Summary
このプロトコルは、三軸圧縮時に粒状土壌の高空間分解能コンピュータ断層撮影(CT)画像を取得し、これらのCT画像に画像処理技術を適用して、粒状の機械的挙動を探索する手順を説明する。積み込み中の土壌。
Abstract
画像処理と解析技術を用いてX線画像技術を急速に発達させ、空間分解能の高い粒状土壌のCT画像の取得を可能にしました。このようなCT画像に基づいて、粒子運動学などの粒状の機械的挙動(すなわち、粒子の移動および粒子の回転)、粒状土壌の歪み局在化および粒子間接触進化を定量的に調べることができる。しかし、これは従来の実験方法ではアクセスできません。本研究では、シンクロトロンX線マイクロ断層撮影(μCT)を用いた三軸圧縮下での粒状土壌試料の粒状機械的挙動の探索を示す。この方法では、特別に製造されたミニチュアローディング装置を使用して、三軸試験中に試料に閉じ込めと軸応力を適用します。装置はサンプルの高空間分解能CTイメージがサンプルに妨害されることなくテストの異なったローディング段階で集めることができるようにシンクロトロンX線断層撮影のセットアップに合う。マクロスケールで情報を抽出する機能(例えば、三軸装置のセットアップからサンプル境界応力と歪み)と粒度スケール(例えば、CT画像からの穀物の動きおよび接触相互作用)を提供する。粒状土壌の多スケール力学を調査するための効果的な方法論。
Introduction
硬さ、せん断強度、透過性などの粒状土壌のマクロスケールの機械的特性は、基礎、斜面、岩盤埋立ダムなど、多くの地質構造にとって極めて重要であると広く認識されています。長年にわたり、オンサイトテストと従来の実験室試験(例えば、1次元圧縮試験、三軸圧縮試験、透過性試験)は、異なる土壌でこれらの特性を評価するために使用されてきました。土壌の機械的特性をテストするためのコードと規格も、エンジニアリング目的で開発されています。これらのマクロスケールの機械的特性は集中的に研究されてきたが、これらの特性を支配する粒規模の機械的挙動(例えば、粒子運動学、接触相互作用および歪み局在化)は、より少ない注目を集めている。エンジニアや研究者。その理由の一つは、土壌の穀物スケールの機械的挙動を調べるために利用できる効果的な実験方法の欠如である。
これまで、粒状土壌の粒状機械的挙動の理解のほとんどは、粒子スケール情報(例えば、粒子運動学および粒子接触)を抽出する能力のために、離散要素モデリング1(DEM)から来ている。フォース)。DEM技術を使用して粒状の土壌機械的挙動をモデル化する以前の研究では、個々の粒子は単にモデル内の単一の円または球で表されていました。このような過度に単純化された粒子形状の使用は、粒子の過剰回転につながり、それによって低いピーク強度の挙動2.より良いモデリング性能を達成するために、多くの研究者は転がり抵抗モデル3、4、5、6または不規則な粒子形状7、8を使用しているDEMシミュレーションでは9、10、11、12。その結果、粒子運動行動のより現実的な理解が得られた。粒子運動学とは別に、DEMは穀物接触相互作用を調査し、理論モデルを開発するためにますます使用されています。しかし、実際の粒子形状を再現する必要があり、高度な接触モデルを使用するため、DEMは不規則な形状を持つ粒状土壌のモデリングにおいて非常に高い計算能力を必要とします。
近年、光学機器や画像技術(顕微鏡、レーザー支援断層撮影、X線コンピュータ断層撮影(CT)及びX線マイクロ断層撮影(μCT)など)の開発により、粒状土壌の粒状の機械的挙動。三軸試験前後の土壌サンプル画像の取得・分析を通じて、土壌微細構造物13、14、15、16の調査に利用されている装置や技術 ,17,18,19.最近では、X線CTまたはμCTを用いての現場試験では、空隙比20、歪み分布21、22、23、24の進化を調べるためにますます使用されている。粒子運動25,26,27,28, 粒子間接触29,30,31および粒子破砕32粒状の土壌。ここで、「ininu」とは、積載と同時に行われるX線スキャンを意味する。一般的なX線スキャンとは対照的に、現場でX線スキャン試験では、土壌サンプルに応力を提供するために特別に製造されたローディング装置が必要です。ローディング装置とX線CTまたはμCT装置を組み合わせることで、試験の異なるローディング段階でのサンプルのCT画像を非破壊的に取得することができます。これらのCT画像に基づいて、粒状土壌挙動の粒子スケール観測を得ることができる。これらのCT画像ベースの粒子レベル観測は、数値所見を検証し、粒状土壌の粒状の機械的挙動に関する新しい洞察を得るのに非常に役立ちます。
この記事では、土壌サンプルのその場でのX線検査を行う方法の詳細を共有することを目的としており、土壌サンプル内の粒子運動学、歪み局在化、粒子間接触進化を観察する例示的な実験を用いて行う。その結果、現場スキャン検査におけるX線は、粒状土壌の粒状の挙動を探索する大きな可能性を秘めていることが示された。このプロトコルは、X線μCT装置の選択と小型三軸荷重装置の調製をカバーし、試験を実施するための詳細な手順が提供されます。さらに、画像処理と解析を使用して粒子キネマティクス(粒子移動および粒子回転)を定量化するための技術的なステップ、歪みの局在化、および粒子間接触進化(すなわち、接触ゲイン、接触損失および土壌の接触運動)が記載されている。
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Protocol
1. 事前に実験をうまく設計する
- 試験材料、粒子サイズ、サンプルサイズ、サンプル初期気孔性を決定します。
注:直径0.15~0.30mm、サンプルサイズ8 x 16mm(直径x高さ)のレイトン・バザード砂を例に、本研究のプロトコルを実証します。福建砂、ヒューストンサンド、オタワ砂、カイコスオイドなどの他の砂や同様のサンプルサイズも使用できます。 - 所定の粒径とサンプルサイズに応じて決定される、必要な空間分解能および走査領域に応じて適切な検出器(図1A)を選択する。たとえば、この研究では、空間分解能が 6.5 μm の検出器を使用します。それは2048 x 860ピクセル(すなわち、13.3 ×5.6 mm)の有効なスキャン区域を有する。
注:三軸圧縮試験中は、変形したサンプルが検出器の走査領域に残る必要があります。個々のパーティクルにパーティクルプロパティの適切な抽出に十分なボクセルが含まれるように、高空間分解能検出器を使用する必要があります。 - 試験材料とサンプルサイズに応じて、X線源(図1A)の必要エネルギーと露光時間を決定する。一般に、より高いエネルギーは、より密度の高い材料で構成されるより大きなサンプルに使用する必要があります。本研究では、25 keVのX線エネルギーと0.05sの露光時間を使用します。
注:必要なX線エネルギーと露光時間は、サンプルのスキャンされた投影を使用して試行錯誤によって決定することができます。最大値に対する投影の最小グレースケール強度の比率は、0.2 未満でてはなりません。それ以外の場合は、X 線エネルギーが高い場合や露出時間が長くなる必要があります。 - X線装置の回転ステージ(図1A)に必要な回転速度ω(1秒あたりの度)を決定します。回転速度ωは、CTスライス再構成に必要な投影N(例えば、N =1,080)に従って計算されます。
注: ω =180 Vs/N.ここで、Vsは、X線装置の走査速度、すなわち、1秒間にスキャンおよび記録されたX線撮影の数である。Vsは、主にコンピュータなどの検出器に関連する検出器およびハードウェアの性能によって影響を受ける。 - X線μCT装置と組み合わせて使用する三軸荷重装置(図1B、C、参照33も参照)を製造する。本装置は、従来の三軸圧縮装置と同じ主な機能を持つべきである。設計は、サンプルサイズ、限定応力と負荷率の範囲の要件を考慮する必要があります。
注:装置はX線μCT装置に合うことができ、回転段階を使用して回転を促進するために軽くなるべきである。三軸細胞はX線に対して透明でなければならない。透明性要件を考慮すると、アクリルおよびポリカーボネートは、三軸細胞を製造するために使用される可能性があります。 - X線CTスキャナの外側で、同じ閉じ込め圧力、荷重速度、サンプル特性(材料、サンプルサイズ、初期多孔性)を持つテストを行い、CTスキャンのローディングを一時停止するタイミングを計画します。
2. その中の三軸圧縮試験の実施
- 三軸装填装置と試験材料を現場に設置します。
注:ローディング装置と閉じ込め圧力提供装置(材料の表を参照)はX線CTスキャンルームに置かれ、データ集録および制御装置は外にあります。サンプルの三軸ローディングおよびCTスキャンは、スキャンルームの外で操作されます。 - X線マイクロCT装置の基板の持ち上がる段階を修正する(図1B)。持ち上げステージの傾斜ステージと傾斜ステージの回転ステージをそれぞれ固定します(図1B)。
注:持ち上げステージと傾斜ステージは、それらに置かれた関連機器を移動するのに十分な積載能力を持っている必要があります。 - 回転ステージの位置と位置を傾行ステージを介して調整し、回転ステージの軸を中心に 180 度回転したときに、単一の X 線がサンプル内の同じポイントを通過します。
注:ステップ2.2~2.3は、上海シンクロトロン放射線センター(SSRF)のX線マイクロCTデバイスに適用されます。三軸試験に特に使用されるX線マイクロCTデバイスの場合、これらのステップは回転段階の慎重な位置および固定の後で省略することができる。 - 次の手順に従って、ボード上の土壌サンプルを準備します。
- ベースプレートの上端の横面の周りに少量のシリコーングリースを追加し、その上面に多孔質石を配置します。上端の横面の周りに膜を置きます(図2A)。
- サンプルメーカーの2つの部分の間の接触面に少量のシリコーングリースを追加し、ロックします。サンプルメーカーをベースプレートに置き、膜がそれを通過できるようにします(図2B)。
- 真空ポンプを使用してノズルを通してサンプルメーカー内部に吸引(例えば、25 kPa)を作成します。膜を上端の横面に固定します。膜がサンプルメーカーの内面に取り付けられていることを確認してください(図2C)。
- 試験物が完全に充填されるまで、ファンネルを使用して、ある高さからサンプルメーカーに試験粒状材料をドロップします。土壌サンプルの上面は、サンプルメーカーの上端と同じレベルでなければなりません(図2D)。
- 土壌サンプルの上に別の多孔質石を置き、多孔質石の上にステンレス鋼のクッションプレートを置きます。クッションプレートの横面の周りにいくつかのシリコーングリースを適用します。サンプルメーカーから膜の上面を取り外し、クッションプレートに固定します(図2E)。
- サンプルメーカーノズル内部の吸引を取り外し、ベースプレートのバルブ内に吸引を作成します。最後に、サンプルメーカーを取り外します。図 2Fに示すように、ミニチュアドライ サンプルが生成されます。
注:このステップは、空気の耕作方法を使用して小型土壌サンプルを製造する手順を示しています。従来の乾燥圧縮方法は、サンプルの製造にも使用できます。
- ベースプレート上の閉じ込めセルを固定し、閉じ込めセルの上部にあるチャンバーのトッププレートを固定します(図1C)。
- チャンバートッププレート上のセルのピストンシャフトを固定します(図1C)。
- ベースプレートを回転ステージ上の閉じ込めセルとチャンバーのトッププレートと一緒に配置します。フレームは、CT スキャン用のサンプルの高さを調整するために使用されます (図 1B)。
注:このフレームは、SSRFの持ち上がる段階の動きの範囲が限られているために使用されます。動きの範囲が大きい持ち上がる段階が使用される場合はフレームを使用する必要はない。 - チャンバーのトッププレートに積み込み装置の残りの部分を貼り付けます。
- 線形可変差圧変圧器(LVDT)、ロードセル、ステッピングモータを取り付け、それらをアクティブにします(図1C)。
- 閉じ込め圧力供与装置から供給される水を使用して、細胞圧(CP)バルブ(図1Cを参照)を通して、セルに脱含む水を充填します(材料の表を参照)。水がバルブから流れ出始めるとき、水出口(WE)バルブ(図1Cを参照)を閉じます。
注:非常に低い一定圧力値(例えば、10 kPa)で定常圧力モードに閉じ込め圧力提供装置を設定します。 - サンプルに25 kPaの一定の閉じ込め圧力を加え、サンプル内の吸引を取り除く。
- 閉じ込め圧力提供装置を使用して、所定の値に徐々に閉じ込圧圧力を増加させます。
- サンプルの最初のスキャンを実行します。高空間分解能CTスキャナ(例えば、ピクセルサイズが6.5μm)の場合、サンプルのフルスキャン(例えば、高さ16mm)は、通常、サンプルを複数の異なる高さでスキャンする必要があります(すなわち、スキャンはいくつかのセクションに分かれています)。
注: 低空間分解能検出器と小さなサイズのサンプルを使用する場合、スキャン領域は、単一のセクションを使用してサンプルのフルフィールド スキャンを取得するのに十分な場合があります。- サンプルのセクションをスキャンします。CTスキャナを画像キャプチャモードに設定し、回転ステージを開始して、あらかじめ決められた定数回転速度(例えば3.33度/s)で装置全体を180度にわたって回転させ、異なる角度でサンプルのCT投影をキャプチャします。
注:サンプルは下から上向きにスキャンされます(すなわち、最初のセクションにはサンプルの下部にあるすべてのパーティクルが含まれています)。 - 回転が完了したら、イメージ キャプチャモードをオフにします。装置を初期位置に戻します。
- 試料の次のセクションをスキャンするために、持ち上げ段階(図1B)を使用して、装置全体と一緒にサンプルを持ち上げます( 例えば、4mm)。
注: リフティングでは、現在の断面と最後の断面の間に重複があることを確認する必要があります(つまり、2 つの連続したセクションの間に重複がある場合)。オーバーラップは、ステッチを容易にするために少なくとも10ピクセルでなければなりません。 - サンプルの最後のセクションがスキャンされるまで、手順 2.13.1 - 2.13.3 を繰り返します。
- サンプルのセクションをスキャンします。CTスキャナを画像キャプチャモードに設定し、回転ステージを開始して、あらかじめ決められた定数回転速度(例えば3.33度/s)で装置全体を180度にわたって回転させ、異なる角度でサンプルのCT投影をキャプチャします。
- 一定の荷重率でサンプルに軸荷重を適用します。ここでは、本研究では0.2%/分の積載率を用いる。ユーザーは実験の条件に従って異なった荷重率を設定できる。
- あらかじめ決められた軸ひずみで軸荷重を一時停止します。測定された軸力が安定した値(一般的に2分以内)に達するまで待ち、次のスキャンを実行します。スキャン手順は、手順 2.13 で示した手順と同じです。
- 読み込みが終了するまで、手順 2.14 と 2.15 を繰り返します。
- テストをアンロードし、三軸装置からサンプルを取り除きます。
- ベースプレートと収縮セルを回転ステージに取り付け、検出器から複数の平坦な突起(一般的に10の突起)を取得します。X線源をシャットダウンして、検出器から同じ数の暗い突起を取得します。
注: フラット投影と暗い突起は、生の CT 投影の位相取得に使用されます。平らなおよび暗い訂正の実施は再建されたCTのスライスのサンプルおよび周囲の背景間の対照を高める。また、検出器の欠陥ピクセルに起因するリングアーティファクトを軽減するのにも役立ちます。
3. 画像処理・解析
- 画像処理
- フリーソフトウェアPITRE34を用いてサンプルの生CT投影(図3A)の位相検索(図3B)を実施する。メニューの負荷イメージから PITRE に投影(フラット投影と暗い突起を含む)をロードします。PPCIアイコンをクリックします。関連するスキャン パラメータを入力し、[シングル]をクリックしてフェーズ取得を実装します。
注:位相検索の実装は、再構築されたCTスライスにおける異なるフェーズ(ボイド相と固体相)間のインターフェースの強化を提供し、その後の画像ベースの解析にとって重要です。パーティクル間接点。 - 位相検索後のCT突起に基づいてPITREを用いてサンプルのCTスライスを再構築する(図3C)。メニューの負荷イメージから PITRE に投影をロードします。アイコンProjSinoをクリックします。表示されたウィンドウに関連するパラメータを入力し、[シングル]をクリックして CT スライスを再構築します。
注: 水平方向のスライスをチェックして、重いビーム硬化アーティファクトやリングアーティファクトがないことを確認します。それ以外の場合は、現在のスキャンパラメータの変更とサンプルの再スキャンが必要です。垂直方向のスライスを確認します。試料がせん断の前に激しく傾いている場合、検定は失敗したと見なされます。 - CT スライスにイメージ フィルタリングを実装します。対方性拡散フィルタを使用して画像フィルタリングを実行します(図3D)。
- フィルター処理された CT スライスに対して画像のバイナリ化を実行します。画像バイナリ化(図3E)をCTスライスに印加することにより、大津法35を用いてCTスライスの強度ヒストグラムに従って決定する。
注:固形相とボイド相との間に強度の有意な重なりを示すグレースケール強度ヒストグラムを持つCTスライスの場合、固形相36の質量を用いて画像バイナリ化の検証が必要となる。 - マーカーベースの集水域アルゴリズムを使用して、個々のパーティクルをバイナリ化 CT スライスから分離し、結果を 3D ラベル付き画像に格納します (図 3F)。CT画像から計算された粒度分布と機械的ふるい試験の粒子サイズ分布を比較して結果を検証します。
注:ソフトウェアAvizo Fireのモジュール分離オブジェクトは、このアルゴリズムを実装するために使用することができます。アビゾ火災のモジュールボーダーキルを使用して、バイナリ化されたCTスライスから多孔質石を取り除きます。信頼性の高い粒子分離結果を得るために、読者は異なる粒子セグメンテーションアルゴリズム37、38、39を試してみることを提案する。
- フリーソフトウェアPITRE34を用いてサンプルの生CT投影(図3A)の位相検索(図3B)を実施する。メニューの負荷イメージから PITRE に投影(フラット投影と暗い突起を含む)をロードします。PPCIアイコンをクリックします。関連するスキャン パラメータを入力し、[シングル]をクリックしてフェーズ取得を実装します。
- 画像解析
- ラベル付きイメージからパーティクル プロパティを抽出します。MATLAB スクリプトは、パーティクル ボリューム、パーティクルサーフェス積、パーティクルの向き、粒子の高等座標などのパーティクル プロパティを抽出するために使用されます。
注:組み込みMATLAB関数領域プロップ、bwprimおよびpcaは、各粒子のこれらの特性を獲得するために使用される。 これらの手順のより詳細な説明は、チェンと王28の仕事で見つけることができます. - 論理的な操作の実装によってバイナリ化されたCTスライスから接触ボクセルを抽出し、CTスライスのバイナリ画像(図4)とマーカーベースの実装から取得した流域線のバイナリ画像との間で流域アルゴリズム31.
注:接触ボクセルの過剰検出は、部分的な体積効果とCT画像40、41のランダムノイズのために発生する可能性があります。しかし、粒子間接触のわずかな過剰検出は、粒子間接触進化行動42の全体的な傾向に有意な影響を及ぼすものではない。
- ラベル付きイメージからパーティクル プロパティを抽出します。MATLAB スクリプトは、パーティクル ボリューム、パーティクルサーフェス積、パーティクルの向き、粒子の高等座標などのパーティクル プロパティを抽出するために使用されます。
4. 土壌の粒状機械的挙動のCT画像ベースの探査
注:次の画像ベースの解析は、非常に狭いグレーディング範囲(単分散サンプル)を持つアイデアリスト的に球状の粒子またはサンプルには適用できません。しかし、高い丸みと低いグレーディングを有する粒子(例えば、0.3〜0.6 mmガラスビーズ)の場合、方法論は良好な結果をもたらす(ChengとWang31を参照)。
- サンプルの粒子運動学を定量化する。パーティクル トラッキング方法を使用して、パーティクル ボリュームまたはパーティクルサーフェス積に基づいて、異なるスキャンでサンプル内の個々のパーティクルを追跡します。この方法の詳細な説明は、チェンと王28で与えられています.
- 2 つの連続したスキャン中に各パーティクルの変換を計算します。これは、2 つのスキャン間のパーティクルの高等座標の差として計算されます。
- 2 つのスキャン間の主軸方向の差に応じて、各パーティクルの回転角度を決定します。
- サンプルのひずみフィールドを定量します。グリッドベースの方法を使用して、パーティクルの移動とパーティクルの回転に基づいて、2 回連続したスキャン中にひずみフィールドを計算します。
注: この方法では、スキャンとパーティクル キネマティクスの両方の結果からサンプルのラベル付き画像が必要です。読者は、詳細な説明のために前の作品24を参照してください。 - サンプルの粒子間接触の進化を分析します。抽出された接触ボクセル、パーティクルの標識画像および粒子追跡結果に基づいて、失われた接触の分岐ベクトルの向きと、各せん断増分の間にサンプル内で得られた接触を分析します。
注:この方法の完全な説明は、チェンと王31で与えられています。
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Representative Results
図5は、レイトン・バザード・サンド(LBS)サンプルの粒子運動学の結果を、2つの典型的なせん断増分(IおよびII)の間に2Dスライスで示した。パーティクルのほとんどは正常に追跡され、その移動と回転は上記のプロトコルに従って定量化されます。最初のせん断増分では、パーティクルの変位もパーティクルの回転も明確な局在化を示しません。ただし、ローカライズされたバンドは、2 番目のせん断増分の間にパーティクルディスプレイスメント マップとパーティクル回転マップの両方で開発されます。図6は、2つのせん断増分におけるサンプルの八点平および体積ひずみマップを示す。2番目のせん断増分のひずみマップで明確な局在ゾーンが観察され、三軸せん断下での砂の故障を可視化する方法の能力を実証します。図 7は、2 つのせん断増分の間にサンプル内で得られた接触と失われた接触の分岐ベクトルの正規化された方向周波数を示しています。失われた接触は、両方のせん断増分の間にマイナーな主応力方向(すなわち、水平方向)に向かって明確な方向的な好みを示す。
図1:X線マイクロCTセットアップおよび三軸装填装置。(A)X線マイクロCTセットアップと組み合わせて使用される三軸装置。(B)三軸試験中の三軸装置の設置の拡大図。(C)異なる角度から三軸装置。この図は、チェンと王28から変更されています。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図2:サンプルを作るプロセス。(A)多孔質石と塩基板上の膜の設置、(B)サンプルメーカーの設置、(C)サンプルメーカー内部の吸引の作成、(D)サンプルメーカーに砂粒子を落とす、(E)砂のサンプルの上に別の多孔質石とクッションプレートのインストール、および(F)ベースプレートからサンプルメーカーの除去。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図3:CT画像の画像処理(A)生CT投影、(B)位相検索後のCT投影、(C)再構成された水平CTスライス、(D)画像フィルタリング後のCTスライス、(E)画像バイナリ化後のCTスライス、および(F)粒子分離後のCTスライス。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図4:2DスライスにおけるLBSの粒子間接触の抽出の図。(A)CTスライスのバイナリ画像と流域線のバイナリ画像との間の論理的な操作の実装、および(B)3D空間における2つのLBS粒子の典型的な接触(粒子は緑と青で示され、接触は接触である赤で表示)。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図5:2つのせん断増分の間のLBSサンプルの典型的な粒子運動学の結果。(A)三軸圧縮下の試料の応力-ひずみ曲線、(B)せん断増分I時の試料の粒子変位及び粒子回転、および(C)間の試料の粒子変位及び粒子回転せん断増分II。この図は、チェンと王24から変更されています。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図6:2つのせん断増分におけるLBSの典型的なひずみ場。
(A)せん断増分I.(B)せん断増分I.(B)せん断増分時の試料のオクタヘドラルせん断株及び体積歪みIIの間の試料の体積歪み。この図は、チェンと王24から変更されています。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図7:2つのせん断増分におけるLBSの典型的な粒子間接触進化結果。(A)せん断増分I.(B)せん断時の分岐ベクトルの分岐ベクトルの正規化方向周波数と、せん断中のLBSの失われた接触の分岐ベクトルの正規化された方向周波数インクリメント II.この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
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Discussion
高空間分解能X線マイクロCTと高度な画像処理・解析技術により、多スケールレベルでのせん断下の粒状土壌の機械的挙動の実験的調査を可能にしました(すなわち、マクロスケール、メソスケールおよび粒度レベル)。しかし、CT画像ベースのメソおよび穀物スケールの調査では、積載時に土壌サンプルの高空間分解能CT画像を取得する必要があります。このプロセスの最も挑戦的な側面は、おそらくX線マイクロCT装置と共に使用することができる小型三軸負荷装置の製造である。空間分解能、スキャン領域、回転ステージの負荷容量などのX線マイクロCTデバイスの制限に加えて、必要なサンプルサイズ、負荷応力、速度を総合的に考慮する必要があります。
最適なX線エネルギーと露光時間の決定は時間がかかりますが、高品質のCT画像の取得には非常に重要です。ユーザーは、最初のスキャン中に異なるエネルギーと露出時間を試してみて、再構築されたスライスの品質に応じて適切なエネルギーと露出時間を決定することをお勧めします。また、異なる初期気孔を持つサンプルは、異なる高さからサンプル金型に砂粒子を落とすことによって、サンプル調製中に生成することができます。しかし、サンプルサイズが小さいため、従来の三軸試験に比べて、特定の初期気孔性を持つサンプルの製造がより困難である。CTスキャンを用いて三軸試験の特定の値に近い初期気孔度のサンプルを製造するには、事前にサンプルの製造を練習することをお勧めします。
従来の三軸試験と比較して、その他の三軸試験のミニチュアは、粒状化、ひずみ局面、粒子間接触を含む粒状土壌の粒状の機械的挙動を探索することができるという利点があります。インタラクションなど現在、粒状土壌の粒状機械的挙動を調べるための一般的な代替方法はDEMである。この手法は、複雑な負荷条件下での砂の機械的挙動のモデリングを可能にしますが、一般に、粒形状と接触モデルは、ほとんどのDEMスタディで高い計算効率を達成するために過度に単純化されています。このような状況では、このプロトコルを使用して実際の砂から抽出された粒度規模の情報は、マルチスケールレベルでのDEMモデルの検証を改善するために必要とされます。CT画像ベース株計算のための導入方法のもう一つの利点は、歪み計算における粒子回転の組み込みである。ひずみ計算方法は、粒子回転24の影響を考慮せずにメッシュベース法よりも信頼性の高いひずみ結果を生成することが示された。
その多くの利点があるとしても、X線マイクロCTを用いて粒状土壌の粒子間接触進化を研究することは、粒子間接触の過剰検出に苦しむ可能性がある。粒子間検出結果の精度は、X線マイクロCTの空間分解能に強く依存しています。これは、X線マイクロCTの部分的な体積効果によるもので、ボクセルのサイズよりも距離が小さい2つの単離粒子が2つの接触粒子として識別されてもよい。幸いなことに、粒状土壌内の粒子間接触進化の一般的な傾向は、粒子間接触の過剰検出の影響を受けないことがわかった。一方、粒状土壌内で粒子間接触力を抽出できないことは、DEM研究43、44、45、46、47と比較してX線マイクロCTのもう一つの欠点である。と光弾性研究48,49.さらに、上記のCT画像ベースの粒度調査により、CT画像から個々の粒子を正しく同定・抽出するために必要なため、この方法を極度に不規則な粒子形状または高度な土壌に適用する。不規則な粒子内空隙を含む破砕可能な土壌は非常に挑戦的である。
将来的には、穀物形状と穀物運動学に関する十分なデータを提供するその位置三軸試験では、DEMモデリングにおける実際の粒子形状の組み込みを容易にします。その後、CT画像ベースのDEMモデリングは、荷重下の粒状土壌の粒状の機械的挙動をより深く理解します。一方、粒子間接触力50を抽出する能力を考えると、X線回折とX線微細CTを組み合わせることで、三軸試験においては、完全な粒度情報(すなわち、両方の穀物)の抽出に役立つだろう。キネマティクスと穀物接触力)は、せん断下の粒状土壌から。
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Disclosures
著者は何も開示していない。
Acknowledgments
この研究は、一般研究基金第1号によって支援されました。香港特別行政区研究助成評議会のCityU 11213517、中国国家科学財団の研究助成第51779213号、上海シンクロトロン放射線施設(SSRF)のBL13Wビームライン。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Confining pressure offering device | GDS | STDDPC | |
| De-aired water | N/A | N/A | Water de-aired in the lab |
| Leighton Buzzard sand | Artificial Grass Cambridge | Drained Industrial Sand 25 kg | Can be replaced with different soils |
| Miniature triaxial loading device | N/A | N/A | The miniature loading device is specially fabricated by the authors |
| Silicon grease | RS company | RS 494-124 | |
| Synchrotron radiation X-ray micro CT setup | Shanghai Synchrotron Radiation Facility Center (SSRF) | 13W1 | The triaxial testing is carried out at the BL13W beam-line of the SSRF |
| Vacuum pump | Hong Kong Labware Co., ltd. | Rocker 300 |
References
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