Structural Charge Site Influence on the Interlayer Hydration of Expandable Three-Sheet Clay Minerals

Abstract

Previous investigations have demonstrated the influences of interlayer cation composition, relative humidity, temperature, and magnitude of interlayer surface charge on the interlayer hydration of montmorillonites and vermiculites. It has been suggested that the sites of layer charge deficiencies may also have an influence upon the amount of hydration that can take place in the interlayers of expandable clay minerals, if the interlayer cation-to-layer bonds are considered as ideally electrostatic, the magnitude of the forces resisting expansion may be expressed as a form of Coulomb’s law. If this effect is significant, expandable structures in which the charge-deficiency sites are predominantly in the tetrahedral sheet should have less pronounced swelling properties than should structures possessing charge deficiencies located primarily in the octahedral sheet.

Three samples that differed in location of layer charge sites were selected for study. An important selection criterion was a non-correlation between tetrahedral charge sites and high surface-charge density, and between octahedral charge sites and low surface-charge density.

The effects of differences in interlayer cation composition were eliminated by saturating portions of each sample with the same cations. Equilibrium (001) d values at controlled constant humidities were used as a measure of the relative degree of interlayer hydration.

Although no corrélation could be made between the degree of interlayer hydration and total surface-charge density, the investigation does not eliminate total surface-charge density as being significant to the swelling properties of three-sheet clay-mineral structures. The results do indicate a correlation between more intense expandability and predominance of charge deficiencies in the octahedral sheet. Conversely, less intense swelling behavior is associated with predominantly tetrahedral charge deficiencies.

Résumé

Des recherches antérieures ont démontré l’influence de la composition des cations interstratifies, de l’humidité relative, de la température et de la grandeur de la charge de surface des feuillet sur l’hydratation de la couche intermédiaire de montmorillonites et de vermiculites. On a proposé que les zones de déficience de charge sur le feuillet pouvaient aussi influencer la quantité d’hydratation qui peut avoir lieu dans les couches intermédiaires des minéraux argileux dilatables. Si on considère, pour une situation idéale, que les liens retenant les cations au feuillet intermédiaire sont électrostatiques, on peut exprimer la grandure de l’expansion des forces de résistance comme une forme de la loi de Coulomb. Si cet effet est significatif, les structures dilatables pour lesquelles les zones de déficience en charge prédominent dans le feuillet tétraédrique devraient avoir des propriétés de dilatation moins prononcées que les structures possédant des déficiences en charge situées premièrement dans le feuillet octaédrique.

On a choisi pour l’étude trois échanitllons pour lesquels les zones de charge des feuillet sont localisées différemment. Un critère important de cette sélection, a été la non-corrélation entre les zones de charge tétraédriques et la haute densité de la charge en surface et entre les zones de charge octaédriques et une faible densité de la charge en surface.

Les effets des différences dans la composition en cations interstratifies ont été éliminées par des portions saturantes de chaque échanitllon avec les mêmes cations. Des valeurs d’équilibre (001) d à des humidités contrôlées constantes ont été utilisées en tant que mesure du degré relatif de hydratation entre les feuillets.

Bien qu’il n’ait pas été possible d’obtenir un accord entre le degré d’hydratation entre les feuillets et la densité totale de la charge en surface, la recherche n’élimine pas la densité totale de la charge en surface comme étant significative des propriétés de dilatation des structures minérales argileuses à trois feuillets. Les résultats indiquent une corrélation entre une dilatation plus intense et la prédominance des déficiences en charge dans le feuillet octaédrique. Réciproquement, un comportement avec dilatation moindre est associé aux déficiences en charge d’ordre surtout tétraédrique.

Kurzreferat

Frühere Untersuchungen haben die Wirkungen der Zusammensetzung der Kationenzwischenschicht, der relativen Feuchtigkeit, der Temperatur und der Grösse der Oberflächenladung der Zwischenschicht auf die Zwischenschicht-Hydratisierung von Montmorilloniten und Vermiculiten dargelegt. Es ist die Vermutung ausgesprochen worden, dass die Schichtladungsmangelstellen ebenfalls einen Effekt auf die in den Zwischenschichten von aufgeblähten Tongesteinen mögliche Hydratisierung haben könnten. Wenn man die Bindung des Zwischenschichtkations zur Schicht als ideal elektrostatisch betrachtet, so kann die Grösse der der Aufblähung entgegenwirkenden Kräfte in der Form des Coulombschen Gesetzes ausgedrückt werden. Wenn diese Wirkung bedeutungsvoll ist, so sollten aufgebähte Gebilde, in welchen die Ladungsmangelstellen hauptsächlich in der tetrahedralen Schicht auftreten, weniger ausgesprochene Quelleigenschaften besitzen als diejenigen-Gebilde in welchen die Ladungslücken vorzugsweise in der oktahedralen Schicht liegen.

Es wurden drei Proben mit unterschiedlicher Lage der Schichtenladungs-stellen zur Untersuchung herangezogen. Ein wichtiges Kriterium für die Auswahl war die Abwesenheit einer Korrelation zwischen tetrahedralen Ladungsstellen und hoher Oberflächenladungsdichte, beziehungsweise zwischen oktahedralen Ladungs-stellen und niedriger Oberflächenladungsdichte.

Die durch den Unterschied in der Zusammensetzung der Zwischenschicht Kationen hervorgerufene Wirkung wurde durch Sättigung aller Proben mit den gleichen Kationen ausgeschaltet. Gleichgewichtswerte (001) d unter konstantgehaltenen Feuchtigkeitsverhältnissen wurden als Masse für den relativen Umfang der Zwischenschichtenhydratisierung herangezogen.

Obwohl sich keine Korrelation zwischen dem Umfang der Zwischenschichten-hydratisierung und der gesamten Oberflächenladungsdichte ergab, besagt die Untersuchung keineswegs, dass die gesamte Oberflächenladungsdichte unwesentlich hinsichtlich der Quelleneigenschaften von dreischichtigen Tonsetinbildungen ist. Die Ergebnisse deuten aber auf eine Korrelation zwischen intensiverer Aufblähbarkeit und Vorherrschen von Ladungslücken in der oktahedralen Schicht hin. Andererseits konnte das weniger intensive Quellverhalten mit vornehmlich tetrahedralen Ladungslücken in Zusammenhang gebracht werden.

Резюме

Предыдущие исследования показали влияние прослоенного катионного состава, относительной влажности, температуры и величины заряда прослоенной поверхности на прослоенную гидратацию монтмориллонитов и вермикулитов. Говорят, что места отсутствия зарядов могут также оказать влияние на размер гидратации, происходящей в прослойках расширяемых глинистых минералов. Если связи прослоечных катионов со слоями считают идеально электростатическими, то величина сопротивляющихся расширению усилий может быть выражена как вид закона Кулона. Если эффект этот является значительным, то расширяемые структуры, в которых места отсутствия заряда являются преобладающими, в четырехгранном листе должны обладать менее отчетливо выраженными свойствами набухания чем в структурах, обладающих отсутствием заряда, которые преимущественно находятся в восьмигранном листе.

Для изучения выбрали три образца, которые были разными касательно расположения мест заряда слоев. Важным критерием выбора являлось отсутствие корреляции между четырехгранными местами зарядов и большой поверхностной плотности зарядов, а также между восьмигранными местами зарядов и низкой поверхностной плотностью зарядов.

Вмляния разниц в прослоечном катионном составе устранялись насыщением порций каждого образца теми же катионами. Значения равновесия (001)р при регулируемых постоянных влажностях применяются для измерения относительной степени прослоечной гидратации.

Хотя нельзя было установить корреляцию между степенью прослоечной гидратации и общей поверхностной плотностью, исследование не исключает, что поверхностная плотность зарадов имеет значение для набухающих свойств трехлистовых глинистых минеральных структур. Результаты показывают корреляцию между более интенсивной расширяемостью и преобладанием недостатка зарядов в восьмигранном листе. Наоборот, менее интенсивное набухание связано с преимущественно четырехгранными отсутствиями зарядов.