Modélisation probabiliste de l'évolution de la structure porale et du transport réactif dans les milieux poreux dus à la précipitation et à la dissolution de phases solides

Probablistic approach for modelling pore structure and reactive transport in porous media due to precipitation and dissolution of solid phases

• Auteur / Autrice : Qingxiang Xiong
• Direction : Fekri Meftah
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Civil
• Date : Soutenance le 23/07/2021
• Etablissement(s) : Rennes, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences pour l'ingénieur (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie civil et génie mécanique (LGCGM)
• Jury : Président / Présidente : Ouali Amiri
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fekri Meftah, Ouali Amiri, Abdelkarim Ait-Mokhtar, Naïma Belayachi, Farid Benboudjema
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Abdelkarim Ait-Mokhtar, Naïma Belayachi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse des données

Modélisation prédictive

Précipitations (météorologie)

Matériaux -- Détérioration

Écoulement en milieux poreux

Mots clés libres

Milieux poreux

Précipitation et dissolution

Structure porale

Modélisation probabiliste

Transport réactif

Couplage hygro-chimique

Porous media

Precipitation and dissolution

Pore ​​structure

Probabilistic modeling

Reactive Transport

Hygro-chemical coupling

Résumé

L’étude du transport réactif dans les milieux poreux est une problématique majeure qui sous-tend l’analyse de la durabilité des matériaux de construction exposés à des environnements agressifs. Le transport d’espèces chimiques en solution dans le réseau poreux peut donner lieu à des phénomènes de précipitation/ dissolution de phases solides au sein de ce réseau poreux qui altèrent ces matériaux. L’évolution dans le temps de ces altérations dépend de l’incidence des mécanismes de précipitation/dissolution sur l’évolution du réseau poreux qui est le siège et le vecteur du transport réactif. En particulier, l’évolution de la localisation du front capillaire du fait des conditions hygrométriques peut affecter de façon marquée les sites de précipitation/dissolution à l’échelle du réseau poreux, donnant lieu à une transformation hétérogène ou fortement localisée de la structure porale. Ce paradigme rend nécessaire de caractériser, outre l’évolution de la porosité globale, la transformation de la distribution de pores (sous l’effet couplé des conditions hygro-chimiques) et son incidence sur les paramètres régissant les mécanismes de transfert. Une première contribution de ce travail de thèse consiste en une approche probabiliste pour représenter la structure porale et modéliser son évolution due à la précipitation/ dissolution de phases solide contrôlée par la présence d’un front capillaire. L’évolution de la distribution porale est reliée à celle de la porosité globale. Différents modèles de transformation de pores sont proposés avec en particulier un focus sur l’étendue des sites de précipitation/dissolution par rapport au voisinage du front capillaire. La deuxième contribution porte sur la modélisation du transport réactif en milieux poreux partiellement saturés par le couplage d’un modèle chimique de précipitation/dissolution à un modèle de transport de masses (fluides et espèces ioniques). Il s’agit d’un modèle dégénéré (quasi-local) permettant de réaliser des études paramétriques sur l’évolution de la porosité globale sous l’effet des conditions hygro-chimiques. La troisième contribution de cette thèse consiste en l’extension de l’approche probabiliste à l’étude de paramètres majeurs régissant le transport réactif : l’isotherme de sorption/désorption et la perméabilité. L’influence des conditions hygro-chimiques et des mécanismes de précipitation/dissolution sur ces paramètres est analysée à l’aune de données expérimentales disponibles.

The investigation of reactive transport in porous media is a major problem that underlies the durability analysis of construction materials exposed to aggressive environments. The transport of solutions with chemical species in the porous network may give rise to precipitation/dissolution phenomena of solid phases that may alter these materials. Therefore, the time-dependent alterations are affected by the precipitation/dissolution in the porous network that hosts the reactive transport processes. In particular, the evolution of the capillary front due to the hygrometric conditions affects the pore structure at which the precipitation/dissolution occurs at the pore scale, thus leading to highly localized modifications of the initial pore size distribution. This model makes it necessary, in addition to the characterization of porosity, to address the evolution of the pore size distribution (under the coupled effect of hygro-chemical conditions) and its impact on the transport properties. For this purpose, this research work proposes, as a first contribution, a probabilistic approach for representing the pore structure and modelling its evolution due to the precipitation/dissolution of solid phases when controlled by the capillary front. The evolution of the pore structure is related to the modified porosity. Different transformation models are proposed according to the extent of precipitation/dissolution zones concerning the capillary front. The second main contribution is the modelling of reactive transport in partially saturated porous media by coupling a precipitation/dissolution reactive model with a mass transport model for fluids and ionic species. A local-like degenerated model is then developed to investigate the evolution of the overall porosity under different hygro-chemical conditions. The third contribution of this thesis consists of extending the probabilistic approach to study major parameters controlling the reactive transport: sorption/desorption isotherm and permeability. The influences of hygro-chemical conditions and precipitation/dissolution on these parameters are analysed in the light of available experimental data.