چکیده یکی از مشکلات ناشی از آلودگی هوا، بارش بارانهای اسیدی است.
سولفات (SO4) و نیترات (NO3) از آلایندههای شاخص اتمسفرهای شهری هستند که در اثر ترکیب شدن با یونهای هیدروژن محلولهای اسید سولفوریک و اسید نیتریک را تشکیل میدهند که از عوامل مهم در انحلال و زوالپذیری سنگهای ساختمانی هستند.
در این تحقیق به منظور ارزیابی اثر آلودگی هوا بر انحلال سنگهای ساختمانی، آزمایش دوام وارفتگی Slake Durability Test در محلولهای اسید سولفوریک و اسید نیتریک با PH=5 ,PH=3 و آب شرب تا 15 چرخه انجام شده است.
مقایسه نتایج شاخص دوام وارفتگی نشان میدهد که اسید سولفوریک اثر انحلالی بیشتری نسبت به اسید نیتریک داشته است.
همچنین با کاهش PH هر کدام از این اسیدها، انحلال نمونهها بیشتر شده است.
علاوه بر این، نتایج نشان میدهد نمونههای با ترکیب سیلیکاته در برابر این اسیدها مقاوم و نمونههای کربناته نامقاوم هستند ، کلمات کلیدی: اسید سولفوریک، اسید نیتریک، PH، شاخص دوام وارفتگی مقدمه مصالح سنگی یکی از مصالح پر مصرف در ساختمانسازی و کارهای عمرانی هستند.
این مصالح به عنوان سنگ نما در قسمتهای داخلی و بیرونی ساختمان، سنگ کف و پلکان، سنگفرش خیابان و پیادهروها، دیوار و شالودهها، کارهای معماری و غیره مورد استفاده قرار میگیرند.
سنگهایی که به عنوان نما در بیرون از ساختمان استفاده میشوند با توجه به شرایط اقلیمی حاکم بر منطقه، به دلیل اینکه در معرض عوامل مختلف محیطی مانند بارانهای اسیدی قرار دارند بعد از مدتی کارایی و دوام خود را از دست میدهند .
بنابرین لازم است تأثیر این عامل روی سنگهای مختلف بررسی شود و مناسبترین سنگ از لحاظ دوام و مقاومت پیشنهاد شو د .
یکی از مشکلات حاصل از آلودگی هوا، بارش بارانهای اسیدی است.
باران اسیدی هنگامی به وجود میآید که PH باران بر اثر حل شدن گازهایی مانند دی اکسید گوگرد و اکسیدهای نیتروژن کاهش یافته و به مقدار کمتر از 5 برسد (Winkler, 1994, Bell, 2004).
سولفات (So4) و نیترا ت (NO2) از آلایند ههای شاخص اتمسفرهای شهری هستند که در زوالپذیری بناهای تاریخی و ساختمانها نقش مهمی را دارند (Zappia et al,2008).
در اثر ترکیب شدن سولفات و نیترات با یونهای هیدروژن محلولهای اسید سولفوریک (H2SO4) و اسید نیتریک (HNO3) تشکیل میشوند که به عنوان یکی از عوامل مهم در انحلال و تجزیه سنگهای ساختمانی هستند (Winkler, 1994) .
سولفات قدرتمندترین خورنده برای بیشتر سنگها و مصالح ساختمانی است که به صورت باران اسیدی (Acid Rain) یا ریزش خشک(Dry fallout) در سطح مواد رسوب و با آنها واکنش میدهد.
نیترات در حضور اکسید کنندهها باعث تشکیل اسید نیتریک میشود.
Moreiras et al(2008) بیان کردند که در شهرهای بزرگ صنعتی به دلیل وجود آلایندههایی مانند اکسیدهای گوگرد و نیتروژن، منو اکسید کربن و دی اکسید کربن، این آلایندهها با سنگها واکنش میدهند و باعث تجزیه و زوال پذیری آن ها می شوند..
Baedecker et al (1992) نشان دادند هنگامی که آهک و مرمر تحت تأثیر بارانهای اسیدی قرار میگیرند انحلال نمونههایی که تخلخل بالاتری داشتهاند، بیشتر بوده است.
نقل از .(Bravo et al,2006) اسید سولفوریک طبق معادله زیر با کربنات کلسیم واکنش میدهد و باعث حل شدن کربنات کلسیم و موجب تشکیل ژیپس میشود رابطه (1) .(Zappia et al, 1998, Giavarini et al, 2008) رابطه (1) H2SO4 + CaCO3 + H2O → CaCO4 .H2O + CO2 واکنش اسید نیتریک با کربنات کلسیم به صورت معادله زیر است رابطه (2).
.(Bravo et al, 2006) رابطه (2) 2HNO3 + CaCO3 → Ca(NO3)2 + CO2 + H2O در این تحقیق 14 نمونه سنگ ساختمانی با منشاءهای مختلف تهیه و بعد از آمادهسازی مقاطع نازک، ترکیب کانیشناسی آنها در زیر میکروسکوپ پلاریزان مورد مطالعه قرار گرفته شده است.
به منظور بررسی دوام نمونهها در برابر محلولهای اسید سولفوریک و اسید نیتریک و همچنین مقایسه اثر انحلالی هر یک از این اسیدها آزمایش دوام وارفتگی مطابق استاندارد ISRM( 1981) ISRM تا 15 چرخه در هر یک از این محلولها با PH=5 ،PH=3 و همچنین آب شرب با PH=7.3 انجام شد.
در نهایت شاخص دوام وارفتگی (Slake Durability Index) در چرخه 15 Id15)) برای هر کدام از این اسیدها در PH های مختلف و آب شرب محاسبه و نتایج با هم مقایسه شده اند.
بررسی های سنگشناسی مطالعات پتروگرافی نه تنها اطلاعاتی در مورد ترکیبشناسی و منشاء سنگ میدهند، اما همچنین در ارزیابی دوام و پتانسیل انحلالپذیری و تجزیه سنگها در برابر محلولهای اسیدی، نیز یک ابزار مهم است .(Dreesen & Dusar, 2004) دوام سنگ در برابر این محلولها به مقدار زیادی به پارامترهای ذاتی سنگ از جمله کانیشناسی بستگی دارد.
طبیعی است که سنگها به دلیل دارا بودن ترکیب کانیشناسی متفاوت، دوامهای متفاوتی در برابر این محلولها از خود نشان میدهند.
در این تحقیق با تهیه مقطع نازک از نمونهها، ترکیب کانیشناسی آنها در زیر میکروسکوپ پلاریزان مورد مطالعه قرار گرفته و نتایج آن در جدول ( 1) آورده شده است.
آزمایش دوام وارفتگی در محلولهای اسیدی و آب شرب به منظور بررسی اثر انحلالی محلو ل های اسید سولفوریک (H2SO4) و اسید نیتریک (HNO3) روی نمونهها آزمایش دوام وارفتگی Slake Durability Test) ) مطابق استاندارد ISRM (1981) تا 15 چرخه در هر یک از این محلولها با PH=5 ،PH=3 و همچنین آب شرب با PH=7.3 انجام و شاخص دوام وارفتگی در چرخه (Id15) 15 برای هر یک از نمونهها محاسبه شد.
شکل های (1) و (2) شاخص دوام وارفتگی نمونهها در چرخه 15 (Id15) محلولهای اسید سولفوریک و اسید نیتریک با PH=5 ،PH=3 و آب شرب با PH=7.3 را نشان می دهد .
با مقایسه شاخص دوام وارفتگی (Id15) در آب شرب با اسید سولفوریک و اسید نیتریک مشاهده می شود که نمونههای با ترکیب سیلیکاته در برابر این اسیدها مقاوم و نمونه های با ترکیب کربناته نامقاوم هستند.
همچنین با کاهش PH، شاخص دوام وارفتگی نمونه های کربناته کاهش مییابد.
این موضوع نشان دهنده افزایش اثر انحلالی هر یک از این اسیدها با کاهش PH است.
نتایج به دست آمده در این تحقیق با نتایج به دست آمده توسط Gupta & Ahmed (2007) که اثر PH آب و ویژگیهای کانیشناسی روی دوام وارفتگی سن گ هایی با منشاءهای مختلف را مورد بررسی قرار دادند مطابقت دارد.
نتایج این محققین نشان داد که سنگ های غنی از کربنات کلسیم و منیزیم به طور شدیدی تحت تأثیر محلولهای اسیدی قرار میگیرند و سنگهای غنی از کوارتز، فلدسپات و مسکوویت مستقل از PH محلول آزمایش هستند.
همچنین سنگهای ریز دانه در مقایسه با سنگ های درشت دانه بیشتر مستعد زوالپذیری در آزمایش دوام وارفتگی هستند 4- مقایسه اثر انحلالی اسید سولفوریک و اسید نیتریک در شکلهای (3) و (4) اثر انحلالی اسید سولفوریک و اسید نیتریک در PH های مختلف برای نمونههای کربناته با هم مقایسه شده است.
همانطور که مشاهده میشود شاخص دوام وارفتگی این نمونهها در اسید سولفوریک نسبت به اسید نیتریک با PH های یکسان کمتر است که نشان دهنده بیشتر بودن اثر انحلالی اسید سولفوریک است.
همچنین با کاهش PH اختلاف بین شاخص دوام وارفتگی نمونهها در این دو اسید افزایش مییابد در شکلهای (3) و (4) اثر انحلالی اسید سولفوریک و اسید نیتریک در PH های مختلف برای نمونههای کربناته با هم مقایسه شده است.
همچنین با کاهش PH اختلاف بین شاخص دوام وارفتگی نمونهها در این دو اسید افزایش مییابد در واقع به دلیل قدرت یونی بیشتر اسید سولفوریک نسبت به اسید نیتریک اثر انحلالی آن بیشتر است.
این موضوع در ادامه این بخش بررسی شده است.
انحلالپذیری کربنات کلسیم به صورت زیر تعریف میشود.
رابطه (3).
(اسکوگ و دیگران، 1380): رابطه (3) که در آن K′sp حاصلضرب انحلالپذیری کربنات کلسیم غلظت، Ksp حاصلضرب انحلال- پذیری دینامیکی کربنات کلسیم )برای هر ماده مقدار ثابتی است(،ضریب فعالیت یونهای در جدول (2) بر اساس رابطه بالا، K′sp کربنات کلسیم در اسید سولفوریک و اسید نیتریک محاسبه شده است.
همانطورکه مشاهده میشود K′sp کربنات کلسیم در اسید سولفوریک نسبت به اسید نیتریک با PH های یکسان بیشتر است.
این موضوع باعث انحلالپذیری بیشتر کربنات کلسیم و در نتیجه پایینتر بودن شاخص دوام وارفتگی نمونهها در اسید سولفوریک نسبت به اسید نیتریک میشود.
همچنین با کاهش PH اختلاف بین شاخص دوام وارفتگی نمونهها در این اسیدها افزایش مییابد.
این موضوع به دلیل افزایش اختلاف K′sp کربنات کلسیم در این اسیدها با کاهش PH است.
جدول (3) و شکل (5) نتیجه گیری نتایج آزمایش دوام وارفتگی در محلولهای اسید سولفوریک و اسید نیتریک نشان میدهد که نمونههای با ترکیب سیلیکاته در مقابل این محلولها مقاوم و نمونههای با ترکیب کربناته نامقاوم هستند.
با کاهش PH محلولهای اسید سولفوریک و اسید نیتریک، شاخص دوام وارفتگی نمونههای با ترکیب کربناته کاهش پیدا کرده است که نشان دهنده افزایش اثر انحلالی این اسیدها با کاهش PH است.
شاخص دوام وارفتگی نمونههای کربناته نشان میدهد که اسید سولفوریک اثر انحلالی بیشتری نسبت به اسید نیتریک با PH های یکسان دارد.
این موضوع به دلیل بیشتر بودن قدرت یونی اسید سولفوریک و در نتیجه بیشتر بودن K'sp کربنات کلسیم در اسید سولفوریک نسبت به اسید نیتریک است با کاهش PH، اختلاف شاخص دوام وارفتگی نمونههای کربناته در اسید سولفوریک و اسید نیتریک افزایش مییابد.
این موضوع به دلیل افزایش اختلاف K'sp کربنات کلسیم در این دو اسید با کاهش PH است.
با توجه به نتایج آزمایش دوام وارفتگی در محلولهای اسید سولفوریک و اسید نیتریک، توف فرحزاد، گرانیت مشهد، آمفیبولیت بیرجند، ایگنمبریت نائین، داسیت یزد، گرانیت نایبندان و تراکیت سبزوار مناسبترین سنگها برای استفاده در مناطق با اتمسفرهای آلوده هستند مراجع اسکوگ.، وست.، هالر.، (1380) "مبانی شیمی تجزیه" ترجمه ویدا توسلی و همکاران، جلد اول، چاپ چهارم، تهران، مرکز نشر جهاد دانشگاهی.
Bell, F.G., (2004), “Engineering Geology and Construction”, Frist Edition, Spon Press.
Bravo, A., Soto A, R., Sosa E, R., Sanchez A, P., Alarcon J, A.L., Kahl, J., Ruiz B., (2006), “Effect of acid rain on building material of the El Tajin archaeological zone in Veracruz, Mexico”, Environmental Pollution 144, pp 655-660.
Dreesen, R., Dusar, M., (2004), “Historical building stones in the province of Limburg (NE Belgium): role of petrography in provenance and durability assessment”, Materials Characterization 53, pp 273– 287.
Giavarini, C., Santarelli, M.L., Natalini, R., Freddi, F., (2008), “A non-linear model of sulphation of porous stones: Numerical simulations and preliminary laboratory assessments”, Journal of Cultural Heritage 9, pp 14-22.
Gupta, V., Ahmed, I., (2007), “The effect of pH of water and mineralogical properties on the slake durability (degradability) of different rocks from the Lesser Himalaya, India”, Engineering Geology 95, pp79-87.
I.S.R.M.
Rock characterization., (1981), In: Brown ET, editor.
Testing and monitoring - ISRM suggested methods.
Oxford, UK: Pergamon Press,; 211p.
Moreiras, S., Paraguassu, A., Ribeiro, R., (2008), “Dimension stone for building fac¸ades: methodology for structural design”, Bull Engineering Geology Environmental 67, pp 53-57.
Winkler, E.
M., (1994), “Stone in Architecture”, Thired Edition, Springer-Verlag , Printed in Germany.
Zappia, G., Sabbioni, C., Riontino, C., Gobbi, G., Favoni, O., (1998), “Exposure tests of building materials in urban atmosphere”, The Science of the Total Environment 224, pp 235-244.