Pore Size Distributions in Clays

Abstract

A knowledge of the distribution of pore sizes in clay and soil bodies is a useful element in the microstructural characterization of such materials. Pore-size distributions and total porosity of a number of reference clays, naturally-occurring subsoils, and commercial clay samples prepared in various ways were determined by mercury porosimetry. The range of equivalent pore diameter explored covered almost five orders of magnitude, from several hundred microns down to approximately 150 A. The method and its assumptions are critically evaluated, and measurements of the contact angle of mercury on clays yield values of 139° for montmorillonite and 147° for kaolinite and illite clays. The extent of shrinkage on oven-drying prior to mercury intrusion is assessed in each case and found to vary from insignificant to as much as 30 per cent of the pore space, depending on microstructural state and degree of initial saturation. The development of techniques for water removal which do not involve change in pore structure is explored. Some preliminary results for structurally weak saturated clays suggest that critical-region drying and perhaps freeze-drying procedures may be practical.

Résumé

La connaissance de la distribution des dimensions des pores dans l’argile et les constituants du sol, est un élément utile dans la caractérisation microstructurale de tels matériaux. Les distributions de la dimension des pores et la porosité totale d’un certain nombre d’argiles de référence, se produisant naturellement dans les sous-sols, et les échantillons d’argile commerciaux préparés de différentes manières, ont été détermines par la porosimétrie du mercure. L’étendue du diamètre équivalent du pore exploré, couvrait presque cinq ordres de grandeur, variant de plusieurs centaines de microns pour atteindre approxativement 150 A. La méthode et ses hypothèses sont évaluées d’une façon critique, et les mesures de l’angle de contact de mercure sur les argiles fournissent des valeurs de 139° pour le montmorillonite et 147° pour la kaolinite et les argiles illite. Le degré de retrait par séchage au four préalablement à l’injection de mercure est évalué dans chaque cas et on s’aperçoit qu’il varie d’une valeur insignifiante pour atteindre un taux de 30 pour cent de l’espace du pore, cela dépend de l’état microstructural et du degré de saturation initial. Le développement des techniques pour l’élimination d’eau qui n’implique pas de modifications dans la structure du pore est exploré. Certains résultats préliminaires pour les argiles saturés, structurellement faibles, suggèrent que le séchage de la région critique et peut-être les méthodes de séchage par congélation, peuvent être pratiqués.

Kurzreferat

Eine Kenntnis der Verteilung der Porengrössen in Tonen und Erdböden ist ein wichtiges Element in der mikrostrukturellen Charakterisierung solcher Materiale. Die Porengrössenverteilungen und die Gesamtporosität einer Anzahl von Kontrolltonen, natürlich vorkommender Untergrunde und auf verschiedene Weise bereiteter, handelsmässiger Tonproben wurden mittels Quecksilber-Porosimetrie bestimmt. Der Bereich untersuchter Porendurchmesser umfasste beinahe fünf Grössenordnungen, angefangen von einigen Hundert Mikrons bis hinunter zu etwa 150 A. Dieses Verfahren und seine Voraussetzungen werden kritisch beurteilt, und Messungen des Kontaktwinkels des Quecksilbers an Tonen ergaben Werte von 139° für Montmorillonit und 147° für Kaolinit und Illit Tone. Das Ausmass der Schrumpfung durch Ofentrocknung vor dem Eindringen des Quecksilbers wurde jeweils eingeschätzt, und es wurde festgestellt, dass die Variation, je nach dem mikrostrukturellen Zustand und dem Masse an anfänglicher Sättigung, sich von unbedeutenden Werten bis hinauf zu 30 Prozent des Porenraumes bewegten. Die Entwicklung von Methoden für die Entfernung von Wasser ohne Veränderung der Porenstruktur wird erörtert. Vorläufige Resultate mit strukturell schwachen, gesättigten Tonen deuten darauf hin, dass Trocknung im kritischen Bereich und vielleicht Friertrocknungsverfahren von praktischer Bedeutung sein könnten.

Резюме

Распределение размеров пор в глине и почвах является для этих материалов важным элементом их микроструктурной характеристики. Распределение размеров пор и общая пористость для стандартных глин и подпочвенных образцов, а также для различно приготовленных образцов коммерческих глин были определены с помощью ртутного метода. Интервал найденных размеров эквивалентного диаметра пор покрывает почти пять порядков величины, от нескольких сотен микрон до примерно 150 А. Сам метод и использованные в нем допущения критически оценены, а измерения контактного угла ртути на глинах дали значения 139° для монтмориллонитовых и 147° для каолинитовых и гидрослюдистых глин. В каждом случае оценена степень сжатия при высушивании в печах до внедрения ртути и найдено, что в зависимости от микроструктурного состояния и степени первоначального насыщения она изменяется от незначительной до 30% объема пор. Рассмотрены возможности развития методов удаления воды без изменения пористой структуры. Некоторые предварительные данные для структурно слабо насыщенных глин указывают на практическую значимость высушивания в критической области, а также, возможно, и высушивания при замораживании.