Estimating vertical and lateral pressures in periodically structured montmorillonite clay particles



Document title: Estimating vertical and lateral pressures in periodically structured montmorillonite clay particles
Journal: Anais da Academia Brasileira de Ciencias
Database: PERIÓDICA
System number: 000367211
ISSN: 0001-3765
Authors: 1
2
3
Institutions: 1The University of Melbourne, Department of Civil and Environmental Engineering, Parkville, Victoria. Australia
2The University of Western Australia, Faculty of Engineering, Computing and Mathematics, Crawley, Australia Occidental. Australia
3The University of Western Australia, School of Computer Science and Software Engineering, Crawley, Australia Occidental. Australia
Year:
Season: Mar
Volumen: 82
Number: 1
Pages: 13-24
Country: Brasil
Language: Inglés
Document type: Artículo
Approach: Experimental
English 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
Portuguese abstract 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
Disciplines: Física y astronomía,
Ciencias de la computación,
Matemáticas
Keyword: Física atómica y molecular,
Matemáticas aplicadas,
Computación,
Arcilla,
Tensor de Maxwell,
Ecuación de Nernst-Planck,
Poro-escala,
Hinchazón,
Van't Hoff ley
Keyword: Physics and astronomy,
Computer science,
Mathematics,
Atomic and molecular physics,
Applied mathematics,
Computing,
Clay,
Maxwell tensor,
Nernst-Planck equation,
Pore-scale,
Swelling,
Van’t Hoff law
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