孔隙率

孔隙率（英語：）或孔隙分数是表征材料的孔隙部分的物理量，定义为孔隙的体积与材料总体积的比率，所以总是在0到1之间，用百分数表示，为0到100%之间[1]。由于开孔或与开孔连通的孔隙才能允许液体进入，在应用上更有价值，所以多将开孔所占体积与材料总体积的比值定义为有效孔隙率(effective porosity)，有效孔隙率小于等于总孔隙率[2]。有多种方法可以测试材料的孔隙率和有效孔隙率，孔隙率概念被广泛用于药理学、陶瓷、冶金、材料生产、土壤机理和工程等多方面。

多孔陶瓷

土壤科学中的孔隙率

在地质学、土壤科学和建筑科学中，多孔介质（比如岩石和沉积层）的孔隙率用于描述材料中孔隙所占的体积部分，此处的空隙中可以是空气，也可能包含水。孔隙率定义为孔隙部分和总体积的比值。

\phi ={\frac {V_{\mathrm {V} }}{V_{\mathrm {T} }}}

此处的V_V是孔隙部分的体积，V_T是材料的表观体积，包括固体部分和孔隙。孔隙率的值也可以通过材料的密度和微粒密度计算得出。

\phi =1-{\frac {\rho _{\text{bulk}}}{\rho _{\text{particle}}}}

粒子尺寸较均一的冲积层（左）比不均一的冲击层（右）的孔隙率要大，因为后者有很多小粒子可以填充大粒子间的孔隙

典型的孔隙率值为0到1之间，有时候会很小，比如固态花岗岩的孔隙率小于0.01（1%），而泥炭和黏土的孔隙率为超过0.5（50%）.在评价含有水或者烃的可能体积时，岩石或沉积层的孔隙率是一个重要的衡量参数。沉积层的孔隙率是很多因素的复杂函数，包括：埋藏率、埋藏深度、原生液体的性质和覆盖沉积层的性质。通常所使用的孔隙率和深度的关系是Athy于1930年提出的等式，

\phi (z)=\phi _{0}e^{-kz}\,

此处的 $\phi _{0}$ 是表层孔隙率， $k$ 是致密参数，而 $z$ 是深度[3]

表层土壤的孔隙率随土壤微粒尺寸的增大而降低，这是因为土壤微粒尺寸较小的环境中，由于土壤的生物化作用，土壤微粒会发生团聚，这种团聚会增加微粒间的吸引，减少对致密的抵抗，从而增加了孔隙率。典型的沙土的表观密度是1.5到1.7之间，其中的微粒密度約為2.65 g/cm3。可以求得孔隙率为0.43到0.36.典型的粘土的密度是1.1到1.3 g/cm3. ，求得孔隙率为0.58到0.51. 由于重力的致密作用，下层土壤的孔隙率比表层土壤要低。土壤的孔隙率是十分复杂的，传统的模型将其视为连续变化的，但这一模型无法很好的描述出现的反常变化，也无法描述环境因素造成的孔隙几何因素的变化。很多复杂因素比如分形、气泡理论、裂纹理论、Boolean成晶过程等因素正在逐渐被考虑其中。

和滲透度、淘選度及膠結度的關係

地下水的含量及流動與土壤岩石的孔隙率與滲透度有關，孔隙率愈高，含水量愈高。土壤孔隙為水與空氣存在之場所，亦為水與空氣進入或排出之通路，水與空氣為植物生長所必需，故土壤中孔隙所占之體積百分率（孔隙度）及孔隙之粗細對植物生長極關重要。

滲透度是指岩石容許地下水通過的難易程度，滲透度愈大，地下水愈容易流動。一個孔隙率與滲透度均良好的地層，可以供應豐富的地下水資源，即可稱之為含水層(aquifer)。一般而言，砂層及礫石層多屬較佳之含水層，而黏土層則多屬較差之含水層。

孔隙率隨岩石性質不同而有不同，和組成岩石顆粒的形狀、排列、淘選度（顆粒大小一致的程度）與膠結度有關。顆粒愈圓、排列愈整齊、淘選度愈佳、膠結度愈低，則岩石的孔隙率愈高。

孔隙率的测定

直接方法：测量多孔样品的表观体积和同质量无孔样品的体积。
光学方法：因为对于随机结构，整体的孔隙率应该和某一断面的孔隙率相等，所以可以通过显微镜观察材料断面的孔隙率。
计算图论方法：使用工业CT扫描的办法，创立包括孔隙的样品外在和内在几何图，然后使用计算机软件进行缺陷分析
浸没法：在真空条件下，将多孔样品浸入容易渗透入样品孔隙的液体中。
气体扩散法[4]：已知表观密度的样品可以放入已知体积的容器中，该容器与另一个抽成真空的容器相连接，当两容器之间的阀门打开时，气体就会从样品之中逸出，进入第二容器，两容器之间会达到一种压强平衡，通过

V_{V}=V_{T}-V_{a}-V_{b}{P_{2} \over {P_{2}-P_{1}}}

V_V是孔隙的有效体积

V_T是样品的表观体积

V_a是盛放样品的容器的体积

V_b是真空容器的体积

P₁是盛放样品容器的压强

P₂是整个系统达到平衡时的压强

之后就可以通过体积的比率求出孔隙率。

\phi ={\frac {V_{V}}{V_{T}}}

.

参考文献

G.F. Hewitt, G.L. Shires, Y.V.Polezhaev (editors), "International Encyclopedia of Heat and Mass Transfer", CRC Press, 1997.
Effective and Ineffective Porosity （页面存档备份，存于） or Total and Effective Porosity Explained （页面存档备份，存于） at E&P Geology.com （页面存档备份，存于）
ATHY L.F., 1930. Density, porosity and compactation of sedimentary rocks, Bull. Amer. Assoc. Petrol. Geol. v. 14, pp. 1-24.
F.A.L. Dullien, "Porous Media. Fluid Transport and Pore Structure", Academic Press, 1992.

This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.

[1] G.F. Hewitt, G.L. Shires, Y.V.Polezhaev (editors), "International Encyclopedia of Heat and Mass Transfer", CRC Press, 1997.

[2] Effective and Ineffective Porosity （页面存档备份，存于） or Total and Effective Porosity Explained （页面存档备份，存于） at E&P Geology.com （页面存档备份，存于）

[3] ATHY L.F., 1930. Density, porosity and compactation of sedimentary rocks, Bull. Amer. Assoc. Petrol. Geol. v. 14, pp. 1-24.

[Dul-4] F.A.L. Dullien, "Porous Media. Fluid Transport and Pore Structure", Academic Press, 1992.