Ingenjörsegenskaper och mikroskopisk mekanism hos fosfogypsum–gummi kompositcementerat jord

Att omvandla avfall till starkare mark

Moderna städer är beroende av stabil mark för vägar, järnvägar och fundament, men de jordar vi bygger på är ofta svaga och lätt skadas av vatten. Samtidigt producerar industrin stora mängder avfall, från använda bildäck till fosfogypsum, en biprodukt vid gödselproduktion. Denna studie undersöker ett sätt att angripa båda problemen samtidigt: att blanda avfallsgummi från däck och fosfogypsum i cementstabiliserad jord för att skapa ett tuffare, mindre sprött och mer vattenbeständigt byggmaterial.

Varför vanlig cementjord inte räcker

Ingenjörer blandar ofta in cement i mjuka eller leriga jordar för att göra dem tillräckligt starka för banvallar och fundament. Även om denna metod fungerar kan det resulterande materialet vara sprött, spricka lätt och förlora styrka vid genomvattning. Det är också starkt beroende av cement, vars tillverkning är energikrävande och ger stora koldioxidutsläpp. Samtidigt upptar kasserade däck och fosfogypsumstackar värdefull mark och kan skada miljön. Att använda dessa avfall för att uppgradera cementjord lovar både bättre prestanda och mindre miljöavtryck.

Att blanda jord, fosfogypsum och gummi

Forskarna samlade in lerig jord från en tunnelbana-konstruktionsplats, fosfogypsum från en gödselfabrik och malet gummi från kasserade däck. Dessa blandades med en måttlig mängd vanligt cement och andelen fosfogypsum och gummi varierades noggrant. Standardlaboratorietester mätte hur tätt blandningarna kunde komprimeras, hur mycket vikt de kunde bära innan brott och hur lätt vatten kunde passera genom dem. För att se vad som hände inuti använde teamet även röntgendiffraktion för att upptäcka nya mineraler och elektronmikroskop för att visualisera de små strukturer som bildades när materialet härdade.

Att hitta balanspunkten för styrka och seghet

Experimenten visade att fosfogypsum och gummi spelar kompletterande roller. Fosfogypsum, när det tillsätts i rätt mängd, gjorde jord-cementblandningen avsevärt starkare och tätare. Ett tillskott av ungefär en fjärdedel fosfogypsum (i vikt av jord–fosfogypsummixen) gav bäst resultat, med flera gånger ökad tryckhållfasthet jämfört med obehandlad jord och förbättrad tidig åldersstyrka, vilket är viktigt under byggskedet. För mycket fosfogypsum lämnade däremot oreaktiva partiklar som försvagade strukturen och gjorde den mer porös. Gummipartiklar uppträdde annorlunda: små mängder, runt 1–1,5%, ökade något styrka och stelhet, men större mängder minskade successivt toppstyrkan. Samtidigt gjorde mer gummi materialet mindre sprött, så att det kunde deformeras mer innan brott och behålla mer styrka efter sprickbildning — en viktig egenskap för att motstå stötar och upprepad belastning.

Hålla vatten stången

Vattenrörelse genom jorden är avgörande för långsiktig stabilitet, särskilt under vägar. Studien fann att stabilisering av leran med cement, fosfogypsum och en liten mängd gummi dramatiskt minskade hur lätt vatten kunde sippra igenom. Med cirka 25% fosfogypsum och runt 2% gummi sjönk materialets permeabilitet till extremt låga nivåer, betydligt bättre än vanliga krav för vägbyggnadsunderlag. Reaktionsprodukter från fosfogypsum fyllde porer och tätade partikelnätverket, medan komprimerbara gummifragment hjälpte till att blockera och omdirigera vattenvägar. Med tiden, när härdningen fortsatte, blev den inre strukturen ännu tätare och vattenflödet minskade ytterligare.

Vad som händer på mikronivå

Mikroskopbilder avslöjade varför prestandan förändrades så mycket. I blandningar utan fosfogypsum bildades små gel-liknande faser mellan jordkorn, men många stora hålrum kvarstod. Tillsats av fosfogypsum ledde till rikliga nålformade kristaller och ytterligare gel som vävde sig genom jorden, band samman korn och fyllde luckor. Detta skapade ett kompakt, sammanlänkat skelett som kunde bära högre laster och lämnade färre kanaler för vatten. Vid mycket höga fosfogypsumhalter började överskott av fina partiklar och lokal surhet bryta ner några av dessa nålar, vilket förklarar minskningen i styrka. Gummipartiklar reagerade inte kemiskt utan fungerade som mjuka inklusioner: när de var få fyllde de luckor och ökade friktionen; när de var rikliga skapade de svagare zoner och små håligheter längs sina gränser, vilket minskade den totala styrkan men ökade förmågan att töjas och absorbera energi.

En balanserad och mer hållbar bygggrund

Sammantaget visar studien att en noggrant balanserad blandning av fosfogypsum och avfallsgummi från däck kan omvandla svag lera till ett starkt, segt och mycket vattenbeständigt byggmaterial. Ett optimalt recept — ungefär 8% cement, 25% fosfogypsum och omkring 1–2% gummi — uppnår en användbar balans mellan styvhet och flexibilitet samtidigt som vattenflödet kraftigt begränsas. För en icke-specialist är budskapet enkelt: genom att smart kombinera två besvärliga industriavfall med små mängder cement kan ingenjörer bygga säkrare vägar och fundament samtidigt som de minskar föroreningar och belastningen på deponier.

Citering: 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

Nyckelord: fosfogypsum, avfallsdäck gummi, cementstabiliserad jord, banvallmaterial, jordförbättring