Visualizzazione del fallimento e del comportamento meccanico associato della scala del grano dei suoli granulari sotto Shear utilizzando la microtografia a raggi X del synchrotron

Questo protocollo consente di acquisire dati su scala particellare di suoli granulari utilizzando la microtomografia a raggi X e sviluppare una comprensione dei processi e dei meccanismi su micro-scala alla base del comportamento microscopico dei materiali granulari. Il vantaggio principale di questa tecnica è che fornisce un pieno accesso alle informazioni sulla scala delle particelle dei suoli granulari tra cui morfologia delle particelle, microstruttura, rottura, spostamento e rotazione all'interno della deformazione dei materiali granulari. Questo metodo può anche essere applicato allo studio di altri tipi di materiali naturali o sintetici a base di pietra come rocce, miscela suolo-roccia, calcestruzzo, ceramica, asfalto e persino compositi polimerici.

Inizia con la progettazione dell'esperimento con largo anticipo come descritto nel protocollo di testo. Determinare il materiale di prova, la dimensione delle particelle, la dimensione del campione e la porosità iniziale del campione. Per preparare un campione di terreno sulla scheda, aggiungere prima una piccola quantità di grasso siliconico intorno alla superficie laterale dell'estremità superiore della piastra di base.

Quindi posizionare una pietra porosa sulla sua superficie superiore. Mettere una membrana intorno alla superficie laterale dell'estremità superiore. Aggiungere una piccola quantità di grasso siliconico sulle superfici di contatto tra le due parti del produttore del campione e posizionare il produttore del campione sulla piastra di base per consentire alla membrana di attraversarlo.

Bloccare il creatore di campioni. Creare l'aspirazione all'interno del produttore del campione attraverso il suo ugello utilizzando una pompa per vuoto. Fissare la membrana alla superficie laterale dell'estremità superiore.

Assicurarsi che la membrana sia attaccata alla superficie interna del produttore del campione. Far cadere il materiale granulare di prova da una certa altezza nel produttore del campione utilizzando un imbuto fino a quando non viene completamente riempito. La superficie superiore del campione di terreno deve essere dello stesso livello del bordo superiore del produttore del campione.

Posizionare un'altra pietra porosa sopra il campione di terreno. Applicare del grasso di silicone intorno alla superficie laterale di una piastra cuscino in acciaio inossidabile e posizionarlo sopra la pietra porosa. Rimuovere il lato superiore della membrana dal produttore del campione e fissarlo alla piastra del cuscino.

Rimuovere l'aspirazione all'interno dell'ugello del produttore del campione e creare aspirazione all'interno della valvola sulla piastra di base. Infine, rimuovere il creatore di campioni. Viene prodotto un campione secco in miniatura.

Ora, fissare la cella confinante sulla piastra di base e fissare la piastra superiore della camera sulla parte superiore della cella confinante. Apporre il resto dell'apparecchio di carico sulla piastra superiore della camera. Aggiungere una pressione di confinamento costante di 25 kilopascals al campione e rimuovere l'aspirazione all'interno del campione.

Aumentare gradualmente la pressione di confinamento a un valore predeterminato utilizzando il dispositivo di offerta di pressione confinante. Per analizzare una sezione dell'esempio, impostare la tomografia computerizzata o lo scanner CT sulla modalità di acquisizione delle immagini. Quindi, inizia lo stadio di rotazione per ruotare l'intero apparato di 180 gradi a una velocità di rotazione costante predeterminata per catturare proiezioni CT del campione a diverse angolazioni.

Per uno scanner CT ad alta risoluzione spaziale, una scansione completa del campione di solito richiede che il campione venga scansionato a diverse altezze. Applicare un carico assiale sul campione con una velocità di caricamento costante. Qui viene utilizzata una velocità di caricamento dello 0,2% al minuto.

Gli utenti possono impostare una velocità di caricamento diversa in base al requisito dell'esperimento. Sospendere il carico assiale a una deformazione assiale predetermina. Attendere che la forza assiale misurata raggiunga un valore costante ed eseguire la scansione successiva.

Ripetere questi passaggi fino alla fine del caricamento. Costruiamo sezioni CT del campione in base alle proiezioni CT dopo il recupero di fase utilizzando il software PITRE. Caricare le proiezioni in PITRE dall'immagine di caricamento del menu.

Fare clic sul sinogramma di proiezione dell'icona. Immettere i parametri rilevanti nella finestra visualizzata e fare clic su singolo per ricostruire una fetta CT. Implementare il filtro immagini sulle sezioni CT.

Un filtro di diffusione anisotropico viene utilizzato per eseguire il filtraggio delle immagini. A questo ora, eseguire la binarizzazione delle immagini sulle sezioni CT filtrate. A tale fine, implementare la binarizzazione dell'immagine applicando una soglia di valore di intensità alle sezioni CT.

Questo valore è determinato in base all'istogramma di intensità delle fette CT usando il metodo di Otsu. Separare le singole particelle dalle sezioni CT binarizzate utilizzando un algoritmo spartiacque basato su marcatori e memorizzare i risultati in un'immagine etichettata 3D. Convalidare i risultati confrontando la distribuzione delle dimensioni delle particelle calcolata dall'immagine CT con quelle di un test di setacciatura meccanica.

Uno script matlab viene utilizzato per estrarre le proprietà delle particelle, tra cui il volume delle particelle, l'area della superficie delle particelle, l'orientamento delle particelle e le coordinate del centroide delle particelle. Le funzioni intrinseche matlab vengono utilizzate per acquisire queste proprietà per ogni particella. Estrarre le buche di contatto dalle sezioni CT binarizzate implementazione di un'immagine logica e operativa tra l'immagine binaria delle sezioni CT e l'immagine binaria delle linee spartiacque acquisite dall'implementazione dell'algoritmo spartiacque basato su marcatori.

Per quantificare il campo di deformazione del campione, utilizzare un metodo basato sulla griglia per calcolare il campo di deformazione durante due scansioni consecutive, in base alla traslazione delle particelle e alla rotazione delle particelle. Analizzare l'evoluzione del contatto tra particelle del campione. In base ai fori di foxhole di contatto estratti, alle immagini etichettate delle particelle e ai risultati del tracciamento delle particelle, analizzare l'orientamento del vettore di diramazione dei contatti persi e i contatti guadagnati all'interno del campione durante ogni incremento di condivisione.

Vengono mostrate la curva sollecitazione-deformazione e una fetta 2D di un campione di sabbia Leighton Buzzard sotto compressione triassiale. Qui sono visualizzati i risultati della cinematica delle particelle alla fetta 2D durante il test. La maggior parte delle particelle viene tracciata con successo e le loro traduzioni e rotazioni sono quantificate.

Una banda localizzata viene sviluppata sia nella mappa di spostamento delle particelle che nella mappa di rotazione delle particelle alla fine del test. Qui è mostrata la frequenza di orientamento normalizzata dei vettori di ramo dei contatti guadagnati e dei contatti persi nel campione durante il test. I contatti persi mostrano una chiara preferenza direzionale verso la direzione di sollecitazione principale minore durante la prova.

La calibrazione dell'asse di rotazione come descritto nel protocollo di testo è importante perché la ricostruzione riuscita della fetta CT non si basa solo sul posizionamento appropriato della fase di rotazione. Per evitare qualsiasi radiazione ionizzata ai corpi umani dalla sorgente di raggi X, è necessario assicurarsi che tutte le porte e le finestre della stanza di scansione siano correttamente chiuse prima di ogni scansione. Seguendo una procedura simile, è possibile eseguire test dell'istituto con diffrazione o dispersione a raggi X.

Ciò fornisce uno strumento per la misurazione delle forze di contatto tra particelle e della loro propagazione all'interno dei materiali granulari di formatura. I dati sperimentali acquisiti possono essere utilizzati per lo sviluppo di modelli costitutivi avanzati di sabbia, considerando i loro comportamenti meccanici su scala granulosa, e per la modellazione numerica di sabbie sotto carico.