Visualization of diffusion phenomena in porous media by means of X-ray computed tomography (CT) scanning

Abstract

The migration of water and contamination materials in rock structures is a significant issue in projects that utilize deep underground locations such as "carbon-dioxide capture and storage" (CCS) and disposal of high-level nuclear waste. These phenomena are also important in the area of preservation of stone structures of cultural heritage signficance, as such stone structures are usually located outside, exposed to wind and rain. The migration of contamination materials in the underground environment, especially in porous rock mass, is governed mainly by water permeation and diffusion. In this study, one-dimensional diffusion testing was conducted and the process in the porous materials was visualized by X-ray computed tomography (CT) scanning. Diffusion is the process caused by the concentrate or density gradient, and is a suitable phenomenon for X-ray CT analysis. In this paper, information related to diffusion is extracted from X-ray CT image data and the distribution of concentration is estimated. From the obtained density distribution, diffusion coefficients are evaluated. One-dimensional permeation tests were also conducted and intrinsic permeabilities of porous materials are evaluated, then the relation between diffusion coefficients and intrinsic permeability is discussed.Résumé : La migration d'eau et de matériaux contaminants dans les structures rocheuses représente un problème important lors de la mise en oeuvre de projets d'enfouissement dans le sous-sol profond, tels que le « captage et stockage du dioxyde de carbone » (CSDC) et l'enfouissement de déchets hautement radioactifs. Ce problème est également très présent dans le domaine de la préservation des éléments patrimoniaux construits en pierre étant donné qu'ils sont habituellement situés à l'extérieur et donc exposés au vent et à la pluie. La migration des matériaux contaminants dans le sous-sol, en particulier dans les masses rocheuses poreuses, dépend principalement des mécanismes d'infiltration et de diffusion de l'eau. Dans la présente étude, un essai de diffusion unidimensionnel a été réalisé et le processus de diffusion dans des matériaux poreux a été observé à l'aide d'un tomodensitomètre à rayons X. La diffusion est un mécanisme qui résulte du gradient de concentration ou de densité et il s'agit d'un phénomène qui se prête bien à une analyse par tomodensitométrie aux rayons X. Dans le cas présent, les données relatives au mécanisme de diffusion ont été extraites des images fournies par le tomodensitomètre et la distribution des concentrations a été estimée. À partir de la distribution densimétrique obtenue, les coefficients de diffusion ont été évalués. Des essais d'infiltration unidimensionnels ont également été effectués et les valeurs de perméabilité intrinsèque évaluées, puis la relation entre les coefficients de diffusion et la perméabilité intrinsèque a été étudiée. [Traduit par la Rédaction]

Evaluation of Preservation Effect by Aquo-Siloxane Method towards Water Permeation and Material Diffusion into Porous Rocks

“…Intrinsic permeability of same rock types without Aquo-Siloxane treatment has already been evaluated by Sato and Ikeda [14]. Here, the effects of Aquo-Siloxane method towards the permeability of rocks are discussed.…”

“…The geometry is same as the samples by Sato and Ikeda [14]. The Berea sandstone is produced at Ohaio, U.S.A., and Isahaya and Kimachi sandstone are produced in Japan.…”

“…Sato and Ikeda [14] conducted one-dimensional diffusion tests and introduced a series of procedure to evaluate diffusion coefficient from X-ray CT image data.…”

“…In this study, image subtraction method is applied in order to extract the necessary information due to diffusion [14]. As is stated before, X-ray CT images were taken before and after commencement of diffusion tests.…”

“…Sato and Ikeda [14] introduced the method to evaluate diffusion coefficient D from the CT image data taken during diffusion tents. Firstly, one dimensional concentration distribution in the X-axis is detected from X-ray CT images.…”