Name: Visualisatie van falen en het bijbehorende mechanische gedrag op korrel schaal van korrelvormige bodems onder afschuiving met behulp van Synchrotron X-Ray micro-tomografie (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-09-29T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min
Description: Ontdek hoe je korrelgedrag in granulaire bodems bestudeert met behulp van synchrotron röntgen-microtomografie en triaxiale compressietests. Deze methode biedt inzicht in deformatiemechanismen op deeltjesschaal.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Deze studie werd gesteund door het General Research Fund No. CityU 11213517 van de onderzoekssubsidie Raad van de Hong Kong SAR, Research Grant No. 51779213 van de National Science Foundation of China, en de BL13W beamline van de Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF).

1. het experiment goed op voorhand ontwerpen
<ol><li>Bepaal het testmateriaal, de deeltjesgrootte, de monstergrootte en de initiële porositeit van het monster. Opmerking: Leighton Buzzard Sand met een diameter van 0,15 ~ 0,30 mm en een steekproefgrootte van 8 x 16 mm (diameter x hoogte) wordt gebruikt als voorbeeld om het Protocol van dit onderzoek aan te tonen. Andere zandstranden zoals Fujian Sand, Houston Sand, Ottawa Sand en Caicos ooids, etc. en soortgelijke steekproefgroottes kunnen ook worden gebruikt.</li>
	<li>Kies een geschikte detector (Figuur 1A) volgens de vereiste ruimtelijke resolutie en scangebied, die worden bepaald volgens de vooraf bepaalde deeltjesgrootte en steekproefgrootte. In deze studie wordt bijvoorbeeld een detector met een ruimtelijke resolutie van 6,5 μm gebruikt. Het heeft een effectief scan oppervlak van 2048 x 860 pixels (d.w.z. 13,3 × 5,6 mm). Opmerking: tijdens een triaxiale Compressietest moet het vervormde monster in het scangebied van de detector blijven. Een hoge ruimtelijke resolutie detector moet worden gebruikt, zodat afzonderlijke deeltjes voldoende voxels voor de juiste extractie van deeltjes eigenschappen bevatten.</li>
	<li>Bepaal de benodigde energie van de röntgenbron (Figuur 1A) en de blootstellingstijd volgens het testmateriaal en de steekproefgrootte. Over het algemeen moet een hogere energie worden gebruikt voor een groter monster dat bestaat uit een dichtere stof. Gebruik een Röntgen energie van 25 keV en een belichtingstijd van 0,05 s voor de zand monsters in deze studie. Opmerking: de vereiste X-Ray energie en belichtingstijd kunnen worden bepaald door trial and error met behulp van een gescande projectie van het monster. De verhouding van de minimale intensiteit van de grijs schaal van de projectie tot de maximumwaarde mag niet lager zijn dan 0,2. Anders moet een hogere Röntgen energie of langere blootstellingstijd worden gebruikt.</li>
	<li>Bepaal de vereiste rotatiesnelheid ω (graden per seconde) voor de rotatie fase (afbeelding 1A) van het röntgenapparaat. De rotatiesnelheid ω wordt berekend op basis van het vereiste aantal projecties N (bijv. N = 1.080) voor de reconstructie van CT-segmenten. Opmerking: ω = 180 Vs/N. Hier is Vs de scansnelheid van het röntgenapparaat, d.w.z. het aantal gescande en opgenomen radiografieën per seconde. Vs wordt voornamelijk beïnvloed door de prestaties van de detector en de hardware die is gekoppeld aan de detector, zoals de computer.</li>
	<li>Fabriceren een triaxiaal laadapparaat (figuren 1B, C, zie ook referentie 33) voor gebruik in combinatie met het X-Ray μct apparaat. Het apparaat moet dezelfde hoofdfuncties hebben als een conventioneel triaxiaal compressie apparaat. Het ontwerp moet rekening houden met de eis van de steekproefgrootte, het bereik van de ophoud spanningen en de laadsnelheden. Opmerking: het apparaat moet in staat zijn om in het X-Ray μCT-apparaat te passen en licht zijn om de rotatie te vergemakkelijken met behulp van de rotatie fase. De triaxiale cel moet transparant zijn voor röntgenstralen. Gezien de transparantievereiste, kunnen acryl en polycarbonaat worden gebruikt om de triaxiale cel te fabriceren.</li>
	<li>Voer een test uit met dezelfde opsteek druk, laadsnelheid en monster eigenschappen (d.w.z. materiaal, steekproefgrootte en initiële porositeit) buiten de X-Ray CT-scanner om te plannen wanneer het laden voor CT-Scanning moet worden onderbroken.</li>
</ol>2. uitvoering in situ triaxiaal compressie testen
<ol><li>Plaats de triaxiaal laadapparatuur en het testmateriaal ter plaatse. Opmerking: de laadapparatuur en de ophoud druk die het apparaat aanbiedt (Zie de tabel met materialen) worden in de X-Ray CT-scan ruimte geplaatst, terwijl de gegevensverzameling en de controle van apparaten zich buiten bevinden. Triaxiaal laden en CT-scanning van het monster worden vervolgens buiten de scan ruimte bediend.</li>
	<li>Bevestig een hijs fase op het moederbord van het X-Ray micro CT-apparaat (Figuur 1B). Een kantel fase op het hefpodium en een rotatie fase op de kantel fase, respectievelijk (Figuur 1B). NB: de heffase en de kantel fase moeten voldoende laadvermogen hebben om de desbetreffende apparatuur te verplaatsen.</li>
	<li>Pas de positie en oriëntatie van de rotatie fase aan via de kantel fase, zodat een enkele röntgenstraal door dezelfde punten in het monster stroomt wanneer deze over 180 graden rond de as van de rotatie fase wordt gedraaid. Opmerking: de stappen 2,2 tot en met 2,3 zijn van toepassing op het X-Ray micro CT-apparaat van het Shanghai Synchrotron Radiation Center (SSRF). Voor X-Ray micro CT-apparaten die specifiek worden gebruikt voor in-situ triaxiaal testen, kunnen deze stappen worden weggelaten na de zorgvuldige positionering en fixatie van de rotatie fase.</li>
	<li>Bereid een bodemmonster op het bord volgens de volgende procedures.<ol>
<li>Voeg een kleine hoeveelheid siliconen vet toe rond het laterale oppervlak van het bovenste uiteinde van de basisplaat en plaats een poreuze steen op het bovenoppervlak. Plaats een membraan rond het laterale oppervlak van het bovenste uiteinde (Figuur 2a).</li>
		<li>Voeg een kleine hoeveelheid siliconen vet toe op de contactoppervlakken tussen de twee delen van de monster maker en vergrendel deze. Plaats de monster Maker op de basisplaat en laat het membraan door het passeren (Figuur 2B).</li>
		<li>Creëer zuigkracht (bijv. 25 kPa) in de monster Maker via de nozzle met behulp van een vacuümpomp. Bevestig het membraan op het laterale oppervlak van zijn bovenste uiteinde. Zorg ervoor dat het membraan op het binnenoppervlak van de monster Maker is bevestigd (Figuur 2C).</li>
		<li>Laat het korrelige materiaal van een bepaalde hoogte in de monster Maker vallen met behulp van een trechter totdat deze volledig is gevuld. Het bovenste oppervlak van het bodemmonster moet gelijk zijn aan de bovenrand van de monster Maker (Figuur 2D).</li>
		<li>Plaats een andere poreuze steen bovenop het bodemmonster en een roestvrijstalen kussen plaat bovenop de poreuze steen. Breng wat siliconen vet aan rond het laterale oppervlak van de kussen plaat. Verwijder de bovenzijde van het membraan van de monster maker en bevestig het aan de kussen plaat (Figuur 2E).</li>
		<li>Verwijder de zuigkracht in het mondstuk van de monster maker en creëer zuigkracht in de klep op de bodemplaat. Verwijder ten slotte de monster Maker. Een miniatuur droog monster wordt geproduceerd, zoals te zien in Figuur 2F. Opmerking: deze stap toont de procedure voor het produceren van een miniatuur bodemmonster met behulp van de lucht pluviatie methode. De traditionele droge verdichtings methode kan ook worden gebruikt om het monster te produceren.</li>
	</ol></li>
	<li>Bevestig de cel op de basisplaat en bevestig de bovenste plaat van de kamer op de bovenkant van de cel (Figuur 1C).</li>
	<li>Bevestig de zuiger schacht van de cel op de bovenste plaat van de kamer (figuur 1c).</li>
	<li>Plaats de basisplaat samen met de opcel en de bovenste plaat van de kamer op de rotatie fase. Een frame wordt gebruikt om de hoogte van het monster voor CT-Scanning aan te passen (Figuur 1B). Opmerking: dit frame wordt gebruikt als gevolg van het beperkte bewegingsbereik van het hefpodium bij SSRF. Het is niet nodig om een frame te gebruiken als er een hefpodium met een groot bewegingsbereik wordt gebruikt.</li>
	<li>Bevestig de rest van het laadapparaat op de bovenste plaat van de kamer.</li>
	<li>Installeer de lineaire variabele differentiaal transformator (LVDT), Load Cell en Stepping motor en activeer ze (Figuur 1C).</li>
	<li>Vul de cel met de-uitgezonden water door de celdruk (CP) ventiel (Zie Figuur 1C) met behulp van het water dat wordt geleverd door een opzijdruk aanbod apparaat (Zie tabel van de materialen). Sluit de water uitgang (we) ventiel (Zie Figuur 1C) wanneer het water uit de klep begint te stromen. Opmerking: Stel de ophoud druk van het apparaat in op de constante druk modus met een zeer lage constante drukwaarde (bijv. 10 kPa).</li>
	<li>Voeg een constante druk van 25 kPa toe aan het monster en verwijder de zuigkracht in het monster.</li>
	<li>Verhoog geleidelijk de opschrijf druk tot een vooraf bepaalde waarde met behulp van de opdruk inrichting.</li>
	<li>Voer de eerste scan van het monster uit. Voor een hoge ruimtelijke resolutie CT-scanner (bijv. met een pixelgrootte van 6,5 μm) vereist een volledige scan van het monster (bijv. met een hoogte van 16 mm) meestal dat het monster op verschillende hoogtes wordt gescand (d.w.z. dat de scan in meerdere secties is onderverdeeld). Opmerking: als een lage ruimtelijke resolutie detector en een klein formaat monster worden gebruikt, kan het scangebied volstaan om een volledige scan van het monster met behulp van een enkele sectie te verwerven.<ol>
<li>Een gedeelte van het voorbeeld scannen. Stel de CT-scanner in op de opnamemodus voor beeld en start vervolgens de rotatie fase om het hele apparaat over 180 graden te roteren bij een vooraf bepaalde constante rotatiesnelheid (bijv. 3,33 graden/s) om CT-projecties van het monster in verschillende hoeken vast te leggen. Opmerking: er wordt gesuggereerd dat het monster van de bodem naar boven wordt gescand (d.w.z. dat de eerste sectie alle deeltjes bevat die zich aan de onderkant van het monster bevinden).</li>
		<li>Schakel de opnamemodus voor afbeeldingen uit wanneer de rotatie is voltooid. Draai het apparaat terug naar de beginpositie.</li>
		<li>Til het monster samen met het gehele apparaat omhoog met behulp van de heffase (Figuur 1B) met een bepaalde hoogte (bijvoorbeeld 4 mm) voor het scannen van het volgende deel van het monster. Opmerking: het opheffen moet ervoor zorgen dat er een overlap is tussen de huidige sectie en het laatste gedeelte (d.w.z. dat er een overlap is tussen twee opeenvolgende secties). De overlapping moet ten minste 10 pixels zijn om de stiksels te vergemakkelijken.</li>
		<li>Herhaal de stappen 2.13.1-2.13.3 totdat het laatste gedeelte van het voorbeeld wordt gescand.</li>
	</ol></li>
	<li>Breng een axiale belasting op het monster met een constante laadsnelheid. Hier wordt in deze studie een laadsnelheid van 0,2%/min gebruikt. Gebruikers kunnen een andere laadsnelheid instellen volgens de vereiste experiment.</li>
	<li>Pauzeer de axiale belasting bij een vooraf bepaalde axiale stam. Wacht tot de gemeten axiale kracht een constante waarde bereikt (meestal binnen 2 min) en voer de volgende scan uit. De scan procedures zijn hetzelfde als gedemonstreerd in stap 2,13.</li>
	<li>Herhaal de stappen 2,14 en 2,15 tot het einde van het laden.</li>
	<li>Ontlaad de test en verwijder het monster uit het triaxiaal apparaat.</li>
	<li>Installeer de basisplaat en de opcel in de rotatie fase om verschillende platte projecties (over het algemeen 10 projecties) van de detector te verkrijgen. Sluit de X-Ray-bron af om hetzelfde aantal donkere projecties van de detector te verkrijgen. Opmerking: vlakke en donkere projecties worden gebruikt voor het faseren van ruwe CT-projecties. De uitvoering van vlakke en donkere correctie verbetert het contrast tussen het monster en de omringende achtergrond in de gereconstrueerde CT-segmenten. Het helpt ook om de ring artefacten als gevolg van defecte pixels van de detector te verlichten.</li>
</ol>3. beeldverwerking en-analyse
<ol><li>Beeldverwerking
	<ol>
<li>Fase opvraging (Figuur 3B) van onbewerkte CT-projecties (Figuur 3A) van het monster uitvoeren met behulp van de vrije software Pitre34. Load projecties (inclusief de vlakke en donkere projecties) in PITRE vanuit het menu afbeelding laden. Klik op het pictogram Ppci. Voer de relevante scanparameters in en klik op Single om het ophalen van de fase te implementeren. Opmerking: de implementatie van fase retrieval biedt een verbetering van de interfaces tussen verschillende fasen (d.w.z. de leegte fase en de vaste fase) in de gereconstrueerde CT-segmenten, wat van groot belang is voor de daaropvolgende op afbeeldingen gebaseerde analyse van contacten tussen deeltjes.</li>
		<li>Reconstrueren CT-segmenten van het monster met behulp van PITRE op basis van de CT-projecties na fase ophalen (Figuur 3C). Laad de projecties in PITRE vanuit het menu afbeelding laden. Klik op het pictogram Projsino. Voer relevante parameters in het verschenen venster in en klik op Single om een CT-segment te reconstrueren. Opmerking: Controleer de horizontale segmenten om er zeker van te zijn dat er geen verhardings artefacten of ring artefacten zijn. Anders zijn de huidige Scanparameters en opnieuw scannen van het monster vereist. Controleer de verticale segmenten. Als het monster vóór de afschuiving ernstig wordt gekanteld, wordt de test als niet succesvol beschouwd.</li>
		<li>Implementeer het filteren van afbeeldingen op de CT-segmenten. Een anisotrope diffusie filter wordt gebruikt om beeld filtering uit te voeren (Figuur 3D).</li>
		<li>Voer beeld Binarisatie uit op de gefilterde CT-segmenten. Implementeer de beeld Binarisatie (Figuur 3E) door een intensiteitswaarde toe te passen op de CT-segmenten, die wordt bepaald op basis van het intensiteits histogram van de CT-segmenten met behulp van otsu-methode35. Opmerking: voor CT-segmenten met een lichtsterkte histogram met een grijs schaal die een aanzienlijke overlapping van intensiteiten tussen de vaste fase en de void-fase vertoont, is een validatie van de beeld Binarisatie vereist met behulp van de massa van de vaste fase36.</li>
		<li>Scheid afzonderlijke deeltjes van de in CT-segmenten met behulp van een op een marker gebaseerd waterscheiding-algoritme en sla de resultaten op in een 3D-gelabeld beeld (Figuur 3F). Valideer de resultaten door de berekende deeltjesgrootteverdeling van de CT-afbeelding te vergelijken met die van een mechanische zeeftest. Opmerking: de module afzonderlijke objecten van de software Avizo Fire kan worden gebruikt om dit algoritme te implementeren. Verwijder de poreuze stenen van de in CT-segmenten met behulp van de module Border Kill van avizo Fire. Om een betrouwbare deeltjes scheidings resultaten te verwerven, worden lezers voorgesteld om verschillende algoritmen voor deeltjes segmentatie te proberen37,38,39.</li>
	</ol></li>
	<li>Beeldanalyse
	<ol>
<li>Extract deeltjes eigenschappen van de gelabelde afbeelding. Een MATLAB-script wordt gebruikt om deeltjes eigenschappen te extraheren, waaronder deeltjesvolume, deeltjesoppervlak, deeltjes oriëntatie en deeltjes centroïde-coördinaten. Opmerking: de intrinsieke MATLAB-functies regionprops, bwprim en PCA worden gebruikt om deze eigenschappen van elk deeltje te verwerven. Een gedetailleerdere beschrijving van deze procedures is te vinden in het werk van Cheng en Wang28.</li>
		<li>Neem contact voxels uit de in CT-segmenten op door de uitvoering van een logische bewerking en tussen het binaire beeld van de CT-segmenten (Figuur 4) en een binair beeld van de waterloods lijnen die zijn verworven bij de implementatie van de op marker gebaseerde algoritme voor waterberging31. Opmerking: overmatige detectie van contact voxels kan optreden als gevolg van het gedeeltelijke volume effect en de willekeurige ruis van CT-beelden40,41. Een lichte overdetectie van contacten tussen deeltjes zou echter geen significante effecten hebben op de algehele trend van het gedrag van de Inter-particle contact evolutie42.</li>
	</ol></li>
</ol>4. CT beeld-gebaseerde verkenning van de korrel schaal mechanisch gedrag van de bodem
Opmerking: de volgende analyse op basis van een afbeelding is niet van toepassing op idealistisch sferische deeltjes of monsters met zeer smalle gradatie marges (d.w.z. deeltjes monsters). Voor deeltjes met een hoge rondheid en een slechte sortering (bijv. 0,3 ~ 0,6 mm glas kralen) levert de methodologie echter goede resultaten op (Zie Cheng en Wang31).
<ol><li>Kwantiseer de deeltjes kinematica van het monster. Gebruik een deeltjes volgmethode om individuele deeltjes in het monster bij verschillende scans bij te houden op basis van deeltjesvolume of deeltjesoppervlak. Een gedetailleerde beschrijving van deze methode wordt gegeven in Cheng en Wang28.<ol>
<li>Bereken de vertaling van elk deeltje tijdens twee opeenvolgende scans. Het wordt berekend als het verschil in de deeltjes centroïde coördinaten tussen de twee scans.</li>
		<li>Bepaal de rotatiehoek van elk deeltje volgens het verschil in de belangrijkste hoofdas oriëntaties tussen de twee scans.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Het stam veld van het monster kwantificeren. Gebruik een op een raster gebaseerde methode om het veld spanning te berekenen tijdens twee opeenvolgende scans op basis van de deeltjes translatie en deeltjes rotatie. Opmerking: de methode vereist de gelabelde afbeeldingen van het voorbeeld van beide scans en de deeltjes-kinematica-resultaten. Lezers worden verwezen naar een vorige werk24 voor een gedetailleerde beschrijving.</li>
	<li>Analyseer de contact evolutie tussen deeltjes van het monster. Op basis van de geëxtraheerde contact voxels, de gelabelde afbeeldingen van deeltjes en de deeltjes tracerings resultaten, analyseert u de vertakkings vector oriëntatie van de verloren contacten en de opgedane contacten in het voorbeeld tijdens elke afschuif stap. Opmerking: een volledige beschrijving van deze methode wordt gegeven in Cheng en Wang31.</li>
</ol>

De auteurs hebben niets te onthullen.

Hoge-ruimtelijke resolutie X-Ray micro-CT en geavanceerde beeldverwerkings-en analysetechnieken hebben het experimentele onderzoek naar het mechanische gedrag van korrelvormige bodems onder afschuiving op multi-schaalniveaus mogelijk gemaakt (d.w.z. op macro schaal, meso-schaal en niveaus van korrelgrootte). Echter, CT-beeld-gebaseerde meso-en korrel-Scale onderzoeken vereisen de verwerving van hoge-ruimtelijke resolutie CT beelden van bodemmonsters tijdens het laden. Het meest uitdagende aspect van dit proces is misschi...

Het wordt alom erkend dat de mechanische eigenschappen van korrelvormige grond, zoals stijfheid, afschuifsterkte en permeabiliteit, van cruciaal belang zijn voor vele geotechnische constructies, bijvoorbeeld stichtingen, hellingen en rotsvuldammen. Gedurende vele jaren zijn tests ter plaatse en conventionele laboratoriumtests (bijv. eendimensionale compressie tests, triaxiale compressie tests en permeabiliteit tests) gebruikt om deze eigenschappen in verschillende bodems te evalueren. Codes en normen voor het testen van bodem mechanische eigenschappen zijn ook ontwikkeld voor technische doeleinden. Hoewel deze mechanische eigenschappen van de macro schaal intensief zijn bestudeerd, heeft het mechanische gedrag op korrel schaal (bijv. deeltjes kinematica, contact interactie en de lokalisatie van de stam) die deze eigenschappen regelt, veel minder aandacht gekregen van ingenieurs en onderzoekers. Een van de redenen is het gebrek aan effectieve experimentele methoden om het mechanische gedrag van de bodem op graan schaal te onderzoeken.
Tot nu is het grootste deel van het begrip van het mechanische gedrag van korrelvormige bodems afkomstig van discrete element Modeling1 (DEM), vanwege het vermogen om deeltjes schaal informatie te extraheren (bijv. deeltjes kinematica en deeltjes contact krachten). In eerdere studies van het gebruik van DEM-technieken om korrelig bodem mechanisch gedrag te modelleren, werd elk afzonderlijk deeltje simpelweg vertegenwoordigd door een enkele cirkel of bol in het model. Het gebruik van dergelijke over-vereenvoudigde deeltjes vormen heeft geleid tot de overmatige rotatie van deeltjes en daardoor een lager piek sterkte-gedrag2. Om een betere modellerings prestatie te bereiken, hebben veel onderzoekers een rolweerstandmodel 3,4,5,6 of onregelmatig deeltjesvormen 7,8, 9,10,11,12 in hun dem-simulaties. Als gevolg hiervan is een realistischer begrip van het gedrag van deeltjes KINEMATISCH verkregen. Naast deeltjes kinematica wordt DEM steeds vaker gebruikt om de interactie tussen granen en contact te onderzoeken en theoretische modellen te ontwikkelen. Vanwege de eis om echte deeltjes vormen en het gebruik van geavanceerde contact modellen te reproduceren, vereist DEM echter een extreem hoge computationele capaciteit bij het modelleren van korrelvormige bodems met onregelmatige vormen.
Onlangs heeft de ontwikkeling van optische apparatuur en beeldvormingstechnieken (bijv. de Microscoop, laser-aided computertomografie, x-ray computer computertomografie (CT) en x-ray micro-computertomografie (μct)) veel mogelijkheden geboden voor het experimentele onderzoek van de mechanisch gedrag op korrel schaal van korrelvormige bodems. Via acquisitie en analyse van bodemmonster afbeeldingen vóór en na triaxiaal testen zijn dergelijke apparatuur en technieken gebruikt bij het onderzoek naar bodem microstructuren13,14,15,16 ,17,18,19. Meer recentelijk zijn in-situ tests met X-Ray CT of μct steeds vaker gebruikt om de evolutie van de void ratio20, stam verdeling21,22,23,24, deeltjes beweging25,26,27,28, tussen deeltjes contact29,30,31 en deeltjes verbrijzelen32 van korrelvormige bodems. Hier impliceert "in situ" X-ray scanning uitgevoerd op hetzelfde moment als het laden. In tegenstelling tot algemene X-ray scanning, vereisen X-ray scanning tests in situ een speciaal vervaardigd laadapparaat om spanningen te leveren aan bodemmonsters. Met het gecombineerde gebruik van het laadapparaat en X-Ray CT-of μCT-apparaat kunnen CT-beelden van de monsters in verschillende laad stadia van de tests niet-destructief worden verkregen. Op basis van deze CT-beelden kunnen observaties van korrelig bodem gedrag op deeltjes schaal worden verkregen. Deze op deeltjes niveau gebaseerde observaties van CT-beelden zijn uiterst nuttig om numerieke bevindingen te controleren en nieuwe inzichten te verwerven in het mechanische gedrag van korrelvormige bodems.
Dit artikel is bedoeld om de details te delen van hoe een X-Ray in situ Scanning test van een bodemmonster kan worden uitgevoerd, met behulp van een voorbeeldig experiment dat deeltjes kinematica, strain lokalisatie en interdeeltjes contact evolutie in een bodemmonster observeert. De resultaten tonen aan dat X-Ray in situ Scanning tests een groot potentieel hebben om het korrelvormige gedrag van korrelvormige bodems te verkennen. Het protocol heeft betrekking op de keuze van X-Ray μCT apparaat en de bereiding van een miniatuur triaxiaal laadapparaat, en gedetailleerde procedures voor het uitvoeren van de test worden geleverd. Daarnaast zijn de technische stappen voor het gebruik en de analyse van beeldverwerking om de deeltjes kinematica (d.w.z. deeltjes translatie en deeltjes rotatie), de lokalisatie van de stam en de contact evolutie tussen deeltjes te kwantificeren (d.w.z. contactversterking, contact verlies en contact verplaatsing) van de bodem worden beschreven.

<table><tbody><tr><td>Confining pressure offering device</td><td>GDS</td><td>STDDPC</td><td></td></tr><tr><td>De-aired water</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>Water de-aired in the lab</td></tr><tr><td>Leighton Buzzard sand</td><td>Artificial Grass Cambridge</td><td>Drained Industrial Sand 25 kg</td><td>Kan worden vervangen door verschillende grondsoorten</td></tr><tr><td>Miniature triaxial loading device</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>Het miniatuur laadapparaat is speciaal vervaardigd door de auteurs</td></tr><tr><td>Silicon grease</td><td>RS company</td><td>RS 494-124</td><td></td></tr><tr><td>Synchrotron radiation X-ray micro CT setup</td><td>Shanghai Synchrotron Radiation Facility Center (SSRF)</td><td>13W1</td><td>Het triaxiale testen wordt uitgevoerd op de BL13W straallijn van de SSRF</td></tr><tr><td>Vacuum pump</td><td>Hong Kong Labware Co., ltd.</td><td>Rocker 300</td><td></td></tr></tbody></table>

visualisatie van falen en het bijbehorende mechanische gedrag op korrel schaal van korrelvormige bodems onder afschuiving met behulp van synchrotron x-ray micro-tomografie

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

De snelle ontwikkeling van Röntgen beeldvormingstechnieken met beeldverwerkings-en analyse vaardigheden heeft de overname van CT-beelden van korrelvormige bodems met hoge ruimtelijke resoluties mogelijk gemaakt. Op basis van dergelijke CT-afbeeldingen kan mechanisch gedrag op korrel schaal, zoals deeltjes kinematica (d.w.z. deeltjes vertalingen en deeltjes rotaties), de lokalisatie van de stam en de onderlinge contact evolutie van korrelige bodems kwantitatief worden onderzocht. Dit is echter niet toegankelijk met conventionele experimentele methoden. Deze studie toont de verkenning van het mechanische gedrag op korrel schaal van een korrelig bodemmonster onder triaxiale compressie met behulp van Synchrotron X-Ray micro-tomografie (μCT). Met deze methode wordt een speciaal vervaardigde miniatuur laadinrichting gebruikt voor het aanbrengen van opsteek-en axiale spanningen op het monster tijdens de triaxiale test. Het apparaat is ingebouwd in een Synchrotron X-Ray computertomografie Setup, zodat hoge ruimtelijke resolutie CT-beelden van het monster kunnen worden verzameld in verschillende laad stadia van de test zonder verstoring van het monster. Met de mogelijkheid om informatie op de macro schaal te extraheren (bijvoorbeeld de grens spanningen en-stammen van de triaxiale installatie) en de korrel schaal (bv. korrel bewegingen en contact interacties van de CT-beelden), biedt deze procedure een effectieve methodologie om de Multi-Scale mechanica van korrelvormige bodems te onderzoeken.

Figuur 5 toont de deeltjes kinematica resultaten van een Leighton Buzzard Sand (lbs) sample op een 2D slice tijdens twee typische shear stappen, I en II. De meeste deeltjes worden met succes bijgehouden en hun vertalingen en rotaties worden gekwantificeerd volgens het bovenstaande protocol. Tijdens de eerste shear increment vertonen geen deeltjes verplaatsingen of deeltjes rotaties een duidelijke lokalisatie. Echter, een gelokaliseerde band is ontwikkeld in zowel de partikel verplaatsing kaa...

Het protocol beschrijft procedures voor het verkrijgen van hoge-ruimtelijke resolutie computertomografie (CT) beelden van een korrelige bodem tijdens triaxiale compressie, en het toepassen van beeldverwerkingstechnieken om deze CT-beelden te verkennen van de korrel schaal mechanisch gedrag van de bodem onder het laden.

Visualisatie van falen en het bijbehorende mechanische gedrag op korrel schaal van korrelvormige bodems onder afschuiving met behulp van Synchrotron X-Ray micro-tomografie

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

Dit protocol maakt het mogelijk om deeltjesschaalgegevens van korrelige bodems te verkrijgen met behulp van x-ray microtomografie en een inzicht te ontwikkelen in de processen en mechanismen op microschaal die ten grondslag liggen aan het microscopisch gedrag van korrelige materialen. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat het een volledige toegang biedt tot de deeltjesschaal informatie van korrelige bodems, waaronder deeltjesmorfologie, microstructuur, breuk, verplaatsing en rotatie binnen de vervorming van korrelige materialen. Deze methode kan ook worden toegepast op het onderzoek van andere soorten natuurlijke of synthetische materialen op basis van steen, zoals rotsen, bodemrotsmengsel, beton, keramiek, asfalt en zelfs polymeercomposieten.Begin ruim van tevoren met het ontwerp van het experiment, zoals beschreven in het tekstprotocol. Bepaal testmateriaal, deeltjesgrootte, monstergrootte en monsterinitiaire porositeit. Om een bodemmonster op het bord voor te bereiden, voeg je eerst een kleine hoeveelheid siliconenvet toe rond het zijdelingse oppervlak van de bovenkant van de basisplaat.Plaats vervolgens een poreuze steen op het bovenoppervlak. Plaats een membraan rond het zijoppervlak van de bovenkant. Voeg een kleine hoeveelheid siliconenvet toe aan de contactoppervlakken tussen de twee delen van de monstermaker en plaats de monstermaker op de basisplaat om het membraan erdoorheen te laten gaan.Sluit de monstermaker. Maak zuigkracht in de monstermaker door zijn mondstuk met behulp van een vacuümpomp. Bevestig het membraan op het zijoppervlak van de bovenkant.Zorg ervoor dat het membraan aan het binnenoppervlak van de monstermaker is bevestigd. Laat het testgranulaire materiaal van een bepaalde hoogte met behulp van een trechter in de monstermaker vallen totdat het volledig is gevuld. Het bovenste oppervlak van het bodemmonster moet hetzelfde niveau hebben als de bovenrand van de monstermaker.Plaats een andere poreuze steen op de top van de bodem monster. Breng wat siliconenvet aan rond het laterale oppervlak van een roestvrijstalen kussenplaat en leg het op de poreuse steen. Verwijder de bovenzijde van het membraan uit de monstermaker en bevestig deze aan de kussenplaat.Verwijder de zuigkracht in de monstermaker mondstuk en maak zuigkracht in de klep op de bodemplaat. Verwijder ten slotte de monstermaker. Een miniatuur droog monster wordt geproduceerd.Bevestig nu de beperkende cel op de bodemplaat en bevestig de bovenste plaat van de kamer op de bovenkant van de beperkende cel. Breng de rest van het laadapparaat op de bovenplaat van de kamer. Voeg een constante beperkende druk van 25 kilopascals toe aan het monster en verwijder de zuigkracht in het monster.Geleidelijk verhogen van de beperkende druk tot een vooraf bepaalde waarde met behulp van de beperkende druk aanbieden apparaat. Als u een gedeelte van het voorbeeld wilt scannen, stelt u de computertomografie of CT-scanner in op de modus beeldopname. Start vervolgens de rotatiefase om het hele apparaat over 180 graden te draaien bij een vooraf bepaalde constante rotatiesnelheid om CT-projecties van het monster onder verschillende hoeken vast te leggen.Voor een CT-scanner met een hoge ruimtelijke resolutie vereist een volledige scan van het monster meestal dat het monster op verschillende hoogtes wordt gescand. Breng een axiale belasting aan op het monster met een constante beladingsgraad. Hier wordt een laadsnelheid van 0,2 procent per minuut gebruikt.Gebruikers kunnen een andere laadsnelheid instellen op basis van de experimentvereiste. Pauzeer de axiale belasting bij een vooraf bepaalde axiale stam. Wacht tot de gemeten axiale kracht een constante waarde bereikt en voer de volgende scan uit.Herhaal deze stappen tot het einde van het laden. We construeren CT-segmenten van het monster op basis van de CT-projecties na het fase ophalen met behulp van de PITRE-software. Laad de projecties in PITRE vanuit de afbeelding van het laden van het menu.Klik op het pictogram projectie sinogram. Voer relevante parameters in het weergegeven venster in en klik op enkele om een CT-segment te reconstrueren. Afbeeldingsfiltering implementeren op de CT-segmenten.Een anisotropische diffusiefilter wordt gebruikt om beeldfiltering uit te voeren. Voer nu afbeeldingsbinarisatie uit op de gefilterde CT-segmenten. Implementeer hiervoor de binaireisatie van de afbeelding door een drempelwaarde voor intensiteit toe te passen op de CT-segmenten.Deze waarde wordt bepaald aan de hand van de intensiteit histogram van de CT-segmenten met behulp van Otsu's methode. Scheid afzonderlijke deeltjes van de binarized CT-segmenten met behulp van een op marker gebaseerd waterscheidingsalgoritme en bewaar de resultaten in een afbeelding met een 3D-label. Valideer de resultaten door de berekende deeltjesgrootteverdeling van de CT-afbeelding te vergelijken met die van een mechanische zeeftest.Een matlab script wordt gebruikt om deeltjeseigenschappen te extraheren, met inbegrip van deeltjesvolume, deeltjesoppervlakte, deeltjesoriëntatie, en deeltjescentroid coördinaten. Intrinsieke matlab functies worden gebruikt om deze eigenschappen te verwerven voor elk deeltje. Haal contactkiefgaten uit de binarized CT-segmenten door implementatie van een logische en bewerking tussen de binaire afbeelding van de CT-segmenten en het binaire beeld van waterscheidingslijnen die zijn verkregen uit de implementatie van het op marker gebaseerde waterscheidingsalgoritme.Om het stamveld van het monster te kwantificeren, gebruikt u een rastergebaseerde methode om het stamveld te berekenen tijdens twee opeenvolgende scans, op basis van de deeltjesvertaling en deeltjesrotatie. Analyseer de evolutie van het contact tussendeeldeel deeltjes van het monster. Op basis van de geëxtraheerde contact schuttersgaten, de gelabelde beelden van deeltjes, en de deeltjes tracking resultaten, analyseren de tak vector oriëntatie van de verloren contacten en de opgedaan contacten binnen het monster tijdens elke toename van het aandeel.De stress-stam curve en een 2-D segment van een Leighton Buizerd zand monster onder triaxiale compressie worden getoond. Hier worden deeltjeskinematica weergegeven op het 2D-segment tijdens de test. De meeste deeltjes worden met succes bijgehouden en hun vertalingen en rotaties worden gekwantificeerd.Een gelokaliseerde band wordt ontwikkeld in zowel de deeltjesverplaatsingskaart als de deeltjesrotatiekaart aan het einde van de test. Hier wordt de genormaliseerde oriëntatiefrequentie van takvectoren van opgedaane contacten en verloren contacten in het monster tijdens de test weergegeven. De verloren contacten vertonen een duidelijke directionele voorkeur voor de kleine principe stress richting tijdens de test.Kalibratie van de rotatieas zoals beschreven in het tekstprotocol is belangrijk omdat de succesvolle reconstructie van ct-segment niet alleen afhankelijk is van de juiste positionering van de rotatiefase. Om te voorkomen dat geïoniseerde straling aan menselijke lichamen uit de x-ray bron, moet men ervoor zorgen dat alle deuren en ramen van de scankamer goed zijn gesloten voor elke scan. Na een soortgelijke procedure kunnen instituutstests met röntgendiffractie of verstrooiing worden uitgevoerd.Dit biedt een hulpmiddel voor het meten van contactkrachten tussen deeltjes en hun voortplanting in de vormende korrelmaterialen. De verkregen experimentele gegevens kunnen worden gebruikt voor de ontwikkeling van geavanceerde constitutieve modellen van zand, rekening houdend met hun graan-schaal mechanisch gedrag, en voor numerieke modellering van zand onder belasting.

visualization-failure-associated-grain-scale-mechanical-behavior

Research

JoVE Journal

Engineering

Techniek

We gebruikten synchrotron X-ray tomografie bij de European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) naar niet-invasieve 3D tomografie datasets te produceren met een pixel-resolutie van 0.7μm. Met behulp van volume rendering software, dit maakt de reconstructie van de interne structuren in hun natuurlijke staat, zonder de artefacten die door histologische coupes.

Niet-invasieve 3D-visualisatie met Sub-micron resolutie met behulp van synchrotronstraling-X-ray-tomografie

We presenteren een methodologie voor het beeldvormen van meerdere vloeistoffasen onder reservoiromstandigheden door het gebruik van röntgenmicrotomografie. We tonen enkele representatieve resultaten van capillair opsluiten in een karbonaatgesteentemonster.

Reservoir Conditie Pore-schaal Beeldvorming van Multiple Fluid fasen met behulp van X-ray Microtomografie

Synchrotron-gebaseerde harde X-ray microtomografie wordt gebruikt om de elektrochemische groei van dendrieten van een lithiummetaalelektrode door een membraan van vaste polymeerelektrolyt in beeld te brengen.

Failure Analysis Batterijen met synchrotron gebaseerde Hard X-ray Microtomografie

Voor deze studie synchrotronstraling micro-tomografie, een niet-destructieve driedimensionale beeldvormende techniek wordt gebruikt om een ​​volledige micro-elektronische verpakking met een doorsnede van 16 x 16 mm onderzocht. Vanwege de hoge flux en de helderheid van het synchrotron van het monster werd in beeld gebracht in slechts 3 minuten met een 8,7 micrometer ruimtelijke resolutie.

Met behulp van Synchrotron Radiation Microtomografie Multi-scale Driedimensionale Microelectronic pakketten Onderzoek

Synchrotron snelle tomografie werd gebruikt om dynamisch beeld oplossen van kalksteen in de aanwezigheid van CO 2 -verzadigde pekel met reservoiromstandigheden. 100 scans werden bij een resolutie 6,1 urn gedurende 2 uur.

Dynamische Pore schaal Reservoir voorwaarde beeldvorming van Reaction in carbonaten met synchrotron Fast Tomography

Dit artikel geeft een gedetailleerde werkwijze om de microstructuur van ultrafijne korrel en nanokristallijne materialen met een scanning elektronenmicroscoop uitgerust met een standaard elektronen backscatter diffractie systeem karakteriseren. Metaallegeringen en mineralen presenteren verfijnde microstructuren worden geanalyseerd met deze techniek, die de diversiteit van de toepassingsmogelijkheden.

Karakterisering van Ultra-fijnkorrelige en nanokristallijne materialen met behulp van Transmission Kikuchi Diffraction

Wij rapporteren gedetailleerde procedures voor compressie experimenten over rotsen en minerale aggregaten binnen een multi aambeeld vervorming apparaat synchrotron straling wordt gekoppeld. Dergelijke experimenten kunnen de kwantificering van de stress-distributie binnen monsters, die uiteindelijk licht op verdichting processen in geomaterials werpt.

Distributie van de stress tijdens koude compressie van gesteenten en minerale aggregaten met behulp van röntgendiffractie Synchrotron gebaseerde

We beschrijven de instelling van een beamline bedoeld voor het uitvoeren van snelle twee-dimensionale röntgenfoto fluorescentie en x-ray microdiffraction toewijzing van kristallen of poeder monsters met Laue (polychromatische straling) of poeder (monochromatische straling) diffractie. De resulterende kaarten geven informatie over stam, oriëntatie, fase distributie en plastische vervorming.

Synchrotron X-ray Microdiffraction en fluorescentie beeldvorming van minerale en Rock monsters

Microstructurally kleine vermoeidheid spleet groei gedrag wordt onderzocht met behulp van een nieuwe methodologische benadering combineren spleet groei meting en stam-veld analyse te onthullen het veld Cumulatieve vervorming op niveau van de sub graan.

Full-veld stam metingen voor Microstructurally kleine vermoeidheid kraken Propagation digitaal beeld correlatie methode

Dit werk presenteert een driedimensionaal virtueel simulatie-experiment voor materiaalvervorming en -falen dat gevisualiseerde experimentele processen biedt. Door middel van een reeks experimenten kunnen gebruikers vertrouwd raken met de apparatuur en de bewerkingen leren in een meeslepende en interactieve leeromgeving.

Een virtueel simulatie-experiment van mechanica: materiaalvervorming en falen op basis van scanning elektronenmicroscopie

Het protocol maakt het mogelijk om de vervorming van de botmicrostructuur in het gehele proximale menselijke dijbeen en de taaiheid ervan te meten door micro-CT-scans met een groot volume, een op maat gemaakte compressiefase en geavanceerde beeldverwerkingstools te combineren.

Beeldvorming van het microstructurele faalmechanisme in de menselijke heup

Ontdek hoe je korrelgedrag in granulaire bodems bestudeert met behulp van synchrotron röntgen-microtomografie en triaxiale compressietests. Deze methode biedt inzicht in deformatiemechanismen op deeltjesschaal.

Visualisatie van falen en het bijbehorende mechanische gedrag op korrel schaal van korrelvormige bodems onder afschuiving met behulp van Synchrotron X-Ray micro-tomografie (Video) | JoVE Journal

Visualisatie van falen en het bijbehorende mechanische gedrag op korrel schaal van korrelvormige bodems onder afschuiving met behulp van Synchrotron X-Ray micro-tomografie

Meer video's verkennen