La calthemita es un depósito secundario, derivado de hormigón , cal , mortero u otro material calcáreo fuera del entorno de la cueva . [1] [2] Los calthemitas crecen sobre o debajo de estructuras hechas por el hombre e imitan las formas y formas de los espeleotemas de cuevas , como estalactitas , estalagmitas , piedras de flujo, etc. [3] Calthemita se deriva del latín calx (genitivo calcis ) " lima "+ latín
Origen y composicion
La degradación del hormigón ha sido el foco de muchos estudios y el signo más obvio es el lixiviado rico en calcio que se filtra desde una estructura de hormigón. [5] [6] [7]
Las estalactitas de calthemita se pueden formar en estructuras de hormigón y "cuevas artificiales" revestidas de hormigón (por ejemplo, minas y túneles) significativamente más rápido que las de las cuevas de piedra caliza , mármol o dolomita . [3] [8] Esto se debe a que la mayoría de caltemitas son creadas por reacciones químicas que son diferentes a la química normal del " espeleotema ".
Las calthemitas suelen ser el resultado de una solución hiperalcalina ( pH 9-14) que se filtra a través de una estructura calcárea artificial hasta que entra en contacto con la atmósfera en la parte inferior de la estructura, donde el dióxido de carbono (CO 2 ) del aire circundante facilita la reacciones para depositar carbonato de calcio como depósito secundario. El CO 2 es el reactivo (se difunde en la solución) a diferencia de la química espeleotemática donde el CO 2 es el producto (desgasificado de la solución). [3] Lo más probable es que la mayoría del carbonato de calcio (CaCO 3 ) cree caltemitas en formas que, imitando espeleotemas, se precipitan de la solución como calcita en oposición a los otros polimorfos menos estables de aragonita y vaterita . [1] [3]
Calthemites se componen generalmente de carbonato de calcio (CaCO 3 ), que está predominantemente de color blanco, pero pueden colorearse [9] rojo, naranja o amarillo debido a óxido de hierro (de la oxidación de refuerzo) que se transportan por el lixiviado y se depositan junto con el CaCO 3 . El óxido de cobre de las tuberías de cobre puede hacer que las caltemitas se coloreen de verde o azul. [1] Las caltemitas también pueden contener minerales como el yeso. [1] [3]
La definición de caltemitas también incluye depósitos secundarios que pueden ocurrir en minas artificiales y túneles sin revestimiento de hormigón, donde el depósito secundario se deriva de piedra caliza, dolomita u otra roca natural calcárea en la que se ha creado la cavidad. En este caso, la química es la misma que crea los espeleotemas en las cuevas naturales de piedra caliza (ecuaciones 5 a 8) a continuación. Se ha sugerido que la deposición de formaciones de calthemita es un ejemplo de un proceso natural que no ha ocurrido antes de la modificación humana de la superficie de la Tierra y, por lo tanto, representa un proceso único del Antropoceno . [10]
Química y pH
La forma en que se forman las estalactitas en el hormigón se debe a una química diferente a las que se forman naturalmente en las cuevas de piedra caliza y es el resultado de la presencia de óxido de calcio (CaO) en el cemento. El hormigón está hecho de áridos, arena y cemento. Cuando se agrega agua a la mezcla, el óxido de calcio en el cemento reacciona con el agua para formar hidróxido de calcio (Ca (OH) 2 ), que en las condiciones adecuadas puede disociarse aún más para formar calcio (Ca 2+ ) e hidróxido (OH - ) iones [ Ecuación 1 ]. Todas las siguientes reacciones químicas son reversibles y varias pueden ocurrir simultáneamente en una ubicación específica dentro de una estructura de concreto, influenciadas por el pH de la solución de lixiviado . [11]
La fórmula química es:
- CaO (s) + H 2 O (l) ⇌ Ca (OH) 2 (aq) ⇌ Ca 2+ (aq) + 2OH - (aq)
( Ecuación 1 )
El hidróxido de calcio reacciona fácilmente con cualquier CO 2 libre para formar carbonato de calcio (CaCO 3 ) [ Ecuación 2 ]. [3] [12] La solución suele tener un pH de 9 a 10,3, sin embargo, esto dependerá de las otras reacciones químicas que también estén ocurriendo al mismo tiempo dentro del hormigón.
- Ca (OH) 2 (aq) + CO 2 (g) ⇌ CaCO 3 (s) + H 2 O (l)
( Ecuación 2 )
Esta reacción se produce en el hormigón recién vertido a medida que fragua, para precipitar el CaCO 3 dentro de la mezcla, hasta que se haya agotado todo el CO 2 disponible en la mezcla. El CO 2 adicional de la atmósfera seguirá reaccionando, por lo general penetrando unos pocos milímetros de la superficie del hormigón. [13] [14] Debido a que el CO 2 atmosférico no puede penetrar mucho en el hormigón, queda Ca (OH) 2 libre dentro de la estructura de hormigón fraguado (duro). [14]
Cualquier fuente de agua externa (por ejemplo, lluvia o filtración) que pueda penetrar las microgrietas y los huecos de aire en el concreto fraguado transportará fácilmente el Ca (OH) 2 libre en solución a la parte inferior de la estructura. Cuando la solución de Ca (OH) 2 entra en contacto con la atmósfera, el CO 2 se difunde en las gotas de la solución y con el tiempo la reacción [ Ecuación 2 ] deposita carbonato de calcio para crear estalactitas en forma de paja similares a las de las cuevas.
Aquí es donde la química se vuelve un poco complicada, debido a la presencia de hidróxidos de sodio y potasio solubles en el concreto nuevo, que soporta una alcalinidad de solución más alta de aproximadamente pH 13.2 - 13.4, [7] la especie de carbono predominante es CO 3 2− y el lixiviado se satura con Ca 2+ . [15] Lo más probable es que ocurran las siguientes fórmulas químicas [Ecuaciones 3 y 4 ], y [ Ecuación 4 ] responsable de la deposición de CaCO 3 para crear estalactitas debajo de estructuras de hormigón. [5] [11] [16] [17]
- OH - (aq) + CO 2 (g) ⇌ HCO 3 - (aq) ⇌ CO 3 2− (aq) + H + (aq)
( Ecuación 3 )
- Ca 2+ (aq) + CO 3 2− (aq) ⇌ CaCO 3 (s)
( Ecuación 4 )
A medida que los hidróxidos de sodio y potasio solubles se lixivian del hormigón a lo largo de la ruta de filtración, el pH de la solución descenderá a un pH ≤ 12,5. [7] Por debajo de aproximadamente pH 10,3, la reacción química más dominante se convertirá en [ Ecuación 2 ]. El pH de la solución de lixiviado influye en qué especies de carbonatos dominantes (iones) están presentes, [11] [16] [18] por lo que en cualquier momento puede haber una o más reacciones químicas diferentes que ocurren dentro de una estructura de concreto. [1]
En estructuras muy viejas de cal, mortero o concreto, posiblemente decenas o cientos de años, el hidróxido de calcio (Ca (OH) 2 ) puede haber sido lixiviado de todas las vías de filtración de la solución y el pH podría caer por debajo de pH 9. Esto podría permitir se producirá un proceso similar al que crea espeleotemas en las cuevas de piedra caliza [Ecuaciones 5 a 8 ]. Por lo tanto, el agua subterránea o de lluvia rica en CO 2 formaría ácido carbónico (H 2 CO 3 ) (≈pH 7.5 - 8.5) [17] [19] y lixiviaría Ca 2+ de la estructura a medida que la solución se filtrara a través de las viejas grietas [ Ecuación 7 ]. [15] Esto es más probable que ocurra en concreto de capas delgadas como el que se rocía dentro de túneles de vehículos o ferrocarriles para estabilizar el material suelto. [20] Si la [ Ecuación 8 ] está depositando el CaCO 3 para crear caltemitas, su crecimiento será a un ritmo mucho más lento que las [Ecuaciones 2 y 4 ], ya que el lixiviado alcalino débil tiene una menor capacidad de transporte de Ca 2+ en comparación con el hiperalcalino. solución. [17] El CO 2 se desgasifica de la solución a medida que se deposita CaCO 3 para crear las estalactitas de calthemita. [19] Un aumento del CO 2 presión parcial (P CO 2 ) y una temperatura más baja puede aumentar el HCO 3 - concentración en solución y el resultado en un mayor Ca 2 + la capacidad de carga de los lixiviados, [21] Sin embargo, la solución todavía no lo hará alcanzar la capacidad de carga de Ca 2+ de [Ecuaciones 1 a 4 ]
- H 2 O + CO 2 ⇌ H 2 CO 3
( Ecuación 5 )
- H 2 CO 3 ⇌ HCO 3 - + H + ⇌ CO 3 2− + 2H +
( Ecuación 6 )
- 2H + + CO 3 2− + CaCO 3 ⇌ 2HCO 3 - + Ca 2+
( Ecuación 7 )
- 2HCO 3 - (ac) + Ca 2+ (ac) ⇌ CaCO 3 (s) + H 2 O (l) + CO 2 (g)
( Ecuación 8 )
Las reacciones [Ecuaciones 5 a 8 ] podrían simplificarse a las mostradas en la [ Ecuación 9 ], [3] sin embargo, se omite la presencia de ácido carbónico (H 2 CO 3 ) y otras especies . La fórmula química [ Ecuación 9 ] se suele citar como la creación de "espeleotemas" en cuevas de piedra caliza, sin embargo, en este caso, el ácido carbónico débil está lixiviando carbonato de calcio (CaCO 3 ) previamente precipitado (depositado) en el hormigón viejo y desgasificando CO 2 para crear caltemitas.
- CaCO 3 (s) + H 2 O (l) + CO 2 (aq) ⇌ Ca (HCO 3 ) 2 (aq) ⇌ CaCO 3 (s) + H 2 O (l) + CO 2 (g)
( Ecuación 9 )
Si el lixiviado encuentra un nuevo camino a través de microgrietas en el hormigón viejo, esto podría proporcionar una nueva fuente de hidróxido de calcio (Ca (OH) 2 ) que puede cambiar la reacción dominante de nuevo a [ Ecuación 2 ]. La química de la degradación del hormigón es bastante compleja y sólo la química relacionada con la deposición de carbonato de calcio se considera en las [ecuaciones 1 a 9 ]. El calcio también forma parte de otros productos de hidratación en el hormigón, como los hidratos de calcio y aluminio y el hidrato de calcio y aluminio y hierro. La sustancia química [ecuaciones 1 a 4 ] es responsable de crear la mayoría de las estalactitas, estalagmitas, piedras de flujo, etc. de calthemita que se encuentran en las estructuras de hormigón hechas por el hombre. [1]
Maekawa et al., (2009) [11] p. 230, proporciona un gráfico excelente que muestra la relación entre el equilibrio de los ácidos carbónicos (H 2 CO 3 , HCO 3 - y CO 3 2 - ) y el pH en solución. [11] El ácido carbónico incluye tanto carbonatos como bicarbonatos. El gráfico proporciona una buena ayuda visual para comprender cómo puede estar ocurriendo más de una reacción química al mismo tiempo dentro del concreto a un pH específico.
Las soluciones de lixiviado que crean caltemitas típicamente pueden alcanzar un pH entre 10-14, que se considera una solución alcalina fuerte con el potencial de causar quemaduras químicas en los ojos y la piel, dependiendo de la concentración y la duración del contacto. [22] [23] [24]
Sucesos inusuales
Hay algunas circunstancias inusuales en las que se han creado espeleotemas en cuevas como resultado de lixiviados hiperalcalinos, con la misma química que ocurre en las [ecuaciones 1 a 4 ]. [17] [19] Esta química puede ocurrir cuando hay una fuente de hormigón, cal, mortero u otro material calcáreo artificial ubicado sobre un sistema de cuevas y el lixiviado hiperalcalino asociado puede penetrar en la cueva de abajo. Un ejemplo se puede encontrar en Peak District - Derbyshire, Inglaterra, donde la contaminación de la producción de cal industrial del siglo XIX se ha filtrado al sistema de cuevas debajo (por ejemplo, la Caverna de Poole ) y ha creado espeleotemas, como estalactitas y estalagmitas. [17] [19]
Deposición de CaCO 3 y crecimiento de estalactitas
Las tasas de crecimiento de las pajitas de calthemita de estalactita, estalagmitas y flowstone, etc., dependen en gran medida de la tasa de suministro y la continuidad de la solución saturada de lixiviado hasta la ubicación de la deposición de CaCO 3 . La concentración de CO 2 atmosférico en contacto con el lixiviado también tiene una gran influencia en la rapidez con la que el CaCO 3 puede precipitarse del lixiviado. La evaporación de la solución de lixiviado y la temperatura atmosférica ambiente parecen tener una influencia mínima en la tasa de deposición de CaCO 3 . [1] [25]
Las estalactitas de paja de calthemita precipitadas (depositadas) a partir de lixiviados hiperalcalinos tienen el potencial de crecer hasta 200 veces más rápido que los espeleotemas de cueva normales precipitados de una solución de pH casi neutro . [1] [8] Se ha registrado que una pajita de calthemita de soda crece 2 mm por día durante varios días consecutivos, cuando la tasa de goteo de lixiviado era una constante de 11 minutos entre goteos. [1] Cuando la tasa de goteo es más frecuente que una gota por minuto, no hay deposición perceptible de CaCO 3 en la punta de la estalactita (por lo tanto, no hay crecimiento) y la solución de lixiviado cae al suelo donde se deposita el CaCO 3 para crea una estalagmita calthemita. Si el suministro de lixiviado a la punta de la pajilla de estalactita se reduce a un nivel en el que la velocidad de goteo es mayor de aproximadamente 25 a 30 minutos entre gotas, existe la posibilidad de que la punta de la pajilla se calcifique y se bloquee. [1] A menudo se pueden formar nuevas estalactitas de paja junto a una paja previamente activa, pero ahora seca (inactiva), porque el lixiviado simplemente ha encontrado un camino más fácil a través de las microgrietas y huecos en la estructura de hormigón.
A pesar de que ambos están compuestos de carbonato de calcio, las pajitas de calthemita tienen en promedio solo el 40% de la masa por unidad de longitud de las pajitas de espeleotema de diámetro externo equivalente. Esto se debe a la diferente química involucrada en la creación de las pajitas. Las pajitas de calthemita tienen un grosor de pared delgado y una estructura de carbonato de calcio menos densa en comparación con las pajitas de espeleotema. [26]
Las pajitas de calthemita pueden variar en diámetro exterior a medida que crecen en longitud. Los cambios de diámetro pueden tardar unos días o semanas y se deben a cambios en la velocidad de goteo a lo largo del tiempo. Una pajita de calthemita de goteo lento tiende a ser un poco más grande en diámetro que una pajita de goteo rápido. [26]
Balsas de calcita en gotas de solución
Las balsas de calcita fueron observadas por primera vez por Allison en 1923 [27] en gotas de solución unidas a estalactitas de paja derivadas del hormigón, y más tarde por Ver Steeg. [25] Cuando la velocidad de goteo es ≥5 minutos entre gotas, el carbonato de calcio se habrá precipitado en la superficie de la gota de solución (al final de una estalactita) para formar balsas de calcita visibles a simple vista (hasta 0,5 mm de ancho). [1] Si la velocidad de goteo es mayor de ≈12 minutos entre caídas y hay muy poco movimiento de aire, estas balsas pueden unirse y convertirse en un entramado de balsas de calcita que cubren la superficie de caída. [1] Un movimiento de aire significativo hará que las balsas se dispersen y giren de manera turbulenta alrededor de la superficie de la caída. Este movimiento turbulento de las balsas de calcita puede hacer que algunas corten la tensión superficial de la gota y sean empujadas hacia el exterior de la estalactita de paja, aumentando así el diámetro exterior y creando pequeñas irregularidades. [1]
Estalagmitas
Si la tasa de goteo es más rápida que una gota por minuto, la mayor parte del CaCO 3 se llevará al suelo, todavía en solución. [1] La solución de lixiviado tiene la posibilidad de absorber CO 2 de la atmósfera (o desgasificar CO 2 dependiendo de la reacción) y depositar el CaCO 3 en el suelo como una estalagmita.
En la mayoría de los lugares dentro de las estructuras de hormigón hechas por el hombre, las estalagmitas de calthemita solo crecen hasta un máximo de unos pocos centímetros de altura y se ven como bultos bajos y redondeados. [28] Esto se debe al suministro limitado de CaCO 3 del camino de filtración de lixiviados a través del hormigón y la cantidad que llega al suelo. Su ubicación también puede inhibir su crecimiento debido a la abrasión de los neumáticos de los vehículos y el tráfico de peatones. [2]
Rimstone o gours
Se pueden formar rimstone o gours de calthemita debajo de estructuras de concreto en un piso con una superficie de pendiente gradual o en el lado de estalagmitas redondeadas. Cuando la tasa de goteo de lixiviado es más frecuente que 1 gota por minuto, la mayor parte del carbonato de calcio es transportada por el lixiviado desde la parte inferior de la estructura de hormigón al suelo, donde se crean estalagmitas, piedras de flujo y gours. [1] El lixiviado que llega al suelo, generalmente se evapora rápidamente debido al movimiento del aire debajo de la estructura de hormigón, por lo que los micro-gours son más comunes que los gours más grandes. [ cita requerida ] En lugares donde el sitio de deposición está sujeto a la abrasión por los neumáticos de los vehículos o el tráfico de peatones, la posibilidad de formación de micro-gours se reduce en gran medida.
Coralloides
Los coralloides calthemita (también conocidos como palomitas de maíz ) pueden formarse en la parte inferior de las estructuras de hormigón y tener un aspecto muy similar a los que se encuentran en las cuevas. Los coralloides se pueden formar mediante varios métodos diferentes en las cuevas, sin embargo, en el concreto, la forma más común se crea cuando la solución hiperalcalina se filtra a partir de grietas finas en el concreto. Debido a la evaporación de la solución, la deposición de carbonato de calcio ocurre antes de que se pueda formar una gota. Los coralloides resultantes son pequeños y calcáreos con apariencia de coliflor. [ cita requerida ]
Ver también
- Sinterizado calcáreo : depósito de carbonato de calcio de agua dulce
- Travertino : una forma de piedra caliza depositada por manantiales minerales.
Referencias
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enlaces externos
- Smith, GK (2016), "Estalactitas de paja de calcita que crecen a partir de estructuras de hormigón", Cave and Karst Science 43 (1), págs. 4–10
- Se pueden ver balsas de calcita girando alrededor de una superficie de caída de solución (video de YouTube)
- Pequeñas balsas se han unido para formar una celosía de balsas sobre una gota de paja de soda de calthemita (video de Youtube)
- B. Schmidkonz, "Observa cómo crece una piedra de goteo", J. Chem. Educ., 94 (2017) 1492–1497 doi : 10.1021 / acs.jchemed.7b00215