Veden kulkeutumisen ja muodonmuutosten mittaaminen MX-80-tyyppisessä bentoniitissa röntgenmikrotomografisin menetelmin

Abstract

Tämän työn tavoitteena oli selvittää, millä reunaehdoilla aiemmin puhdistetulle bentoniitille kehitetyt kokeelliset menetelmät soveltuvat mikro- ja makrorakenteeltaan erilaisen MX-80-tyyppisen bentoniitin tutkimiseen. Edellä saatujen reunaehtojen rajoissa tehtävien mittausten avulla pyrittiin tutkimaan veden kulkeutumista ja siitä aiheutuvia muodonmuutoksia MX-80-tyyppisessä bentoniitissa. Tavoitteena oli myös, että saatua kokeellista dataa voidaan käyttää apuna laadittaessa MX-80-tyyppisen bentoniitin käyttäytymistä kuvaavia numeerisia malleja.

Veden kulkeutumisen ja muodonmuutosten tutkiminen MX-80:ssa perustui röntgenmikrotomografiaan. Röntgentomografiassa pyritään rekonstruoimaan tutkittavan näytteen vaimenemiskertoimesta kolmiulotteinen malli kaksiulotteisia röntgen- eli projektiokuvia apuna käyttäen. Tämän menetelmän toimivuus perustuu siihen, että MX-80-näytteen kastuessa sen tiheys - ja siten vaimenemiskertoimen arvo - alkaa lokaalisti muuttua. Röntgentomografialaitteiston ottamissa projektiokuvissa tämä näkyy kuvien harmaasävyarvojen muuttumisena. Näytteessä tapahtuvia muodonmuutoksia voidaan määrittää tutkimalla MX-80:ssa olevien inerttien partikkeleiden paikan muutoksia kuivan ja deformoituneen näytteen rekonstruktioiden välillä.

Kaiken kaikkiaan mittaussarjoja tehtiin kolmelle eri MX-80-näytteelle, joiden kuivatiheys oli 1,6 g/cm3. Ensimmäinen röntgenmikrotomografialaitteistolla tehtävä mittaus eli skannaus suoritettiin ennen kastelun aloittamista. Kastelun aloittamisen jälkeen näyte skannattiin yhdeksän kertaa; viimeinen skannaus tehtiin 14 vuorokautta kastelun aloittamisesta. Näytteeseen imeytyneen veden määrä eri ajanhetkillä saatiin selville punnitsemalla näyte skannausten yhteydessä. Kyllästyneessä tilassa MX-80-näytteiden tiheys oli noin 2,16 g/cm3. Kokeelliset tulokset analysoitiin numeerisesti MATLAB-ohjelmistoa apuna käyttäen.

Saatujen tulosten perusteella puhdistetulle bentoniitille kehitetyt kokeelliset menetelmät soveltuvat lähes sellaisenaan myös rakeisemman MX-80-tyyppisen bentoniitin tutkimiseen. Lisäksi eri näytteille saadut tulokset ovat hyvin lähellä toisiaan, minkä perusteella käytetyn menetelmän voidaan arvioida toimivan veden kulkeutumisen ja muodonmuutosten mittaamiseen bentoniitissa. Referenssitulosten ja -menetelmien puutteesta johtuen tulosten epävarmuuden kvantitatiivinen analysointi on kuitenkin haastavaa.

The main objective of this thesis was to study when the experimental methods developed for the refined bentonite can be used when studying MX-80-bentonite which has different micro- and macrostructure compared to the refined bentonite. By using these boundary conditions the other purpose of this work was to measure water transport and deformations in MX-80-bentonite. The third objective of this thesis was then to get experimental data for developing numerical models of MX-80-bentonite.

Studying water transport and deformations in MX-80-bentonite was based on the X-ray micro tomography. The purpose of X-ray tomography is to reconstruct three dimensional model of the linear attenuation coefficient of the object by using two dimensional radiographs. This is possible because when absorbing water both the density and the linear attenuation coefficient of MX-80-sample is locally changed. This can be seen by increasing grayscale values of the radiographs. Because there are also inert particles in MX-80-bentonite it is possible to calculate deformations of samples by comparing locations of these particles in reference reconstruction and in deformed reconstruction.

All in all there were three MX-80-samples with dry density 1,6 g/cm3. The first measurement was done before wetting was started. After the wetting was started the sample was scanned nine times so that the last scanning was 14 days after the beginning of wetting. The amount of absorbed water was determined by weighting the sample before and after scanning. When the sample was saturated its density was about 2,16 g/cm3. After that the data was analyzed numerically by using MATLAB.

It turned out X-ray micro tomography methods developed for the refined bentonite can be used almost unchanged also for MX-80-bentonite. Furthermore, the results for three different samples were so similar that it can be estimated the methods used in this thesis were valid. Nevertheless, the lack of reference results and methods makes the quantitative analysis of uncertainty of results challenging.