Кальтемит - Calthemite
Кальтемит - это вторичное отложение, полученное из бетона , извести , строительного раствора или другого известкового материала за пределами пещерной среды. Calthemites растут на или под землей, техногенные структуры и мимических формы и формы пещерных образований , таких как сталактиты , сталагмиты , flowstone и т.д. Calthemite происходит от латинского окалины (родительный calcis ) «лайм» + латинского <греческого Thema " депозит "означает" что-то заложенное "(также средневековая латинская тема ," месторождение "), а латинское --ita <греческое -itēs - используется как суффикс, указывающий на минерал или породу. Термин « speleothem » из-за своего определения ( spēlaion «пещера» + théma «отложение» на древнегреческом) может использоваться только для описания вторичных отложений в пещерах и не включает вторичные отложения за пределами пещерной среды.
Происхождение и состав
Разрушение бетона было в центре внимания многих исследований, и наиболее очевидным признаком является просачивание богатого кальцием фильтрата из бетонной конструкции.
Сталактиты кальтемита могут образовываться на бетонных конструкциях и «искусственных пещерах», облицованных бетоном (например, в шахтах и туннелях), значительно быстрее, чем в известняковых , мраморных или доломитовых пещерах. Это связано с тем, что большинство кальтемитов создаются химическими реакциями, которые отличаются от обычной химии « образований ».
Кальтемиты обычно возникают в результате просачивания сверхщелочного 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 способствует реакции отложений карбоната кальция в качестве вторичных отложений. CO 2 является реагентом (диффундирует в раствор) в отличие от химии speleothem, где CO 2 является продуктом (дегазируется из раствора). Наиболее вероятно , что большинство из карбоната кальция (СаСО 3 ) создание calthemites в формах , которые, имитируя образования, осаждаются из раствора в виде кальцита , в отличии от других, менее стабилен, полиморфов в арагоните и ватерита .
Кальтемиты обычно состоят из карбоната кальция (CaCO 3 ), который преимущественно окрашен в белый цвет, но может быть окрашен в красный, оранжевый или желтый цвет из-за того, что оксид железа (от ржавой арматуры) переносится фильтратом и откладывается вместе с CaCO 3 . Оксид меди из медных труб может привести к окрашиванию кальтемитов в зеленый или синий цвет. Кальтемиты также могут содержать минералы, такие как гипс.
Определение кальтемитов также включает вторичные отложения, которые могут возникать в искусственно созданных шахтах и туннелях без бетонной облицовки, где вторичные отложения происходят 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 антропоцена .
Химия и pH
То, как сталактиты образуются на бетоне, происходит из-за другого химического состава, 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 с образованием гидроксида кальция (Ca (OH) 2 ), который при правильных условиях может далее диссоциировать с образованием кальция (Ca 2+ ) и гидроксида (OH - ) ионы [ Уравнение 1 ]. Все следующие химические реакции обратимы, и несколько из них могут происходить одновременно в определенном месте внутри бетонной конструкции под влиянием pH раствора фильтрата .
Химическая формула:
-
CaO (s) + H 2 O (l) ⇌ Ca (OH) 2 (водн.) ⇌ Ca 2+ (водн.) + 2OH - (водн.)
( Уравнение 1 )
Гидроксид кальция легко реагирует с любым свободным CO 2 с образованием карбоната кальция (CaCO 3 ) [ Уравнение 2 ]. Раствор обычно имеет pH 9-10,3, однако это будет зависеть от того, какие другие химические реакции также происходят одновременно в бетоне.
-
Ca (OH) 2 (водн.) + CO 2 (г) ⇌ CaCO 3 (т) + H 2 O (л)
( Уравнение 2 )
Эта реакция происходит во вновь залитом бетоне по мере его схватывания, 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 в нескольких миллиметрах от поверхности бетона. Поскольку атмосферный CO 2 не может проникать очень далеко в бетон, в затвердевшей (твердой) бетонной конструкции остается свободный Ca (OH) 2 .
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 нижнюю часть конструкции. Когда раствор Ca (OH) 2 вступает в контакт с атмосферой, CO 2 диффундирует в капли раствора, и со временем реакция [ Уравнение 2 ] откладывает карбонат кальция, образуя сталактиты в форме соломки, подобные тем, 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, около pH 13,2 - 13,4, преобладающим видом углерода является CO 3 2-, и фильтрат становится насыщенный Ca 2+ . Следующие химические формулы [Уравнения 3 и 4 ], скорее всего, будут иметь место, и [ Уравнение 4 ] отвечает за отложение CaCO 3 с образованием сталактитов под бетонными конструкциями.
-
OH - (водн.) + CO 2 (г) ⇌ HCO 3 - (водн.) ⇌ CO 3 2- (водн.) + H + (водн.)
( Уравнение 3 )
-
Ca 2+ (водн.) + CO 3 2- (водн.) ⇌ CaCO 3 (т.)
( Уравнение 4 )
Поскольку растворимые гидроксиды калия и натрия вымываются из бетона по пути просачивания, pH раствора упадет до pH ≤12,5. Ниже pH 10,3 будет преобладающая химическая реакция [ Уравнение 2 ]. PH выщелачивающего раствора влияет на то, какие преобладающие карбонатные частицы (ионы) присутствуют, поэтому в любой момент времени внутри бетонной конструкции может протекать одна или несколько различных химических реакций.
В очень старых извести, строительном растворе или бетонных конструкциях, возраст которых может быть несколько десятков или сотен лет, гидроксид кальция (Ca (OH) 2 ) мог быть выщелочен из всех путей просачивания раствора, и pH может упасть ниже pH 9. Это могло позволить аналогичный процесс к тому , что создает в натечном известняке пещере [уравнения 5 до 8 ] , чтобы произойти. Следовательно, грунтовые воды, богатые CO 2, или дождевая вода будут образовывать угольную кислоту (H 2 CO 3 ) (≈ pH 7,5 - 8,5) и выщелачивать Ca 2+ из структуры, когда раствор просачивается через старые трещины [ уравнение 7 ]. Это более вероятно в тонкослойном бетоне, например, в бетоне, который распыляется внутри транспортных средств или железнодорожных туннелей для стабилизации рыхлого материала. Если [ Уравнение 8 ] откладывает CaCO 3 для образования кальтемитов, их рост будет происходить гораздо медленнее, чем [Уравнения 2 и 4 ], поскольку слабощелочной продукт выщелачивания имеет более низкую пропускную способность Ca 2+ по сравнению с сверхщелочным раствором. CO 2 дегазируется из раствора по мере осаждения CaCO 3 с образованием сталактитов кальтемита. Повышенное парциальное давление CO 2 (P CO 2 ) и более низкая температура могут увеличивать концентрацию HCO 3 - в растворе и приводить к более высокой пропускной способности фильтрата по Ca 2+ , однако раствор все равно не достигает несущей Ca 2+ емкость [Уравнения с 1 по 4 ]
-
H 2 O + CO 2 ⇌ H 2 CO 3
( Уравнение 5 )
-
H 2 CO 3 ⇌ HCO 3 - + H + ⇌ CO 3 2− + 2H +
( Уравнение 6 )
-
2H + + CO 3 2- + CaCO 3 ⇌ 2HCO 3 - + Ca 2+
( Уравнение 7 )
-
2HCO 3 - (водн.) + Ca 2+ (водн.) ⇌ CaCO 3 (т.) + H 2 O (л) + CO 2 (г)
( Уравнение 8 )
Реакции [Уравнения 5 до 8 ] может быть упрощена , что показано в [ Уравнение 9 ], однако присутствие угольной кислоты (H 2 CO 3 ) и другие виды опущены. Химическая формула [ Уравнение 9 ] обычно цитируется как «образование образований» в известняковых пещерах, однако в этом случае слабая углекислота выщелачивает карбонат кальция (CaCO 3 ), ранее осажденный (осажденный) в старом бетоне, и дегазирует CO 2 для создания кальтемиты.
-
CaCO 3 (т.) + H 2 O (л) + CO 2 (водн.) ⇌ Ca (HCO 3 ) 2 (водн.) ⇌ CaCO 3 (т.) + H 2 O (л) + CO 2 (г)
( Уравнение 9 )
Если фильтрат 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 ]. Химии бетона деградации является довольно сложным , и только химия , относящиеся к отложению карбоната кальция рассматривается в [Уравнения 1 до 9 ]. Кальций также входит в состав других продуктов гидратации в бетоне, таких как гидрат алюминия и кальция и гидрат алюминия и железа. Химическое [Уравнения 1 до 4 ] несут ответственность за создание большинства calthemite сталактиты, сталагмиты, flowstone и т.д., найденный на искусственных бетонных конструкций.
Maekawa et al., (2009) стр. 230, представляет собой отличный график, показывающий взаимосвязь между равновесием угольных кислот (H 2 CO 3 , HCO 3 - и CO 3 2- ) и pH в растворе. Угольная кислота включает как карбонаты, так и бикарбонаты. График представляет собой хорошее наглядное пособие для понимания того, как в бетоне при определенном pH может 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.
Необычные явления
Есть несколько необычных обстоятельств , когда натечные были созданы в пещерах в результате hyperalkaline щелока, с одной и той же химией , как это происходит в [уравнениях 1 до 4 ]. 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 Пик-Дистрикт - Дербишир, Англия, где загрязнение от промышленного производства извести 19-го века проникло в систему пещер ниже (например , Пещера Пула ) и образовало образования, такие как сталактиты и сталагмиты.
Отложение CaCO 3 и рост сталактита
Скорость роста кальтемитовых сталактитовых соломинок, сталагмитов, проточного камня и т. Д. Очень сильно зависит от скорости подачи и непрерывности насыщенного раствора фильтрата к месту отложения CaCO 3 . Концентрация атмосферного CO 2, контактирующего с продуктом выщелачивания, также оказывает большое влияние на то, как быстро CaCO 3 может выпадать в осадок из фильтрата. Испарение выщелачивающего раствора и температура окружающей среды оказывают минимальное влияние на скорость осаждения CaCO 3 .
Сталактиты кальтемитовой соломы, осажденные (осажденные) из щелочного фильтрата, имеют потенциал роста в ≈200 раз быстрее, чем нормальные пещерные образования, осажденные из раствора с почти нейтральным pH . Было зарегистрировано, что одна соломинка кальтемитовой соды росла на 2 мм в день в течение нескольких последовательных дней, когда скорость капания фильтрата была постоянной 11 минут между каплями. Когда скорость капания чаще, чем одна капля в минуту, не наблюдается заметного отложения CaCO 3 на кончике сталактита (следовательно, нет роста), и раствор фильтрата падает на землю, где откладывается CaCO 3, образуя кальтемит. 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. 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.
Несмотря на то, что оба они состоят из карбоната кальция, соломинки из кальтемита в среднем составляют всего 40% массы на единицу длины соломинок с эквивалентным внешним диаметром. Это связано с различным химическим составом соломинок. Соломинки из кальтемита имеют тонкую толщину стенок и менее плотную структуру карбоната кальция по сравнению с соломками для спелеотема.
Соломинки из кальтемита могут различаться по внешнему диаметру по мере увеличения длины. Изменение диаметра может занять несколько дней или недель и связано с изменением скорости стекания жидкости с течением времени. Соломинка из кальтемита, с которой медленно капает вода, обычно немного больше в диаметре, чем соломинка с быстрой каплей.
Кальцитовые рафты на каплях раствора
Кальцитовые плоты были впервые обнаружены Эллисоном в 1923 году на каплях раствора, прикрепленных к полученным из бетона сталактитам из соломы, а позже - Вер Стигом. Когда скорость стекания капель между каплями составляет ≥5 минут, карбонат кальция будет осаждаться на поверхности капли раствора (на конце сталактита) с образованием кальцитовых пластин, видимых невооруженным глазом (до 0,5 мм в диаметре). 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. Значительное движение воздуха приведет к тому, что плоты рассыпятся и начнут турбулентно вращаться вокруг поверхности капли. Это турбулентное движение кальцитовых плотов может вызвать срезание поверхностного натяжения капель и их выталкивание на внешнюю сторону сталактита из соломы, таким образом увеличивая внешний диаметр и создавая мелкие неровности.
Сталагмиты
Если скорость капания выше, чем одна капля в минуту, большая часть CaCO 3 будет уноситься на землю, все еще в растворе. Затем выщелачивающий раствор имеет возможность абсорбировать CO 2 из атмосферы (или дегазировать CO 2 в зависимости от реакции) и осаждать CaCO 3 на земле в виде сталагмита.
В большинстве мест внутри искусственных бетонных конструкций кальтемитовые сталагмиты вырастают максимум до нескольких сантиметров в высоту и выглядят как низкие округлые комки. Это происходит из-за ограниченного поступления CaCO 3 из пути просачивания фильтрата через бетон и количества, которое достигает земли. Их расположение также может препятствовать их росту из-за истирания автомобильных шин и пешеходов.
Rimstone или gours
Камень кальтемитового камня или булыжники могут образовываться под бетонными конструкциями 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. Фильтрат, который достигает земли, обычно быстро испаряется из-за движения воздуха под бетонной конструкцией, поэтому микрогуры встречаются чаще, чем более крупные. В местах, где место осаждения подвержено истиранию автомобильными шинами или пешеходным движением, вероятность образования микропузырьков значительно снижается.
Кораллоиды
Calthemite coralloids (также известный как попкорн ), могут образовывать на нижней стороне бетонных конструкций и очень похожи на те , что происходит в пещерах. Кораллоиды могут образовываться в пещерах различными способами, однако на бетоне наиболее распространенная форма образуется, когда щелочной раствор просачивается из мелких трещин в бетоне. Из-за испарения раствора карбонат кальция осаждается до того, как может образоваться какая-либо капля. Полученные кораллоиды маленькие и меловые, напоминающие цветную капусту.
Смотрите также
- Известковый агломерат - пресноводное месторождение карбоната кальция.
- Травертин - форма известняка, отложенного минеральными источниками.
Рекомендации
Внешние ссылки
- Смит, Г.К. (2016), «Сталактиты из кальцитовой соломы, растущие из бетонных конструкций», Cave and Karst Science 43 (1), стр. 4–10.
- Можно увидеть, как плоты из кальцита вращаются вокруг поверхности капли раствора (видео на YouTube)
- Небольшие плоты соединились в решетчатую конструкцию плотов на капле кальтемитовой содовой соломы (видео на Youtube)
- B. Schmidkonz, "Наблюдайте, как растет капельный камень", J. Chem. . Образа, 94 (2017) 1492-1497 DOI : 10.1021 / acs.jchemed.7b00215