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

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.