石の風化における塩混合物

Scientific Reports volume 13、記事番号: 13306 (2023) この記事を引用

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塩に関連した石の風化は、細孔内で繰り返される結晶化サイクルによって加えられる圧力に起因すると考えられています。 相対湿度 (RH) は、溶解および結晶化プロセスの重要な要因です。 自然環境では塩混合物が普及しているにもかかわらず、ほとんどの実験研究は単一の塩に焦点を当てています。 したがって、風化を理解するには、混合塩の組成とその挙動を特定することが必要です。 熱力学計算を使用して、風化した石に含まれる数千の現実的な塩混合物を分析します。 2 つの一般的な混合タイプとその動作を特定します。 理論的に存在する少なくとも 85 種類の塩から、最も頻繁に存在する 14 の一般的な塩が特定され、それらの臨界 RH 点が議論されます。 これらの発見は、塩風化プロセスを理解し、実験的な石材風化研究の計画に情報を与えるのに広範な影響を及ぼします。

塩混合物の挙動は、多孔質材料の腐敗と湿気の蓄積の重要な原因です1、2。 Flatt et al.3 によって詳述されているように、化学機械的プロセスを理解するために、この主題に関する研究が行われてきました。 しかし、ほとんどの研究は個々の塩に焦点を当てており、塩はしばしば混合物として存在し、単一の塩と比較すると異なる挙動を示すという現実を見落としています12、13、14、15、16。 17、18、19、20、21、22、23。 この挙動は腐敗の主な要因であり、環境条件によって引き起こされる結晶化と溶解のサイクルによって引き起こされます。 したがって、臨界結晶化が起こり得る相対湿度 (RH) または温度 (T) は、混合物の組成によって決まります。

現実的な塩混合物の複雑さと塩の挙動の変化を説明するために、次のケーススタディを使用します。 世界遺産、フランスのファール・ド・コルドゥアンにある腐朽石灰岩の塩分含有量が調査されました。 約 75% (20 °C) の結晶化相対湿度を持つ単なる塩化ナトリウム (岩塩) の代わりに、Prokos24 によって記載された発見と同様に、塩の複雑な混合物が発見されました。 混合物の組成により、岩塩は相対湿度が低く、ここでは約 65% (20 °C) で結晶化します。 この変動は崩壊パターンの理解に影響を与え、塩の結晶化サイクルや相変化に対する気候の影響を評価する上で極めて重要です。

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。 他の典型的なイオン源は、石材そのもの、大気中の汚染物質との相互作用、雨水の浸透、建築材料のメンテナンスや保存に使用される製品などに由来します32。

この研究は、建築環境に見られる一般的な塩混合物の特定に焦点を当て、それらを種類に分類します。 この調査は、電荷平衡化されたイオンデータを熱力学モデリングの入力として使用して、RH の変化下での混合物の結晶化挙動の出力を導き出す、イオン測定の大規模なデータセットに基づいています。 さらに、特定された塩の臨界結晶化および溶解範囲が混合組成ごとに調査され、単一の塩としての挙動と比較されます。