka, ledningar att läcka och byggnadsfundament att luta över tid. Denna studie undersöker ett renare, smartare sätt att omvandla problemjord till en starkare och mer pålitlig grund för byggnation — samtidigt som koldioxidutsläpp minskas och avfallsflaskor återanvänds.

Ett nytt recept för starkare jord

Forskningen fokuserade på en lerjord med hög plasticitet, en särskilt besvärlig typ som ändrar volym när den blir våt eller torkar ut. Traditionellt blandar ingenjörer sådan jord med kalk för att öka styvheten och stabiliteten. Kalk fungerar väl, men dess produktion ger upphov till stora mängder koldioxid. För att minska detta fotavtryck och förbättra prestanda utvecklade teamet en tredelad blandning: kalk, ultrafint nano-magnesiumoxid (nano-MgO) och korta fibrer framställda av återvunnen polyetylentereftalat (PET), plasten som används i dryckesflaskor. Tanken var att kalk och nano-MgO kemiskt skulle ”cementera” jordpartiklarna medan PET-fibrerna skulle fungera som små armeringstrådar som håller ihop blandningen när den spricker eller deformeras.

Hur jorden testades

Lerprov blandades med olika mängder kalk, nano-MgO och PET-fibrer, kompakterades och fick härda upp till 90 dagar. Forskarna mätte hur väl varje blandning motstod tryck (obundet tryckhållfasthet), dragning (indirekt draghållfasthet) och glidning (direkt skjuvtest som visar friktion och kohesion). De använde också ultraljudspulshastighet (UPV): ljudvågor skickades genom proverna och färdhastigheten registrerades. Snabbare vågor innebär en tätare, mer kontinuerlig intern struktur. Till skillnad från traditionella hållfasthetstester är UPV icke-förstörande, vilket öppnar möjligheten att snabbt kontrollera jordens kvalitet på plats utan att förstöra prover.

Att hitta den optimala blandningen

Experimenten visade att det finns en tydlig ”sweet spot” i fördelningen av ingredienser. Ökad kalkhalt förbättrade hållfastheten upp till ungefär 10 procent av jordens torra vikt; utöver det bildade extra kalk svaga kristaller som faktiskt gjorde jorden mindre robust. Att ersätta en liten andel av kalken — cirka 2 procent av kalkens vikt — med nano-MgO ökade styrkan och styvheten ytterligare. Efter 90 dagar ökade denna kalk-plus-nano-blandning tryckhållfastheten mer än åtta gånger jämfört med obehandlad lera och med ungefär 40–50 procent jämfört med enbart kalk. Tillägg av 0,9 procent PET-fibrer efter jordens vikt gav därefter en extra förbättring, särskilt i motstånd mot sprickbildning och dragbrott, även om ytterligare fiberinnehåll över den nivån gav liten ytterligare nytta och kunde skapa svaga zoner om fibrerna klumpade ihop sig.

Att se in i jorden

Bildanalys med mikroskop och ytimaging bekräftade vad de mekaniska testen antydde. Obehandlad lera såg lös och porös ut, med platta partiklar och många hålrum. I kontrast visade prover med 10 procent kalk och 2 procent nano-MgO en tät struktur: lerpartiklarna var täckta och bundna av gel‑lika reaktionsprodukter som fyllde porer och förenade partiklarna. PET-fibrer syntes tränga igenom denna matris, med cementerad jord fastnad vid deras ytor, och bildade ett tredimensionellt nätverk som hjälpte till att fördela laster och stoppa sprickors utbredning. UPV-mätningarna följde väl dessa interna förändringar. Allt eftersom jorden blev tätare och bättre sammanbunden färdades ultraljudsvågor snabbare. Studien fann starka matematiska samband mellan våghastighet och nyckelparametrar som styrka, kohesion och friktionsvinkel, vilket tyder på att UPV kan användas för att uppskatta hur väl jorden stabiliserats utan att förstöra prover.

Varför detta är viktigt för verkliga projekt

För ingenjörer och planerare erbjuder den optimerade blandningen — 10 procent kalk, 2 procent nano-MgO och 0,9 procent återvunna PET-fibrer — en lovande balans mellan prestanda, kostnad och hållbarhet. Den ökar avsevärt hållfasthet och skjuvmotstånd, vilket hjälper fundament och jordstrukturer att vila säkrare på lera, samtidigt som mängden behövd kalk minskas och kasserad plast får ett nytt användningsområde. Möjligheten att övervaka jordkvalitet med enkla ultraljudstest kan också göra kvalitetskontroll snabbare och billigare på byggplatser. Även om studien genomfördes under kontrollerade laboratorieförhållanden och fortfarande behöver verifieras i fält under verkliga väder- och belastningscykler, pekar den mot mer hållbara och robusta sätt att bygga på utmanande mark.

Citering: Amiri, A.A., Ranjbar Malidarreh, N., Soleimani Kutanaei, S. et al. Enhancing the mechanical and shear behavior of clay soil using lime, Nano-MgO, and recycled PET fibers: experimental and UPV-based assessment. Sci Rep 16, 7548 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38956-z

Nyckelord: stabilisering av lerjord, nano-MgO, återvunna PET-fibrer, ultraljudstestning, geoteknisk ingenjörskonst