黏土矿物的构造的分析介绍

4.2.1　黏土矿物的构造

1)基本晶胞

一般情况下,黏土颗粒是由许多层黏土矿物晶胞（片)堆叠形成,而黏土矿物晶胞又是由晶胞的最小构造单元组成。不同种类黏土矿物,其最小构造单元都是一样的。但是,基本构造单元之间的连接方式和晶胞结合形式不同,因而形成的黏土矿物具有不同的特点。黏土矿物的基本构造单位是硅氧四面体和铝氧八面体。硅氧四面体的结构如图4.1所示,每个四面体的中心是一个硅原子,它与4个氧原子以相等的距离相连,4个氧原子分别在四面体的4个顶角上。从单独的四面体看,4个氧原子还有4个剩余的负电荷,因此各个氧原子还能和另一个邻近的硅原子相结合。依此,四面体在平面上相互连接,形成四面体层。

铝氧八面体的结构如图4.2所示,每个八面体的中心是一个铝原子,它与3个氧原子和3个氢氧原子以等距离相连。3个氧原子和3个氢氧原子分别在八面体的6个顶角上。由于还有剩余电荷,氧原子还能和另一个邻近的铝离子相结合。依此,八面体在平面上相互连接,形成八面体层。

硅氧四面体层和铝氧八面体层是不同黏土矿物所共同具有的基本晶层。但是,这两种基本晶层在不同黏土矿物中的结合方式是不同的,因而主要导致了不同黏土矿物在造浆等性能上的差异。此外,影响黏土矿物造浆等性能的重要因素是同晶置换,它是指在晶格构架不变的情况下,四面体中的硅（+4)被低价离子铝（+3)或铁（+3)置换,八面体中的铝（+3)被低价离子镁（+2)等置换。同晶置换导致黏土颗粒带负电,黏土颗粒负电性是影响其性能的重要因素。一般情况下,同晶置换是黏土原生条件所决定的,不同黏土矿物的同晶置换程度有着明显的差异。

图4.1　硅氧四面体及其晶层示意

图4.2　铝氧八面体及其晶层示意

2)造浆黏土种类

常见的造浆黏土主要有高岭石（Kaolinite)、蒙脱石（Montmorillonite)、伊利石（illite)和海泡石（Sepiolite)等。

（1)高岭石

高岭石的化学式是Al4［Si4 O10］［OH］8,晶体构造是由一层硅氧四面体和一层铝氧八面体组成,两层间由共同的氧原子连接在一起组成晶胞,如图4.3所示。

图4.3　高岭石的结构

高岭石黏土颗粒是由上述晶胞在c轴方向上一层一层重叠,在a轴和b轴方向上延伸而形成的。高岭石晶胞是由一层硅氧四面体和一层铝氧八面体组成,故称为1∶1型黏土矿物。其相邻两晶胞底面的距离为7.2Å,其晶体构造单位中电荷是平衡的。高岭石重叠的晶胞之间是氢氧层与氧层相对,形成结合力较强的氢键,因而晶胞间连接紧密,不易分散。故高岭石黏土颗粒一般多为许多晶胞的集合体,与下面分析的蒙脱石相比颗粒较粗,小于2μm的颗粒含量仅占10%～40%。

高岭石矿物晶体结构比较稳定,即晶格内部几乎不存在同晶置换现象,仅有表层OH-的电离和晶体侧面断键才造成少量的电荷不平衡,因而其负电性较小,致使该类黏土矿物吸附阳离子的能力低,所以水化等活性效果差。

由于高岭石矿物晶胞间连接紧密,可交换的阳离子少,水分子不易进入晶胞之间,因而不易膨胀水化,造浆率低、造浆能力差,每吨高岭石黏土造浆量低于3 m3。从钻孔的井壁稳定性分析,如果钻进遇到高岭石类黏土或富含高岭石的泥质岩层时,一般井壁不易膨胀（或不会发生缩径),仅会产生剥落掉块。

（2)蒙脱石

蒙脱石的化学式是（Al1.67Mg0.33)［Si4 O10］［OH］2・nH2 O。其晶体构造是由两层硅氧四面体中间夹有一层铝氧八面体组成一个晶胞,四面体和八面体由共用的氧原子连接,如图4.4所示。同样,在c轴方向重叠,沿a轴、b轴方向延伸,形成蒙脱石黏土颗粒。由于蒙脱石矿物的晶胞是由两层硅氧四面体和一层铝氧八面体组成,故称为2∶1型黏土矿物。其晶胞底面距为9.6Å,吸水后可达21.4Å。