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

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.