Electrolyte Concentration-Permeability Relationships in Sodium Illite-Silt Mixtures

Abstract—To examine the effects of clay swelling and dispersion on electrolyte concentration-permeability relationships of low clay content soils, flow experiments were conducted on a silt of fixed particle size distribution containing 0, 5, 7·5, 10 and 15 per cent clay (sodium illite, 2 µm fraction). Flocculated specimens were sedimented using both slow and rapid procedures. After compression each specimen was permeated successively with electrolyte solutions which caused (1) swelling of the clay fraction (0·10 N), and (2) dispersion (0·05 N). Absolute permeabilities varied with clay content, sedimentation procedure, compression rate, and electrolyte concentration; however, the form of this variation plotted against through-put volume was similar for all specimens containing electrolyte solutions causing only swelling of the clay. Increasing the hydraulic gradient above a critical value apparently increased the swelling slightly as evidenced by further reductions in permeability. The permeability of mixtures permeated with electrolyte solution causing dispersion of the clay was more complex and depended on clay content, the hydraulic gradients used to introduce the dispersing electrolyte solution and the pre-dispersion gradients to which the specimens had been subjected. Permeability decreases were attributed to the last stages of swelling prior to dispersion and to pore plugging. Increases in permeability were the result of erosion of dispersed particles. Specimens previously subjected to the highest gradients while swelling dispersed more rapidly and had a greater tendency to erode. The effects of predispersion gradients diminished with increasing clay contents. It is concluded that both compositional and mechanical factors play an important role in determining electrolyte concentration-permeability relationships for soils containing active clay minerals.Résumé—Afin d’étudier les effets du gonflement et de la dispersion de l’argile sur les relations perméabilité—concentration en electrolyte de sols à basse teneur en argile, on a effectué des expériences d’écoulement sur un limon dont la distribution des tailles particulaires était fixe et qui contenait 0, 5, 7,5, 10 et 15 pour cent d’argile (illite sodique, fraction 2 µm). Les échantillons floculés ont été sédimentés au moyen de techniques lentes ou rapides. Après compression, chaque échantillon a été percolé successivement par des solutions d’électrolyte qui ont entraîné (1) le gonflement de la fraction argileuse (0,10 N) et (2) la dispersion (0,05 N). Les perméabilités absolues varient avec la teneur en argile, la technique de sédimentation, la vitesse de compression et la concentration en électrolyte; cependant, la forme de cette variation portée en fonction du volume percolé est semblable pour tous les échantillons contenant des solutions d’électrolytes qui n’entraînent que le gonflement de l’argile. L’augmentation du gradient hydraulique au-dessus d’une valeur critique entraîne apparemment une légère augmentation du gonflement comme le montrent les diminutions ultérieures de la perméabilité. La perméabilité des mélanges percolés avec des solutions d’électrolyte entraînant la dispersion de l’argile est plus complexe et dépend de la teneur en argile, des gradients hydrauliques utilisés pour introduire la solution d’électrolyte dispersante et des gradients de prédispersion auxquels les échantillons sont soumis. Les diminutions de perméabilité ont été attribuées aux dernières étapes du gonflement précédant la dispersion et le bouchage des pores. Les augmentations de la perméabilité sont le résultat de l’érosion des particules dispersées. Les échantillons soumis initialement aux plus forts gradients pendant le gonflement dispersent plus vite et ont une tendance accrue à l’érosion. Les effets des gradients de prédispersion diminuent quand les teneurs en argile augmentent. On en conclut que des facteurs à la fois texturaux et mécaniques jouent un rôle important dans la détermination des relations perméabilité—concentration en électrolyte pour des sols contenant des minéraux argileux actifs.Kurzreferat—Um die Einflüsse von Tonquellung und Dispergierung auf die Beziehung zwischen Elektrolytkonzentration und Permeabilität in Böden mit geringem Tongehalt zu untersuchen, wurden Durchlaufversuche an einem Schluff mit festgelegter Teilchengrößenverteilung der 0, 5, 7, 5, 10 und 15% Ton (Natriumillit, < 2 µm-Fraktion) enthielt, durchgeführt. Geflockte Proben wurden unter Verwendung sowohl langsamer als auch schneller Verfahren sedimentiert. Nach Pressung wurden durch jede Probe nacheinander Elektrolytlösungen perkoliert, die erstens Quellung der Tonfraktion (0,10 N) und zweitens Dispergierung (0,05 N) hervorriefen. Die absoluten Durchlässigkeiten schwankten mit dem Tongehalt, dem Sedimentationsverfahren, der Kompressionsrate und der Elektrolytkonzentration. Wurde diese Veränderung gegen das Durchlaufvolumen aufgetragen, so ergab sich für alle Proben mit Elektrolytgehalten, die eine Quellung des Tons hervorreifen, ein ähnlicher Kurvenverlauf. Die Erhöhung des hydraulischen Gradienten über einen kritischen Wert ließ offensichtlich die Quellung leicht ansteigen, wie eine weitere Verminderung der Permeabilität erkennen ließ. Die Durchlässigkeit von Mischungen, die mit auf den Ton dispergierend wirkenden Elektrolytlösungen durchsetzt wurden, war komplexer und abhängig vom Tongehalt, dem hydraulischen Gradienten, der für die Perkolation der dispergierenden Elektrolytlösung benutzt wurde, sowie von dem Vordispergierungsgradienten, dem die Proben unterworfen wurden. Verminderung der Durchlässigkeit wurden auf die letzten Stadien der Quellung zurückgeführt, die der Dispergierung und der Porenverstopfung vorangingen. Zunahmen der Durchlässigkeit waren das Ergebnis einer Erosion dispergierter Teilchen. Proben, die vorher dem höchsten Gradienten während der Quellung unterworfen wurden, dispergierten schneller und wiesen eine stärkere Neigung zur Erosion auf. Die Wirkungen der Vordispergierungsgradienten verminderten sich mit zunehmendem Tongehalt. Es wird geschlossen, daß bei Böden, die aktive Tonminerale enthalten, sowohl auf der Zusammensetzung beruhende als auch mechanische Faktoren bei der Bestimmung der Beziehung zwischen Elektrolytkonzentration und Durchlässigkeit eine wichtige Rolle spielen.РезюмеДля исследования эффектов разбухания глины и соотношения между проницаемостью и концентрацией электролита в почвах с малым содержанием глины, провели эксперименты со струей шлама с частицами определенных размеров, содержащих 0; 5; 7,5; 10 и 15 процентов глины (иллит натрия — фракция 2 µм). Флоккулированные образцы медленно и быстро седиментировали. После сжатия каждый образец по очереди опускали в раствор электролита, что повело (1) к разбуханию фракций глины (0,10N) и (2) к дисперсии (0,05N). Абсолютное проникновение варьировало в зависимости от: содержания глины, процедуры седиментации, степени сжатия и концентрации электролита; однако, форма этих вариаций по отношению ко всем рассмотренным образцам была одинаковая, только разбухала глина. Увеличение гидравлического градиента выше критического значения, очевидно, слегка повышает набухание, что указывается понижением проникновения. Понижение проникновения относят к последней стадии набухания до дисперсии и до закупорки пор. Повышение проникновения приписывают эрозии диспергированных частиц. Образцы ранее, во время набухания, подвергнутых более высоким градиентам быстрее проходят дисперсию и проявляют большую тенденцию к эрозии. При более высоком содержании глины эффекты предисперсных градиентов понижаются. Решили, что как состав, так и механические факторы играют важную роль при определении отношения «концентрация электролита-проницаемость» почв, содержащих глинистые минералы.