Estimating vertical and lateral pressures in periodically structured montmorillonite clay particles

ABSTRACT

Given a montmorillonitic clay soil at high porosity and saturated by monovalent counterions, we investigate the particle level responses of the clay to different external loadings. As analytical solutions are not possible for complex arrangements of particles, we employ computational micromechanical models (based on the solution of the Poisson-Nernst-Planck equations) using the finite element method, to estimate counterion and electrical potential distributions for particles at various angles and distances from one another. We then calculate the disjoining pressures using the Van't Hoff relation and Maxwell stress tensor. As the distance between the clay particles decreases and double-layers overlap, the concentration of counterions in the micropores among clay particles increases. This increase lowers the chemical potential of the pore fluid and creates a chemical potential gradient in the solvent that generates the socalled 'disjoining' or 'osmotic' pressure. Because of this disjoining pressure, particles do not need to contact one another in order to carry an 'effective stress'. This work may lead towards theoretical predictions of the macroscopic load deformation response of montmorillonitic soils based on micromechanical modelling of particles.

RESUMO

Dada uma argila montmorilonítica de alta porosidade e saturada por counteríons monovalentes, investigamos as respostas da argila ao nível de partículas para diferentes cargas externas. Como soluções analíticas não são possíveis para arranjos complexos de partículas, empregamos modelos computacionais micro-mecânicos (baseados na solução das equações de Poisson-Nernst-Planck), utilizando o método de elementos finitos, para estimar counteríons e distribuições de potencial elétrico para partículas em diversos ângulos e distâncias uma da outra. Nós então calculamos as pressões de separação usando a relação de Van't Hoff e a tensão de cisalhamento de Maxwell. À medida que a distância entre as partículas de argila diminui e as duplas camadas se sobrepõem, a concentração de counteríons nos microporos entre as partículas de argila aumenta. Este aumento reduz o potencial químico do fluido nos poros e cria um gradiente de potencial químico no solvente, que gera a chamado pressão 'osmótica' ou de 'separação'. Devido a esta pressão de separação, as partículas não precisam de contato entre si, a fim de exercer uma 'tensão efetiva'. Este trabalho pode conduzir a previsões teóricas da resposta macroscópica a carga de deformação em solos montmoriloníticos baseado na modelação micromecânica das partículas.