[Poromécanique revisitée dans le contexte des matériaux microporeux]
La poromécanique offre un formalisme théorique adapté à la description de la réponse mécanique des solides poreux, complètement ou partiellement saturés par une phase fluide. Dans le cas de matériaux microporeux comportant des pores de taille nanométrique, outre la pression du fluide sʼexerçant sur les parois des pores, des effets additionnels dus à lʼadsorption et au confinement du fluide dans les pores de plus petites tailles doivent être pris en compte. Du point de vue mécanique, ces phénomènes résultent en un gonflement du solide poreux. Ce travail sʼintéresse à la manière dont le formalisme poromécanique doit être affiné dans le but de décrire les phénomènes de gonflement induits par lʼadsorption et le confinement de fluide dans un matériau microporeux. Tout dʼabord, nous rapportons des résultats de simulations moléculaires qui montrent que lʼétat de pression et de densité du fluide contenu dans les plus petits pores est responsable des déformations volumiques du milieu. Dans un deuxième temps, nous étendons le formalisme poromécanique au cas dʼun matériau microporeux présentant une distribution continue de tailles de pores. En exprimant la condition dʼéquilibre thermodynamique du fluide dans tout le volume poreux, deux termes sont introduits dans le nouveau formalisme : la porosité apparente et lʼénergie libre dʼinteraction. Nous proposons alors une relation constitutive simple, liant ces deux quantités à lʼisotherme dʼadsorption de Gibbs, et nous calculons les déformations résultantes du squelette poreux en bon accord avec les données expérimentales rencontrées dans la littérature. A titre dʼexemple, nous montrons les déformations prévues dans le cas de lʼadsorption de méthane dans des charbons actifs.
Poromechanics offers a consistent theoretical framework for describing the mechanical response of porous solids, fully or partially saturated with a fluid phase. When dealing with fully saturated microporous materials, which exhibit pores of the nanometre size, aside from the fluid pressure acting on the pore walls additional effects due to adsorption and confinement of the fluid molecules in the smallest pores must be accounted for. From the mechanical point of view, these phenomena result into volumetric deformations of the porous solid: the so-called “swelling” phenomenon. The present work investigates how the poromechanical theory should be refined in order to describe adsorption and confinement induced swelling in microporous solids. Firstly, we report molecular simulation results that show that the pressure and density of the fluid in the smallest pores are responsible for the volumetric deformation of the material. Secondly, poromechanics is revisited in the context of a microporous material with a continuous pore size distribution. Accounting for the thermodynamic equilibrium of the fluid phase in the overall pore space, the new formulation introduces an apparent porosity and an interaction free energy. We use a prototype constitutive relation relating these two quantities to the Gibbs adsorption isotherm, and then calculate the induced deformation of the solid matrix. Agreement with experimental data found in the literature is observed. As an illustrating example, we show the predicted strains in the case of adsorption of methane on activated carbon.
Accepté le :
Publié le :
Mot clés : Milieux poreux, Poromécanique, Matériaux microporeux, Gonflement, Adsorption, Confinement de fluide, Poroélasticité
@article{CRMECA_2011__339_12_770_0,
author = {Gilles Pijaudier-Cabot and Romain Vermorel and Christelle Miqueu and Bruno Mendiboure},
title = {Revisiting poromechanics in the context of microporous materials},
journal = {Comptes Rendus. M\'ecanique},
pages = {770--778},
publisher = {Elsevier},
volume = {339},
number = {12},
year = {2011},
doi = {10.1016/j.crme.2011.09.003},
language = {en},
}
TY - JOUR AU - Gilles Pijaudier-Cabot AU - Romain Vermorel AU - Christelle Miqueu AU - Bruno Mendiboure TI - Revisiting poromechanics in the context of microporous materials JO - Comptes Rendus. Mécanique PY - 2011 SP - 770 EP - 778 VL - 339 IS - 12 PB - Elsevier DO - 10.1016/j.crme.2011.09.003 LA - en ID - CRMECA_2011__339_12_770_0 ER -
%0 Journal Article %A Gilles Pijaudier-Cabot %A Romain Vermorel %A Christelle Miqueu %A Bruno Mendiboure %T Revisiting poromechanics in the context of microporous materials %J Comptes Rendus. Mécanique %D 2011 %P 770-778 %V 339 %N 12 %I Elsevier %R 10.1016/j.crme.2011.09.003 %G en %F CRMECA_2011__339_12_770_0
Gilles Pijaudier-Cabot; Romain Vermorel; Christelle Miqueu; Bruno Mendiboure. Revisiting poromechanics in the context of microporous materials. Comptes Rendus. Mécanique, Volume 339 (2011) no. 12, pp. 770-778. doi : 10.1016/j.crme.2011.09.003. https://comptes-rendus.academie-sciences.fr/mecanique/articles/10.1016/j.crme.2011.09.003/
[1] Poromechanics, John Wiley & Sons, Chichester, 2004
[2] Mechanics and Physics of Porous Solids, John Wiley & Sons, Chichester, 2010
[3] Model study of the influence of matrix shrinkage on absolute permeability of coal bed reservoirs, J. Geol. Soc., Special Publications, Volume 109 (1996), pp. 197-212
[4] The expansion of charcoal on sorption of carbon dioxide, Proc. R. Soc. A, Volume 115 (1927), pp. 199-207
[5] The expansion of charcoal accompanying sorption of gases and vapours, Nature, Volume 122 (1928), pp. 681-682
[6] Adsorption-induced deformation of mesoporous solids, Langmuir, Volume 26 (2010) no. 16, pp. 13021-13027
[7] Adsorption and strain: The CO2 induced swelling of coal, J. Mech. Phys. Solids, Volume 58 (2010), pp. 1489-1505
[8] An integrated model for adsorption-induced strain in microporous solids, Chem. Eng. Sci., Volume 64 (2009), pp. 4744-4753
[9] B. Mendiboure, C. Miqueu, Evaluation of the pressure tensor of fluids confined into slit micropores, forthcoming.
[10] A. Knorst-Fouran, Contribution à lʼétude de propriétés interfaciales dʼalcanes confinés par simulation moléculaire de type Monte Carlo, Ph.D. Université de Pau et des Pays de lʼAdour, 2010.
[11] Molecular dynamics results on the pressure tensor of polymer films, J. Chem. Phys., Volume 113 (2000) no. 10, pp. 4444-4453
[12] A thermostated coupled apparatus for the simultaneous determination of adsorption isotherms and differential enthalpies of adsorption at high pressure and high temperature, J. Therm. Anal. Calorim. (2011) | DOI
Cité par Sources :
Commentaires - Politique
Physically activated microporous carbon from a new biomass source: Date palm petioles
Souad Rezma; Marc Birot; Amor Hafiane; ...
C. R. Chim (2017)