Advertisement

Clays and Clay Minerals

, Volume 28, Issue 2, pp 135–141 | Cite as

Swelling Components of Compacted Ca-Montmorillonite

  • J. C. Parker
  • L. W. Zelazny
  • D. F. Amos
Article

Abstract

Intracrystalline water adsorption of Ca-montmorillonite was calculated as the product of one-half the interlayer spacing from X-ray powder diffraction analysis and the difference between the desorption surface area determined with ethylene glycol-monoethyl ether and BET surface area determined by N2 adsorption. Osmotic adsorption was calculated as the product of the N2 surface area and theoretical double layer thickness. Measured water adsorption of P2O5-dry clay, compacted to initial densities (γ0) from 0.52 to 1.59 g/cm3 and submerged in 0.01 N CaCl2 was 2.4 to 4.2 times greater than intracrystalline plus osmotic adsorption due to the occurrence of pores exceeding double layer dimensions. The increase in expansion caused by reducing electrolyte concentration to 0.001 N was equal to the predicted increase in double layer volume, verifying the existence of an osmotic component to swelling.

Measured expansion following submersion in 0.01 N CaCl2 increased continuously with γ0 from 0.53 cm3/g at γ0 = 0.52 g/cm3 to 1.17 cm3/g at γ0 = 1.59 g/cm3, while estimated osmotic plus intracrystalline expansion was constant at 0.30 cm3/g. This discrepancy is attributed to swelling caused by gas pressures developing ahead of advancing wetting fronts. The effect of compaction on expansion is explained by reductions in pore size, as measured by N2 desorption, which accompany compaction. Reduced pore size should increase entrapped air pressures, whereas gradual wetting should favor their dissipation. Accordingly, slow wetting reduced the expansion of a sample where γ0 = 1.06 g/cm3 from 0.77 to 0.37 cm3/g. Swelling due to entrapped air pressures produced a large increase in the number of pores > 104 Å in diameter, as determined by Hg intrusion porosimetry.

Key Words

Compaction Double layer theory Montmorillonite Pore-size distribution Swelling Water adsorption 

Резюме

Была высчитана адсорбция внутрикристаллиьеской воды Са-монтмориллонитом, как произведение половины межслойного промежутка, по ланным порошкового метода рентгенострук-турного анализа, и разницы между площадью десорбционной поверхности, найденной с помощью этиленгликсол-моноэтилэфира и площадью поверхности ВЕТ, найденной адсорбцией N2. Осмотическая адсорбция была высчитана как произведение площади поверхности N2 и теоретической толщины двойного слоя. Измеренная адсорбция воды Р2O5-сухой глиной, сжатой до первоначальных плотностей (γ0) от 0,52 до 1,59 г/ст3 и погруженной в 0,01 N СаСl2, быра в 2, 4ло 4,2 раз борыпе, чем внутрикристаллическая плюс осмотическая адсорбция, благодаря наличию пор, превышающих размеры двойного слоя. Увеличение расширения, вызванное понижением концентрации электролита до 0,001 N. было равно предсказанному повышению объема двойного слоя, что подтверждает сушествование осмотического компонента разбухания.

Измеренное расширение после погружения в 0,01 N СаСl2 непрерывно возрастало с увеличением γ0 от 0,53 cm3/г при γ0 = 0,52 г/ст3 до 1,17 cm3/г при γ0 = 1,59 г/ст3, в то время как подсчитанное осмотическое плюс внутрикристаллическое расширение было постоянным и равнялось 0,30 ст3/г. ЭТО противоречие обусловлено разбуханием, вызванным давлениями газа, возникающими перед наступающими фронтами смачивания. Воздействие уплотнения на расширение объясняется уменьшением размера пор, как было замерено десорбцией N2, которая сопровождала уплотнение. Уменьшенный размер пор должен увеличить давление захваченного воздуха, в то время как постепенное смачивание должно способствовать понижению давления. Следовательно, медленное смачивание уменьшило расширение образца, где γ0 = 1,06 г/cm3, от 0,77 до 0,37 cm3/г. Разбухание из-за давления захваченного воздуха привело к большому увеличению числа пор >104 Å в диаметре, как показало измерение пор методом внедрения Нg. [N. R.]

Resümee

Die interkristalline Wasseradsorption von Ca-Montmorillonit wurde als das Produkt aus einem halben Schichtabstand, aus der Röntgendiffraktometeranalyse, und der Differenz zwischen der Desorp-tionsoberfläche, bestimmt mit Ethylenglycol-Monoetyläther, und der BET-Oberfläche, bestimmt durch N2-Adsorption, berechnet. Die osmotische Adsorption wurde als das Produkt aus der N2-Adsorptionsober-fläche und der theoretischen doppelten Schichtdicke berechnet. Die gemessene Wasseradsorption von mit P205-getrocknetem Ton, der auf ursprüngliche Dichten (γ0) von 0,52 bis 1,59 g/cm3 komprimiert und in 0,01 N CaCl2 getränkt wurde, war um das 2,4- bis 4,2-fache größer als die interkristalline plus osmotische Adsorption. Die Ursache ist das Auftreten von Poren, die größer sind als der Abstand zwischen den Doppelschichten. Die Zunahme in der Ausdehnung bei Reduktion der Elektrolytkonzentration auf 0,001 N war gleich der vorausgesagten Zunahme im doppelten Schichtvolumen und bestätigte somit eine osmotische Komponente beim Quellen.

Die gemessene Ausdehnung, die nach dem Tränken in 0,01 N CaCl2 festgestellt wurde, nahm kontinuierlich zu mit γ0 von 0,53 cm3/g bei γ0 = 0,52 g/cm3 auf 1,17 cm3/g bei γ0 = 1,59 g/cm3, während die geschätzte osmotische plus interkristalline Ausdehnung bei 0,30 cnvVg konstant war. Diese Diskrepanz wird dem Quellen zugeschrieben, das durch die Gasdrücke verursacht wird, die sich vor der vorschreitenden Feuchtigkeitsfront ausbilden. Der Effekt der Verdichtung auf die Ausdehnung wird durch die Reduktion der Porengröße erklärt, wie sie bei der N2-Desorption gemessen wurde, die die Verdichtung begleitet. Eine reduzierte Porengröße sollte die eingefangenen Luftdrücke erhöhen, während allmähliches Befeuchten ihr Verschwinden begünstigen sollte. Demgemäß reduzierte allmähliches Befeuchten die Ausdehnung einer Probe mit γ0 = 1,06 g/cm3 von 0,77 auf 0,37 cm3/g. Das Quellen, das auf eingefangene Luftdrücke zurückgeht, erzeugte eine große Zunahme in der Porenzahl, >104 Â im Durchmesser, wie durch Hg-Intrusion-sporosimetrie festgestellt wurde. [U.W.]

Résumé

L’adsorption intracristalline d’eau de montmorillonite-Ca a été calculée comme étant le produit de la moitié de l’espacement intercouche de l’analyse de diffraction poudrée aux rayons-X et de la différence entre la surface de désorption déterminée à l’éther éthylèneglycol-monoéthyl et la surface BET déterminée à l’adsorption N2. L’adsorption osmotique a été calculée comme étant le produit de la surface N2 et de l’épaisseur de couche double théorique. L’adsorption mesurée d’eau par l’argile sèche P205, compactée à sa densité initiale (γ0) de 0,52 à 1,59 g/cm3 et submergée dans 0,01 N CaCl2 était de 2,4 à 4,2 fois plus importante que l’adsorption intracristalline et osmotique à cause de la présence de pores excédant les dimensions de couche double. L’accroissement de l’expansion causé par la réduction de l’électrolyte à 0,001 N était égal à l’accroissement prédit du volume de couche double, vérifiant l’existence d’un composant osmotique dans le gonflement.

L’expansion mesurée après submersion dans 0,001 N CaCl2 a augmenté continuellement avec la valeur γ0 de 0,53 cm3/g à γ0 = 0,52 g/cm3, à 1,17 cm3/g à γ0 = 1,59 g/cm3, tandis que l’expansion osmotique et intracristalline estimée était constante à 0,30 cm3/g. Ce désaccord est attribué au gonflement causé par les pressions des gaz se developant devant les fronts mouillants. L’effet de la compaction sur l’expansion est expliquée par des réductions de la taille des pores, mesurées par désorption N2 qui accompagnent la compaction. Des tailles de pores réduites devraient accroître les pressions des gaz emprisonnés, tandis qu’un mouillage graduel devrait favoriser leur dissipation. Ainsi, un mouillage lent a réduit l’expansion d’un échantillon où γ0 = 1,06 g/cm3 de 0,77 à 0,37 cm3/g. Le gonflement dû à des pressions d’air emprisonné a produit une grande augmentation, déterminée par la porosimétrie d’intrusion Hg, des nombres de pores 104 Å de diamètre. [D.J.]

Preview

Unable to display preview. Download preview PDF.

Unable to display preview. Download preview PDF.

References

  1. Adamson, A. W. (1976) Physical Chemistry of Surfaces: 3rd ed., John Wiley & Sons, New York, p. 585.Google Scholar
  2. Aylmore, L. A. G. (1974) Hysteresis in gas sorption isotherms: J. Colloid Interface Sci. 46, 410–416.CrossRefGoogle Scholar
  3. Aylmore, L. A. G. and Quirk, J. P. (1960) Domain or tur-bostratic structure of clays: Nature 187, 1046–1048.CrossRefGoogle Scholar
  4. Aylmore, L. A. G. and Quirk, J. P. (1962) The structural status of clay systems: Clays & Clay Minerals 9, 104–130.CrossRefGoogle Scholar
  5. Barclay, L. M. and Ottewill, R. H. (1970) Measurement of forces between colloidal particles: Special Discussions Faraday Society 1, 138–147.CrossRefGoogle Scholar
  6. Blackmore, A. V. and Miller, R. D. (1961) Tactoid size and osmotic swelling in Ca montmorillonite: Soil Sci. Soc. Amer. Proc. 25, 169–173.CrossRefGoogle Scholar
  7. Bolt, G. H. (1955) Analysis of the validity of the Gouy-Chap-man theory of the electric double layer: J. Coll. Sci. 10, 206–218.CrossRefGoogle Scholar
  8. Bolt, G. H. and Miller, R. D. (1955) Compression studies of illite suspensions: Soil Sci. Soc. Amer. Proc. 19, 285–288.CrossRefGoogle Scholar
  9. Bolt, G. H.andPeech,M. (1953) The application of the Gouy theory to soil-water systems: Soil Sci. Soc. Amer. Proc. 17, 210–213.CrossRefGoogle Scholar
  10. Carter, D. L., Heilman, M. D., and Gonzolez, G. L. (1965) Ethylene glycol monoethyl ether for determining surface area of silicate minerals: Soil Sci. 100, 356–360.CrossRefGoogle Scholar
  11. Emerson, W. W. (1964) The slaking of soil crumbs as influenced by clay mineral composition: Aust. J. Soil Res. 2, 211–217.CrossRefGoogle Scholar
  12. Greene-Kelly, R. (1974) Shrinkage of clay soils: a statistical correlation with other soil properties: Geoderma 11, 243–257.CrossRefGoogle Scholar
  13. Holtz, W. G. and Gibbs, H. J. (1959) Expansive clay—properties and problems: Quart. Colo. Sch. Mines 54, 89–117.Google Scholar
  14. Keren, R. and Shainberg, I. (1975) Water vapor isotherms and heat of immersion of Na/Ca-montmorillonite systems— I: Homoionic clay: Clays & Clay Minerals 23, 193–200.CrossRefGoogle Scholar
  15. Kittrick, J. A. (1969) Interlayer forces in montmorillonite and vermiculite: Soil Sci. Soc. Amer. Proc. 33, 217–222.CrossRefGoogle Scholar
  16. Low, P. F. (1959) Discussion of physico-chemical properties of soils: ion exchange phenomena: J. Soil Mech. Found. Div., Proc. Amer. Soc. Civil Eng. No. SM2 85, 79–89.Google Scholar
  17. Norrish, K. (1972) Forces between clay particles: Proc. Int. Clay Conf, Madrid, Spain, 375–382.Google Scholar
  18. Norrish, K. and Rausell-Colom, J. A. (1963) Low angle X-ray diffraction studies of the swelling of motmorillonite and vermiculite: Clays & Clay Minerals 10, 123–149.CrossRefGoogle Scholar
  19. O’Connor, G. A. and Kemper, W. D. (1969) Quasi-crystals in Na-Ca systems: Soil Sci. Soc. Amer. Proc. 33, 464–469.CrossRefGoogle Scholar
  20. Quirk, J. P. (1978) Some physico-chemical aspects of soil structural stability—a review: in Modification of Soil Structure, W. W. Emerson, R. D. Bond, and A. R. Dexter, eds., John Wiley & Sons, New York, 3–16.Google Scholar
  21. Rosenquist, I. Th. (1962) The influence of physico-chemical factors upon the mechanical properties of clays: Clays & Clay Minerals 9, 12–27.CrossRefGoogle Scholar
  22. Rowell, D. L. (1965) Influence of positive charge on the inter-and intracrystalline swelling of oriented aggregates of Na montmorillonite in NaCl solutions: Soil Sci. 100, 340–347.CrossRefGoogle Scholar
  23. Schafer, W. M. and Singer, M. J. (1976) Influence of physical and mineralogical properties on swelling of soils in Yolo County, California: Soil Sci. Soc. Amer. J. 40, 557–562.CrossRefGoogle Scholar
  24. Schofield, R. K. (1946) Ionic forces in thick films of liquid between charged surfaces: Trans. Faraday Soc. 42, 219–225.CrossRefGoogle Scholar
  25. Sposito, G. and Babcock, K. L. (1966) Equilibrium theory of the kaolinite-water system at low moisture contents, with some remarks concerning adsorption hysteresis: Clays & Clay Minerals 14, 133–147.CrossRefGoogle Scholar
  26. van Olphen, H. (1975) Water in soils: in Soil Components, Vol. 2, J. E. Giesking, ed., Springer-Verlag, New York, 497–527.CrossRefGoogle Scholar
  27. Verwey, E. J. W. and Overbeek, J. Th. G. (1946) Long distance forces acting between colloidal particles: Trans. Faraday Soc. 42, 117–123.CrossRefGoogle Scholar
  28. Walker, F. G. (1975) Vermiculites: in Soil Components, Vol. 2, J. E. Giesking, ed., Springer-Verlag, New York, 155–189.CrossRefGoogle Scholar
  29. Warkentin, B. P., Bolt, G.H., and Miller, R.D. (1957) Swelling pressure of montmorillonite: Soil Sci. Soc. Amer. Proc. 21, 495–497.CrossRefGoogle Scholar

Copyright information

© Clay Minerals Society 1980

Authors and Affiliations

  • J. C. Parker
    • 1
  • L. W. Zelazny
    • 1
  • D. F. Amos
    • 1
  1. 1.Department of AgronomyVirginia Polytechnic Institute and State UniversityBlacksburgUSA

Personalised recommendations