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

Nel mondo dei materiali da costruzione, gli ingegneri cercano costantemente modi per rendere il calcestruzzo più flessibile e sostenibile. Un approccio promettente prevede la miscelazione di gomma riciclata da vecchi pneumatici nel calcestruzzo. Ciò crea un materiale composito che può piegarsi e tendersi senza rompersi con la stessa facilità del calcestruzzo tradizionale, offrendo un modo per riutilizzare i rifiuti migliorando al contempo la sicurezza delle strutture. Tuttavia, questa flessibilità comporta una sfida unica: quando queste travi di calcestruzzo gommato vengono sottoposte a stress, non si crepano con linee semplici e dritte. Invece, le crepe si torcono, girano e seguono un percorso complesso e irregolare attraverso il materiale, creando una superficie ruvida e sconnessa che è difficile da misurare. Comprendere esattamente come queste crepe si formino e si propaghino è essenziale per progettare miscele migliori, ma vedere e misurare queste minuscole fratture tortuose è stato a lungo un compito difficile per gli scienziati che lavorano nei laboratori.

Per decenni, i ricercatori si sono affidati a scanner laser ad alta tecnologia per mappare le superfici delle strutture. Questi dispositivi, noti come scanner laser terrestri, funzionano emettendo un fascio di luce verso un oggetto e misurando il tempo necessario affinché rimbalzi indietro. Sebbene queste macchine siano eccellenti per mappare grandi edifici o ponti, faticano con i dettagli minuscoli presenti in un ambiente di laboratorio. Il fascio laser stesso è spesso troppo largo per entrare nelle fessure più strette di una micro-crepa. Quando il raggio colpisce una superficie ruvida con un piccolo vuoto, la luce semplicemente "scavalca" la lacuna, colmando il dettaglio mancante e facendo apparire la crepa più piccola o più liscia di quanto sia in realtà. È come cercare di misurare la profondità di una sottile crepa capillare con un righello che è più spesso della crepa stessa; lo strumento non può fisicamente raggiungere il fondo, lasciando nascosta la vera forma del danno.

Per risolvere questo problema, un team di ricercatori dell'Università del Nuovo Galles del Sud si è rivolto a un tipo diverso di tecnologia: la fotogrammetria a corto raggio. Invece di usare i laser, questo metodo utilizza fotocamere digitali standard per scattare centinaia di fotografie sovrapposte di un oggetto da molte angolazioni diverse. Analizzando i lievi spostamenti in modo che l'oggetto appare in ogni foto, software sofisticati possono ricostruire un modello tridimensionale altamente dettagliato della superficie. I ricercatori hanno applicato questa tecnica a travi di calcestruzzo gommato che erano state testate fino al punto di rottura. Hanno catturato immagini utilizzando sia una fotocamera professionale di fascia alta che uno smartphone moderno, per poi inserire le foto in un software che le ha cucite insieme in una nuvola densa di milioni di punti, creando un gemello digitale della superficie crepata.

I risultati hanno dimostrato che questo approccio basato sulla fotocamera poteva vedere dettagli che gli scanner laser perdevano. La fotocamera professionale, dotata di un sensore grande, ha prodotto un modello con una risoluzione sufficientemente fine da distinguere caratteristiche inferiori al millimetro. Quando i ricercatori hanno misurato una specifica crepa nel loro modello digitale, la larghezza è risultata di circa 2,3 millimetri, il che corrispondeva quasi perfettamente a una misurazione fisica effettuata con un calibro. Al contrario, la fotocamera dello smartphone, pur essendo ancora utile, ha prodotto un modello con un po' più di rumore e meno precisione, dimostrando che la qualità del sensore della fotocamera conta significamente quando si cerca di catturare dettagli così fini. Lo studio ha confermato che, per le crepe sub-millimetriche tipiche del calcestruzzo gommato, una fotocamera ad alta risoluzione è uno strumento molto più efficace di uno standard scanner laser.

Oltre a vedere le crepe, il team ha sviluppato un modo per isolarle dal resto della superficie. Poiché le crepe sono spesso più scure del calcestruzzo circostante, il software poteva utilizzare le informazioni sul colore per evidenziare le aree danneggiate. Convertendo i dati 3D in un formato che enfatizzasse queste differenze tonali, sono stati in grado di separare i veri punti di frattura dal rumore di fondo. Ciò ha permesso loro di creare una mappa pulita e strutturata del percorso della crepa, rivelando la geometria complessa e sinuosa che le immagini bidimensionali tradizionali spesso non riescono a catturare. Questo livello di dettaglio è crucialo perché la forma della crepa dice agli ingegneri come il materiale si comporta sotto stress, un'informazione vitale per migliorare il design della miscela.

I ricercatori hanno anche usato questo metodo per misurare quanto il calcestruzzo si fosse mosso durante il test. Confrontando il modello 3D della trave prima del test con il modello dopo la rottura, potevano calcolare l'esatto ammontare dello spostamento su tutta la superficie. I dati hanno mostrato che l'area intorno alla crepa principale si è mossa in media di 2,2 millimetri, con alcune parti che si sono spostate fino a 2,9 millimetri. Questa capacità di tracciare il movimento su tutta la superficie, piuttosto che in un singolo punto, fornisce un quadro molto più ricco di come il materiale si deforma. Dimostra che questo flusso di lavoro fotogrammetrico è in grado non solo di trovare piccoli difetti, ma anche di quantificare il danno con alta precisione.

Questo studio dimostra che la fotogrammetria a corto raggio offre un'alternativa flessibile e accessibile ai costosi sistemi laser per i test di laboratorio. Permette ai ricercatori di catturare la vera natura tortuosa delle crepe nel calcestruzzo gommato senza i limiti fisici dei fasci laser. Stabilendo un modo affidabile per generare questi modelli 3D ad alta risoluzione, il lavoro pone le basi per futuri sistemi automatizzati che possano analizzare le prestazioni dei materiali in modo più profondo. I ricercatori intendono espandere questo lavoro sviluppando strumenti completamente automatizzati per misurare automaticamente la lunghezza, la larghezza e la profondità di ogni crepa, ed esplorando come queste crepe crescono nel tempo attraverso tecniche basate sul video. Per ora, lo studio conferma che con la giusta fotocamera e un approccio sistematico, gli scienziati possono finalmente vedere la complessità nascosta di come i materiali edilizi sostenibili falliscono, portando a strutture più sicure e durevoli in futuro.