磷石膏-橡胶复合胶结土的工程特性与微观机理

把废料变成更坚固的地基

现代城市的道路、铁路与基础都依赖稳定的地基，但我们常用的土壤往往强度不足并易被水破坏。与此同时，工业产生大量废弃物，从报废汽车轮胎到磷石膏（化肥生产副产物）。本研究探索一种同时解决这两类问题的方法：将废旧轮胎橡胶和磷石膏掺入水泥稳定土中，制成更坚韧、不易脆裂且耐水性的建筑材料。

为何常规胶结土不足以应对

工程上常向软土或富含黏土的土中掺入水泥，以提高路基和基础的承载能力。尽管该方法可行，但所得材料常表现出脆性、易开裂并在浸水后强度下降。此外，水泥生产能耗高且排放大量二氧化碳。与此同时，废轮胎和磷石膏堆积占地并可能带来环境风险。将这些废弃物用于改良胶结土不仅有望提升性能，还能减少环境影响。

混合土、磷石膏与橡胶

研究人员取自地铁施工现场的黏土、来自化肥厂的磷石膏和废旧轮胎制成的磨碎橡胶，加入适量普通硅酸盐水泥，并控制磷石膏与橡胶的配比。通过标准实验测试了试样的最大密实度、抗压承载能力和渗水性能。为观察内部变化，团队还使用X射线衍射检测生成的新矿物，并用电子显微镜观察材料硬化过程中形成的微观结构。

寻找强度与韧性的最佳配比

实验表明磷石膏与橡胶起到互补作用。适量的磷石膏能显著提高土-水泥混合物的强度与密实度。约占土—磷石膏混合物质量四分之一的磷石膏能取得最佳效果，使抗压强度较未处理土增强数倍，并改善早期强度，这对施工期尤为重要。但磷石膏过多会留下未反应颗粒，削弱结构并增加孔隙性。橡胶颗粒的行为则不同：少量（约1–1.5%）能微增强度与刚度，但随含量增加，峰值强度逐步下降。与此同时，更多橡胶使材料不那么脆，可以在破坏前发生更大变形，并在开裂后保留更多强度——这对抵抗冲击和重复荷载很重要。

抑制水的侵入

水在土体中的运动对道路长期稳定性至关重要。研究发现，用水泥、磷石膏和少量橡胶稳定黏土后，材料的渗透性显著下降。在约25%磷石膏和约2%橡胶条件下，材料的渗透率降至极低水平，远优于公路路基材料的常规要求。基于磷石膏的反应产物填充了孔隙并紧密连接颗粒网络，而可压缩的橡胶碎片有助于阻断并改道水流通道。随着养护时间延长，内部结构进一步致密，水流减少。

微观层面发生了什么

显微图像揭示了性能变化的原因。在未掺磷石膏的混合物中，土颗粒间形成了凝胶状相，但仍存在许多大孔隙。掺入磷石膏后出现大量针状晶体和额外的凝胶，这些产物穿插于土粒之间，将颗粒粘结并填补间隙，形成紧密的互锁骨架，能够承载更大的荷载并减少水流通道。在磷石膏含量非常高时，过多的细颗粒与局部酸性会破坏部分针状晶体，解释了强度下降的现象。橡胶颗粒不发生化学反应，而是以软相的形式存在：当数量较少时，它们填补空隙并增加摩擦；当数量较多时，会在颗粒边界产生弱点和小空洞，降低总体强度但提高伸长和能量吸收能力。

平衡且更可持续的建筑地基

总体来看，研究表明通过合理配比磷石膏与废旧轮胎橡胶，可以将弱黏土转变为强韧且高度耐水的工程材料。一个近似的最佳配方——约8%水泥、25%磷石膏和约1–2%橡胶——在刚性与柔性之间取得了有用的平衡，同时显著降低了水流通性。对非专业读者而言，结论很清楚：通过将两种棘手的工业废弃物与少量水泥巧妙结合，工程师可以建造更安全的道路与基础，同时减少污染与垃圾填埋的压力。

引用: 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

关键词: 磷石膏, 废旧轮胎橡胶, 水泥稳定土, 路基材料, 土壤改良