3D Point Cloud from Close-Range Photogrammetry for Defect Characterisation of Rubberised Concrete

في عالم مواد البناء، يبحث المهندسون باستمرار عن طرق لجعل الخرسانة أكثر مرونة واستدامة. ويتضمن أحد النهج الواعدة خلط المطاط المعاد تدويره من الإطارات القديمة في الخرسانة؛ مما ينتج عنه مادة مركبة يمكنها الانحناء والتمدد دون أن تنكسر بسهولة مثل الخرسانة التقليدية، وهو ما يوفر وسيلة لإعادة استخدام النفايات مع تحسين سلامة الهياكل. ومع ذلك، تأتي هذه المرونة مع تحدٍ فريد: فعندما تتعرض هذه العوارض الخرسانية المطاطية للإجهاد، فإنها لا تتشقق في خطوط مستقيمة بسيطة، بل تلتوي الشقوق وتنعطف وتتبع مساراً متعرجاً ومعقداً عبر المادة، مما يخلق سطحاً خشناً وغير مستوٍ يصعب قياسه. إن فهم كيفية تشكل هذه الشقوق ونموها بدقة أمر ضروري لتصميم خلطات أفضل، لكن رؤة وقياس هذه الكسور الصغيرة والمتعرجة ظل مهمة صعبة لسنوات طويلة على العلماء العاملين في المختبرات.

لعقود من الزمن، اعتمد الباحثون على ماسحات ضوئية ليزرية عالية التقنية لرسم خرائط لأسطح الهياكل. وتعمل هذه الأجهزة، المعروفة باسم الماسحات الليزرية الأرضية، عن طريق إطلاق شعاع ضوئي على جسم ما وقياس الوقت الذي يستغرقه للارتداد. وبينما تعد هذه الآلات ممتازة لرسم خرائط المباني الكبيرة أو الجسور، إلا أنها تعاني مع التفاصيل الدقيقة الموجودة في بيئة المختبر. فغالباً ما يكون شعاع الليزر نفسه عريضاً جداً بحيث لا يتسع للفجوات الأكثر ضيقاً في الشقوق المجهرية. وعندما يصطدم الشعاع بسطح خشن يحتوي على فجوة صغيرة، فإنه ببساطة "يجسر" فوق الفجوة، مما يملأ التفاصيل المفقودة ويجعل الشق يبدو أصغر أو أكثر نعومة مما هو عليه في الواقع. الأمر يشبه محاولة قياس عمق شق شعري رفيع باستخدام مسطرة أكثر سمكاً من الشق نفسه؛ فالأداة لا تستطيع مادياً الوصول إلى القاع، مما يترك الشكل الحقيقي للضرر مخفياً.

ولحل هذه المشكلة، لجأ فريق من الباحثين في جامعة نيو ساوث ويلز إلى نوع مختلف من التكنولوجيا: التصوير المساحي قريب المدى (photogrammetry). وبدلاً من استخدام الليزر، تعتمد هذه الطريقة على كاميرات رقمية عادية لالتقاط مئات الصور المتداخلة للجسم من زوايا مختلفة. ومن خلال تحليل التحولات الطفيفة في كيفية ظهور الجسم في كل صورة، يمكن للبرامج المتطورة إعادة بناء نموذج ثلاثي الأبعاد عالي التفاصيل للسطح. وقد طبق الباحثون هذه التقنية على عوارض خرسانية مطاطية تم اختبارها حتى حد الفشل. حيث التقطوا صوراً باستخدام كل من كاميرا احترافية عالية الجودة وهاتف ذكي حديث، ثم أدخلوا الصور في برنامج يقوم بتجميعها في "سحابة كثيفة" من ملايين النقاط، مما خلق توأماً رقمياً لسطح الشقوق.

أظهرت النتائج أن هذا النهج القائم على الكاميرا يمكنه رؤية التفاصيل التي فاتت الماسحات الليزرية. فقد أنتجت الكاميرا الاحترافية، المزودة بمستشعر كبير، نموذجاً بدقة كافية لتمييز المعالم الأصغر من المليمتر الواحد. وعندما قام الببحاثون بقياس شق معين في نموذجهم الرقمي، جاء عرض الشق حوالي 2.3 مليمتر، وهو ما طابق تقريباً القياس الفيزيائي المأخوذ باستخدام "القدمة ذات الورنية" (caliper). وفي المقابل، أنتجت كاميرا الهاتف الذكي، رغم كونها مفيدة، نموذجاً به قدر أكبر من "الضجيج" ودقة أقل، مما يوضح أن جودة مستشعر الكاميرا مهمة للغاية عند محاولة التقاط مثل هذه التفاصيل الدقيقة. وقد أكدت الدراسة أنه بالنسبة للشقوق التي تقل عن المليمتر، والتي تميز الخرسانة المطاطية، فإن الكاميرا عالية الدقة هي أداة أكثر فعالية بكثير من الماسح الليزري القياسي.

وبعيداً عن مجرد رؤية الشقوق، طور الفريق طريقة لعزلها عن بقية السطح. ولأن الشقوق غالباً ما تكون أغمق من الخرسانة المحيطة بها، استطاع البرنامج استخدام معلومات الألوان لتسليط الضوء على المناطق المتضررة. ومن خلال تحويل البيانات ثلاثية الأبعاد إلى تنسيق يبرز هذه الاختلافات اللونية، تمكنوا من فصل نقاط الكسر الفعلية عن "الضجيج" الخلفي. وقد سمح لهم ذلك بإنشاء خريطة نظيفة ومنظمة لمسار الشق، مما كشف عن الهندسة المتعرجة والمعقدة التي تفشل الصور ثنائية الأبعاد التقليدية في التقاطها. وهذا المستوى من التفصيل أمر بالغ الأهمية لأن شكل الشق يخبر المهندسين بكيفية استجابة المادة للإجهاد، وهي معلومات حيوية لتحسين تصميم الخليط.

كما استخدم الباحثون هذه الطريقة لقياس مقدار حركة الخرسانة أثناء الاختبار. ومن خلال مقارنة النموذج ثلاثي الأبعاد للعارضة قبل الاختبار مع النموذج بعد انكسارها، تمكنوا من حساب مقدار الإزاحة بدقة عبر السطح بأكمله. وأظهرت البيانات أن المنطقة المحيطة بالشق الرئيسي تحركت بمعدل 2.2 مليمتر، مع وجود أجزاء تحركت بما يصل إلى 2.9 مليمتر. إن القدرة على تتبع الحركة عبر السطح بأكمله، بدلاً من نقطة واحدة فقط، توفر صورة أغنى بكثير لكيفية تشوه المادة. وهذا يثبت أن سير عمل التصوير المساحي هذا ليس قادراً فقط على إيجاد العيوب الصغيرة، بل يمكنه أيضاً تحديد حجم الضرر بدقة عالية.

تثبت هذه الدراسة أن التصوير المساحي قريب المدى يوفر بديلاً مرناً ومتاحاً للأنظمة الليزرية المكلفة في الاختبارات المختبرية. فهو يسمح للباحثين بالتقاط الطبيعة المتعرجة الحقيقية للشقوق في الخرسانة المطاطية دون القيود الفيزيائية لشعاع الليزر. ومن خلال وضع طريقة موثوقة لإنشاء هذه النماذج ثلاثية الأبعاد عالية الدقة، يضع هذا العمل حجر الأساس للأنظمة المؤتمتة المستقبلية التي يمكنها تحليل أداء المواد بشكل أعمق. ويخطط الباحثون لتوسيع هذا العمل من خلال تطوير أدوات مؤتمتة بالكامل لقياس طول وعرض وعمق كل شق تلقائياً، واستكشاف كيفية نمو هذه الشقوق بمرور الوقت باستخدام تقنيات قائمة على الفيديو. وفي الوقت الحالي، تؤكد الدراسة أنه مع الكاميرا المناسبة والنهج المنهجي، يمكن للعلماء أخيراً رؤية التعقيد الخفي لكيفية فشل مواد البناء المستدامة، مما يؤدي إلى إنشاء هياكل أكثر أماناً ومتانة في المستقبل.