صفحه اصلی > سنگ و زمین : بررسی انحلال و زوال پذیری نمونه هایی از سنگ‌های ساختمانی در محلول‌های اسید سولفوریک (H2SO4) و اسید نیتریک (HNO3)

بررسی انحلال و زوال پذیری نمونه هایی از سنگ‌های ساختمانی در محلول‌های اسید سولفوریک (H2SO4) و اسید نیتریک (HNO3)

اثر باران اسیدی

“سنگنامگ” شماره دو – اسفند 1404 نویسنده : مهرداد گردکانه

تاثیرات باران اسیدی
يکي از مشکلات ناشی از آلودگی هوا بارش باران‌های اسيدی است، سولفات (SO₄) و نیترات(NO₃) از آلاینده‌ها‌ی شاخص مناطق با اتمسفرهای آلوده هستند که در اثر ترکیب شدن با يون‌های هيدروژن، محلول‌های اسيد سولفوريک و اسيد نيتريک را تشکيل می‌دهند. اين محلول‌ها از عوامل مهم در انحلال و زوال‌پذيری سنگ‌های ساختمانی هستند. با توجه به نوع و PH محلول اسيدی، اثرات آنها روی سنگ‌ها متفاوت است. در اينجا 14 نمونه سنگ ساختمانی با منشأهای مختلف تهيه شد و به منظور بررسی انحلال و زوال پذیری آنها و همچنين مقايسه اثر انحلالی اسيد سولفوريک و اسيد نيتريک، بر روی آنها آزمايش دوام (Durability Test) تا 15 چرخه در این محلول‌ها با PH=1.5, PH=3, PH=5 و آب شرب با PH=7.3 انجام و شاخص دوام محاسبه شد. نتايج نشان می‌دهد نمونه‌های با ترکيب غيرکربناتی در برابر اين اسيدها مقاوم و نمونه‌های با ترکيب کربناتی ، نامقاوم هستند. افزون بر اين، مقايسه نتايج شاخص دوام نشان می‌دهد اثر انحلالی اسيد سولفوريک نسبت به اسيد نيتريك، 0.06 تا 0.93 درصد بیشتر است. همچنین با کاهش pH هرکدام از اين اسيدها، انحلال نمونه‌ها بیشتر شده است. در پايان با توجه به نتايج به دست آمده، مناسب‌ترين سنگ‌ها برای نمای بيرونی ساختمان‌ها پيشنهاد شده است.
باران اسیدی چیست

باران اسیدی ( acid rain )  به بارش باران یا هر شکل دیگری از رسوب (مانند برف، تگرگ یا مه) گفته می‌شود که دارای اسیدیته بالاتر از حد معمول pH کمتر از ۵.۶ است. این پدیده ناشی از انتشار آلاینده‌هایی مانند دی‌اکسید گوگرد (SO₂) و اکسیدهای نیتروژن (NOx) در جو است که در اثر واکنش با بخار آب و سایر مواد شیمیایی موجود در هوا، اسیدهایی مانند اسید سولفوریک (H2SO4) و اسید نیتریک (HNO3) را تشکیل می‌دهند.   

بسیاری از واکنش‌های آبی، گوگرد را از گوگرد چهار ظرفیتی به گوگرد شش ظرفیتی اکسید می‌کنند که منجر به تولید سولفوریک اسید می‌گردد. مهم‌ترین واکنش‌های اکسیدکننده عبارتند از واکنش با ازون، هیدروژن پرکسید و اکسیژن است. البته این نکته را باید در نظر گرفت که با حضور ذرات آهن و منگنز در قطرات ابر، این واکنش‌ها تسریع می‌شوند.

وقتی گازهای گوگرد دی‌اکسید SO2 و نیتروژن دی‌اکسید NO2 در باران حل می‌شوند، طبق واکنش‌های زیر تولید اسید می‌کنند.

2SO2(g) + O2(g) → 2SO3(g)

رابطه ۱

SO3(g) + H2O(l) → H2SO4(aq)

رابطه ۲

2NO(g) + O2(g) → 2NO2(g)

رابطه ۳

4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g) → 4HNO3(aq)

رابطه ۴

از منابع تولید گازهایی که موجب اسیدی شدن باران می‌شوند، کارخانه‌هایی هستند که از سوخت‌های فسیلی استفاده می‌کنند. دومین منبع مهم تولید این گازها خودروها می‌باشند. اما قبل از صنعتی‌شدن و ظهور کارخانه‌ها و تکیه بر هیدروکربن‌ها مانند زغال‌سنگ، بنزین، نفت خام و غیره، باران اسیدی یک رویداد نادر بود. در دهه‌های اخیر این شکل از باران به یک رویداد رایج تبدیل شده است.

بارش اسیدی شامل سولفات‌ها ۵۰ تا ۶۰٪، نیترات‌ها ۲۵ تا ۳۰٪ و کلریدها ۱۵٪ است که به دو صورت رخ می‌دهد:

بارش تر:
هنگامی به وقوع می‌پیوندد که بارش‌هایی مانند باران و برف با خود اسید را به سطح زمین برسانند.

بارش خشک:
بارش خشک اسیدی نیز ممکن است در غیاب باران و برف اتفاق بیفتد. این پدیده که مسئول ۲۰ تا ۶۰ درصد بارش‌های اسیدی است، هنگامی اتفاق می‌افتد که ذرات و گازها روی زمین، گیاهان و سطوح دیگر بچسبند یا با آن‌ها تماس پیدا کنند.

اثرات باران اسيدی بر محيط زيست

اثر بر رشد درختان و جنگل‌ها : باران اسيدی از چند راه به درختان آسيب می‌رسانند. يكي آنكه اختلالاتی در روزنه برگ‌های درختان ايجاد می‌كنند كه سبب ازدياد تعريق و كمبود آب درخت می‌شود. باران اسيدی خاك را اسيدی می‌كند و به ريشه‌های درختان آسيب می‌رساند بنابراين جذب آب و مواد تغذيه‌ای درخت كاهش می‌يابد. همچنين باران اسيدی مواد معدنی مورد نياز خاك را می‌شويد، و اين مواد به آبهای زيرزمينی رانده می‌شوند و بالاخره ساختارهای سطحی پوست و برگ‌ها با باران اسيدی تخريب می‌شود.

اثر بر زندگی آبزيان: باران‌های اسيدی با اسيدی كردن آب درياچه‌ها و رودخانه‌ها موجب مرگ ماهی‌ها و ديگر آبزيان می‌شوند. درياچه‌های مرده ( درياچه‌های بدون ماهی ) در بيشتر مكان‌ها به همان صورت قبلي خود وجود دارند ولي هيچ گونه ماهی در آب اسيدی شده آنها نمی‌تواند زندگی كند. ماهی قزل آلا و ماهي خاردار در PH كمتر از 5 و صدف ها در PH كمتر از 6/5 می‌ميرند .

اثر بر ساختمان‌ها : آثار باران اسيدی بر ساختار سنگ‌ها و فلزات به كار رفته در نمای ساختمان‌ها و مجسمه‌های سنگی به صورت بازگشت ناپذير اثر ويرانگری اخاصی دارد. با آسيب ديدن بناهای سنگی ميراث فرهنگی ملت‌ها نيز تحليل می‌رود.

تصویری از اثر باران اسیدی بر روی سنگ

اثر بر صنعت حمل و نقل: هر دو صنعت راه آهن و هواپيما سالانه به دليل ريزش باران اسيدی مقدار زيادی هزينه می‌كنند. پل‌های فلزی به دليل فرسايش كارایی خود را از دست می‌دهند .

اثر باران اسيدی بر انسان: انسان نيز می‌تواند در اثر باران اسيدی به طور جدی آسيب ببيند تا حدی كه منجر به مرگ او شود .

يكي از اثرات باران اسيدی بر روی انسان مسئله تنفس اوست. بسياری از مردم در اثر باران اسيدی مشكل تنفسی پيدا می‌كنند، به خصوص افرادی كه آسم دارند. از اثرات گازهای SO2 و Nox ها بر روی انسان سرفه‌های خشك، سر درد، گلو درد و عصبانيت می‌باشد. باران اسيدی می‌تواند بوسيله گياهان هم از طريق خاك و هم به طور مستقيم جذب شود، همچنين جاندارانی كه اين گياهان را می‌خورند. وقتي انسان از اين گياهان يا گوشت جانداران استفاده می‌كند روی مغز و كليه او اثر می‌گذارد و می‌تواند موجب بيماری آلزايمر در انسان شود.

تاثیر باران اسیدی بر انواع سنگ نماها به چه صورت است

همانطور که در بخش بالا در مورد باران‌های اسیدی گفته شد،  باران‌های اسیدی می‌توانند تأثیرات مخربی بر انواع سنگ‌های نما بگذارند. کسانی که بدنبال داشتن نمای ساختمان زیبا و مقاومی هستند، با دانستن تاثیر اسید بر انواع سنگ‌های نما و انجام اقدامات موثر در جهت مقاوم سازی نمای ساختمان خودشان گامی بزرگی برمی دارند، از جمله این تاثیرات موارد زیر می‌باشد:

  • انحلال: اسیدها می‌توانند مواد معدنی تشکیل‌دهنده سنگ را حل کرده و باعث ایجاد حفره‌ها، شکاف‌ها و تخریب سطح سنگ شوند، و این خود باعث از بین رفتن زیبایی نمای ساختمان می‌شود .
  • تغییر رنگ: وقتی اسید با مواد معدنی سنگ نما واکنش می‌دهد باعث می‌شود که رنگ سنگ نما عوض شود.
  • تخریب ساختاری: با گذشت زمان و تکرار تماس با اسید، ساختار داخلی سنگ تضعیف شده و مقاومت آن در برابر عوامل محیطی دیگر کاهش می‌یابد.
  • پوسته‌پوسته شدن: در برخی موارد، اسید باعث پوسته‌پوسته شدن سطح سنگ می‌شود که به زیبایی ظاهری آن آسیب می‌زند.
سوراخ شدن سنگ ها در باران اسیدی
1- مواد و روش پژوهش:

در اين پژوهش 14 نمونه سنگ ساختمانی با منشأهای مختلف تهيه شد. ويژگی‎های سنگ شناسی با تهيه مقاطع نازک و ويژگی‌های فيزيکی نمونه‌ها شامل چگالی، وزن مخصوص(GS)، تخلخل و جذب آب بر اساس استاندارد  ISRM(1981) مورد بررسی قرار گرفته است. به منظور بررسی انحلال و زوال پذيری نمونه‌ها و همچنين مقايسه اثر انحلالی محلول‌های اسيد سولفوريک و اسيد نيتريک، آزمايش دوام تا 15 چرخه در این محلول‌ها با PH=5 , PH=3 , PH=1.5  و آب شرب با PH=7.3   انجام شد و پس از برآورد شاخص دوام,(ID15)  نتایج مقایسه و تحلیل شد.

آزمایش دوام مصالح(MATERIAL DURABILITY TESTTING) به مجموعه‌ای از آزمایش‌ها گفته می‌شود که برای ارزیابی مقاومت مصالح ساختمانی در برابر عوامل محیطی مختلف و با گذشت زمان انجام می‌شود. این آزمایش‌ها به منظور تعیین طول عمر و پایداری مصالح در شرایط واقعی و پیش‌بینی عملکرد آنها در طول مدت استفاده انجام می‌شوند. بر اساس تعریف، دوام سنگ عبارت است از ارزیابی و سنجش مقاومت در برابر هوازدگی، حفظ شکل، اندازه و وضعیت ظاهری اولیه در یک مدت زمان طولانی در شرایط حاکم  بر سنگ می‌باشد.

2- مطالعات سنگ شناسی:

بررسی‌های سنگ نگاری نه تنها اطلاعاتی در مورد ترکيب کانی شناسی و منشأ سنـگ می‌دهنـد، بـلـكه در ارزيـابی پتانـسـيل انـحـلال‌پـذيـری و زوال‌پذيری سنگ‌ها در برابر عـوامـل هـوازدگی شيـميـايی و فيـزيـکی نيز يـک ابزار مهم هستند.

انحلال و زوال‌پذيری سنگ‌ها در برابر محلول‌های اسيدی به مقدار زيادی به متغيرهای ذاتی سنگ از جمله کانی شناسی بستگی دارد. سنگ‌ها به دليل دارا داشتن کانی‌های تشکيل دهنده مختلف، دوام‌های متفاوتی در برابر محلول‌های اسيدی از خود نشان می‌دهند. در اين پژوهش، با تهيه مقاطع نازک از نمونه‌ها، ترکيب کانی شناسی آنها در زير ميکروسکوپ پلاريزان و نتايج آن در جدول1 ارائه شده است. در شکل 1، نوع و نسبت سنگ‌های ساختمانی مورد مطالعه  آورده شده است.

درصد فراوانی نمونه‌ها بر اساس رده سنگ

مقایسه درصدی رده‌های آذرین، رسوبی، دگرگونی و آذرآواری

۴۰ ۳۰ ۲۰ ۱۰ ۰
۳۵٪
۳۵٪
۲۱٪
۷٪
آذرین رسوبی دگرگونی آذرآواری
رده سنگ

شکل ۱: نمودار درصد فراوانی نمونه‌ها بر اساس رده زمین‌شناسی

3- ویژگی‌های فیزیکی:

برای تعيين ويژگی‌های فيزيکی نمونه‌ها شامل چگالی، وزن مخصوص (Gs)، تخلخل و جذب آب از روش استاندارد                   (ISRM, 1981)  استفاده شده است. نتايج ميـانگين مقـادير به دست آمده از آزمايش‌هـای فيزيکی نمونه‌هـا در جدول 2 و شکل‌های ۲ و ۳ ارائه شده است. لازم به يادآوری است که بر روی هر کدام از نمونه‌های  ۵ آزمايش انجام شده و نتايج ارائه شده در اين جدول، ميانگين مقادير اين آزمایش‌ها هستند. وزن مخصوص ( GS)  نمونه‌ها متاثر از ترکیب کانی شناسی است. با توجه به این موضوع و بر اساس جدول ۱ و ۲ دیده می‌شود نمونه‌های با ترکیب کانی شناسی کربناتی وزن مخصوص بیشتر از ۶۸/۲ و نمونه‌های با ترکیب غیرکربناتی(به استثنای آمفیبولیت بیرجند) وزن مخصوص کوچک تر از ۶۹/۲دارند.

جدول ۲: نتایج آزمون تعیین ویژگی‌های نمونه‌ها
نام سنگ چگالی خشک
(g/cm³)
چگالی اشباع
(g/cm³)
وزن مخصوص
(Gs)
تخلخل موثر
(%)
تخلخل کل
(%)
جذب آب
(%)
توف فرحزاد 2/18 2/30 2/60 12/21 16/15 5/61
مرمر کرمان 2/75 2/76 2/77 0/22 0/72 0/08
سنگ آهک سنندج 2/70 2/71 2/74 0/37 1/46 0/14
مرمر سیرجان 2/69 2/70 2/72 0/44 1/10 0/16
سنگ آهک انارک (۱) 2/68 2/69 2/71 0/77 1/11 0/29
سنگ آهک انارک (۲) 2/68 2/69 2/72 0/46 1/47 0/17
آلکالی گرانیت مشهد 2/63 2/65 2/68 1/26 1/87 0/48
آمفیبولیت بیرجند 3/06 3/07 3/09 0/35 0/97 0/12
ایگنمبریت نایین 2/63 2/64 2/68 1/48 1/87 0/56
داسیت یزد 2/59 2/59 2/62 0/96 1/53 0/37
آلکالی گرانیت نایبندان 2/58 2/58 2/63 0/91 1/90 0/35
تراورتن ماکو 2/38 2/41 2/69 3/36 11/52 1/41
تراکیت سبزوار 2/45 2/49 2/62 4/15 6/49 1/69
تراورتن محلات 2/41 2/44 2/68 2/93 10/07 1/22

مقایسه دانسیته خشک، دانسیته اشباع و وزن مخصوص نمونه‌ها

بر اساس نتایج آزمون ویژگی‌های فیزیکی سنگ‌ها

دانسیته خشک دانسیته اشباع وزن مخصوص Gs
۳٫۲ ۳٫۰ ۲٫۸ ۲٫۶ ۲٫۴ ۲٫۲ ۲٫۰
دانسیته
g/cm³
توف فرحزاد مرمر کرمان سنگ آهک سنندج مرمر سیرجان سنگ آهک انارک ۱ سنگ آهک انارک ۲ آلکالی گرانیت مشهد آمفیبولیت بیرجند ایگنمبریت نایین داسیت یزد آلکالی گرانیت نایبندان تراورتن ماکو تراکیت سبزوار تراورتن محلات
۳٫۲ ۳٫۰ ۲٫۸ ۲٫۶ ۲٫۴ ۲٫۲ ۲٫۰
وزن مخصوص
Gs

شکل ۲: نمودار ستونی دانسیته خشک، دانسیته اشباع و وزن مخصوص (Gs) نمونه‌ها

۱۷ ۱۶ ۱۵ ۱۴ ۱۳ ۱۲ ۱۱ ۱۰ ۹ ۸ ۷ ۶ ۵ ۴ ۳ ۲ ۱ ۰
٪
تخلخل کل
تخلخل موثر
جذب آب
توف فرحزاد مرمر کرمان سنگ آهک سنندج مرمر سیرجان سنگ آهک انارک ۱ سنگ آهک انارک ۲ گرانیت مشهد آمفیبولیت بیرجند ایگنمبریت نایین داسیت یزد گرانیت نایبندان تراورتن ماکو تراکیت سبزوار تراورتن محلات

شکل ۳: نمودار ستونی تخلخل کل، تخلخل موثر و جذب آب نمونه‌ها

4- انحلال و زوال پذیری نمونه‌ها در محلول‌های اسیدی و رابطه آن با ترکیب کانی شناسی:
به منظور بررسی انحلال و زوال‌پذیری نمونه‌ها و همچنین مقایسه اثر انحلالی محلول‌های اسید سولفوریک و اسید نیتریک، آزمایش دوام بر اساس استاندارد ISRM (1981) تا ۱۵ چرخه در هر یک از محلول‌های اسیدی با PH=5، PH=3، PH=1.5 و آب شرب با PH=7.3 انجام شد. نتایج به‌دست‌آمده از محاسبه شاخص دوام ID15 در جدول ۳ و به صورت نمودار ستونی در شکل‌های ۴ و ۵ آورده شده است. با توجه به شکل‌های ۴ و ۵ دیده می‌شود که شاخص دوام نمونه‌هایی با ترکیب کانی‌شناسی غیرکربناتی، شامل توف فرحزاد، گرانیت مشهد، آمفیبولیت بیرجند، ایگنمبریت نایین، داسیت یزد، گرانیت نایبندان و تراکیت سبزوار، در محلول‌های اسیدی نسبت به آب آشامیدنی با PH=7.3 تغییرات بسیار جزئی و کم‌وبیش نامحسوسی دارد. این موضوع نشان می‌دهد که نمونه‌هایی با ترکیب کانی‌شناسی غیرکربناتی در برابر محلول‌های اسیدی مقاوم هستند و دچار انحلال قابل توجهی نشده‌اند. از طرف دیگر، شاخص دوام نمونه‌هایی با ترکیب کانی‌شناسی کربناتی، شامل مرمر کرمان، سنگ آهک سنندج، مرمر سیرجان، سنگ آهک انارک، تراورتن ماکو و تراورتن محلات، در محلول‌های اسیدی نسبت به آب آشامیدنی کمتر است. این کاهش نشان می‌دهد که نمونه‌های کربناتی در برابر محلول‌های اسیدی مقاومت کمتری دارند و دچار انحلال شده‌اند. همچنین با کاهش PH، شاخص دوام نمونه‌های کربناتی کاهش بیشتری پیدا کرده است. این روند نشان‌دهنده افزایش اثر انحلالی اسید سولفوریک و اسید نیتریک با کاهش PH است. اسید سولفوریک بر اساس رابطه (۱) با کربنات کلسیم واکنش می‌دهد و باعث انحلال کربنات کلسیم و تشکیل ژیپس می‌شود.
CaCO3 + H2SO4 + H2O → CaSO4·H2O + CO2

رابطه1

واکنش اسید نیتریک با کربنات کلسیم بر اساس رابطه (۲) صورت می‌گیرد.
CaCO3 + 2HNO3 → Ca(NO3)2 + CO2 + H2O

رابطه 2

جدول ۳: شاخص دوام ID15 نمونه‌ها در آب آشامیدنی و محلول‌های اسیدی
نام سنگ شاخص دوام ID15
آب آشامیدنی
PH=7.3
اسید سولفوریک اسید نیتریک
PH=5 PH=3 PH=1.5 PH=5 PH=3 PH=1.5
توف فرحزاد 98/20 98/16 98/14 98/16 98/15 98/12 98/17
مرمر کرمان 97/52 95/94 96/95 97/30 96/87 97/12 97/39
سنگ آهک سیرجان 97/37 95/89 96/91 97/17 96/62 97/05 97/23
مرمر سیرجان 95/84 94/28 95/33 95/62 95/04 95/45 95/71
سنگ آهک انارک (۱) 97/97 94/28 97/48 97/73 97/27 97/61 97/85
سنگ آهک انارک (۲) 97/81 96/35 97/33 97/59 97/21 97/47 97/71
آلکالی گرانیت مشهد 97/44 97/45 97/41 97/48 97/21 97/47 97/39
آمفیبولیت بیرجند 98/59 98/62 98/58 98/53 98/60 98/63 98/57
ایگنمبریت نایین 98/73 98/74 98/71 98/76 98/72 98/69 98/77
داسیت یزد 99/04 99/01 99/03 99/06 98/99 99/05 99/02
آلکالی گرانیت نایبندان 98/42 98/74 98/47 98/41 98/44 98/40 98/39
تراورتن ماکو 96/59 94/86 95/90 96/30 95/49 96/09 96/44
تراکیت سبزوار 98/98 99/00 97/97 99/02 98/96 99/01 99/03
تراورتن محلات 96/54 95/20 95/92 96/23 95/64 96/11 96/40
۹۹٫۵ ۹۹ ۹۸٫۵ ۹۸ ۹۷٫۵ ۹۷ ۹۶٫۵ ۹۶ ۹۵٫۵ ۹۵ ۹۴٫۵ ۹۴
شاخص دوام
٪
PH=7.3
PH=5
PH=3
PH=1.5
توف فرحزاد مرمر کرمان سنگ آهک سنندج مرمر سیرجان سنگ آهک انارک ۱ سنگ آهک انارک ۲ گرانیت مشهد آمفیبولیت بیرجند ایگنمبریت نایین داسیت یزد گرانیت نایبندان تراورتن ماکو تراکیت سبزوار تراورتن محلات

شکل ۴: نمودار ستونی شاخص دوام (ID15) در PHهای مختلف اسید سولفوریک و آب آشامیدنی با PH=7.3

۹۹٫۵ ۹۹ ۹۸٫۵ ۹۸ ۹۷٫۵ ۹۷ ۹۶٫۵ ۹۶ ۹۵٫۵ ۹۵ ۹۴٫۵ ۹۴
شاخص دوام
٪
PH=7.3
PH=5
PH=3
PH=1.5
توف فرحزاد مرمر کرمان سنگ آهک سنندج مرمر سیرجان سنگ آهک انارک ۱ سنگ آهک انارک ۲ گرانیت مشهد آمفیبولیت بیرجند ایگنمبریت نایین داسیت یزد گرانیت نایبندان تراورتن ماکو تراکیت سبزوار تراورتن محلات

شکل ۵: نمودار ستونی شاخص دوام (ID15) در PHهای مختلف اسید نیتریک و آب آشامیدنی با PH=7.3

5- مقایسه اثر انحلالی اسید سولفوریک و اسیدنیتریک

در شکل‌های ۶ تا ۹، شاخص دوام ID15 نمونه‌های کربناتی در PHهای یکسان اسید سولفوریک، اسید نیتریک و آب آشامیدنی با PH=7.3 نشان داده شده است. هدف از ارائه این شکل‌ها، مقایسه اثر انحلالی این دو اسید بر نمونه‌های کربناتی است.

همان‌گونه که مشاهده می‌شود، شاخص دوام نمونه‌ها در اسید سولفوریک نسبت به اسید نیتریک، در PHهای یکسان، کمتر است. این موضوع نشان‌دهنده بیشتر بودن اثر انحلالی اسید سولفوریک نسبت به اسید نیتریک است. همچنین با کاهش PH از ۵ به ۱.۵، اختلاف بین شاخص دوام نمونه‌ها در این دو اسید افزایش می‌یابد.

نتایج به‌دست‌آمده نشان می‌دهد سنگ‌های غنی از کربنات کلسیم و منیزیم به شدت تحت تأثیر محلول‌های اسیدی قرار می‌گیرند. در مقابل، نمونه‌های غنی از کوارتز، فلدسپار و مسکوویت تقریباً مستقل از PH محلول آزمایش دوام رفتار می‌کنند و تغییرات شاخص دوام آن‌ها ناچیز است.

با توجه به این‌که کربنات کلسیم کانی اصلی تشکیل‌دهنده نمونه‌های کربناتی مورد مطالعه است، در ادامه برای بررسی اثر انحلالی محلول‌های اسید سولفوریک و اسید نیتریک، انحلال‌پذیری کربنات کلسیم در این محلول‌ها بررسی شده است. انحلال‌پذیری کربنات کلسیم به صورت رابطه زیر تعریف می‌شود:

Ksp′ = [Ca2+][CO32−] = Ksp / (fCa2+ × fCO32−)

رابطه (۳)

در این رابطه، Ksp′ حاصل‌ضرب انحلال‌پذیری بر مبنای غلظت است. همچنین [Ca2+] و [CO32−] به ترتیب غلظت یون کلسیم و یون کربنات را نشان می‌دهند. Ksp حاصل‌ضرب انحلال‌پذیری دینامیکی کربنات کلسیم است که مقدار ثابتی دارد.

همچنین fCa2+ و fCO32− ضریب فعالیت یون‌های Ca2+ و CO32− هستند. این ضرایب با توجه به شرایط محیطی تغییر می‌کنند و تغییرات آن‌ها از رابطه حدی دبای-هوکل به دست می‌آید.

−log fCa2+ = 0.51 ZCa2+2 √μ

رابطه (۴)

در رابطه (۴)، fCa2+ ضریب فعالیت یون Ca2+، Z بار یون Ca2+ و √μ ریشه دوم قدرت یونی الکترولیت یا همان اسید است.

−log fCO32− = 0.51 ZCO32−2 √μ

رابطه (۵)

در رابطه (۵)، fCO32− ضریب فعالیت یون CO32−، Z بار یون CO32− و √μ ریشه دوم قدرت یونی الکترولیت یا اسید است.

μ = 1/2 ∑ Ci Zi2

رابطه (۶)

در رابطه (۶)، μ قدرت یونی الکترولیت یا اسید، Ci غلظت یون‌ها و Zi2 مربع بار یون‌ها را نشان می‌دهد.

در جدول ۵، بر اساس روابط (۳) تا (۶)، مقدار Ksp′ کربنات کلسیم در اسید سولفوریک و اسید نیتریک محاسبه شده است. همان‌طور که مشاهده می‌شود، Ksp′ کربنات کلسیم در اسید سولفوریک نسبت به اسید نیتریک، در PHهای یکسان، بیشتر است.

این موضوع به دلیل قدرت یونی بیشتر اسید سولفوریک نسبت به اسید نیتریک است. قدرت یونی بیشتر باعث افزایش انحلال‌پذیری Ksp′ کربنات کلسیم می‌شود و در نتیجه، شاخص دوام نمونه‌ها در اسید سولفوریک نسبت به اسید نیتریک پایین‌تر است.

همچنین با کاهش PH، اختلاف میان شاخص دوام نمونه‌ها در این دو اسید افزایش می‌یابد. این موضوع به دلیل افزایش اختلاف Ksp′ کربنات کلسیم در اسید سولفوریک و اسید نیتریک با کاهش PH است.

7- بحث:

بر اساس مطالعات کانی شناسی و آزمایش شاخص دوام در محلول‌های اسید سولفوریک و اسید نیتریک با PHهای 1.5، 3 ، 5 و آب اشامیدنی با PH=7.3 دیده شد که ترکیب کانی شناسی، مقدار PH  و نوع اسید از عوامل مهم در انحلال نمونه‌های مورد مطالعه هستند. نتایج آزمایش شاخص دوام در محلول‌های اسیدی و آب آشامیدنی نشان می‌دهد که نمونه‌هایی با ترکیب کانی شناسی غیرکربناتی شامل توف فرحزاد، گرانیت مشهد، آمفیبولیت بیرجند، ایگنمبریت نايین، داسیت یزد، گرانیت نهبندان و تراکیت سبزوار در برابر محلول‌های اسیدی مقاوم هستند و دچار انحلال نشده‌اند، اما نمونه‌هایی با ترکیب کربناتی شامل مرمر کرمان، سنگ آهک سنندج، مرمر سیرجان، سنگ آهک انارک، تراورتن ماکو و تراورتن محلات در برابر محلول‌های اسیدی نامقاوم بوده و دچار انحلال شده اند. در واقع نمونه‌هایی غنی از کربنات کلسیم تحت تاثیر محلول‌های اسیدی قرار گرفته‌اند. در صورتی که نمونه‌هایی غنی از کوارتز، فلدسپار و بیوتیت مستقل از PH  محلول‌های اسیدی هستند. با کاهش PH اسید سولفوریک از 5 یه 1.5، شاخص دوام (id15) نمونه‌های با ترکیبات غیرکربناتی تغییرات بسیار جزیی و نامحسوس دارد اما شاخص دوام (id15)  نمونه هایی با ترکیبات کربناتی کاهش می یابد(جدول3).

۹۸ ۹۷٫۵ ۹۷ ۹۶٫۵ ۹۶ ۹۵٫۵ ۹۵ ۹۴٫۵ ۹۴ ۹۳٫۵
شاخص دوام
٪
اسید سولفوریک
اسید نیتریک
آب شرب
مرمر کرمان سنگ آهک سنندج مرمر سیرجان سنگ آهک انارک (۱) سنگ آهک انارک (۲) تراورتن ماکو تراورتن محلات
شکل ۶: نمودار ستونی شاخص دوام (ID15) در PH=5 اسید سولفوریک، اسید نیتریک و آب آشامیدنی با PH=7.3
۹۸ ۹۷٫۵ ۹۷ ۹۶٫۵ ۹۶ ۹۵٫۵ ۹۵ ۹۴٫۵ ۹۴ ۹۳٫۵
شاخص دوام
٪
اسید سولفوریک
اسید نیتریک
آب شرب
مرمر کرمان سنگ آهک سنندج مرمر سیرجان سنگ آهک انارک (۱) سنگ آهک انارک (۲) تراورتن ماکو تراورتن محلات
شکل ۷: نمودار ستونی شاخص دوام (ID15) در PH=3 اسید سولفوریک، اسید نیتریک و آب آشامیدنی با PH=7.3
۹۸ ۹۷٫۵ ۹۷ ۹۶٫۵ ۹۶ ۹۵٫۵ ۹۵ ۹۴٫۵ ۹۴ ۹۳٫۵
شاخص دوام
٪
اسید سولفوریک
اسید نیتریک
آب شرب
مرمر کرمان سنگ آهک سنندج مرمر سیرجان سنگ آهک انارک (۱) سنگ آهک انارک (۲) تراورتن ماکو تراورتن محلات
شکل ۸: نمودار ستونی شاخص دوام (ID15) در PH=1.5 اسید سولفوریک، اسید نیتریک و آب آشامیدنی با PH=7.3
جدول ۴: اختلاف شاخص دوام (ID15) نمونه‌های کربناتی در اسید سولفوریک و اسید نیتریک با PH یکسان
نوع سنگ PH=5 PH=3 PH=1.5
مرمر کرمان ۰/۰۹ ۰/۱۷ ۰/۹۳
سنگ آهک سنندج ۰/۰۶ ۰/۱۴ ۰/۷۳
مرمر سیرجان ۰/۰۹ ۰/۱۲ ۰/۷۶
سنگ آهک انارک (۱) ۰/۱۲ ۰/۱۳ ۰/۸۰
سنگ آهک انارک (۲) ۰/۱۲ ۰/۱۴ ۰/۸۶
تراورتن ماکو ۰/۱۴ ۰/۱۹ ۰/۶۳
تراورتن محلات ۰/۱۷ ۰/۱۹ ۰/۴۴
جدول ۵: مقادیر K′sp کربنات کلسیم محاسبه شده در اسید سولفوریک و اسید نیتریک در PHهای مختلف
محلول پارامتر اسید سولفوریک اسید نیتریک
pH=5 pH=3 pH=1.5 pH=5 pH=3 pH=1.5
μ ۱/۵ × ۱۰−۵ ۱/۵ × ۱۰−۳ ۱/۵ × ۱۰−۱/۵ ۱ × ۱۰−۵ ۱ × ۱۰−۳ ۱ × ۱۰−۱/۵
fCa2+ ۰/۹۸۲ ۰/۸۳۴ ۰/۳۵۹ ۰/۹۸۵ ۰/۸۶۱ ۰/۴۴۴
fCO32− ۰/۹۸۲ ۰/۸۳۴ ۰/۳۵۹ ۰/۹۸۵ ۰/۸۶۱ ۰/۴۴۴
Ksp ۴/۸ × ۱۰−۹ ۴/۸ × ۱۰−۹ ۴/۸ × ۱۰−۹ ۴/۸ × ۱۰−۹ ۴/۸ × ۱۰−۹ ۴/۸ × ۱۰−۹
K′sp ۴/۹۸ × ۱۰−۹ ۶/۹۱ × ۱۰−۹ ۳۷/۱ × ۱۰−۹ ۴/۹۴ × ۱۰−۹ ۶/۴۶ × ۱۰−۹ ۲/۵۵ × ۱۰−۸
8- نتیجه گیری
  • نتایج آزمایش دوام در محلول‌های اسید سولفوریک و اسید نیتریک نشان می‌دهد نمونه‌های با ترکیب غیرکربناتی در برابر این محلول‌ها مقاوم و نمونه‌های با ترکیب کربناتی نامقاوم هستند.
  • با کاهش PH محلول‌های اسید سولفوریک و اسید نیتریک، شاخص دوام نمونه‌های با ترکیب کربناتی کاهش پیدا کرده است که نشان‌دهنده افزایش اثر انحلالی این محلول‌ها با کاهش PH است.
  • شاخص دوام نمونه‌های با ترکیب کربناتی نشان می‌دهد اسید سولفوریک اثر انحلالی بیشتری نسبت به اسید نیتریک با PHهای یکسان دارد. این موضوع به دلیل بیشتر بودن قدرت یونی اسید سولفوریک و در نتیجه بیشتر بودن کربنات کلسیم در اسید سولفوریک نسبت به اسید نیتریک است.
  • با کاهش PH، اختلاف شاخص اختلاف شاخص دوام نمونه‌های کربناته در اسیدسولفوریک و اسید نیتریک به طور متوسط از 0.06 به 0.93 درصد افزایش می یابد. این موضوع به دلیل افزایش اختلاف  کربنات کلسیم در این دو اسید با کاهش PH است.

      با توجه به نتیجه آزمایش دوام در محلول های اسید سولفوریک و اسید نیتریک، سنگ های غیرکربناتی  گزینه های مناسب تری برای استفاده در مناطق با اتمسفرهای آلوده هستند.

منابع:
  • نیکودل، م (1388)، بررسی انحلال و زوال پذیری نمونه هایی از سنگ های ساختمانی، گروه زمین شناسی دانشگاه تربیت مدرس

2- توسلي، و،. خليلي، ه ،. معصومي، ع،. -1380 مباني شيمي تجزيه، جلد اول،چاپ چهارم ، ترجمه اسکوگ،. وست،. هالر، تهران: مرکز نشر جهاد دانشگاهي، 390 ص

3- Bell, F. G., 1993- Durability of carbonate rock as building stone with comments on its preservation , Environmental Geology, 21, 187-200

4-Bell, F. G., 2000- Engineering Properties of Soils and Rocks, 2nd edition, Blackwell Science, 482p

برچسب ها :
مقالات مرتبط

ایران در مقابل سه غول جهانی

“سنگنامگ” شماره دو – اسفند 1404 نویسنده : احسان صلواتی فر بررسی…

جولای 12, 2026

سنگ سبز تریبون مجمع عمومی سازمان ملل

“سنگنامگ” شماره دو – اسفند 1404 در تالار عظیم و آرام مقر…

جولای 12, 2026

چالش های تولید در معادن سنگ تزیینی

“سنگنامگ” شماره دو – اسفند 1404 نویسنده : سیدجوادوکیلی دربررسی زنجیره وفرآیند…

جولای 5, 2026