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

Dans le monde des matériaux de construction, les ingénieurs cherchent constamment des moyens de rendre le béton plus flexible et plus durable. Une approche prometteuse consiste à mélanger du caoutchouc recyclé provenant de vieux pneus dans le béton. Cela crée un matériau composite qui peut se plier et s'étirer sans se rompre aussi facilement que le béton traditionnel, offrant ainsi un moyen de réutiliser des déchets tout en améliant la sécurité des structures. Cependant, cette flexibilité s'accompagne d'un défi unique : lorsque ces poutres en béton caoutchouté sont soumises à des contraintes, elles ne se fissurent pas selon des lignes simples et droites. Au lieu de cela, les fissures tournent, bifurquent et suivent un chemin complexe et dentelé à travers le matériau, créant une surface rugueuse et irrégulière difficile à mesurer. Comprendre exactement comment ces fissures se forment et se propagent est essentiel pour concevoir de meilleurs mélanges, mais observer et mesurer ces micro-fractures sinueuses et minuscules a longtemps été une tâche difficile pour les scientifiques travaillant en laboratoire.

Pendant des décennies, les chercheurs se sont appuyés sur des scanners laser de haute technologie pour cartographier les surfaces des structures. Ces appareils, connus sous le nom de scanners laser terrestres, fonctionnent en projetant un faisceau lumineux sur un objet et en mesurant le temps qu'il met pour revenir. Bien que ces machines soient excellentes pour cartographier de grands bâtiments ou des ponts, elles peinent avec les détails infimes que l'on trouve dans un cadre de laboratoire. Le faisceau laser lui-même est souvent trop large pour s'insérer dans les interstices les plus étroits d'une micro-fissure. Lorsque le faisceau frappe une surface rugueuse présentant un petit vide, la lumière franchit simplement l'écart, comblant le détail manquant et faisant paraître la fissure plus petite ou plus lisse qu'elle ne l'est réellement. C'est comme essayer de mesurer la profondeur d'une fine fissure capillaire avec une règle plus épaisse que la fissure elle-même ; l'outil ne peut physiquement pas atteindre le fond, laissant la véritable forme des dommages cachée.

Pour résoudre ce problème, une équipe de chercheurs de l'Université de Nouvelle-Galles du Sud s'est tournée vers une technologie différente : la photogrammétrie de proximité. Au lieu d'utiliser des lasers, cette méthode utilise des appareils photo numériques standards pour prendre des centaines de photographies se chevauchant sous différents angles. En analysant les légers décalages dans l'apparence de l'objet sur chaque photo, des logiciels sophistiqués peuvent reconstruire un modèle tridimensionnel hautement détaillé de la surface. Les chercheurs ont appliqué cette technique à des poutres en béton caoutchouté qui avaient été testées jusqu'à la rupture. Ils ont capturé des images en utilisant à la fois un appareil photo professionnel haut de gamme et un smartphone moderne, puis ont injecté les photos dans un logiciel qui les a assemblées en un nuage de points dense de millions de points, créant ainsi un jumeau numérique de la surface fissurée.

Les résultats ont montré que cette approche par caméra pouvait voir des détails que les scanners laser manquaient. L'appareil photo professionnel, équipé d'un grand capteur, a produit un modèle avec une résolution assez fine pour distinguer des caractéristiques plus petites qu'un millimètre. Lorsque les chercheurs ont mesuré une fissure spécifique dans leur modèle numérique, la largeur obtenue était d'environ 2,3 millimètres, ce qui correspondait presque parfaitement à une mesure physique prise avec un pied à coulisse. En revanche, l'appareil photo du smartphone, bien qu'utile, a produit un modèle avec un peu plus de bruit et moins de précision, montrant que la qualité du capteur de l'appareil photo compte considérablement lorsqu'on tente de capturer de tels détails fins. L'étude a confirmé que pour les fissures submillimétriques typiques du béton caoutchouté, un appareil photo haute résolution est un outil bien plus efficace qu'un scanner laser standard.

Au-delà de la simple observation des fissures, l'équipe a développé un moyen d'isoler ces dernières du reste de la surface. Comme les fissures sont souvent plus sombres que le béton environnant, le logiciel pouvait utiliser les informations de couleur pour mettre en évidence les zones endommagées. En convertissant les données 3D dans un format qui accentuait ces différences de tons, ils ont pu séparer les points de fracture réels du bruit de fond. Cela leur a permis de créer une carte propre et structurée du chemin de la fissure, révélant la géométrie complexe et sinueuse que les images bidimensionnelles traditionnelles ne parviennent souvent pas à capturer. Ce niveau de détail est crucial car la forme de la fissure indique aux ingénieurs comment le matériau se comporte sous la contrainte, une information vitale pour améliorer la conception du mélange.

Les chercheurs ont également utilisé cette méthode pour mesurer l'ampleur du mouvement du béton pendant le test. En comparant le modèle 3D de la poutre avant le test avec le modèle après sa rupture, ils ont pu calculer l'ampleur exacte du déplacement sur toute la surface. Les données ont montré que la zone autour de la fissure principale s'est déplacée en moyenne de 2,2 millimètres, certaines parties ayant bougé jusqu'à 2,9 millimètres. Cette capacité à suivre le mouvement sur toute la surface, plutôt qu'en un seul point, offre une image beaucoup plus riche de la déformation du matériau. Cela prouve que ce flux de travail photogrammétrique est non seulement capable de trouver de minuscules défauts, mais peut aussi quantifier les dommages avec une grande précision.

Cette étude démontre que la photogrammétrie de proximité offre une alternative flexible et accessible aux systèmes laser coûteux pour les tests en laboratoire. Elle permet aux chercheurs de capturer la nature véritablement tortueuse des fissures dans le béton caoutchouté sans les limitations physiques des faisceaux laser. En établissant une manière fiable de générer ces modèles 3D haute résolution, ce travail pose les bases de futurs systèmes automatisés capables d'analyser plus profondément les performances des matériaux. Les chercheurs prévoient d'étendre ce travail en développant des outils entièrement automatisés pour mesurer automatiquement la longueur, la largeur et la profondeur de chaque fissure, et en explorant la croissance de ces fissures au fil du temps grâce à des techniques vidéo. Pour l'instant, l'étude confirme qu'avec le bon appareil photo et une approche systématique, les scientifiques peuvent enfin voir la complexité cachée de la défaillance des matériaux de construction durables, menant à des structures plus sûres et plus durables à l'avenir.