Что такое пористость? Коэффициент пористости грунта: формула

Пористость - важнейший показатель структуры грунта. От нее зависят многие свойства: водопроницаемость, сжимаемость, несущая способность. Давайте разберемся, что такое пористость, как ее определяют и для чего это нужно.

1. Что такое пористость грунта

Пористость грунта - это совокупный объем закрытых и открытых пор в единице его объема. Формируется пористость в процессе выветривания горных пород. У скальных грунтов пористость очень низкая, но резко увеличивается при появлении трещин и разрушении породы.

Различают следующие основные виды пористости:

• Открытая пористость - объем связанных между собой пор, через которые свободно проходят вода и воздух.
• Закрытая пористость - объем изолированных пор внутри породы, которые не влияют на водопроницаемость.
• Общая (абсолютная) пористость - совокупность всех пор в грунте.

На пористость влияют размер и форма частиц, степень выветривания, органические примеси и другие факторы. Пористость песчаных грунтов всегда выше, чем у скальных. С глубиной пористость уменьшается из-за большего давления и меньшей степени выветривания.

По величине пористости грунты подразделяются на (ГОСТ 25100-2011):

• Непористые - пористость менее 3%
• Слабопористые - пористость от 3 до 10%
• Среднепористые - пористость от 10 до 30%
• Сильнопористые - пористость более 30%

2. Коэффициент пористости грунта

Коэффициент пористости показывает соотношение между объемом пор и объемом твердой фазы грунта. Он рассчитывается по формуле:

e = (n * ρd) / (m * ρs)

где n - объем пор, m - объем твердых частиц, ρ_d - плотность сухого грунта, ρ_s - плотность частиц.

Чем выше коэффициент пористости, тем хуже грунт по несущей способности, но лучше по водопроницаемости.

По коэффициенту пористости песчаные грунты делятся (ГОСТ 25100-2011):

Таким образом, зная коэффициент, можно классифицировать грунты для строительства.

3. Определение пористости в лаборатории

Для определения пористости грунта в лаборатории используются разные методы.

Наиболее распространен метод насыщения образца жидкостью (водой или керосином). При этом измеряется объем жидкости, заполнившей поры, что и дает значение пористости.

Также применяется газоволюметрический метод, когда объем пор определяют по расширению газа, закачанного в образец под давлением.

Для точного анализа структуры грунта используется рентгеновская компьютерная томография. Она позволяет получить объемную 3D-модель образца с выделением всех пор.

Коэффициент пористости чаще всего рассчитывают по измеренным в лаборатории плотностям грунта и его частиц, подставляя значения в формулу выше.

4. Пористость в разведке месторождений

Пористость играет ключевую роль при разведке и разработке месторождений полезных ископаемых. Особенно важна пористость коллектора - продуктивного горизонта (пласта), содержащего нефть или газ.

Чем выше пористость пласта, тем больший объем углеводородов в нем содержится. Но для их извлечения нужна не вся пористость, а только открытая, обеспечивающая фильтрацию флюидов.

Поэтому на месторождениях определяют коэффициент открытой пористости пласта - отношение объема открытых пор ко всему объему. Этот показатель напрямую влияет на нефтеотдачу.

5. Способы регулирования пористости грунта

В строительстве и сельском хозяйстве часто нужно регулировать пористость грунта и почвы. Для этого применяются разные способы.

Для уменьшения пористости используют уплотнение грунта катками или трамбовками. Это повышает его несущую способность как основания сооружений.

Чтобы увеличить пористость для повышения плодородия, в почву вносят органику, рыхлят ее плугами, применяют системы дренажа. Так обеспечивается оптимальный воздухо- и влагообмен.

6. Контроль пористости на производстве

Важное значение имеет контроль пористости в производстве строительных материалов, фильтров, мембран, упаковок. От этого параметра зависят многие эксплуатационные характеристики.

Для измерения пористости применяют жидкостную порометрию, ртутную порометрию, газовую порометрию и другие методы. Полученные данные используют для мониторинга техпроцесса и регулировки параметров.

7. Перспективы изучения пористости

Несмотря на многолетнее изучение, пористость грунтов и пород остается актуальным направлением исследований. Развиваются новые методы анализа, повышается точность измерений.

Особый интерес представляет математическое моделирование процессов фильтрации флюидов в пористой среде. Это важно как для добычи полезных ископаемых, так и для экологических расчетов загрязнения грунтов.

Также ведутся работы по созданию материалов и покрытий с регулируемой пористостью для разных областей применения.

8. Пористые материалы специального назначения

Создаются пористые материалы для различных областей применения - фильтрации, очистки, защиты, запасания энергии и др.

Высокопористые полимерные пены используют как тепло- и звукоизоляторы. Более плотные материалы применяют как конструкционные и уплотнения в машиностроении.

Определенная степень пористости нужна для фильтрующих мембран, например, в очистке воды, выделении ценных веществ. Также мембранные процессы используются в пищевом производстве.

9. Методы контроля пористости в промышленности

Для определения пористости в промышленности широко используются неразрушающие методы контроля качества материалов и изделий.

Это рентгеновская томография, УЗ-дефектоскопия, тепловой контроль, вихретоковый метод и другие. Позволяют по физическим полям оценить однородность структуры, наличие дефектов.

Пористость также анализируют методами оптической микроскопии, растровой электронной микроскопии для исследования микроструктуры материалов.

10. Стандартизация методов контроля пористости

Для получения достоверных и сопоставимых результатов используют стандартизованные методики.

В России это, например, ГОСТ 26423.0-85, 26423.1-85 по определению пористости материалов жидкостной порометрией, ртутной порометрией.

Также действуют международные стандарты ISO, ASTM по испытаниям, TERMIS - по терминологии в области пористых и ячеистых материалов.

11. Модификация пористой структуры

Для придания материалам нужных свойств применяют различные методы модификации их пористой структуры.

Это может быть как увеличение пористости путем введения порообразователей, пенообразования, так и уменьшение пористости с помощью пропитки, уплотнения, введения наполнителей.

Также используют специальную обработку поверхности пор, нанесение функциональных покрытий для придания нужных характеристик.

12. Компьютерное моделирование пористости

Современные программные комплексы позволяют моделировать структуру пористых материалов, исследовать процессы фильтрации.

Модели строят на основе математического описания геометрии пор, их соединений, свойств поверхности, а также характеристик флюидов.

Такое моделирование дает возможность оптимизировать параметры материалов и технологических процессов с меньшими затратами.

13. Перспективные области применения

Перспективной областью являются композитные материалы и покрытия с регулируемой пористостью для аэрокосмической, медицинской, электронной и других отраслей.

Также разрабатываются высокопористые накопители и преобразователи энергии, улучшаются эксплуатационные характеристики и надежность таких устройств.

14. Экологическое значение пористости

При решении экологических задач учитывают пористость грунтов, позволяя прогнозировать распространение загрязнителей с фильтрационными потоками.

Также для очистки почв и грунтовых вод от нефтепродуктов, тяжелых металлов используют сорбенты на основе пористых материалов с развитой удельной поверхностью.