Three-Dimensional visualization of geomaterials using Böhme abrasion apparatus

Abstract

The visual quantification of the internal structures of heterogenous geomaterials enables the researchers a new perspective for the evaluation of the mechanical behaviors. Several methods are available for the non-destructive visualization of the internal structures. However, these methods are mostly expensive and inaccessible for many researchers. On the other hand, although destructive, another method to achieve the internal structures is the cutting and slicing method. In this method, it is not possible to make sufficient number of samplings for a detailed three-dimensional visualization. A better methodology superior to slicing is needed to make detailed evaluations based on internal structures. In this respect, a cost-effective methodology for detailed three-dimensional visualization of a selected geomaterial was proposed in this study by using Böhme abrasion test apparatus and MATLAB technical programming language. The constituent structures of the geomaterial are segmented and visualized separately. All visual data and MATLAB codes were made available for the interested researchers.

Keywords

• Three-dimensional visualization,Böhme,Geomaterial,Breccia rock.

Geomateryallerin Böhme aşındırma deney cihazı kullanılarak üç boyutlu görüntülenmesi

Öz

Heterojen özellik taşıyan geomateryallerin iç yapılarının görüntülenmesi, numunelerin mekanik özelliklerinin değerlendirilmesinde araştırmacıya yeni bir bakış açısı sağlamaktadır. İç yapının tahribatsız görüntülenmesi için farklı metotlar kullanılmaktadır. Fakat bu metotlar birçok araştırmacı için pahalı ve ulaşılmaz bir durumdadır. İç yapıların incelenmesi için bir diğer yöntem ise tahribatlı kesme ve dilimleme yöntemidir. Bu yöntemde doğrudan kesitlere ulaşılmasına rağmen detaylı bir üç boyutlu görselleştirme için yeterli sayıda örnekleme yapmak mümkün olamamaktadır. İç yapının daha iyi değerlendirilebilmesi için seri dilimleme yönteminden daha başarılı bir yönteme ihtiyaç duyulmaktadır. Bu amaçla, bu çalışmada seçilmiş bir geomateryalin Böhme aşındırma deney cihazı kullanılarak dilimleme ile elde edilemeyecek sıklıkta kesit görüntüsü sayısallaştırılmış ve detaylı bir üç boyutlu görselleştirme gerçekleştirmek için MATLAB teknik programlama dili kullanılmıştır. Bu şekilde örneğin iç yapısındaki öğeler ayrıştırılmış ve ayrı ayrı görüntülenmiştir. Tekniğin ülkemizdeki araştırmacıların kullanımına sunulması ve yaygınlaşması amacıyla aşındırma görselleri ve MATLAB kodları makale ekinde sunulmuştur.

Anahtar Kelimeler

• Üç boyutlu görüntüleme,Böhme,Geomateryal,Breşli kaya.

References

1. Yue ZQ, Morin I. “Digital image processing for aggregate orientation in asphalt concrete mixtures”. Canadian Journal of Civil Engineering, 23(2), 480-489, 1996.
2. Pierret A, Capowiez Y, Belzunces L, Moran CJ. “3D reconstruction and quantification of macropores using X-ray computed tomography and image analysis”. Geoderma, 106(3-4), 247-271, 2002.
3. Ruzyla, K. "Characterization of pore space by quantitative image analysis." SPE Formation Evaluation, 1(4), 389-398, 1986.
4. Pareschi MT, Pompilio M, Innocenti F. “Automated evaluation of volumetric grain-size distribution from thin-section images”. Computers and Geosciences, 16(8), 1067-1084, 1990.
5. Francus P. “An image analysis technique to measure grain-size variation in thin sections of soft clastic sediments”. Sedimentary Geology, 121, 289-298, 1998.
6. Yun T S, Jeong YJ, Kim KY, & Min KB. “Evaluation of rock anisotropy using 3D X-ray computed tomography”. Engineering Geology, 163, 11-19, 2013.
7. Ju Y, Wang L, Xie H, Ma G, Zheng Z, & Mao L. “Visualization and transparentization of the structure and stress field of aggregated geomaterials through 3D printing and photoelastic techniques”. Rock Mechanics and Rock Engineering, 50(6), 1383-1407, 2017.
8. Hu L, Guo H, Zhang P, Yan D. “Pore-Network Model for Geo-Materials”. Proceedings of GeoShanghai 2018 International Conference: Multi-Physics Processes in Soil Mechanics and Advances in Geotechnical Testing. Singapore, 27-30 May 2018.

9. Halverson C. Characterization of Geomaterials with X-Ray Computed Tomography (X-ray CT). MSc Thesis, Iowa State University, US, 2008.
10. Halverson C. Characterization of Geomaterials with X-Ray Computed Tomography (X-ray CT). MSc Thesis, Iowa State University, US, 2008.
11. Bisdom EBA, Schoonderbeek D. “The characterization of the shape of mineral grains in thin sections of soils by Quantimet and BESI”. Geoderma, 30, 303-322, 1983.
12. McDonald I, Kaufmann P, Dullien F. “Quantitative image analysis of finite porous media I. Development of genus and pore map software”. Journal of Microscopy. 144(3), 277-296, 1986a.
13. Cousin I. Reconstruction 3D Par Coupes Seriees et Transport de Gaz Dans un Milieu Poreux. Application a l’etude d’un Sol Argilo-Limoneux. PhD Thesis, University of Orleans, France, 1996.
14. Cousin I, Levitz P, Bruand A. “Three-Dimensional analysis of a loamy-clay soil using pore and solid chord distributions”. European Journal of Soil Science, 47(4), 439–452, 1996.
15. Vogel HJ, Kretzschmar A. “Topological characterization of pore space in soil-sample preparation and digital image processing”. Geoderma 73, 23-38, 1996.
16. Ayoubian A, Robertson PK. “Void ratio redistribution in undrained triaxial extension tests on Ottawa sand. Canadian Geotechnical Journal, 35(2), 351-359, 1998.
17. Oda M. “The mechanism of fabric changes during compressional deformation of sand.” Soils and Foundations, Japanese Society of Soil Mechanics and Foundation Engineering, 12(2), 1-18, 1972.
18. Kuo CY, Frost DJ. “Uniformity evaluation of cohesionless specimens using digital image analysis”. Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, 122(5), 390-396, 1996.
19. Jang DJ, Frost DJ, Park JY. “Preparation of epoxy impregnated sand coupons for image analysis”. Geotechnical Testing Journal, ASTM, 22(2), 153-164, 1999.
20. Yavuz AB, Türk N, Koca MY. “The use of micritic limestone as building stone. A case study of Akhisar Beige marble in Western Turkey”. Proceedings of the Industrial Minerals and Building Stones, İstanbul, Turkey, 15-18 September 2003.
21. EN 14157. Natural stones - Determination of abrasion resistance, European Standard, p. 19, 2004.
22. Kaya AC. Midyat Taşının Kaplama ve Yapıda Kullanılabilirliğinin Araştırılması. Yüksek Lisans Tezi, Çukurova Üniversitesi, Adana, Türkiye, 2008.