Калтемит

Калтемит — секундарно наоѓалиште, добиено од бетон, вар, малтер или друг варовнички материјал надвор од средината на пештера. Калтемитите растат на или под вештачки создадени конструкции и ги имитираат облиците и формите на пештерските спелеотеми, како што се сталактити, сталагмити, проточен камен итн
Терминот калтемит потекнува од латинскиот ''calx'' (генитив ''calcis'') „вар“ + латински < грчки ''théma'' „наслаг“, со значење „нешто што е положено“, и латинскиот суфикс ''–ita'' < грчки ''-itēs'' кој се користи за означување минерал или карпа. Терминот „спелеотем“, според својата дефиниција (''spēlaion'' „пештера“ + ''théma'' „наслаг“ на старогрчки) може да се користи само за секундарни наслаги во пештера и не ги опфаќа секундарните наслаги надвор од пештерската средина.
1 Потекло и состав
Разградувањето на бетонот се наоѓа во фокусот на многу студии, а најочигледниот знак е исцедок богат со калциум кој се исцедува од бетонска конструкција.
Калтемитските сталактити можат да се формираат на бетонски конструкции и „вештачки пештери“ обложени со бетон (на пр. рудници и тунели) значително побрзо од оние во варовнички, мермерни или доломитски пештери. Ова е поради тоа што поголемиот дел од калтемитите се создаваат со хемиски реакции кои се различни од нормалната хемија на „спелеотемите“.
Калтемитите обично се резултат на хипералкален раствор (pH 9–14) кој продира низ варовничка вештачка структура сè додека не дојде во допир со атмосферата на долната страна од структурата, каде што јаглерод диоксидот (CO<sub>2</sub>) од околниот воздух ги олеснува реакциите за таложење на калциум карбонат како секундарно таложење. CO<sub>2</sub> е реагенс (дифузира во растворот), за разлика од хемијата на спелеотемите каде што CO<sub>2</sub> е производот (дегазиран од растворот). Најверојатно е дека поголемиот дел од калциум карбонатот (CaCO<sub>3</sub>) создава калтемити во облици кои, имитирајќи ги спелеотемите, се таложат од растворот како калцит, за разлика од другите, помалку стабилни, полиморфи на арагонит и ватерит.
Калтемитите генерално се составени од калциум карбонат (CaCO<sub>3</sub>) кој е претежно обоен во бело, но може да биде обоен во црвена, портокалова или жолта боја поради железен оксид (од 'рѓосување на арматурата) кој се пренесува од исцедокот и се таложи заедно со CaCO<sub>3</sub>. Бакарниот оксид од бакарните цевки може да предизвика калтемитите да бидат обоени во зелена или сина боја. Калтемитите може да содржат и минерали како што е гипс.
Дефиницијата за калтемит, исто така, вклучува вторични наслаги кои можат да се појават во вештачки рудници и тунели без бетонска облога, каде што вторичните наслаги се добиени од варовник, доломит или друга варовничка природна карпа во која е издлабена шуплината. Во овој случај, хемијата е иста како онаа што создава спелеотеми во природните варовнички пештери (равенки од 5 до 8) подолу. Се претпоставува дека таложењето на калтемитски формации е еден пример за природен процес кој претходно не се случил пред човечката модификација на површината на Земјата и затоа претставува уникатен процес на антропоценот. .
2 Хемија и pH
Начинот на кој се формираат сталактитите се должи на различна хемија од оние што се формираат природно во варовничките пештери и е резултат на присуството на калциум оксид (CaO) во цементот. Бетонот е направен од агрегат, песок и цемент. Кога во смесата се додава вода, калциум оксидот во цементот реагира со вода за да формира калциум хидроксид (Ca(OH)<sub>2</sub>), кој под соодветни услови може дополнително да дисоцира за да формира калциум (Ca2<sup>+</sup>) и хидроксид (OH<sup>−</sup>) јони [ ]. Сите од следниве хемиски реакции се реверзибилни и неколку може да се појават истовремено на одредена местоположба во бетонската структура, под влијание на pH вредноста на растворот на исцедок.
Хемиската формула е:
Калциум хидроксидот лесно ќе реагира со кој било слободен CO<sub>2</sub> за да формира калциум карбонат (CaCO<sub>3</sub>) [ ]. Растворот е типично pH 9 – 10,3, но ова ќе зависи од тоа кои други хемиски реакции се случуваат во исто време во бетонот.
Оваа реакција се случува кај бетонот додека тој се стврднува, со што се таложи CaCO<sub>3</sub> во смесата, сè додека не се потроши целиот достапен CO<sub>2</sub> во смесата. Дополнителниот CO<sub>2</sub> од атмосферата ќе продолжи да реагира, обично продирајќи само неколку милиметри од површината на бетонот.. Бидејќи атмосферскиот CO<sub>2</sub> не може да навлезе многу длабоко во бетонот, останува слободен Ca(OH)<sub>2</sub> во стврднатата (тврда) бетонска структура.
Секој надворешен извор на вода (на пр. дожд или протекување) што може да навлезе во микропукнатините и воздушните празнини во стврднатиот бетон лесно ќе го однесе слободниот Ca(OH)<sub>2</sub> во растворот на долната страна од конструкцијата. Кога растворот на Ca(OH)<sub>2</sub> ќе дојде во допир со атмосферата, CO<sub>2</sub> дифундира во капките раствор и со текот на времето реакцијата [ ] таложи калциум карбонат за да создаде сталактити во облик на слама слични на оние во пештерите.
Тука хемијата станува малку комплицирана, поради присуството на растворливи калиум и натриум хидроксиди во новиот бетон, што поддржува повисока алкалност на растворот од околу pH 13,2 – 13,4, доминантниот вид јаглерод е CO<sub>3</sub><sup>2−</sup> и исцедокот се заситува со Ca<sup>2+</sup>. Следните хемиски формули [равенки и ] најверојатно ќе се појават, а [] е одговорна за таложење на CaCO<sub>3</sub> за создавање сталактити под бетонските конструкции.
Бидејќи растворливите калиумови и натриумови хидроксиди се исцедуваат од бетонот по патеката на протекување, pH вредноста на растворот ќе падне на pH ≤12,5. Под pH од околу 10,3, доминантната хемиска реакција ќе стане []. pH вредноста на растворот на исцедок влијае на тоа кои доминантни карбонатни видови (јони) се присутни, така што во секое време може да се појават една или повеќе различни хемиски реакции во рамките на бетонската структура.
Во многу стари варовни, малтерски или бетонски конструкции, можеби стари десетици или стотици години, калциум хидроксидот (Ca(OH)<sub>2</sub>) можеби е исплакнат од сите патеки на протекување на растворот и pH вредноста може да падне под pH 9. Ова би можело да овозможи сличен процес на оној што создава спелеотеми во варовничките пештери [равенки до ]. Оттука, подземните води богати со CO<sub>2</sub> или дождовницата би формирале јаглеродна киселина ( H<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>) (≈pH 7,5 – 8,5) и би исплакнале Ca2<sup>+</sup> од структурата додека растворот продира низ старите пукнатини []. Ова е поверојатно да се случи во тенкослоен бетон, како оној што се прска во тунели за возила или железници за стабилизирање на лабав материјал.. Доколку [] го таложи CaCO<sub>3</sub> за да создаде калтемити, нивниот раст ќе биде со многу побавно темпо отколку [Равенките и ], бидејќи слабо алкалниот исцедок има помал капацитет на носивост на Ca2<sup>+</sup> во споредба со хипералкалниот раствор. CO<sub>2</sub> се дегазира од растворот додека CaCO<sub>3</sub> се таложи за да се создадат калтемитските сталактити. Зголемениот парцијален притисок на CO<sub>2</sub> (PCO<sub><sub>2</sub></sub>) и пониската температура можат да ја зголемат концентрацијата на HCO<sub>3−</sub> во растворот и да резултираат со поголем капацитет на носивост на Ca2<sup>+</sup> на исцедокот, но растворот сè уште нема да го достигне капацитетот на носивост на Ca2<sup>+</sup> од [Равенките до ].
Реакциите [равенките до ] би можеле да се поедностават на она што е прикажано во [], <sub>,</sub> но присуството на јаглеродна киселина ( H<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>) и други видови е изоставено. Хемиската формула [] обично се наведува како создавање „спелеотеми“ во варовнички пештери, но во овој случај слабата јаглеродна киселина го испушта калциум карбонатот (CaCO<sub>3</sub>) претходно таложен во стариот бетон и го дегазира CO<sub>2</sub> за да создаде калтемити.
Доколку исцедокот најде нов пат низ микропукнатините во стариот бетон, ова би можело да обезбеди нов извор на калциум хидроксид (Ca(OH)<sub>2</sub>) кој може да ја промени доминантната реакција назад во []. Хемијата на деградација на бетонот е доста сложена и само хемијата поврзана со таложењето на калциум карбонат е разгледана во [Равенките до ]. Калциумот е исто така дел од други производи за хидратација во бетонот, како што се калциум алуминиум хидрати и калциум алуминиум железо хидрат. Хемикалијата [Равенките до ] е одговорна за создавање на поголемиот дел од калтемитските сталактити, сталагмити, течен камен итн., кои се наоѓаат на вештачки бетонски конструкции.
Мекава и неговите соработници (2009) стр. 230, дава одличен графикон што ја прикажува врската помеѓу рамнотежата на јаглеродните киселини (H<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>, HCO<sub>3</sub><sup>−</sup> и CO<sub>3</sub><sup>2−</sup>) и <sub>pH</sub> вредноста во растворот. Јаглеродната киселина вклучува и карбонати и бикарбонати. Графиконот обезбедува добра визуелна помош за разбирање како повеќе од една хемиска реакција може да се случува истовремено во бетонот при одредена pH вредност.
Растворите од исцедок што создаваат калтемити обично можат да достигнат pH вредност помеѓу 10-14, што се смета за силен алкален раствор со потенцијал да предизвика хемиски изгореници на очите и кожата - во зависност од концентрацијата и времетраењето на контактот..
2.1 Невообичаени појави
Постојат неколку необични околности каде што спелеотеми се создадени во пештери како резултат на хипералкален исцедок, со иста хемија како што се јавува во [равенките до ]. Оваа хемија може да се појави кога има извор на бетон, вар, малтер или друг вештачки варовнички материјал лоциран над пештерски систем и поврзаниот хипералкален исцедок може да навлезе во пештерата подолу. Пример може да се најде во Пик Дистрикт - Дербишир, Англија, каде што загадувањето од индустриското производство на вар од 19 век се исцедило во пештерскиот систем (на пр. Пуловата пештера) и создало спелеотеми, како што се сталактити и сталагмити.
3 Таложење на CaCO3 и раст на сталактити
Стапките на раст на калтемитските сталактитни сламки, сталагмити и течен камен итн., во голема мера зависат од брзината на снабдување и континуитетот на заситениот раствор на исцедок до местото на таложење на CaCO<sub>3</sub>. Концентрацијата на атмосферскиот CO<sub>2</sub> во контакт со исцедокот, исто така, има големо влијание врз тоа колку брзо CaCO<sub>3</sub> може да се таложи од исцедокот. Испарувањето на растворот на исцедок и температурата на околината се смета дека имаат многу минимално влијание врз брзината на таложење на CaCO<sub>3</sub>.
Сталактитите од калтемитска слама, таложени (нанесени) од хипералкален исцедок, имаат потенцијал да пораснат до ≈200 пати побрзо од нормалните пештерски спелеотеми таложени од раствор со близу неутрална pH вредност. Една калтемитска содна сламка била забележана како расте 2 мм на ден во текот на неколку последователни денови, кога брзината на капење на исцедокот била константна 11 минути помеѓу капнувањата. Кога брзината на капење е почеста од една капка во минута, нема забележливо таложење на CaCO<sub>3</sub> на врвот на сталактитот (оттука нема раст) и растворот од исцедок паѓа на земја каде што се таложи CaCO<sub>3</sub> за да се создаде калтемитски сталагмит. Доколку доводот на исцедок до врвот на сталактитната сламка се намали на ниво каде што брзината на капење е поголема од приближно 25 до 30 минути помеѓу капките, постои можност врвот на сламката да калцифицира и да се блокира. Новите сталактити од сламка често можат да се формираат до претходно активна, но веќе сува (мирна) сламка, бидејќи исцедокот едноставно нашол полесен пат низ микропукнатините и празнините во бетонската структура.
И покрај тоа што и двете се составени од калциум карбонат, сламките од калтемит во просек сочинуваат само 40% од масата по единица должина на сламките од спелеотем со еквивалентен надворешен пречник. Ова се должи на различната хемија вклучена во создавањето на сламките. Калтемитските сламки имаат тенка дебелина на ѕидот и помалку густа структура на калциум карбонат во споредба со спелеотемските сламки.
Калтемитските сламки можат да варираат во надворешниот пречник како што растат во должина. Промените во пречникот може да траат неколку дена или недели и се должат на промените во брзината на капење со текот на времето. Бавно капечката сламка од калтемит има стремеж да биде малку поголема во пречник од брзо капечката сламка.
4 Калцитни сплавови на капки раствор
Калцитните сплавови за прв пат биле забележани од Алисон во 1923 година на капки од раствор прикачени на сталактити од слама добиени од бетон, а подоцна и од Вер Стег. Кога брзината на капење е помала од 5 минути помеѓу капките, калциум карбонатот ќе се таложи на површината на капката од растворот (на крајот од сталактитот) за да формира калцитни сплавови видливи со голо око (до 0,5 mm преку). Доколку стапката на капење е поголема од ≈12 минути помеѓу капките, и има многу малку движење на воздухот, овие сплавови може да се спојат и да се претворат во решетка од калцитни сплавови кои ја покриваат површината на капката. Значително движење на воздухот ќе предизвика сплавовите да се распрснат и нестабилно да се вртат околу површината на капката. Ова турбулентно движење на калцитните сплавови може да предизвика некои да го откинат површинскиот напон на капката и да бидат турнати на надворешната страна на сламениот сталактит, со што се зголемува надворешниот пречник и се создаваат ситни неправилности.
5 Сталагмити
Доколку брзината на капење е поголема од една капка во минута, поголемиот дел од калциум карбонат ќе биде пренесен на земјата, сè уште во раствор. Растворот од исцедок потоа има можност да впие CO<sub>2</sub> од атмосферата (или да го дегазира CO<sub>2</sub> во зависност од реакцијата) и да го таложи CaCO<sub>3</sub> на земјата како сталагмит.
На поголемиот дел од местата во рамките на вештачки бетонски конструкции, калтемитските сталагмити растат единствено до максимум неколку сантиметри во висина и изгледаат како ниски заоблени грутки. Ова е поради ограниченото снабдување со CaCO<sub>3</sub> од патеката на истекување на исцедокот низ бетонот и количината што стигнува до земјата. Нивната местоположба може да го попречи и нивниот раст поради трошење од гуми на возила и пешачки сообраќај.
6 Гури
Калтемитските гури можат да се формираат под бетонски конструкции на под со постепено наклонета површина или на страната на заоблени сталагмити. Кога стапката на капење на исцедокот е почеста од 1 капка во минута, поголемиот дел од калциум карбонатот се носи со исцедокот од долната страна на бетонската конструкција до земјата, каде што се создаваат сталагмити, течен камен и гури. Исцедокот што стигнува до земјата обично брзо испарува поради движењето на воздухот под бетонската конструкција, па оттука микро-гурите се почести од поголемите гури. На места каде што местото на таложење е подложно на абење од гуми на возила или пешачки сообраќај, можноста за формирање микро-гурови е значително намалена.
Калтемитските коралоиди (исто така познати како пуканки) можат да се формираат на долната страна од бетонските конструкции и изгледаат многу слично на оние што се јавуваат во пештерите. Коралоидите можат да се формираат на повеќе различни методи во пештерите, но на бетонот најчестата форма се создава кога хипералкален раствор се впива од фините пукнатини во бетонот. Поради испарувањето на растворот, таложењето на калциум карбонат се случува пред да се формира каква било капка. Резултирачките коралоиди се мали и кредасти со изглед на карфиол.