칼테마이트

Calthemite
비밀 주차장의 콘크리트 천장에서 자라는 칼테마이트 밀짚 종유석
칼테마이트 밀짚 종유석(오른쪽)은 성장기 공기 이동 방향 때문에 휘어져 있다.

칼테마이트(Calthemite)는 동굴 환경 밖의 콘크리트, 석회, 모르타르 또는 기타 석회 물질로부터 파생된 2차 침전물이다.[1][2] 칼테마이트들은 종유석, 석순, 유암 등과 같은 동굴 분출물의 모양과 형태를 모방하며 인간이 만든 구조물이나 구조물에서 자란다.[3] 칼테마이트(Caltemite)는 라틴 칼렉스(genic calcis) '라임' + 라틴어 <그리스 테마, '누워진 것'이라는 뜻의 '예금'(Mediaeval latin ethea, "예금")과 라틴어 –ita <그리스 -its -its - 미네랄이나 바위를 나타내는 접미사로 사용된다.[1][2] 그 정의(고대 그리스어로 splaion "cave" + théma "deposit") 때문에 "speleothem"[4]이라는 용어는 동굴의 이차 퇴적물을 설명하는 데만 사용할 수 있으며 동굴 환경 밖의 이차 퇴적물은 포함하지 않는다.[3]

기원과 구성

콘크리트를 분해하는 것은 많은 연구의 초점이었고 가장 분명한 징후는 칼슘이 풍부한 침출수가 콘크리트 구조에서 새어나오는 것이다.[5][6][7]

칼테마이트 종유석은 석회석, 대리석 또는 돌로마이트 동굴에 있는 것보다 훨씬 빨리 콘크리트 구조물과 콘크리트(광산과 터널 등)가 늘어선 "인공 동굴"에서 형성될 수 있다.[3][8] 대부분의 칼테마이트들이 일반적인 '말속' 화학과는 다른 화학 반응에 의해 만들어지기 때문이다.

칼테마이트들은 보통 구조물의 밑면에 있는 대기와 접촉할 때까지 석회화 인공구조물을 통해 고팔칼린 용액(pH 9–14)이 스며들면서 주변 공기의 이산화탄소(CO2)가 탄산칼슘을 2차 침전물로 침전시키는 반응을 용이하게 한다. CO는2 반응제(솔루션에서 제거된 CO2)가 제품인 스펠로템 화학과는 반대로 반응제(솔루션으로 분사)이다.[3] 탄산칼슘(CaCO3)의 대부분은 아로나이트와 바테라이트의 다른 덜 안정적이고 다형질인 것과 달리 석회질로서 용액으로부터 촉진되는 형태로 칼테미이트를 만들어낼 가능성이 가장 높다.[1][3]

칼테마이트 플로우스톤은 탄산칼슘( 과 함께 퇴적된 산화철(녹슨 강철 보강재)에 의해 주황색으로 칠해졌다.
콘크리트 물탱크 외부에 있는 칼테마이트 플로우스톤

칼테마이트는 일반적으로 흰색 계열의 탄산칼슘(CaCO3)으로 구성되지만, 침출수에 의해 운반되고 CaCO와3 함께 침전되는 산화철(녹슨 철근)으로 인해 적색, 주황색 또는 황색이[9] 될 수 있다. 구리 파이프의 산화동은 칼로테마이트를 녹색 또는 파란색으로 만들 수 있다.[1] 칼테마이트에는 석고 같은 미네랄도 포함되어 있을 수 있다.[1][3]

칼테마이트의 정의에는 콘크리트 라이닝이 없는 인공 광산과 터널에서 발생할 수 있는 이차 퇴적물도 포함되며, 이차 퇴적물은 공동이 생성된 석회석, 돌로마이트 또는 기타 석회암에서 파생된다. 이 경우 화학은 아래의 천연 석회암 동굴(5~8등분)에서 동굴을 만드는 것과 동일하다. 칼테마이트 형성의 증착은 지구 표면의 인간 개조 이전에 이전에 일어나지 않았던 자연 과정의 한 예로서, 따라서 인류세 특유의 과정을 나타낸다는 것이 제안되어 왔다.[10]

화학 및 pH

콘크리트 위에 종유석이 형성되는 방식은 석회석 동굴에서 자연적으로 형성되는 화학작용과 시멘트에 산화칼슘(CaO)이 존재한 결과물이다. 콘크리트는 골재, 모래, 시멘트로 만든다. 혼합물에 물을 더하면 시멘트의 산화칼슘이 물과 반응하여 수산화칼슘(Ca(OH)2을 형성하는데, 적절한 조건에서 칼슘(Ca2+)과 수산화물(OH−) 이온을 형성하기 위해 더욱 분리될 수 있다[등분 1]. 다음의 모든 화학 반응은 가역성이 있으며 침출수 용액 pH의 영향을 받아 콘크리트 구조물 내의 특정 위치에서 동시에 여러 가지 화학 반응이 발생할 수 있다.[11]

화학 공식은 다음과 같다.

CaO(s) + H2O(l) ⇌ Ca(OH)2(aq) ⇌ Ca2+(aq) + 2OH−(aq)

(등분 1)

수산화칼슘은 탄산칼슘(CaCO3)을 형성하기 위해 어떤 자유 CO와도2 쉽게 반응할 것이다[정량 2].[3][12] 용액은 일반적으로 pH 9~10.3이지만, 이는 콘크리트 내에서 동시에 발생하는 다른 화학 반응에 따라 달라진다.

Ca(OH)2(aq) + CO2(g) ⇌ CaCO3(s) + H2O(l)

(등분 2)

이 반응은 새로 주입된 콘크리트가 설정될 때 혼합물 내에서 CaCO를3 침전시키기 위해 혼합물에서 사용 가능한 모든2 CO가 소모될 때까지 발생한다. 대기 중의 추가 CO는2 계속 반응하며 일반적으로 콘크리트 표면에서 불과 몇 밀리미터로 침투한다.[13][14] 대기 중 CO가2 콘크리트로 매우 멀리 침투할 수 없기 때문에, 집합(경질) 콘크리트 구조물 내에 자유로운 Ca(OH)2가 남아 있다.[14]

설정된 콘크리트의 미세 균열과 공기의 공극을 관통할 수 있는 외부 상수원(예: 비나 스며들음)은 구조물의 하부에 용해된 자유 Ca(OH)2를 쉽게 운반할 수 있다. Ca(OH)2 용액이 대기와 접촉하면 CO가2 용액으로 확산되며 시간이 지남에 따라 반응 [등분 2]는 탄산칼슘을 퇴적시켜 동굴과 유사한 짚 모양의 종유석을 만든다.

약 pH 13.2~13.4의 높은 용액 알칼리성을 지원하는 새로운 콘크리트에 수용성 칼륨과 수산화나트륨이 존재하기 때문에 화학이 다소 복잡해지는 지점이며,[7] 주성 탄소종은32− CO이고 침출수는 Ca로2+ 포화 상태가 된다.[15] 다음과 같은 화학적 공식[등분 3&4]이 발생할 가능성이 가장 높고, 콘크리트 구조물 아래에 종유석을 생성하기 위해 CaCO를3 축적하는 책임을 지는 [등분 4]가 발생할 것이다.[5][11][16][17]

OH−(aq)+(aq) + CO2(g) ⇌ HCO3− ⇌ CO32− + H

(등분 3)

Ca2+(aq) + CO32− ⇌ CaCO3(s)

(등분 4)

용해성 칼륨과 수산화나트륨은 배액 경로를 따라 콘크리트 밖으로 침출되므로 용액 pH는 pH ≤12.5까지 떨어진다.[7] 약 pH 10.3 이하에서는 보다 우세한 화학 반응이 [등분 2]가 될 것이다. 침출수 용액 pH는 어떤 지배적인 탄산염 종(이온)이 존재하는가에 영향을 미치므로,[11][16][18] 한 때 콘크리트 구조물 내에서 하나 이상의 다른 화학 반응이 발생할 수 있다.[1]

수산화칼슘(Ca(OH)2은 아마도 수십 년 또는 수백 년 된 매우 오래된 석회, 모르타르 또는 콘크리트 구조물에서 모든 용액 침투 경로에서 침출되었을 수 있으며 pH가 pH 9 이하로 떨어질 수 있다. 이를 통해 석회암 동굴 [5~8등분]에서 동굴을 만드는 것과 유사한 과정이 발생할 수 있다. 따라서 CO가2 풍부한 지하수나 빗물은 탄소산(HCO23)[17][19]을 형성하고 용액이 오래된 균열을 통해 스며들 때 구조물에서 Ca를2+ 침출한다[등분 7].[15] 이는 느슨한 자재를 안정화하기 위해 차량 내부나 철도 터널과 같이 얇은 층의 콘크리트에서 발생할 가능성이 더 높다.[20] [Equentation 8]이 CaCO를3 칼테마이트 생성에 예치하고 있다면, 약한 알칼리성 침출수는 하이퍼칼라인 용액에 비해 Ca2+ 운반 용량이 낮기 때문에 [Equents 2, 4]보다 성장 속도가 훨씬 느릴 것이다.[17] CO는2 CaCO가3 축적되어 칼테마이트 종유석이 생성됨에 따라 용액에서 탈가스가 발생한다.[19] CO2 부분압력(PCO2) 증가와 낮은 온도는 용액의 HCO3− 농도를 증가시킬 수 있고 침출수의 Ca2+ 운반 용량을 증가시킬 [21]수 있지만, 용액은 여전히 [Equities 1 - 4]의2+ Ca 운반 용량을 달성하지 못할 것이다.

H2O + CO2 ⇌ H2CO3

(등분 5)

H2CO3 ⇌ HCO3− + H+ ⇌ CO32− + 2H+

(등분 6)

2H+ + CO32− + CaCO3 ⇌ 2HCO3− + Ca2+

(등분 7)

2HCO3− + Ca2+(aq) ⇌ CaCO3(s) + HO2(l) + CO2(g)

(등분 8)

반응[등분 5~8]은 [등분 9][3]에 나타난 반응으로 단순화할 수 있으나, 탄산(HCO23)과 다른 종의 존재는 생략한다. 화학적 공식 [Equentation 9]는 보통 석회석 동굴에서 "스피엘로테스"를 만든다고 인용되지만, 이 경우 약한 탄산이 구 콘크리트에서 이전에 침전된(기하된) 탄산칼슘(CaCO3)을 침출하고 CO를2 퇴화시켜 칼로테마이트를 만드는 것이다.

CaCO3(s) + H2O(l) + CO2(aq) ⇌ Ca(HCO3)2(aq) ⇌ CaCO3(s) + H2O(l) + CO2(g)

(등분 9)

침출수가 오래된 콘크리트의 미세 균열을 통해 새로운 경로를 찾는다면, 이는 지배적인 반응을 [등분 2]로 되돌릴 수 있는 수산화칼슘(Ca(OH)2의 새로운 공급원을 제공할 수 있다. 콘크리트 분해의 화학은 상당히 복잡하며 탄산칼슘 증착과 관련된 화학만 [등분 1 - 9]에서 고려된다. 칼슘은 또한 칼슘 알루미늄 하이드레이트와 칼슘 알루미늄 철 하이드레이트와 같은 콘크리트의 다른 수화 제품의 일부분이다. 화학 물질 [Equents 1~4]는 인공 콘크리트 구조물에서 발견되는 대부분의 칼테마이트 종유석, 종유석, 유석 등을 만드는 역할을 한다.[1]

마에카와 외, (2009)[11] 페이지 230은 용액 내 탄소산(HCO23, HCO3−, CO32−)과 pH의 평형 관계를 보여주는 우수한 그래프를 제공한다.[11] 탄산은 탄산염과 중탄산염을 모두 포함한다. 그래프는 특정 pH에서 콘크리트 내에서 한 가지 이상의 화학 반응이 어떻게 동시에 발생하는지를 이해하는 데 좋은 시각적 도움을 준다.

칼테마이트를 생성하는 침출수 용액은 일반적으로 10-14 사이의 pH에 도달할 수 있으며, 이는 농도와 접촉 기간에 따라 눈과 피부에 화학적 화상을 일으킬 수 있는 잠재성을 가진 강력한 알칼리성 용액으로 간주된다.[22][23][24]

비정상적인 발생

[등분 1부터 4까지]에서와 같은 화학적 작용을 가지고, 초알칼린 침출수의 결과로 동굴에 동굴이 만들어진 몇 가지 특이한 상황이 있다.[17][19] 이러한 화학 작용은 동굴 시스템 위에 콘크리트, 석회, 모르타르 또는 기타 인공 석회 물질의 원천이 있을 때 발생할 수 있으며 관련 하이퍼알칼린 침출수가 아래 동굴로 침투할 수 있다. 19세기 산업 석회 생산의 오염이 아래 동굴 시스템(예: 풀의 동굴)으로 스며들어 종유석이나 석순과 같은 동굴을 만든 영국 더비셔주 피크 지구에서 그 예를 찾아볼 수 있다.[17][19]

CaCO3 침적 및 종유석 성장

칼테마이트 밀짚 종유석은 좋은 조건에서 하루에 2mm까지 자랄 수 있다. 이것은 비밀 콘크리트 주차장에서 자라고 있다.

칼테마이트 종유석 빨대, 종유석, 유석 등의 증가율은 CaCO3 증착장소에 대한 포화 침출수 용액의 공급률과 연속성에 크게 좌우된다. 침출수와 접촉하는 대기 중 CO의2 농도도3 CaCO가 침출수로부터 얼마나 빨리 침전할 수 있는가에 큰 영향을 미친다. 침출수 용액의 증발과 주변 대기 온도는 CaCO3 증착률에 거의 영향을 미치지 않는 것으로 보인다.[1][25]

초알칼린 침출수에서 침전된(퇴전된) 칼테마이트 짚 종유석은 중성 pH 용액에서 침전된 정상 동굴 분출물보다 최대 200파운드가 더 빨리 자랄 수 있는 잠재력을 가지고 있다.[1][8] 한 칼테마이트 소다 빨대는 침출수 방울 비율이 드리프 사이 11분 동안 일정하게 떨어졌던 며칠 연속 하루에 2mm씩 성장하는 것으로 기록되었다.[1] 분당 1방울 이상의 낙하 빈도가 있을 때 종유석 끝에는 CaCO의3 식별 가능한 침적(성장 없음)이 없고 침출수 용액은 CaCO가3 퇴적된 지면에 떨어져 칼테마이트 종유석을 만든다. 종유석 짚끝에 대한 침출수 공급이 방울 사이 약 25~30분 이상 떨어지는 수준으로 줄어들면 짚끝이 석회화돼 막힐 가능성이 있다.[1] 침출수가 콘크리트 구조물의 미세 균열과 공극을 통해 더 쉬운 길을 발견했기 때문에, 새로운 짚 종유석은 종종 이전에 활동했지만 지금은 건조한 짚 옆에 형성될 수 있다.

Calcium Carbonate로 구성되어 있음에도 불구하고 Caltemite 빨대는 동일한 외경의 spleothem 빨대 단위 길이당 평균 40%의 질량밖에 되지 않는다. 빨대를 만드는 과정에서 서로 다른 케미스트리가 작용했기 때문이다. 칼테마이트 빨대는 벽두께가 얇고 탄소산칼슘 구조가 스피레오템 빨대에 비해 약하다.[26]

칼테마이트 빨대는 길이에 따라 외경이 달라질 수 있다. 직경의 변화는 며칠 또는 몇 주가 걸릴 수 있으며, 시간이 지남에 따라 떨어지는 비율의 변화에 기인한다. 천천히 떨어지는 칼테마이트 빨대는 빠르게 달리는 빨대보다 지름이 약간 더 큰 경향이 있다.[26]

외부 지름이 다양한 칼테마이트 빨대는 성장기 동안 시간에 따른 드립 비율의 변화에 영향을 받았다.

용액 방울 위의 석회석 뗏목

천천히 떨어지는 칼테마이트 밀짚방울에 석회석 뗏목 격자가 형성되었다.

캘카이트 뗏목은 1923년[27] 앨리슨에 의해 콘크리트에서 파생된 짚 종유석에 부착된 용액 방울에 의해 처음 관찰되었고, 이후 베르 스티그에 의해 관찰되었다.[25] 방울 사이의 방울 비율이 ≥5분일 때 탄산칼슘이 용액 낙하 표면(종유석 끝)에 침전되어 육안으로 보이는 석회석 뗏목을 형성하게 된다([1]폭 0.5mm까지). 낙하 간격이 12분 이상이고 공기의 움직임이 거의 없을 경우 이들 뗏목이 합류해 낙하면을 덮는 석회석 뗏목 격자가 될 수 있다.[1] 상당한 공기의 움직임은 뗏목이 흩어지게 하고 낙하 표면 주위에서 격렬하게 회전하게 할 것이다. 이러한 석회암 뗏목의 격동적인 움직임은 일부 뗏목들이 낙하물의 표면 장력을 잘라내고 짚 종유석의 바깥쪽으로 밀리게 하여 외경을 증가시키고 미세한 부조리를 일으킬 수 있다.[1]

석순

콘크리트 바닥에 있는 칼테마이트 석순
작고 둥근 종유석 위의 칼테마이트 마이크로 유리 - 콘크리트에서 파생된 2차 침전물
콘크리트 구조물과 짚 종유석 밑면에 자라는 칼테마이트 코랄로이드
콘크리트 벽면에 있는 칼테마이트 플로우스톤, 산화철(녹슨 강철 보강재)으로 얼룩진 주황색 및 탄산칼슘이 퇴적되어 있음
콘크리트 건물 아래 구리 파이프에서 자라는 칼테마이트 플로우스톤과 짚 종유석.

분당 1방울 이상의 낙하속도가 빠를 경우 CaCO의3 대부분은 여전히 해결된 상태로 지상으로 운반될 것이다.[1] 침출수 용액은 대기 중 CO를2 흡수(또는 반응에2 따라 CO를 디가스)하고 CaCO를3 종유석으로 지면에 침전시킨다.

인공 콘크리트 구조물 내의 대부분의 장소에서, 칼테마이트 종유석은 최대 몇 센티미터 높이까지만 자라며, 낮은 둥근 덩어리처럼 보인다.[28] 콘크리트를 통한 침출수 침출로에서 나오는 CaCO의3 공급과 지상에 도달하는 양이 제한적이기 때문이다. 그들의 위치는 또한 차량 타이어와 보행자 교통의 마모로 인해 성장을 억제할 수 있다.[2]

림스톤 또는 구스

칼테마이트 림스톤이나 관은 점차 경사진 표면이 있는 바닥이나 둥근 종유석의 측면에 있는 콘크리트 구조물 아래를 형성할 수 있다. 침출수 방울이 분당 1방울 이상 잦을 때 탄산칼슘의 대부분은 콘크리트 구조물 밑면에서 침출수에 의해 지상으로 운반되며, 석순, 유암, 통이 생성된다.[1] 지상에 도달하는 침출수는 보통 콘크리트 구조물 아래의 공기 이동으로 인해 빠르게 증발하기 때문에 미세한 게 큰 통보다 더 흔하다.[citation needed] 차량용 타이어 또는 보행자 통행에 의해 침적장이 마모될 수 있는 위치에서는 마이크로 통풍 형성 가능성이 크게 감소한다.

코랄로이드

칼테마이트 코랄로이드(일명 팝콘)는 콘크리트 구조물 밑면에 형성될 수 있으며 동굴에서 발생하는 코랄로이드와 매우 유사하게 보인다. 코랄로이드는 동굴에서 다양한 방법으로 형성될 수 있지만 콘크리트에서는 콘크리트의 미세한 균열로 인해 하이퍼알칼린 용액이 스며들 때 가장 흔한 형태가 만들어진다. 용액 증발 때문에 탄산칼슘의 침적은 어떤 방울도 형성되기 전에 일어난다. 그 결과 발생하는 코랄로이드들은 작고 분필적이며 콜리플라워 모양도 있다.[citation needed]

참고 항목

참조

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외부 링크