粘土的水化膨胀作用和粘土胶体化学省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptxVIP

粘土水化膨胀作用;上次课主要讲授内容;此次课主要讲授内容;一、粘土水化膨胀作用;（1）结晶水

这种水是粘土矿物晶体结构一部分，只有温度高于300度以上时，结晶受到破坏，这部分水来释放出来。

（2）吸附水

因为分子间引力和静电引力，含有极性水分子能够吸附到带电粘土表面上，在粘土颗粒周围形成一层水化膜，这部分水能够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孔穴或孔道中，不受粘土束缚，能够自由运动。

3、粘土水化膨胀过程

各种粘土都会吸水膨胀，只是不一样粘土矿物水化膨胀程度不一样而已。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经过所吸附可交换性阳离子间接吸附水分子而造成水化。

②表面水化机理

直接水化：粘土表面上H+和OH-经过氢键吸附水分子

间接水化：经过所吸附可交换性阳离子间接吸附水分子。;这是短距离范围内粘土与水相互作用，这个作用进行到粘土层间有四个水分子层厚度，其厚度约为10?（1nm）。

在粘土层面上，此时作用力有层间分子范德华引力、层面带负电和层间阳离子之间静电引力、水分子与层面吸附能量（水化能），其中以水化能最大。

水化膨胀力可达～4000大气压。

;当粘土层面间距离超出10?时，表面吸附能量已经不是主要了，今后粘土继续膨胀是由渗透压力和双电层斥力所引发。

伴随水分子进入粘土晶层间，粘土表面吸附阳离子便水化而扩散到水中，形成扩散双电层，由此，层间双电层斥力便逐步起主导作用而引发粘土层间距深入扩大。

扩散双电层理论（粘土胶体化学最主要理论之一）。;

其次粘土层间吸附有众多阳离子，层间离子浓度远大于溶液内部浓度。因为浓度差存在，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，引发粘土深入膨胀。由渗透水化而引发膨胀可使粘土层间距到达120?。

增加溶液含盐量，因为浓度差减小，粘土膨胀层间距便缩小，这也是用盐水泥浆抑制孔壁膨胀原理。

粘土水化膨胀到达平衡距离（层间距大约为120?）情??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。;扩散双电层形成;4.水化膨胀评价方法;(2)膨胀量法;采取NP-02型智能型页岩膨胀测试仪，以10％KCl为基本参考标准，测量在不一样LG植物胶加量时页岩相对膨胀率。

LG植物胶对泥页岩水化膨胀有较强抑制作用，在基浆中加入2％LG植物胶后，其相对膨胀率只有19.80％。;5.影响粘土水化原因;(1)粘土矿物本身特征

粘土矿物因其晶格结构不一样，水化膨胀能力也有很大差异。

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，引发粘土体积膨胀。;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K+存在，K+镶嵌在粘土硅氧层六角空穴中，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，也使粘土水化膨胀差。;(2)交换性阳离子种类

粘土吸附交换性阳离子不一样，形成水化膜厚度也不相同，即粘土水化膨胀程度也有差异。比如交换性阳离子为Na+钠蒙脱石，水化时晶胞间距可达40?，而交换性阳离子为Ca2+钙蒙脱石，水化时晶胞间距只有17?。;(3).水溶液中电解质浓度和有机处理剂含量;二、粘土-水界面扩散双电层

（扩散双电层理论）;（一）双电层成因与结构

因为粘土颗粒在碱性水溶液中带负电荷（在端部则多数带正电荷），必定要吸附与粘土颗粒带电符号相反离子——阳离子到粘土颗粒表面附近（界面上浓集），形成粘土颗粒表面一层负电荷与反离子正电荷相对应电层，以保持电中性（平衡）。粘土颗粒吸附阳离子使阳离子在粘土颗粒表面浓集同时，因为分子热运动和浓度差，又引发阳离子脱离界面扩散运动，粘土颗粒对阳离子吸附及阳离子扩散运动二者共同作用结果，在粘土颗粒与水界面周围阳离子呈扩散状态分布，即形成扩散双电层。;

相关扩散双电层几个主要概念

吸附层

扩散层

滑动面

热力电位E

电动电位ζ

;1.吸附层

吸附层是指靠近粘土颗粒表面较近一薄层水化阳离子，其厚度普通只有几个?（0.1nm）。这一薄层水化阳离子，因为与粘土颗粒表面距离近，阳离子密度大，静电吸引力强，被吸附阳离子与粘土颗粒一起运动难以分离。;2.扩散层

扩散层是吸附层外围起直到溶液浓度均匀处为止（离子浓度差为零）由水化阳离子及阴离子组成较厚离子层。

这部分阳离子因为本身热运动，自吸附层外围开始向浓度较低处扩散，因而与粘土颗粒表