Кальтемит - Calthemite

Кальтемитовый соломенный сталактит, растущий на бетонном потолке крытой автостоянки
Сталактит из соломы кальтемита (правая сторона) изгибается из-за направления преобладающего движения воздуха в периоды его роста.

Кальтемит вторичный депозит, полученный из конкретный, Лайм, ступка или другой известковый материал за пределами пещера Окружающая среда.[1][2] Кальтемиты растут на искусственных сооружениях или под ними и имитируют формы и формы пещер. образования, такие как сталактиты, сталагмиты, Flowstone и др.[3] Кальтемит происходит от латинского кал (родительный падеж кальцис) "лайм" + латинский <греческий тема, "депозит" означает "что-то сложенное" (также средневековая латынь тема, "депозит") и латинское –Ita <Греческий -itēs - используется как суффикс, обозначающий минерал или породу.[1][2] Период, термин "образование ",[4] из-за его определения (spēlaion "пещера" + тема «депозит» на древнегреческом языке) может использоваться только для описания вторичных отложений в пещеры и не включает вторичные отложения за пределами пещерной среды.[3]

Происхождение и состав

Разложение бетона было в центре внимания многих исследований, и наиболее очевидным признаком является высокое содержание кальция. фильтрат просачивание из бетонной конструкции.[5][6][7]

Сталактиты кальтемита могут образовываться на бетонных конструкциях и «искусственных пещерах», облицованных бетоном (например, в шахтах и ​​туннелях), значительно быстрее, чем в известняк, мрамор или доломит пещеры.[3][8] Это потому, что большинство кальтемитов образуются в результате химических реакций, отличных от обычных ».образование «химия.

Кальтемиты обычно появляются в результате приема сверхщелочного раствора (pH 9–14), просачивающиеся через известковую искусственную конструкцию, пока она не вступит в контакт с атмосферой на нижней стороне конструкции, где углекислый газ (CO2) из окружающего воздуха способствует реакции отложений карбонат кальция как вторичный депозит. CO2 это реагент (диффундирует в раствор) в отличие от химии образований, где CO2 это товар (дегазирован из раствора).[3]Наиболее вероятно, что большая часть карбоната кальция (CaCO3) создание кальтемитов в форме, которая, имитируя образования, осаждается из раствора в виде кальцит в отличие от другого, менее стабильного, полиморфы из арагонит и ватерит.[1][3]

Кальтемитовый текучий камень, окрашенный в оранжевый цвет оксидом железа (из ржавой стальной арматуры), нанесенным вместе с карбонатом кальция ().
Кальтемитовый камень снаружи бетонного резервуара для воды

Кальтемиты обычно состоят из карбонат кальция (CaCO3), который преимущественно окрашен в белый цвет, но может быть окрашен[9] красный, оранжевый или желтый из-за оксид железа (от ржавой арматуры) переносится фильтратом и откладывается вместе с CaCO3. Оксид меди из медных труб может привести к окрашиванию кальтемитов в зеленый или синий цвет.[1] Кальтемиты могут также содержать минералы, такие как гипс.[1][3]

Определение кальтемитов также включает вторичные отложения, которые могут возникать в искусственно созданных шахтах и ​​туннелях без бетонной облицовки, где вторичные отложения получены из известняка, доломита или других известняковых природных пород, в которых образовалась полость. В этом случае химия такая же, как и при образовании образований в естественных известняковых пещерах (уравнения с 5 по 8) ниже. Было высказано предположение, что отложение кальтемитовых образований является одним из примеров естественного процесса, который ранее не происходил до модификации поверхности Земли человеком, и поэтому представляет собой уникальный процесс Антропоцен.[10]

Химия и pH

То, как сталактиты образуются на бетоне, обусловлено химическим составом, отличным от тех, которые образуются естественным образом в известняковых пещерах, и является результатом присутствия оксид кальция (CaO) в цементе. Бетон изготавливается из заполнителя, песка и цемента. Когда в смесь добавляется вода, оксид кальция в цементе реагирует с водой с образованием гидроксид кальция (Са (ОН)2), которые при правильных условиях могут далее диссоциировать с образованием кальций (Ca2+) и гидроксид (ОЙ−) ионы [Уравнение 1]. Все следующие химические реакции обратимы, и некоторые из них могут происходить одновременно в определенном месте в бетонной конструкции под влиянием фильтрат решение pH.[11]

Химическая формула:

CaO(s) + H2О(l) ⇌ Са (ОН)2 (водн.) ⇌ Ca2+(водн.) + 2OH−(водн.)

 

 

 

 

(Уравнение 1)

Гидроксид кальция легко реагирует с любым свободным CO2 формировать карбонат кальция (CaCO3) [Уравнение 2].[3][12] Раствор обычно имеет pH 9-10,3, однако это будет зависеть от того, какие другие химические реакции также происходят в то же время в бетоне.

Са (ОН)2 (водн.) + CO2 (г) ⇌ CaCO3 (с) + H2О(l)

 

 

 

 

(Уравнение 2)

Эта реакция происходит во вновь залитом бетоне по мере его схватывания с выделением CaCO3 в смеси, пока весь доступный CO2 в смеси был израсходован. Дополнительный CO2 из атмосферы будет продолжать реагировать, обычно проникая всего в нескольких миллиметрах от поверхности бетона.[13][14] Поскольку атмосферный CO2 не может глубоко проникнуть в бетон, остается свободный Ca (OH)2 внутри установленной (твердой) бетонной конструкции.[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 на нижней стороне конструкции. Когда Ca (OH)2 раствор контактирует с атмосферой, CO2 диффундирует в раствор по каплям и со временем реакция [Уравнение 2] откладывает карбонат кальция, создавая сталактиты в форме соломки, похожие на те, что находятся в пещерах.

Здесь химия немного усложняется из-за присутствия растворимых гидроксидов калия и натрия в новом бетоне, который поддерживает более высокую щелочность раствора примерно с pH 13,2-13,4,[7] преобладающая разновидность углерода - CO32− и фильтрат насыщается Ca2+.[15] Следующие химические формулы [Уравнения 3 & 4], скорее всего, будет происходить, и [Уравнение 4] ответственным за отложение CaCO3 для создания сталактитов под бетонными конструкциями.[5][11][16][17]

ОЙ−(водн.) + CO2 (г) ⇌ HCO3− (водн.) ⇌ CO32− (водн.) + H+(водн.)

 

 

 

 

(Уравнение 3)

Ca2+(водн.) + CO32− (водн.) ⇌ CaCO3 (с)

 

 

 

 

(Уравнение 4)

Поскольку растворимые гидроксиды калия и натрия вымываются из бетона по пути просачивания, pH раствора упадет до pH ≤12,5.[7] Ниже pH 10,3 наиболее доминирующей химической реакцией станет [Уравнение 2]. PH выщелачивающего раствора, влияющий на присутствие доминирующих карбонатных форм (ионов),[11][16][18] поэтому в любой момент времени внутри бетонной конструкции может происходить одна или несколько различных химических реакций.[1]

В очень старых извести, строительном растворе или бетонных конструкциях, возраст которых может быть несколько десятков или сотен лет, гидроксид кальция (Са (ОН)2) могли быть выщелочены из всех путей просачивания раствора, и pH может упасть ниже pH 9. Это могло бы позволить процесс, аналогичный тому, который создает образования в известняковых пещерах [Уравнения 5 к 8] происходить. Следовательно, CO2 могут образоваться богатые грунтовые или дождевая вода угольная кислота (ЧАС2CO3) (≈pH 7,5 - 8,5)[17][19] и выщелачивают Ca2+ из конструкции, поскольку раствор просачивается через старые трещины [Уравнение 7].[15] Более вероятно, что это произойдет в тонкослойном бетоне, например, в бетоне, который распыляется внутри транспортных средств или железнодорожных туннелей для стабилизации рыхлого материала.[20] Если [Уравнение 8] депонирует CaCO3 для создания кальтемитов их рост будет происходить гораздо медленнее, чем [Equations 2 и 4], так как слабощелочной фильтрат имеет более низкое содержание Ca2+ несущая способность по сравнению с щелочным раствором.[17] CO2 дегазируется из раствора как CaCO3 откладывается, чтобы создать сталактиты кальтемита.[19] Повышенный CO2 парциальное давление (PCO2), а более низкая температура может увеличить HCO3− концентрация в растворе и приводит к более высокому Ca2+ пропускная способность фильтрата,[21] однако раствор все равно не достигнет Ca2+ несущая способность [Уравнения 1 к 4]

ЧАС2O + CO2 ⇌ H2CO3

 

 

 

 

(Уравнение 5)

ЧАС2CO3 ⇌ HCO3− + H+ ⇌ CO32− + 2H+

 

 

 

 

(Уравнение 6)

2H+ + CO32− + CaCO3 ⇌ 2HCO3− + Ca2+

 

 

 

 

(Уравнение 7)

2HCO3− (водн.) + Ca2+(водн.) ⇌ CaCO3 (с) + H2О(l) + CO2 (г)

 

 

 

 

(Уравнение 8)

Реакции [Уравнения 5 к 8] можно было бы упростить до показанного в [Уравнение 9],[3] однако присутствие угольной кислоты (H2CO3) и другие разновидность опущены. Химическая формула [Уравнение 9] обычно цитируется как создание «образований» в известняковых пещерах, однако в этом случае слабая угольная кислота выщелачивает карбонат кальция (CaCO3) ранее осажденный (осажденный) в старом бетоне и дегазирующий CO2 для создания кальтемитов.

CaCO3 (с) + H2О(l) + CO2 (водн.) ⇌ Ca (HCO3)2 (водн.) ⇌ CaCO3 (с) + H2О(l) + CO2 (г)

 

 

 

 

(Уравнение 9)

Если фильтрат находит новый путь через микротрещины в старом бетоне, это может стать новым источником гидроксид кальция (Са (ОН)2), который может изменить доминирующую реакцию обратно на [Уравнение 2]. Химия разрушения бетона довольно сложна, и только химия, относящаяся к отложению карбоната кальция, рассматривается в [Уравнения 1 к 9]. Кальций также входит в состав других продуктов гидратации в бетоне, таких как гидрат кальция-алюминия и гидрат кальция-алюминия-железа. Химические [Уравнения 1 к 4] ответственны за образование большинства кальтемитовых сталактитов, сталагмитов, проточных камней и т. д., обнаруженных на искусственных бетонных конструкциях.[1]

Maekawa et al., (2009)[11] п. 230, дает превосходный график, показывающий взаимосвязь между равновесием угольные кислоты (ЧАС2CO3, HCO3− и CO32−) и pH раствора.[11] Угольная кислота включает как карбонаты, так и бикарбонаты. График представляет собой хорошее наглядное пособие для понимания того, как в бетоне при определенном pH могут происходить одновременно несколько химических реакций.

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

Необычное появление щелочного фильтрата в пещерах.

Есть несколько необычных обстоятельств, когда образования образовались в пещерах в результате щелочного выщелачивания с тем же химическим составом, что и в [Уравнения 1 к 4].[17][19] Этот химический процесс может происходить, когда есть источник бетона, извести, строительного раствора или другого искусственного известкового материала, расположенный над системой пещер, и связанный с ним щелочной щелочной фильтрат может проникать в пещеру ниже. Пример можно найти в районе Пик-Дистрикт - Дербишир, Англия, где загрязнение от промышленного производства извести XIX века проникло в систему пещер ниже (например, Пещера Пула ) и создали образования, такие как сталактиты и сталагмиты.[17][19]

CaCO3 отложение и рост сталактита

Сталактиты кальтемитовой соломы могут вырастать до 2 мм в день при благоприятных условиях. Этот растет на крытой бетонной автостоянке.

Скорость роста кальтемитовых сталактитовых соломинок, сталагмитов, проточного камня и т. Д. Очень сильно зависит от скорости подачи и непрерывности подачи насыщенного раствора фильтрата к месту расположения CaCO3 осаждение. Концентрация атмосферного CO2 контактируя с фильтратом, также имеет большое влияние на то, насколько быстро CaCO3 может выпадать в осадок из фильтрата. Испарение выщелачивающего раствора и температура окружающей среды оказывают минимальное влияние на CaCO3 скорость осаждения.[1][25]

Сталактиты кальтемитовой соломы, осажденные (осаждаемые) из щелочного выщелачивания, имеют потенциал роста в ≈200 раз быстрее, чем нормальные образования пещер, осажденные вблизи нейтральный pH решение.[1][8] Один кальтемит содовая соломинка был зарегистрирован как рост на 2 мм в день в течение нескольких последовательных дней, когда скорость капания фильтрата была постоянной 11 минут между каплями.[1] Когда скорость капания чаще, чем одна капля в минуту, заметного осаждения CaCO нет.3 на кончике сталактита (следовательно, нет роста), и раствор фильтрата падает на землю, где CaCO3 откладывается, чтобы создать кальтемитовый сталагмит. Если подача фильтрата к кончику сталактитовой соломки снижается до уровня, при котором скорость стекания капель между каплями превышает примерно 25–30 минут, существует вероятность того, что кончик соломинки затвердеет и забьется.[1] Сталактиты из новой соломы часто могут образовываться рядом с ранее активной, но теперь сухой (спящей) соломой, потому что фильтрат просто нашел более легкий путь через микротрещины и пустоты в бетонной конструкции.

Кальцитовые рафты на каплях раствора

Решетка кальцитовых плотов образовалась на медленно стекающей капле кальтемитовой соломы.

Кальцитовые плоты впервые были замечены Эллисон в 1923 г.[26] на каплях раствора, прикрепленных к бетонным сталактитам, полученным из соломы, а затем Вер Стигом.[25] Когда скорость стекания капель между каплями составляет ≥5 минут, карбонат кальция будет осаждаться на поверхности капли раствора (на конце сталактита), образуя слои кальцита, видимые невооруженным глазом (до 0,5 мм в диаметре).[1] Если скорость стекания капель между каплями превышает ≈12 минут и движение воздуха очень мало, эти плоты могут соединиться и стать решеткой из кальцитовых плотов, покрывающих поверхность падения.[1] Значительное движение воздуха приведет к тому, что плоты рассыпятся и начнут турбулентно вращаться вокруг поверхности капли. Это турбулентное движение кальцитовых плотов может привести к срезанию некоторых из них. поверхностное натяжение и выталкиваться на внешнюю сторону сталактита из соломы, таким образом увеличивая внешний диаметр и создавая мелкие неровности.[1]

Сталагмиты

Кальтемитовый сталагмит на бетонном полу
Кальтемитовые микровыступы на небольшом округлом сталагмите - вторичный отложение, полученное из бетона.
Кораллоиды кальтемита, растущие на нижней стороне бетонной конструкции, и соломенный сталактит
Кальтемитовый текучий камень на бетонной стене, окрашенный в оранжевый цвет из-за оксида железа (из ржавой стальной арматуры), отложившегося вместе с карбонатом кальция
Кальтемитовый текучий камень и соломенные сталактиты, растущие на медных трубах под бетонным зданием.

Если скорость капания выше, чем одна капля в минуту, большая часть CaCO3 будет перенесен на землю, все еще в растворе.[1] Затем выщелачивающий раствор может поглощать CO.2 из атмосферы (или дегазировать CO2 в зависимости от реакции) и нанесите CaCO3 на земле как сталагмит.

В большинстве мест внутри искусственных бетонных конструкций кальтемитовые сталагмиты вырастают максимум до нескольких сантиметров в высоту и выглядят как низкие округлые комки.[27] Это из-за ограниченного предложения CaCO3 от пути просачивания фильтрата через бетон и его количества, достигающего земли. Их расположение может также препятствовать их росту из-за истирания автомобильных шин и пешеходов.[2]

Rimstone или gours

Кальтемит камень Или гуры могут образоваться под конкретный конструкции на полу с плавно наклонной поверхностью или на стороне округлых сталагмитов. Когда скорость капания фильтрата превышает 1 каплю в минуту, большая часть карбоната кальция переносится фильтратом с нижней стороны бетонной конструкции на землю, где образуются сталагмиты, проточные камни и горы.[1] Фильтрат, который действительно достигает земли, обычно быстро испаряется из-за движения воздуха под бетонной конструкцией, поэтому микрогуры встречаются чаще, чем более крупные.[нужна цитата ] В местах, где место осаждения подвержено истиранию автомобильными шинами или пешеходным движением, вероятность образования микропузырьков значительно снижается.

Кораллоиды

Кальтемит кораллоиды (также известен как Попкорн ), могут образовываться на нижней стороне бетонных конструкций и очень похожи на те, что встречаются в пещерах. Кораллоиды могут образовываться в пещерах разными способами, однако на бетоне наиболее распространенная форма образуется, когда щелочной раствор просачивается из мелких трещин в бетоне. Из-за испарения раствора карбонат кальция откладывается до образования капли. Полученные кораллоиды маленькие и меловые, напоминающие цветную капусту.[нужна цитата ]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п о п Смит, Г.К. (2016). «Сталактиты из кальцитовой соломы, растущие из бетонных конструкций», Cave and Karst Science 43 (1), 4–10. http://bcra.org.uk/pub/candks/index.html?j=127
  2. ^ а б c Смит, Г. К., (2015). «Сталактиты из кальцитовой соломы, растущие из бетонных конструкций». Труды 30-й конференции «Австралийской спелеологической федерации», Эксмут, Западная Австралия, под редакцией Molds, T., стр. 93-108
  3. ^ а б c d е ж грамм час Хилл С.А. и Форти П. (1997). Пещерные минералы мира, второе издание. [Хантсвилл, Алабама: Национальное спелеологическое общество Inc.] ISBN  1-879961-07-5
  4. ^ Мур, Дж. У. (1952). «Speleothems - новый пещерный термин». Новости Национального спелеологического общества, Том 10 (6), стр.2.
  5. ^ а б Маклауд, Дж., Холл, А. Дж. И Фаллик, А. Е., (1990). «Прикладное минералогическое исследование разрушения бетона на крупном бетонном автомобильном мосту». Минералогический журнал, Том 54, 637–644
  6. ^ Лиз, Т. П. (1992). «Механизмы износа». 10–36 [Глава 2] в Mays, GC (Ed.), Прочность бетонных конструкций Исследование, ремонт, защита. [E & FN Spon Press.] Печать ISBN  978-0-419-15620-8
  7. ^ а б c Экстрём, Т. (2001). «Выщелачивание бетона: эксперименты и моделирование». (Отчет ТВБМ-3090). Отдел строительных материалов Лундского технологического института. https://portal.research.lu.se/ws/files/4827018/1766469.pdf.
  8. ^ а б Сефтон М. (1988). "Искусственные" образования. Бюллетень Южноафриканской спелеологической ассоциации, Том 28, 5–7.
  9. ^ Уайт В. Б., (1997), «Цвет спелеотем», «Пещерные минералы мира», (2-е издание) Хилл К. и Форти П. [Хантсвилл, Алабама: Национальное спелеологическое общество Inc.] 239–244
  10. ^ Диксон, Саймон Дж; Вайлс, Хизер А; Гарретт, Брэдли L (2018). «Озимандиас в антропоцене: город как зарождающаяся форма рельефа». Площадь. 50: 117–125. Дои:10.1111 / площадь.12358. ISSN  1475-4762.
  11. ^ а б c d е Маэкава, К., Исида, Т. и Киши, Т. (2009). Многомасштабное моделирование конструкционного бетона. [Оксфорд, Великобритания: Тейлор и Фрэнсис.] 225–235.
  12. ^ Хо, Д. У. С. и Льюис, Р. К. (1987). «Карбонизация бетона и ее прогноз». Цемент и бетон исследования, Том 17, 489–504.
  13. ^ Заимствования, P, (2006a). Химия на открытом воздухе. Обзор школьной науки - Наука на открытом воздухе, Том 87 (320), 24–25. [Хартфилд, Хертс, Великобритания: Ассоциация естественнонаучного образования.]
  14. ^ а б Займы, Питер (1 ноября 2006 г.). «Химия бетона». Письма. Образование в области химии. Vol. 43 нет. 6. Королевское химическое общество. п. 154. Получено 19 июн 2018.
  15. ^ а б Лю, З. и Хе, Д. (1998). Особые образования в туннелях для цементирования и их влияние на атмосферный CO2 раковина. Геология окружающей среды, Том 35 (4), 258–262
  16. ^ а б Исида, Т. и Маэкава, К. (2000). «Моделирование профиля pH в поровой воде на основе теории массопереноса и химического равновесия». Перевод из трудов Японского общества инженеров-строителей (JSCE), № 648 / Том 47.
  17. ^ а б c d е Ньютон, К., Фэирчайлд, И. и Ганн, Дж. (2015). «Скорость осаждения кальцита из сверхщелочных вод, Пещера Пула, Дербишир». Наука о пещерах и карсте. Том 42 (3), 116–124, и "Исправления" Том 43 (1), 48
  18. ^ Pourbaix, М. (1974). «Атлас электрохимических равновесий в водных растворах». 2-е английское издание. [Хьюстон, Техас: Национальная ассоциация инженеров-коррозионистов.]
  19. ^ а б c d Хартленд, А, Фэйрчайлд, И. Дж., Лид, Дж. Р., Домингес-Вильяр, Д., Бейкер, А., Ганн, Дж., Баалуша, М. и Джу-Нам, Ю., (2010). «Капельные воды и образования пещеры Пула: обзор недавних и текущих исследований», Cave and Karst Science, Vol.36 (2), 37–46.
  20. ^ Хагелия, П. (2011). «Механизмы разрушения и долговечность напыленного бетона для опоры скальных пород в туннелях». Докторская диссертация защищена в Technische Universiteit Delft, 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), «Сталактиты из кальцитовой соломы, растущие из бетонных конструкций», краткое изложение. «Журнал Австралазийской ассоциации управления пещерами и карстами». № 104 (сентябрь 2016 г.), 16–19.
  23. ^ Краффт, В. (2007). «Пределы коррозии инертных отходов», Общественное здравоохранение страны Джефферсона. Порт Таунсенд, Вашингтон - Департамент экологии, Программа финансовой помощи
  24. ^ NCDOL, (2013). Министерство труда Северной Каролины, Отдел безопасности и гигиены труда, Промышленное руководство № 10 - Руководство по работе с коррозионными веществами. Как коррозионные вещества наносят нам вред и как мы можем защитить себя? 6–7.
  25. ^ а б Вер Стиг, К. (1932). «Необычное появление сталактитов и сталагмитов». Научный журнал Огайо, Том 32 (2), 69–83.
  26. ^ Эллисон, В. К. (1923). «Рост сталагмитов и сталактитов». Журнал геологии, Том 31, 106–125.
  27. ^ Займы, Питер (1 сентября 2007 г.). «Бетонные сталактиты». Химические тропы. Образование в области химии. Vol. 44 нет. 5. Королевское химическое общество. п. 134. Получено 19 июн 2018.

внешняя ссылка