Kastuvan bentoniitin muodonmuutosten ja vesipitoisuuden aikakehityksen mittaaminen röntgenkuvauksen avulla

Tämän tutkielman tavoitteena oli jatkokehittää kokeellista menetelmää, jossa kastumisen seurauksena tyhjään tilaan laajenevan bentoniitti nimisen savimateriaalin homogenisaatiota seurataan röntgenkuvauksen avulla. Menetelmällä mitataan turpoavan bentoniitin muodon- ja tiheydenmuutoksia sekä paisuntapainetta. Muodon- ja tiheysmuutosten laskenta perustuu numeeriseen röntgenkuvien analysoimiseen, jossa röntgenkuvia verrataan pikseli pikseliltä edellisiin referenssikuviin. Menetelmä tarjoaa kokeellista dataa, jota voidaan hyödyntää ydinjätteen loppusijoittamiseen käytettävän bentoniittipuskurin käytösmallien luomiseen ja validointiin. Röntgenkuvien pikselikohtainen harmaansävyarvo ja röntgensäteilyn lineaarinen vaimenemiskerroin riippuvat materiaalista ja sen tiheydestä. Kastuessaan bentoniitin röntgenkuvien harmaansävyarvot muuttuvat johtuen veden osatiheyden kasvusta. Paikallisista harmaansävyjen muutoksista pystytään täten arvioimaan bentoniitin ja veden osatiheyksien muutokset tutkittavassa bentoniittinäytteessä. Tutkittaviin bentoniittinäytteisiin on lisätty merkkipartikkeleita, joiden siirtymiä seuraamalla saadaan selville bentoniitin muodonmuutoskenttä kastelun aikana. Tässä tutkielmassa on esitelty yhteensä kymmenen sylinterimäisen (halkaisija: 20 mm ja korkeus: 10 mm) bentoniittinäytteen 16 vuorokauden kastelun mittaussarja. Bentoniittinäytteiden kuivatiheydet olivat joko 1,4 g/cm^3 tai 1,8 g/cm^3 ja näytteitä kasteltiin NaCl + CaCl2, NaCl ja CaCl2 suolaliuoksilla kolmella eri ionivahvuudella (3,5 mmol, 489 mmol ja 975 mmol). Mittaussarja koostui yhteensä kymmenestä kuvausvaiheesta. Kuvausvaiheiden aikana suoritettiin samanaikaisesti kalibraatio- ja näytekuvien keräämiset. Kuvien analysointi toteutettiin numeerisesti MATLAB-ohjelmalla. Menetelmän kehityksen aikana huomattiin, että merkittävin virhelähde puolivapaasti laajenevalle bentoniittinäytteelle on sen hyvin nopea paisuminen kastelun alkuvaiheessa. Turpoamisen nopeus vaikuttaa röntgenkuvien tarkkuuteen erityisesti kastelun alussa, jolloin harmaansävyarvojen laskennasta aiheutuu tarpeetonta kohinaa myös muodonmuutos- ja tiheyskentän laskuihin. Ongelma on tutkielmassani ratkaistu toteuttamalla kuvien analysoiminen myös käänteisesti eli integroimalla ajassa taaksepäin lopputilasta alkutilaan. Eteen- ja taaksepäiset aikaintegraatiot yhdistetään vähemmän kohinaa sisältäväksi lopputulokseksi. Taaksepäinen aikaintegraatio olettaa kuitenkin bentoniittinäytteiden lopputilan olevan täysin saturoitunut, mikä on tulosten perusteella paikoitellen kyseenalainen oletus. Yleisesti ottaen tässä tutkielmassa esiteltävä röntgenkuvaukseen perustuva kokeellinen menetelmä on vankka ja toistettavuudeltaan erinomainen bentoniitin kaltaisen kemoelastisen savimateriaalin homogenisaatioasteen tutkimiseen. Menetelmän kehittämisellä on pyritty antamaan tietotaitoa tuleviin bentoniittitutkimuksiin ja saavuttamaan paras mahdollinen mittaustarkkuus nykyisellä jo kehitystä jäljessä olevalla röntgenkuvauslaitteistolla.