Кальтемит

редактировать
Вторичные отложения карбоната кальция, растущие под искусственными сооружениями Сталактит из соломы кальтемита, растущий на бетонном потолке крытой автостоянки Сталактит из соломы кальтемита (правая сторона) изгибается из-за направления преобладающего движения воздуха в периоды его роста.

Кальтемит - вторичное отложение, полученное из бетона, извести, строительный раствор или другой известняк за пределами среды пещеры. Кальтемиты растут на искусственных структурах или под ними и имитируют формы и формы пещерных образований, таких как сталактиты, сталагмиты, проточные камни и т. Д. от латинского calx (родительный падеж calcis) «известь» + латинского < Greek théma, "deposit" meaning ‘something laid down’, (also Mediaeval Latin thema, "deposit") and the Latin –ita < Greek -itēs – used as a suffix indicating a mineral or rock. The term "speleothem », из-за своего определения (spēlaion« пещера »+ théma« депозит »на древнегреческом) может использоваться только для описания вторичных отложений в пещеры и не включает вторичные отложения за пределами пещерной среды.

Содержание

  • 1 Происхождение и состав
  • 2 Химический состав и pH
    • 2.1 Необычное появление щелочного фильтрата в пещерах
  • 3 CaCO 3 отложение и рост сталактита
  • 4 Кальцитовые рафты на каплях раствора
  • 5 Сталагмиты
  • 6 Rimstone или gours
  • 7 Кораллоиды
  • 8 См. Также
  • 9 Ссылки
  • 10 Внешние ссылки

Происхождение и состав

Разложение 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, шахты и туннели) значительно быстрее, чем в пещерах известняк, мрамор или доломит. Это связано с тем, что большинство кальтемитов создается в результате химических реакций, которые отличаются от обычной химии "speleothem ".

Кальтемиты обычно возникают в результате просачивания щелочного раствора (pH 9–14) через известковую искусственную структуру до тех пор, пока он не войдет в контакт с атмосферой на нижней стороне структуры, где диоксид углерода (CO 2) из окружающего воздуха облегчает реакции по отложению карбоната кальция в качестве вторичного отложения. CO 2 является реагентом (диффундирует в раствор), в отличие от химии образований, где CO 2 представляет собой продукт (дегазированный из раствора). Наиболее вероятно, что большая часть карбоната кальция (CaCO 3), образующего кальтемиты в форме, имитирующей образования, осаждается из раствора в виде кальцита в отличие от другого, менее стабильного, полиморфы арагонита и ватерита.

кальтемитовый текучий камень, окрашенный в оранжевый цвет оксидом железа (из ржавой стальной арматуры), нанесенный вместе с карбонатом кальция (CaCO 3 {\ displaystyle {\ ce {CaCO3}}}{\ displaystyle {\ ce {CaCO3}}} ). Калтемитовый поток снаружи бетонного резервуара для воды

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. Оксидом меди из медных труб, может вызывать кальтемиты быть окрашенными в зеленый или синий цвет. Кальтемиты могут также содержать минералы, такие как гипс.

Определение кальтемитов также включает вторичные отложения это может происходить в искусственных шахтах и ​​туннелях без бетонной футеровки, 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 антропоцена.

химии и pH

Способ образования сталактитов на бетоне обусловлен химическим составом, отличным от тех, которые образуются естественным образом в известняковых пещерах, и является результатом присутствия оксида кальция (CaO) в цементе. Бетон состоит 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 образуют ионы кальция (Ca) и гидроксид (OH) [Уравнение 1 ]. Все следующие химические реакции обратимы, и несколько могут происходить одновременно в определенном месте внутри бетонной конструкции под влиянием фильтрата раствора pH.

Химическая формула:

CaO (s) + H 2O(l) ⇌ Ca (OH) 2 (водн.) ⇌ Ca (водн.) + 2OH (водн.)

(Уравнение 1)

Гидроксид кальция будет легко реагировать 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 в то же время в бетоне.

Ca (OH) 2 (водн.) + CO 2 (г) ⇌ CaCO 3 (т) + H 2O(л)

(Уравнение 2)

Эта реакция происходит во вновь залитом бетоне по мере его схватывания с осаждением CaCO 3 внутри смеси до тех пор, пока весь доступный CO 2 в смеси не будет использованный. 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, остается свободный Ca (OH) 2 внутри застывшей (твердой) бетонной конструкции.

Любые внешние источник воды (например, дождь или просачивание), который может проникать в микротрещины и воздушные пустоты в затвердевшем бетоне, легко переносит свободный Ca (OH) 2 в растворе на нижнюю часть конструкции. Когда раствор Ca (OH) 2 вступает в контакт с атмосферой, CO 2 диффундирует в раствор по каплям, и со временем реакция [Уравнение 2 ] откладывает карбонат кальция, создавая сталактиты в форме соломы, похожие на те, что 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, преобладающими видами углерода являются CO 3, и фильтрат насыщается Ca. Следующие химические формулы [Уравнения 34], скорее всего, будут иметь место, и [Уравнение 4 ], отвечающее за отложение CaCO 3 с образованием сталактитов под бетонные конструкции.

OH(водн.) + CO 2 (г) ⇌ HCO 3(водн.) ⇌ CO 3(водн.) + H (водн.)

(Уравнение 3)

Ca(водн.) + CO 3(водн.) ⇌ CaCO 3 (s)

(Уравнение 4)

Поскольку растворимые гидроксиды калия и натрия вымываются из бетона по пути просачивания, pH раствора упадет до pH ≤12,5. Ниже примерно pH 10,3 наиболее доминирующей химической реакцией станет [Уравнение 2 ]. PH выщелачивающего раствора влияет на то, какие преобладающие карбонатные частицы (ионы) присутствуют, поэтому в любой момент времени в бетонной конструкции могут происходить одна или несколько различных химических реакций.

В очень старой извести, строительном растворе или бетоне структур, возможно, возрастом в десятки или сотни лет, гидроксид кальция (Ca (OH) 2) мог быть выщелочен из всех путей просачивания раствора, и pH может упасть ниже pH 9 Это может позволить произойти процессу, аналогичному тому, который создает образования в известняковых пещерах [Уравнения от 5до 8]. Следовательно, грунтовые воды, богатые CO 2, или дождевая вода будут образовывать углекислоту (H2CO3) (≈pH 7,5-8,5) и выщелачивать Ca 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 ] вносит CaCO 3 в создание кальтемитов, их рост будет намного медленнее, чем [Уравнения 2и 4], так как слабощелочной фильтрат имеет более низкую емкость по содержанию кальция по сравнению с гиперщелочным раствором. CO 2 дегазируется из раствора по мере осаждения CaCO 3 с образованием кальтемитовых сталактитов. Повышенное парциальное давление CO 2 (P CO2) и более низкая температура могут увеличивать концентрацию HCO 3 в растворе и приводить к более высокой пропускной способности фильтрата по Ca, однако раствор по-прежнему не достигнет емкости по содержанию Ca [Уравнения 1- 4]

H2O + CO 2 ⇌ H 2CO3

(Уравнение 5)

H2CO3⇌ HCO 3 + H ⇌ CO 3 + 2H

(Уравнение 6)

2H + CO 3 + CaCO 3 ⇌ 2HCO 3 + Ca

(Уравнение 7)

2HCO 3(водн.) + Ca (водн.) ⇌ CaCO 3 (s) + H 2O(l) + CO 2 (g)

(Уравнение 8)

Реакции [Уравнения с 5по 8] можно упростить до показанных на [Уравнение 9 ], однако присутствие угольной кислоты (H 2CO3) и других разновидностей опущено. Химическая формула [Уравнение 9 ] обычно цитируется как «образование образований» в известняковых пещерах, однако в этом случае слабая угольная кислота выщелачивает карбонат кальция (CaCO 3), предварительно осажденный (осажденный) в старом бетоне и дегазирующий CO 2 для образования кальтемитов.

CaCO 3 (т) + H 2O(л) + CO 2 (водн.) ⇌ Ca (HCO 3)2 (водн.) ⇌ CaCO 3 (s) + H 2O(l) + CO 2 (g)

(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 ]. Химия разложения бетона довольно сложна, и в [Уравнениях 1- 9] рассматривается только химия, относящаяся к отложению карбоната кальция. Кальций также является частью других продуктов гидратации в бетон, такой как гидрат кальция-алюминия и гидрат кальция-алюминия и железа. Химические вещества [Уравнения с 1по 4] ответственны за образование большинства кальтемитовых сталактитов, сталагмитов, текучих камней и т. д., обнаруживаемых на искусственных бетонных конструкциях.

Maekawa et al., (2009), стр. 230, предоставляют превосходный график, показывающий соотношение между равновесием угольных кислот (H2CO3, HCO 3 и CO <3. 8>3) и pH раствора. 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.

Выщелачивающие растворы, создающие 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.

Необычное возникновение щелочного фильтрата в пещерах

Есть несколько необычных обстоятельств, когда образования образования образовались в пещерах в результате сверхщелочного выщелачивания с тем же химическим составом, что и в [Уравнениях от 1до 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 в 19 веке проникло в систему пещер ниже (например, Пещера Пула ) и образовало образования, такие как сталактиты и сталагмиты.

Отложение CaCO 3 и рост сталактита

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

Скорость роста кальтемитовых сталактитовых соломинок, сталагмитов, текучего камня и т. Д. Очень сильно зависит от скорости подачи и непрерывности подачи насыщенного раствора фильтрата к месту расположения CaCO 3 осаждение. Концентрация CO 2 в атмосфере, контактирующего с продуктом выщелачивания, также оказывает большое влияние на то, как быстро CaCO 3 может осаждаться из фильтрата. Испарение выщелачивающего раствора и температура окружающей среды оказывают минимальное влияние на скорость осаждения CaCO 3.

Сталактиты кальтемитовой соломы, осажденные (осаждаемые) из щелочного фильтрата, имеют потенциал роста примерно в 200 раз быстрее, чем обычные пещерные образования осаждаются из раствора с почти нейтральным pH. У одного кальтемита содовой соломки был зарегистрирован рост на 2 мм в день в течение нескольких последовательных дней, когда скорость стекания фильтрата была постоянной 11 минут между каплями. Когда скорость капания превышает одну каплю в минуту, не наблюдается заметного отложения CaCO 3 на кончике сталактита (следовательно, нет роста), и раствор фильтрата падает на землю, где CaCO 3 образует 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. 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.

Рафты кальцита на каплях раствора

Решетка кальцитовых плотов сформировалась на медленно капающей капле кальтемитовой соломы

Кальцитовые плоты впервые были обнаружены Эллисоном в 1923 году на каплях раствора, прикрепленных к бетонной соломе сталактиты, а позже Вер Стиг. 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). 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 привести к тому, что некоторые из них оторвутся от поверхностного натяжения капли и будут вытолкнуты на внешнюю сторону сталактита из соломы, таким образом увеличивая внешний диаметр и создавая мелкие неровности.

Сталагмиты.

Кальтемитовый сталагмит на бетонном полу Кальтемитовые микрошарики на небольшом округлом сталагмите - вторичное отложение, образованное из бетона кальтемитовых кораллоидов, растущих на нижней стороне бетонной конструкции, и сталактита из соломы Кальтемитовый камень на бетонной стене, окрашенный в оранжевый цвет из-за оксида железа (из-за ржавой стальной арматуры), отложившегося вместе с карбонатом кальция Калтемитовый текучий камень и соломенные сталактиты, растущие на медных трубах под бетонным зданием.

Если скорость капания выше одной капли в минуту, большинство СаСО 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 сталагмит.

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 шин транспортных средств и пешеходов.

Камень или камни

Кальтемит камень или камни могут образовываться под бетоном 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. Фильтрат, который действительно 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

Кальтемит кораллоиды (также известные 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.

См. Также

Ссылки

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-05-14 03:06:01
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте