Солевые смеси при выветривании камня

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 13306 (2023) Цитировать эту статью

538 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Выветривание камней, связанное с солью, объясняется давлением, оказываемым повторяющимися циклами кристаллизации внутри пор. Относительная влажность (ОВ) является ключевым фактором процессов растворения и кристаллизации. Несмотря на преобладание смесей солей в естественной среде, большая часть экспериментальных работ сосредоточена на отдельных солях. Таким образом, идентификация состава солевой смеси и ее поведения необходима для понимания выветривания. Термодинамические расчеты используются для анализа нескольких тысяч реалистичных смесей солей, обнаруженных в выветриваемом камне. Мы выделяем два распространенных типа смесей и их поведение. Из по меньшей мере 85 теоретически существующих видов солей идентифицированы 14 обыкновенных солей, которые встречаются наиболее часто, и обсуждаются их критические точки относительной влажности. Эти результаты имеют далеко идущие последствия для понимания процессов солевого выветривания и обоснования планирования экспериментальных исследований выветривания камня.

Поведение солевых смесей является важной причиной гниения и накопления влаги в пористых материалах1,2. Исследования по этому вопросу были проведены для понимания химико-механических процессов, как подробно описано Флаттом и др.3. Однако большинство исследований сосредоточено на отдельных солях4,5,6,7,8,9,10,11, упуская из виду тот факт, что соли часто существуют в смесях и ведут себя иначе по сравнению с отдельными солями 12,13,14,15,16, 17,18,19,20,21,22,23. Такое поведение является ключевым фактором распада и вызвано циклами кристаллизации и растворения, вызванными условиями окружающей среды. Таким образом, относительная влажность (RH) или температура (T), при которой может произойти критическая кристаллизация, определяется составом смеси.

Чтобы проиллюстрировать сложность реалистичных солевых смесей и изменения поведения соли, используется следующий практический пример. Исследовано содержание соли в разлагающемся известняке на объекте Всемирного наследия Фар-де-Кордуан, Франция. Вместо просто хлорида натрия (галита), относительная влажность кристаллизации которого составляет около 75% (20 °C), была обнаружена сложная смесь солей, аналогичная результатам, описанным Прокосом24. Состав смеси приводит к кристаллизации галита при более низкой относительной влажности, в данном случае около 65% (20 °C). Это изменение влияет на наше понимание закономерностей распада и имеет решающее значение для оценки влияния климата на циклы кристаллизации соли и фазовые изменения.

In theory, more than 85 possible salt phases can form when considering ions that might be found in stones, including relatively common ones (e.g., chloride, nitrate, sulfate, sodium, potassium, magnesium, and calcium), and less common ions (e.g., (bi)carbonate, fluoride, phosphate, nitrite, oxalate, ammonium, acetate, and formate)25,26. By limiting focus to common ions, a total of 40 salt phases remain27. Commonly found ions have many origins, a typical example can be found in churches where hundreds of buried human remains directly influence the salt type and content deposited in the stone materials over time. Ions from decomposing organic materials, typical ions in groundwater and other contaminations are transported into porous materials by capillary forces, leading to the crystallization of salts at the drying front, followed by the deposit and further creep of more soluble salts at heights beyond the reach of pure water25,28,29,3.0.CO;2-G ." href="#ref-CR30" id="ref-link-section-d242519422e590_2"> 30,31. Другими типичными источниками ионов являются сами каменные материалы, взаимодействие с загрязняющими веществами в атмосфере, просачивающаяся дождевая вода и продукты, используемые для обслуживания или консервации строительных материалов32.

Это исследование направлено на идентификацию смесей поваренной соли, встречающихся в искусственной среде, и классификацию их по типам. Исследование основано на большом наборе данных измерений ионов, для которых данные по ионам со сбалансированным зарядом используются в качестве входных данных для термодинамического моделирования с целью получения результатов поведения кристаллизации смеси при изменении относительной влажности. Кроме того, критические диапазоны кристаллизации и растворения идентифицированных солей исследуются для каждого состава смеси и сравниваются с поведением в виде отдельной соли.