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

In der Welt der Baustoffe suchen Ingenieure ständig nach Wegen, um Beton flexibler und nachhaltiger zu machen. Ein vielversprechender Ansatz besteht darin, recycelten Gummi aus alten Reifen in den Beton zu mischen. Dies erzeugt ein Verbundmaterial, das sich biegen und dehnen kann, ohne so leicht wie herkömmlicher Beton zu brechen, was eine Möglichkeit bietet, Abfall wiederzuverwenden und gleichzeitig die Sicherheit von Strukturen zu verbessern. Diese Flexibilität bringt jedoch eine einzigartige Herausforderung mit sich: Wenn diese gummibereiften Betonbalken belastet werden, reißen sie nicht in einfachen, geraden Linien. Stattdessen winden und drehen sich die Risse und folgen einem komplexen, zackigen Pfad durch das Material, was eine raue und unebene Oberfläche erzeugt, die schwierig zu messen ist. Genau zu verstehen, wie diese Risse entstehen und wachsen, ist entscheidend für die Entwicklung besserer Mischungen, aber das Sehen und Messen dieser winzigen, sich windenden Brüche war für Wissenschaftler in Laboren lange Zeit eine schwierige Aufgabe.

Seit Jahrzehnten verlassen sich Forscher auf hochtechnologische Laserscanner, um die Oberflächen von Strukturen abzubilden. Diese Geräte, bekannt als terrestrische Laserscanner, funktionieren, indem sie einen Lichtstrahl auf ein Objekt richten und messen, wie lange es dauert, bis dieser zurückgeworfen wird. Während diese Maschinen hervorragend geeignet sind, um große Gebäude oder Brücken abzubilden, haben sie mit den winzigen Details in einer Laborumgebung Schwierigkeiten. Der Laserstrahl selbst ist oft zu breit, um in die schmalsten Spalten eines Mikrorisses zu passen. Wenn der Strahl auf eine raue Oberfläche mit einer winzigen Vertiefung trifft, überbrückt das Licht die Lücke einfach, füllt das fehlende Detail aus und lässt den Riss kleiner oder glatter erscheinen, als er tatsächlich ist. Es ist, als versuche man, die Tiefe eines dünnen Haarrisses mit einem Lineal zu messen, das dicker ist als der Riss selbst; das Werkzeug kann physisch nicht den Boden erreichen, wodurch die wahre Form des Schadens verborgen bleibt.

Um dieses Problem zu lösen, wandte sich ein Forschungsteam der University of New South Wales einer anderen Art von Technologie zu: der Nahbereichs-Photogrammetrie. Anstatt Laser zu verwenden, nutzt diese Methode Standard-Digitalkameras, um hunderte von überlappenden Fotografien eines Objekts aus vielen verschiedenen Winkeln aufzunehmen. Durch die Analyse der leichten Verschiebungen in der Erscheinung des Objekts in jedem Foto kann eine hochentwickelte Software ein hochdetailliertes dreidimensionales Modell der Oberfläche rekonstruieren. Die Forscher wandten diese Technik auf gummibereifte Betonbalken an, die bis zum Bruch getestet worden waren. Sie erfassten Bilder sowohl mit einer hochwertigen Profikamera als auch mit einem modernen Smartphone und speisten die Fotos anschließend in eine Software ein, die sie zu einer dichten Punktwolke aus Millionen von Punkten zusammenfügte, wodurch ein digitaler Zwilling der gerissenen Oberfläche entstand.

Die Ergebnisse zeigten, dass dieser kamerabasierte Ansatz Details erfassen konnte, die die Laserscanner übersahen. Die Profikamera, die mit einem großen Sensor ausgestattet war, lieferte ein Modell mit einer Auflösung, die fein genug war, um Merkmale kleiner als ein Millimeter zu unterscheiden. Als die Forscher einen spezifischen Riss in ihrem digitalen Modell maßen, ergab sich eine Breite von etwa 2,3 Millimetern, was fast perfekt mit einer physischen Messung mit einer Messschieber-Zange übereinstimmte. Im Gegensatz dazu erzeugte die Smartphone-Kamera, obwohl sie immer noch nützlich war, ein Modell mit etwas mehr Rauschen und weniger Präzision, was zeigt, dass die Qualität des Kamera-Sensors signifikant wichtig ist, wenn man versucht, solch feine Details zu erfassen. Die Studie bestätigte, dass für die typischen Sub-Millimeter-Risse in gummibereiftem Beton eine hochauflösende Kamera ein weita viel effektiveres Werkzeug ist als ein Standard-Laserscanner.

Über das bloße Sehen der Risse hinaus entwickelten die Forscher eine Methode, um sie vom Rest der Oberfläche zu isolieren. Da die Risse oft dunkler sind als der umgebende Beton, konnte die Software Farbinformationen nutzen, um die beschädigten Bereiche hervorzuheben. Durch die Konvertierung der 3D-Daten in ein Format, das diese Tonwertunterschiede betonte, gelang es ihnen, die tatsächlichen Bruchpunkte vom Hintergrundrauschen zu trennen. Dies ermöglichte es ihnen, eine saubere, strukturierte Karte des Pfades des Risses zu erstellen, die die komplexe, gewundene Geometrie offenlegt, welche herkömmliche zweidimensionale Bilder oft nicht erfassen können. Dieser Detailgrad ist entscheidend, da die Form des Risses den Ingenieuren verrät, wie sich das Material unter Belastung verhält – eine Information, die für die Verbesserung des Mischungsdesigns unerlässlich ist.

Die Forscher nutzten diese Methode auch, um zu messen, wie stark sich der Beton während des Tests bewegte. Durch den Vergleich des 3D-Modells des Balkens vor dem Test mit dem Modell nach dem Bruch konnten sie die genaue Verschiebung über die gesamte Oberfläche berechnen. Die Daten zeigten, dass sich der Bereich um den Hauptriss im Durchschnitt um 2,2 Millimeter bewegte, wobei einige Teile sich um bis zu 2,9 Millimeter verschoben. Diese Fähigkeit, die Bewegung über die gesamte Oberfläche statt nur an einem einzelnen Punkt zu verfolgen, liefert ein wesentlich reichhaltigeres Bild davon, wie sich das Material verformt. Es beweist, dass dieser photogrammetrische Arbeitsablauf nicht nur in der Lage ist, winzige Defekte zu finden, sondern auch in der Lage ist, den Schaden mit hoher Präzision zu quantifizieren.

Diese Studie zeigt, dass die Nahbereichs-Photogrammetrie eine flexible und zugängliche Alternative zu teuren Lasersystemen für Labortests bietet. Sie ermöglicht es Forschern, die wahre, gewundene Natur von Rissen in gummibereiftem Beton ohne die physikalischen Einschränkungen von Laserstrahlen zu erfassen. Durch die Etablierung eines zuverlässigen Weges zur Erzeugung dieser hochauflösenden 3D-Modelle legt die Arbeit den Grundstein für zukünftige automatisierte Systeme, die die Materialleistung tiefergehend analysieren können. Die Forscher planen, diese Arbeit durch die Entwicklung vollautomatischer Werkzeuge zu erweitieren, um Länge, Breite und Tiefe jedes Risses automatisch zu messen, sowie durch die Untersuchung des Wachstums dieser Risse im Zeitverlauf mittels videobasierter Techniken. Für den Moment bestätigt die Studie, dass Wissenschaftler mit der richtigen Kamera und einem systematischen Ansatz endlich die verborgene Komplexität des Versagens nachhaltiger Baumaterialien sehen können, was in Zukunft zu sichereren und langlebigeren Strukturen führt.