[科普中國]-孔隙率

概念

(1)**材料的孔隙率
材料的孔隙率**是指，指塊狀材料中孔隙體積與材料在自然狀態(tài)下總體積的百分比，它以P 表示?？紫堵蔖的計(jì)算公式為：

P ——材料孔隙率，%；
V0 ——材料在自然狀態(tài)下的體積，或稱表觀體積，cm3或m3；ρ0為材料體積密度，g /cm3或kg/ m3;
V ——材料的絕對密實(shí)體積，cm3或m3; ρ為材料密度，g /cm3或kg/ m3。
材料內(nèi)部除了孔隙的多少以外，孔隙的特征狀態(tài)也是影響其性質(zhì)的重要因素之一。材料的孔特征表現(xiàn)為，孔隙是在材料內(nèi)部被封閉的，還是在材料的表面與外界連通。前者為閉口孔，后者為開口孔。有的孔隙在材料內(nèi)部是被分割為獨(dú)立的，還有的孔隙在材料內(nèi)部相互連通。此外，孔隙尺寸的大小、孔隙在材料內(nèi)部的分布均勻程度等都是孔隙在材料內(nèi)部的特征表現(xiàn)。

(2)材料的空隙率
材料空隙率是指，散粒狀材料在堆積狀態(tài)下，顆粒之間空隙體積與松散體積的百分比，它以P′表示?？障堵蔖′的計(jì)算公式為：

P′——材料空隙率，%；
V0——材料的自然堆積體積，cm3或m3；ρ0為材料堆積密度，g /cm3或kg/ m3;
V——材料的顆粒體積，cm3或m3；ρ為材料表觀密度，g /cm3或kg/ m3。
空隙率考慮的是材料顆料間的空隙，這對填充和粘結(jié)散粒材料時(shí)，研究散粒狀材料的空隙結(jié)構(gòu)和計(jì)算膠結(jié)材料的需要量十分重要。

巖樣中所有孔隙空間體積之和與該巖樣體積的比值，稱為該巖石的總孔隙度，以百分?jǐn)?shù)表示。儲集層的總孔隙度越大，說明巖石中孔隙空間越大。從實(shí)用出發(fā)，只有那些互相連通的孔隙才有實(shí)際意義，因?yàn)樗鼈儾粌H能儲存油氣，而且可以允許油氣在其中滲濾。因此在生產(chǎn)實(shí)踐中，提出了有效孔隙度的概念。有效孔隙度是指那些互相連通的，在一般壓力條件下，可以允許流體在其中流動的孔隙體積之和與巖樣總體積的比值，以百分?jǐn)?shù)表示。顯然，同一巖石有效孔隙度小于其總孔隙度。

孔隙率（porosity）在多孔介質(zhì)中的定義：

孔隙率（porosity）是指多孔介質(zhì)內(nèi)的微小空隙的總體積與該多孔介質(zhì)的總體積的比值1。

分類孔隙率可分為兩種：多孔介質(zhì)內(nèi)相互連通的微小空隙的總體積與該多孔介質(zhì)的外表體積的比值稱為有效孔隙率，以φ_e表示；多孔介質(zhì)內(nèi)相通的和不相通的所有微小空隙的總體積與該多孔介質(zhì)的外表體積的比值稱為絕對孔隙率或總孔隙率，以φ_T表示。所謂孔隙率通常是指有效孔隙率，但書寫方便，一般直接以φ表示。

孔隙率與多孔介質(zhì)固體顆粒的形狀、結(jié)構(gòu)和排列有關(guān)。在常見的非生物多孔介質(zhì)中，鞍形填料和玻璃纖維的孔隙率最大，達(dá)到83%~93%；煤、混凝土、石灰石和白云石等的孔隙率最小可低至2%~4%，地下砂巖的孔隙率大多為12%~34%，土壤的孔隙率為43%~54%，磚的孔隙率為12%~34%，皮革的孔隙率為56%~59%，均屬中等數(shù)值；動物的腎、肺、肝等臟器的血管系統(tǒng)的孔隙率亦為中等數(shù)值。

孔隙率是影響多孔介質(zhì)內(nèi)流體傳輸性能的重要參數(shù)。

煤的孔隙特性與煤化程度、地質(zhì)破壞程度和地應(yīng)力性質(zhì)及其大小等因素密切相關(guān)。由于這些因素的不同，各礦煤層的孔隙率可在較大的范圍內(nèi)變化。

①孔隙率與煤化程度的關(guān)系：從長焰煤開始，隨著煤化程度的加深(揮發(fā)分減小)煤的總孔隙體積逐漸減少，到焦、瘦煤時(shí)達(dá)到最低值，而后隨煤化程度的加深，總孔隙體積又逐漸增加，至無煙煤時(shí)達(dá)到最大值。然而，煤中的微孔體積隨著煤化程度的增加是一直增長的。

②孔隙率與煤的破壞程度的關(guān)系：大孔決定于強(qiáng)烈地質(zhì)構(gòu)造破壞煤的破壞面，因此煤的破壞越嚴(yán)重，其滲透容積越高，即孔隙率越大。

③孔隙率與地應(yīng)力的關(guān)系：壓性的地應(yīng)力(壓應(yīng)力)可使?jié)B透容積縮小，壓應(yīng)力越高，滲透容積縮小越多，即孔隙率減小越多；張性地應(yīng)力(壓應(yīng)力)可使裂隙張開，使?jié)B透容積增大，張應(yīng)力越高，滲透容積增長越多，即孔隙率增加越多。卸壓(地應(yīng)力減小)作用可使煤巖的滲透容積增大，即孔隙率增高；增壓(地應(yīng)力增高)作用可使煤巖受到壓縮，滲透容積減小即孔隙率降低。試驗(yàn)表明地應(yīng)力并不減少煤的吸附體積，或減少得不多(因大孔及可見孔的表面積減少)，因此地應(yīng)力對煤的吸附性影響很小。

在催化劑領(lǐng)域中，也有孔隙率的概念。對催化劑的制備、催化劑的活性、穩(wěn)定性及反應(yīng)選擇性有較大的影響。催化劑孔隙率受載體材料、制備技術(shù)、活性組分的負(fù)載量等因素影響。測量催化劑孔隙率常用低溫氮?dú)馕?脫附法（BET）進(jìn)行，可以測量催化劑的總比表面積、不同大小孔徑的分布等。正是BET技術(shù)使催化劑的研究步入科學(xué)定量化的軌道。

孔隙率與土地滲透性孔隙特性是影響土體滲透性能的重要因素。土體中的孔隙有有效孔隙與無效孔隙之分，只有有效孔隙才能產(chǎn)生滲流，而無效孔隙對滲流的大小無影響。所謂無效孔隙主要分為3類：不連通孔隙，半連通孔隙和連通但滲透水流不能穿過的孔隙。其中第三類孔隙主要指土顆粒周圍結(jié)合水膜所占的孔隙。對于粗粒土來說，無效孔隙以不連通和半連通孔隙為主，結(jié)合水膜所占孔隙的份額非常小。但對黏性土而言，由于顆粒很細(xì)小，不連通和半連通孔隙所占比例很少，而結(jié)合水膜占據(jù)的孔隙份額則很大。

通常認(rèn)為，粗粒土的滲透系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于黏性土，是因?yàn)榇至Ｍ恋目紫侗冗h(yuǎn)遠(yuǎn)大于黏性土，這其實(shí)是一個(gè)錯(cuò)誤的認(rèn)識。事實(shí)上，土顆粒的相對密度是幾乎相同的，粗粒土的容重遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于黏性土，說明粗粒土的孔隙比遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于黏性土。滲透系數(shù)公式直接與孔隙比相關(guān)，以上分析說明黏性土的孔隙比大，而其滲透系數(shù)反而小，因此，很有必要從解析理論角度探討粗粒土與黏性土滲透系數(shù)差異的原因。

在1m2的正方形區(qū)域內(nèi)，土顆粒的總面積和總孔隙面積為定值，不隨粒徑變化而變化；但結(jié)合水膜所占據(jù)的孔隙面積隨著粒徑的減小而增大。黏性土中無效孔隙幾乎占到了總孔隙的85%以上，而在粒徑最大的漂石中只占了不到0.18%。這就充分印證了：與粗粒土相比，黏性土中絕大多數(shù)的孔隙被結(jié)合水膜所占據(jù)，這部分無效孔隙的大量存在才是黏性土的孔隙比大，而其滲透系數(shù)反而小的根本原因。因此，簡單地將推求粗粒土滲透系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式運(yùn)用于黏性土，計(jì)算結(jié)果必然會有很大的誤差。只有對它們進(jìn)行修正，排除結(jié)合水膜占據(jù)的無效孔隙的影響，才能實(shí)現(xiàn)粗粒土與黏性土滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式的統(tǒng)一2。