Kastuvan bentoniitin muodonmuutosten ja vesipitoisuuden aikakehityksen mittaaminen röntgenkuvauksen avulla

Abstract

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.

The aim of this thesis was to further develop an experimental method where wetting induced free swelling and homogenization process of clay material called bentonite is monitored with X-ray imaging. The method is used to measure deformation, partial density changes and swelling pressure experienced by bentonite throughout the irrigation process. Calculations of the measured quantities is based on numerical X-ray image analysis, in which the X-ray images of the sample are compared pixel by pixel with the previous reference X-ray images. The method provides experimental data that can be used to create and validate computational models for a bentonite buffer used in nuclear waste disposal.

The pixel specific gray scale value and X-ray linear attenuation coefficient depends on the material and its density. When wetted, gray scale values in bentonite X-ray images change due to rise in partial density of water. Local changes in gray scale values can thus be used to estimate changes in the density of bentonite and water in the measured bentonite sample. In addition, marker particles have been added to the bentonite samples. Position changes of these particles between the images are used to define the deformation field of the sample.

This paper presents a 16-day irrigation measurement series of a total of ten cylindrical (diameter: 20 mm and height: 10 mm) bentonite samples. The dry densities of bentonite samples were either 1.4 g/cm^3 or 1.8 g/cm^3 and the samples were wet by NaCl + CaCl2, NaCl and CaCl2 water solutions at three different ionic strengths (3.5 mmol, 489 mmol and 975 mmol). The measurement series consisted of a total of ten phases. During the imaging steps, calibration and sample images were collected simultaneously. The image analysis was performed numerically with MATLAB software.

During the development of the method, it was noticed that the most significant source of uncertainty for a semi-freely expanding bentonite sample is its very rapid initial expansion. The swelling rate affects the resolution of the X-ray images, especially at the beginning of the irrigation, whereby the calculation of the gray scale values also causes unnecessary noise to the deformation and density field calculations. In my thesis this problem has been solved by implementing the analysis of the images also in reverse order, i.e. integrating backwards in time from end state to initial state. The forward and backward time integrations can eventually be combined to give a better, less noisier, overall result. However, the backward integration assumes that the final state of the bentonite samples is fully saturated, which is sometimes a questionable assumption based on the results.

In general, the X-ray based experimental method presented in this study is a robust and reproducible method for studying the degree of homogenization of bentonite-like chemoelastic clay material. The development of the method has been aimed at providing know-how for future bentonite studies and at achieving the best possible measurement accuracy with current post-development X-ray imaging equipment.