Visualisierung von Versagen und dem damit verbundenen mechanischen Verhalten von granularen Böden unter Scherung mit Synchrotron-Röntgen-Mikrotomographie

Dieses Protokoll ermöglicht es, Partikelmaßstabsdaten von körnigen Böden mittels Röntgenmikrotomographie zu erfassen und ein Verständnis der Mikroskalenprozesse und -mechanismen zu entwickeln, die dem mikroskopischen Verhalten von körnigen Materialien zugrunde liegen. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie einen vollständigen Zugriff auf die Partikelskalainformationen von körnigen Böden bietet, einschließlich Partikelmorphologie, Mikrostruktur, Bruch, Verschiebung und Rotation innerhalb der Verformung von körnigen Materialien. Dieses Verfahren kann auch bei der Untersuchung anderer Arten von natürlichen oder synthetischen Steinmaterialien wie Gestein, Bodengesteinsgemisch, Beton, Keramik, Asphalt und sogar Polymerverbundwerkstoffen angewendet werden.

Beginnen Sie mit dem Entwurf des Experiments, wie im Textprotokoll beschrieben. Bestimmen Sie das Testmaterial, die Partikelgröße, die Probengröße und die anfängliche Porosität der Probe. Um eine Bodenprobe auf der Platte vorzubereiten, fügen Sie zunächst eine kleine Menge Silikonfett um die seitliche Oberfläche des oberen Endes der Grundplatte hinzu.

Dann legen Sie einen porösen Stein auf seine obere Oberfläche. Legen Sie eine Membran um die seitliche Oberfläche des oberen Endes. Fügen Sie eine kleine Menge Silikonfett auf die Kontaktflächen zwischen den beiden Teilen des Probenherstellers hinzu und legen Sie den Probenmacher auf die Grundplatte, damit die Membran durch die Membran hindurchgeht.

Sperren Sie den Beispiel-Maker. Erzeugen Sie die Saugkraft im Inneren des Probenherstellers durch seine Düse mit einer Vakuumpumpe. Befestigen Sie die Membran an der seitlichen Oberfläche ihres oberen Endes.

Stellen Sie sicher, dass die Membran an der Innenfläche des Probenherstellers befestigt ist. Lassen Sie das körnige Testmaterial aus einer bestimmten Höhe mit einem Trichter in den Probenhersteller, bis es vollständig gefüllt ist. Die obere Oberfläche der Bodenprobe sollte die gleiche Ebene wie die obere Kante des Probenherstellers haben.

Legen Sie einen weiteren porösen Stein auf die Bodenprobe. Tragen Sie etwas Silikonfett um die Seitenoberfläche einer Edelstahl-Kissenplatte auf und legen Sie es auf den porösen Stein. Entfernen Sie die Oberseite der Membran vom Probenhersteller und fixieren Sie sie an der Kissenplatte.

Entfernen Sie die Absaugung innerhalb der Probenmacherdüse und erzeugen Sie eine Absaugung innerhalb des Ventils auf der Grundplatte. Entfernen Sie schließlich den Probenhersteller. Es wird eine Miniatur-Trockenprobe hergestellt.

Fixieren Sie nun die Einbauzelle auf der Grundplatte und fixieren Sie die Kammerplatte auf der Oberseite der Beauffestzelle. Befestigen Sie den Rest des Ladegeräts auf der Kammerplatte. Fügen Sie der Probe einen konstanten Eindringdruck von 25 Kilopascal hinzu und entfernen Sie die Absaugung innerhalb der Probe.

Erhöhen Sie den Konfinzierungsdruck mit dem Konfinzierungsdruck-Angebotsgerät schrittweise auf einen vorgegebenen Wert. Um einen Abschnitt des Beispiels zu scannen, legen Sie die Computertomographie oder den CT-Scanner auf den Bildaufnahmemodus fest. Starten Sie dann die Rotationsstufe, um das gesamte Gerät mit einer vorgegebenen konstanten Rotationsrate über 180 Grad zu drehen, um CT-Projektionen der Probe in verschiedenen Winkeln zu erfassen.

Bei einem CT-Scanner mit hoher räumlicher Auflösung erfordert ein vollständiger Scan der Probe in der Regel, dass die Probe in mehreren verschiedenen Höhen gescannt wird. Tragen Sie eine axiale Belastung auf die Probe mit einer konstanten Beladungsrate auf. Hier wird eine Laderate von 0,2 Prozent pro Minute verwendet.

Benutzer können je nach Versuchsanforderung eine andere Laderate festlegen. Anhalten Sie die axiale Belastung bei einer vorgegebenen axialen Dehnung. Warten Sie, bis die gemessene Axialkraft einen stetigen Wert erreicht, und führen Sie den nächsten Scan durch.

Wiederholen Sie diese Schritte bis zum Ende des Ladevorgangs. Wir konstruieren CT-Slices der Probe auf Basis der CT-Projektionen nach dem Phasenabruf mit der PITRE-Software. Laden Sie die Projektionen aus dem Menüladebild in PITRE.

Klicken Sie auf das Symbolprojektionssinogramm. Geben Sie relevante Parameter in das angezeigte Fenster ein, und klicken Sie auf Single, um ein CT-Slice zu rekonstruieren. Implementieren Sie die Bildfilterung für die CT-Slices.

Ein anisotroper Diffusionsfilter wird verwendet, um Bildfilterung durchzuführen. Führen Sie nun die Bildbinarisierung für die gefilterten CT-Slices durch. Implementieren Sie dazu die Bildbinarisierung, indem Sie einen Intensitätswertschwellenwert auf die CT-Slices anwenden.

Dieser Wert wird anhand des Intensitätshistogramms der CT-Slices nach der Otsu-Methode bestimmt. Trennen Sie einzelne Partikel von den binarisierten CT-Slices mit einem markerbasierten Wassereinzugsgebietsalgorithmus und speichern Sie die Ergebnisse in einem 3D-beschrifteten Bild. Überprüfen Sie die Ergebnisse, indem Sie die berechnete Partikelgrößenverteilung aus dem CT-Bild mit denen eines mechanischen Siebtests vergleichen.

Ein Matlab-Skript wird verwendet, um Partikeleigenschaften zu extrahieren, einschließlich Partikelvolumen, Partikeloberfläche, Partikelausrichtung und Partikelzentroidkoordinaten. Intrinsische Matlabfunktionen werden verwendet, um diese Eigenschaften für jedes Partikel zu erfassen. Extrahieren Sie Kontaktfuchslöcher aus den binarisierten CT-Slices durch Implementierung einer logischen und Operation zwischen dem binären Bild der CT-Slices und dem binären Bild von Wasserscheidenlinien, die aus der Implementierung des markerbasierten Wasserscheidealgorithmus gewonnen wurden.

Um das Dehnungsfeld der Probe zu quantifizieren, verwenden Sie eine gitterbasierte Methode, um das Dehnungsfeld bei zwei aufeinanderfolgenden Scans basierend auf der Partikelübersetzung und partikelrotation zu berechnen. Analysieren Sie die Entwicklung des Kontakts zwischen Partikeln der Probe. Basierend auf den extrahierten Kontaktfuchslöchern, den beschrifteten Partikelbildern und den Partikelverfolgungsergebnissen analysieren Sie die Verzweigungsvektorausrichtung der verlorenen Kontakte und die gewonnenen Kontakte innerhalb der Probe während jedes Share-Schritts.

Die Spannungs-Dehnungskurve und eine 2D-Scheibe einer Leighton Buzzard Sandprobe unter triaxialer Kompression werden gezeigt. Hier werden Partikelkinematik-Ergebnisse an der 2D-Scheibe während des Tests angezeigt. Die meisten Teilchen werden erfolgreich nachverfolgt und ihre Übersetzungen und Rotationen quantifiziert.

Sowohl in der Partikelverschiebungskarte als auch in der Partikelrotationskarte wird am Ende des Tests ein lokalisiertes Band entwickelt. Hier ist die normalisierte Orientierungshäufigkeit von Verzweigungsvektoren gewonnener Kontakte und verlorener Kontakte in der Probe während des Tests zu sehen. Die verlorenen Kontakte weisen während des Tests eine klare Richtungspräferenz gegenüber der nebenbei verlaufenden Hauptspannungsrichtung auf.

Die Kalibrierung der Rotationsachse, wie im Textprotokoll beschrieben, ist wichtig, da die erfolgreiche Rekonstruktion des CT-Slices nicht nur auf der entsprechenden Positionierung der Rotationsstufe beruht. Um ionisierte Strahlung auf menschliche Körper aus der Röntgenquelle zu vermeiden, muss man sicherstellen, dass alle Türen und Fenster des Scanraums vor jedem Scan ordnungsgemäß geschlossen sind. Nach einem ähnlichen Verfahren können Institutstests mit Röntgenbeugung oder Streuung durchgeführt werden.

Dies bietet ein Werkzeug zur Messung der Interteilchen-Kontaktkräfte und deren Ausbreitung innerhalb der bildenden körnigen Materialien. Die erworbenen experimentellen Daten können für die Entwicklung fortschrittlicher konstitutiver Sandmodelle unter Berücksichtigung ihrer mechanischen Verhaltensweisen im Kornmaßstab und für die numerische Modellierung von Sanden unter Belastung verwendet werden.