2-2 粘土的水化膨胀作用和粘土胶体化学

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1、粘土的水化膨胀作用蔡记华上次课主要讲授内容粘土矿物的晶体构造粘土的性质粘土矿物基本构造单元常见粘土矿物的晶体构造造浆粘土的选用本次课主要讲授内容粘土的水化膨胀作用粘土-水界面的扩散双电层粘土在水中的分散状态泥浆的稳定性一、粘土的水化膨胀作用1、定义粘土吸水后体积增大的性质。膨胀性是衡量粘土亲水性的指标，亲水性越强，吸水量越大，水化膨胀越厉害。2、粘土矿物的水份粘土矿物的水分按其存在的状态可以分为结晶水、吸附水和自由水三种类型。（1）结晶水这种水是粘土矿物晶体构造的一部分，只有温度高于300度以上时，结晶受到破坏，这部分水来释放出

2、来。（2）吸附水由于分子间引力和静电引力，具有极性的水分子可以吸附到带电的粘土表面上，在粘土颗粒周围形成一层水化膜，这部分水可以随粘土颗粒一起运动，所以也称为束缚水。（3）自由水这部分水存在于粘土颗粒的孔穴或孔道中，不受粘土的束缚，可以自由的运动。3、粘土水化膨胀的过程各种粘土都会吸水膨胀，只是不同的粘土矿物水化膨胀的程度不同而已。粘土水化膨胀受三种力制约：表面水化力、渗透水化力和毛细管作用。(1)表面水化①定义：由粘土晶体表面直接吸附水分子和通过所吸附的可交换性阳离子间接吸附水分子而导致的水化。②表面水化机理直接水化：粘土表面

3、上的H+和OH-通过氢键吸附水分子间接水化：通过所吸附的可交换性阳离子间接吸附水分子。这是短距离范围内的粘土与水的相互作用，这个作用进行到粘土层间有四个水分子层的厚度，其厚度约为10Ǻ（1nm）。在粘土的层面上，此时作用的力有层间分子的范德华引力、层面带负电和层间阳离子之间的静电引力、水分子与层面的吸附能量（水化能），其中以水化能最大。水化膨胀力可达2000～4000大气压。当粘土层面间的距离超过10Ǻ时，表面吸附能量已经不是主要的了，此后粘土的继续膨胀是由渗透压力和双电层斥力所引起的。随着水分子进入粘土晶层间，粘土表面吸附的阳

4、离子便水化而扩散到水中，形成扩散双电层，由此，层间的双电层斥力便逐渐起主导作用而引起粘土层间距进一步扩大。扩散双电层理论（粘土胶体化学最重要的理论之一）。(2)渗透水化其次粘土层间吸附有众多的阳离子，层间的离子浓度远大于溶液内部的浓度。由于浓度差的存在，粘土层可看成是一个渗透膜，在渗透压力作用下水分子便继续进入粘土层间，引起粘土的进一步膨胀。由渗透水化而引起的膨胀可使粘土层间距达到120Ǻ。增加溶液的含盐量，由于浓度差减小，粘土膨胀的层间距便缩小，这也是用盐水泥浆抑制孔壁膨胀的原理。粘土水化膨胀达到平衡距离（层间距大约为120Ǻ

5、）的情况下，在剪切力作用下晶胞便分离，粘土分散在水中，形成粘土悬浮液。扩散双电层的形成+滑动面吸附的可交换阳离子解离，形成扩散双电层，产生负电性，晶层间相互排斥，间距增大，表现出膨胀性。水膨胀后分散4.水化膨胀的评价方法评价方法：吸水量法和膨胀量法（1）吸水量法吸水量：总吸水量，单位重量土吸附水的总量（重量或质量）；比亲水量：单位表面积吸水量(相当于表面水化膜厚度)泥页岩比亲水量界面物理化学含义示意图(2)膨胀量法膨胀量：单位重量粘土的膨胀体积（体积不受限制），另外一种表示方法水化应力，即体积保持不变时，泥页岩水化所产生的应力效

6、应123传感器膨胀量测定仪采用NP-02型智能型页岩膨胀测试仪，以10％KCl为基本的参考标准，测量在不同LG植物胶加量时的页岩的相对膨胀率。LG植物胶对泥页岩水化膨胀有较强的抑制作用，在基浆中加入2％的LG植物胶后，其相对膨胀率只有19.80％。实例5.影响粘土水化的因素粘土矿物本身的特性交换性阳离子的种类水溶液中电解质的浓度(1)粘土矿物本身的特性粘土矿物因其晶格构造不同，水化膨胀能力也有很大差别。蒙脱石粘土矿物（2:1），其晶胞两面都是氧层，层间联结是较弱的分子间力，水分子易沿着硅氧层面进入晶层间，使层间距离增大，引起粘土

7、的体积膨胀。伊利石（2:1）粘土矿物其晶体结构与蒙脱石矿物相同，但因层间有水化能力小的K+存在，K+镶嵌在粘土硅氧层的六角空穴中，把两硅氧层锁紧，故水不易进入层间，粘土不易水化膨胀。高岭石（1:1）粘土矿物，因层间易形成氢键，晶胞间联结紧密，水分子不易进入，故膨胀性小。同时伊利石晶格置换现象少，高岭石几乎无晶格置换现象，阳离子交换容量低，也使粘土的水化膨胀差。(2)交换性阳离子的种类粘土吸附的交换性阳离子不同，形成的水化膜厚度也不相同，即粘土水化膨胀程度也有差别。例如交换性阳离子为Na+的钠蒙脱石，水化时晶胞间距可达40Ǻ，而交

8、换性阳离子为Ca2+的钙蒙脱石，水化时晶胞间距只有17Ǻ。(3).水溶液中电解质的浓度和有机处理剂含量水溶液中电解质浓度增加，因离子水化与粘土水化争夺水分子，使粘土直连吸附水分子的能力降低。其次阳离子数目增多，挤压扩散层，使粘土的水化膜减薄。总起来是使粘土的水化