ما هي كيميائية المعالجة بالكلس ؟

Shamra Editor asked

384  - 0  - - was published in field (Transportation)

     إن إضافة الكلس إلى التربة يسبب حدوث تفاعلات كيميائية، ولا يوجد معرفة دقيقة وكاملة لآلية هذه التفاعلات حتى الآن، إلا أنه يمكن إيضاح بعض التفاعلات المتوقع والمقبول حدوثها ضمن إطار المعرفة الحالية وهذه التفاعلات هي:

- التبادل الكاتيوني(*) والتلبد( التكتل) (Cation Exchange&Flocculation).

-التفاعل البوزولاني(Pozzolanic Reaction).

-تفاعل الكربنة(Carbonation).

1- التبادل الكاتيوني والتلبد :

  عند إضافة الكلس للتربة يحدث تبادل كاتيوني يغير العلاقة بين بعض جزيئات الغضار من حالة تنافر متبادل إلى حالة من التجاذب المتبادل نتيجة الوجود المفرط لكاتيونات الكالسيوم(Ca⁺²) المنحلة التي تستبدل الكاتيونات الأقل قدرة على الادمصاص.

وكقاعدة عامة يتبع نظام تبادل الكاتيونات المعروفة في الترب السلسلة الآتية:

Na⁺<K⁺<Ca⁺²<Mg⁺²<H⁺<Al⁺³<Fe⁺³                         

إذ تميل الكاتيونات من اليمين إلى استبدال الكاتيونات باتجاه اليسار كما تستبدل الكاتيونات الثنائية  التكافؤ الكاتيونات أحادية التكافؤ.

     وعندما تفقد الحبيبات شحنتها فإنها تتجمع وتتكتل وهذا ما يعرف بظاهرة التخثر أو التلبد، ويسبب التبادل الكاتيوني والتلبد تغيراً في خواص التربة إذ ينخفض حد السيولة ويرتفع حد اللدونة ويقل بالتالي دليل لدونة التربة كما تنخفض الكثافة الجافة العظمى gdmax لها.

2- التفاعل البوزولاني :

     يطلق اسم التفاعل البوزولاني على التفاعل الذي يحدث بين عناصر التربة ولاسيما الألومينات والسيأتيكات مع الكلس لتشكيل مواد كيميائية جديدة.

و تعدّ جمل التربة-كلس جملاً معقدة كيميائياً ويصعب دراسة خواصها الفيزيائية والكيميائية. وأياً كانت طبيعة الآلية الدقيقة للتفاعل، فإن ما يأتي يعطي فكرة مبسطة جداً عن بعض التفاعلات التي تحدث في خليط التربة-كلس:

                                                     Ca⁺²+2(OH)^-                 Ca(OH)₂             Cao+H₂o   

(سيأتيكات الكالسيوم المائية)Ca⁺²+2(OH)^- +Sio₂                  Cao.Sio₂.H₂o                   

(ألومينات الكالسيوم المائية)   Ca⁺²+2(OH)^- +Al₂0₃                  Cao.Al₂o₃.H₂o                   

     تشبه نواتج التفاعلات أعلاه نواتج تميّه الأسمنت وهي تؤدي إلى ربط أو تلاصق (Cemention) جزيئات التربة، وهذه العملية تتطور مع الزمن وهذا ما يسبب اكتساب المقاومة مع الزمن.

     وإن نضوج التفاعل البوزولاني في خليط تربة-كلس يتأثر بكمية ونوع الكلس، وفترة المعالجة، ودرجة الحرارة، والتركيب الكيميائي للتربة.

     وتجدر الإشارة إلى أن وجود كمية قليلة من شوارد الكالسيوم ((Ca⁺² يؤدي إلى حدوث تفاعلات التبادل الكاتيوني والتلبد فقط، وعندها نحصل على تربة معدلة بالكلس(Lime-modified soil) ، ولا يحدث التفاعل البوزولاني إلا في حال وجود كمية كافية من (Ca⁺²) حيث أن المقاومة تتزايد لتحقق معياراً محدداً، وفي هذه الحالة يصطلح على تسمية الناتج بتربة مثبتة بالكلس(Lime-stabilized soil).

     والجدير ذكره أنه ومن خلال التجارب المخبرية وجد أن احتواء الكلس على نسبة من أكسيد المغنزيوم (Mgo) تزيد من سرعة التفاعل البوزولاني، كما أن الكلس الحي أكثر فعالية (25 % أكثر تفاعلاً ) من الكلس المطفأ ويعطي متانة أعلى لمزيج التربة- كلس، لأنه يوفر كمية أكبر من شوارد الكالسيوم، لكن يجب الانتباه إلى أنه وبسبب تفاعل الكلس الحي بشكل كبير مع الماء، يطلق كميات كبيرة من الحرارة خلال التفاعل الكيميائي، فهناك حاجة لبرنامج حماية مفصل عند البناء باستعمال الكلس الحي، لذا يفضل استخدام الكلس المطفأ لأن التعامل معه أكثر أماناً.

3- تفاعل الكربنة:

يحوّل ثاني أكسيد الكربون الموجود في الهواء وماء المطر ماءات وهيدروكسيدات الكالسيوم و المغنيزيوم إلى كربوناتهم الخاصة، وذلك حسب المعادلات الآتية:

                (راسب)                  Ca⁺²  + Co₃^-2                 CaCo₃

                (راسب)            Mg⁺² + Co₃^-2                 MgCo₃                          

     كان هناك اعتقاد سابق بأن تفاعل الكربنة هو المصدر الوحيد للمتانة في الترب المعالجة بالكلس، إلا أن الأبحاث الحديثة أكدت أن الأهمية الأكبر والعامل الأكثر تأثيراً يعطى للتفاعل البوزولاني،

ومن المهم أن نذكر هنا بعض العوامل المؤثرة على حدوث التفاعلات الكيميائية :

• أهمية حجم الجزيئات ونسبة السطح إلى الحجم: فكما هو معروف بأن الذرات، الإيونات والجزيئات تستطيع أن تتفاعل مع بعضها عندما تكون على تماس مع بعضها البعض، ولذلك تستطيع الجزيئات الصلبة التفاعل على سطوحها، كما أن نسب تفاعلها الخاصة مرتبطة بنسبة السطح إلى الحجم، وكلما ازدادت نعومة التربة ازداد معها السطح النوعي للتربة، وهذا يساعد على أن يتم التفاعل بسهولة مع معظم المواد المعالجة، لذلك ينصح بإضافة نسب مدروسة من المواد الناعمة في حال معالجة الحصويات.
• انحلال هيدروكسيد الكالسيوم: دلت الدراسات على أن انحلال هيدروكسيد الكالسيوم Ca(OH)₂ هام جداً لأن التفاعل المدروس يحدث في وسط مائي من جهة، ولأن نسب التفاعلات تتعلق بتركيز المكونات من جهة أخرى، وتكون نسبة انحلال هيدروكسيد الكالسيوم في الماء صغيرة نسبياً (1,65غرام /لتر) في درجات الحرارة المعتدلة، وفي حالات عدة وعندما تكون الكمية قليلة من هيدروكسيد الكالسيوم فإنها تستنفذ مباشرة لإرضاء قدرة التبادل الكاتيوني، ولذا يجب أن يكون هناك  كمية كافية من هيدروكسيد الكالسيوم في الجملة للتعويض عن تلك المأخوذة من المحلول.

     وعند المعالجة بالكلس فهناك نسبة أصغريه من الكلس المضاف لا تحدث دونها مؤشرات معالجة حقيقية، وفي الواقع يصعب إضافة نسبة كلس أقل من (2%) وتوقع حدوث تأثير منتظم مستمر وذلك بسبب صعوبة مزج وتوزيع الكلس بشكل متجانس في هذه الحالة.

• تأثير درجة الحرارة: إن جملة التربة-كلس ستتأثر بدرجة الحرارة، وقد أظهرت الدراسات المخبرية والعملية أن متانة عينات التربة-كلس تزداد مع ازدياد درجة الحرارة، كما بينت الدراسات مدى ملاءمة استخدام المعالجة بالكلس في المناطق ذات المناخ الحار والمعتدل كما هو الحال في القطر العربي السوري.