Visualización del fracaso y el comportamiento mecánico a escala de grano asociado de suelos granulares bajo cizallamiento mediante microtomografía de rayos X de sincrotrón

Este protocolo permite adquirir datos de escala de partículas de suelos granulares utilizando microtomografía de rayos X y desarrollar una comprensión de los procesos y mecanismos a microescala subyacentes al comportamiento microscópico de materiales granulares. La principal ventaja de esta técnica es que proporciona un acceso completo a la información de escala de partículas de suelos granulares, incluyendo morfología de partículas, microestructura, rotura, desplazamiento y rotación dentro de la deformación de materiales granulares. Este método también se puede aplicar a la investigación de otros tipos de materiales naturales o sintéticos a base de piedra, como rocas, mezcla suelo-roca, hormigón, cerámica, asfalto e incluso compuestos poliméricos.

Comience con el diseño del experimento con mucha antelación como se describe en el protocolo de texto. Determine el material de prueba, el tamaño de partícula, el tamaño de la muestra y la porosidad inicial de la muestra. Para preparar una muestra de suelo en la placa, primero agregue una pequeña cantidad de grasa de silicona alrededor de la superficie lateral del extremo superior de la placa base.

A continuación, coloque una piedra porosa en su superficie superior. Coloque una membrana alrededor de la superficie lateral del extremo superior. Agregue una pequeña cantidad de grasa de silicona en las superficies de contacto entre las dos partes del fabricante de muestras y coloque el fabricante de muestras en la placa base para permitir que la membrana pase a través de ella.

Bloquee el fabricante de muestras. Cree succión dentro de la toma de muestras a través de su boquilla utilizando una bomba de vacío. Fije la membrana a la superficie lateral de su extremo superior.

Asegúrese de que la membrana esté unida a la superficie interior del fabricante de muestras. Suelte el material granular de prueba de una cierta altura en el sample maker utilizando un embudo hasta que esté completamente lleno. La superficie superior de la muestra de suelo debe ser del mismo nivel que el borde superior del fabricante de muestras.

Coloque otra piedra porosa en la parte superior de la muestra de suelo. Aplique un poco de grasa de silicona alrededor de la superficie lateral de una placa de cojín de acero inoxidable y colóquela encima de la piedra porosa. Retire el lado superior de la membrana del fabricante de muestras y fíjelo a la placa de cojín.

Retire la succión dentro de la boquilla del fabricante de muestras y cree succión dentro de la válvula en la placa base. Por último, retire el fabricante de muestras. Se produce una muestra en miniatura en seco.

Ahora, fije la celda de confinamiento en la placa base y fije la placa superior de la cámara en la parte superior de la celda de confinamiento. Fije el resto del aparato de carga en la placa superior de la cámara. Añadir una presión de confinamiento constante de 25 kilopascales a la muestra y eliminar la succión dentro de la muestra.

Aumente gradualmente la presión de confinamiento a un valor predeterminado utilizando el dispositivo de oferta de presión de confinamiento. Para escanear una sección de la muestra, establezca la tomografía computarizada o el escáner de TC en modo de captura de imágenes. A continuación, inicie la etapa de rotación para girar todo el aparato a lo largo de 180 grados a una velocidad de rotación constante predeterminada para capturar las proyecciones de TC de la muestra en diferentes ángulos.

Para un escáner de TC de alta resolución espacial, un escaneo completo de la muestra generalmente requiere que la muestra sea escaneada a varias alturas diferentes. Aplique una carga axial en la muestra con una velocidad de carga constante. Aquí, se utiliza una tasa de carga de 0.2 por ciento por minuto.

Los usuarios pueden establecer una velocidad de carga diferente según el requisito del experimento. Detenga la carga axial a una deformación axial predeterminada. Espere hasta que la fuerza axial medida alcance un valor constante y realice el siguiente escaneo.

Repita estos pasos hasta el final de la carga. Construimos rebanadas de TC de la muestra basadas en las proyecciones de TC después de la recuperación de fase utilizando el software PITRE. Cargue las proyecciones en PITRE desde la imagen de carga del menú.

Haga clic en el sinograma de proyección de iconos. Introduzca los parámetros relevantes en la ventana que aparece y haga clic en single para reconstruir un sector CT. Implemente el filtrado de imágenes en los sectores de TC.

Se utiliza un filtro de difusión anisotrópico para realizar el filtrado de imágenes. Ahora, realice la binarización de imágenes en los sectores CT filtrados. Para ello, implemente la binarización de la imagen aplicando un umbral de valor de intensidad a los sectores de TC.

Este valor se determina de acuerdo con el histograma de intensidad de las rebanadas CT utilizando el método de Otsu. Separe las partículas individuales de las rebanadas de TC binarizadas utilizando un algoritmo de cuenca hidrográfica basada en marcadores y almacene los resultados en una imagen etiquetada en 3D. Valide los resultados comparando la distribución del tamaño de partícula calculado de la imagen CT con las de una prueba de tamizado mecánico.

Un script matlab se utiliza para extraer propiedades de partículas, incluido el volumen de partículas, el área de superficie de partícula, la orientación de partículas y las coordenadas centroide de partículas. Las funciones de matlab intrínsecas se utilizan para adquirir estas propiedades para cada partícula. Extraiga las trincheras de contacto de los sectores de TC binarizados mediante la implementación de una operación lógica y de operación entre la imagen binaria de los sectores de TC y la imagen binaria de las líneas de cuenca hidrográficas adquiridas de la implementación del algoritmo de cuenca hidrográfica basada en marcadores.

Para cuantificar el campo de deformación unitaria de la muestra, utilice un método basado en cuadrícula para calcular el campo de deformación unitaria durante dos escaneos consecutivos, en función de la traslación de partículas y la rotación de partículas. Analizar la evolución del contacto entre partículas de la muestra. Basándose en las trincheras de contacto extraídas, las imágenes etiquetadas de partículas y los resultados de seguimiento de partículas, analizan la orientación vectorial de la rama de los contactos perdidos y los contactos ganados dentro de la muestra durante cada incremento de recurso compartido.

Se muestran la curva de tensión-deformación unitaria y una rodaja 2D de una muestra de arena Leighton Buzzard bajo compresión triaxial. Aquí se muestran los resultados de la cinemática de partículas en la rebanada 2D durante la prueba. La mayoría de las partículas se rastrean con éxito y sus traducciones y rotaciones se cuantifican.

Una banda localizada se desarrolla tanto en el mapa de desplazamiento de partículas como en el mapa de rotación de partículas al final de la prueba. Aquí se muestra la frecuencia de orientación normalizada de los vectores de bifurcación de contactos ganados y contactos perdidos en la muestra durante la prueba. Los contactos perdidos muestran una clara preferencia direccional hacia la dirección de tensión del principio menor durante la prueba.

La calibración del eje de rotación como se detalla en el protocolo de texto es importante porque la reconstrucción exitosa de la rebanada de TC no sólo se basa en el posicionamiento adecuado de la etapa de rotación. Para evitar cualquier radiación ionizada a los cuerpos humanos desde la fuente de rayos X, es necesario asegurarse de que todas las puertas y ventanas de la sala de exploración estén correctamente cerradas antes de cada escaneo. Después de un procedimiento similar, se pueden realizar pruebas de instituto con difracción o dispersión de rayos X.

Esto proporciona una herramienta para la medición de las fuerzas de contacto entre partículas y su propagación dentro de los materiales granulares de formación. Los datos experimentales adquiridos se pueden utilizar para el desarrollo de modelos constitutivos avanzados de arena, teniendo en cuenta sus comportamientos mecánicos a escala de grano, y para el modelado numérico de arenas bajo carga.