Name: シンクロトロンX線マイクロ断層撮影によるせん断下の粒状土壌の故障の可視化と関連する粒状土壌の機械的挙動 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-09-29T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min
Description: 学ぶシンクロトロンX線マイクロ断層撮影による粒状土壌の微視的挙動解析法。三軸圧縮下の粒子スケール情報取得と画像処理技術を用いて、変形メカニズムの理解を深めます。

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この研究は、一般研究基金第1号によって支援されました。香港特別行政区研究助成評議会のCityU 11213517、中国国家科学財団の研究助成第51779213号、上海シンクロトロン放射線施設(SSRF)のBL13Wビームライン。

著者は何も開示していない。

高空間分解能X線マイクロCTと高度な画像処理・解析技術により、多スケールレベルでのせん断下の粒状土壌の機械的挙動の実験的調査を可能にしました(すなわち、マクロスケール、メソスケールおよび粒度レベル)。しかし、CT画像ベースのメソおよび穀物スケールの調査では、積載時に土壌サンプルの高空間分解能CT画像を取得する必要があります。このプロセスの最も挑戦的な側面は、おそらくX線マイクロCT装置と共に使用することができる小型三軸負荷装置の製造である。空間分解能、スキャン領域、回転ステージの負荷容量などのX線マイクロCTデバイスの制限に加えて、必要なサンプルサイズ、負荷応力、速度を総合的に考慮する必要があります。
最適なX線エネルギーと露光時間の決定は時間がかかりますが、高品質のCT画像の取得には非常に重要です。ユーザーは、最初のスキャン中に異なるエネルギーと露出時間を試してみて、再構築されたスライスの品質に応じて適切なエネルギーと露出時間を決定することをお勧めします。また、異なる初期気孔を持つサンプルは、異なる高さからサンプル金型に砂粒子を落とすことによって、サンプル調製中に生成することがで...

硬さ、せん断強度、透過性などの粒状土壌のマクロスケールの機械的特性は、基礎、斜面、岩盤埋立ダムなど、多くの地質構造にとって極めて重要であると広く認識されています。長年にわたり、オンサイトテストと従来の実験室試験(例えば、1次元圧縮試験、三軸圧縮試験、透過性試験)は、異なる土壌でこれらの特性を評価するために使用されてきました。土壌の機械的特性をテストするためのコードと規格も、エンジニアリング目的で開発されています。これらのマクロスケールの機械的特性は集中的に研究されてきたが、これらの特性を支配する粒規模の機械的挙動(例えば、粒子運動学、接触相互作用および歪み局在化)は、より少ない注目を集めている。エンジニアや研究者。その理由の一つは、土壌の穀物スケールの機械的挙動を調べるために利用できる効果的な実験方法の欠如である。
これまで、粒状土壌の粒状機械的挙動の理解のほとんどは、粒子スケール情報(例えば、粒子運動学および粒子接触)を抽出する能力のために、離散要素モデリング1(DEM)から来ている。フォース)。DEM技術を使用して粒状の土壌機械的挙動をモデル化する以前の研究では、個々の粒子は単にモデル内の単一の円または球で表されていました。このような過度に単純化された粒子形状の使用は、粒子の過剰回転につながり、それによって低いピーク強度の挙動2.より良いモデリング性能を達成するために、多くの研究者は転がり抵抗モデル3、4、5、6または不規則な粒子形状7、8を使用しているDEMシミュレーションでは9、10、11、12。その結果、粒子運動行動のより現実的な理解が得られた。粒子運動学とは別に、DEMは穀物接触相互作用を調査し、理論モデルを開発するためにますます使用されています。しかし、実際の粒子形状を再現する必要があり、高度な接触モデルを使用するため、DEMは不規則な形状を持つ粒状土壌のモデリングにおいて非常に高い計算能力を必要とします。
近年、光学機器や画像技術(顕微鏡、レーザー支援断層撮影、X線コンピュータ断層撮影(CT)及びX線マイクロ断層撮影(μCT)など)の開発により、粒状土壌の粒状の機械的挙動。三軸試験前後の土壌サンプル画像の取得・分析を通じて、土壌微細構造物13、14、15、16の調査に利用されている装置や技術 ,17,18,19.最近では、X線CTまたはμCTを用いての現場試験では、空隙比20、歪み分布21、22、23、24の進化を調べるためにますます使用されている。粒子運動25,26,27,28, 粒子間接触29,30,31および粒子破砕32粒状の土壌。ここで、「ininu」とは、積載と同時に行われるX線スキャンを意味する。一般的なX線スキャンとは対照的に、現場でX線スキャン試験では、土壌サンプルに応力を提供するために特別に製造されたローディング装置が必要です。ローディング装置とX線CTまたはμCT装置を組み合わせることで、試験の異なるローディング段階でのサンプルのCT画像を非破壊的に取得することができます。これらのCT画像に基づいて、粒状土壌挙動の粒子スケール観測を得ることができる。これらのCT画像ベースの粒子レベル観測は、数値所見を検証し、粒状土壌の粒状の機械的挙動に関する新しい洞察を得るのに非常に役立ちます。
この記事では、土壌サンプルのその場でのX線検査を行う方法の詳細を共有することを目的としており、土壌サンプル内の粒子運動学、歪み局在化、粒子間接触進化を観察する例示的な実験を用いて行う。その結果、現場スキャン検査におけるX線は、粒状土壌の粒状の挙動を探索する大きな可能性を秘めていることが示された。このプロトコルは、X線μCT装置の選択と小型三軸荷重装置の調製をカバーし、試験を実施するための詳細な手順が提供されます。さらに、画像処理と解析を使用して粒子キネマティクス(粒子移動および粒子回転)を定量化するための技術的なステップ、歪みの局在化、および粒子間接触進化(すなわち、接触ゲイン、接触損失および土壌の接触運動)が記載されている。

<table><tbody><tr><td>閉じ込め圧力提供装置</td><td>GDS</td><td>STDDPC</td><td></td></tr><tr><td>空気を抜いた水</td><td>N/A</td><td>N/</td><td>A 実験室で空気を抜いた水</td></tr><tr><td>レイトン バザード砂</td><td>人工芝 ケンブリッジ</td><td>排水 工業用砂 25 kg</td><td>異なる土壌と交換可能</td></tr><tr><td>ミニチュア三軸ローディング装置</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>ミニチュアローディング装置は、著者</td></tr><tr><td>シリコングリース</td><td>RS 会社</td><td>RS 494-124</td><td></td></tr><tr><td>放射光X線マイクロCTセットアップ</td><td>上海シンクロトロン放射線施設センター(SSRF)</td><td>13W1</td><td>三軸試験は、SSRF真空ポンプ香港ラボウェア株式会社のBL13Wビームラインで実施されます</td></tr><tr><td></td><td>。</td><td>ロッカー300</td><td></td></tr></tbody></table>

シンクロトロンx線マイクロ断層撮影によるせん断下の粒状土壌の故障の可視化と関連する粒状土壌の機械的挙動

Visualization of Failure and the Associated Grain-Scale Mechanical Behavior of Granular Soils under Shear using Synchrotron X-Ray Micro-Tomography

画像処理と解析技術を用いてX線画像技術を急速に発達させ、空間分解能の高い粒状土壌のCT画像の取得を可能にしました。このようなCT画像に基づいて、粒子運動学などの粒状の機械的挙動(すなわち、粒子の移動および粒子の回転)、粒状土壌の歪み局在化および粒子間接触進化を定量的に調べることができる。しかし、これは従来の実験方法ではアクセスできません。本研究では、シンクロトロンX線マイクロ断層撮影(μCT)を用いた三軸圧縮下での粒状土壌試料の粒状機械的挙動の探索を示す。この方法では、特別に製造されたミニチュアローディング装置を使用して、三軸試験中に試料に閉じ込めと軸応力を適用します。装置はサンプルの高空間分解能CTイメージがサンプルに妨害されることなくテストの異なったローディング段階で集めることができるようにシンクロトロンX線断層撮影のセットアップに合う。マクロスケールで情報を抽出する機能(例えば、三軸装置のセットアップからサンプル境界応力と歪み)と粒度スケール(例えば、CT画像からの穀物の動きおよび接触相互作用)を提供する。粒状土壌の多スケール力学を調査するための効果的な方法論。

図5は、レイトン・バザード・サンド(LBS)サンプルの粒子運動学の結果を、2つの典型的なせん断増分(IおよびII)の間に2Dスライスで示した。パーティクルのほとんどは正常に追跡され、その移動と回転は上記のプロトコルに従って定量化されます。最初のせん断増分では、パーティクルの変位もパーティクルの回転も明確な局在化を示しません。ただし、ローカライズされたバンドは、2 番目のせん断増分の間にパーティクルディスプレイスメント マップとパーティクル回転マップの両方で開発されます。図6は、2つのせん断増分におけるサンプルの八点平および体積ひずみマップを示す。2番目のせん断増分のひずみマップで明確な局在ゾーンが観察され、三軸せん断下での砂の故障を可視化する方法の能力を実証します。図 7は、2 つのせん断増分の間にサンプル内で得られた接触と失われた接触の分岐ベクトルの正規化された方向周波数を示しています。失われた接触は、両方のせん断増分の間にマイナーな主応力方向(すなわち、水...

このプロトコルは、三軸圧縮時に粒状土壌の高空間分解能コンピュータ断層撮影(CT)画像を取得し、これらのCT画像に画像処理技術を適用して、粒状の機械的挙動を探索する手順を説明する。積み込み中の土壌。

シンクロトロンX線マイクロ断層撮影によるせん断下の粒状土壌の故障の可視化と関連する粒状土壌の機械的挙動

The rapid development of X-ray imaging techniques with image processing and analysis skills has enabled the acquisition of CT images of granular soils ...

このプロトコルは、X線マイクロ断層撮影を用いて粒状土の粒状スケールデータを取得し、粒状物質の微視的挙動の基礎となる微小なプロセスとメカニズムの理解を深めることができる。この技術の主な利点は、粒状材料の変形内の粒子形態、微細構造、破損、変位、および回転を含む粒状土壌の粒子スケール情報への完全なアクセスを提供することです。この方法は、岩石、土壌岩混合物、コンクリート、セラミックス、アスファルト、さらにはポリマー複合材料などの他のタイプの石ベースの天然または合成材料の調査にも適用できます。テキストプロトコルに記載されているように、実験の設計を事前に十分に開始します。試験材料、粒子径、サンプルサイズ、サンプル初期空隙率を決定します。基板上に土壌サンプルを調製するには、まずベースプレートの上端の側面の周りに少量のシリコーングリースを追加します。その上面に多孔質石を置きます。上端の側面の周りに膜を置きます。サンプルメーカーの2つの部分の間の接触面に少量のシリコーングリースを加え、サンプルメーカーをベースプレートに置き、膜がそれを通過できるようにします。サンプルメーカーをロックします。真空ポンプを使用してノズルを通してサンプルメーカー内の吸引を作成します。膜を上端の側面に固定します。膜がサンプルメーカーの内面に取り付けられていることを確認します。テストの粒材を一定の高さからサンプルメーカーにドロップし、漏斗を完全に充填するまで落とします。土壌サンプルの上面は、サンプルメーカーの上端と同じレベルにする必要があります。土壌サンプルの上に別の多孔質石を置きます。ステンレス鋼のクッションプレートの側面の周りにいくつかのシリコーングリースを適用し、多孔質石の上に置きます。サンプルメーカーから膜の上面を取り外し、クッションプレートに固定します。サンプルメーカーのノズル内の吸引を取り外し、ベースプレートのバルブ内部に吸引を作成します。最後に、サンプルメーカーを取り外します。ミニチュアドライサンプルが製造されます。次に、ベースプレートの閉じ込めセルを固定し、コンフィンドセルの上部にチャンバートッププレートを固定します。残りの積載装置をチャンバーの上部プレートに貼り付けます。サンプルに25キロパスカルの一定の閉じ圧力を加え、サンプル内部の吸引を取り除きます。コンフィンス圧力提供装置を用いて、徐々に限定された値まで閉圧を高める。サンプルのセクションをスキャンするには、コンピュータ断層撮影または CT スキャナーをイメージ キャプチャ モードに設定します。次に、回転ステージを開始し、所定の一定回転速度で装置全体を180度回転させ、異なる角度でサンプルのCT投影を捕捉する。高空間分解能CTスキャナの場合、サンプルを完全にスキャンするには、通常、サンプルを複数の高さでスキャンする必要があります。一定の荷重率でサンプルに軸荷重を適用します。ここでは、1 分あたり 0.2 パーセントの読み込み速度を使用します。ユーザーは、実験要件に応じて異なる読み込み速度を設定できます。事前に決定された軸ひずみで軸荷重を一時停止します。測定された軸力が安定した値になるまで待ち、次のスキャンを実行します。ロードが終了するまで、これらの手順を繰り返します。PITREソフトウェアを用いて、位相検索後のCT投影に基づいてサンプルのCTスライスを構築します。メニューのロードイメージからPITREにプロジェクションをロードします。アイコン投影の sinogram をクリックします。表示されたウィンドウに関連するパラメータを入力し、単一クリックしてCTスライスを再構築します。CT スライスにイメージ フィルタリングを実装します。異方性拡散フィルターは、画像フィルタリングを実行するために使用されます。次に、フィルタ処理された CT スライスに対してイメージのバイナリ化を実行します。そのためには、CT スライスに強度値のしきい値を適用して、イメージの二値化を実装します。この値は、大津の手法を用いたCTスライスの強度ヒストグラムに従って決定されます。マーカーベースの集水域アルゴリズムを使用して、2-aarized CT スライスから個々のパーティクルを分離し、その結果を 3-D ラベル付きイメージに保存します。CT画像から計算された粒子サイズ分布を機械的ふるい試験から得られたものと比較して、結果を検証します。matlab スクリプトは、パーティクルのボリューム、パーティクルの表面積、パーティクルの向き、粒子の中心座標などのパーティクルプロパティを抽出するために使用されます。組み込み matlab 関数は、各パーティクルのこれらのプロパティを取得するために使用されます。CTスライスのバイナリ画像とマーカーベースの流域アルゴリズムの実装から取得した流域線のバイナリ画像との間の論理と操作の実装によって、二項化されたCTスライスから接触フォックスホールを抽出する。サンプルのひずみフィールドを定量化するには、粒子の移動とパーティクルの回転に基づいて、2 回連続したスキャンでひずみフィールドを計算するグリッドベースの方法を使用します。サンプルの粒子間接触の進化を分析します。抽出された接触フォックスホール、粒子のラベル付き画像、および粒子追跡結果に基づいて、失われた接触の分岐ベクトル方向と、各共有増分中にサンプル内で得られた接触を分析します。3軸圧縮下のレイトン・バザード砂サンプルの応力-ひずみ曲線と2次元スライスを示す。テスト中の2-Dスライスでの粒子運動学的結果がここに表示されます。ほとんどのパーティクルは正常に追跡され、その移動と回転が定量化されます。局所的なバンドは、テスト終了時にパーティクル変位マップとパーティクル回転マップの両方で開発されます。ここで示されているのは、テスト中にサンプルで得られた接触と失われた接触の分岐ベクトルの正規化された方向周波数です。失われた接触はテストの間にマイナーな原則の圧力方向に向かって明確な方向の好みを示す。CTスライスの再構成が成功すると回転ステージの適切な位置に依存するだけでなく、テキストプロトコルで詳述されている回転軸のキャリブレーションが重要である。X線源から人体へのイオン化放射線を避けるために、スキャン室のすべてのドアと窓が各スキャン前に適切に閉じられていることを確認する必要があります。同様の手順に従って、X線回折または散乱を用いた検査を行うことができる。これにより、粒子間接触力と、形成された粒状材料内でのそれらの伝搬を測定するためのツールが提供されます。取得した実験データは、砂の高度な構成モデルの開発、粒度の機械的挙動を考慮した、および負荷下の砂の数値モデリングに使用することができます。

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シンクロトロンX線トモグラフィを用いたサブミクロン分解能を持つ非侵襲的3次元可視化

私たちは、X線マイクロトモグラフィーを使用して、貯留層条件での複数の流体相のイメージングの方法論を提示します。炭酸塩岩サンプルにおける毛細管トラップの代表的な結果をいくつか示します。...

X線マイクロトモグラフィーを使用した複数の流体相の貯水池条件ポアスケールのイメージング

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マルチスケール三次元マイクロエレクト​​ロニクスパッケージを調査するために放射光マイクロトモグラフィーを用いて、

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シンクロトロン高速断層撮影法を使用した炭酸における反応の動的細孔スケール貯水池条件イメージング

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岩や放射光 x 線回折を用いた鉱物骨材の冷間圧縮時の応力分布

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・鉱物及び岩石試料の蛍光を放射光 x 線回折

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全視野ひずみ測定における微視組織的微小疲労き裂の伝ぱデジタル画像相関法を用いた

本研究では、材料の変形・破壊に関する3次元仮想シミュレーション実験を行い、可視化された実験プロセスを提供します。一連の実験を通じて、ユーザーは機器に精通し、没入型のインタラクティブな学習環境で操作を学ぶことができます。...

走査型電子顕微鏡による力学の仮想シミュレーション実験:材料の変形と破壊

このプロトコルは、大容量のマイクロCTスキャン、カスタムメイドの圧縮ステージ、および高度な画像処理ツールを組み合わせることにより、近位ヒト大腿骨全体の骨微細構造の変形とその靭性の測定を可能にします。...

ヒト股関節の微細構造破壊機構のイメージング

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シンクロトロンX線マイクロ断層撮影によるせん断下の粒状土壌の故障の可視化と関連する粒状土壌の機械的挙動

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