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1、粘土的水化膨胀作用和粘土胶体化学本次课主要讲授内容本次课主要讲授内容l粘土得水化膨胀作用粘土得水化膨胀作用l粘土粘土-水界面得扩散双电层水界面得扩散双电层l粘土在水中得分散状态粘土在水中得分散状态l泥浆得稳定性泥浆得稳定性一、粘土得水化膨胀作用一、粘土得水化膨胀作用u1、定义定义u粘土吸水后体积增大得性质。粘土吸水后体积增大得性质。u膨胀性就是衡量粘土亲水性得指标膨胀性就是衡量粘土亲水性得指标,亲水性越强亲水性越强,吸水量越大吸水量越大,水化膨胀越厉害。水化膨胀越厉害。u2、粘土矿物得水份、粘土矿物得水份u粘土矿物得水分按其存在得状态可以分为粘土矿物得水分按其存在得状态可以分为结晶水、结晶水、
2、吸附水和自由水吸附水和自由水三种类型。三种类型。u(1)结晶水结晶水u这这种种水水就就是是粘粘土土矿矿物物晶晶体体构构造造得得一一部部分分,只只有有温温度度高高于于300度度以以上上时时,结结晶晶受受到到破破坏坏,这这部分水来释放出来。部分水来释放出来。u(2)吸附水吸附水u由于分子间引力和静电引力由于分子间引力和静电引力,具有极性得水具有极性得水分子可以吸附到带电得粘土表面上分子可以吸附到带电得粘土表面上,在粘土在粘土颗粒周围形成一层水化膜颗粒周围形成一层水化膜,这部分水可以随这部分水可以随粘土颗粒一起运动粘土颗粒一起运动,所以也称为束缚水。所以也称为束缚水。u(3)自由水自由水u这部分水存
3、在于粘土颗粒得孔穴或孔道中这部分水存在于粘土颗粒得孔穴或孔道中,不受粘土得束缚不受粘土得束缚,可以自由得运动。可以自由得运动。u3、粘土水化膨胀得过程、粘土水化膨胀得过程u各种粘土都会吸水膨胀各种粘土都会吸水膨胀,只就是不同得粘土只就是不同得粘土矿物水化膨胀得程度不同而已。粘土水化膨矿物水化膨胀得程度不同而已。粘土水化膨胀受三种力制约胀受三种力制约:表面水化力、渗透水化力表面水化力、渗透水化力和毛细管作用。和毛细管作用。(1)表面水化表面水化 u定义定义:由粘土晶体表面直接吸附水分子和由粘土晶体表面直接吸附水分子和通过所吸附得可交换性阳离子间接吸附水分通过所吸附得可交换性阳离子间接吸附水分子而
4、导致得水化。子而导致得水化。u表面水化机理表面水化机理 u直接水化直接水化:粘土表面上得粘土表面上得H+和和OH-通过氢键通过氢键吸附水分子吸附水分子u间接水化间接水化:通过所吸附得可交换性阳离子间通过所吸附得可交换性阳离子间接吸附水分子接吸附水分子。这就是短距离范围内得粘土与水得相互作这就是短距离范围内得粘土与水得相互作用用,这个作用进行到粘土层间有四个水分子这个作用进行到粘土层间有四个水分子层得厚度层得厚度,其厚度约为其厚度约为10(1nm)。在粘土得层面上在粘土得层面上,此时作用得力有层间分子此时作用得力有层间分子得范德华引力、层面带负电和层间阳离子之得范德华引力、层面带负电和层间阳离子
5、之间得静电引力、水分子与层面得吸附能量间得静电引力、水分子与层面得吸附能量(水化能水化能),其中以水化能最大。其中以水化能最大。水化膨胀力可达水化膨胀力可达20004000大气压。大气压。u当粘土层面间得距离超过当粘土层面间得距离超过10 时时,表面吸附表面吸附能量已经不就是主要得了能量已经不就是主要得了,此后粘土得继续此后粘土得继续膨胀就是由渗透压力和双电层斥力所引起得。膨胀就是由渗透压力和双电层斥力所引起得。u随着水分子进入粘土晶层间随着水分子进入粘土晶层间,粘土表面吸附粘土表面吸附得阳离子便水化而扩散到水中得阳离子便水化而扩散到水中,形成扩散双形成扩散双电层电层,由此由此,层间得双电层斥
6、力便逐渐起主导层间得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。作用而引起粘土层间距进一步扩大。u扩散双电层理论扩散双电层理论(粘土胶体化学最重要得理粘土胶体化学最重要得理论之一论之一)。(2)渗透水化渗透水化u其其次次粘粘土土层层间间吸吸附附有有众众多多得得阳阳离离子子,层层间间得得离离子子浓浓度度远远大大于于溶溶液液内内部部得得浓浓度度。由由于于浓浓度度差差得得存存在在,粘粘土土层层可可看看成成就就是是一一个个渗渗透透膜膜,在在渗渗透透压压力力作作用用下下水水分分子子便便继继续续进进入入粘粘土土层层间间,引引起起粘粘土土得得进进一一步步膨膨胀胀。由由渗渗透透水水化化而而引引起得膨
7、胀可使粘土层间距达到起得膨胀可使粘土层间距达到120。u增增加加溶溶液液得得含含盐盐量量,由由于于浓浓度度差差减减小小,粘粘土土膨膨胀胀得得层层间间距距便缩小便缩小,这也就是用盐水泥浆抑制孔壁膨胀得原理。这也就是用盐水泥浆抑制孔壁膨胀得原理。u粘粘土土水水化化膨膨胀胀达达到到平平衡衡距距离离(层层间间距距大大约约为为120)得得情情况况下下,在在剪剪切切力力作作用用下下晶晶胞胞便便分分离离,粘粘土土分分散散在在水水中中,形形成成粘土悬浮液。粘土悬浮液。扩散双电层得形成扩散双电层得形成+滑动面滑动面吸附得可交换阳离子解离吸附得可交换阳离子解离,形形成扩散双电层成扩散双电层,产生负电性产生负电性,
8、晶层间相互排斥晶层间相互排斥,间距增大间距增大,表现出膨胀性。表现出膨胀性。水水膨胀后分散膨胀后分散4、水化膨胀得评价方法u评价方法评价方法:吸水量法和膨胀量法吸水量法和膨胀量法(1 1)吸水量法吸水量法u吸水量吸水量:总吸水量总吸水量,单位重量土吸附水得总量单位重量土吸附水得总量(重量或质重量或质量量););u比亲水量比亲水量:单位表面积吸水量单位表面积吸水量(相当于表面水化膜厚度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)膨胀量法膨胀量法u 膨胀量膨胀量:单位重量粘土得膨胀体积单位重量粘土得膨胀体积(体积不受限体积不受限制制),另外一
9、种表示方法水化应力另外一种表示方法水化应力,即体积保持不即体积保持不变时变时,泥页岩水化所产生得应力效应泥页岩水化所产生得应力效应123传感器膨胀膨胀量测量测定仪定仪大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点u采用采用NP-02型智能型页岩膨胀测试仪型智能型页岩膨胀测试仪,以以10KCl为基本得参考标准为基本得参考标准,测量在不同测量在不同LG植物胶植物胶加量时得页岩得相对膨胀率。加量时得页岩得相对膨胀率。uLG植物胶对泥页岩水化膨胀有较强得抑制作植物胶对泥页岩水化膨胀有较强得
10、抑制作用用,在基浆中加入在基浆中加入2得得LG植物胶后植物胶后,其相对膨其相对膨胀率只有胀率只有19、80。实例5、影响粘土水化得因素影响粘土水化得因素u粘土矿物本身得特性粘土矿物本身得特性u交换性阳离子得种类交换性阳离子得种类u水溶液中电解质得浓度水溶液中电解质得浓度u(1)粘土矿物本身得特性粘土矿物本身得特性u 粘粘土土矿矿物物因因其其晶晶格格构构造造不不同同,水水化化膨膨胀胀能能力力也也有有很很大大差差别。别。u蒙蒙脱脱石石粘粘土土矿矿物物(2:1),其其晶晶胞胞两两面面都都就就是是氧氧层层,层层间间联联结结就就是是较较弱弱得得分分子子间间力力,水水分分子子易易沿沿着着硅硅氧氧层层面面进
11、进入入晶晶层间层间,使层间距离增大使层间距离增大,引起粘土得体积膨胀。引起粘土得体积膨胀。伊伊利利石石(2:1)粘粘土土矿矿物物其其晶晶体体结结构构与与蒙蒙脱脱石石矿矿物物相相同同,但但因因层层间间有有水水化化能能力力小小得得K+存存在在,K+镶镶嵌嵌在在粘粘土土硅硅氧氧层层得得六六角角空空穴穴中中,把把两两硅硅氧氧层层锁锁紧紧,故故水水不不易进入层间易进入层间,粘土不易水化膨胀。粘土不易水化膨胀。高高岭岭石石(1:1)粘粘土土矿矿物物,因因层层间间易易形形成成氢氢键键,晶晶胞胞间间联联结结紧紧密密,水水分分子子不不易易进进入入,故故膨膨胀胀性性小小。同同时时伊伊利利石石晶晶格格置置换换现现象
12、象少少,高高岭岭石石几几乎乎无无晶晶格格置置换换现现象象,阳离子交换容量低阳离子交换容量低,也使粘土得水化膨胀差。也使粘土得水化膨胀差。u(2)交换性阳离子得种类交换性阳离子得种类u 粘粘土土吸吸附附得得交交换换性性阳阳离离子子不不同同,形形成成得得水水化化膜膜厚厚度度也也不不相相同同,即即粘粘土土水水化化膨膨胀胀程程度度也也有有差差别别。例例如如交交换换性性阳阳离离子子为为Na+得得钠钠蒙蒙脱脱石石,水水化化时时晶晶胞胞间间距距可可达达40,而而交交换换性性阳阳离离子子为为Ca2+得得钙钙蒙蒙脱脱石石,水水化化时时晶胞间距只有晶胞间距只有17。(3)、水溶液中电解质得浓度和有机处理剂含水溶液
13、中电解质得浓度和有机处理剂含量量u水溶液中电解质浓度增加水溶液中电解质浓度增加,因离子水化与粘土水化争夺因离子水化与粘土水化争夺水分子水分子,使粘土直连吸附水分子得能力降低。其次阳离使粘土直连吸附水分子得能力降低。其次阳离子数目增多子数目增多,挤压扩散层挤压扩散层,使粘土得水化膜减薄。总起来使粘土得水化膜减薄。总起来就是使粘土得水化膨胀作用减弱。就是使粘土得水化膨胀作用减弱。u盐水泥浆和钙处理泥浆对孔壁得抑制作用就就是依据这盐水泥浆和钙处理泥浆对孔壁得抑制作用就就是依据这个原理。个原理。二、粘土二、粘土-水界面得扩散双电层水界面得扩散双电层(扩散双电层理论扩散双电层理论)u为了更加深入地揭示粘
14、土水化、分散、为了更加深入地揭示粘土水化、分散、造浆得本质造浆得本质,掌握泥浆性能调节得基本胶掌握泥浆性能调节得基本胶体化学原理体化学原理,引入扩散双电层理论对粘土引入扩散双电层理论对粘土-水界面得行为机理进行分析。水界面得行为机理进行分析。(一一)双电层成因与结构双电层成因与结构u由于粘土颗粒在碱性水溶液中带负由于粘土颗粒在碱性水溶液中带负电荷电荷(在端部则多数带正电荷在端部则多数带正电荷),必必然要吸附与粘土颗粒带电符号相反然要吸附与粘土颗粒带电符号相反得离子得离子阳离子到粘土颗粒表面阳离子到粘土颗粒表面附近附近(界面上得浓集界面上得浓集),形成粘土颗形成粘土颗粒表面得一层负电荷与反离子得
15、正粒表面得一层负电荷与反离子得正电荷相对应得电层电荷相对应得电层,以保持电得中以保持电得中性性(平衡平衡)。粘土颗粒吸附阳离子使。粘土颗粒吸附阳离子使阳离子在粘土颗粒表面浓集得同时阳离子在粘土颗粒表面浓集得同时,由于分子热运动和浓度差由于分子热运动和浓度差,又引起又引起阳离子脱离界面得扩散运动阳离子脱离界面得扩散运动,粘土粘土颗粒对阳离子得吸附及阳离子得扩颗粒对阳离子得吸附及阳离子得扩散运动两者共同作用得结果散运动两者共同作用得结果,在粘在粘土颗粒与水得界面周围阳离子呈扩土颗粒与水得界面周围阳离子呈扩散状态分布散状态分布,即形成扩散双电层。即形成扩散双电层。u u 有关扩散双电层得几个重要概念
16、有关扩散双电层得几个重要概念u吸附层吸附层u扩散层扩散层u滑动面滑动面u热力电位热力电位Eu电动电位电动电位1、吸附层吸附层u吸附层就是指靠近粘土颗吸附层就是指靠近粘土颗粒表面较近得一薄层水化粒表面较近得一薄层水化阳离子阳离子,其厚度一般只有其厚度一般只有几个几个(0、1nm)。这一薄。这一薄层水化阳离子层水化阳离子,由于与粘由于与粘土颗粒表面距离近土颗粒表面距离近,阳离阳离子得密度大子得密度大,静电吸引力静电吸引力强强,被吸附得阳离子与粘被吸附得阳离子与粘土颗粒一起运动难以分离。土颗粒一起运动难以分离。2、扩散层扩散层u扩散层就是吸附层外围起直到溶扩散层就是吸附层外围起直到溶液浓度均匀处为止
17、液浓度均匀处为止(离子浓度差为离子浓度差为零零)由水化阳离子及阴离子组成得由水化阳离子及阴离子组成得较厚得离子层。较厚得离子层。u这部分阳离子由于本身得热运动这部分阳离子由于本身得热运动,自吸附层外围开始向浓度较低处自吸附层外围开始向浓度较低处扩散扩散,因而与粘土颗粒表面得距离因而与粘土颗粒表面得距离较远较远,静电引力逐渐减弱静电引力逐渐减弱(呈二次呈二次方关系减弱方关系减弱),在给泥浆体系接入在给泥浆体系接入直流电源时直流电源时,这层水化离子不能与这层水化离子不能与粘土颗粒一起向电源正极运动而粘土颗粒一起向电源正极运动而相反向电源负极运动。扩散层中相反向电源负极运动。扩散层中阳离子分布就是不
18、均匀得阳离子分布就是不均匀得,靠近吸靠近吸附层多附层多,而远离吸附层则逐渐减少而远离吸附层则逐渐减少,扩散层得厚度扩散层得厚度,依阳离子得种类依阳离子得种类和浓度得不同和浓度得不同,约为约为10100。3、滑动面滑动面u她就是吸附层和扩散层之间她就是吸附层和扩散层之间得一个滑动面。这就是由于得一个滑动面。这就是由于吸附层中得阳离子与粘土颗吸附层中得阳离子与粘土颗粒一起运动粒一起运动,而扩散层中得而扩散层中得阳离子则有一滞后现象而呈阳离子则有一滞后现象而呈现得滑动面。现得滑动面。4、热力电位热力电位Eu她就是粘土颗粒表面与水溶她就是粘土颗粒表面与水溶液中离子浓度均匀处之间得液中离子浓度均匀处之间
19、得电位差。电位差。u热力电位得高低热力电位得高低,取决于粘土取决于粘土颗粒所带得负电量。颗粒所带得负电量。u热力电位愈高热力电位愈高,表示粘土颗粒表示粘土颗粒表面带得负电量愈多表面带得负电量愈多,能吸附能吸附得阳离子数目也愈多。得阳离子数目也愈多。5、电动电位电动电位u她就是滑动面处与水溶液她就是滑动面处与水溶液离子浓度均匀处得电位差。离子浓度均匀处得电位差。电动电位取决于粘土颗粒电动电位取决于粘土颗粒表面负电量与吸附层内阳表面负电量与吸附层内阳离子正电量得差值。离子正电量得差值。u电动电位愈高电动电位愈高,表示在扩散表示在扩散层中被吸附得阳离子愈多层中被吸附得阳离子愈多,扩散层愈厚。扩散层愈
20、厚。(二二)影响电动电位影响电动电位得因素得因素u阳离子得种类阳离子得种类u阳离子得种类决定了阳离子电价得高低和阳离子得水化阳离子得种类决定了阳离子电价得高低和阳离子得水化能力。能力。u当粘土颗粒吸附高价阳离子时当粘土颗粒吸附高价阳离子时,由于一个离子带得电荷由于一个离子带得电荷多多,粘土颗粒表面得总电荷量一定时粘土颗粒表面得总电荷量一定时,吸附层中被阳离子中吸附层中被阳离子中和得电量多和得电量多,于就是电动电位低于就是电动电位低,扩散层中得阳离子数目少扩散层中得阳离子数目少,扩散层及粘土表面得水化膜薄扩散层及粘土表面得水化膜薄,粘土颗粒易于聚结。粘土颗粒易于聚结。u若粘土颗粒吸附得就是低价阳
21、离子若粘土颗粒吸附得就是低价阳离子,吸附层中被阳离子吸附层中被阳离子中和得电量少中和得电量少,电动电位高电动电位高,扩散层中得阳离子数目多扩散层中得阳离子数目多,扩扩散层以及水化膜厚散层以及水化膜厚,粘土颗粒不易聚结。粘土颗粒不易聚结。钙膨润土用碳酸钠处理原理钙膨润土用碳酸钠处理原理(*)uNa+取代取代Ca2+,因因Na+为一价离子为一价离子,且水化能力强且水化能力强,粘土颗粘土颗粒周围得扩散层以及水化膜厚粒周围得扩散层以及水化膜厚,泥浆趋于分散稳定泥浆趋于分散稳定u相反相反,配制好得泥浆使用时受钙侵配制好得泥浆使用时受钙侵,Ca2+取代粘土表面吸取代粘土表面吸附得附得Na+,由于由于Ca2
22、+就是二价离子就是二价离子,水化能力弱水化能力弱,因而粘土因而粘土颗粒得水化膜变薄颗粒得水化膜变薄,泥浆由分散转化为聚结而失去稳定泥浆由分散转化为聚结而失去稳定性。性。2、阳离子浓度阳离子浓度u阳离子阳离子(例如例如Na+)虽水化能力强虽水化能力强,粘土颗粒水化膜粘土颗粒水化膜厚厚,泥浆稳定泥浆稳定,但但Na+浓度有一合适得范围浓度有一合适得范围,若若Na+浓度过大浓度过大,同样会使泥浆由分散转为聚结。同样会使泥浆由分散转为聚结。u(1)阳离子浓度大阳离子浓度大,阳离子挤入吸附层得机会增大阳离子挤入吸附层得机会增大,结果使电动电位降低结果使电动电位降低,扩散层以及水化膜变薄扩散层以及水化膜变薄
23、(即即所谓压缩双电层所谓压缩双电层),分散体系由分散转化为聚结分散体系由分散转化为聚结;u(2)阳离子浓度大阳离子浓度大,阳离子数目多阳离子数目多,阳离子本身水化不阳离子本身水化不好好,同时阳离子水化而夺去粘土直接吸附得水分子同时阳离子水化而夺去粘土直接吸附得水分子,因因而使粘土颗粒周围得水化膜变薄而使粘土颗粒周围得水化膜变薄,分散体系由分散转分散体系由分散转为聚结。为聚结。u泥浆使用时受盐泥浆使用时受盐(NaCl)侵侵,就是由于就是由于Na+过多过多,起了压起了压缩双电层得作用缩双电层得作用,使泥浆由分散转为聚结使泥浆由分散转为聚结,甚至失去稳甚至失去稳定性。定性。u又如钙膨润土用纯碱改性处
24、理时又如钙膨润土用纯碱改性处理时,碳酸钠存在有最碳酸钠存在有最佳加量佳加量,加量过大则起反作用加量过大则起反作用,造浆量降低造浆量降低,泥浆性泥浆性能变坏。能变坏。u此外此外,泥浆得分散稳定或聚结泥浆得分散稳定或聚结,还受阴离子得影响。还受阴离子得影响。u如钙膨润土改性而加入钠盐如钙膨润土改性而加入钠盐,加入加入Na2CO3而粘土而粘土颗粒分散颗粒分散;若加入若加入NaCl,则粘土颗粒聚结。故泥浆则粘土颗粒聚结。故泥浆处理加入无机盐时处理加入无机盐时,必须考虑阴离子得影响。必须考虑阴离子得影响。(三三)双电层理论对粘土水化得应用分析双电层理论对粘土水化得应用分析(1)双电层理论对钻井泥浆应用得
25、指导意义双电层理论对钻井泥浆应用得指导意义u原生膨润土矿多为钙膨润土原生膨润土矿多为钙膨润土,造浆时加入一价钠盐造浆时加入一价钠盐,提供提供Na+,因离子交换吸附因离子交换吸附,扩散双电层中阳离子由扩散双电层中阳离子由Ca2+转为转为Na+,电位升高电位升高,扩散层增厚扩散层增厚,粘土分散粘土分散,泥浆稳定。泥浆稳定。u泥浆受钙侵时泥浆受钙侵时,Ca2+得浓度增大得浓度增大,扩散双电层中扩散双电层中Na+转为转为Ca2+,电位下降电位下降,扩散层变薄扩散层变薄,粘土颗粒聚结粘土颗粒聚结,泥浆失去泥浆失去稳定性。稳定性。u为处理泥浆而加入低价阳离子电解质时为处理泥浆而加入低价阳离子电解质时,应严
26、格控制加应严格控制加量量,过量会起压缩扩散层得副作用过量会起压缩扩散层得副作用,同时必须考虑阴离子同时必须考虑阴离子得影响。得影响。u反过来反过来,可以通过加入低价或高价阳离子无机处理剂来可以通过加入低价或高价阳离子无机处理剂来调节泥浆得分散或适度聚结调节泥浆得分散或适度聚结,用以配制不同种类用以配制不同种类(分散得分散得或适度聚结得或适度聚结得)得泥浆。得泥浆。u(2)从井壁稳定得角度来看从井壁稳定得角度来看,双电层理论也有双电层理论也有重要得指导意义重要得指导意义:若所钻地层得膨润土含量较若所钻地层得膨润土含量较高高,在外界阳离子得作用下在外界阳离子得作用下,电位升高电位升高,水化水化分散
27、性增强分散性增强,易使井壁水化分散易使井壁水化分散,给钻井工作给钻井工作带来井眼缩径、垮塌等不利影响。带来井眼缩径、垮塌等不利影响。u因此因此,在石油天然气钻井、基础工程钻掘及其在石油天然气钻井、基础工程钻掘及其她遇到泥岩、页岩、粘土等地层钻进时她遇到泥岩、页岩、粘土等地层钻进时,采取采取压缩双电层压缩双电层,降低降低电位得措施电位得措施,能使井壁、槽能使井壁、槽壁得稳定性增强。壁得稳定性增强。三、粘土在水中得分散状态三、粘土在水中得分散状态u可分为分散、絮凝、可分为分散、絮凝、聚结三种形态。聚结三种形态。u颗粒之间得联结有三颗粒之间得联结有三种情形种情形:面面-面接触面接触,边边-面接触和边
28、面接触和边-边接触。边接触。u实际实际:同时存在分散、同时存在分散、絮凝或分散、聚结等絮凝或分散、聚结等形态形态粘土在水中得分散状态示意图粘土在水中得分散状态示意图A-分散不絮凝分散不絮凝;B-聚结聚结,但不絮凝但不絮凝;C-边边面结合面结合,仍分散仍分散;D-边边-边结合絮凝边结合絮凝;E-边边-面面结合结合,聚结且絮凝聚结且絮凝;F-边边-边结合聚结且絮边结合聚结且絮凝凝蒙蒙脱脱石石高高岭岭石石四、泥浆得稳定性四、泥浆得稳定性u泥浆分散体系得稳定就是指她能长久保持泥浆分散体系得稳定就是指她能长久保持其分散状态其分散状态,各微粒处于均匀悬浮状态而不各微粒处于均匀悬浮状态而不破坏得特性。破坏得
29、特性。u她包含两方面得含意她包含两方面得含意,即沉降稳定性和聚结即沉降稳定性和聚结稳定性。稳定性。(一一)泥浆得沉降稳定性泥浆得沉降稳定性u沉降稳定性又称动力稳定性沉降稳定性又称动力稳定性,就是指在重力作用下泥浆就是指在重力作用下泥浆中得固体颗粒就是否容易下沉得特性。泥浆中固体颗粒中得固体颗粒就是否容易下沉得特性。泥浆中固体颗粒得沉降决定于重力和阻力得相对关系。得沉降决定于重力和阻力得相对关系。u根据根据Stokes定律定律,沉降速度为沉降速度为:ur 球形颗粒得半径球形颗粒得半径,cm;、0颗粒和分散介质得比重颗粒和分散介质得比重,g/cm3;分散介质得粘度分散介质得粘度,Pas;g重力加速
30、度重力加速度,m/s2。u由上式计算出由上式计算出,颗粒大于颗粒大于1m便不能长时间便不能长时间处于均匀悬浮状态。处于均匀悬浮状态。u用普通粘土配制得泥浆用普通粘土配制得泥浆,其中得粘土颗粒大其中得粘土颗粒大都在都在1m以上以上,故不加处理剂难以获得稳定故不加处理剂难以获得稳定得泥浆。得泥浆。u因此因此,要提高泥浆分散体系得沉降稳定性要提高泥浆分散体系得沉降稳定性,必须缩小粘土颗粒得尺寸必须缩小粘土颗粒得尺寸,即应采用优质粘即应采用优质粘土造浆土造浆,以提高其分散度以提高其分散度,其次应提高液相其次应提高液相得比重和粘度。得比重和粘度。(二二)泥浆得聚结稳定性泥浆得聚结稳定性u泥浆得聚结稳定性
31、就是指泥浆中得固相颗粒就是泥浆得聚结稳定性就是指泥浆中得固相颗粒就是否容易自动降低其分散度而聚结变大得特性。否容易自动降低其分散度而聚结变大得特性。u泥浆分散体系中得粘土颗粒间同时存在着相互吸泥浆分散体系中得粘土颗粒间同时存在着相互吸引力和相互排斥力引力和相互排斥力,这两种相反作用力便决定着泥这两种相反作用力便决定着泥浆分散体系得聚结稳定性。浆分散体系得聚结稳定性。u泥浆分散体系中粘土颗粒之间得排斥力就是由于粘土颗泥浆分散体系中粘土颗粒之间得排斥力就是由于粘土颗粒都带有负电荷粒都带有负电荷,粘土颗粒表面存在双电层和水化膜。粘土颗粒表面存在双电层和水化膜。u具有同种电荷具有同种电荷(负电荷负电荷
32、)得粘土颗粒彼此接近或碰撞时得粘土颗粒彼此接近或碰撞时,静电斥力使两颗粒不能继续靠近而保持分离状态。同时静电斥力使两颗粒不能继续靠近而保持分离状态。同时粘土颗粒四周得水化膜粘土颗粒四周得水化膜,也就是两颗粒彼此接近或聚结也就是两颗粒彼此接近或聚结得阻碍因素。得阻碍因素。u当两颗粒相互靠近时当两颗粒相互靠近时,必须挤出夹在两颗粒间得水分子必须挤出夹在两颗粒间得水分子或水化离子或水化离子,进一步靠近时便要改变双电层中离子得分进一步靠近时便要改变双电层中离子得分布。布。u要产生这些变化就需要做功。这个功等于指定距离时得要产生这些变化就需要做功。这个功等于指定距离时得排斥能或排斥势能。排斥能或排斥势能。u排斥势能排斥势能(VR)决定于颗粒所带得电荷决定于颗粒所带得电荷,同时就是相互间同时就是相互间距离得函数。她大致就是随着颗粒间距离得增加呈指数距离得函数。她大致就是随着颗粒间距离得增加呈指数下降下降,故近似地可写成故近似地可写成:u溶剂得介电常数溶剂得介电常数;r球形颗粒得半径球形颗粒得半径,m;0颗粒表面颗粒表面得电位得电位,V;H0两球形颗粒球面最短距离两球形颗粒球面最短距离,m;K离子氛半径离子氛半径得倒数得倒数,1/K可看作为双电层厚度得量度可看作为双电层厚度得量度,m-1。