粒状集合体の3次元挙動の計測を目的としたX線CTスキャナ汎用マーカーの開発と適用

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本研究ではまず,粒径が揃ったX線CTスキャナ用マーカーを簡易に作製する為に母材の検討を行った.当初,セメント材料を板状に成型固化後,粉砕作製法を採ったが,粒径の一定制御が困難で,材料ロスが多く不適当と判断した.次に焼成粘土をひも状に成形乾燥後,適当な長さに折ることである程度揃った粒径を得ることができたため,この方法を採用した,次に,母材に混合する配合材を検討した.金属短繊維や高分子繊維などを試したが,マーカー粒子作成時に配合材が母材内部に収まらず実験時のマーカー粒子自体の挙動に影響が大きいと予想されたため不適当と判断した.そこで,一つのマーカー粒子に複数の配合材が点で含まれればマーカーの粒子回転量の計測が可能であると考え,配合材に小径粒子を選択した.母材が焼成粘土であるため高温に耐えられるφ0.3mmの鉄粒子が最も適当と考えられた.母材の強度を必要とせず,かつ水を使用しない実験であれば配合材粒子は他の材料でも可能と考える.作製したマーカー粒子をCT撮影したところ,母材内部の配合材粒子がほぼ完全に分離できた.技術課題として,少量のサンプルにおいても撮影で得られる関心粒子数が多く,粒子を個別追跡するには3次元PTVを開発して粒子の移動量抽出を行う必要が出てきた.そこで,弛緩法アルゴリズムを用いて粒子移動前後の3次元座標のマッチングプログラムを開発した結果,五千個程度の粒子追跡が可能になった.ただし,境界値問題を対象とする実験に応用するには追跡粒子数を数万個～数十万個のオーダーで行う必要がある.現在のプログラムでは計算に膨大な時間がかかるが,プログラムのマルチスレッド化で解決できる見通しが立ってきた.粒子の回転量の抽出や透水現象などによる微小な粒子移動についてはCT画像自体の前処理の問題が残るため今後の技術課題として残る.今回選択した焼成粘土母材では高い硬度は期待できないが,応力状態の小さい範囲での実験に適用するか,もしくは破砕性材料であることを生かして応力状態の分布を観察する実験に応用できると考えられる.