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Porosità




La porosità di un materiale è una grandezza scalare ed è genericamente definita come il rapporto tra il volume dei vuoti (pori), Vp e il volume totale Vm del materiale considerato:

\({\displaystyle \phi ={\frac {V_{p}}{V_{m}}}}\)

Da essa dipendono anche la capacità di coibentazione, la resistenza meccanica, la durabilità dei materiali; la sua valutazione è necessaria, in chimica per controllare il grado di avanzamento dei processi di sinterizzazione. Influenza le velocità delle onde sismiche che attraversano il materiale, le densità e quindi le misurazioni gravimetriche e la conducibilità elettrica quando sia saturato con un fluido conduttore elettrico.

La porosità è solitamente intergranulare nei materiali policristallini come acciai e nelle rocce clastiche, intercristallina nei materiali monocristallini, oppure vacuolare in caso di dissoluzione parziale del materiale (come spesso avviene in rocce carbonatiche) o per mancato riempimento sedimentario di cavità originariamente vuote (come l'interno di gusci di micro-organismi) o essere dovuta a microfratture della roccia seguito di sforzi tettonici.

Mentre in metallurgia è fortemente indesiderata in quanto influenza negativamente la resistenza meccanica, in geologia degli idrocarburi è ricercata in quanto denota la ritenzione delle rocce.

La porosità è, inoltre, un parametro fondamentale in geotecnica per la classificazione delle rocce in base alle loro caratteristiche di permeabilità per la determinazione del loro comportamento sotto carico nelle diverse condizioni di saturazione.

Indice

Dimensioni dei pori


In chimica applicata i pori si classificano in base alle loro dimensioni in:

A seconda delle dimensioni dei pori, cambia il particolare meccanismo responsabile della diffusione di materia e le caratteristiche e i fenomeni a esso collegati. Ad esempio nel caso dei mesopori il meccanismo della diffusione di Knudsen è particolarmente rilevante e può avvenire il fenomeno della condensazione capillare.

Porosità delle rocce


La porosità nelle rocce è compresa tra lo zero teorico (roccia priva di pori)[4] e oltre il 50% (alcuni travertini, ad esempio) e può essere distinta in porosità assoluta (o totale) e porosità aperta (o efficace, o interconnessa). Quest'ultima tiene conto solo dei pori in comunicazione tra loro, cioè indica quella frazione di pori che possono contenere fluidi in grado di muoversi sotto l'effetto della forza di gravità, e costituisce quindi il parametro di interesse per la valutazione dei volumi di risorse naturali contenuti ed estraibili da una roccia serbatoio.

Le argille costituiscono un caso limite in quanto la porosità assoluta può essere molto elevata mentre la porosità interconnessa è prossima a zero. L'efficienza dell'interconnessione tra i pori è uno dei fenomeni che controllano la permeabilità. La differenza tra la porosità totale e quella efficace è chiamata capacità di ritenzione.

I valori della porosità e della sua distribuzione entro un corpo roccioso vendono influenzati dalla diagenesi, che può ridurre la porosità originaria della roccia oppure aumentarla.

Origine

La porosità può essere classificata in base all’origine:

Fattori condizionanti

Natura delle rocce

Nelle rocce sedimentarie clastiche la porosità risente principalmente:

Seppellimento nel sottosuolo

In generale la porosità diminuisce con la profondità in quanto la pressione litostatica tende a compattare e occludere gli spazi vuoti e gli effetti della diagenesi sono più marcati. Un'altra frequente causa di riduzione della porosità è data dalle precipitazione di cemento (solitamente calcitico, meno frequentemente siliceo) durante la litificazione della roccia. Durante la diagenesi è anche possibile aversi la formazione di argilla neogenica nei pori, riducendo anche in questo caso lo spazio dei vuoti all'interno della roccia.

Nelle rocce carbonatiche la porosità è influenzata maggiormente dalle modificazioni chimiche subite successivamente alla deposizione del sedimento, come dissoluzioni e rideposizioni di carbonati, e dalla presenza di fratture indotte dai movimenti tettonici, avendo le rocce carbonatiche un comportamento geomeccanico maggiormente fragile, e quindi più prono alla fratturazione, rispetto alle rocce clastiche terrigene e più sensibile alle variazioni geochimiche del sistema roccia-fluidi permeanti. .

La porosità può diminuire nel tempo anche per effetto di cause indotte dall'uomo come lo sfruttamento delle falde acquifere o la produzione di idrocarburi senza re-iniezione di fluidi nel giacimento o risalita della tavola d'acqua per estrazione troppo rapida. In questi casi si può generare una compattazione per riduzione del volume dei pori, quindi una riduzione dei volumi e un abbassamento dei sedimenti soprastanti con effetti che possono propagarsi fino alla superficie (subsidenza indotta).

In sintesi è possibile affermare che la porosità è correlata al tipo di ambiente di formazione della roccia sedimentaria e alle successive variazioni chimico – fisiche che quest'ultima ha subito. Una veloce migrazione primaria di idrocarburi, in reservoir inconsolidati o ad alta porosità, può inibire la deposizione di cementi carbonatici nei pori preservando la porosità originaria; viceversa nella zona al di sotto della quota della tavola d'acqua niente ostacola la deposizione dei cementi e si viene così a creare una zonazione petrofisica nell'ambito di una roccia, coincidente con la zonazione verticale idrocarburo/acqua.

Metodi di misura

I metodi di misura della porosità si distinguono in metodi diretti e indiretti. Nel primo caso è disponibile un campione (detto carota) della roccia, mentre nel secondo la porosità è calcolata attraverso la misura di proprietà fisiche correlate con essa.

Metodi diretti

I metodi diretti misurano la porosità effettiva (volume dei soli pori comunicanti) e consistono nella misurazione del volume dei pori e del volume totale del campione. Al vantaggio delle condizioni controllate di laboratorio si oppone il problema di ottenere campioni rappresentativi.

Metodi indiretti

I metodi indiretti generalmente esprimono la porosità totale (volume dei pori comunicanti e no) attraverso la misura di proprietà fisiche in qualche modo correlabili con essa. Le misurazioni avvengono calando nei pozzi delle apparecchiature elettroniche che registrano in continuo le proprietà di interesse.

\({\displaystyle \phi ={\frac {\Delta T_{log}-\Delta T_{ma}}{\Delta T_{fl}-\Delta T_{ma}}}}\)

dove

\({\displaystyle \Delta T_{log}}\)è il tempo misurato dallo strumento (tempo di transito nella roccia).
\({\displaystyle \Delta T_{ma}}\) e :\({\displaystyle \Delta T_{fl}}\) sono i tempi di transito della matrice rocciosa (porosità nulla) e del fluido saturante i pori.
\({\displaystyle \phi ={\frac {\rho _{ma}-\rho _{b}}{\rho _{ma}-\rho _{fl}}}}\)

dove

\({\displaystyle \rho _{b}}\) è la densità misurata e :\({\displaystyle \rho _{ma}}\) e :\({\displaystyle \rho _{fl}}\) sono rispettivamente la densità della matrice rocciosa (porosità nulla) e del fluido saturante i pori.

Porosità del calcestruzzo


Il calcestruzzo, anche se realizzato a regola d'arte, è un materiale poroso.

Nel conglomerato cementizio si possono presentare diversi tipologie di pori:

La presenza eccessiva di vuoti nel calcestruzzo è causa di una riduzione della resistenza meccanica e del modulo elastico del materiale; inoltre la presenza di una porosità continua, tale da rendere il calcestruzzo permeabile agli agenti atmosferici, è tale da compromettere anche la durabilità del materiale, mentre quella discontinua non influenza la durabilità, anzi nel caso delle macrobolle la migliorano poiché rendono il materiale più resistente all'azione del gelo.

Pertanto occorre prendere tutti gli accorgimenti necessari a ridurre sia i macropori sia la porosità capillare, che costituiscono l'aliquota della porosità non desiderata e facilmente eliminabile.

Metodi di misura

Può essere determinata con l'impiego del porosimetro secondo la procedura descritta alla norma UNI EN 12350-7:2009 - Prova sul calcestruzzo fresco - Parte 7: Contenuto d'aria - Metodo per pressione.

Il contenuto di aria in ogni miscela di calcestruzzo prodotta dovrà essere conforme a quanto indicato nella tabella 3.1, in funzione del diametro massimo dell'aggregato e dell'eventuale esposizione alla classe XF (strutture soggette a cicli di gelo-disgelo in presenza o meno di sali disgelanti) per le quali è richiesta l'introduzione nella matrice cementizia, mediante opportuni additivi areanti, di bolle d'aria di dimensioni superiori a 100 µm (100 - 300 µm).

Altri materiali


La porosità di un materiale granulare viene in geotecnica anche chiamata grado di vuoto o indice dei vuoti ε, e il suo complemento a 1 è chiamato grado di pieno α, per cui si ha:

α = (1-ε)

Note


  1. ^ (EN) IUPAC Gold Book, "macropore"
  2. ^ (EN) IUPAC Gold Book, "mesopore"
  3. ^ (EN) IUPAC Gold Book, "micropore"
  4. ^ Il limite inferiore delle misure sperimentali spesso è 0,01
  5. ^ Petrographic Analysis and Depositional History of an Open, Carbonate Lagoon: Rice Bay, San Salvador, Bahamas, 2000, James L. Stuby, masters thesis, Wright State University, Dayton, Ohio. Figure A3-20 from Appendix 3: Photomicrographs of Carbonate Grains in Rice Bay.

Bibliografia


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Data: 20.05.2020 10:46:49 CEST

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