Modélisation de la pénétration du CO2 dans les matériaux cimentaires dans le contexte du stockage du CO2

Reactive transport modeling of CO2 through cementitious materials under CO2 geological storage conditions

• Auteur / Autrice : Jiyun Shen
• Direction : Patrick Dangla
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Structures et Matériaux
• Date : Soutenance le 12/03/2013
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Navier (Paris-Est)
• Jury : Président / Présidente : Karim Ait-Mokhtar
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrick Dangla, Bruno Huet, Mickael Thiery
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabrice Brunet, Kwai Kwan Wong

Mots clés

Mots clés contrôlés

Volumes finis, Méthodes de

Ciment

Captage et stockage du dioxyde de carbone

Dioxyde de carbone

Béton armé -- Carbonatation

Mots clés libres

Carbonatation

CO2 supercritique

Transports

Ciment

C-s-h

Stockage du CO2

Carbonation

Supercritical CO2

Transport

Cement

C-s-h

CO2 storage

Résumé

Un modèle de transport réactif est proposé pour simuler la réactivité des matériaux à base de ciment en contact avec une saumure saturée en CO2 et/ou le CO2 supercritique (CO2sc) dans les conditions de stockage géologique du CO2. Un code a été développé pour résoudre simultanément le transport et la chimie par une approche globale couplée, compte tenu de l'effet de la température et de la pression. La variabilité des propriétés du CO2sc avec la pression et la température, telles que la solubilité dans l'eau, la densité et la viscosité sont pris en compte. On suppose que tous les processus chimiques sont en équilibre thermodynamique. Les réactions de dissolution et de précipitation de la portlandite (CH) et de calcite (CC) sont décrites par des lois d'action de masse et des seuils de produit d'activité ioniques. Une cinétique de dissolution de CH est introduite pour faciliter la convergence numérique. La définition d'une variable principale permet de capturer la précipitation et la dissolution des phases solides à base de calcium. Une généralisation de la loi d'action de masse est développée et appliquée aux silicates de calcium hydratés (CSH) pour tenir compte de la variation continue (diminution) du rapport Ca/Si au cours de la dissolution des CSH. Les variations de porosité et de la microstructure induites par les réactions de précipitation et de dissolution sont également prises en compte. Le couplage entre le transport et la chimie est modélisé par cinq équations de bilan de masse écrites pour chaque atome (Ca, Si, C, K, Cl), ainsi que par une équation de conservation de la masse totale et celle de la charge électrique. Les lois de Darcy et de Nernst-Planck sont utilisées pour décrire le transport de masse et d'ions. Les propriétés de transport dépendent du degré de saturation et de la porosité. Le modèle est implémenté dans le code de volumes finis, Bil. Les principes de cette méthode et l'approche de modélisation sont discutés et illustrés sur un exemple simple. Ce modèle est en mesure de simuler les processus de carbonatation des matériaux à base de ciment, dans des conditions à la fois saturés et insaturés, dans une large plage de concentration de CO2, de température et de pression. Plusieurs expériences, rapportées dans la littérature, sont simulées en utilisant divers types de conditions aux limites: (i) solutions saturées ou non en CO2 et carbonate de calcium, (ii) gas supercritique de CO2. Les prédictions sont comparées avec les observations expérimentales. Certains phénomènes observés expérimentalement peuvent être également expliqués par le modèle

A reactive transport model is proposed to simulate the reactivity of cement based material in contact with CO2-saturated brine and supercritical CO2 (scCO2) under CO2 geological storage conditions. This code is developed to solve simultaneously transport and chemistry by a global coupled approach, considering the effect of temperature and pressure. The variability of scCO2 properties with pressure and temperature, such as solubility in water, density and viscosity are taken into account. It is assumed that all chemical processes are in thermodynamical equilibrium. Dissolution and precipitation reactions for portlandite (CH) and calcite (CC) are described by mass action laws and threshold of ion activity products in order to account for complete dissolved minerals. A chemical kinetics for the dissolution and precipitation of CH and CC is introduced to facilitate numerical convergence. One properly chosen variable is able to capture the precipitation and dissolution of the relevant phase. A generalization of the mass action law is developed and applied to calcium silicate hydrates (C-S-H) to take into account the continuous variation (decrease) of the Ca/Si ratio during the dissolution reaction of C-S-H. The changes in porosity and microstructure induced by the precipitation and dissolution reactions are also taken into account. Couplings between transport equations and chemical reactions are treated thanks to five mass balance equations written for each atom (Ca, Si, C, K, Cl) as well as one equation for charge balance and one for the total mass. Ion transport is described by using the Nernst-Plank equation as well as advection, while gas and liquid mass flows are governed by advection. Effect of the microstructure and saturation change during carbonation to transport properties is also considered. The model is implemented within a finite-volume code, Bil. Principles of this method and modeling approach are discussed and illustrated with the help of a simple example. This model, with all the efforts above, is able to simulate the carbonation processes for cement based materials, at both saturated and unsaturated conditions, in a wide CO2 concentration, temperature and pressure range. Several sets of experiments, including sandstone-like conditions, limestone-like conditions, supercritical CO2 boundary and unsaturated conditions reported in the literature are simulated. Good predictions are provided by the code when compared with experimental observations. Some experimental observed phenomena are also explained by the model in terms of calcite precipitation front, CH dissolution front, porosity profile, etc