泥页岩水化作用机理研究现状

本文摘要：（由ai生成）

泥页岩的水化膨胀主要受粘土矿物影响。粘土矿物由Si-O四面体和Al-O八面体构成，吸附水分为物理和化学两种。BET理论解释粘土颗粒多分子层吸附，指出比表面积大则吸水量大。粘土膨胀分表面和渗透两阶段，受粘土种类、水化程度、阳离子种类及交换容量影响。X射线衍射技术揭示粘土组构及水化形态，证实水化程度与膨胀程度紧密相关。

泥页岩是由粘土矿物、非粘土矿物以及孔隙流体等三类物质组成。实验研究发现，泥页岩水化膨胀过程中起主要作用的是粘土矿物水化膨胀，因此，研究泥页岩水化机理实质上就是研究粘土矿物水化机理。

20世纪初期，岩土工程学、矿物学、胶体界面化学等方面的专家学者开始从不同的角度对粘土矿物进行一系列研究，在粘土组成、基本结构、晶体光学性质等方面、取得了大量的研究成果[2]。

50年代，国外部分学者利用平衡水蒸气法、接触角法等测量吸附热、润湿热、粘附功等，来计算土壤水的有关热力学函数，作为研究粘土颗粒—水相互作用机理的参考依据。其中，Low认为水在粘土表面上的吸附分为：物理吸附和化学吸附两种。粘土水化前期主要表现为化学吸附，水化后期则以物理吸附为主。其主要研究成果见Low1961 年发表的“粘土颗粒—水分子之间的物理化学作用”。

同一时期，粘土矿物学的专家学者对粘土矿物的结构进行了研究，研究发现粘土矿物以二维形式的 Si—O 四面体和Al—O 八面体为主要结构单元，粘土基本结构又由这两种片层结构单元按不同的比例结合而成，层与层之间通过范德华力进行连结。不同的结合比例构成不同的粘土矿物，最常见的是1:1层型（一片硅氧四面体与一片铝氧八面体相结合），2:1层型（二片硅氧四面体中间夹着一片铝氧八面体），层间存在的物质成为层间物（常常有层间水、层间阳离子等）。其中，晶格中铝氧八面体的铝和硅氧四面体的硅被低其一价的金属原子取代，引起晶格带电，为平衡电价晶体表面结合了一些可交换性的阳离子，称为可交换阳离子（CEC）。由于组成和晶格取代的情形不同，不同的粘土矿物具有的比表面积及阳离子交换容量也不相同。

试验研究还发现，粘土颗粒水蒸气吸附量与其表面积存在一定的关系，符合Brunauer、Emmett、Teller 等提出的多分子层吸附理论，即BET吸附理论。该理论认为不仅吸附剂与吸附质之间存在范德华引力，吸附质之间也存在范德华引力，可实现多层吸附。利用BET方程可以通过水蒸气吸附法测量单位体积或者单位质量的粘土颗粒的表面积。实验研究表明，粒径相同的粘土矿物比表面越大，总吸水量也越大，例如蒙脱石比表面积大，其吸水量也比较大，非膨胀性粘土矿物，其比表面积小，总吸水量也较小。以总吸水量比表面积作为比亲水性评价标准，发现高岭石等非膨胀类粘土表面比亲水性高于蒙脱石等膨胀类粘土矿物的。

随着实验科学技术手段的完善，Norrish等一些专家学者利用先进的X射线衍射技术研究粘土组构及其水化结合形态。实验结果表明，粘土膨胀的最根本原因式粘土水化，膨胀程度与水化程度密切相关。粘土水化可分为表面水化和渗透水化两个阶段，表面水化不同于渗透水化。表面水化阶段粘土颗粒发生晶格膨胀，其吸附水厚度不超过四个水分子层，膨胀程度较小，膨胀初期动力主要是表面水化能；粘土发生表面水化后，如果晶层之间阳离子浓度大于外来流体的浓度，水分子进入层间，晶层间距增大，发生渗透水化，渗透压力和双电层的排斥力是该水化阶段主要的驱动力，渗透水化形成扩散双电层，产生的膨胀体积远大于晶格膨胀。后期来自于。由此可见，粘土种类，水化部位、阳离子种类、阳离子交换容量、比表面积等是影响粘土水化膨胀的主要因素[2]。