Porosidad

La porosidad es el conjunto de huecos (poros) de un material sólido, estos huecos son llenados por fluidos (líquidos o gaseosos). Es una cantidad física entre 0 y 1 (o, en porcentaje, entre 0 y 100%), que condiciona las capacidades de flujo y retención de un sustrato (ver también la ley de Darcy ).

La porosidad también es un valor numérico definido como la relación entre el volumen de huecos y el volumen total de un medio poroso:

{\ Displaystyle \ varphi = {\ frac {V _ {\ mathrm {poros}}} {V _ {\ mathrm {total}}}}}

o :

$\ varphi$ es la porosidad,
${\ Displaystyle V _ {\ mathrm {poros}}}$ volumen de poros ,
y el volumen total del material, es decir, la suma del volumen de sólido y el volumen de los poros. ${\ Displaystyle V _ {\ mathrm {total}}}$

Tipo de porosidad

La porosidad puede tener varios orígenes, propios del material y su evolución en el tiempo, lo que da lugar a poros de diferente tamaño y geometría, más o menos interconectados.

Según la forma y origen de los poros

Nosotros Así distinguimos la porosidad de los poros (o " porosidad primaria ") y la porosidad de las grietas (o " porosidad secundaria ");

un poro es un espacio cuyas dimensiones en las tres direcciones del espacio son similares, puede ser el espacio entre los granos de una roca sedimentaria (grava o arena por ejemplo) o espacios internos al material (en carbón, pizarra o carbón vegetal por ejemplo );
una grieta es un espacio vacío cuya dimensión en una dirección del espacio es marcadamente menor que en las otras dos. La porosidad de la fisura proviene de las tensiones mecánicas o térmicas sufridas por el material durante las edades (o después de trabajos que alteraron el equilibrio de compresión / descompresión). Una alta porosidad secundaria aumenta la velocidad de tránsito del fluido y disminuye la capacidad de filtración / retención del sustrato. En la industria del petróleo y el gas o en otros contextos (por ejemplo, la estimulación de la extracción mediante el agua de perforación), la fracturación hidráulica de la roca tiene como objetivo aumentar su "porosidad de fractura" : lo que da como resultado un aumento de la macroporosidad y una disminución de la micro -porosidad. -porosidad ;
la pulvimetalurgia permite (por sinterización ) producir metales porosos;
otra forma de porosidad puede resultar de la condensación de " vacantes " en un cristal . Estos son generalmente poros cerrados, ubicados dentro de un cristal o en sus interfaces de límite de grano (interfaz metal / óxido, etc.), que requieren técnicas específicas de medición de tasa de porosidad.

Según el tamaño de los poros

Podemos distinguir los poros por tamaño, por lo que la IUPAC define las siguientes porosidades:

Microporosidad : relativa a los poros cuyo diámetro no supera los 2 nanómetros ;
Mesoporosidad : relativa a los poros con un diámetro entre 2 y 50 nanómetros;
Macroporosidad : relativa a los poros con un diámetro superior a 50 nanómetros.

La “porosidad multimodal” es la de los sólidos que comprenden dos tipos de porosidad (por ejemplo, micromesoporosa).
En el caso de los poros conectados, el fluido en los poros fluye mucho más rápido en los poros grandes, formando macroporosidad (flujo de agua), que en los pequeños, formando microporosidad (fuerzas de capilaridad que retienen el agua). La macroporosidad promueve la aireación del suelo y el suministro de oxígeno a los organismos vivos del suelo , la microporosidad constituye una reserva de intercambio de agua y nutrientes para estos organismos. El agua de gravedad (también llamada agua libre o agua de saturación) contenida en los espacios lacunares (entre los agregados) que fluye por gravedad hacia el nivel freático, toma prestada la macroporosidad y fluye verticalmente a velocidades que dependen del diámetro de los poros. El punto de secado (cantidades máximas de agua que puede retener el suelo) corresponde al final del flujo de agua por gravedad y al agua que pueden utilizar las plantas (noción de reserva de agua útil de un suelo ). Se obtiene cuando el agua capilar (también llamada agua funicular) que llena los huecos de la mesoporosidad se empapa abundantemente por precipitación, riego o riego . Por lo general, toma de 2 a 3 días después de que una lluvia inunde el suelo con agua en suelos permeables de estructura y textura uniformes. Las raíces absorben esta agua hasta el punto de marchitamiento temporal (característico de las especies vegetales y de cada variedad), reversible, luego hasta el punto de marchitamiento permanente que se alcanza cuando la fuerza de retención de agua por las partículas del suelo (agua de la piel retenida en el forma de películas muy delgadas alrededor de las partículas) es igual a la fuerza de succión máxima ejercida por la planta. La cantidad de agua teóricamente utilizable es la diferencia de humedad entre el punto de remojo y el punto de marchitez.

Según la naturaleza de los poros.

Los podólogos distinguen la porosidad biológica o tubular (bioporos generados por la actividad biológica), la porosidad textural (microporosidad creada por el ensamblaje de las partículas) y la porosidad estructural (macroporosidad entre agregados , incorporando la porosidad de la fisura, biológico o incluso 'cultural').

Porosidad y explotación de recursos subterráneos

En el contexto de la explotación de recursos subterráneos, distinguimos:

porosidad ocluida o cerrada : es la porosidad de poros no accesibles por agentes externos (inutilizables para la explotación del recurso);
porosidad libre : en contraposición a la porosidad cerrada o ocluida;
porosidad atrapada : es una porosidad libre que no permite la recuperación de los fluidos atrapados;
porosidad útil : es la porosidad que permite la recuperación de la fase atrapada (término utilizado principalmente por los petroleros );
porosidad residual : es la porosidad debida a que los poros no se comunican entre sí o con el entorno externo;
porosidad total : es la suma de la porosidad útil y la porosidad residual;
porosidad efectiva : este es un término utilizado principalmente en hidrogeología , que caracteriza la red de poros por donde circula y es recuperable el agua.

Rocas porosas

Pueden capturar y almacenar gases o líquidos. Se dice que son " rocas de depósito ". Este fluido puede ser gas natural , petróleo , betún o agua ; puede haber llegado de forma natural (reservas de petróleo o gas natural) o haber sido inyectado por el hombre ( almacenamiento subterráneo ).

Modelos de porosidad

Modelos estadísticos

Los modelos estadísticos consisten en definir una función de puntos f (M), donde M es un punto en función de las coordenadas de los espacios.

Luego asignamos el valor 1 a la función si el punto M está ubicado en el vacío, y el valor 0 si el punto está en el sólido.

Estos modelos permiten modelar en el espacio la porosidad de un material. Sin embargo, dan resultados cualitativos deficientes.

Arreglos de esferas

Paquete capilar - modelo Purcell

Este modelo permite modelar la porosidad pero también la permeabilidad . Consiste en definir un cierto número de capilares rectos que atraviesan el material. Este modelo es conceptualmente satisfactorio pero en la práctica representa pobremente la realidad. De hecho, los capilares son rectos y no se comunican entre sí.

Rose y Bruce mejoraron este modelo teniendo en cuenta la tortuosidad “Τ” de los capilares.

Modelo de red de Fatt (1956)

Modelo de Houpeurt y Ehrlich

Medida de la porosidad

Para medir la porosidad, se pueden determinar tres parámetros:

Vt, que es el volumen total de la muestra;
Vs, que es el volumen de la muestra sin su porosidad;
Vp, que es el volumen de los poros.

Métodos directos de medición de laboratorio

Nos distinguimos :

mediciones en muestras no perturbadas;
mediciones en muestras reelaboradas.

Medición de la porosidad en muestras no perturbadas

Solo hay un método que se llama "suma de fluidos". Se trata de recubrir la muestra (con parafina por ejemplo) a la salida del descorazonador, para que no se escapen los fluidos presentes en la porosidad.

Los volúmenes de aire se miden utilizando un porosímetro de mercurio. Los volúmenes de agua e hidrocarburos se miden mediante destilación fraccionada a temperatura ambiente.

Medición de la porosidad en muestras reelaboradas

En el laboratorio, las muestras deben estar en el mismo estado físico antes de realizar las mediciones, lo que significa que deben estar preparadas. Los fluidos deben extraerse primero de la muestra, por ejemplo con:

un extractor Soxhlet ;
un extractor Dean-Stark ;
extracción por centrifugación ;
extracción por destilación al vacío .

Medición de volumen total Vt

Mediciones
Medición con una bomba de desplazamiento positivo
Medición del empuje de Arquímedes

Medida de Vs

Uso de picnómetro
Método de inmersión
Uso de una cámara de compresión

Medición de Vp usando un porosímetro de mercurio

Esto implica inyectar un volumen de mercurio en la muestra bajo presión.

El mercurio llena los vacíos de una muestra del material previamente secado. Solo queda mirar el volumen de mercurio inyectado para obtener el volumen de los poros, así como la distribución del tamaño de los poros.

Determinación de la porosidad in situ: registros

Registro de neutrones

Una sonda envía neutrones a un pozo. Estos se reflejan en los hidrógenos del agua y regresan a un receptor más lento. El sensor cuenta el número de neutrones devueltos. Este método no es confiable para suelos que contienen una fracción demasiado grande de arcillas. Además, tiene el inconveniente de asumir que el suelo está saturado de agua.

Medición de resistividad de tierra

Con la excepción de las arcillas, los materiales comunes del suelo son aislantes, pero la electricidad circula en la fase húmeda del suelo.

Por lo tanto, asumiendo suelos saturados de agua, la resistividad del suelo será función de la porosidad.

Notas y referencias

Jernot JP (1985) Análisis morfológico de medios porosos . En Annals of chemistry (Vol. 10, No. 4, p. 319-330 ). Lavoisier.
" Medición de la tasa de porosidad en una pieza " , en MetalBlog ,1 st de junio de 2,017
(en) J. Rouquerol et al. , “ Recomendaciones para la caracterización de sólidos porosos (Informe técnico) ” , Pure & Appl. Chem , vol. 66,1994, p. 1739–1758 ( DOI 10.1351 / pac199466081739 , leer en línea [descargar pdf gratis])
Michel-Claude Girard, Christian Schvartz, Bernard Jabiol, Estudio de suelos. Descripción, cartografía, uso , Dunod ,2011( leer en línea ) , pág. 92.
(in) FJ Veihmeyer y AH Hendrickson , " El equivalente de humedad como medida de la capacidad de campo de los suelos " , Soil Science , vol. 32, n o 3,Septiembre de 1931, p. 181-194 ( ISSN 0038-075X , DOI 10.1097 / 00010694-193109000-00003 , leído en línea , consultado el 4 de agosto de 2018 )
Jean-Michel Gobat, Michel Aragno, Willy Matthey, Suelo vivo: bases de la pedología, biología del suelo , PPUR Prensas politécnicas,2010, p. 62.
Galerías de microorganismos telúricos, raíces y raicillas, o animales excavadores , que facilitan la circulación de agua y aire.
Red de hendiduras de receso que limitan los agregados del suelo.
Denis Baize, Pequeño léxico de pedología , Ediciones Quæ ,2016, p. 15
Pierre Stengel, “ Utilización del análisis de sistemas de porosidad para la caracterización del estado físico del suelo in situ ”, Annales agronomique , vol. 30, n o 1,1979, p. 27-51

Ver también

enlaces externos

Balance y transferencias en medios porosos. Libro sobre HAL de Jean-François Daïan