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

En el mundo de los materiales de construcción, los ingenieros buscan constantemente formas de hacer que el hormigón sea más flexible y sostenible. Un enfoque prometedor consiste en mezclar caucho reciclado de neumáticos viejos en el hormigón. Esto crea un material compuesto que puede doblarse y estirarse sin romperse tan fácilmente como el hormigón tradicional, ofreciendo una forma de reutilizar residuos al tiempo que se mejora la seguridad de las estructuras. Sin embargo, esta flexibilidad conlleva un desafío único: cuando estas vigas de hormigón con caucho son sometidas a tensión, no se agrietan en líneas simples y rectas. En su lugar, las grietas se retuercen, giran y siguen un camino complejo y dentado a través del material, creando una superficie rugosa e irregular que es difícil de medir. Comprender exactamente cómo se forman y crecen estas grietas es esencial para diseñar mejores mezclas, pero ver y medir estas diminutas y retorcidas fracturas ha sido durante mucho tiempo una tarea difícil para los científicos que trabajan en laboratorios.

Durante décadas, los investigadores han dependido de escáneres láser de alta tecnología para mapear las superficies de las estructuras. Estos dispositivos, conocidos como escáneres láser terrestres, funcionan disparando un haz de luz hacia un objeto y midiendo el tiempo que tarda en rebotar. Aunque estas máquinas son excelentes para mapear grandes edificios o puentes, tienen dificultades con los detalles minúsculos que se encuentran en un entorno de laboratorio. El propio haz de luz es a menudo demasiado ancho para caber en las brechas más estrechas de una microgrieta. Cuando el haz de luz golpea una superficie rugosa con un pequeño vacío, la luz simplemente tiende sobre el espacio, rellenando el detalle faltante y haciendo que la grieta parezca más pequeña o lisa de lo que realmente es. Es como intentar medir la profundidad de una fina grieta capilar con una regla que es más gruesa que la propia grieta; la herramienta físicamente no puede llegar al fondo, dejando la verdadera forma del daño oculta.

Para resolver este problema, un equipo de investigadores de la Universidad de Nueva Gales del Sur recurrió a un tipo diferente de tecnología: la fotogrametría de corto alcance. En lugar de utilizar láseres, este método utiliza cámaras digitales estándar para tomar cientos de fotografías superpuestas de un objeto desde muchos ángulos diferentes. Al analizar los ligeros cambios en la apariencia del objeto en cada foto, un software sofisticado puede reconstruir un modelo tridimensional altamente detallado de la superficie. Los investigadores aplicaron esta técnica a vigas de hormigón con caucho que habían sido probadas hasta el punto de falla. Capturaron imágenes utilizando tanto una cámara profesional de gama alta como un teléfono inteligente moderno, y luego introdujeron las fotos en un software que las unió para crear una densa nube de millones de puntos, creando un gemelo digital de la superficie agrietada.

Los resultados mostraron que este enfoque basado en cámaras podía ver detalles que los escáneres láser pasaban por alto. La cámara profesional, equipada con un sensor grande, produjo un modelo con una resolución lo suficientemente fina como para distinguir características menores de un milímetro. Cuando los investigadores midieron una grieta específica en su modelo digital, el ancho resultó ser de aproximadamente 2,3 milímetros, lo cual coincidió casi perfectamente con una medida física tomada con un calibrador. En contraste, la cámara del teléfono inteligente, aunque sigue siendo útil, produjo un modelo con un poco más de ruido y menos precisión, demostrando que la calidad del sensor de la cámara importa significamente cuando se intenta capturar tales detalles finos. El estudio confirmó que, para las grietas submilimétricas típicas del hormigón con caucho, una cámara de alta resolución es una herramienta mucho más efectiva que un escáner láser estándar.

Más allá de solo ver las grietas, el equipo desarrolló una forma de aislarlas del resto de la superficie. Debido a que las grietas suelen ser más oscuras que el hormigón circundante, el software pudo utilizar la información de color para resaltar las áreas dañadas. Al convertir los datos 3D a un formato que enfatizara estas diferencias tonales, pudieron separar los puntos de fractura reales del ruido de fondo. Esto les permitió crear un mapa limpio y estructurado del camino de la grieta, revelando la geometría compleja y sinuosa que las imágenes bidimensionales tradicionales a menudo no logran capturar. Este nivel de detalle es crucial porque la forma de la grieta le indica a los ingenieros cómo se está comportando el material bajo tensión, información que es vital para mejorar el diseño de la mezcla.

Los investigadores también utilizaron este método para medir cuánto se movió el hormigón durante la prueba. Al comparar el modelo 3D de la viga antes de la prueba con el modelo después de que se rompió, pudieron calcular la cantidad exacta de desplazamiento a través de toda la superficie. Los datos mostraron que el área alrededor de la grieta principal se movió un promedio de 2,2 milímetros, con algunas partes desplazándose hasta 2,9 milímetros. Esta capacidad de rastrear el movimiento a través de toda la superficie, en lugar de hacerlo en un solo punto, proporciona una imagen mucho más rica de cómo se deforma el material. Esto demuestra que este flujo de trabajo fotogramétrico no solo es capaz de encontrar defectos diminutos, sino que también puede cuantificar el daño con alta precisión.

Este estudio demuestra que la fotogrametría de corto alcance ofrece una alternativa flexible y accesible a los costosos sistemas láser para las pruebas de laboratorio. Permite a los investigadores capturar la naturaleza real y tortuosa de las grietas en el hormigón con caucho sin las limitaciones físicas de los haces de luz láser. Al establecer una forma fiable de generar estos modelos 3D de alta resolución, el trabajo sienta las bases para futuros sistemas automatizados que puedan analizar el rendimiento de los materiales de manera más profunda. Los investigadores planean ampliar este trabajo desarrollando herramientas totalmente automatizadas para medir la longitud, el ancho y la profundidad de cada grieta automáticamente, y explorando cómo crecen estas grietas a lo largo del tiempo mediante técnicas basadas en video. Por ahora, el estudio confirma que, con la cámara adecuada y un enfoque sistemático, los científicos finalmente pueden ver la complejidad oculta de cómo fallan los materiales de construcción sostenibles, conduciendo a estructuras más seguras y duraderas en el futuro.