stringtranslate.com

Кальтемит

Соломенный сталактит из кальтемита, растущий из бетонного потолка крытой автостоянки
Кальтемитовый соломенный сталактит (правая сторона) изогнут из-за направления преобладающего движения воздуха в периоды его роста.

Кальтемит — это вторичное отложение, образовавшееся из бетона , извести , раствора или другого известкового материала за пределами пещерной среды. [1] [2] Кальтемиты растут на или под искусственными сооружениями и имитируют формы пещерных образований , таких как сталактиты , сталагмиты , натечные камни и т. д. [3] Кальтемит происходит от латинского calx (родительный падеж calcis ) «известь» + латинского < греческого théma , «отложение», что означает «что-то отложенное» (также средневекового латинского thema , «отложение») и латинского –ita < греческого -itēs — используемого в качестве суффикса, указывающего на минерал или горную породу. [1] [2] Термин « спелеотем » [4] из-за его определения ( spēlaion «пещера» + théma «месторождение» на древнегреческом) может использоваться только для описания вторичных отложений в пещерах и не включает вторичные отложения за пределами пещерной среды. [3]

Происхождение и состав

Разрушение бетона стало предметом многих исследований, и наиболее очевидным признаком этого является богатая кальцием жидкость, просачивающаяся из бетонной конструкции. [5] [6] [7]

Кальтемитовые сталактиты могут образовываться на бетонных конструкциях и «искусственных пещерах», облицованных бетоном (например, шахты и туннели), значительно быстрее, чем в известняковых , мраморных или доломитовых пещерах. [3] [8] Это связано с тем, что большинство кальтемитов создаются химическими реакциями, которые отличаются от обычной химии « спелеотем ».

Кальтемиты обычно являются результатом просачивания гиперщелочного раствора ( pH 9–14) через известковую искусственную структуру до тех пор, пока он не вступит в контакт с атмосферой на нижней стороне структуры, где углекислый газ (CO 2 ) из окружающего воздуха облегчает реакции по отложению карбоната кальция в качестве вторичного отложения. CO 2 является реагентом (диффузируется в раствор) в отличие от химии спелеотем, где CO 2 является продуктом (дегазируется из раствора). [3] Наиболее вероятно, что большая часть карбоната кальция (CaCO 3 ), создающего кальтемиты в формах, которые, имитируя спелеотемы, осаждается из раствора в виде кальцита в отличие от других, менее стабильных, полиморфов арагонита и ватерита . [ 1 ] [3]

Кальтемитовый натечный камень, окрашенный в оранжевый цвет оксидом железа (из-за ржавой стальной арматуры), отложившимся вместе с карбонатом кальция ( ).
Кальтемитовый налет на внешней стороне бетонного резервуара для воды

Кальтемиты обычно состоят из карбоната кальция (CaCO 3 ), который преимущественно окрашен в белый цвет, но может быть окрашен [9] в красный, оранжевый или желтый цвет из-за оксида железа (из ржавой арматуры), который транспортируется выщелачиванием и откладывается вместе с CaCO 3 . Оксид меди из медных труб может привести к тому, что кальтемиты будут окрашены в зеленый или синий цвет. [1] Кальтемиты также могут содержать минералы, такие как гипс. [1] [3]

Определение кальтемитов также включает вторичные отложения, которые могут встречаться в искусственных шахтах и ​​туннелях без бетонной облицовки, где вторичные отложения происходят из известняка, доломита или другой известковой природной породы, в которой была выдолблена полость. В этом случае химия та же самая, что и та, которая создает спелеотемы в природных известняковых пещерах (уравнения 5-8) ниже. Было высказано предположение, что отложение кальтемитов является одним из примеров естественного процесса, который ранее не происходил до человеческой модификации поверхности Земли, и поэтому представляет собой уникальный процесс антропоцена . [ 10]

Химия и pH

Способ образования сталактитов на бетоне обусловлен иной химией, чем те, которые образуются естественным образом в известняковых пещерах, и является результатом присутствия оксида кальция (CaO) в цементе. Бетон изготавливается из заполнителя, песка и цемента. Когда в смесь добавляется вода, оксид кальция в цементе реагирует с водой, образуя гидроксид кальция (Ca(OH) 2 ), который при правильных условиях может далее диссоциировать, образуя ионы кальция (Ca2 + ) и гидроксида (OH− ) [ Уравнение 1 ]. Все следующие химические реакции обратимы, и несколько из них могут происходить одновременно в определенном месте внутри бетонной конструкции, в зависимости от pH выщелачивающего раствора . [11]

Химическая формула:

Гидроксид кальция легко реагирует с любым свободным CO2 , образуя карбонат кальция (CaCO3 ) [ Уравнение 2 ]. [3] [12] Обычно pH раствора составляет 9–10,3, однако это будет зависеть от того, какие другие химические реакции происходят в то же время в бетоне.

Эта реакция происходит в свежезалитом бетоне по мере его застывания, чтобы осадить CaCO 3 в смеси, пока весь доступный CO 2 в смеси не будет израсходован. Дополнительный CO 2 из атмосферы будет продолжать реагировать, обычно проникая всего на несколько миллиметров от поверхности бетона. [13] [14] Поскольку атмосферный CO 2 не может проникнуть очень далеко в бетон, в затвердевшей (твердой) структуре бетона остается свободный Ca(OH) 2. [14]

Любой внешний источник воды (например, дождь или просачивание), который может проникать через микротрещины и воздушные пустоты в затвердевшем бетоне, будет легко переносить свободный Ca(OH) 2 в растворе к нижней стороне конструкции. Когда раствор Ca(OH) 2 вступает в контакт с атмосферой, CO2 диффундирует в капли раствора, и со временем реакция [ Уравнение 2 ] откладывает карбонат кальция, создавая сталактиты в форме соломы, похожие на те, что находятся в пещерах.

Здесь химия становится немного сложнее из-за присутствия растворимых гидроксидов калия и натрия в новом бетоне, что поддерживает более высокую щелочность раствора около pH 13,2–13,4, [7] преобладающим видом углерода является CO 3 2− , а выщелачивание становится насыщенным Ca 2+ . [15] Следующие химические формулы [Уравнения 3 и 4 ] будут, скорее всего, иметь место, и [ Уравнение 4 ] отвечает за отложение CaCO 3 для создания сталактитов под бетонными конструкциями. [5] [11] [16] [17]

По мере того, как растворимые гидроксиды калия и натрия выщелачиваются из бетона по пути просачивания, pH раствора упадет до pH ≤12,5. [7] Ниже pH 10,3 более доминирующей химической реакцией станет [ Уравнение 2 ]. pH раствора выщелачивания влияет на то, какие доминирующие виды карбонатов (ионы) присутствуют, [11] [16] [18] поэтому в любой момент времени в бетонной конструкции может происходить одна или несколько различных химических реакций. [1]

В очень старых известковых, известковых или бетонных конструкциях, возрастом, возможно, десятки или сотни лет, гидроксид кальция (Ca(OH) 2 ) мог быть выщелочен из всех путей просачивания раствора, и pH мог упасть ниже pH 9. Это могло бы привести к возникновению процесса, аналогичного тому, который создает натечные образования в известняковых пещерах [Уравнения 5–8 ] . Следовательно, богатые CO2 грунтовые воды или дождевая вода будут образовывать угольную кислоту ( H2CO3 ) (≈pH 7,5–8,5) [17] [19] и выщелачивать Ca2 + из конструкции, поскольку раствор просачивается через старые трещины [ Уравнение 7 ]. [15] Это более вероятно произойдет в тонкослойном бетоне, таком как тот, который распыляется внутри транспортных средств или железнодорожных туннелей для стабилизации рыхлого материала. [20] Если [ Уравнение 8 ] откладывает CaCO 3 для создания кальтемитов, их рост будет происходить гораздо медленнее, чем [Уравнения 2 и 4 ], поскольку слабощелочной выщелачивающий раствор имеет более низкую способность переносить Ca 2+ по сравнению с гиперщелочным раствором. [17] CO 2 дегазируется из раствора, когда CaCO 3 откладывается для создания кальтемитовых сталактитов. [19] Повышенное парциальное давление CO 2 (P CO 2 ) и более низкая температура могут увеличить концентрацию HCO 3 − в растворе и привести к более высокой способности выщелачивающего раствора переносить Ca 2+ , [21] однако раствор все равно не достигнет способности переносить Ca 2+ [ Уравнения 1–4 ] .

Реакции [Уравнения 5–8 ] можно упростить до показанных в [ Уравнении 9 ], [3] , однако присутствие угольной кислоты (H 2 CO 3 ) и других видов опущено. Химическая формула [ Уравнение 9 ] обычно цитируется как создающая «спелеотемы» в известняковых пещерах, однако в этом случае слабая угольная кислота выщелачивает карбонат кальция (CaCO 3 ), ранее осажденный (отложившийся) в старом бетоне, и дегазирует CO 2 , создавая кальтемиты.

Если выщелачивание находит новый путь через микротрещины в старом бетоне, это может обеспечить новый источник гидроксида кальция (Ca(OH) 2 ), который может изменить доминирующую реакцию обратно на [ Уравнение 2 ]. Химия деградации бетона довольно сложна, и только химия, связанная с отложением карбоната кальция, рассматривается в [Уравнениях 1–9 ]. Кальций также является частью других продуктов гидратации в бетоне, таких как гидраты алюминия и кальция и гидраты алюминия и железа . Химические [Уравнения 1–4 ] отвечают за создание большинства сталактитов кальтемита, сталагмитов , натечных камней и т. д., обнаруженных на искусственных бетонных конструкциях. [ 1 ]

Maekawa et al., (2009) [11] стр. 230, приводит превосходный график, показывающий связь между равновесием карбоновых кислот (H 2 CO 3 , HCO 3 − и CO 3 2− ) и pH в растворе. [11] Угольная кислота включает как карбонаты, так и бикарбонаты. График обеспечивает хорошую визуальную помощь для понимания того, как в бетоне при определенном pH может происходить одновременно более одной химической реакции.

Растворы фильтрата, создающие кальтемиты, обычно могут достигать pH в диапазоне 10–14, что считается сильным щелочным раствором, способным вызвать химические ожоги глаз и кожи — в зависимости от концентрации и продолжительности контакта. [22] [23] [24]

Необычные происшествия

Есть несколько необычных обстоятельств, когда в пещерах в результате гиперщелочного выщелачивания были созданы спелеотемы с той же химией, что и в [Уравнениях 1–4 ]. [17] [ 19 ] Эта химия может возникнуть, когда есть источник бетона, извести, раствора или другого искусственного известкового материала, расположенного над пещерной системой, и связанный с ним гиперщелочной выщелачивающий продукт может проникнуть в пещеру ниже. Пример можно найти в Пик-Дистрикт – Дербишир, Англия, где загрязнение от промышленного производства извести 19-го века выщелочилось в пещерную систему ниже (например, пещера Пула ) и создало спелеотемы, такие как сталактиты и сталагмиты. [17] [19]

CaCO3отложение и рост сталактитов

Кальтемитовые соломенные сталактиты могут расти до 2 мм в день при благоприятных условиях. Этот растет на крытой бетонной парковке.

Скорость роста сталактитовых соломинок кальтемита, сталагмитов, натечных камней и т. д. во многом зависит от скорости подачи и непрерывности насыщенного раствора фильтрата к месту отложения CaCO 3 . Концентрация атмосферного CO 2 в контакте с фильтратом также оказывает большое влияние на то, как быстро CaCO 3 может осаждаться из фильтрата. Испарение раствора фильтрата и температура окружающей атмосферы, по-видимому, оказывают минимальное влияние на скорость отложения CaCO 3 . [1] [25]

Кальтемитовые соломенные сталактиты, осажденные (отложенные) из гиперщелочного фильтрата, имеют потенциал для роста примерно в 200 раз быстрее, чем обычные пещерные натечные образования, осажденные из раствора с близким к нейтральному pH . [1] [8] Было зафиксировано, что одна кальтемитовая содовая солома росла на 2 мм в день в течение нескольких последовательных дней, когда скорость капания фильтрата была постоянной в течение 11 минут между каплями. [1] Когда скорость капания чаще, чем одна капля в минуту, нет заметного отложения CaCO 3 на кончике сталактита (следовательно, нет роста), и раствор фильтрата падает на землю, где CaCO 3 откладывается, образуя кальтемитовый сталагмит. Если подача фильтрата на кончик сталактитовой соломы снижается до уровня, при котором скорость капания превышает приблизительно 25-30 минут между каплями, есть вероятность, что кончик соломы кальцифицируется и засорится. [1] Новые соломенные сталактиты часто могут образовываться рядом с ранее активной, но теперь сухой (спящей) соломой, поскольку фильтрат просто нашел более легкий путь через микротрещины и пустоты в бетонной конструкции.

Несмотря на то, что оба состоят из карбоната кальция, соломинки Calthemite в среднем составляют всего 40% массы на единицу длины соломинок speleothem эквивалентного внешнего диаметра. Это связано с различной химией, участвующей в создании соломинок. Соломинки Calthemite имеют тонкую толщину стенки и менее плотную структуру карбоната кальция по сравнению с соломинками speleothem. [26]

Соломинки из кальтемита могут различаться по внешнему диаметру по мере роста в длину. Изменения диаметра могут занять несколько дней или недель и связаны с изменениями скорости капания с течением времени. Медленно капающая кальтемитовая соломинка, как правило, немного больше в диаметре, чем быстро капающая соломинка. [26]

Солома кальтемита с различным внешним диаметром, на который влияют изменения скорости капания с течением времени в процессе ее роста.

Кальцитовые плоты на каплях раствора

На медленно стекающей капле кальтемитовой соломы образовалась решетчатая работа кальцитовых плотов.

Кальцитовые плоты впервые были обнаружены Эллисоном в 1923 году [27] на каплях раствора, прикрепленных к соломенным сталактитам, полученным из бетона, а позднее Вером Штегом. [25] Когда скорость падения капель составляет ≥5 минут между каплями, карбонат кальция будет осаждаться на поверхности капли раствора (на конце сталактита), образуя кальцитовые плоты, видимые невооруженным глазом (до 0,5 мм в поперечнике). [1] Если скорость падения капель превышает ≈12 минут между каплями, а движение воздуха очень слабое, эти плоты могут соединиться и стать решеткой из кальцитовых плотов, покрывающих поверхность капли. [1] Значительное движение воздуха приведет к тому, что плоты будут рассеиваться и турбулентно вращаться вокруг поверхности капли. Это турбулентное движение кальцитовых плотов может привести к тому, что некоторые из них срежут поверхностное натяжение капли и будут выталкиваться на внешнюю сторону соломенного сталактита, тем самым увеличивая внешний диаметр и создавая мелкие неровности. [1]

Сталагмиты

Кальтемитовый сталагмит на бетонном полу
Микронатечки кальтемита на небольшом округлом сталагмите – вторичное отложение, образовавшееся из бетона.
Кальтемитовые кораллоиды, растущие на нижней стороне бетонной конструкции и соломенного сталактита
Кальтемитовый налет на бетонной стене, окрашенный в оранжевый цвет оксидом железа (из-за ржавой стальной арматуры), отложившимся вместе с карбонатом кальция
Кальтемитовый натечный камень и соломенный сталактит, растущий на медных трубах под бетонным зданием.

Если скорость падения капель будет выше одной капли в минуту, большая часть CaCO 3 будет вынесена на землю, оставаясь в растворе. [1] Затем раствор фильтрата имеет возможность поглотить CO 2 из атмосферы (или дегазировать CO 2 в зависимости от реакции) и отложить CaCO 3 на земле в виде сталагмита.

В большинстве мест в искусственных бетонных сооружениях кальтемитовые сталагмиты вырастают максимум до нескольких сантиметров в высоту и выглядят как низкие округлые комки. [28] Это происходит из-за ограниченного запаса CaCO 3 из пути просачивания фильтрата через бетон и количества, которое достигает земли. Их местоположение также может препятствовать их росту из-за истирания шинами транспортных средств и пешеходного движения. [2]

Римстоун или гурс

Кальтемитовый римстоун или гуры могут образовываться под бетонными конструкциями на полу с постепенным уклоном или на стороне округлых сталагмитов. Когда скорость капания фильтрата чаще, чем 1 капля в минуту, большая часть карбоната кальция переносится фильтратом с нижней стороны бетонной конструкции на землю, где образуются сталагмиты, флоустоун и гуры. [1] Фильтрат, который достигает земли, обычно быстро испаряется из-за движения воздуха под бетонной конструкцией, поэтому микрогуры встречаются чаще, чем более крупные гуры. [ требуется ссылка ] В местах, где место отложения подвергается истиранию шинами транспортных средств или пешеходным движением, вероятность образования микрогуров значительно снижается.

Кораллоиды

Кораллоиды кальтемита (также известные как попкорн ) могут образовываться на нижней стороне бетонных конструкций и выглядят очень похожими на те, что встречаются в пещерах. Кораллоиды могут образовываться в пещерах различными способами, однако на бетоне наиболее распространенная форма образуется, когда гиперщелочной раствор просачивается из мелких трещин в бетоне. Из-за испарения раствора отложение карбоната кальция происходит до того, как успеет образоваться какая-либо капля. Полученные кораллоиды мелкие и меловые, с видом цветной капусты. [ необходима цитата ]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcdefghijklmnop Смит, Г. К. (2016). «Кальцитовые соломенные сталактиты, растущие из бетонных конструкций», Cave and Karst Science 43(1), 4–10. http://bcra.org.uk/pub/candks/index.html?j=127
  2. ^ abc Smith, G K., (2015). "Кальцитовые соломенные сталактиты, растущие из бетонных конструкций". Труды 30-й конференции "Австралийской спелеологической федерации", Эксмут, Западная Австралия, под редакцией Moulds, T., стр. 93-108
  3. ^ abcdefgh Хилл, Калифорния и Форти, П. (1997). Cave Minerals of the World, Второе издание. [Хантсвилл, Алабама: National Speleological Society Inc.] ISBN  1-879961-07-5
  4. ^ Мур, GW (1952). «Спелеотемы – новый пещерный термин». Новости Национального спелеологического общества, т. 10(6), стр. 2.
  5. ^ ab Macleod, G, Hall, AJ и Fallick, AE, (1990). «Прикладное минералогическое исследование деградации бетона в крупном бетонном дорожном мосту». Mineralogic Magazine, Vol.54, 637–644
  6. ^ Лис, Т. П. (1992). «Механизмы ухудшения». 10–36 [Глава 2] в Mays, GC (ред.), Исследование долговечности бетонных конструкций, ремонт, защита. [E & FN Spon Press.] Печать ISBN 978-0-419-15620-8 
  7. ^ abc Ekström, T, (2001). «Выщелачивание бетона: эксперименты и моделирование». (Отчет TVBM-3090). Лундский технологический институт, отделение строительных материалов. https://portal.research.lu.se/ws/files/4827018/1766469.pdf.
  8. ^ ab Sefton, M, (1988). «Рукотворные» спелеотемы. Бюллетень Южноафриканской спелеологической ассоциации, том 28, стр. 5–7.
  9. ^ Уайт У. Б., (1997), «Цвет спелеотемов», Cave Minerals of the World, (2-е издание) Хилл К. и Форти П. [Хантсвилл, Алабама: Национальное спелеологическое общество] 239–244
  10. ^ Диксон, Саймон Дж.; Вайлс, Хизер А.; Гарретт, Брэдли Л. (2018). «Озимандия в антропоцене: город как формирующийся рельеф» (PDF) . Площадь . 50 : 117–125. doi : 10.1111/area.12358 . ISSN  1475-4762.
  11. ^ abcde Maekawa, K, Ishida, T и Kishi, T, (2009). Многомасштабное моделирование конструкционного бетона. [Оксфорд, Великобритания: Taylor and Francis.] 225–235.
  12. ^ Хо, ДВС и Льюис, Р.К. (1987). «Карбонизация бетона и ее прогнозирование». Исследования цемента и бетона, т. 17, 489–504.
  13. ^ Борроус, П. (2006a). Химия на открытом воздухе. Обзор школьной науки – Наука на открытом воздухе, т. 87(320), 24–25. [Хартфилд, Хертс, Великобритания: Ассоциация естественнонаучного образования.]
  14. ^ ab Borrows, Peter (1 ноября 2006 г.). "Concrete chemistry". Letters. Education in Chemistry . Vol. 43, no. 6. Royal Society of Chemistry . p. 154. Получено 19 июня 2018 г.
  15. ^ ab Liu, Z и He, D, (1998). Специальные образования в цементно-заливных туннелях и их влияние на поглощение CO2 в атмосфере . Экологическая геология, т. 35(4), 258–262
  16. ^ ab Ishida, T и Maekawa, K, (2000). «Моделирование профиля pH в поровой воде на основе теории массопереноса и химического равновесия». Перевод из Трудов Японского общества инженеров-строителей (JSCE), № 648/т. 47.
  17. ^ abcde Ньютон, К, Фэрчайлд, И и Ганн, Дж, (2015). "Скорость осаждения кальцита из гиперщелочных вод, пещера Пула, Дербишир". Cave and Karst Science. Vol.42(3), 116–124, и "Corrigenda" Vol.43(1), 48
  18. ^ Pourbaix, M, (1974). «Атлас электрохимических равновесий в водных растворах». 2-е английское издание. [Хьюстон, Техас: Национальная ассоциация инженеров-коррозионистов.]
  19. ^ abcd Хартленд, А., Фэрчайлд, И.Дж., Лид, Дж.Р., Домингес-Виллар, Д., Бейкер, А., Ганн, Дж., Баалуша, М. и Джу-Нам, И. (2010). «Капельные воды и образования пещеры Пула: обзор недавних и текущих исследований», Cave and Karst Science, том 36(2), 37–46.
  20. ^ Хагелия, П. (2011). «Механизмы разрушения и долговечность набрызгиваемого бетона для скальной опоры в туннелях». Докторская диссертация, представленная в Техническом университете Делфта, Нидерланды.
  21. ^ Герман, Дж. С., (2005). «Химия воды в пещерах», Энциклопедия пещер, (1-е издание) под редакцией Калвера Д., Уайта У., 609-614
  22. ^ Смит, Г. К., (2016), «Кальцитовые соломенные сталактиты, растущие из бетонных конструкций», сжатое резюме. «Журнал Австралазийской ассоциации управления пещерами и карстом». № 104 (сентябрь 2016 г.), 16–19.
  23. ^ Крафт, В. (2007). «Пределы коррозии для инертных отходов», Jefferson Country Public Health. Порт Таунсенд, Вашингтон — Департамент экологии, Программа финансовой помощи
  24. ^ NCDOL, (2013). Департамент труда Северной Каролины, Отдел охраны труда и здоровья, Промышленное руководство № 10 – Руководство по работе с едкими веществами. Как едкие вещества наносят нам вред и как мы можем защитить себя? 6–7.
  25. ^ ab Ver Steeg, K, (1932). «Необычное явление сталактитов и сталагмитов». The Ohio Journal of Science, Vol.32(2), 69–83.
  26. ^ ab Smith, GK, (2021). «Сравнение сталактитов из соломы кальтемита и спелеотема, а также условия окружающей среды, влияющие на диаметр соломы», Cave and Karst Science, Transactions of the British Cave Research Association, Vol.48(1), 3–11
  27. ^ Эллисон, В.К., (1923). «Рост сталагмитов и сталактитов». Журнал геологии, т. 31, 106–125.
  28. ^ Борроус, Питер (1 сентября 2007 г.). «Бетонные сталактиты». Химические тропы. Образование в области химии . Том 44, № 5. Королевское химическое общество . стр. 134. Получено 19 июня 2018 г.

Внешние ссылки