Name: 싱크로트론 X선 마이크로 단층 촬영을 사용하여 전단 하에서 세분화된 토양의 고장 및 관련 곡물 스케일 기계적 거동 시각화 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-09-29T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min
Description: 학습하세요 싱크로트론 X선 마이크로 단층 촬영을 사용하여 전단 하중 중 입자 규모 데이터를 획득하는 방법을. 이 기술은 과립토의 입자 형태, 미세구조, 파괴 및 변위를 시각화하여 기계적 거동을 심층 분석합니다.

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이 연구는 일반 연구 기금 번호에 의해 지원되었다. CityU 11213517 홍콩 특별 행정구의 연구 보조금 위원회에서, 연구 보조금 No. 51779213 중국의 국립 과학 재단에서, 상하이 싱크로트론 방사선 시설의 BL13W 빔 라인 (SSRF).

1. 실험을 사전에 잘 설계
<ol><li>시험 재료, 입자 크기, 샘플 크기 및 샘플 초기 다공성을 결정합니다. 참고: 직경 이 0.15~0.30mm의 레이튼 버자드 모래와 8 x 16mm(직경 x 높이)의 샘플 크기가 이 연구의 프로토콜을 입증하는 예로 사용됩니다. 푸젠 모래, 휴스턴 샌드, 오타와 모래 및 카이코스 오이드 와 같은 다른 모래와 유사한 샘플 크기도 사용할 수 있습니다.</li>
	<li>소정의 입자 크기 및 샘플 크기에 따라 결정되는 필요한 공간 분해능 및 스캐닝 영역에 따라 적절한 검출기(도1A)를선택한다. 예를 들어, 6.5 μm의 공간 분해능을 가진 검출기가 본 연구에서 사용된다. 2048 x 860 픽셀 (즉, 13.3 × 5.6 mm)의 효과적인 스캔 영역을 가지고 있습니다. 참고: 트라이축 압축 테스트 중에 변형된 샘플은 검출기의 스캐닝 영역에 남아 있어야 합니다. 개별 입자가 적절한 입자 특성 추출을 위해 충분한 복셀을 포함할 수 있도록 고공간 분해능 검출기를 사용해야 합니다.</li>
	<li>시험 재료 및 샘플 크기에 따라 X선소스(그림 1A)의필요한 에너지와 노출 시간을 결정합니다. 일반적으로 더 높은 에너지는 밀도가 높은 재료로 구성된 더 큰 샘플에 사용되어야 합니다. 이 연구에서 모래 샘플에 대해 25 keV의 X선 에너지와 0.05 초의 노출 시간을 사용합니다. 참고: 필요한 X선 에너지 및 노출 시간은 샘플의 스캔 된 프로젝션을 사용하여 시행 착오에 의해 결정될 수 있습니다. 투영의 최소 회색 눈금 강도와 최대값의 비율은 0.2보다 낮아서는 안 됩니다. 그렇지 않으면 더 높은 X선 에너지 또는 더 긴 노출 시간을 사용해야 합니다.</li>
	<li>X선 장치의 회전단계(그림 1A)에필요한 회전 속도 ω(초당 도)을 결정합니다. 회전 속도 ω은 CT 슬라이스 재구성에 필요한 투영 수 N(예: N = 1,080)에 따라 계산됩니다. 참고: ω=180Vs/N. 여기서,Vs는 X선 장치의 스캐닝 속도, 즉 초당 스캔 및 기록된 방사선 사진의 수이다. Vs는 주로 컴퓨터와 같은 검출기와 관련된 검출기 및 하드웨어의 성능에 의해 영향을 받습니다.</li>
	<li>X선 μCT 장치와 함께 사용할 트라이축 로딩장치(도 1B, C,참조 33 참조 참조)를 제작한다. 장치는 종래의 삼축 압축 장치와 동일한 주요 기능을 가져야 한다. 설계는 샘플 크기, 응력 범위 및 적재 속도의 요구 사항을 고려해야 합니다. 참고: 장치는 X선 μCT 장치에 장착할 수 있어야 하며 회전 단계를 사용하여 회전을 용이하게 하기 위해 가볍어야 합니다. 삼축 세포는 X 선에 투명해야합니다. 투명도 요건을 고려할 때, 아크릴 및 폴리카보네이트는 삼축 전지를 제조하는데 사용될 수 있다.</li>
	<li>X선 CT 스캐너 외부에서 동일한 공막 압력, 로딩 속도 및 샘플 특성(즉, 재료, 샘플 크기 및 초기 다공성)으로 테스트를 수행하여 CT 스캐닝을 위한 로딩을 일시 중지할 시기를 계획합니다.</li>
</ol>2. 실사 삼축 압축 테스트 수행
<ol><li>트라이축 로딩 장비와 시험 자료를 현장에 배치합니다. 참고: 로딩 장치 및 밀착 압력 제공 장치(재료 표참조)는 X선 CT 스캐닝 룸에 배치되고 데이터 수집 및 제어 장치는 외부에 있습니다. 그런 다음 샘플의 트라이축 로딩 및 CT 스캐닝이 스캔 실 밖에서 작동됩니다.</li>
	<li>X선 마이크로 CT 장치의 보드에 리프팅 단계를고정합니다(그림 1B). 리프팅 스테이지의 틸팅 스테이지와 틸팅 스테이지의 회전 스테이지를 각각 고정합니다(그림1B). 참고: 리프팅 스테이지와 틸팅 스테이지는 해당 장비에 배치된 관련 장비를 이동하기에 충분한 적재 용량을 가져야 합니다.</li>
	<li>단일 X선이 회전 스테이지의 축을 중심으로 180도 를 가로질러 회전할 때 샘플 내에서 동일한 지점을 통과되도록 기울기 단계를 통해 회전 단계의 위치와 방향을 조정합니다. 참고: 2.2~2.3단계는 상하이 싱크로트론 방사선 센터(SSRF)의 X선 마이크로 CT 장치에 적용됩니다. 특히 정세 삼축 테스트에 사용되는 X선 마이크로 CT 장치의 경우, 이러한 단계는 회전 단계의 신중한 위치 및 고정 후에 생략될 수 있다.</li>
	<li>다음 절차에 따라 보드에 토양 샘플을 준비합니다.<ol>
<li>베이스 플레이트의 상단 끝의 측면 표면 주위에 소량의 실리콘 그리스를 추가하고 상부 표면에 다공성 돌을 놓습니다. 상단의 측면 표면 주위에 멤브레인을 놓습니다(그림2A).</li>
		<li>샘플 제조업체의 두 부분 사이의 접촉 면에 소량의 실리콘 그리스를 추가하고 잠급전하십시오. 샘플 제조업체를 베이스 플레이트에 놓고 멤브레인이 통과할 수 있도록합니다(그림 2B).</li>
		<li>진공 펌프를 사용하여 노즐을 통해 샘플 제조업체 내부에 흡입(예: 25kPa)을 생성합니다. 멤브레인을 상단 끝의 측면 표면에 고정합니다. 멤브레인이 샘플 제조업체의 내부 표면에 부착되어 있는지 확인합니다(그림2C).</li>
		<li>테스트 과립 재료를 특정 높이의 깔때기를 사용하여 샘플 제조업체에 완전히 채워질 때까지 떨어뜨리게 합니다. 토양 시료의 상부 표면은 샘플 메이커의 상부 가장자리와 동일한 수준이어야합니다(그림 2D).</li>
		<li>토양 샘플 위에 또 다른 다공성 돌을 놓고 다공성 돌 위에 스테인리스 스틸 쿠션 플레이트를 놓습니다. 쿠션 플레이트의 측면 표면 주위에 실리콘 그리스를 바릅니다. 샘플 제조업체에서 멤브레인의 위쪽면을 제거하고 쿠션 플레이트에 고정합니다(그림2E).</li>
		<li>샘플 메이커 노즐 내부의 흡입을 제거하고 베이스 플레이트의 밸브 내부에 흡입을 만듭니다. 마지막으로 샘플 제조업체를 제거합니다. 그림 2F에서볼 수 있듯이 소형 건조 샘플이 생성됩니다. 참고: 이 단계는 공기 플루비에이션 방법을 사용하여 소형 토양 샘플을 제조하는 절차를 보여줍니다. 기존의 건식 다짐 방법을 사용하여 시료를 생산할 수도 있습니다.</li>
	</ol></li>
	<li>베이스 플레이트에 있는 컨핀 셀을 고정하고 챔버 상단 플레이트를 컨핀 셀 의 상단에 고정합니다(그림1C).</li>
	<li>챔버 상단 플레이트에 셀의 피스톤 샤프트를 고정합니다(그림1C).</li>
	<li>베이스 플레이트를 회전 스테이지에 컨핀 셀 및 챔버 상단 플레이트와 함께 배치합니다. 프레임은 CT 스캐닝을 위해 샘플의 높이를 조정하는 데 사용됩니다(그림1B). 참고: 이 프레임은 SSRF에서 리프팅 스테이지의 제한된 이동 범위로 인해 사용됩니다. 이동 범위가 큰 리프팅 스테이지를 사용하는 경우 프레임을 사용할 필요가 없습니다.</li>
	<li>챔버 상단 플레이트에 로딩 장치의 나머지 부분을 부착합니다.</li>
	<li>선형 가변 차동 변압기(LVDT), 로드 셀 및 스테핑 모터를 설치하고 활성화합니다(그림1C).</li>
	<li>셀 압력(CP) 밸브(그림 1C참조)를 통해 셀을 공기 가압 공급 장치에서 공급된 물을 사용하여 비공기물로 채웁니다(재료 표참조). 물이 밸브 밖으로 유입되기 시작하면 물 출구(WE) 밸브를 닫습니다(그림 1C참조). 참고: 매우 낮은 상수 압력 값(예: 10kPa)으로 수축 압력 제공 장치를 상수 압력 모드로 설정합니다.</li>
	<li>시료에 25 kPa의 일정한 감금 압력을 추가하고 샘플 내부의 흡입을 제거합니다.</li>
	<li>상한 압력 제공 장치를 사용하여 미리 결정된 값으로 공압 압력을 점진적으로 증가시다.</li>
	<li>샘플의 첫 번째 스캔을 수행합니다. 고공간 해상도 CT 스캐너(예: 픽셀 크기 6.5 μm)의 경우 샘플의 전체 스캔(예: 높이가 16mm)은 일반적으로 샘플을 여러 다른 높이에서 스캔해야 합니다(즉, 스캔은 여러 섹션으로 나뉩니다). 참고: 낮은 공간 해상도 검출기와 작은 크기의 샘플을 사용하는 경우 스캐닝 영역은 단일 섹션을 사용하여 샘플의 전체 필드 스캔을 획득하기에 충분할 수 있습니다.<ol>
<li>샘플의 섹션을 스캔합니다. CT 스캐너를 이미지 캡처 모드로 설정한 다음 회전 단계를 시작하여 미리 결정된 일정한 회전 속도(예: 3.33도/s)로 전체 장치를 180도 회전하여 다른 각도에서 샘플의 CT 투영을 캡처합니다. 참고: 샘플이 아래에서 위쪽으로 스캔되는 것이 좋습니다(즉, 첫 번째 섹션에는 샘플 하단에 있는 모든 파티클이 포함되어 있음).</li>
		<li>회전이 완료되면 이미지 캡처 모드를 끕니다. 장치를 초기 위치로 다시 돌이십시오.</li>
		<li>샘플의 다음 섹션을 스캐닝하기 위한 특정 높이(예를 들어, 4 mm)에 의해 리프팅스테이지(도 1B)를사용하여 전체 장치와 함께 샘플을 들어 올립니다. 참고: 리프팅은 현재 단면과 마지막 섹션 사이에 겹침이 있는지 확인해야 합니다(즉, 두 개의 연속된 섹션 간에 겹치는 부분이 있음). 겹치는 것은 바느질을 용이하게하기 위해 10 픽셀 이상이어야합니다.</li>
		<li>2.13.1-2.13.3 단계를 반복하여 샘플의 마지막 섹션을 스캔합니다.</li>
	</ol></li>
	<li>일정한 로딩 속도로 샘플에 축 하중을 적용합니다. 여기서, 0.2%/min의 적재율이 이 연구에서 사용된다. 사용자는 실험 요구 사항에 따라 다른 로딩 속도를 설정할 수 있습니다.</li>
	<li>미리 결정된 축 변형에서 축 하중을 일시 중지합니다. 측정된 축힘이 정상 값(일반적으로 2분 이내)에 도달할 때까지 기다렸다가 다음 스캔을 수행합니다. 스캔 절차는 2.13 단계에서 설명한 것과 동일합니다.</li>
	<li>로드가 끝날 때까지 2.14 및 2.15 단계를 반복합니다.</li>
	<li>검정을 내리고 트라이축 장치에서 샘플을 제거합니다.</li>
	<li>검출기로부터 여러 개의 평평한 돌출부(일반적으로 10개의 돌기)를 획득하기 위해 회전 단계에 베이스 플레이트와 컨페닝 셀을 설치한다. X선 소스를 종료하여 검출기에서 동일한 수의 어두운 프로젝션을 얻습니다. 참고: 평평하고 어두운 투영은 원시 CT 프로젝션의 위상 검색에 사용됩니다. 평면 및 어두운 보정을 구현하면 재구성된 CT 슬라이스에서 샘플과 주변 배경 간의 대비가 향상됩니다. 또한 검출기의 결함이있는 픽셀로 인한 링 아티팩트를 완화하는 데 도움이됩니다.</li>
</ol>3. 이미지 처리 및 분석
<ol><li>이미지 처리
	<ol>
<li>무료 소프트웨어 PITRE34를사용하여 샘플의 원시 CT 프로젝션의 위상검색(그림3B)을구현한다. 메뉴로드 이미지에서PITRE에 프로젝션(평면 및 어두운 투영 포함)을 로드합니다. 아이콘 PPCI를클릭합니다. 관련 검색 매개 변수를 입력하고 Single을 클릭하여 단계 검색을 구현합니다. 참고: 위상 검색의 구현은 재구성된 CT 슬라이스에서 서로 다른 단계(즉, 보이드 위상 및 솔리드 위상) 간의 인터페이스 향상을 제공하며, 이는 후속 이미지 기반 분석에 매우 중요합니다. 파티클 간 접촉.</li>
		<li>단계 검색 후 CT 프로젝션을 기반으로 PITRE를 사용하여 샘플의 CT 조각을 재구성합니다(그림3C). 메뉴에서 PITRE에 투영을 로드 이미지 로드합니다. 아이콘 ProjSino를클릭합니다. 나타난 창에 관련 매개 변수를 입력하고 Single을 클릭하여 CT 슬라이스를 재구성합니다. 참고: 수평 슬라이스를 확인하여 무거운 빔 경화 아티팩트 또는 링 아티팩트가 없는지 확인합니다. 그렇지 않으면 현재 스캐닝 매개 변수를 변경하고 샘플을 다시 스캔해야 합니다. 수직 슬라이스를 확인합니다. 전단 전에 샘플이 심하게 기울어진 경우 테스트는 실패한 것으로 간주됩니다.</li>
		<li>CT 슬라이스에 이미지 필터링을 구현합니다. 이방성 확산 필터는 이미지 필터링을 수행하는 데사용됩니다(그림 3D).</li>
		<li>필터링된 CT 슬라이스에서 이미지 이나화를 수행합니다. 오쓰의 방법35를사용하여 CT 슬라이스의 강도 히스토그램에 따라 결정되는 CT 슬라이스에 강도 값 임계값을 적용함으로써 이미지 바이나화(도3E)를구현한다. 참고: 고체 상과 보이드 상 사이의 상당한 강도 의 중첩을 나타내는 회색 스케일 강도 히스토그램을 가진 CT 슬라이스의 경우, 고체 상36의질량을 사용하여 이미지 이너화의 검증이 요구된다.</li>
		<li>마커 기반 유역 알고리즘을 사용하여 비나화 된 CT 슬라이스에서 개별 입자를 분리하고 결과를 3D 레이블이 지정된 이미지에 저장합니다(그림 3F). CT 이미지에서 계산된 입자 크기 분포를 기계적 체질 테스트의 분포와 비교하여 결과를 검증합니다. 참고 : 소프트웨어 Avizo 화재의 모듈 별도의 개체는이 알고리즘을 구현하는 데 사용할 수 있습니다. 아비조 화재의 국경 죽이기 모듈을 사용하여 비나화 CT 슬라이스에서 다공성 돌을 제거합니다. 신뢰할 수 있는 입자 분리 결과를 얻으려면 독자는 다른 입자 분할 알고리즘37,38,39를시도하는 것이 좋습니다.</li>
	</ol></li>
	<li>이미지 분석
	<ol>
<li>레이블이 지정된 이미지에서 파티클 특성을 추출합니다. MATLAB 스크립트는 파티클 체적, 입자 표면적, 파티클 방향 및 파티클 중심 좌표를 포함한 입자 특성을 추출하는 데 사용됩니다. 참고 : 본질적인 MATLAB 함수 영역props, bwprim 및 pca는 각 입자의 이러한 특성을 획득하는 데 사용됩니다. 이러한 절차에 대한 자세한 설명은 청과 왕(28)의작품에서 찾을 수 있습니다.</li>
		<li>이비인화 CT 슬라이스로부터 접촉 복셀을 추출하는 것은 논리적 연산과 CT 슬라이스의 이진 이미지와 마커 기반의 구현으로부터 획득한 유역선의 이진 이미지 사이의 구현에 의해 유역 알고리즘31. 참고 : 접촉 복셀의 과다 검출은 CT 이미지40,41의부분 볼륨 효과와 임의의 노이즈로 인해 발생할 수 있습니다. 그러나, 입자 간 접촉의 약간의 과다 검출은 입자 간 접촉 진화거동(42)의전반적인 추세에 큰 영향을 미치지 않을 것이다.</li>
	</ol></li>
</ol>4. 토양의 입자 규모의 기계적 행동의 CT 이미지 기반 탐사
참고: 다음 이미지 기반 분석은 이상적으로 구형 입자 또는 매우 좁은 정지 범위(예: 단분산 샘플)를 가진 샘플에는 적용되지 않습니다. 그러나 진원도가 높고 정지율이 낮은 입자(예: 0.3~0.6mm 유리 비드)의 경우 방법론이 좋은 결과를 산출합니다(청 및 왕31참조).
<ol><li>샘플의 입자 운동학을 정량화합니다. 파티클 추적 방법을 사용하여 파티클 체적 또는 입자 표면적을 기반으로 다른 스캔에서 샘플 내의 개별 입자를 추적합니다. 이 방법에 대한 자세한 설명은 청과 왕(28)에서제공됩니다.<ol>
<li>두 번의 연속 스캔 중에 각 파티클의 변환을 계산합니다. 두 스캔 사이의 파티클 중심 좌표차이로 계산됩니다.</li>
		<li>두 스캔 간의 주요 주 축 방향의 차이에 따라 각 파티클의 회전 각도를 결정합니다.</li>
	</ol>
</li>
	<li>샘플의 변형률 필드를 정량화합니다. 그리드 기반 방법을 사용하여 파티클 변환 및 파티클 회전을 기반으로 두 번 연속 된 스캔 중에 변형률 필드를 계산합니다. 참고: 이 방법은 스캔과 입자 운동학 결과 모두에서 샘플의 레이블이 지정된 이미지가 필요합니다. 독자는 자세한 설명을 위해 전작24를 참조한다.</li>
	<li>샘플의 입자 간 접촉 진화를 분석합니다. 추출된 접촉 복셀, 입자의 표지된 이미지 및 입자 추적 결과를 기반으로 각 전단 증분 동안 시료 내에서 손실된 접점의 분기 벡터 배향과 획득한 접점의 분기 벡터 방향을 분석합니다. 참고 :이 방법에 대한 전체 설명은 청과 왕(31)에서제공됩니다.</li>
</ol>

저자는 공개 할 것이 없다.

고공간 해상도 X-ray 마이크로 CT 및 고급 이미지 처리 및 분석 기법을 통해 다중 스케일 수준에서 전단 하에서 세분화된 토양의 기계적 거동에 대한 실험적 조사를 가능하게 했습니다(즉, 매크로 스케일, 메소 스케일 및 그레인 스케일 수준)을 참조하십시오. 그러나 CT 이미지 기반 메조 및 그레인 스케일 조사를 위해서는 적재 시 토양 샘플의 고공간 해상도 CT 이미지를 수집해야 합니다. 이 공정에서 가장 어려운 측면은 아마도 X 선 마이크로 CT 장치와 함께 사용할 수있는 소형 삼축 로딩 장치의 제작입니다. 공간 해상도, 스캐닝 영역 및 회전 단계의 부하 용량과 같은 X 선 마이크로 CT 장치의 제한 외에도 필요한 샘플 크기, 로딩 응력 및 속도를 전반적으로 고려해야합니다.
최적의 X선 에너지와 노출 시간을 결정하는 것은 시간이 오래 걸리지만 고품질 CT 이미지를 획득하는 데 매우 중요합니다. 사용자가 첫 번째 스캔 중에 다른 에너지와 노출 시간을 시도하고 재구성된 슬라이스의 ...

강성, 전단 강도 및 투과성과 같은 과립 토양의 거시적 기계적 특성은 기초, 경사 및 암석 채우기 댐과 같은 많은 지질 공학 구조에 매우 중요하다는 것이 널리 인식되고 있습니다. 수년 동안 현장 테스트와 기존의 실험실 테스트(예: 1차원 압축 테스트, 트라이축 압축 테스트 및 투과성 테스트)는 다양한 토양에서 이러한 특성을 평가하는 데 사용되어 왔습니다. 토양 기계적 특성을 테스트하기 위한 코드 및 표준도 엔지니어링 목적으로 개발되었습니다. 이러한 거시 적 규모의 기계적 특성이 집중적으로 연구되었지만, 이러한 특성을 제어하는 입자 스케일 기계적 거동 (예 : 입자 운동학, 접촉 상호 작용 및 변형 변형 국소화)은 엔지니어와 연구원. 한 가지 이유는 토양의 곡물 규모의 기계적 거동을 탐구할 수 있는 효과적인 실험 방법의 부족입니다.
지금까지, 과립 토양의 곡물 규모의 기계적 거동에 대한 대부분의 이해는 입자 스케일 정보 (예 : 입자 운동학 및 입자 접촉)를 추출하는 능력 때문에 이산 요소 모델링1 (DEM)에서 비롯되었습니다. 힘)을 제공합니다. DEM 기술을 사용하여 세분화된 토양 기계적 거동을 모델링하는 이전 연구에서각 개별 입자는 단순히 모델의 단일 원 또는 구로 표현되었습니다. 이러한 지나치게 단순화 된 입자 모양의 사용은 입자의 과부하로 이끌려 더 낮은 피크 강도 거동2. 더 나은 모델링 성능을 달성하기 위해, 많은 조사자는 압연 저항 모델3,4,5,6 또는 불규칙한 입자 모양7,8을사용했다. 9,10,11,12 그들의 DEM 시뮬레이션. 그 결과, 입자 운동학적 행동에 대한 보다 현실적인 이해가 얻어졌습니다. 입자 운동학 이외에도 DEM은 입자 접촉 상호 작용을 조사하고 이론적 모델을 개발하는 데 점점 더 사용되고 있습니다. 그러나 실제 입자 모양을 재현하고 정교한 접촉 모델을 사용해야 하기 때문에 DEM은 불규칙한 모양의 세분화된 토양 모델링에서 매우 높은 계산 능력을 필요로 합니다.
최근, 광학 장비 및 이미징 기술(예를 들어, 현미경, 레이저 보조 단층 촬영, X선 컴퓨터 단층 촬영(CT) 및 X선 미세 단층 촬영(μCT)의 개발은 세분화 된 토양의 곡물 규모 기계적 거동. 삼축 검사 전후의 토양 시료 이미지의 수집 및 분석을 통해, 이러한 장비 및 기술은 토양 미세 구조물13,14,15,16의 조사에 활용되어 왔다. ,17,18,19. 최근에는 X선 CT 또는 μCT를 이용한 시험에서 공극비20,균주 분포21,22,23,24의진화를 조사하기 위해 점점 더 많이 사용되고 있다. 입자 운동25,26,27,28,입자 간 접촉29,30,31 및입자 분쇄32 세분화 된 토양. 여기서, "현장에서"는 로딩과 동시에 수행되는 X선 스캐닝을 의미한다. 일반적인 X선 스캐닝과는 달리, 현장에서 X선 스캐닝 테스트에는 토양 시료에 응력을 전달하기 위해 특별히 제작된 로딩 장치가 필요합니다. 로딩 장치 및 X선 CT 또는 μCT 장치의 결합된 사용으로, 시험의 상이한 로딩 단계에서 샘플의 CT 이미지는 비파괴적으로 획득될 수 있다. 이러한 CT 이미지를 기반으로, 세분화된 토양 거동에 대한 입자 스케일 관측을 획득할 수 있습니다. 이러한 CT 이미지 기반 입자 수준 관측은 수치 결과를 확인하고 세분화된 토양의 입자 규모 기계적 거동에 대한 새로운 통찰력을 얻는 데 매우 유용합니다.
이 문서는 토양 샘플 의 현장 스캐닝 테스트에서 X 선이 입자 운동학, 변형 국소화 및 토양 샘플 내의 입자 간 접촉 진화를 관찰하는 예시적 실험을 사용하여 수행 될 수있는 방법에 대한 세부 사항을 공유하는 것을 목표로합니다. 결과는 situ 스캐닝 시험에서 엑스레이가 세분화된 토양의 입자 수준 거동을 탐구하는 중대한 잠재력을 가지고 있다는 것을 보여줍니다. 이 프로토콜은 X선 μCT 장치의 선택과 소형 삼축 로딩 장치의 제조를 다루며, 시험을 수행하기 위한 상세한 절차가 제공됩니다. 또한, 이미지 처리 및 분석을 사용하여 입자 운동학(즉, 입자 변환 및 입자 회전), 변형 지역화 및 입자 간 접촉 진화(즉, 접촉 이득, 접촉 손실 및 접촉 운동)을 설명합니다.

<table><tbody><tr><td>제한 압력 제공 장치</td><td>GDS</td><td>STDDPC</td><td></td></tr><tr><td>방파 물</td><td>N/A</td><td>N/</td><td>A 실험실에서 방열 된 물</td></tr><tr><td>Leighton Buzzard 모래 인공</td><td>잔디 Cambridge</td><td>배수 산업용 모래 25kg</td><td>다른 토양으로 교체 가능</td></tr><tr><td>소형 삼축 적재 장치</td><td>N/A</td><td>N/</td><td>A 소형 적재 장치는 특별히 제작됩니다. 저자</td></tr><tr><td>실리콘 그리스</td><td>RS 회사</td><td>RS 494-124</td><td></td></tr><tr><td>싱크로트론 방사선 X선 마이크로 CT 설정</td><td>상하이 싱크로트론 방사선 시설 센터(SSRF)</td><td>13W1</td> 삼축 테스트는 SSRF 진공 펌프 Hong Kong Labware Co., ltd.의 <td>BL13W 빔 라인에서 수행됩니다</td></tr><tr><td></td><td>.</td><td>로커 300</td><td></td></tr></tbody></table>

싱크로트론 x선 마이크로 단층 촬영을 사용하여 전단 하에서 세분화된 토양의 고장 및 관련 곡물 스케일 기계적 거동 시각화

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

이미지 처리 및 분석 기술을 갖춘 X선 이미징 기술의 급속한 발전으로 높은 공간 해상도의 세분화된 토양의 CT 이미지를 수집할 수 있게 되었습니다. 이러한 CT 이미지를 기반으로 입자 운동학(즉, 입자 변환 및 입자 회전)과 같은 입자 스케일 기계적 거동, 변형 국소화 및 입자 간 접촉 진화를 정량적으로 조사할 수 있습니다. 그러나, 이것은 전통적인 실험 방법을 사용하여 접근할 수 없습니다. 이 연구는 싱크로트론 X선 미세 단층 촬영 (μCT)을 사용하여 삼축 압축하에서 과립 토양 샘플의 곡물 규모의 기계적 거동을 탐구하는 것을 보여줍니다. 이 방법을 사용하면 트라이축 테스트 중에 특수 제작된 미니어처 로딩 장치를 사용하여 시료에 밀착 및 축 응력을 적용합니다. 이 장치는 샘플의 고공간 해상도 CT 이미지가 샘플에 방해가되지 않고 테스트의 다른 로딩 단계에서 수집 될 수 있도록 싱크로트론 X 선 단층 촬영 설정에 장착됩니다. 매크로 스케일(예: 트라이축 장치 설정에서 샘플 경계 응력 및 변형)과 그레인 스케일(예: CT 이미지에서 의 입자 이동 및 접촉 상호 작용)에서 정보를 추출하는 기능을 통해 이 절차는 세분화 된 토양의 다중 스케일 역학을 조사하는 효과적인 방법론.

도 5는 2D 슬라이스에서 레이튼 버자드 모래(LBS) 샘플의 입자 운동학 결과를 2개의 전형적인 전단 증분, I 및 II를 도시한다. 대부분의 파티클이 성공적으로 추적되고 위의 프로토콜에 따라 변환 및 회전이 정량화됩니다. 첫 번째 전단 증분 동안 파티클 변위나 파티클 회전은 명확한 지역화를 나타내지 않습니다. 그러나 지역화된 대역은 두 번째 전단 증분 동안 입자 변위 맵과 파티클 회전 맵 모두에서 개발됩니다. 도 6은 두 전단 증분 동안 샘플의 옥타트족 및 체적 변형 맵을 나타낸다. 두 번째 전단 증분의 변형 맵에서 명확한 지역화 영역이 관찰되어 트라이축 전단하에서 모래 고장을 시각화하는 방법의 기능을 보여줍니다. 그림 7은 두 전단 증분 동안 샘플에서 얻은 접점 및 손실된 접점의 분기 벡터의 정규화된 방향 주파수를 나타냅니다. 손실된 접수는 두 전단 증분 동안 사소...

이 프로토콜은 트라이축 압축 중에 세분화된 토양의 고공간 해상도 컴퓨터 단층 촬영(CT) 이미지를 획득하고 이러한 CT 이미지에 이미지 처리 기술을 적용하여 입자 규모의 기계적 거동을 탐구하는 절차를 설명합니다. 하중의 토양.

싱크로트론 X선 마이크로 단층 촬영을 사용하여 전단 하에서 세분화된 토양의 고장 및 관련 곡물 스케일 기계적 거동 시각화

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

이 프로토콜을 사용하면 X 선 미세 단층 촬영을 사용하여 세분화 된 토양의 입자 스케일 데이터를 획득하고 세분화 된 물질의 미세한 거동의 미세한 거동을 기초로 하는 미세 규모의 프로세스 및 메커니즘에 대한 이해를 개발할 수 있습니다. 이 기술의 주요 장점은 입자 형태, 미세 구조, 파손, 변위 및 회전을 포함한 세분화 된 토양의 입자 스케일 정보에 대한 완전한 액세스를 제공한다는 것입니다. 이 방법은 또한 바위, 토양 바위 혼합물, 콘크리트, 세라믹, 아스팔트 및 심지어 폴리머 복합체와 같은 돌 기반 천연 또는 합성 물질의 다른 유형의 조사에 적용 될 수있다.텍스트 프로토콜에 설명된 대로 사전에 실험 설계로 시작합니다. 테스트 재료, 입자 크기, 샘플 크기 및 샘플 초기 다공성을 결정합니다. 보드에 토양 샘플을 준비하려면 먼저 베이스 플레이트의 상단 끝의 측면 표면 주위에 소량의 실리콘 그리스를 추가하십시오.그런 다음 상부 표면에 다공성 돌을 놓습니다. 상단 끝의 측면 표면 주위에 멤브레인을 넣습니다. 샘플 메이커의 두 부분 사이의 접촉 표면에 소량의 실리콘 그리스를 추가하고 멤브레인이 통과할 수 있도록 샘플 메이커를 베이스 플레이트에 배치합니다.샘플 메이커를 잠급다. 진공 펌프를 사용하여 노즐을 통해 샘플 제조업체 내부의 흡입을 만듭니다. 멤브레인을 상부 끝의 측면 표면에 고정합니다.멤브레인이 샘플 제조업체의 내부 표면에 부착되어 있는지 확인합니다. 테스트 세분화된 재료를 특정 높이에서 깔때기를 사용하여 샘플 메이커에 놓아 완전히 채워질 때까지 놓습니다. 토양 샘플의 상부 표면은 샘플 제조업체의 상부 가장자리와 동일한 수준이어야 한다.토양 샘플 위에 또 다른 다공성 돌을 놓습니다. 스테인레스 스틸 쿠션 플레이트의 측면 표면 주위에 실리콘 그리스를 바르고 다공성 돌 위에 놓습니다. 샘플 메이커에서 멤브레인의 상단을 제거하고 쿠션 플레이트에 고정합니다.샘플 메이커 노즐 내부의 흡입을 제거하고 베이스 플레이트의 밸브 내부에 흡입을 만듭니다. 마지막으로 샘플 메이커를 제거합니다. 소형 드라이 샘플이 생성됩니다.이제 베이스 플레이트에 있는 소개의 셀을 고정하고 수축 셀 의 상단에 있는 챔버 상단 플레이트를 고정합니다. 챔버 상단 플레이트에 적재 장치의 나머지 부분을 부착합니다. 샘플에 25킬로파스칼의 일정한 수축 압력을 추가하고 샘플 내부의 흡입을 제거합니다.점차적으로 소정의 값으로 제한 압력을 증가시키는 압력 제공 장치를 사용하여. 샘플의 한 부분을 스캔하려면 계산된 단층 촬영 또는 CT 스캐너를 이미지 캡처 모드로 설정합니다. 그런 다음, 소정의 일정한 회전 속도로 전체 장치를 180도 회전하여 샘플의 CT 프로젝션을 다른 각도로 캡처하기 위해 회전 단계를 시작합니다.고공간 해상도 CT 스캐너의 경우 샘플의 전체 스캔을 통해 샘플을 여러 가지 높이에서 스캔해야 합니다. 일정한 적재 율로 샘플에 축 하중을 적용합니다. 여기서분당 0.2%의 로딩 속도가 사용됩니다.사용자는 실험 요구 사항에 따라 다른 로딩 속도를 설정할 수 있습니다. 미리 결정된 축 변형에서 축 하중을 일시 중지합니다. 측정된 축 힘이 일정한 값에 도달할 때까지 기다렸다가 다음 검사를 수행합니다.로드가 끝날 때까지 이러한 단계를 반복합니다. PITRE 소프트웨어를 사용하여 위상 검색 후 CT 프로젝션을 기반으로 샘플의 CT 조각을 구성합니다. 메뉴 로드 이미지에서 투영을 PITRE에 로드합니다.아이콘 프로젝션 시노그램을 클릭합니다. 나타난 창에 관련 매개 변수를 입력하고 CT 슬라이스를 재구성하기 위해 단일을 클릭합니다. CT 슬라이스에서 이미지 필터링을 구현합니다.애니소트로피 확산 필터는 이미지 필터링을 수행하는 데 사용됩니다. 이제 필터링된 CT 조각에서 이미지 비나화를 수행합니다. 이렇게 하려면 강도 값 임계값 임계값을 CT 슬라이스에 적용하여 이미지 바이내화를 구현합니다.이 값은 오츠의 방법을 사용하여 CT 슬라이스의 강도 히스토그램에 따라 결정됩니다. 마커 기반 유역 알고리즘을 사용하여 개별 입자를 비나화된 CT 슬라이스와 분리하고 결과를 3D 레이블이 지정된 이미지에 저장합니다. CT 이미지에서 계산된 파티클 크기 분포와 기계적 체질 테스트의 입자 크기 분포를 비교하여 결과를 검증합니다.matlab 스크립트는 파티클 볼륨, 파티클 표면적, 파티클 방향 및 파티클 중심 좌표를 포함한 입자 속성을 추출하는 데 사용됩니다. 본질적인 matlab 함수는 각 입자에 대해 이러한 속성을 획득하는 데 사용됩니다. CT 슬라이스의 이진 이미지와 마커 기반 유역 알고리즘의 구현에서 획득한 유역선의 이진 이미지 사이의 논리적 및 동작을 구현하여 바이너드 CT 슬라이스에서 접촉 여우구멍을 추출한다.시료의 스트레인 필드를 정량화하려면 그리드 기반 방법을 사용하여 입자 변환 및 입자 회전에 따라 2회 연속 검사 중에 스트레인 필드를 계산합니다. 샘플의 입자 간 접촉 진화를 분석합니다. 추출된 접촉 여우홀, 입자의 표지된 이미지 및 입자 추적 결과에 기초하여, 각 공유 증분 동안 샘플 내의 손실된 접촉및 얻은 접촉의 분기 벡터 방향을 분석한다.삼각형 압축 하에서 레이튼 버사드 모래 샘플의 응력 변형 곡선과 2D 슬라이스가 표시됩니다. 여기에 표시되는 파티클 역학 결과는 테스트 중 2D 슬라이스에 있습니다. 대부분의 파티클이 성공적으로 추적되고 번역 및 회전이 정량화됩니다.지역화된 대역은 테스트 가 끝날 때 파티클 변위 맵과 파티클 회전 맵 모두에서 개발됩니다. 여기에 는 테스트 중에 얻은 접점 및 샘플의 손실된 접촉의 분기 벡터의 정규화된 방향 주파수가 도시되어 있다. 잃어버린 접목은 시험 중에 사소한 원리 응력 방향을 향한 명확한 방향 선호도를 나타낸다.CT 슬라이스의 성공적인 재구성은 회전 단계의 적절한 위치 지정에 의존할 뿐만 아니라 텍스트 프로토콜에 자세히 설명된 회전 축을 보정하는 것이 중요합니다. 엑스레이 소스에서 인체에 대한 이온화된 방사선을 피하려면 스캔실의 모든 문과 창문이 스캔하기 전에 제대로 닫혀 있는지 확인해야 합니다. 유사한 절차에 따라 X선 회절 또는 산란을 가진 연구소 테스트를 수행할 수 있습니다.이를 통해 입자 간 접촉력과 형성 세분화된 재료 내에서전파를 측정하는 도구를 제공합니다. 획득한 실험 데이터는 모래의 고급 구성 모델 개발, 곡물 스케일 기계적 거동, 적재 하에서 모래의 수치 모델링에 사용할 수 있습니다.

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연구

JoVE Journal

Engineering

공학

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이 논문은 표준 전자 후방 산란 회절 장치를 구비 한 주 사형 전자 현미경을 이용하여 초 미세 그레인과 나노 물질의 미세 구조를 특성화하는 상세한 방법을 제공한다. 금속 합금 및 정제 미세 제시 광물은 가능한 애플리케이션의 다양성을 보여주는,이 기술을 사용하여 분석한다.

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바위와 무기물 집계 싱크 로트 론 기반 x 선 회절을 사용 하 여 차가운 압축 하는 동안 스트레스 배포

빠른 2 차원 x 선 형광 및 x 선 microdiffraction 매핑 라우에 (색채 방사선) 또는 분말 (단색 방사선) 회절을 사용 하 여 단일 결정 또는 분말 샘플의 수행을 의미 beamline 설치를 설명 합니다. 결과 지도, 방향, 위상 분포, 긴장과 플라스틱 개 악에 대 한 정보를 제공합니다.

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전체 필드 스트레인 측정 Microstructurally 작은 피로 균열 전파 디지털 이미지 상관 관계 메서드를 사용 하 여

이 작업은 시각화된 실험 프로세스를 제공하는 재료 변형 및 파손에 대한 3차원 가상 시뮬레이션 실험을 제시합니다. 일련의 실험을 통해 사용자는 장비에 익숙해지고 몰입형 대화형 학습 환경에서 작업을 배울 수 있습니다.

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