Exposure of bentonite to salt solution: osmotic and mechanical effects
Authors: Di Maio C. 
Published: October 2009

The mechanical behaviour of clays is strongly influenced by pore fluid composition. Moreover, exposure to fluids different from their pore fluid may produce a transient stage during which the clays undergo noticeable volume changes. The aim of this paper is to investigate these phenomena and their causes. To this end, a large number of water-saturated specimens of Ponza bentonite (mainly composed of Namontmorillonite) were exposed, alternately, to distilled water and to saturated NaCI, KCl or CaC12 solutions in the course of laboratory direct shear tests and oedometer tests.

Exposure to any of the three electrolytes produced consolidation of the specimens, a large decrease in deformability and an equally large increase in residual shear strength. At equilibrium, the mechanical behaviour became very similar to that exhibited by specimens that had been directly prepared with the appropriate salt solution as pore fluid. For both types of specimen (i.e. those prepared with the electrolyte and those exposed to it) NaCI effects were reversible when the specimens were re-exposed to water, while KCI and CaC12 effects persisted even after some months of continuous testing.

The experimental results were consistent with the hypothesis that changes in the thickness of the diffuse double layer were produced by ions diffusing into or out of the clay. X-ray diffraction analysis showed that, in the cases of KCl and CaC12, the inward diffusion had produced ion exchange. Hence, the decrease of the diffuse double layer was permanent, under the given experimental conditions, and it rendered subsequent osmotic phenomena practically negligible.

Le comportement méchanique de certaines argiles actives est fortement influencé par la omposition du liquide interstitiel. En plus, par exposition à liquides differents des liquides interstitiels il est possible obtenir des notables variations en volume. Le fin du présent article est d'obtenir reinsegnements additionnels pour comprendre les causes de tel comportement. Par conséquent on a exposé plusieurs échantillons de Ponza (Italie), au préalable saturés par l'eau, alternativement à l'eau distillée et à des solutions saturées de NaCI, KCl ou CaC12. L'éxposition à chacun des trois électrolytes a donné lieu à mineure déformabilité et majeure résistance à la rupture au cisaillement. A l'équilibre les propriétés mécaniques résultent trios similaires à celles montrées par les échantillons directement préparés par la solution saline appropriée. En plus les effets induits par NaCI semblaient étre reversible par réexposition à l'eau, tandisque ils étaient irréversibles dans le cas de KCl et CaCl22.

Les résultats expérimenteaux sont en accord avec l'hypothèse d'une variation d'épesseur de la double couche diffuse produite par diffusion ionique à l'intérieur ou à Pextérieur du liquide interstitiel. Par analyse aux rayons X on a montré que la diffusion à l'intérieur a produit, dans le cas de KCl et CaC12, des exchanges ioniques et donc une persistente diminution de la double couche diffuse avec des phénomèpnes osmotiques pratiquement négligeables.