3D Quantification of Pore Scale Geometrical Changes Using Synchrotron Computed

Quantification 3D des modifications géométriques à l'échelle du pore par microtomographie

Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux, ICMCB-CNRS, Université Bordeaux 1

Corresponding author: bernard@icmcb-bordeaux.cnrs.fr

Abstract

Synchrotron microtomography is a non-destructive 3D-characterisation technique providing a three-dimensional mapping of µ, the linear X-ray absorption coefficient of the material under investigation. At each voxel (volume element in 3D images, by analogy to pixel, picture element in 2D) the value of µ is the average of the absorption coefficients of the different solids and fluids contained into it at the moment of acquisition. When the considered sample is composed of several materials havingdissimilar µ values, it is possible, by segmentation, to transform the µ mapping into a 3D image of the different constitutive materials. Furthermore, microtomography being non-destructive, it is possible to modify the sample between two acquisitions and to follow the induced evolutions in 3D with an unrivalled precision. Synchrotron microtomography has been used to characterise the 3D-microstructure evolutions of two samples submitted to two different processes. In the first case a lithium borate powder sample is followed during natural sintering. Morphological changes are shown as well as a solid-solid phase change that is quantified in 3D. In the second case, the modifications induced by reactive percolation of CO₂ saturated water within a natural limestone sample are characterized. The process permitting to proceed from the data acquired on the tomography beam line to a series of 3D images of the same sample at the different stages of its evolution is presented. The obtained results illustrate the possibilities offered by this quantitative 3D imaging technique to improve the understanding of multi-scale coupled reactive transport processes in porous materials.

Résumé

La microtomographie synchrotron est une technique non-destructive de caractérisation tridimensionnelle fournissant une cartographie 3D de µ, le coefficient d'atténuation linéaire du matériau étudié. En chacun des voxels (élément de volume, par analogie avec pixel, élément d'image en 2D), la valeur de µ est la moyenne des coefficients d'atténuation des différents fluides et solides présents au moment de l'acquisition. Lorsque l'échantillon considéré est composé de matériaux ayant des valeurs de µ très différentes, il est possible, par segmentation, de transformer la cartographie de µ en une image 3D de distribution des différents matériaux. De plus, la microtomographie étant nondestructive, il est possible de modifier l'échantillon entre deux acquisitions et de suivre les évolutions induites en 3D avec une précision inégalable. La microtomographie synchrotron a été utilisée pour caractériser les évolutions micro structurales tridimensionnelles de deux échantillons soumis à des processus différents. Dans le premier cas, un échantillon de poudre de borate de lithium est suivi lors du frittage naturel. Les modifications micro structurales sont mises en évidence ainsi qu'un changement de phase solide-solide qui est quantifié en 3D. Dans le second cas, ce sont les changements causés par la percolation réactive d'eau saturée en CO₂ au travers d'un échantillon de carbonate naturel qui sont caractérisés. La procédure permettant de passer des données microtomographiques aux séries d'images 3D d'un même échantillon est présentée. Les résultats obtenus illustrent les possibilités offertes par cette technique quantitative d'imagerie 3D pour améliorer la compréhension des transports réactifs couplés multi-échelle ayant lieu au sein des matériaux poreux.