気孔率

多孔度または空隙率は、材料内の空隙（つまり「空の」空間）の尺度であり、総体積に対する空隙の体積の割合で、0 ～ 1 の間、または 0% ～ 100% のパーセンテージとして表されます。厳密に言えば、一部のテストでは、表面からアクセス可能な空隙空間の合計量である「アクセス可能な空隙」を測定します（クローズドセルフォームを参照）。

物質または部品の多孔性をテストする方法は、産業用 CT スキャンなど、数多くあります。

多孔性という用語は、製薬、セラミックス、冶金、材料、製造、岩石物理学、水文学、地球科学、土質力学、岩石力学、工学など、さまざまな分野で使用されています。^[1]

気液二相流において、空隙率は流路容積のうち気相が占める割合として定義される。あるいは、流路断面積のうち気相が占める割合として定義される。^[2]

ボイド率は通常、流路内の場所によって異なります (2 相流パターンによって異なります)。ボイド率は時間とともに変動し、その値は通常、時間平均化されます。分離した (つまり、不均質な) 流れでは、ボイド率はガス相と液相の体積流量、および 2 相の速度の比 (スリップ比と呼ばれる) に関係します。

地質学、水文地質学、土壌科学、建築科学で使用される多孔質媒体（岩石や堆積物など）の多孔度は、物質内の空隙率を表します。この空隙には、たとえば空気や水が含まれます。これは、次の比率で定義されます。

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

ここで、V _Vは空隙空間（流体など）の体積、V _{T は}固体成分と空隙成分を含む材料の総体積またはバルク体積です。数学記号 との両方が多孔度を表すために使用されます。 ${\displaystyle \phi}$${\displaystyle n}$

多孔度は 0 から 1 の間の割合で、通常は固体花崗岩の場合は 0.005 未満、泥炭や粘土の場合は 0.5 以上になります。

岩石または堆積層の多孔度は、そこに含まれる水や炭化水素の潜在量を評価する際に重要な考慮事項です。堆積物の多孔度は、埋没速度、埋没深度、共存流体の性質、上部堆積物の性質（流体の排出を妨げる可能性があります）など、多くの要因の複雑な関数です。多孔度と深度の間によく使用される関係の 1 つは、Athy (1930) の式で示される減少指数関数です。^[3]

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

ここで、は与えられた深さ（ ）（m）における堆積物の空隙率、は土壌表面（埋没前）における堆積物の初期空隙率、は圧縮係数（m ⁻¹）です。指数が負の文字は減少する指数関数を表します。堆積物の空隙率は、その圧縮の関数として、深さとともに指数的に減少します。 ${\displaystyle \phi (z)}$${\displaystyle z}$${\displaystyle \phi _{0}}$${\displaystyle k}$${\displaystyle e}$

多孔度の値は、かさ密度 、飽和流体密度、粒子密度から計算することもできます。 ${\displaystyle \rho _{\text{bulk}}}$ ${\displaystyle \rho _{\text{流体}}}$ ${\displaystyle \rho _{\text{粒子}}}$

${\displaystyle \phi ={\frac {\rho _{\text{粒子}}-\rho _{\text{バルク}}}{\rho _{\text{粒子}}-\rho _{\text{流体}}}}}$

空隙が空気で満たされている場合は、次のより単純な形式を使用できます。

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

平均正規粒子密度は、約 2.65 g/cm ³ (シリカ、珪質堆積物または骨材)、または 2.70 g/cm ³ (方解石、炭酸塩堆積物または骨材) と見なすことができますが、粒子の岩相を調べることで、より正確な推定値を得ることができます。

多孔度は透水係数に比例します。2 つの類似した砂質 帯水層の場合、多孔度が高い方が透水係数も高くなります(水が流れる開口部が大きい)。しかし、この関係には多くの複雑な要素があります。主な複雑な要素は、多孔度と透水係数の間には直接的な比例関係はなく、推測による比例関係であるということです。細孔半径と透水係数には明確な比例関係があります。また、細孔半径と細孔容積にも比例関係がある傾向があります。細孔半径と多孔度の間に比例関係がある場合は、多孔度と透水係数にも比例関係がある可能性があります。ただし、粒径や選別が減少すると、細孔半径と多孔度の比例関係は崩れ始め、したがって多孔度と透水係数の比例関係も崩れます。たとえば、粘土は一般に透水係数が非常に低い（細孔半径が小さいため）一方、多孔度も非常に高い（粘土鉱物の構造的性質のため）ため、粘土はバルク材料の体積あたり大量の水を保持できますが、水を急速に放出しないため透水係数は低くなります。

よく分別された（粒子がほぼすべて同じサイズ）物質は、同じサイズで分別が不十分な（小さな粒子が大きな粒子の間の隙間を埋めている）物質よりも多孔度が高くなります。図は、いくつかの小さな粒子が効果的に空隙（すべての水の流れが発生する場所）を埋め、物質の総体積のわずかな部分であるにもかかわらず、多孔度と透水係数を大幅に削減する方法を示しています。土質物質の一般的な多孔度値の表については、水文地質学の記事の「さらに読む」セクションを参照してください。

固結岩（砂岩、頁岩、花崗岩、石灰岩など）は、沖積堆積物と比較して、より複雑な「二重」多孔性を持つ可能性があります。これは、連結多孔性と非連結多孔性に分けることができます。連結多孔性は、岩石に流入できるガスまたは液体の体積によって簡単に測定できますが、非連結多孔性には流体が到達できません。

多孔度は、細孔容積と総容積の比率です。多孔度は、岩石の種類、細孔分布、セメント化、続成作用の履歴と組成によって決まります。多孔度は粒度によって決まりません。粒間の空間の容積は、粒の詰め方とのみ関係するからです。

通常、岩石の多孔性は、年代と埋没深度とともに減少します。第三紀のメキシコ湾岸砂岩は、一般にカンブリア紀の砂岩よりも多孔性があります。この規則には例外があり、通常は埋没深度と熱履歴が原因です。

表土の多孔性は、通常、粒子サイズが大きくなるにつれて低下します。これは、土壌生物学的プロセスの影響を受けると、きめの細かい表土で土壌団粒が形成されるためです。団粒化には、粒子の付着と圧縮に対する高い抵抗が関係します。砂質土の典型的な嵩密度は 1.5 ～ 1.7 g/cm ³です。これは、0.43 ～ 0.36 の多孔性に相当します。粘土質土の典型的な嵩密度は 1.1 ～ 1.3 g/cm ³です。これは、0.58 ～ 0.51 の多孔性に相当します。粘土質土は「重い」と呼ばれ、多孔性が低いことを意味するため、これは直感に反しているように思われます。「重い」とは、砂と比較した圃場の水分含有量で粘土質土を通して耕作器具を引くために必要な相対的な力を思い起こさせる用語と組み合わせて、重力による水分含有量の影響を指しているようです 。

地下土壌の多孔度は、重力による圧縮のため、表土よりも低くなります。バイオマントルより深いところにある未分類の砂利サイズの物質の多孔度は 0.20 が正常と考えられています。土壌生成の凝集作用の下にあるより細かい物質の多孔度は、この値に近づくと予想されます。

土壌の多孔性は複雑です。従来のモデルでは、多孔性は連続的であるとみなされます。このため、異常な特徴を考慮できず、近似的な結果しか得られません。さらに、孔の形状に影響を与える環境要因の影響をモデル化することもできません。フラクタル、バブル理論、クラッキング理論、ブール粒子過程、充填球、その他多数のモデルを含む、より複雑なモデルが数多く提案されています。土壌の孔隙空間の特性評価は、関連する概念です。

一次多孔度

岩石または非圧積堆積物の主なまたは元々の多孔性システム。

二次多孔性

岩石内の後続または別の多孔性システム。多くの場合、岩石全体の多孔性を高めます。これは、鉱物の化学的浸出または亀裂システムの生成の結果である可能性があります。これは、主要な多孔性を置き換えるか、または共存することができます (以下の二重多孔性を参照)。

亀裂の多孔性

これは、断層または断層運動に関連する多孔性です。これにより、一次多孔性が破壊されたために炭化水素の貯留層にはならない岩石（たとえば、埋没深度による）や、通常は貯留層とは見なされない岩石タイプ（たとえば、火成岩貫入岩または変堆積岩）に二次多孔性が生じる可能性があります。

多孔性

これは、炭酸塩岩の大きな特徴（マクロ化石など）が溶解して大きな穴、空洞、さらには洞窟が残ることによって生成される二次的な多孔性です。

有効気孔率（開放気孔率とも呼ばれる）

流体の流れが効果的に起こっている総体積の割合を指し、懸垂線状孔と行き止まり孔（これらの孔は洗い流すことはできませんが、ガス膨張^[4]のように圧力を解放することで流体の動きを引き起こすことができます）が含まれ、閉じた孔（または接続されていない空洞）は除外されます。これは、地下水や石油の流れ、および溶質輸送にとって非常に重要です。

無効多孔度（閉鎖多孔度とも呼ばれる）

流体またはガスは存在するが、流体の流れが効果的に行われない総体積の割合を指し、閉じた細孔も含まれます。したがって、細孔の形態を理解することは、地下水と石油の流れにとって非常に重要です。

二重多孔性

相互作用する 2 つの重なり合う貯留層があるという概念的な考え方を指します。断裂した岩石帯水層では、岩盤と断裂は、重なり合うものの別々の 2 つの物体としてシミュレートされることがよくあります。遅延降伏および漏出帯水層流のソリューションは、どちらも二重多孔性で得られるソリューションと数学的に類似しています。3 つのケースすべてにおいて、水は 2 つの数学的に異なる貯留層 (物理的に異なるかどうかに関係なく) から供給されます。

マクロ多孔性

固体（つまり、土壌などの凝集物質を除く）における「マクロ多孔性」という用語は、直径が 50  nmを超える細孔を指します。マクロ多孔性を通過する流れは、バルク拡散によって説明されます。

メソ多孔性

固体（つまり、土壌などの凝集物質を除く）における「メソ多孔性」という用語は、直径が 2 nm より大きく 50 nm 未満の細孔を指します。メソ細孔を通る流れは、クヌーセン拡散によって説明されます。

微細孔

固体（土壌などの凝集物質を除く）における「微細孔」という用語は、直径 2 nm 未満の細孔を指します。微細孔内の動きは拡散によって活性化されます。

風が「見る」固体に対する穴の比率。空気力学的多孔度は、穴の狭まり具合に応じて、視覚的多孔度よりも低くなります。

鋳造の多孔性は、溶融金属温度での汚染物質のガス化、溶融金属が凝固するときに起こる収縮、および温度や湿度の予期しないまたは制御されていない変化のうちの 1 つ以上の結果として発生します。

ダイカスト製造においては気孔はつきものですが、その存在は圧力整合性が重要な特性である部品の故障につながる可能性があります。気孔は相互接続されたマイクロ気孔、折り目、介在物から部品表面に見えるマクロ気孔まで、さまざまな形をとる可能性があります。気孔の最終結果は、鋳造の壁を貫通する漏れ経路の作成であり、部品が圧力を保持できなくなります。気孔はまた、塗装工程中のガス放出、めっき酸の浸出、プレス金属部品の機械加工時の工具のチャタリングにつながる可能性があります。^[5]

多孔性を測定するにはいくつかの方法があります。

• 直接法（多孔質サンプルのかさ体積を決定し、次に細孔のない骨格材料の体積を決定する（細孔体積 = 総体積 - 材料体積）。
• 光学的方法（例えば、顕微鏡で見える孔の面積と物質の面積の測定）。ランダム構造の多孔質媒体の場合、「面積」と「体積」の多孔度は等しくなります。^[6]
• コンピュータ断層撮影法（工業用CTスキャンを使用して、ボイドを含む外部および内部形状の3Dレンダリングを作成します。その後、コンピュータソフトウェアを使用して欠陥分析を実施します）
• 浸透法^[6] 、すなわち、多孔質サンプルを真空下で、細孔を優先的に濡らす流体に浸漬する方法。
  • 水飽和法（細孔容積＝水の総量−浸漬後に残った水の量）。
• 水蒸発法（細孔容積＝（飽和サンプルの重量−乾燥サンプルの重量）／水の密度）
• 水銀侵入ポロシメトリー（毒性に関する懸念と、水銀がいくつかの金属や合金とアマルガムを形成する傾向があるという事実により、水銀を侵入させないいくつかの技術が開発されています）。
• ガス膨張法。^[6]既知の体積のサンプルを既知の体積の容器に封入する。このサンプルは、真空（ほぼ真空圧）にされた既知の体積の別の容器に接続される。2つの容器を接続するバルブが開くと、ガスは最初の容器から2番目の容器に流れ、均一な圧力分布が得られるまで続く。理想気体の法則を用いると、細孔の容積は次のように計算される。

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

どこ

V _{V は}細孔の有効容積であり、

V _{T は}サンプルの体積であり、

V _{a は}サンプルが入っている容器の容積であり、

V _{b は}真空容器の容積であり、

P _{1 は体積V a}とV _Vの初期圧力であり、

P _{2 は}システム全体に存在する最終圧力です。

多孔性は、その適切な定義によって簡単に導かれる。

${\displaystyle \phi ={\frac {V_{V}}{V_{T}}}}$。

この方法では、気体が細孔と周囲の体積の間で連通していると仮定していることに注意してください。実際には、これは細孔が閉じた空洞であってはならないことを意味します。

• 熱ポロシメトリーとクライオポロメトリー。ギブス・トムソンの式で示されるように、液体の小さな結晶はバルク液体よりも低い温度で融解します。したがって、液体が多孔質材料に吸収され、凍結された場合、融解温度は細孔サイズ分布に関する情報を提供します。融解の検出は、示差走査熱量測定法（DSC熱ポロシメトリー）^{[7]を使用して相変化中の過渡熱流を感知するか、}核磁気共鳴法（NMRクライオポロシメトリー）^[8]を使用して可動液体の量を測定するか、吸収された結晶相または液相からの中性子散乱の振幅を測定する（NDクライオポロシメトリー） ^[9]ことによって行うことができます。

• 空隙率
• 石油地質学
• ポロメカニクス
• かさ密度
• 粒子密度（充填密度）
• 充填密度
• ボイド（複合材料）
• コヒーレント回折イメージング

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• 絶対気孔率と有効気孔率の計算
• 地質学の話題: 多孔性