Effet des hétérogénéités à grande échelle sur l'évaporation et le séchage en présence de sel dissous en milieu poreux

L’altération des matériaux poreux est attribuée en grande partie aux sels présents en solution dans l’espace des pores. Ce phénomène d’altération est classiquement associé à la cristallisation des sels dissous via la notion de pression de cristallisation. Le phénomène de cristallisation est quant à lui souvent très directement lié aux écoulements ou aux variations de saturation dus à l’évaporation auquel est soumis le milieu poreux. Une meilleure compréhension des phénomènes d’altération passe donc par une compréhension du transport des ions lors de l’évaporation et notamment de l’évolution de leur concentration locale. Dans ce contexte, ce travail consiste à étudier expérimentalement et numériquement le transfert des ions en solution dans un milieu poreux hétérogène pour deux situations de référence : la situation de mèche et la situation de séchage. Dans le cas de la situation de mèche, le milieu poreux est alimenté de façon continue en solution saline au cours de l’évaporation. Le milieu poreux reste complètement saturé tout au long de l’évaporation. En revanche, la situation de séchage est caractérisée par la diminution progressive de la saturation en liquide au cours du temps. Le sel considéré est le chlorure de sodium, un sel très présent dans un grand nombre d’applications. L’accent est mis sur l’étude de l’effet d’hétérogénéités macroscopiques, c’est-à-dire des variations spatiales de porosité et/ou de perméabilité, sur la position et la dynamique des maximums de concentration en sel à la surface évaporative du milieu poreux pour les deux situations de référence précitées. Les maximums de concentration correspondent en effet aux lieux les plus probables de la cristallisation. La première partie de ce travail porte sur la situation de mèche. Les expériences et les simulations numériques montrent que les maximums de concentration en sel sont anticorrélés avec les maximums de porosité et/ou de perméabilité aux temps longs. Ainsi le sel se dépose à la surface du milieu le moins perméable et le moins poreux si l’évaporation est uniforme à la surface du milieu poreux. La deuxième partie de cette étude est dédiée à l’étude de la situation de séchage. On trouve l’inverse du cas de la situation de mèche, c’est-à-dire une corrélation directe des maximums de concentration avec les maximums de porosité et de perméabilités. Ceci s’explique par la désaturation préférentielle des zones à plus fortes porosités et à plus fortes perméabilités lors du séchage. Nous avons également étudié des situations où le flux d’évaporation était plus marqué en périphérie de l’échantillon, ce qui conduit notamment à l’apparition des efflorescences en forme d’anneau de fée. Notre étude a également mis en évidence un effet notable de sursaturation ainsi que la nécessité de prendre en compte dans l’analyse l’augmentation de la porosité près d’une paroi dans le cas des milieux poreux formés par des empilements de particules. ABSTRACT : Alteration of porous media is often due to the salts solution present in the pore space. This phenomenon is typically associated with the crystallization process of dissolved salts in relation with the concept of crystallization pressure. The salt crystallization phenomenon is in turn very often directly related to the flows or the saturation variation resulting from evaporation. A better understanding of alteration process thus needs a better understanding of the ions transport during evaporation and of the local evolution of ions concentration. In this context, this work presents an experimental and numerical study of sodium chloride transport in heterogeneous porous media. Two basic situations are considered: namely drying and wicking-evaporation. In the evaporation-wicking situation the sample is in contact at its bottom with an aqueous solution and the medium remains fully saturated by the solution during evaporation. In drying the limiting surfaces of the porous sample are in contact with impervious walls or exposed to evaporation. Since there is no supply of liquid to compensate the evaporation in this case, the overall liquid saturation decreases during the drying process. The focus is on the impact of porosity and permeability heterogeneities on the ion concentration maxima at the evaporative surface of a porous medium for the two reference situations. The ion concentration maxima correspond to the incipient spots of crystallization. The first part is devoted to the evaporation-wicking situation. Experiments and numerical simulations show that the salt concentration maxima are anticorrelated with the maxima in porosity and / or permeability in the long time regime. As a result the salt crystallizes at the surface of the less permeable and less porous medium if the evaporation is uniform at the surface of porous medium. The second part is devoted to the study of the drying situation. The drying situation is markedly different from the evaporation-wicking situation. The ion concentration maxima correspond to regions of greatest porosity and / or permeability because of the preferential decrease in saturation in the region of largest porosity / permeability. This is exactly the contrary of the evaporation-wicking situation. We also studied situations where higher evaporation fluxes along the periphery of the evaporative surface lead to the formation of an efflorescence fairy ring. The study also reveals a quite significant supersaturation effect and the impact of porosity variations near the wall on the ion concentration distribution and the first time of crystallization when the porous medium is formed by a packing of particles

Porous medium coffee ring effect and other factors affecting the first crystallisation time of sodium chloride at the surface of a drying porous medium

We study the distribution of ions in a drying porous medium up to the formation of first crystals at the surface. The study is based on comparisons between numerical simulations and experiments with packings of glass beads. The experimental configuration, which is representative of many previous drying experiments, is characterized by the formation of an efflorescence fairy ring at the surface of the porous medium. The preferential formation of crystals at the periphery is explained by the combined effect of higher evaporation fluxes at the surface periphery, as in the classical coffee ring problem, and variations in the porosity near the wall bordering the packing. It is shown that both effects have a great impact on the time marking the occurrence of first crystals, which is referred to as the first crystallization time. The experiments indicate that the first crystallization time increases with a decreasing bead size for a given initial ion concentration. This is explained by the variation with bead size of the characteristic size of the near wall region where a preferential desaturation of the sample occurs as a result of the porosity increase near the wall. The study also reveals a significant salt supersaturation effect. This represents a noticeable fact in relation with salt weathering issues

Stagnation Points as Loci of Solute Concentration Extrema at the Evaporative Surface of a Random Porous Medium

Evaporation of a saline solution from a porous medium often leads to the precipitation of salt at the surface of the porous medium. It is commonly observed that the crystallized salt does not form everywhere at the porous medium surface but at some specific locations. This is interpreted at the signature of spatial variations in the salt concentration at the surface of the porous medium prior to the onset of crystallization. We explore numerically the link between the ion concentration spatial variations at the surface and porous medium heterogeneities considering strongly anisotropic short-range correlated permeability Gaussian fields corresponding to a vertical layering perpendicular to the top evaporative surface for the case of the evaporation–wicking situation. It is shown that the ion concentration extrema at the surfaces correspond to stagnation points with minima corresponding to divergent stagnation points and maxima to convergent stagnation points. Counter-intuitively, the ion concentration maxima are shown to correspond to permeability minima. However, the ion concentration absolute maximum does not necessarily always correspond to the permeability absolute minimum. More generally, the study emphasizes the key role played by the impact of heterogeneities on the velocity field induced in the medium by the evaporation process. It is also shown that the number of ion mass fraction maxima at the porous medium surface is generally much lower than the naive prediction based on the number of correlation lengths spanning the medium

Effect of large-scale heterogeneities on evaporation and drying on crystallization of dissolved salts in porous media

L’altération des matériaux poreux est attribuée en grande partie aux sels présents en solution dans l’espace des pores. Ce phénomène d’altération est classiquement associé à la cristallisation des sels dissous via la notion de pression de cristallisation. Le phénomène de cristallisation est quant à lui souvent très directement lié aux écoulements ou aux variations de saturation dus à l’évaporation auquel est soumis le milieu poreux. Une meilleure compréhension des phénomènes d’altération passe donc par une compréhension du transport des ions lors de l’évaporation et notamment de l’évolution de leur concentration locale. Dans ce contexte, ce travail consiste à étudier expérimentalement et numériquement le transfert des ions en solution dans un milieu poreux hétérogène pour deux situations de référence : la situation de mèche et la situation de séchage. Dans le cas de la situation de mèche, le milieu poreux est alimenté de façon continue en solution saline au cours de l’évaporation. Le milieu poreux reste complètement saturé tout au long de l’évaporation. En revanche, la situation de séchage est caractérisée par la diminution progressive de la saturation en liquide au cours du temps. Le sel considéré est le chlorure de sodium, un sel très présent dans un grand nombre d’applications. L’accent est mis sur l’étude de l’effet d’hétérogénéités macroscopiques, c’est-à-dire des variations spatiales de porosité et/ou de perméabilité, sur la position et la dynamique des maximums de concentration en sel à la surface évaporative du milieu poreux pour les deux situations de référence précitées. Les maximums de concentration correspondent en effet aux lieux les plus probables de la cristallisation. La première partie de ce travail porte sur la situation de mèche. Les expériences et les simulations numériques montrent que les maximums de concentration en sel sont anticorrélés avec les maximums de porosité et/ou de perméabilité aux temps longs. Ainsi le sel se dépose à la surface du milieu le moins perméable et le moins poreux si l’évaporation est uniforme à la surface du milieu poreux. La deuxième partie de cette étude est dédiée à l’étude de la situation de séchage. On trouve l’inverse du cas de la situation de mèche, c’est-à-dire une corrélation directe des maximums de concentration avec les maximums de porosité et de perméabilités. Ceci s’explique par la désaturation préférentielle des zones à plus fortes porosités et à plus fortes perméabilités lors du séchage. Nous avons également étudié des situations où le flux d’évaporation était plus marqué en périphérie de l’échantillon, ce qui conduit notamment à l’apparition des efflorescences en forme d’anneau de fée. Notre étude a également mis en évidence un effet notable de sursaturation ainsi que la nécessité de prendre en compte dans l’analyse l’augmentation de la porosité près d’une paroi dans le cas des milieux poreux formés par des empilements de particules.Alteration of porous media is often due to the salts solution present in the pore space. This phenomenon is typically associated with the crystallization process of dissolved salts in relation with the concept of crystallization pressure. The salt crystallization phenomenon is in turn very often directly related to the flows or the saturation variation resulting from evaporation. A better understanding of alteration process thus needs a better understanding of the ions transport during evaporation and of the local evolution of ions concentration. In this context, this work presents an experimental and numerical study of sodium chloride transport in heterogeneous porous media. Two basic situations are considered: namely drying and wicking-evaporation. In the evaporation-wicking situation the sample is in contact at its bottom with an aqueous solution and the medium remains fully saturated by the solution during evaporation. In drying the limiting surfaces of the porous sample are in contact with impervious walls or exposed to evaporation. Since there is no supply of liquid to compensate the evaporation in this case, the overall liquid saturation decreases during the drying process. The focus is on the impact of porosity and permeability heterogeneities on the ion concentration maxima at the evaporative surface of a porous medium for the two reference situations. The ion concentration maxima correspond to the incipient spots of crystallization. The first part is devoted to the evaporation-wicking situation. Experiments and numerical simulations show that the salt concentration maxima are anticorrelated with the maxima in porosity and / or permeability in the long time regime. As a result the salt crystallizes at the surface of the less permeable and less porous medium if the evaporation is uniform at the surface of porous medium. The second part is devoted to the study of the drying situation. The drying situation is markedly different from the evaporation-wicking situation. The ion concentration maxima correspond to regions of greatest porosity and / or permeability because of the preferential decrease in saturation in the region of largest porosity / permeability. This is exactly the contrary of the evaporation-wicking situation. We also studied situations where higher evaporation fluxes along the periphery of the evaporative surface lead to the formation of an efflorescence fairy ring. The study also reveals a quite significant supersaturation effect and the impact of porosity variations near the wall on the ion concentration distribution and the first time of crystallization when the porous medium is formed by a packing of particles