Name: Wizualizacja uszkodzeń i związanego z nimi zachowania mechanicznego ziarnistych gruntów ziarnistych pod ścinaniem przy użyciu synchrotronowej mikrotomografii rentgenowskiej (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-09-29T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min
Description: Poznaj metodę mikrotomografii rentgenowskiej do analizy mechaniki gruntów ziarnistych pod obciążeniem ściskającym. Technika ta umożliwia szczegółowe badanie morfologii cząstek, mikrostruktury oraz mechanizmów deformacji w skali mikroskopowej.

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

To badanie było wspierane przez Ogólny Fundusz Badawczy nr. CityU 11213517 z Rady Grantów Badawczych Specjalnego Regionu Administracyjnego Hongkong, Grant Badawczy nr 51779213 z Narodowej Fundacji Nauki Chin oraz linia badawcza BL13W z Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF).

1. Projektowanie eksperymentu z dużym wyprzedzeniem
<ol>
	<li>Określić badany materiał, wielkość cząstek, wielkość próbki i początkową porowatość próbki. 
	UWAGA: Piasek Leighton Buzzard o średnicy 0,15 ~ 0,30 mm i wielkości próbki 8 x 16 mm (średnica x wysokość) jest używany jako przykład w celu zademonstrowania protokołu tego badania. Można również użyć innych piasków, takich jak piasek Fujian, piasek Houston, piasek Ottawa i ooidy Caicos itp., a także próbki o podobnych rozmiarach.</li>
	<li>Wybierz odpowiedni detektor (<silna klasa="xfig">Rysunek 1A) zgodnie z wymaganą rozdzielczością przestrzenną i obszarem skanowania, które są określane zgodnie z wcześniej określoną wielkością cząstek i wielkością próbki. Na przykład w tym badaniu wykorzystano detektor o rozdzielczości przestrzennej 6,5 μm. Ma efektywny obszar skanowania 2048 x 860 pikseli (tj. 13,3 × 5,6 mm). 
	UWAGA: Podczas trójosiowej próby ściskania zdeformowana próbka powinna pozostać w obszarze skanowania detektora. Należy użyć detektora o wysokiej rozdzielczości przestrzennej, tak aby poszczególne cząstki zawierały wystarczającą ilość wokseli do właściwej ekstrakcji właściwości cząstek.</li>
	<li>Określ wymaganą energię źródła promieniowania rentgenowskiego (<silna klasa = "xfig" >Rysunek 1A) i czas ekspozycji zgodnie z badanym materiałem i wielkością próbki. Ogólnie rzecz biorąc, w przypadku większej próbki złożonej z gęstszego materiału należy użyć wyższej energii. Dla próbek piasku w tym badaniu należy użyć energii promieniowania rentgenowskiego 25 keV i czasu ekspozycji 0,05 s. 
	UWAGA: Wymaganą energię promieniowania rentgenowskiego i czas ekspozycji można określić metodą prób i błędów, korzystając z zeskanowanej projekcji próbki. Stosunek minimalnej intensywności rzutu w skali szarości do jego wartości maksymalnej nie powinien być niższy niż 0,2. W przeciwnym razie należy zastosować wyższą energię promieniowania rentgenowskiego lub dłuższy czas ekspozycji.</li>
	<li>Określ wymaganą prędkość obrotową ω (stopnie na sekundę) dla etapu obrotu (<silna klasa="xfig">Rysunek 1A) urządzenia rentgenowskiego. Prędkość obrotową ω oblicza się zgodnie z wymaganą liczbą występów N (np. N = 1,080) dla rekonstrukcji warstwy CT. 
	UWAGA: ω=180 Vs/N. Tutaj Vs to prędkość skanowania urządzenia rentgenowskiego, tj. liczba zdjęć rentgenowskich skanowanych i rejestrowanych na sekundę. Na Vs ma największy wpływ wydajność detektora i sprzętu związanego z czujnikiem, takiego jak komputer.</li>
	<li>Wykonać trójosiowy aparat ładujący (rysunki 1B, C, patrz również odniesienie 33), który będzie używany w połączeniu z urządzeniem rentgenowskim μCT. Aparat powinien mieć te same główne funkcje, co konwencjonalny trójosiowy aparat uciskowy. Projekt powinien uwzględniać wymóg wielkości próbki, zakres naprężeń ograniczających i szybkości obciążenia. 
	UWAGA: Aparat powinien mieścić się w urządzeniu rentgenowskim μCT i być lekki, aby ułatwić jego obracanie za pomocą stolika obrotowego. Komórka trójosiowa powinna być przezroczysta dla promieni rentgenowskich. Biorąc pod uwagę wymóg przezroczystości, do produkcji ogniwa trójosiowego można użyć akrylu i poliwęglanu.</li>
	<li>Przeprowadzić test przy tym samym ciśnieniu ograniczającym, prędkości ładowania i właściwościach próbki (tj. materiale, wielkości próbki i porowatości początkowej) poza tomografem rentgenowskim, aby zaplanować, kiedy należy wstrzymać ładowanie w celu skanowania CT.</li>
</ol>
2. Przeprowadzanie testów kompresji trójosiowej in situ
<ol>
	<li>Umieść trójosiowy sprzęt załadowczy i badany materiał na miejscu. 
	UWAGA: Aparat załadowczy i urządzenie do wytwarzania ciśnienia ograniczającego (patrz Tabela materiałów) są umieszczone w pomieszczeniu tomografii rentgenowskiej, podczas gdy urządzenia do akwizycji i kontroli danych znajdują się na zewnątrz. Ładowanie trójosiowe i tomografia komputerowa próbki są następnie wykonywane poza pomieszczeniem skanowania.</li>
	<li>Zamocuj stopień podnoszenia na płycie urządzenia do mikrotomografii komputerowej rentgenowskiej (<silna klasa="xfig">Rysunek 1B). Zamocuj odpowiednio stopień przechylania na stopniu podnoszenia i stopień obrotu na stoliku przechylania (<silna klasa="xfig">Rysunek 1B). 
	UWAGA: Stopień podnoszenia i stopień przechylania powinny mieć wystarczający udźwig, aby przesunąć umieszczony na nich odpowiedni sprzęt.</li>
	<li>Dostosuj położenie i orientację stolika obrotowego za pomocą stolika przechylającego w taki sposób, aby każde pojedyncze promieniowanie rentgenowskie przechodziło przez te same punkty w próbce, gdy jest obracane o 180 stopni wokół osi stolika obrotu. 
	UWAGA: Kroki od 2.2 do 2.3 mają zastosowanie do urządzenia rentgenowskiego do mikrotomografii komputerowej w Centrum Promieniowania Synchrotronowego w Szanghaju (SSRF). W przypadku mikrotomografii rentgenowskiej stosowanej specjalnie do badań trójosiowych in situ, etapy te można pominąć po starannym ustawieniu i zamocowaniu stopnia obrotu.</li>
	<li>Przygotuj próbkę gleby na tablicy zgodnie z poniższymi procedurami.
	<ol>
		<li>Dodaj niewielką ilość smaru silikonowego wokół bocznej powierzchni górnego końca płyty podstawy i umieść porowaty kamień na jej górnej powierzchni. Umieść membranę wokół bocznej powierzchni górnego końca (<silna klasa="xfig">Rysunek 2A).</li>
		<li>Dodać niewielką ilość smaru silikonowego na powierzchnie styku między dwiema częściami urządzenia do pobierania próbek i zablokować je. Umieść urządzenie do pobierania próbek na płycie podstawy i pozwól, aby membrana przez nią przeszła (<silna klasa="xfig">Rysunek 2B).</li>
		<li>Wytworzyć ssanie (np. 25 kPa) wewnątrz urządzenia do pobierania próbek przez jego dyszę za pomocą pompy próżniowej. Przymocuj membranę do bocznej powierzchni jej górnego końca. Upewnij się, że membrana jest przymocowana do wewnętrznej powierzchni urządzenia do pobierania próbek (<silna klasa = "xfig" > Rysunek 2C).</li>
		<li>Upuść badany materiał granulowany z pewnej wysokości do urządzenia do pobierania próbek za pomocą lejka, aż zostanie całkowicie wypełniony. Górna powierzchnia próbki gleby powinna znajdować się na tym samym poziomie, co górna krawędź urządzenia do pobierania próbek (<silna klasa="xfig">Rysunek 2D).</li>
		<li>Umieść kolejny porowaty kamień na próbce gleby, a na wierzchu porowatego kamienia płytkę poduszkową ze stali nierdzewnej. Nałóż trochę smaru silikonowego na boczną powierzchnię płyty poduszki. Zdejmij górną stronę membrany z urządzenia do pobierania próbek i przymocuj ją do płytki amortyzującej (Rysunek 2E).</li>
		<li>Usuń ssanie z dyszy urządzenia do pobierania próbek i wytwórz ssanie wewnątrz zaworu na płycie podstawy. Na koniec wyjmij maszynę do próbki. Wytwarzana jest miniaturowa sucha próbka, jak widać na Rysunek 2F. 
		UWAGA: Ten krok demonstruje procedurę wytwarzania miniaturowej próbki gleby przy użyciu metody pluwiacji powietrza. Do produkcji próbki można również zastosować tradycyjną metodę zagęszczania na sucho.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Zamocuj komórkę ograniczającą na płycie podstawy i zamocuj górną płytę komory na górze komory ograniczającej (<silna klasa = "xfig" >Rysunek 1C).</li>
	<li>Zamocuj wałek tłokowy ogniwa na górnej płycie komory (<silna klasa = "xfig" > Rysunek 1C).</li>
	<li>Umieść płytę podstawy razem z komorą ograniczającą i płytą górną komory na stoliku obrotowym. Ramka służy do regulacji wysokości próbki do tomografii komputerowej (<silna klasa="xfig">Rysunek 1B). 
	UWAGA: Ta rama jest używana ze względu na ograniczony zakres ruchu stopnia podnoszenia w SSRF. Nie ma potrzeby stosowania ramy, jeśli używany jest stopień podnoszenia o dużym zakresie ruchu.</li>
	<li>Resztę aparatu załadowczego umieścić na górnej płycie komory.</li>
	<li>Zainstaluj liniowy zmienny transformator różnicowy (LVDT), ogniwo obciążnikowe i silnik krokowy i aktywuj je (<silna klasa="xfig">Rysunek 1C).</li>
	<li>Napełnij celę odpowietrzeną wodą przez zawór ciśnieniowy ogniwa (CP) (patrz <silna klasa="xfig">Rysunek 1C) używając wody dostarczanej z urządzenia do oferowania ciśnienia ograniczającego (patrz Tabela materiałów). Zamknij zawór odpływu wody (WE) (patrz <silna klasa="xfig">Rysunek 1C), gdy woda zacznie wypływać z zaworu. 
	UWAGA: Ustaw urządzenie oferujące ciśnienie ograniczające na tryb stałego ciśnienia z bardzo niską stałą wartością ciśnienia (np. 10 kPa).</li>
	<li>Dodać do próbki stałe ciśnienie ograniczające wynoszące 25 kPa i usunąć ssanie wewnątrz próbki.</li>
	<li>Stopniowo zwiększaj ciśnienie ograniczające do wcześniej określonej wartości za pomocą urządzenia do oferowania ciśnienia ograniczającego.</li>
	<li>Przeprowadzić pierwsze skanowanie próbki. W przypadku tomografu komputerowego o wysokiej rozdzielczości przestrzennej (np. o rozmiarze piksela 6,5 μm) pełne skanowanie próbki (np. o wysokości 16 mm) zwykle wymaga zeskanowania próbki na kilku różnych wysokościach (tj. skan jest podzielony na kilka sekcji). 
	UWAGA: Jeśli używany jest detektor o niskiej rozdzielczości przestrzennej i próbka o małym rozmiarze, obszar skanowania może być wystarczający do uzyskania skanu pełnego pola próbki przy użyciu jednego przekroju.
	<ol>
		<li>Zeskanuj fragment próbki. Ustaw tomograf komputerowy w trybie przechwytywania obrazu, a następnie rozpocznij etap rotacji, aby obrócić całe urządzenie o 180 stopni z ustaloną stałą szybkością obrotu (np. 3.33 stopnia/s), aby uchwycić projekcje CT próbki pod różnymi kątami. 
		UWAGA: Sugeruje się, aby próbka była skanowana od dołu do góry (tj. pierwsza sekcja zawiera wszystkie cząstki znajdujące się na dnie próbki).</li>
		<li>Wyłącz tryb przechwytywania obrazu po zakończeniu obracania. Obróć urządzenie z powrotem do pozycji wyjściowej.</li>
		<li>Podnieś próbkę wraz z całym aparatem do góry za pomocą stopnia podnoszącego (<silna klasa="xfig">Rysunek 1B) o określoną wysokość (np. 4 mm) w celu zeskanowania następnej sekcji próbki. 
		UWAGA: Podnoszenie powinno zapewnić, że bieżąca sekcja i ostatnia sekcja nakładają się na siebie (tj. występuje nakładanie się dowolnych dwóch kolejnych sekcji). Zakładka powinna wynosić co najmniej 10 pikseli, aby ułatwić ich zszycie.</li>
		<li>Powtarzać kroki 2.13.1-2.13.3 aż do zeskanowania ostatniej sekcji próbki.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przykładać obciążenie osiowe do próbki ze stałą szybkością obciążenia. W tym badaniu zastosowano szybkość ładowania 0,2%/min. Użytkownicy mogą ustawić inną szybkość ładowania zgodnie z wymaganiami eksperymentu.</li>
	<li>Wstrzymaj obciążenie osiowe przy wcześniej określonym odkształceniu osiowym. Poczekaj, aż zmierzona siła osiowa osiągnie stałą wartość (zwykle w ciągu 2 minut) i przeprowadź następne skanowanie. Procedury skanowania są takie same, jak pokazano w kroku 2.13.</li>
	<li>Powtarzaj kroki 2.14 i 2.15 aż do końca ładowania.</li>
	<li>Rozładować test i usunąć próbkę z aparatu trójosiowego.</li>
	<li>Zamontuj płytę podstawy i komórkę ograniczającą na stoliku obrotowym, aby uzyskać kilka płaskich projekcji (zwykle 10 projekcji) z detektora. Wyłącz źródło promieniowania rentgenowskiego, aby uzyskać taką samą liczbę ciemnych projekcji z detektora. 
	UWAGA: Płaskie i ciemne projekcje są używane do odzyskiwania fazowego surowych projekcji CT. Zastosowanie korekcji płaskiej i ciemnej zwiększa kontrast między próbką a otaczającym tłem w zrekonstruowanych wycinkach tomografii komputerowej. Pomaga również złagodzić artefakty pierścieniowe wynikające z wadliwych pikseli detektora.</li>
</ol>
3. Przetwarzanie i analiza obrazu
<ol>
	<li>Przetwarzanie obrazu
	<ol>
		<li>Zaimplementuj pobieranie fazowe (Rysunek 3B) surowych projekcji CT (<silna klasa="xfig">Rysunek 3A) próbki za pomocą wolnego oprogramowania PITRE34. Załaduj projekcje (w tym płaskie i ciemne) do PITRE z menu Załaduj obraz. Kliknij ikonę PPCI. Wprowadź odpowiednie parametry skanowania i kliknij przycisk Pojedyncza, aby zaimplementować pobieranie fazy. 
		UWAGA: Implementacja odzyskiwania faz zapewnia poprawę interfejsów między różnymi fazami (tj. fazą pustki i fazą stałą) w zrekonstruowanych warstwach CT, co ma istotne znaczenie dla późniejszej analizy obrazowej kontaktów międzycząsteczkowych.</li>
		<li>Zrekonstruuj wycinki CT próbki za pomocą PITRE na podstawie projekcji CT po pobraniu fazy (<silna klasa="xfig">Rysunek 3C). Załaduj projekcje do PITRE z menu Załaduj obraz. Kliknij ikonę ProjSino. Wprowadź odpowiednie parametry w wyświetlonym oknie i kliknij Pojedynczy, aby zrekonstruować wycinek CT. 
		UWAGA: Sprawdź poziome plasterki, aby upewnić się, że nie ma ciężkich artefaktów utwardzania wiązki lub artefaktów pierścieniowych. W przeciwnym razie wymagana jest zmiana aktualnych parametrów skanowania i ponowne zeskanowanie próbki. Sprawdź pionowe plasterki. Jeśli próbka zostanie mocno przechylona przed ścinaniem, test uważa się za nieudany.</li>
		<li>Zaimplementuj filtrowanie obrazów w wycinkach CT. Anizotropowy filtr dyfuzyjny służy do filtrowania obrazu (<silna klasa="xfig">Rysunek 3D).</li>
		<li>Wykonaj binaryzację obrazu na przefiltrowanych wycinkach CT. Zaimplementuj binaryzację obrazu (<silna klasa="xfig">Rysunek 3E), stosując próg wartości intensywności do wycinków CT, który jest określany zgodnie z histogramem intensywności wycinków CT przy użyciu metody Otsu35. 
		UWAGA: W przypadku wycinków CT z histogramem intensywności w skali szarości wykazującym znaczne nakładanie się intensywności między fazą stałą a fazą pustki, wymagana jest walidacja binaryzacji obrazu przy użyciu masy fazy stałej36.</li>
		<li>Oddziel pojedyncze cząstki od binaryzowanych wycinków CT za pomocą algorytmu zlewni opartego na markerze i zapisz wyniki na obrazie oznaczonym w 3D (<silna klasa = "xfig">Rysunek 3F). Zatwierdzić wyniki, porównując obliczony rozkład wielkości cząstek z obrazu CT z rozkładem z testu przesiewania mechanicznego. 
		UWAGA: Do realizacji tego algorytmu można wykorzystać moduł Separate Objects oprogramowania Avizo Fire. Usuń porowate kamienie z binaryzowanych warstw antyterrorystów za pomocą modułu Border Kill of Avizo Fire. Aby uzyskać wiarygodne wyniki separacji cząstek, czytelnicy powinni wypróbować różne algorytmy segmentacji cząstek37,38,39.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Analiza obrazu
	<ol>
		<li>Wyodrębnij właściwości cząstek z oznaczonego obrazu. Skrypt MATLAB służy do wyodrębniania właściwości cząstek, w tym objętości cząstek, pola powierzchni cząstek, orientacji cząstek i współrzędnych środka ciężkości cząstek. 
		UWAGA: Wewnętrzne funkcje MATLAB regionprops, bwprim i pca są używane do uzyskania tych właściwości każdej cząstki. Bardziej szczegółowy opis tych procedur można znaleźć w pracy Cheng i Wang28.</li>
		<li>Wyodrębnij woksele kontaktowe z binaryzowanych wycinków CT poprzez implementację operacji logicznej AND między binarnym obrazem warstw CT (<silna klasa="xfig">Rysunek 4) a binarnym obrazem linii zlewiska uzyskanym w wyniku implementacji algorytmu zlewni opartego na markerach31. 
		UWAGA: Nadmierne wykrywanie wokseli kontaktowych może wystąpić z powodu efektu częściowej głośności i losowego szumu obrazów CT40,41. Jednak niewielkie nadmierne wykrywanie kontaktów międzycząsteczkowych nie miałoby znaczącego wpływu na ogólny trend ewolucji zachowań kontaktów międzycząsteczkowych42.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. Badanie mechanicznego zachowania gleb w skali ziarna oparte na obrazie CT
UWAGA: Poniższa analiza oparta na obrazie nie ma zastosowania do idealistycznie sferycznych cząstek lub próbek o bardzo wąskich zakresach gradacji (np. próbek monodyspersyjnych). Jednak w przypadku cząstek o dużej okrągłości i słabej gradacji (np. kulki szklane o średnicy 0,3 ~ 0,6 mm) metodologia daje dobre wyniki (patrz Cheng i Wang31).
<ol>
	<li>Określić ilościowo kinematykę cząstek próbki. Użyj metody śledzenia cząstek, aby śledzić poszczególne cząstki w próbce przy różnych skanach w oparciu o objętość cząstek lub powierzchnię cząstek. Szczegółowy opis tej metody znajduje się w Cheng and Wang28.
	<ol>
		<li>Oblicz translację każdej cząstki podczas dowolnych dwóch kolejnych skanów. Oblicza się ją jako różnicę we współrzędnych środka ciężkości cząstek między dwoma skanami.</li>
		<li>Określ kąt obrotu każdej cząstki zgodnie z różnicą w jej orientacjach głównych osi głównych między dwoma skanami.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Określić ilościowo pole odkształcenia próbki. Użyj metody opartej na siatce, aby obliczyć pole odkształcenia podczas dowolnych dwóch kolejnych skanów w oparciu o translację cząstek i rotację cząstek. 
	UWAGA: Metoda wymaga oznaczonych obrazów próbki zarówno ze skanów, jak i wyników kinematyki cząstek. Czytelnicy są odsyłani do poprzedniego worka24 w celu uzyskania szczegółowego opisu.</li>
	<li>Przeanalizuj ewolucję kontaktu międzycząsteczkowego próbki. Na podstawie wyodrębnionych wokseli kontaktowych, oznaczonych obrazów cząstek i wyników śledzenia cząstek, przeanalizuj orientację wektora rozgałęzień utraconych kontaktów i uzyskanych kontaktów w próbce podczas każdego przyrostu ścinania. 
	UWAGA: Pełny opis tej metody znajduje się w Cheng and Wang31.</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Mikrotomografia komputerowa rentgenowska o wysokiej rozdzielczości przestrzennej oraz zaawansowane techniki przetwarzania i analizy obrazów umożliwiły eksperymentalne badanie mechanicznego zachowania gleb ziarnistych pod wpływem ścinania na poziomie wieloskalowym (tj. na poziomie makroskali, mezoskali i skali ziarna). Jednak badania w skali mezo- i ziarnistej oparte na obrazach CT wymagają uzyskania obrazów CT o wysokiej rozdzielczości przestrzennej próbek gleby podczas ładowania. Najtrudniejszym aspektem tego procesu je...

Powszechnie uznaje się, że właściwości mechaniczne granulowanego gruntu w skali makro, takie jak sztywność, wytrzymałość na ścinanie i przepuszczalność, są kluczowe dla wielu struktur geotechnicznych, na przykład fundamentów, zboczy i zapór skalnych. Od wielu lat do oceny tych właściwości w różnych glebach stosuje się testy na miejscu i konwencjonalne testy laboratoryjne (np. jednowymiarowe testy ściskania, testy ściskania trójosiowego i testy przepuszczalności). Do celów inżynieryjnych opracowano również kody i normy do badania właściwości mechanicznych gruntu. Podczas gdy te właściwości mechaniczne w skali makro były intensywnie badane, zachowanie mechaniczne w skali ziarna (np. kinematyka cząstek, interakcja kontaktowa i lokalizacja odkształceń), które rządzi tymi właściwościami, przyciągnęło znacznie mniej uwagi inżynierów i badaczy. Jednym z powodów jest brak skutecznych metod eksperymentalnych do badania mechanicznego zachowania gleb w skali ziarna.
Do tej pory większość wiedzy na temat mechanicznego zachowania ziarnistych gleb w skali ziarna pochodziła z modelowania elementów dyskretnych1 (DEM), ze względu na jego zdolność do wydobywania informacji w skali cząstek (np. kinematyki cząstek i sił kontaktu cząstek). We wcześniejszych badaniach nad wykorzystaniem technik DEM do modelowania zachowań mechanicznych ziarnistej gleby, każda pojedyncza cząstka była po prostu reprezentowana przez pojedynczy okrąg lub kulę w modelu. Użycie takich nadmiernie uproszczonych kształtów cząstek doprowadziło do nadmiernej rotacji cząstek, a tym samym do obniżenia zachowania siły szczytowej2. Aby osiągnąć lepszą wydajność modelowania, wielu badaczy korzystało z modelu oporu toczenia3,4,5,6 lub nieregularne kształty cząstek7,8,9,10,11,12 w swoich symulacjach DEM. W rezultacie uzyskano bardziej realistyczne zrozumienie zachowania kinematycznego cząstek. Oprócz kinematyki cząstek, DEM jest coraz częściej wykorzystywany do badania interakcji kontaktu ziaren i opracowywania modeli teoretycznych. Jednak ze względu na wymóg odtworzenia rzeczywistych kształtów cząstek i zastosowanie zaawansowanych modeli kontaktowych, DEM wymaga niezwykle wysokich zdolności obliczeniowych w modelowaniu ziarnistych gruntów o nieregularnych kształtach.
Ostatnio, rozwój sprzętu optycznego i technik obrazowania (np. mikroskopu, tomografii laserowej, rentgenowskiej tomografii komputerowej (CT) i mikrotomografii rentgenowskiej (μCT)) dostarczył wielu możliwości eksperymentalnego badania mechanicznego zachowania ziarnistych gleb w skali ziarna. Poprzez akwizycję i analizę obrazów próbek gleby przed i po testach trójosiowych, takie urządzenia i techniki zostały wykorzystane do badania mikrostruktur gleby13,14,15,16,17,18,19. Ostatnio testy in situ z rentgenowskim tomografem komputerowym lub μCT są coraz częściej wykorzystywane do badania ewolucji współczynnika pustek20, rozkład odkształceń21,22,23,24, ruch cząstek25,26,27,28, Inter-Particle Contact29,30,31 i kruszenie cząstek32 gleb ziarnistych. W tym przypadku "in situ" oznacza skanowanie rentgenowskie przeprowadzane w tym samym czasie co ładowanie. W przeciwieństwie do ogólnego skanowania rentgenowskiego, testy skanowania rentgenowskiego in situ wymagają specjalnie wyprodukowanego aparatu ładującego, aby dostarczyć naprężenia do próbek gleby. Dzięki połączonemu zastosowaniu aparatury ładującej i urządzenia rentgenowskiego CT lub μCT, obrazy CT próbek na różnych etapach ładowania testów mogą być uzyskiwane w sposób nieniszczący. Na podstawie tych obrazów CT można uzyskać obserwacje zachowania ziarnistej gleby w skali cząstek. Te oparte na obrazie CT obserwacje na poziomie cząstek są niezwykle pomocne w weryfikacji wyników numerycznych i uzyskaniu nowego wglądu w mechaniczne zachowanie ziarnistych gleb w skali ziarna.
Ten artykuł ma na celu podzielenie się szczegółami na temat tego, jak można przeprowadzić test skanowania rentgenowskiego in situ próbki gleby, korzystając z przykładowego eksperymentu, który obserwuje kinematykę cząstek, lokalizację odkształceń i ewolucję kontaktu międzycząsteczkowego w próbce gleby. Wyniki pokazują, że testy rentgenowskie in situ mają ogromny potencjał w zakresie badania zachowania gleb ziarnistych na poziomie ziarna. W protokole omówiono wybór urządzenia rentgenowskiego μCT oraz przygotowanie miniaturowego trójosiowego aparatu ładującego, a także przedstawiono szczegółowe procedury przeprowadzenia testu. Ponadto opisano etapy techniczne wykorzystania przetwarzania i analizy obrazu do ilościowego określenia kinematyki cząstek (tj. translacji i rotacji cząstek), lokalizacji odkształceń i ewolucji kontaktu między cząstkami (tj. wzmocnienia kontaktu, utraty kontaktu i ruchu kontaktu) gleby.

<table><tbody><tr><td>Ograniczające urządzenie do wytwarzania ciśnienia</td><td>GDS</td><td>STDDPC</td><td></td></tr><tr><td>Odpowietrzenie wody</td><td>N/</td><td>A N/A</td><td>Woda odpowietrzeniona w laboratorium</td></tr><tr><td>Leighton Buzzard piasek</td><td>Sztuczna trawa Cambridge</td><td>Odwodniony piasek przemysłowy 25 kg</td><td>Może być zastąpiony różnymi glebami</td></tr><tr><td>Miniaturowe trójosiowe urządzenie ładujące</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>Miniaturowe urządzenie ładujące jest specjalnie produkowane przez autorzy</td></tr><tr><td>Smar silikonowy</td><td>RS firma</td><td>RS 494-124</td><td></td></tr><tr><td>Promieniowanie synchrotronowe Konfiguracja mikro CT promieniowania rentgenowskiego</td><td>Shanghai Synchrotron Radiation Facility Center (SSRF)</td><td>13W1</td><td>Testy trójosiowe są przeprowadzane na linii wiązki BL13W pompy próżniowej SSRF</td></tr><tr><td></td><td>Hong Kong Labware Co., ltd.</td><td>Kołyska 300</td><td></td></tr></tbody></table>

wizualizacja uszkodzeń i związanego z nimi zachowania mechanicznego ziarnistych gruntów ziarnistych pod ścinaniem przy użyciu synchrotronowej mikrotomografii rentgenowskiej

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

Szybki rozwój technik obrazowania rentgenowskiego z umiejętnościami przetwarzania i analizy obrazów umożliwił pozyskiwanie obrazów tomografii komputerowej ziarnistych gleb o wysokiej rozdzielczości przestrzennej. Na podstawie takich obrazów CT można ilościowo badać zachowania mechaniczne w skali ziarna, takie jak kinematyka cząstek (tj. translacje i rotacje cząstek), lokalizacja odkształceń i ewolucja kontaktu międzycząsteczkowego w glebach ziarnistych. Jest to jednak nieosiągalne przy użyciu konwencjonalnych metod eksperymentalnych. Badanie to demonstruje badanie mechanicznego zachowania ziarnistej próbki gleby w skali ziarna pod wpływem trójosiowego ściskania za pomocą synchrotronowej mikrotomografii rentgenowskiej (μCT). W tej metodzie stosuje się specjalnie wyprodukowane miniaturowe urządzenie ładujące do przykładania naprężeń ograniczających i osiowych do próbki podczas testu trójosiowego. Aparatura jest wyposażona w synchrotronową tomografię rentgenowską, dzięki czemu obrazy CT próbki o wysokiej rozdzielczości przestrzennej mogą być zbierane na różnych etapach ładowania testu bez żadnych zakłóceń w próbce. Dzięki możliwości wydobywania informacji w skali makro (np. naprężenia graniczne próbki i odkształcenia z układu aparatury trójosiowej) oraz skali ziarna (np. ruchy ziaren i interakcje kontaktowe z obrazów CT), procedura ta zapewnia skuteczną metodologię badania wieloskalowej mechaniki gleb ziarnistych.

Rysunek 5 przedstawia wyniki kinematyki cząsteczek próbki piasku z Leighton Buzzard (LBS) w przekroju 2D podczas dwóch typowych przyrostów ścinania, I i II. Większość cząsteczek została pomyślnie wyśledzona, a ich translacje i rotacje określono zgodnie z powyższym protokołem. Podczas pierwszego przyrostu ścinania ani przemieszczenia, ani rotacje cząsteczek nie wykazują wyraźnej lokalizacji. Jednak podczas drugiego przyrostu ścinania w mapie przemieszczeń oraz w mapie rotacji cząsteczek rozwi...

Protokół opisuje procedury pozyskiwania obrazów tomografii komputerowej (CT) ziarnistego gruntu o wysokiej rozdzielczości przestrzennej podczas trójosiowego ściskania oraz stosowania technik przetwarzania obrazów do tych obrazów CT w celu zbadania mechanicznego zachowania gleby pod obciążeniem w skali ziarna.

Wizualizacja uszkodzeń i związanego z nimi zachowania mechanicznego ziarnistych gruntów ziarnistych pod ścinaniem przy użyciu synchrotronowej mikrotomografii rentgenowskiej

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

Protokół ten pozwala na pozyskiwanie danych w skali cząstek ziarnistych gleb za pomocą mikrotomografii rentgenowskiej oraz na zrozumienie procesów i mechanizmów w skali mikro leżących u podstaw mikroskopijnego zachowania materiałów ziarnistych. Główną zaletą tej techniki jest to, że zapewnia ona pełny dostęp do informacji o skali cząstek gleb ziarnistych, w tym morfologii cząstek, mikrostruktury, pękania, przemieszczenia i rotacji w obrębie deformacji materiałów ziarnistych. Metoda ta może być również stosowana do badania innych rodzajów materiałów naturalnych lub syntetycznych na bazie kamienia, takich jak skały, mieszanina glebowo-skalna,, ceramika, asfalt, a nawet kompozyty polimerowe.Rozpocznij od zaprojektowania eksperymentu z dużym wyprzedzeniem, zgodnie z opisem w protokole tekstowym. Określ badany materiał, wielkość cząstek, wielkość próbki i początkową porowatość próbki. Aby przygotować próbkę gleby na płycie, najpierw dodaj niewielką ilość smaru silikonowego wokół bocznej powierzchni górnego końca płyty podstawy.Następnie umieść porowaty kamień na jego górnej powierzchni. Umieść membranę wokół bocznej powierzchni górnego końca. Dodać niewielką ilość smaru silikonowego na powierzchnie styku między dwiema częściami urządzenia do pobierania próbek i umieścić urządzenie do pobierania próbek na płycie podstawy, aby umożliwić przejście przez nią membrany.Zablokuj urządzenie do pobierania próbek. Za pomocą pompy próżniowej można wytworzyć ssanie wewnątrz urządzenia do pobierania próbek przez dyszę. Przymocuj membranę do bocznej powierzchni jej górnego końca.Upewnij się, że membrana jest przymocowana do wewnętrznej powierzchni urządzenia do pobierania próbek. Upuść badany materiał granulowany z pewnej wysokości do urządzenia do pobierania próbek za pomocą lejka, aż zostanie całkowicie wypełniony. Górna powierzchnia próbki gleby powinna znajdować się na tym samym poziomie co górna krawędź urządzenia do pobierania próbek.Umieść kolejny porowaty kamień na próbce gleby. Nałóż trochę smaru silikonowego na boczną powierzchnię płyty poduszkowej ze stali nierdzewnej i umieść ją na porowatym kamieniu. Zdjąć górną stronę membrany z urządzenia do pobierania próbek i przymocować ją do płytki poduszki.Usuń ssanie z dyszy urządzenia do pobierania próbek i wytwórz ssanie wewnątrz zaworu na płycie podstawy. Na koniec wyjmij maszynę do próbki. Wytwarzana jest miniaturowa sucha próbka.Teraz zamocuj komórkę ograniczającą na płycie podstawy i zamocuj górną płytę komory na górze komory ograniczającej. Resztę aparatu załadowczego umieścić na górnej płycie komory. Dodać do próbki stałe ciśnienie ograniczające wynoszące 25 kilopaskali i usunąć ssanie wewnątrz próbki.Stopniowo zwiększaj ciśnienie ograniczające do określonej wartości za pomocą urządzenia do oferowania ciśnienia ograniczającego. Aby zeskanować fragment próbki, ustaw tomograf komputerowy lub tomograf komputerowy w tryb przechwytywania obrazu. Następnie rozpocznij etap rotacji, aby obrócić cały aparat o 180 stopni z określoną stałą szybkością obrotu, aby uchwycić projekcje CT próbki pod różnymi kątami.W przypadku tomografu komputerowego o wysokiej rozdzielczości przestrzennej pełne skanowanie próbki zwykle wymaga zeskanowania próbki na kilku różnych wysokościach. Przykładać obciążenie osiowe do próbki ze stałą szybkością obciążenia. W tym przypadku stosowana jest szybkość ładowania 0,2 procent na minutę.Użytkownicy mogą ustawić inną szybkość ładowania zgodnie z wymaganiami eksperymentu. Wstrzymaj obciążenie osiowe przy wcześniej określonym odkształceniu osiowym. Poczekaj, aż zmierzona siła osiowa osiągnie stałą wartość i przeprowadź następne skanowanie.Powtarzaj te kroki aż do końca ładowania. Konstruujemy wycinki TK próbki na podstawie projekcji TK po pobraniu fazy za pomocą oprogramowania PITRE. Załaduj projekcje do PITRE z obrazu ładowania menu.Kliknij ikonę sinogramu projekcyjnego. Wprowadź odpowiednie parametry w wyświetlonym oknie i kliknij pojedynczy, aby zrekonstruować wycinek CT. Zaimplementuj filtrowanie obrazów w wycinkach CT.Anizotropowy filtr dyfuzyjny służy do filtrowania obrazu. Teraz wykonaj binaryzację obrazu na przefiltrowanych wycinkach CT. W tym celu należy zaimplementować binaryzację obrazu, stosując próg wartości intensywności do wycinków CT.Wartość ta jest określana na podstawie histogramu intensywności wycinków CT przy użyciu metody Otsu. Oddziel pojedyncze cząstki od binaryzowanych wycinków CT za pomocą algorytmu zlewni opartego na markerach i zapisz wyniki na obrazie oznaczonym w 3D. Walidację wyników należy zweryfikować, porównując obliczony rozkład wielkości cząstek z obrazu CT z rozkładem z mechanicznego testu przesiewania.Skrypt matlab służy do wyodrębniania właściwości cząstek, w tym objętości cząstek, pola powierzchni cząstek, orientacji cząstek i współrzędnych środka ciężkości cząstek. Wewnętrzne funkcje matlaba są używane do uzyskiwania tych właściwości dla każdej cząstki. Wyodrębnij kontaktowe lisie z binaryzowanych wycinków CT poprzez implementację logicznego i operacji między binarnym obrazem wycinków CT a binarnym obrazem linii zlewiska uzyskanym w wyniku implementacji algorytmu zlewni opartego na znacznikach.Aby określić ilościowo pole odkształcenia próbki, należy użyć metody opartej na siatce w celu obliczenia pola odkształcenia podczas dowolnych dwóch kolejnych skanów, w oparciu o translację cząstek i rotację cząstek. Przeanalizuj ewolucję kontaktu międzycząsteczkowego próbki. Na podstawie wyodrębnionych lisów kontaktowych, oznaczonych obrazów cząstek i wyników śledzenia cząstek, przeanalizuj orientację wektora rozgałęzień utraconych kontaktów i uzyskanych kontaktów w próbce podczas każdego przyrostu udziału.Pokazano krzywą naprężenie-odkształcenie i wycinek 2D próbki piasku Leighton Buzzard pod ciśnieniem trójosiowym. W tym miejscu wyświetlane są wyniki kinematyki cząstek elementarnych w przekroju 2D podczas testu. Większość cząstek jest z powodzeniem śledzona, a ich translacje i rotacje są określane ilościowo.Zlokalizowane pasmo jest opracowywane zarówno na mapie przemieszczenia cząstek, jak i na mapie rotacji cząstek na końcu testu. Pokazano tutaj znormalizowaną częstotliwość orientacji wektorów rozgałęzień kontaktów zdobytych i utraconych w próbce podczas testu. Utracone styki wykazują wyraźną preferencję kierunkową w kierunku kierunku naprężenia mniejszej zasady podczas testu.Kalibracja osi obrotu zgodnie z opisem w protokole tekstowym jest ważna, ponieważ udana rekonstrukcja warstwy CT zależy nie tylko od odpowiedniego ustawienia stolika obrotowego. Aby uniknąć promieniowania zjonizowanego docierającego do organizmu ludzkiego ze źródła promieniowania rentgenowskiego, przed każdym skanowaniem należy upewnić się, że wszystkie drzwi i okna w pomieszczeniu skanowania są prawidłowo zamknięte. Zgodnie z podobną procedurą można przeprowadzić badania instytutowe z dyfrakcją lub rozpraszaniem promieniowania rentgenowskiego.Stanowi to narzędzie do pomiaru sił kontaktowych między cząstkami i ich propagacji w tworzących się materiałach ziarnistych. Pozyskane dane eksperymentalne mogą być wykorzystane do opracowania zaawansowanych modeli składowych piasku, uwzględniających ich zachowania mechaniczne w skali ziarnistej, oraz do modelowania numerycznego piasków pod obciążeniem.

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

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Wykorzystaliśmy synchrotronową tomografię rentgenowską w Europejskiej Instalacji Promieniowania Synchrotronowego (ESRF), aby nieinwazyjnie uzyskać trójwymiarowe zbiory danych tomograficznych o rozdzielczości piksela 0.7µm. Dzięki zastosowaniu oprogramowania do renderowania objętościowego możliwe jest zrekonstruowanie struktur wewnętrznych w ich stanie naturalnym, bez artefaktów powstających podczas sekcjonowania histologicznego.

Nieinwazyjna wizualizacja 3D z rozdzielczością submikronową z wykorzystaniem synchrotronowej tomografii rentgenowskiej

Prezentujemy metodologię obrazowania wielu faz płynu w warunkach zbiornikowych za pomocą mikrotomografii rentgenowskiej. Przedstawiamy kilka reprezentatywnych wyników uwięzienia kapilarnego w próbce skały węglanowej.

Obrazowanie w skali porów stanu zbiornika wielu faz płynu za pomocą mikrotomografii rentgenowskiej

Synchrotronowa mikrotomografia twardego promieniowania rentgenowskiego jest używana do obrazowania elektrochemicznego wzrostu dendrytów z elektrody litowo-metalowej przez membranę elektrolitu polimerowego.

Analiza uszkodzeń baterii za pomocą synchrotronowej mikrotomografii rentgenowskiej

W tym badaniu mikrotomografia promieniowania synchrotronowego, nieniszcząca technika obrazowania trójwymiarowego, jest wykorzystywana do zbadania całego pakietu mikroelektronicznego o polu przekroju poprzecznego 16 x 16 mm. Ze względu na wysoki strumień i jasność synchrotronu, próbka została zobrazowana w zaledwie 3 minuty z rozdzielczością przestrzenną 8,7 μm.

Wykorzystanie mikrotomografii promieniowania synchrotronowego do badania wieloskalowych trójwymiarowych pakietów mikroelektronicznych

Szybka tomografia synchrotronowa została użyta do dynamicznego zobrazowania rozpuszczania wapienia w obecności solanki nasyconej CO2 w warunkach zbiornikowych. Wykonano 100 skanów w rozdzielczości 6,1 μm przez okres 2 godzin.

Dynamiczne obrazowanie stanu zbiornika w skali porowej reakcji w węglanach za pomocą szybkiej tomografii synchrotronowej

Ten artykuł zawiera szczegółową metodę charakteryzowania mikrostruktury ultra-drobnoziarnistych i nanokrystalicznych materiałów za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego wyposażonego w standardowy system dyfrakcji elektronów wstecznie rozproszonych. Stopy metali i minerały o wyrafinowanej mikrostrukturze są analizowane przy użyciu tej techniki, ukazując różnorodność jej możliwych zastosowań.

Charakterystyka materiałów ultradrobnoziarnistych i nanokrystalicznych z wykorzystaniem transmisyjnej dyfrakcji Kikuchiego

Opisujemy szczegółowe procedury eksperymentów z kompresją skał i kruszyw mineralnych w aparacie do deformacji wielokowadełkowej sprzężonej z synchrotronowym promieniowaniem X. Takie eksperymenty pozwalają na ilościowe określenie rozkładu naprężeń w próbkach, co ostatecznie rzuca światło na procesy zagęszczania w geomateriałach.

Rozkład naprężeń podczas ściskania na zimno skał i kruszyw mineralnych za pomocą dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego opartej na synchrotronie

Opisujemy konfigurację linii badawczej przeznaczoną do przeprowadzania szybkiej dwuwymiarowej fluorescencji rentgenowskiej i mapowania mikrodyfrakcji rentgenowskiej próbek monokryształów lub proszków za pomocą dyfrakcji Laue (promieniowanie polichromatyczne) lub proszkowej (promieniowanie monochromatyczne). Wynikowe mapy dostarczają informacji o odkształceniu, orientacji, rozkładzie fazowym i odkształceniu plastycznym.

Synchrotronowe obrazowanie mikrodyfrakcji rentgenowskiej i fluorescencji próbek minerałów i skał

Mikrostrukturalnie małe zachowanie wzrostu pęknięć zmęczeniowych jest badane przy użyciu nowatorskiego podejścia metodologicznego, łączącego pomiar szybkości wzrostu pęknięć i analizę pola odkształceń, aby ujawnić skumulowane pole deformacji na poziomie podziarna.

Pomiary odkształceń w pełnym polu dla mikrostrukturalnie małej propagacji pęknięć zmęczeniowych przy użyciu metody cyfrowej korelacji obrazów

Ta praca przedstawia trójwymiarowy wirtualny eksperyment symulacyjny dla deformacji i uszkodzenia materiału, który dostarcza wizualizacji procesów eksperymentalnych. Dzięki zestawowi eksperymentów użytkownicy mogą zapoznać się ze sprzętem i nauczyć się obsługi w wciągającym i interaktywnym środowisku edukacyjnym.

Wirtualny eksperyment symulacyjny mechaniki: deformacja i uszkodzenie materiału na podstawie skaningowej mikroskopii elektronowej

Protokół umożliwia pomiar deformacji mikrostruktury kości w całej proksymalnej ludzkiej kości udowej oraz jej wytrzymałości poprzez połączenie dużego skanowania mikro-tomografem komputerowym, specjalnie wykonanego etapu kompresji i zaawansowanych narzędzi do przetwarzania obrazu.

Obrazowanie mechanizmu uszkodzenia mikrostrukturalnego w ludzkim biodrze

Poznaj metodę mikrotomografii rentgenowskiej do analizy mechaniki gruntów ziarnistych pod obciążeniem ściskającym. Technika ta umożliwia szczegółowe badanie morfologii cząstek, mikrostruktury oraz mechanizmów deformacji w skali mikroskopowej.

Wizualizacja uszkodzeń i związanego z nimi zachowania mechanicznego ziarnistych gruntów ziarnistych pod ścinaniem przy użyciu synchrotronowej mikrotomografii rentgenowskiej (Wideo) | JoVE Journal

Wizualizacja uszkodzeń i związanego z nimi zachowania mechanicznego ziarnistych gruntów ziarnistych pod ścinaniem przy użyciu synchrotronowej mikrotomografii rentgenowskiej

Przeglądaj więcej filmów