Slider

«تخلخل» (Porosity)، معیاری برای تعیین میزان فضای توخالی درون یک ماده است. این معیار، نسبت حجم فضای توخالی به حجم کل را نمایش می‌دهد و مقادیر آن بین 0 تا 1 (0 تا 100 درصد) تغییر می‌کند. روش‌های متعددی برای تعیین میزان تخلخل یک ماده یا قطعه وجود دارند (مانند سی‌تی‌اسکن صنعتی). واژه تخلخل در حوزه‌های زیادی از قبیل فناوری دارویی، مهندسی سرامیک، متالورژی، علم مواد، ساخت و تولید قطعات، مکانیک خاک و مهندسی به کار می‌رود.

تخلخل در علوم زمین و سازه
تخلخل مفهومی است که در زمین‌شناسی، هیدروژئولوژی، علوم خاک و سازه مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای نشان دادن این مفهوم می‌توان از علائم ϕ یا n استفاده کرد. تخلخل نسبت فضای تو خالی به حجم کلی در یک محیط متخلخل (سنگ یا رسوب) را توصیف می‌کند:

 

VV: حجم فضای توخالی (حاوی سیال)؛ VT: حجم کل ماده (جمع فضای جامد و توخالی)

تخلخل نسبتی بین 0 تا 1 است که محدوده آن معمولاً از مقادیر کمتر از 0.01 برای گرانیت تا بیشتر از 0.5 برای پوده و رس تغییر می‌کند. در برخی از مواقع این نسبت با درصد نیز بیان می‌شود.

بررسی میزان تخلخل سنگ یا لایه رسوبی، اهمیت بالایی در ارزیابی قابلیت ذخیره‌سازی آب یا هیدروکربن دارد. تخلخل یک سنگ رسوبی، تابع پیچیده‌ای از عوامل متعددی نظیر عمق، جنس سیالات محبوس، جنس رسوبات ته‌نشین شده و غیره است. «آتی» (Athy) در سال 1930 یکی از معادلات پرکاربرد برای تعیین رابطه بین تخلخل و عمق را به صورت زیر ارائه کرد:

 

ϕ0: تخلخل سطحی؛ k: ضریب تراکم بر حسب معکوس متر (m-1)؛ z: عمق بر حسب متر (m)

 

یکی دیگر از روش‌ها محاسبه میزان تخلخل، استفاده از چگالی حجمی، چگالی اشباع سیال و چگالی ذره است:

ρbulk: چگالی حجمی؛ ρfluid: چگالی اشباع سیال؛ ρparticle: چگالی ذره

در صورتی که فضای خالی با هوا پر شده باشد، از رابطه زیر برای تعیین تخلخل استفاده خواهد شد:

چگالی نرمال ذره به طور تقریبی 2.65 گرم بر سانتی‌متر مکعب (g/cm3) در نظر گرفته می‌شود. اگرچه با ارزیابی لیتولوژی ذرات می‌توان تخمین بهتری از این چگالی را به دست آورد.

 

رابطه بین تخلخل و هدایت هیدرولیکی
معمولاً رابطه بین تخلخل و هدایت هیدرولیکی به صورت متناسب در نظر گرفته می‌شود. دو سفره آب زیرزمینی مشابه متشکل از ماسه سنگ را در نظر بگیرید. سفره‌ای با تخلخل بیشتر معمولاً دارای هدایت هیدرولیکی بیشتر (فضای بازتر برای جریان سیال) است. با این وجود، در رابطه بین این دو پارامتر پیچیدگی‌های زیادی وجود دارد که در ادامه به معرفی آن‌ها می‌پردازیم:

تناسب بین تخلخل و هدایت هیدرولیکی به صورت شهودی و غیر مستقیم است.
تناسب مشخصی بین شعاع دهانه حفره‌ها و هدایت هیدرولیکی وجود دارد.
شعاع دهانه حفره‌ها و حجم حفره‌ها با هم متناسب هستند.
در صورت وجود تناسب بین شعاع دهانه حفره‌ها و تخلخل، تخلخل و هدایت هیدرولیکی نیز متناسب خواهند بود.
با کاهش اندازه ذرات یا دانه‌بندی، تناسب بین شعاع دهانه حفره‌ها و تخلخل به تدریج از بین می‌رود. بنابراین در این شرایط، تناسب بین تخلخل و هدایت هیدرولیکی نیز از بین خواهد رفت.
برای درک بهتر پیچیدگی‌های موجود در رابطه بین تخلخل و هدایت هیدرولیکی، خاک رس را در نظر بگیرید. خاک رس در حالت عادی دارای هدایت هیدرولیکی بسیار کمی است. این مسئله به شعاع کوچک دهانه حفره‌ها در این نوع خاک مربوط می‌شود. در طرف مقابل، خاک رس به دلیل ساختار ذاتی کانی‌های رسی، تخلخل زیادی دارد. بنابراین می‌تواند حجم زیادی از آب را درون خود ذخیره کند. با این وجود، هدایت هیدرولیکی پایین مانع از خروج سریع آب خواهد شد. این مثال، رابطه معکوس بین تخلخل و هدایت هیدرولیکی در خاک رس را نمایش می‌دهد.

رابطه بین تخلخل و دانه‌بندی
مواد دارای دانه‌بندی خوب (ذراتی با اندازه تقریباً یکسان) نسبت به مواد مشابه با دانه‌بندی ضعیف، تخلخل بیشتری دارند. ذرات کوچک در مواد دارای دانه‌بندی ضعیف، فضای بین ذرات بزرگ‌تر را پر می‌کنند. در تصویر زیر، نحوه پر شدن فضای حفره‌های درون یک آبرفت توسط ذرات ریز نمایش داده شده است. این مسئله باعث کاهش شدید تخلخل و هدایت هیدرولیکی می‌شود.

 

تاثیر دانه‌بندی بر روی تخلخل آبرفت. رنگ سیاه بیانگر مواد جامد و رنگ سفید معرف فضای حفره‌ها است.

  تخلخل سنگ
سنگ‌های محصورشده‌ای مانند ماسه سنگ، شیل، گرانیت یا سنگ آهک در مقایسه با رسوبات آبرفتی، به طور بالقوه دارای تخلخل دوگانه پیچیده‌تری هستند. این نوع تخلخل را می‌توان به دو گروه تخلخل متصل یا غیر متصل تقسیم‌بندی کرد. تخلخل متصل از طریق حجم گاز یا مایع درون سنگ به سادگی قابل اندازه‌گیری است؛ در صورتی که هیچ راهی برای دسترسی سیالات به حفره‌های غیر متصل وجود ندارد.

 

نمونه‌ای از یک ماسه سنگ متخلخل

تخلخل، نسبت حجم حفره‌ها به حجم کلی سنگ است. این نسبت توسط عواملی نظیر نوع سنگ، توزیع حفره‌ها، سیمانی شدن (مواد پرکننده)، دیاژِنِز و میزان تراکم کنترل می‌شود. تخلخل به اندازه ذرات سنگ وابسته نیست؛ چراکه حجم بین فضای ذرات تنها به نحوه کنار هم قرار گرفتن آن‌ها بستگی دارد.

 

تخلخل سنگ‌ها معمولاً با افزایش سن و عمق کاهش می‌یابد. به عنوان مثال، ماسه سنگ‌های دوره ترشیاری نسبت به ماسه سنگ‌های دوره کامبرین متخلخل‌تر هستند؛ البته در برخی از مواقع به دلیل وضعیت عمق و تاریخچه حرارتی، موارد مستثنا نیز وجود دارند.

تخلخل خاک
میزان تخلخل در خاک‌های سطحی معمولاً با افزایش اندازه ذرات کاهش می‌یابد. دلیل این امر، تشکیل توده خاک هنگام اعمال فرآیندهای بیولوژیکی بر روی خاک‌های سطحی دانه‌ریز است. در طی فرآیند تشکیل توده خاک، چسبندگی بین ذرات و مقاومت در برابر تراکم بیشتر می‌شود. چگالی حجمی خاک شنی معمولاً بین مقادیر 1.5 تا 1.7 گرم بر سانتی‌متر مکعب (g/cm3) است. میزان تخلخل برای این شرایط بین 0.43 تا 0.36 برآورد می‌شود. چگالی حجمی خاک رس نیز معمولاً بین 1.1 تا 1.3 گرم بر سانتی‌متر مکعب و تخلخل آن بین 0.51 تا 0.58 گرم بر سانتی‌متر مکعب قرار دارد. این مقادیر غیر منطقی به نظر می‌رسند؛ چراکه خاک رس به عنوان یک خاک سنگین (اشاره به تخلخل پایین‌تر) شناخته می‌شود. ظاهراً، عبارت سنگین در اینجا به تأثیر گرانشی آب محتوا و نیروی مورد نیاز بیشتر برای شخم زدن خاک رس مرطوب نسبت به شن مرطوب اشاره می‌کند.

 

نمونه‌ای از یک خاک زراعی که حفره‌های روی آن به خوبی قابل مشاهده است.

 تخلخل خاک‌های زیرسطحی به دلیل تراکم ناشی از جاذبه، پایین‌تر از تخلخل خاک‌های سطحی است. برای سنگ‌ریزه‌های دانه‌بندی نشده در اعماق پایین‌تر از نواحی «بیوتروبیک» (Bioturbation)، تخلخل 0.20 عادی محسوب می‌شود. برای مواد ریزتری که در معرض تأثیر مراحل تشکیل خاک قرار دارند، مقدار تخلخل از تقریب 0.20 به دست می‌آید.

تخلخل خاک موضوع پیچیده‌ای است. مدل‌های مرسوم، تخلخل را به صورت یک مفهوم پیوسته در نظر می‌گیرند. این مسئله باعث نادیده گرفتن ویژگی‌های غیر عادی و به دست آوردن نتایج تقریبی می‌شود. به علاوه، مدل‌سازی تأثیر عوامل محیطی مؤثر بر هندسه حفره‌ها در این رویکرد امکان‌پذیر نیست. مدل‌های پیچیده زیادی از قبیل «فراکتال» (Fractal)، «تئوری حباب» (Bubble Theory)، «تئوری ترک‌خوردگی» (Cracking Theory)، «آرایش کروی» (Packed Sphere) و مدل‌های متعدد دیگری برای تخلخل خاک‌ها معرفی شده‌اند.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

اینستاگرام
دریبلر
تلگرام