Monitoring water transport and deformation in swelling materials using X-ray imaging and tomography

Abstract

Water transport in porous materials is an important phenomenon in many practical applications. Modeling of water transport is often used to evaluate the performance of such applications in real conditions. The modeling can be, however, very challenging since many materials have a complex structure and water can be transported by several different mechanisms in different parts of the material. Many materials also deform and change their structure due to changes in water content. Model development thus requires detailed experimental data on water content distribution and possibly also on deformation in the material at different points in time. However, there are not many methods available for producing such data, especially for swelling materials. In this thesis, a non-destructive method based on 3D (2D + time) X-ray imaging or 4D (3D + time) X-ray tomography to monitor water transport and deformation in swelling materials is introduced. The method comprises taking of multiple images of a sample at suitable intervals during a wetting or drying process. After correcting for several types of image artifacts, the images are used to calculate the attenuation coefficient distribution and to measure the deformation of the sample at different times. These results together with careful calibration are used to calculate the final results, the partial density distributions of solid and water in the sample as a function of time. The accuracy of the method is limited by remaining image artifacts and errors in deformation measurement. The method was successfully applied to bentonite and biocomposite samples. Bentonite is a swelling clay material, which is used in many nuclear waste disposal concepts as a buffer material between waste canisters and the bedrock. Mechanical behavior of bentonite and water transport mechanisms in bentonite are still not fully understood, and hence detailed experimental data can help to develop better models for more reliable safety assessments of disposal concepts. Biocomposite consists of natural fibers as reinforcement in a polymer matrix, which can also be made from renewable resources. Properties of natural fibers and biocomposites may, however, degrade when exposed to water, and hence studying water transport can help to develop more durable materials. Keywords: Bentonite, biocomposite, X-ray imaging, X-ray tomography, water transport, deformation, image correlation

Veden kulkeutuminen huokoisissa materiaaleissa on tärkeä ilmiö monissa käytännön sovelluksissa. Veden kulkeutumisen mallintamista käytetään usein arvioimaan sovelluksien toimivuutta oikeissa toimintaympäristöissä. Mallintaminen voi kuitenkin olla hyvin haastavaa, sillä monet materiaalit ovat monimutkaisia rakenteeltaan ja vesi voi kulkeutua useiden eri mekanismien avulla materiaalin eri osissa. Monet materiaalit myös muuttavat muotoaan ja rakennetta vesipitoisuuden muuttuessa. Mallien kehittämistä varten tarvitaan siten yksityiskohtaista kokeellista tietoa materiaalin vesipitoisuusjakaumasta ja mahdollisesti myös muodonmuutoksesta eri ajanhetkinä. Tällaisen tiedon tuottamiseen, erityisesti paisuville materiaaleille, ei kuitenkaan ole juuri menetelmiä olemassa. Tässä tutkielmassa esitellään 3D (2D + aika) röntgenkuvaukseen tai 4D (3D + aika) röntgentomografiaan perustuva näytettä rikkomaton menetelmä, jolla veden kulkeutumista voidaan seurata paisuvissa materiaaleissa. Menetelmässä näytteestä otetaan useita kuvia sopivin väliajoin kastumisen tai kuivumisen aikana. Useiden erityyppisten kuvavirheiden korjausten jälkeen kuvista lasketaan näytteen vaimennuskerroinjakauma ja mitataan näytteen muodonmuutos eri ajanhetkinä. Näiden tulosten ja huolellisen kalibroinnin avulla voidaan laskea lopullisina tuloksina kiintoaineen ja veden osatiheysjakaumat ajan funktiona. Menetelmän tarkkuutta rajoittavat jäljelle jääneet kuvavirheet ja virheet muodonmuutoksen mittauksessa. Menetelmää sovellettiin onnistuneesti bentoniitti- ja biokomposiittinäytteisiin. Bentoniitti on paisuvaa savimateriaalia, jota käytetään ydinjätteen loppusijoituksessa ydinjätekanisterien ja kallioperän välisenä puskurimateriaalina monissa loppusijoituskonsepteissa. Bentoniitin mekaanista käyttäytymistä ja veden kulkeutumista bentoniitissa ei kuitenkaan täysin tunneta, ja siksi yksityiskohtainen kokeellinen tieto voi auttaa kehittämään parempia malleja loppusijoituskonseptien luotettavampia turvallisuusarvioita varten. Biokomposiitissa on vahvikkeena luonnonkuituja polymeerimatriisissa, joka voi myös olla valmistettu uusiutuvista luonnonvaroista. Luonnonkuitujen ja biokomposiittien ominaisuudet voivat kuitenkin heiketä veden vaikutuksesta, ja siksi veden kulkeutumisen tutkiminen voi auttaa kehittämään kestävämpiä materiaaleja. Keywords: Bentoniitti, biokomposiitti, röntgenkuvaus, röntgentomografia, veden kulkeutuminen, muodonmuutos, kuvakorrelaatio