Visualização da falha e do comportamento mecânico da escala de grãos associado de solos granulares cisalhamento usando microtomografia de raios X de síncrotron

Este protocolo permite adquirir dados de escala de partículas de solos granulares usando micro-tomografia de raios-X e desenvolver uma compreensão dos processos e mecanismos de microescaminha subjacentes ao comportamento microscópico dos materiais granulares. A principal vantagem dessa técnica é que ela fornece acesso total às informações da escala de partículas de solos granulares, incluindo morfologia de partículas, microestrutura, quebra, deslocamento e rotação dentro da deformação de materiais granulares. Este método também pode ser aplicado à investigação de outros tipos de materiais naturais ou sintéticos à base de pedra, como rochas, mistura solo-rocha, concreto, cerâmica, asfalto e até compósitos de polímeros.

Comece com o desenho do experimento com bastante antecedência, conforme descrito no protocolo de texto. Determine material de ensaio, tamanho das partículas, tamanho da amostra e porosidade inicial da amostra. Para preparar uma amostra de solo na placa, adicione primeiro uma pequena quantidade de graxa de silicone ao redor da superfície lateral da extremidade superior da placa base.

Em seguida, coloque uma pedra porosa em sua superfície superior. Coloque uma membrana ao redor da superfície lateral da extremidade superior. Adicione uma pequena quantidade de graxa de silicone nas superfícies de contato entre as duas partes do fabricante da amostra e coloque o fabricante de amostras na placa base para permitir que a membrana passe por ela.

Bloqueie o fabricante de amostras. Crie sucção dentro do fabricante de amostras através de seu bocal usando uma bomba de vácuo. Fixar a membrana na superfície lateral de sua extremidade superior.

Certifique-se de que a membrana está presa à superfície interna do fabricante da amostra. Solte o material granular de teste de uma certa altura no fabricante da amostra usando um funil até que esteja completamente preenchido. A superfície superior da amostra do solo deve ser o mesmo nível da borda superior do fabricante da amostra.

Coloque outra pedra porosa em cima da amostra do solo. Aplique um pouco de graxa de silicone ao redor da superfície lateral de uma placa de almofada de aço inoxidável e coloque-a em cima da pedra porosa. Remova a parte superior da membrana do fabricante da amostra e fixe-a na placa da almofada.

Remova a sucção dentro do bocal do fabricante de amostras e crie sucção dentro da válvula na placa base. Finalmente, remova o fabricante de amostras. Uma amostra seca em miniatura é produzida.

Agora, conserte a cela de confinamento na placa base e fixe a placa superior da câmara no topo da cela de confinamento. Afixe o resto do aparelho de carregamento na placa superior da câmara. Adicione uma pressão de confinamento constante de 25 quilopascals à amostra e remova a sucção dentro da amostra.

Aumente gradualmente a pressão de confinamento para um valor predeterminado usando o dispositivo de oferta de pressão de confinamento. Para digitalizar uma seção da amostra, defina a tomografia computadorizada ou o tomógrafo computadorizado para o modo de captura de imagem. Em seguida, inicie o estágio de rotação para girar todo o aparelho em 180 graus a uma taxa de rotação constante pré-determinada para capturar projeções de tomografia da amostra em diferentes ângulos.

Para um scanner de tomografia de alta resolução espacial, uma varredura completa da amostra geralmente requer que a amostra seja escaneada em várias alturas diferentes. Aplique uma carga axial na amostra com uma taxa de carregamento constante. Aqui, é usada uma taxa de carregamento de 0,2% por minuto.

Os usuários podem definir uma taxa de carregamento diferente de acordo com o requisito do experimento. Pausa o carregamento axial em uma cepa axial pré-determinada. Aguarde até que a força axial medida atinja um valor constante e realize a próxima varredura.

Repita estas etapas até o fim do carregamento. Construímos fatias de tomografia computadorizadas da amostra com base nas projeções de tomografia após a recuperação de fase usando o software PITRE. Carregue as projeções no PITRE a partir da imagem de carga do menu.

Clique no sinograma de projeção de ícones. Digite parâmetros relevantes na janela que aparece e clique em single para reconstruir uma fatia ct. Implementar filtragem de imagem nas fatias de tomografia computadorizada.

Um filtro de difusão anisotrópico é usado para realizar filtragem de imagem. Agora, realize a binarização de imagem nas fatias de tomografia filtradas. Para isso, implemente a binarização de imagem aplicando um limiar de valor de intensidade nas fatias de TC.

Este valor é determinado de acordo com a intensidade histograma das fatias de tomografia usando o método de Otsu. Separe partículas individuais das fatias de TC binarizadas usando um algoritmo de bacia hidrográfica baseado em marcadores e armazene os resultados em uma imagem rotulada em 3D. Valide os resultados comparando a distribuição calculada do tamanho das partículas da imagem ct com as de um teste de peneira mecânica.

Um script matlab é usado para extrair propriedades de partículas, incluindo volume de partículas, área de superfície de partículas, orientação de partículas e coordenadas de centroid de partículas. Funções intrínsecas do matlab são usadas para adquirir essas propriedades para cada partícula. Extrair trincheiras de contato das fatias de TOMOGRAFIA binarizadas por meio da implementação de uma lógica e operação entre a imagem binária das fatias de TOMOGRAFIA e a imagem binária das linhas de bacia hidrográfica adquiridas a partir da implementação do algoritmo de bacia hidrográfica baseado em marcadores.

Para quantificar o campo de tensão da amostra, use um método baseado em grade para calcular o campo de tensão durante quaisquer duas varreduras consecutivas, com base na tradução de partículas e rotação de partículas. Analise a evolução do contato entre partículas da amostra. Com base nas trincheiras de contato extraídas, as imagens rotuladas de partículas e os resultados de rastreamento de partículas, analisam a orientação vetorial do ramo dos contatos perdidos e os contatos obtidos dentro da amostra durante cada incremento de compartilhamento.

A curva de tensão e uma fatia 2D de uma amostra de areia Leighton Buzzard sob compressão triaxial são mostradas. Exibidos aqui estão os resultados da cinemática de partículas na fatia 2D durante o teste. A maioria das partículas são rastreadas com sucesso e suas traduções e rotações são quantificadas.

Uma banda localizada é desenvolvida tanto no mapa de deslocamento de partículas quanto no mapa de rotação de partículas no final do teste. Aqui mostrada a frequência de orientação normalizada de vetores de ramificações de contatos obtidos e contatos perdidos na amostra durante o teste. Os contatos perdidos apresentam uma clara preferência direcional para a direção de estresse de princípio menor durante o teste.

A calibração do eixo de rotação conforme detalhado no protocolo de texto é importante porque a reconstrução bem sucedida da parte TC não depende apenas do posicionamento adequado do estágio de rotação. Para evitar qualquer radiação ionizada aos corpos humanos da fonte de raios-X, é preciso ter certeza de que todas as portas e janelas da sala de varredura estão devidamente fechadas antes de cada varredura. Após um procedimento semelhante, podem ser realizados testes de instituto com difração de raios-X ou dispersão.

Isso fornece uma ferramenta para a medição das forças de contato inter partículas e sua propagação dentro dos materiais granulares formadores. Os dados experimentais adquiridos podem ser utilizados para o desenvolvimento de modelos constitutivos avançados de areia, considerando seus comportamentos mecânicos em escala de grãos, e para modelagem numérica de areias sob carga.