Search

A non-invasive method for measuring the three-dimensional displacement field and liquid content distribution in a wetting and swelling material using X-ray tomographic imaging is introduced. The method is demonstrated here in monitoring the evolution of 3D deformation and water content distributions in cylindrical samples of swelling clay material wetted in a constant total volume. The measurements were carried out using a high-resolution microtomographic device (SkyScan 1172) and image voxel size 24 µm. The results obtained are repeatable and appear qualitatively correct and plausible. They are useful e.g. in validating models involving transport of water and the resulting deformation of swelling materials. The method is potentially applicable also in other materials and processes involving liquid transport and deformation. nonPeerReviewed

Tämän tutkielman tärkeimpänä tavoitteena oli kehittää menetelmä veden kulkeutumisen ja muodonmuutosten mittaamiseksi bentoniittinäytteissä röntgentomografialla. Menetelmällä voitaisiin mitata ja kerätä arvokasta kokeellista dataa ydinjätteen loppusijoituksessa käytettävän bentoniittipuskurin toimintaa kuvaavien mallien kehittämiseksi ja testaamiseksi. Röntgentomografialla näytteestä saadaan kolmiulotteinen tomografiakuva, missä kuvavokselin harmaasävyarvo riippuu materiaaleista, ja niiden tiheyksistä. Bentoniittinäytteen kastuessa veden osatiheyden kasvu kasvattaa harmaasävyarvoja, jolloin kastuneen ja kuivan näytteen välinen erotuskuva voidaan kalibroida vastaamaan kolmiulotteista kosteuspitoisuusjakaumaa, mikäli näytteen kokonaisvesimäärä tiedetään. Bentoniitissa tapahtuu yleensä muodonmuutoksia kastumisen aikana, jolloin nämä täytyy mitata ja huomioida kosteuspitoisuuden määrityksessä. Bentoniittinäytteitä (12 kpl, halk. 17 mm, kork. 10 mm, kuivatiheydet 1,2 ja 1,5 g/cm3) kasteltiin vakiotilavuudessa näytteen alapinnan kautta (halk. 6 mm sintteri) keinotekoisella pohjavedellä muutamilla eri kastelupaineilla (0...8 bar). Kukin näyte kuvattiin röntgenmikrotomografialla noin 10 kertaa sopivin välein, pääosin kahden viikon aikana. Näytteenpidikkeitä myös punnittiin, jolloin näytteeseen imeytyneen veden kokonaismassa tiedettiin. Bentoniittiin sekoitettiin mikrolasikuulia merkkipartikkeleiksi, jolloin muodonmuutokset voitiin mitata yksinkertaista translaatioalgoritmia käyttäen. Menetelmän huomattiin olevan herkkä kuvissa oleville häiriöille, joita syntyi todennäköisesti epästabiilin röntgenlähteen vuoksi. Kun stabiloitumiseen käytettävää aikaa kasvatettiin, häiriöt vähenivät huomattavasti. Mitatut muodonmuutokset olivat pieniä ja vaikuttivat silmämääräisesti hyviltä, mutta translaatioalgoritmin riittävästä tarkkuudesta ei saatu varmuutta. Menetelmä vaikuttaa muutoin toimivalta bentoniittinäytteiden kosteuspitoisuuden määrittämiseen, röntgenlähteen stabiloitumista ja menetelmän tarkkuutta olisi kuitenkin syytä tutkia lisää.