Mechanisms Controlling the Permeability of Clays

Abstract

Coefficients of permeability, calculated using Terzaghi’s theory of one-dimensional consolidation, are reported for smectite, illite, and kaolinite, in water, methyl and ethyl alcohol, benzene, and carbontetrachloride. When the pore fluid was water the clays were homoionized to either the sodium or calcium form and the pore water electrolyte concentration was varied. The coefficients of permeability are evaluated in terms of both mechanical and physico-chemical variables. It appears that the coefficients of permeability are mainly influenced by mechanical effects, particularly the distribution of void sizes and the tortuosity of the channels. The coefficient of permeability is maximized if the flow channels consist of many small channels and a relatively few large ones, through which the main flow occurs. Physico-chemical variables exert great influence on the coefficient of permeability through their influence on dispersion or aggregation of the clay particles.

Résumé

Les coefficients de perméabilité calculés à l’aide de la théorie de la consolidation unidimensionelle de Terzaghi sont donnés pour une smectite, une illite et une kaolinite en présence d’eau, d’alcool méthylique, d’alcool éthylique, de benzène et de tétrachlorure de carbone. Lorsque le fluide remplissant les pores est l’eau, les argiles ont été rendues homoioniques, soit sous forme sodium, soit sous forme calcium et l’on a fait varier les concentrations en electrolyte de la solution des pores. Les coefficients de perméabilité ont été évalués à la fois en terme de variables mécaniques et physicochimiques. Il apparaît que les coefficients de perméabilité sont essentiellement influencés parles effets mécaniques, en particulier, la distribution des dimensions des vides et la tortuosité des pores. Le coefficient de perméabilité passe par un maximum lorsque les pores assurant l’écoulement sont constitués par de nombreux petits canaux et relativement peu de grands, à travers lesquels la plus grande part du débit s’établit. Les variables physico-chimiques exercent une grande influence sur le coefficient de perméabilité par le biais du rôle qu’elles jouent dans la dispersion et l’agrégation des particules d’argile.

Kurzreferat

Es wird über Permeabilitätskoeffizienten, berechnet unter Verwendung der Theorie von Terzaghi über eindimensionale Verdichtung, für Smectit, Illit und Kaolinit in Wasser, Methylund Äthylalkohol, Benzol und Tetrachlorkohlenstoff berichtet. Wenn die Porenflüssigkeit Wasser war wurden die Tone entweder in die Natrium-oder die Calciumform homoionisiert und die Elektrolytkonzentration des Porenwassers wurde variiert. Die Permeabilitätskoeffizienten wurden mit Hilfe mechanischer sowie physikalisch-chemischer Variabler eingeschätzt. Es scheint, dass die Permeabilitätskoeffizienten in erster Linie durch mechanische Wirkungen beeinflusst werden, besonders die Verteilung von Hohlraumgrössen und die Gewundenheit der Kanäle. Der Permeabilitätskoeffizient wird maximiert wenn die Strömungskanäle aus vielen kleinen Kanälen und verhältnismässig wenigen weiten bestehen, durch welche die Hauptströmung stattfindet. Physikalisch-chemische Variable üben infolge ihrer Wirkung auf die Dispersion oder Zusammenballung der Tonteilchen einen beträchtlichen Einfluss auf den Permeabilitätskoeffizienten aus.

Резюме

Приведены коэффициенты проницаемости для смектита, иллита и каолинита (по отношению к воде, метиловому и этиловому спиртам, бензолу и четыреххлористому углероду), подсчитанные в соответствии с теорией одномерной консолидации Терцаги. В тех случаях, когда наполнителем пор служила вода, глины гомоионизировались до натриевой или каль-циевой форм, и концентрация водного электролита пор изменялась. Коэффициент прони-цаемости оценивался как в отношении механических, так и в отношении физико-химических переменных. Как оказалось, на коэффициент проницаемости влияют, главным образом, механические эффекты, и в особенности — характер распределения пор по размерам и степень извилистости каналов. Коэффициент проницаемости достигает максимума в тех случаях, когда каналы, по которым проходит поток жидкости, состоят из множества мелких каналов и сравни-тельно небольшого числа крупных. Физико-химические переменные оказывают влияние на коэффициент проницаемости лишь в той степени, в которой они влияют на дисперсию или агрегацию глинистых частиц.