Studies of mineral surface interactions with water using pycnometric measurements

This paper describes how simple pycnometric studies using water and a non-polar fluid such as n-heptane, may be used to recognise the presence and indicate the magnitude of chemical “reactions” between mineral surfaces and water. The results of such studies on glass, feldspar, quartz, and olivine, are reported, together with observations of the influence changes in pH can have upon such mineral–water responses. In all cases the mass density of these solids was lower when measured in water than that measured in n-heptane, suggesting their contact with water creates a boundary layer of lower density material around the particles; differences of up to 11% are possible. Such boundary layers can influence mechanical properties and could partly explain time dependent behaviour under constant effective stress. They also respond differently to solutions of different pH, with measured density decreasing by approximately 7% as pH increases from 3 (strongly acidic) to 11 (strongly basic). Such phenomena add a new field of studies to the description, investigation and quantification of soils and rocks.RésuméL’article présente quelques études au pycnomètre, à partir d’eau ou d’un fluide non polaire tel que le n-heptane, réalisées afin de mettre en évidence d’éventuelles réactions entre les surfaces minérales et l’eau. Du verre et des minéraux de feldspath, de quartz et d’olivine ont été étudiés. Le rôle du pH sur ces réactions a été analysé. Les densités des solides dans l’eau se sont avérées plus faibles que dans le n-heptane (jusqu’à 11% de différence), suggérant qu’une couche limite de matière de plus faible densité entoure les particules. La présence d’une telle couche limite peut avoir une influence sur les propriétés mécaniques des matériaux et peut expliquer en partie des comportements dépendant du temps sous contraintes effectives constantes. Le comportement de ces couches limites dépend du pH, avec des mesures de densité diminuant approximativement de 7% lorsque le pH augmente de 3 (milieu fortement acide) à 11 (milieu fortement basique). De tels phénomènes représentent de nouveaux champs d’investigation pour la caractérisation et l’analyse du comportement des sols et des roches.