La calthemita es un depósito secundario, derivado del hormigón , cal , mortero u otro material calcáreo fuera del entorno cavernario . [1] [2] Las calthemitas crecen sobre o debajo de estructuras artificiales e imitan las formas y formas de los espeleotemas de cuevas , como estalactitas , estalagmitas , piedras flotantes, etc. [3] La calthemita se deriva del latín calx (genitivo calcis ) "cal " + latín < griego théma , "depósito" que significa 'algo depositado', (también latín medieval thema , "depósito") y el latín –ita < griego -itēs – usado como sufijo que indica un mineral o roca. [1] [2] El término " espeleotema ", [4] debido a su definición ( spēlaion "cueva" + théma "depósito" en griego antiguo) sólo puede usarse para describir depósitos secundarios en cuevas y no incluye depósitos secundarios en el exterior. el entorno de la cueva. [3]
La degradación del hormigón ha sido el foco de muchos estudios y el signo más evidente es el lixiviado rico en calcio que se filtra de una estructura de hormigón. [5] [6] [7]
Las estalactitas de calthemita pueden formarse en estructuras de hormigón y "cuevas artificiales" revestidas de hormigón (por ejemplo, minas y túneles) mucho más rápido que las de cuevas de piedra caliza , mármol o dolomita . [3] [8] Esto se debe a que la mayoría de las calthemitas se crean mediante reacciones químicas que son diferentes de la química normal de los " espeleotemas ".
Las calthemitas suelen ser el resultado de una solución hiperalcalina ( pH 9-14) que se filtra a través de una estructura calcárea hecha por el hombre 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 solución) a diferencia de la química de los espeleotemas donde el CO 2 es el producto (desgasificado de la solución). [3] Es muy probable que la mayor parte del carbonato de calcio (CaCO 3 ) cree calthemitas en formas que, imitando espeleotemas, se precipite de la solución como calcita a diferencia de otros polimorfos , menos estables, de aragonita y vaterita . [1] [3]
Las calthemitas generalmente están compuestas de carbonato de calcio (CaCO 3 ), que es predominantemente de color blanco, pero puede ser de color [9] rojo, naranja o amarillo debido al óxido de hierro (proveniente de la oxidación del refuerzo) que es transportado por el lixiviado y depositado junto con el CaCO 3. . El óxido de cobre de las tuberías de cobre puede hacer que las calthemitas adquieran un color verde o azul. [1] Las calthemitas también pueden contener minerales como el yeso. [1] [3]
La definición de calthemitas también incluye depósitos secundarios que pueden ocurrir en minas y túneles artificiales sin revestimiento de concreto, donde el depósito secundario se deriva de piedra caliza, dolomita u otra roca natural calcárea en la que se ha excavado 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 había ocurrido antes de la modificación humana de la superficie de la Tierra y, por lo tanto, representa un proceso único del Antropoceno . [10]
La forma en que se forman las estalactitas sobre el hormigón se debe a una química diferente a la 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 se elabora a partir 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 un lugar específico dentro de una estructura de concreto, influenciada por el pH de la solución de lixiviado . [11]
La fórmula química es:
El hidróxido de calcio reaccionará 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 qué otras reacciones químicas también estén ocurriendo al mismo tiempo dentro del concreto.
Esta reacción ocurre en el concreto recién vertido a medida que fragua, para precipitar 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 y normalmente penetrará sólo unos pocos milímetros desde 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 fraguada (dura). [14]
Cualquier fuente de agua externa (por ejemplo, lluvia o filtración) que pueda penetrar las microfisuras y los huecos de aire en el hormigón 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 potasio y sodio solubles en el concreto nuevo, lo que soporta una mayor alcalinidad de la solución 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 se produzcan las siguientes fórmulas químicas [Ecuaciones 3 y 4 ], y la [ Ecuación 4 ] es responsable de la deposición de CaCO 3 para crear estalactitas debajo de estructuras de hormigón. [5] [11] [16] [17]
A medida que los hidróxidos de potasio y sodio solubles se lixivian del concreto a lo largo del camino de filtración, el pH de la solución caerá a pH ≤12,5. [7] Por debajo de aproximadamente pH 10,3, la reacción química más dominante será [ Ecuación 2 ]. El pH de la solución de lixiviado influye en qué especies de carbonato 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 antiguas de cal, mortero u hormigón, posiblemente de decenas o cientos de años, el hidróxido de calcio (Ca(OH) 2 ) puede haberse lixiviado de todas las vías de filtración de la solución y el pH podría caer por debajo de pH 9. Esto podría permitir se produzca un proceso similar al que crea espeleotemas en cuevas de piedra caliza [Ecuaciones 5 a 8 ]. Por lo tanto, el agua subterránea rica en CO 2 o el agua de lluvia formarían ácido carbónico (H 2 CO 3 ) (≈pH 7,5 – 8,5) [17] [19] y lixiviarían Ca 2+ de la estructura a medida que la solución se filtra a través de las antiguas grietas [ Ecuación 7 ]. [15] Es más probable que esto ocurra en capas delgadas de hormigón, como las que se rocían dentro de túneles de vehículos o ferrocarriles para estabilizar el material suelto. [20] Si [ Ecuación 8 ] está depositando CaCO 3 para crear calthemitas, su crecimiento será a un ritmo mucho más lento que [Ecuaciones 2 y 4 ], ya que el lixiviado alcalino débil tiene una menor capacidad de transporte de Ca 2+ en comparación con el lixiviado 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 de la presión parcial de CO 2 (P CO 2 ) y una temperatura más baja pueden aumentar la concentración de HCO 3 − en la solución y dar como resultado una mayor capacidad de transporte de Ca 2+ del lixiviado, [21] sin embargo, la solución aún no lo hará. alcanzar la capacidad de transporte de Ca 2+ de [Ecuaciones 1 a 4 ]
Las reacciones [Ecuaciones 5 a 8 ] podrían simplificarse a la que se muestra en la [ Ecuación 9 ], [3] sin embargo se omite la presencia de ácido carbónico (H 2 CO 3 ) y otras especies . Generalmente se cita que la fórmula química [ Ecuación 9 ] crea "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 concreto viejo y desgasificando el CO 2 para crear calthemitas.
Si el lixiviado encuentra un nuevo camino a través de microfisuras 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 en las [Ecuaciones 1 a 9 ] solo se considera la química relacionada con la deposición de carbonato de calcio . El calcio también forma parte de otros productos de hidratación del hormigón, como los hidratos de calcio y aluminio y el hidrato de calcio y aluminio y hierro. Los químicos [Ecuaciones 1 a 4 ] son responsables de crear la mayoría de las estalactitas, estalagmitas, piedras fluidas, etc. de calthemita, que se encuentran en estructuras de hormigón artificiales. [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 ocurrir más de una reacción química al mismo tiempo dentro del concreto a un pH específico.
Las soluciones de lixiviado que crean calthemitas normalmente pueden alcanzar un pH entre 10 y 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]
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 concreto, 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 procedente de la producción industrial de cal del siglo XIX se ha filtrado al sistema de cuevas que se encuentra debajo (por ejemplo, la Caverna de Poole ) y ha creado espeleotemas, como estalactitas y estalagmitas. [17] [19]
Las tasas de crecimiento de estalactitas, estalagmitas y piedras fluidas de calthemita, etc., dependen en gran medida de la tasa de suministro y la continuidad de la solución saturada de lixiviado hasta el lugar de 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 precipitar del lixiviado. La evaporación de la solución de lixiviado y la temperatura atmosférica ambiente parecen tener una influencia mínima sobre 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 cuevas normales precipitados a partir de una solución de pH casi neutro . [1] [8] Se ha registrado que una pajita de calthemita crece 2 mm por día durante varios días consecutivos, cuando la tasa de goteo del lixiviado era constante de 11 minutos entre goteos. [1] Cuando la tasa de goteo es más frecuente que una gota por minuto, no hay deposición discernible 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 . Crea una estalagmita de calthemita. Si el suministro de lixiviado a la punta de la pajita de estalactita se reduce a un nivel en el que la velocidad de goteo es superior a aproximadamente 25 a 30 minutos entre gotas, existe la posibilidad de que la punta de la pajita 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 concreto.
A pesar de que ambas están compuestas 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 espesor 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 su 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 tasa de goteo a lo largo del tiempo. Una pajita de calthemita que gotea lentamente tiende a tener un diámetro ligeramente mayor que una pajita que gotea rápidamente. [26]
Las balsas de calcita fueron observadas por primera vez por Allison en 1923 [27] en gotas de solución adheridas a estalactitas de paja derivadas de 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 la 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 superior a ≈12 minutos entre gotas 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 turbulentamente alrededor de la superficie de la gota. 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]
Si la velocidad de goteo es superior a una gota por minuto, la mayor parte del CaCO 3 será transportado al suelo, todavía en solución. [1] La solución de lixiviado tiene entonces la posibilidad de absorber CO 2 de la atmósfera (o desgasificar el 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 estructuras de hormigón artificiales, las estalagmitas de calthemita solo crecen hasta un máximo de unos pocos centímetros de altura y parecen bultos bajos y redondeados. [28] Esto se debe al suministro limitado de CaCO 3 desde el camino de filtración del lixiviado a través del concreto 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]
Se pueden formar piedras de calthemita o gours debajo de estructuras de concreto en un piso con una superficie inclinada gradual o en el costado de estalagmitas redondeadas. Cuando la tasa de goteo del lixiviado es superior a 1 gota por minuto, la mayor parte del carbonato de calcio es transportado por el lixiviado desde la parte inferior de la estructura de hormigón hasta el suelo, donde se crean estalagmitas, piedras fluidas y gours. [1] El lixiviado que llega al suelo generalmente se evapora rápidamente debido al movimiento del aire debajo de la estructura de concreto, por lo que los micro-gours son más comunes que los más grandes. [ cita necesaria ] En lugares donde el sitio de deposición está sujeto a la abrasión de los neumáticos de los vehículos o el tráfico de peatones, la posibilidad de que se formen microgours se reduce considerablemente.
Los coraloides de calthemita (también conocidos como palomitas de maíz ) se pueden formar en la parte inferior de las estructuras de hormigón y tienen un aspecto muy similar a los que se encuentran en las cuevas. Los coraloides pueden formarse mediante varios métodos diferentes en las cuevas; sin embargo, en el concreto, la forma más común se crea cuando una solución hiperalcalina se filtra desde finas grietas en el concreto. Debido a la evaporación de la solución, se produce la deposición de carbonato de calcio antes de que se pueda formar una gota. Los coraloides resultantes son pequeños y calcáreos con apariencia de coliflor. [ cita necesaria ]
