Huokoisuus

Huokoisuus on muun muassa geologiassa, maaperätieteessä ja rakennustekniikassa käytettävä suure, joka ilmoittaa kuinka tiheään materiaali on pakkaantunut. Huokoisuus mittaa materiaalissa olevaa tyhjää tilaa ja on tyhjän tilan osuus materiaalin kokonaistilavuudesta ja siten aina 0:n ja 1:n välillä. Huokoisuuden voi myös ilmoittaa prosenttilukuna, jolloin se on 0 %:n ja 100 %:n välillä.

Huokoisuuden määritysmenetelmiä on useita, esimerkiksi teollinen viipalekuvaus. Osa huokoisuuden määritysmenetelmistä mittaa tarkalleen vain saavutettavissa olevien huokosten osuutta eli niitä huokosia, jotka ovat saavutettavissa materiaalin pinnasta.

Huokoisuus geotieteissä ja rakentamisessa

Geologiassa, hydrogeologiassa, maaperätieteessä ja rakennustieteessä huokoisen aineen (kivi tai sedimentti) huokoisuus mittaa tyhjän tilan osuutta materiaalissa. Tyhjä tila ei välttämättä ole absoluuttisen tyhjää vaan sisältää usein ilmaa tai vettä. Huokoisuus määritellään suhteena

$\phi ={\frac {V_{p}}{V_{m}}}$

missä V_p on huokostilojen kokonaistilavuus, ja V_m materiaalin kokonaistilavuus (sisältäen sekä kiinteän osion että huokoset).

Tyypillisiä arvoja ovat alle 0,005 kiinteälle graniitille ja yli 0,5 turpeelle ja savelle.

Kiven tai kerrostumien huokoisuus on tärkeä laskea määritettäessä niiden hiilivetypitoisuutta. Kerrostumien huokoisuus koostuu monesta tekijästä. Yksi yleisesti käytetyistä yhtälöistä on Athyn (1930) huokoisuuden ja syvyyden suhde:

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

missä φ₀ on pinnan huokoisuus, k kokoonpuristuvuuskerroin (m^-1) ja z syvyys (m).

Huokoisuusarvo voidaan laskea myös kappaletiheydestä $\rho _{\text{kappale}}$, huokosia täyttävän fluidin tiheydestä $\rho _{\text{fluidi}}$ ja hiukkasten tiheydestä $\rho _{\text{hiukkaset}}$:

$\phi ={\frac {\rho _{\text{hiukkaset}}-\rho _{\text{kappale}}}{\rho _{\text{hiukkaset}}-\rho _{\text{fluidi}}}}$

Jos huokostila on ilman täyttämää, seuraava yksinkertainen muoto on myös mahdollinen:

$\phi =1-{\frac {\rho _{\text{kappale}}}{\rho _{\text{hiukkaset}}}}$

Käytännöllinen arvo hiukkastiheydelle on 2.65 g/cm³ (piidioksidi), joskin parempi arvio saadaan tarkastelemalla huokoista ainetta muodostavien hiukkasten mineraalikoostumusta.

Rakennuksissa käytetään seinä- ja kattorakenteissa muita rakennusmateriaaleja huokoisempia eristeitä, kuten kivi- tai lasivillaa. Nämä eristeet eristävät lämpöä ja lisäksi vaimentavat ääniä.

Huokoisuus ja vedenjohtavuus

Huokoisuus voi olla verrannollinen vedenjohtavuuteen; jos verrataan kahta hiekasta koostuvaa pohjavesivarantoa, niin se, jolla on suurempi huokoisus, on myös yleensä suurempi vedenjohtavuus (enemmän virtausreittejä vedelle), mutta tämä suhde ei aina ole näin yksinkertainen. Pääasiallinen ongelma on, että huokoisuuden ja vedenjohtavuuden välillä ei ole suoraa suhdetta vaan välillinen suhde. Huokostilan kapeuden ja vedenjohtavuuden välillä on selkeä suhde. Sen lisäksi huokostilan kapeus ja huokosten tilavuus ovat yleensä suhteessa toisiinsa. Jos huokostilan kapeus ja huokoisuus ovat myös suhteessa toisiinsa, niin huokoisuus voi olla suhteessa vedenjohtavuuteen. Käytännössä kuitenkin raekoko tai maalajin lajittuneisuus heikentävät huokosten kapeuden ja huokoisuuden välistä suhdetta ja verrannollisuus hajoaa. Esimerkiksi savilla on yleensä hyvin alhainen vedenjohtavuus (johtuen niiden kapeista huokosista), mutta myös korkeat huokoisuudet (savimineraalien rakenteen vuoksi), joten savet voivat pidättää suhteessa tilavuuteensa suuria määriä vettä. Ne eivät kuitenkaan vapauta tätä vettä kovin helposti, ja siksi niidne vedenjohtavuus on alhainen.

Lajittuneisuus ja huokoisuus

Lajittuneisuuden vaikutus alluviaalin huokoisuuteen. Musta edustaa kiinteää ainesta, sininen huokostilaa.

Hyvin lajittuneet (tasakokoiset) materiaalit ovat huokoisempia kuin samankokoiset heikosti lajittuneet materiaalit (joissa pienemmät hiukkaset täyttävät isojen hiukkasten väliset raot). Oheinen kuva esittää, kuinka pienemmät rakeet täyttävät huokostilan (jossa veden virtaus tapahtuu), mikä vähentää merkittävästi sekä huokoisuutta että vedenjohtavuutta, vaikka rakeiden osuus kappaletilavuudesta on pieni.

Kivien huokoisuus

Kiinteän kiviaineksen (esim. hiekkakivi, savikivi, graniitti, kalkkikivi) huokoisuus voi olla monimutkaisesti tulkittavissa ja huokoisuutta on kahdenlaista verrattuna esimerkiksi alluviaalisedimenttiin. Huokoisuuden lajit ovat yhtenäinen ja epäyhtenäinen huokoisuus. Yhtenäistä huokoisuutta voidaan mitata täyttämällä huokoset kaasulla tai nesteellä, joka virtaa kiven sisään, mutta epäyhtenäiset huokoset eivät ole kappaleen ulkopuolelta tavoitettavissa.

Huokoisuus on huokostilan suhde kappaleen kokoniastilavuuteen. Huokoisuuteen vaikuttavat kivilaji, huokosten jakautuminen, mineraalien sidostuminen, diageneesi ja koostumus. Huokoisuus ei riipu raekoosta, sillä rakeiden välisen huokostilan koko riippuu vain tavasta, jolla rakeet ovat pakkautuneet kiveksi.

Yleensä kiven korkea ikä ja hautautuminen syvyyksiin vähentävät kiven huokoisuutta. Tertiäärikautiset Meksikonlahden hiekkakivet ovat yleisesti ottaen huokoisempia kuin kambrikautiset hiekkakivet. Tähän sääntöön on poikkeuksia, jotka yleensä johtuvat hautautumissyvyydestä ja kiven lämpötilahistoriasta.

Lähteet

• Horgan, Graham W. A review of soil pore models (pdf (Arkistoitu – Internet Archive)) (englanniksi)