ポロシティ

ポロシティ（多孔度）とは

ポロシティ（porosity）とは、物質が内部に持つ微細な空隙（void, pore）の割合を示す尺度です。この空隙は、物質の全体積に対してどの程度の割合を占めているかを表し、0から1（または0%から100%）の値で示されます。ポロシティは、薬剤学、窯業、金属工学、物質科学、製造業、地球科学、土質力学など、多岐にわたる分野で重要な概念として活用されています。

ポロシティの定義と訳語

ポロシティに対応する日本語訳は、分野によって異なり、「多孔度」「空隙率」「気孔率」「間隙率」など、さまざまな用語が用いられています。

• - 多孔度: 一般的な多孔質固体に対して用いられることが多いです。
• - 空隙率: 粒子が集積した粉体や、土壌に対して用いられることが多いです。
• - 気孔率: 多孔質固体を中心に用いられることが多いです。
• - 間隙率: 土壌学の分野で用いられることが多いです。

また、ポロシティは、ブローホールやボイドといった意味で使われることもあります。

ポロシティの種類

ポロシティを考える上で、以下の種類を区別することが重要です。

• - 開放気孔率、有効孔隙率: 物質表面に開口した空隙の割合。液体の浸透や気体の吸着を考える際に重要です。
• - 空間率: 粉体において、粒子間の空間の割合を示します。
• - 二相流れにおけるボイド率: 気液二相流において、流路体積または断面積に占める気相の割合を示します。

地球科学および建設業における空隙率

岩石や堆積物における空隙は、水や空気が侵入するため、その物性に大きな影響を与えます。これらの物質の空隙率（ϕ）は、以下の式で定義されます。

`ϕ = Vv / Vt`

ここで、Vvは空隙の体積、Vtは全体積（固体部分と空隙を含む）を表します。

空隙率は0から1までの値をとり、一般的には0.01以下（緻密な花崗岩）から0.5以上（泥炭や粘土）の範囲に収まります。空隙率は、水や炭化水素の最大含有量を見積もる上で重要な指標となります。

空隙率と深度の関係

堆積物の空隙率は、埋没速度、埋没深度、遺留水の成分、上層堆積物の性質など、さまざまな要因に影響を受けます。Athyの式は、空隙率と深度の関係を表す有名なモデルです。

`ϕ(z) = ϕ₀e^(-kz)`

ここで、ϕ₀は地表の空隙率、kは圧密係数、zは深度を表します。

空隙率の計算方法

空隙率は、以下の式で計算することもできます。

`ϕ = (ρparticle - ρbulk) / (ρparticle - ρfluid)`

ここで、ρbulkはかさ比重、ρfluidは試料空隙を飽和する液体の比重、ρparticleは真比重（固相粒子の比重）を表します。空隙が空気で満たされている場合は、以下の簡略化した式を用いることができます。

`ϕ = 1 - (ρbulk / ρparticle)`

空隙率と透水性

一般的に、砂質帯水層では空隙率が高いほど流路が広く、透水係数も大きくなります。ただし、この関係は多くの要因に左右されます。厳密には、透水係数と比例するのは空隙率ではなくポアスロート（空隙の狭窄部）半径です。ポアスロート半径が空隙体積と比例する場合に限り、透水係数と空隙率の比例関係が成り立ちます。

分級と空隙率

分級の良い（粒径が揃っている）土質材料は、分級の悪いものよりも空隙率が高くなります。分級の悪い材料では、径の小さい粒子が粒子間空隙を埋めてしまうためです。

岩石の孔隙率

固結岩（砂岩、頁岩、花崗岩、石灰岩など）は、二重多孔性（dual porosity）を持つことがあります。孔隙率は、連結孔隙率（connected porosity）と孤立孔隙率（unconnected porosity）に分けられます。連結孔隙率は岩石に液体や気体が侵入する量から測定できますが、孤立孔隙は測定が困難です。岩の年齢や埋積深度が増すにつれて、孔隙率は低下する傾向があります。

土壌の空隙率

表土では、粒径が小さくなるにつれて空隙率が増大します。粘土質の土壌は、高い空隙率を持つにもかかわらず「重い」と感じられることがありますが、これは含水率が高いためです。下層土では、重力による圧密のため空隙率が低下します。

土壌空隙（率）のタイプ

土壌の空隙には、以下のようなタイプがあります。

• - 初生空隙率: 岩石や堆積物において、堆積当時から存在する空隙。
• - 後生空隙率: 化学的な鉱物の溶脱や裂け目の形成など、後から生じた空隙。
• - 裂け目空隙率: 裂け目や断層に関連する空隙。
• - 空孔空隙率: 炭酸塩岩などから大きな異物が溶解した後に残る空隙。
• - 有効空隙率: 流体の流通が可能な空隙の割合。
• - 無効空隙率: 流体の流れが生じない孤立した空隙の割合。
• - 二重空隙率: 複数のリザーバーが空間的に重なり相互に作用するというモデル。
• - マクロ細孔: 直径が50nmを超える細孔。
• - メソ細孔: 直径が2nmから50nmの細孔。
• - ミクロ細孔: 直径が2nmより小さい細孔。

ポロシティの測定方法

ポロシティの測定には、さまざまな方法があります。

• - 光学的方法: 顕微鏡観察により、試料断面の面積と空隙の面積を測定します。
• - 計算機トモグラフィー法: CTスキャンで3次元画像化し、欠陥構造を解析します。
• - 液浸法: 液体に浸漬し、空隙を液体で飽和させた後の体積を測定します。
• - 水蒸発法: 飽和試料と乾燥試料の重量差から空隙体積を求めます。
• - 懸吊法: 試料を水中に吊るし、浮力を考慮した重量変化から空隙率を求めます。
• - 水銀圧入法: 水銀を圧入し、小孔径の分布と空孔容積を測定します。
• - 気体膨張による方法: 気体の移動を利用し、空隙体積を測定します。
• - 熱多孔度測定法: 液体を凍結させてその融点を測定し、細孔径分布を解析します。

まとめ

ポロシティは、物質の特性を理解する上で重要な指標であり、多岐にわたる分野で活用されています。この記事では、ポロシティの定義、種類、測定方法、関連する概念について詳しく解説しました。ポロシティの理解を深めることで、物質の性質や現象をより深く理解できるでしょう。

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