Swelling Components of Compacted Ca-Montmorillonite

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.

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 Desorptionsoberfläche, 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 Å 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.]