Porozitate

Elemente din material ceramic cu porozitate ridicată

Porozitatea unui material este o cantitate scalară și este definită generic ca raportul dintre volumul golurilor ( porii ), V _p și volumul total V _m al materialului considerat:

\phi ={\frac {V_{p}}{V_{m}}}

{\ displaystyle \ phi = {\ frac {V_ {p}} {V_ {m}}}}

{\ displaystyle \ phi = {\ frac {V_ {p}} {V_ {m}}}}

De aceasta depind și capacitatea de izolație , rezistența mecanică , durabilitatea materialelor; evaluarea sa este necesară în chimie pentru a verifica gradul de progres al proceselor de sinterizare . Afectează viteza undelor seismice care trec prin material, densitățile și, prin urmare, măsurătorile gravimetrice și conductivitatea electrică atunci când sunt saturate cu un fluid care conduce electric .

Porozitatea este de obicei inter- granulară în materialele policristaline, cum ar fi oțelurile și rocile clastice , inter- cristalină în materialele monocristaline sau vacuolară în cazul dizolvării parțiale a materialului (așa cum se întâmplă adesea în rocile carbonatice) sau din cauza lipsei de umplere sedimentară a cavități goale (cum ar fi interiorul învelișurilor microorganismelor) sau se datorează microfracturilor de rocă în urma tensiunilor tectonice.

În timp ce în metalurgie este extrem de nedorit, deoarece afectează negativ rezistența mecanică, în geologia hidrocarburilor este căutat, deoarece denotă retenția rocilor.

Porozitatea este, de asemenea, un parametru fundamental în geotehnică pentru clasificarea rocilor pe baza caracteristicilor lor de permeabilitate pentru determinarea comportamentului lor sub sarcină în diferite condiții de saturație .

Dimensiunea porilor

În chimia aplicată, porii sunt clasificați în funcție de mărimea lor în:

macropori : mai mari de 50 nm ; ^[1]
mezopori : cu o amplitudine cuprinsă între 2 și 50 nm; ^[2]
micropori : mai mici de 2 nm. ^[3]

În funcție de mărimea porilor, mecanismul special responsabil pentru difuzia materiei și caracteristicile și fenomenele asociate acesteia se schimbă. De exemplu, în cazul mezoporilor, mecanismul de difuzie Knudsen este deosebit de relevant și poate apărea fenomenul condensării capilare .

Porozitatea rocilor

Porozitatea în roci este între zero teoretic (rocă fără pori) ^[4] și peste 50% (unele travertine, de exemplu) și se poate distinge în porozitate absolută (sau totală) și deschisă (sau eficientă sau interconectată). Acesta din urmă ia în considerare doar porii în comunicarea între ei, adică indică acea fracțiune de pori care poate conține fluide capabile să se deplaseze sub efectul gravitației și, prin urmare, constituie parametrul de interes pentru evaluarea volumelor de resurse. conținut natural și extractibil dintr-o rocă de rezervor .

Argilele sunt un caz limitativ, deoarece porozitatea absolută poate fi foarte mare, în timp ce porozitatea interconectată este aproape de zero. Eficiența interconectării dintre pori este unul dintre fenomenele care controlează permeabilitatea . Diferența dintre porozitatea totală și cea efectivă se numește capacitate de reținere .

Valorile porozității și distribuția acesteia în interiorul unui corp de rocă sunt influențate de diageneză, care poate reduce porozitatea originală a rocii sau o poate crește.

Origine

Porozitatea poate fi clasificată în funcție de origine :

porozitatea primară (sau originală) atunci când derivă din mecanismul care a generat roca, influențează permeabilitatea în funcție de o relație empirică de tip $k=\log(\phi )$ ${\ displaystyle k = \ log (\ phi)}$ ${\ displaystyle k = \ log (\ phi)}$
porozitate secundară atunci când porii sunt creați de variații chimice sau mecanice după depunerea sedimentelor sau formarea rocilor. Exemple de porozitate secundară:
- porozitatea vacuolară (datorită fenomenelor de dizolvare).
- porozitate datorată dolomitizării, silicizării, recristalizării.
- porozitate datorată fracturii.

Factori de condiționare

Natura rocilor

În roci sedimentare clastice , porozitatea este afectată în principal de:

a granulometriei sau a mărimii granulelor care constituie roca: în general porozitatea este mai mare dacă granulele care alcătuiesc sedimentul sunt formate din particule de aceeași dimensiune, adică un sediment bine clasificat, de obicei matur. Cele mai bune exemple ale acestui caz sunt nisipurile eoliene ale zăcămintelor de dune din deșert

Diferența de porozitate între o rocă clastică bine clasificată și una slab clasificată.

din ambalarea granulelor, adică modul în care granulele se aranjează reciproc în spațiu tridimensional. De exemplu, având sfere de diametru egal conform unui aranjament cubic, porozitatea teoretică este bine calculată și egală cu 48% (diferența dintre volumul unui cub și cel al sferei inscripționate) în timp ce cu un aranjament romboid, aceasta este redusă la 26%.

Diferența de porozitate între două roci teoretice, ambele constând din claste sferice având aceeași dimensiune, dar dispunerea diferită a granulelor.

Înmormântarea subterană

În general, porozitatea scade odată cu adâncimea, deoarece presiunea litostatică tinde să compacteze și să ocluzească spațiile goale, iar efectele diagenezei sunt mai accentuate. O altă cauză frecventă a reducerii porozității este dată de precipitarea cimentului (de obicei calcitică, mai puțin frecvent silicioasă) în timpul litificării rocii. În timpul diagenezei este de asemenea posibil să se formeze argilă neogenă în pori, reducând și în acest caz spațiul golurilor din interiorul stâncii.

În rocile carbonatate porozitatea este mai influențată de modificările chimice suferite ulterior depunerii sedimentului, cum ar fi dizolvările și redepozițiile de carbonați, și de prezența fracturilor induse de mișcările tectonice , deoarece rocile carbonatate au un comportament geomecanic mai fragil , și, prin urmare, mai predispuse la fracturare, în comparație cu rocile clastice terigene și mai sensibile la variațiile geochimice ale sistemului de rocă-fluid care pătrunde. .

Porozitatea poate scădea în timp și din cauza cauzelor provocate de om, cum ar fi exploatarea acviferelor sau producerea de hidrocarburi fără reinjectarea fluidelor în rezervor sau creșterea stratului freatic datorită extracției prea rapide. În aceste cazuri, compactarea poate fi generată prin reducerea volumului porilor, prin urmare o reducere a volumelor și o scădere a sedimentelor suprapuse cu efecte care se pot răspândi la suprafață ( cedare indusă).

În rezumat, este posibil să se afirme că porozitatea este legată de tipul de mediu de formare a rocii sedimentare și de variațiile chimico-fizice ulterioare pe care le-a suferit. O migrație primară rapidă a hidrocarburilor, în rezervoare neconsolidate sau cu porozitate ridicată, poate inhiba depunerea cimenturilor carbonatice în pori păstrând în același timp porozitatea originală; invers în zona de sub nivelul pânzei freatice nimic nu împiedică depunerea cimenturilor și astfel se creează o zonare petrofizică în interiorul unei roci, care coincide cu zonarea verticală a hidrocarburilor / apei.

Metode de măsurare

Metodele de măsurare a porozității sunt împărțite în metode directe și indirecte. În primul caz este disponibil un eșantion (numit nucleu) de rocă, în timp ce în al doilea porozitatea este calculată prin măsurarea proprietăților fizice corelate cu aceasta.

Metode directe

Măsurarea optică a porozității: într-o secțiune subțire de rocă carbonată porozitatea apare violet. Stânca este un eolianit pleistocen , din insula San Salvador din Bahamas . Bara care indică scala corespunde cu 500 microni. ^[5]

Metodele directe măsoară porozitatea efectivă (numai volumul porilor comunicanți) și constau în măsurarea volumului porilor și a volumului total al probei. Avantajul condițiilor de laborator controlate este opus de problema obținerii probelor reprezentative.

Pentru saturație: proba este mai întâi uscată și cântărită, apoi saturată cu apă și cântărită din nou. Diferența este apa care a pătruns în pori (de aici și volumul porilor V _p ). Proba saturată este scufundată în apă pentru a măsura volumul total (V _n ) folosind principiul Arhimede . Această metodă este utilizată în prezent pentru probele care nu sunt argiloase, aceasta pentru a minimiza riscul distorsionării rezultatului prin inducerea umflării argilelor atunci când proba este saturată cu apă. Pentru o evaluare bună, este necesar să aveți pompe de vid înalte (10 ⁻⁴ bar), astfel încât să permiteți pătrunderea apei chiar și în cei mai mici pori.
Folosind legea lui Boyle : proba uscată este plasată într-o celulă de volum cunoscut în care se extinde un volum cunoscut de heliu . Măsurând variația presiunii, se obține volumul părții solide a probei (diferența dintre volumul total și volumul porilor). Volumul total este măsurat prin aceeași metodă prin limitarea probei într-o teacă impermeabilă.
Măsurare optică: o foaie subțire a probei este examinată la microscop unde suprafața poroasă este direct detectată. Această metodă nu se aplică frecvent, deoarece poate fi utilizată numai pentru probe de rocă coerente și este supusă erorilor, deoarece nu poate lua în considerare extinderea porilor în a treia dimensiune.

Metode indirecte

Metodele indirecte exprimă, în general, porozitatea totală (volumul porilor comunicanți și necomunicanți) prin măsurarea proprietăților fizice care pot fi corelate cu ea într-un fel. Măsurătorile se fac prin coborârea echipamentului electronic în puțurile care înregistrează continuu proprietățile de interes.

Măsurători acustice: echipamentul este echipat cu o sursă care emite unde acustice la o frecvență de 20 kHz și un receptor care înregistrează timpul luat de unda de compresie pentru a parcurge distanța dintre cele două. Rețineți litologia și tipul de fluid conținut în pori, porozitatea este calculată prin aplicarea unei relații empirice cunoscută sub numele de Legea lui Wyllie.

\phi ={\frac {\Delta T_{log}-\Delta T_{ma}}{\Delta T_{fl}-\Delta T_{ma}}}

{\ displaystyle \ phi = {\ frac {\ Delta T_ {log} - \ Delta T_ {ma}} {\ Delta T_ {fl} - \ Delta T_ {ma}}}}

{\ displaystyle \ phi = {\ frac {\ Delta T_ {log} - \ Delta T_ {ma}} {\ Delta T_ {fl} - \ Delta T_ {ma}}}}

unde este

\Delta T_{log}

{\ displaystyle \ Delta T_ {jurnal}}

{\ displaystyle \ Delta T_ {jurnal}}

este timpul măsurat de instrument (timpul de tranzit în stâncă).

\Delta T_{ma}

{\ displaystyle \ Delta T_ {ma}}

{\ displaystyle \ Delta T_ {ma}}

Și :

\Delta T_{fl}

{\ displaystyle \ Delta T_ {fl}}

{\ displaystyle \ Delta T_ {fl}}

sunt timpul de tranzit al matricei rocilor (porozitate zero) și al fluidului care satură porii.

Măsurători de densitate: echipamentul constă dintr-o sursă și un receptor de raze gamma . Se măsoară cantitatea de raze gamma care nu este absorbită de mediu (rocă și fluide), care depinde de densitatea sa de electroni. Densitatea adevărată este calculată cunoscând relațiile care o leagă de densitatea electronilor. Porozitatea se calculează prin aplicarea unei relații similare Legii lui Wyllie:

\phi ={\frac {\rho _{ma}-\rho _{b}}{\rho _{ma}-\rho _{fl}}}

{\ displaystyle \ phi = {\ frac {\ rho _ {ma} - \ rho _ {b}} {\ rho _ {ma} - \ rho _ {fl}}}}

{\ displaystyle \ phi = {\ frac {\ rho _ {ma} - \ rho _ {b}} {\ rho _ {ma} - \ rho _ {fl}}}}

unde este

\rho _{b}

{\ displaystyle \ rho _ {b}}

{\ displaystyle \ rho _ {b}}

este densitatea măsurată și:

\rho _{ma}

{\ displaystyle \ rho _ {ma}}

{\ displaystyle \ rho _ {ma}}

Și :

\rho _{fl}

{\ displaystyle \ rho _ {fl}}

{\ displaystyle \ rho _ {fl}}

sunt respectiv densitatea matricei de roci (porozitate zero) și a fluidului care saturează porii.

Măsurători de neutroni: acestea se bazează pe măsurarea pierderii de energie cinetică a neutronilor cu energie ridicată emise de o sursă. Pierderea de energie este cea mai mare în cazul coliziunilor cu nucleii de hidrogen (cu masă identică) prezenți în rocă, care se găsesc în cea mai mare parte în moleculele componentei fluide (apă sau hidrocarburi) care ocupă volumul poros.
Măsurători ale conductivității electrice: principiu bazat pe legea lui Archie , leagă porozitatea unei roci sedimentare de conductivitatea electrică , saturația acesteia în apă sărată și umezeala rocii (apă sau ulei).

Porozitatea betonului

Betonul , chiar dacă este făcut la perfecțiune, este un material poros.

În conglomeratul de ciment pot fi prezente diferite tipuri de pori:

porozitatea gelului : acestea sunt golurile prezente în interiorul produselor hidratate ale cimentului. Au dimensiuni foarte mici, egale cu aproximativ 1-10 nm , și ocupă 28% din volumul ocupat de produsele hidratate ale pastei de ciment. Datorită naturii porilor gelului, acest procent nu poate fi redus deoarece este o proprietate intrinsecă a pastei de ciment;
porozitate capilară : este porozitatea prezentă printre produsele hidratate ale cimentului. Acești micropori au o formă și dimensiuni neregulate între 0,1 și 10 μm . Această porozitate poate fi redusă prin reducerea raportului apă / ciment, ceea ce duce la un conținut mai mic de apă liberă care, prin evaporare, lasă goluri superficiale și prin creșterea gradului de hidratare a cimentului care poate fi compromis prin evaporarea excesivă a suprafeței ( producând o uscare prematură a zonei corticale a betonului, poate provoca hidratarea incompletă a cimentului pielii făcând suprafața conglomeratului mai poroasă). Pentru a reduce raportul w / c fără a compromite lucrabilitatea betonului proaspăt, se pot utiliza aditivi fluidificatori sau super-plastifianți, în timp ce trebuie utilizată o întărire adecvată pentru a crește gradul de hidratare a cimentului și pentru a reduce evaporarea suprafeței betonului spart;
macro-aspiratoare : sunt, de asemenea, vizibile cu ochiul liber și sunt cauzate de o expulzare incompletă a aerului din amestecul proaspăt în timpul fazei de compactare . Prezența macro-aspiratoarelor este nedorită și poate fi redusă și / sau eliminată printr-o fază de compactare mai precisă și prin utilizarea betoanelor cu prelucrabilitate mai mare;
micro bule : generate de încorporarea voluntară în amestecul de aer. Acestea sunt create prin utilizarea aditivilor de aerare pentru a îmbunătăți rezistența la ciclurile de congelare și dezghețare a conglomeratelor de ciment. Acești pori au o formă sferică cu dimensiuni cuprinse între 100 și 300 μm .
porozitate prezentă în agregate mai ales dacă este artificială.

Prezența excesivă a golurilor în beton determină o reducere a rezistenței mecanice și a modulului elastic al materialului; mai mult, prezența unei porozități continue, cum ar fi pentru a face betonul permeabil la agenții atmosferici, este de natură să compromită durabilitatea materialului, în timp ce cea discontinuă nu afectează durabilitatea, într-adevăr, în cazul macroburburilor, îl îmbunătățesc deoarece fac materialul mai rezistent la acțiunea înghețului.

Prin urmare, este necesar să se ia toate măsurile de precauție necesare pentru a reduce atât macroporii, cât și porozitatea capilară, care constituie porțiunea nedorită și ușor eliminabilă a porozității.

Metode de măsurare

Poate fi determinat folosind porosimetrul conform procedurii descrise în standardul UNI EN 12350-7: 2009 - Încercare pe beton proaspăt - Partea 7: Conținut de aer - Metodă prin presiune.

Conținutul de aer din fiecare amestec de beton produs trebuie să respecte ceea ce este indicat în tabelul 3.1, în funcție de diametrul maxim al agregatului și de posibila expunere la clasa XF (structuri supuse ciclurilor de îngheț-dezgheț în prezența sau absența degivrării săruri) pentru care introducerea bulelor de aer cu dimensiuni mai mari de 100 µm (100 - 300 µm) în matricea de ciment, prin intermediul aditivilor de aerare corespunzători.

Alte materiale

Porozitatea unui material granular este numită și gradul de vid sau indicele de vid ε în geotehnică, iar complementul său la 1 se numește gradul de plenitudine α, deci avem:

α = (1-ε)

Notă

^(RO) IUPAC Gold Book, „MACROPORE”
^(RO) IUPAC Gold Book, "mesopore"
^(RO) IUPAC Gold Book, "micropore"
^ Limita inferioară a măsurătorilor experimentale este adesea de 0,01
^ Analiza petrografică și istoria depunerii unei lagune deschise, carbonatate: Rice Bay, San Salvador, Bahamas , 2000, James L. Stuby, teză de masterat, Wright State University, Dayton, Ohio. Figura A3-20 din Anexa 3: Fotomicrografii ale boabelor de carbonat din Rice Bay.

Bibliografie

AA.VV. - P ca porozitate dar și ca permeabilitate - JURNAL ENCO
Yves Guéguen și Victor Palciauskas - Introducere în fizica rocilor - Princeton University Press

Elemente conexe

Alte proiecte

Wikționarul conține dicționarul lema « porozitate »
Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre porozitate

linkuri externe

(EN) Porosity , of Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
Gol și complet ( PDF ), pe antonio.licciulli.unile.it .

Controlul autorității	Tezaur BNCF 47724 · LCCN (EN) sh85105017 · GND (DE) 4175378-1 · BNF (FR) cb120354084 (data)

Portalul de fizică

Portal de inginerie

Portalul de materiale

[1] (RO) IUPAC Gold Book, „MACROPORE”

[2] (RO) IUPAC Gold Book, "mesopore"

[3] (RO) IUPAC Gold Book, "micropore"

[4] Limita inferioară a măsurătorilor experimentale este adesea de 0,01

[5] Analiza petrografică și istoria depunerii unei lagune deschise, carbonatate: Rice Bay, San Salvador, Bahamas , 2000, James L. Stuby, teză de masterat, Wright State University, Dayton, Ohio. Figura A3-20 din Anexa 3: Fotomicrografii ale boabelor de carbonat din Rice Bay.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]