孔隙率

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多孔陶瓷

孔隙率英语:Porosity)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。

土壤科学中的孔隙率[编辑]

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。

此处的VV是孔隙部分的体积,VT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。

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%),而泥炭黏土的孔隙率为超过0.5(50%).在评价含有水或者的可能体积时,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,

此处的是表层孔隙率,是致密参数,而是深度[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[编辑]

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[编辑]

  • 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
VV是孔隙的有效体积
VT是样品的表观体积
Va是盛放样品的容器的体积
Vb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。
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参考文献[编辑]

  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 or Total and Effective Porosity Explained at E&P Geology.com
  3. ^ ATHY L.F., 1930. Density, porosity and compactation of sedimentary rocks, Bull. Amer. Assoc. Petrol. Geol. v. 14, pp. 1-24.
  4. ^ F.A.L. Dullien, "Porous Media. Fluid Transport and Pore Structure", Academic Press, 1992.