Calculation of moisture transport coefficients on the basis of relevant pore structure parameters

Abstract

The objective of these studies on sandstones was to establish direct relationships between pore structure parameters and moisture transport, parameters of particular interest for the interpretation of damage processes. Pore structure parameters relevant to moisture transport can be inferred on the basis of a new concept for the description of pore structure. These parameters are used as input variables for direct, universally valid calculation of transport coefficients (not requiring the use of empirically determined correction factors). The paper describes the largely material-specific transport coefficients for gas diffusion, permeation and capillary suction. On the basis of these coefficients, individual relationships with ‘effective’ pore structure parameters are formulated. A comparison of calculated and measured transport coefficients demonstrated the suitability of the pore structure parameters and the validity of the inferred calculation method.

Resume

L'objectif de cet exposé a été d'apporter une contribution fondamentale à l'explication des corrélations directes entre la structure des pores et le transfert d'humidité. A cette fin, des coefficients, en principe propres au matériau en question, ont été décrits pour la diffusion de gaz, la perméabilité et l'ascension capillaire. Ensuite, des corrélations directes entre ces coefficients et les valeurs descriptives de la structure des pores ont été formulées. Cette présentation était possible à condition d'employer une méthode appropriée pour déduire des paramètres significatifs de la structure des pores. C'est la raison pour laquelle une nouvelle conception globale a été élaborée pour caractériser la structure des pores, méthode décrite en détail dans une publication précédente. Sur la base d'une analyse de la structure des pores, variant en fonction de la résolution, des porosités effectives, des rayons effectifs et des surfaces effectives ont été mis en évidence. Des coefficients de transfert ont été calculés suite à des réflexions sur la probabilité de pénétration tout en tenant compte des bases physiques.

La diffusivité dépend exclusivement de la grandeur de la porosité effective. Dans tous les rapports de recherche publiés jusqu'à présent, cette corrélation simple (Equation 6) reste dissimulée derrière des facteurs correctifs, du fait que ces travaux se basaient sur des valeurs descriptives plutôt accidentelles. Mais c'est uniquement à l'aide des porosités effectives calculées contenant sous forme de facteurs de régularité une quantification de la variabilité des coupes transversales qu'il est possible de constater nettement cette corrélation. Le calcul de la perméabilité exige la prise en considération de critères de grandeur des pores et de la surface. Différents paramètres ont été examinés, et les perméabilités calculées (Equation 7) ont été comparées aux valeurs mesurées. Il s'est révélé que la perméabilité est dominée par les parts fractales de fraction de pore à cause de la bonne interconnection entre elles. Les relations décrites en général dans les ouvrages de recherche, qui se basent seulement sur des valeurs descriptives de grandeur ou de surface trouvées par un choix assez arbitraire, ne pourront pas expliquer à fond les corrélations parce qu'elles ont toujours besoin d'un facteur correctif qui dépend de la structure. Quant à la conduite capillaire, il ne peut y avoir de rapports simples entre la structure poreuse et les coefficients de transfert d'humidité parce que la traction capillaire comme force motrice dépend elle-même de la structure des pores. Néanmoins, nous avons réussi à établir un bon rapport entre la structure des pores et les coefficients directeurs en calculant des perméabilités fictives pour les grandeurs déterminantes des pores. La comparaison entre les coefficients calculés et les coefficients mesurés ont donné des écarts importants, certes, mais étant donné que quelques suppositions d'approximation faisaient déjà partie de la méthode employée, le résultat peut être considéré comme concordant en général. Un écart systématique des petits coefficients permet de conclure qu'au niveau des structures extrêmement fines les fractions de pores au-dessous de 1 μm représentent une contribution considérable au transport. Ainsi, l'efficacité de la conception développée et la validité des équations de définition pour les coefficients de transfert formulés ci-dessus peuvent être considérées comme démontrées. L'influence de la structure des pores peut donc être définie nettement, ce qui signifie un pas décisif vers l'analyse d'autres facteurs déterminant le transfert d'humidité, comme p.e. la quantité en minéraux ou la température. En dehors de cela, il est maintenant possible de faire progresser la recherche vers des processus dynamiques dépassant les conditions statiques, choisies encore dans l'ouvrage présent, ou même, comme but à long terme, d'élaborer une conception solide et universelle de l'analyse des détériorations.