[科普中国]-孔隙率

概念

(1)**材料的孔隙率
材料的孔隙率**是指，指块状材料中孔隙体积与材料在自然状态下总体积的百分比，它以P 表示。孔隙率P的计算公式为：

P ——材料孔隙率，%；
V0 ——材料在自然状态下的体积，或称表观体积，cm3或m3；ρ0为材料体积密度，g /cm3或kg/ m3;
V ——材料的绝对密实体积，cm3或m3; ρ为材料密度，g /cm3或kg/ m3。
材料内部除了孔隙的多少以外，孔隙的特征状态也是影响其性质的重要因素之一。材料的孔特征表现为，孔隙是在材料内部被封闭的，还是在材料的表面与外界连通。前者为闭口孔，后者为开口孔。有的孔隙在材料内部是被分割为独立的，还有的孔隙在材料内部相互连通。此外，孔隙尺寸的大小、孔隙在材料内部的分布均匀程度等都是孔隙在材料内部的特征表现。

(2)材料的空隙率
材料空隙率是指，散粒状材料在堆积状态下，颗粒之间空隙体积与松散体积的百分比，它以P′表示。空隙率P′的计算公式为：

P′——材料空隙率，%；
V0——材料的自然堆积体积，cm3或m3；ρ0为材料堆积密度，g /cm3或kg/ m3;
V——材料的颗粒体积，cm3或m3；ρ为材料表观密度，g /cm3或kg/ m3。
空隙率考虑的是材料颗料间的空隙，这对填充和粘结散粒材料时，研究散粒状材料的空隙结构和计算胶结材料的需要量十分重要。

岩样中所有孔隙空间体积之和与该岩样体积的比值，称为该岩石的总孔隙度，以百分数表示。储集层的总孔隙度越大，说明岩石中孔隙空间越大。从实用出发，只有那些互相连通的孔隙才有实际意义，因为它们不仅能储存油气，而且可以允许油气在其中渗滤。因此在生产实践中，提出了有效孔隙度的概念。有效孔隙度是指那些互相连通的，在一般压力条件下，可以允许流体在其中流动的孔隙体积之和与岩样总体积的比值，以百分数表示。显然，同一岩石有效孔隙度小于其总孔隙度。

孔隙率（porosity）在多孔介质中的定义：

孔隙率（porosity）是指多孔介质内的微小空隙的总体积与该多孔介质的总体积的比值1。

分类孔隙率可分为两种：多孔介质内相互连通的微小空隙的总体积与该多孔介质的外表体积的比值称为有效孔隙率，以φ_e表示；多孔介质内相通的和不相通的所有微小空隙的总体积与该多孔介质的外表体积的比值称为绝对孔隙率或总孔隙率，以φ_T表示。所谓孔隙率通常是指有效孔隙率，但书写方便，一般直接以φ表示。

孔隙率与多孔介质固体颗粒的形状、结构和排列有关。在常见的非生物多孔介质中，鞍形填料和玻璃纤维的孔隙率最大，达到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%，地下砂岩的孔隙率大多为12%~34%，土壤的孔隙率为43%~54%，砖的孔隙率为12%~34%，皮革的孔隙率为56%~59%，均属中等数值；动物的肾、肺、肝等脏器的血管系统的孔隙率亦为中等数值。

孔隙率是影响多孔介质内流体传输性能的重要参数。

煤的孔隙特性与煤化程度、地质破坏程度和地应力性质及其大小等因素密切相关。由于这些因素的不同，各矿煤层的孔隙率可在较大的范围内变化。

①孔隙率与煤化程度的关系：从长焰煤开始，随着煤化程度的加深(挥发分减小)煤的总孔隙体积逐渐减少，到焦、瘦煤时达到最低值，而后随煤化程度的加深，总孔隙体积又逐渐增加，至无烟煤时达到最大值。然而，煤中的微孔体积随着煤化程度的增加是一直增长的。

②孔隙率与煤的破坏程度的关系：大孔决定于强烈地质构造破坏煤的破坏面，因此煤的破坏越严重，其渗透容积越高，即孔隙率越大。

③孔隙率与地应力的关系：压性的地应力(压应力)可使渗透容积缩小，压应力越高，渗透容积缩小越多，即孔隙率减小越多；张性地应力(压应力)可使裂隙张开，使渗透容积增大，张应力越高，渗透容积增长越多，即孔隙率增加越多。卸压(地应力减小)作用可使煤岩的渗透容积增大，即孔隙率增高；增压(地应力增高)作用可使煤岩受到压缩，渗透容积减小即孔隙率降低。试验表明地应力并不减少煤的吸附体积，或减少得不多(因大孔及可见孔的表面积减少)，因此地应力对煤的吸附性影响很小。

在催化剂领域中，也有孔隙率的概念。对催化剂的制备、催化剂的活性、稳定性及反应选择性有较大的影响。催化剂孔隙率受载体材料、制备技术、活性组分的负载量等因素影响。测量催化剂孔隙率常用低温氮气吸附-脱附法（BET）进行，可以测量催化剂的总比表面积、不同大小孔径的分布等。正是BET技术使催化剂的研究步入科学定量化的轨道。

孔隙率与土地渗透性孔隙特性是影响土体渗透性能的重要因素。土体中的孔隙有有效孔隙与无效孔隙之分，只有有效孔隙才能产生渗流，而无效孔隙对渗流的大小无影响。所谓无效孔隙主要分为3类：不连通孔隙，半连通孔隙和连通但渗透水流不能穿过的孔隙。其中第三类孔隙主要指土颗粒周围结合水膜所占的孔隙。对于粗粒土来说，无效孔隙以不连通和半连通孔隙为主，结合水膜所占孔隙的份额非常小。但对黏性土而言，由于颗粒很细小，不连通和半连通孔隙所占比例很少，而结合水膜占据的孔隙份额则很大。

通常认为，粗粒土的渗透系数远远大于黏性土，是因为粗粒土的孔隙比远远大于黏性土，这其实是一个错误的认识。事实上，土颗粒的相对密度是几乎相同的，粗粒土的容重远远大于黏性土，说明粗粒土的孔隙比远远小于黏性土。渗透系数公式直接与孔隙比相关，以上分析说明黏性土的孔隙比大，而其渗透系数反而小，因此，很有必要从解析理论角度探讨粗粒土与黏性土渗透系数差异的原因。

在1m2的正方形区域内，土颗粒的总面积和总孔隙面积为定值，不随粒径变化而变化；但结合水膜所占据的孔隙面积随着粒径的减小而增大。黏性土中无效孔隙几乎占到了总孔隙的85%以上，而在粒径最大的漂石中只占了不到0.18%。这就充分印证了：与粗粒土相比，黏性土中绝大多数的孔隙被结合水膜所占据，这部分无效孔隙的大量存在才是黏性土的孔隙比大，而其渗透系数反而小的根本原因。因此，简单地将推求粗粒土渗透系数的经验公式运用于黏性土，计算结果必然会有很大的误差。只有对它们进行修正，排除结合水膜占据的无效孔隙的影响，才能实现粗粒土与黏性土渗透系数经验公式的统一2。