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Visualisation de l'échec et du comportement mécanique associé à l'échelle des grains des sols granulaires sous cisaillement à l'aide de la micro-tomographie synchrotron à rayons X
Chapters
Summary September 29th, 2019
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Le protocole décrit les procédures visant à acquérir des images de tomographie calculée à haute résolution spatiale (CT) d'un sol granulaire pendant la compression triaxiale, et à appliquer des techniques de traitement d'image à ces images CT pour explorer le comportement mécanique à l'échelle du grain de le sol en charge.
Transcript
Ce protocole permet d’acquérir des données à l’échelle des particules des sols granulaires à l’aide de la micro-tomographie aux rayons X et de développer une compréhension des processus et mécanismes à micro-échelle sous-jacents au comportement microscopique des matériaux granulaires. Le principal avantage de cette technique est qu’elle fournit un accès complet à l’information à l’échelle des particules des sols granulaires, y compris la morphologie des particules, la microstructure, la rupture, le déplacement et la rotation dans la déformation des matériaux granulaires. Cette méthode peut également être appliquée à l’étude d’autres types de matériaux naturels ou synthétiques à base de pierre tels que les roches, le mélange sol-roche, le béton, la céramique, l’asphalte et même les composites polymères.
Commencez par la conception de l’expérience bien à l’avance comme décrit dans le protocole de texte. Déterminez le matériau d’essai, la taille des particules, la taille de l’échantillon et la porosité initiale de l’échantillon. Pour préparer un échantillon de sol sur la planche, ajoutez d’abord une petite quantité de graisse de silicone autour de la surface latérale de l’extrémité supérieure de la plaque de base.
Placez ensuite une pierre poreuse sur sa surface supérieure. Placez une membrane autour de la surface latérale de l’extrémité supérieure. Ajouter une petite quantité de graisse de silicone sur les surfaces de contact entre les deux parties du fabricant de l’échantillon et placer le fabricant de l’échantillon sur la plaque de base pour permettre à la membrane de passer à travers elle.
Verrouillez le fabricant de l’échantillon. Créer l’aspiration à l’intérieur du fabricant de l’échantillon à travers sa buse à l’aide d’une pompe à vide. Fixer la membrane à la surface latérale de son extrémité supérieure.
Assurez-vous que la membrane est fixée à la surface intérieure du fabricant de l’échantillon. Déposez le matériau granulaire d’essai d’une certaine hauteur dans le fabricant de l’échantillon à l’aide d’un entonnoir jusqu’à ce qu’il soit complètement rempli. La surface supérieure de l’échantillon de sol doit être le même niveau que le bord supérieur du fabricant de l’échantillon.
Placez une autre pierre poreuse sur l’échantillon de sol. Appliquez un peu de graisse de silicone autour de la surface latérale d’une plaque de coussin en acier inoxydable et placez-la sur la pierre poreuse. Retirez le côté supérieur de la membrane du fabricant de l’échantillon et fixez-le à la plaque de coussin.
Retirez l’aspiration à l’intérieur de la buse du fabricant de l’échantillon et créez une aspiration à l’intérieur de la vanne sur la plaque de base. Enfin, retirez le fabricant de l’échantillon. Un échantillon sec miniature est produit.
Maintenant, fixez la cellule de détention sur la plaque de base et fixez la plaque supérieure de la chambre sur le dessus de la cellule de clonage. Apposer le reste de l’appareil de chargement sur la plaque supérieure de la chambre. Ajouter une pression constante de 25 kilopascals à l’échantillon et enlever l’aspiration à l’intérieur de l’échantillon.
Augmentez graduellement la pression de confinement à une valeur prédéterminée à l’aide de l’appareil d’offre de pression deage. Pour numériser une section de l’échantillon, réglez la tomographie calculée ou le scanner en mode capture d’image. Ensuite, commencez l’étape de rotation pour faire pivoter l’appareil entier à travers 180 degrés à un taux de rotation constant prédéterminé pour capturer les projections de CT de l’échantillon à différents angles.
Pour un scanner à haute résolution spatiale, un balayage complet de l’échantillon nécessite généralement que l’échantillon soit scanné à plusieurs hauteurs différentes. Appliquer une charge axiaale sur l’échantillon avec un taux de chargement constant. Ici, un taux de chargement de 0,2 pour cent par minute est utilisé.
Les utilisateurs peuvent définir un taux de chargement différent en fonction de l’exigence d’expérience. Mettre en pause la charge axiaale à une souche axiaale prédéterminée. Attendez que la force axiane mesurée atteigne une valeur constante et effectuez la prochaine analyse.
Répétez ces étapes jusqu’à la fin du chargement. Nous construisons des tranches de CT de l’échantillon basées sur les projections CT après récupération de phase à l’aide du logiciel PITRE. Chargez les projections dans PITRE à partir de l’image de charge du menu.
Cliquez sur le sinogram de projection d’icônes. Entrez les paramètres pertinents dans la fenêtre apparue et cliquez seul pour reconstruire une tranche CT. Implémentez le filtrage d’image sur les tranches de CT.
Un filtre de diffusion anisotropique est utilisé pour effectuer le filtrage des images. Maintenant, effectuez la binarisation d’image sur les tranches filtrées de CT. Pour ce faire, implémentez la binarisation de l’image en appliquant un seuil de valeur d’intensité aux tranches CT.
Cette valeur est déterminée en fonction de l’histogramme d’intensité des tranches de CT utilisant la méthode d’Otsu. Séparez les particules individuelles des tranches binariées de CT à l’aide d’un algorithme de bassin versant basé sur des marqueurs et stockez les résultats dans une image étiquetée 3D. Valider les résultats en comparant la distribution calculée de la taille des particules de l’image CT à celles d’un test de tamisage mécanique.
Une écriture matlab est utilisée pour extraire les propriétés des particules, y compris le volume des particules, la surface des particules, l’orientation des particules et les coordonnées centroïdes des particules. Les fonctions intrinsèques de matlab sont utilisées pour acquérir ces propriétés pour chaque particule. Extraire les trous de renard de contact des tranches binariées de CT par la mise en œuvre d’une logique et d’une opération entre l’image binaire des tranches de CT et l’image binaire des lignes de bassin versant acquises à partir de la mise en œuvre de l’algorithme de bassin versant basé sur les marqueurs.
Pour quantifier le champ de contrainte de l’échantillon, utilisez une méthode basée sur la grille pour calculer le champ de tension pendant deux balayages consécutifs, en fonction de la traduction des particules et de la rotation des particules. Analyser l’évolution du contact interparticules de l’échantillon. Sur la base des trous de renard de contact extraits, des images étiquetées des particules et des résultats de suivi des particules, analysez l’orientation du vecteur de branche des contacts perdus et les contacts acquis au sein de l’échantillon au cours de chaque augmentation de part.
La courbe stress-contrainte et une tranche 2D d’un échantillon de sable Leighton Buzzard sous compression triaxiale sont indiquées. Ici sont affichés les résultats de cinématique des particules à la tranche 2D pendant le test. La plupart des particules sont suivies avec succès et leurs traductions et rotations sont quantifiées.
Une bande localisée est développée à la fois dans la carte de déplacement des particules et dans la carte de rotation des particules à la fin de l’essai. On y voit la fréquence d’orientation normalisée des vecteurs de branche des contacts acquis et des contacts perdus dans l’échantillon pendant le test. Les contacts perdus présentent une nette préférence directionnelle à l’égard de la direction de stress du principe mineur pendant le test.
L’étalonnage de l’axe de rotation tel que décrit dans le protocole de texte est important parce que la reconstruction réussie de la tranche CT repose non seulement sur le positionnement approprié de l’étape de rotation. Pour éviter tout rayonnement ionisé sur le corps humain à partir de la source de rayons X, il faut s’assurer que toutes les portes et fenêtres de la salle de numérisation sont correctement fermées avant chaque balayage. Suivant une procédure similaire, des tests d’institut avec diffraction ou diffusion de rayons X peuvent être effectués.
Ceci fournit un outil pour mesurer les forces de contact interparticules et leur propagation dans les matériaux granulaires de formation. Les données expérimentales acquises peuvent être utilisées pour le développement de modèles constitutifs avancés de sable, compte tenu de leurs comportements mécaniques à l’échelle du grain, et pour la modélisation numérique des sables sous chargement.
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