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

In de wereld van bouwmaterialen zoeken ingenieurs voortdurend naar manieren om beton flexibeler en duurzamer te maken. Een veelbelovende aanpak houdt in dat gerecycled rubber van oude banden door het beton te mengen. Dit creëert een composietmateriaal dat kan buigen en rekken zonder zo gemakkelijk te breken als traditioneel beton, wat een manier biedt om afval te hergebruiken terwijl de veiligheid van constructies wordt verbeterd. Deze flexibiliteit brengt echter een unieke uitdaging met zich mee: wanneer deze rubberhoudende betonbalken worden belast, breken ze niet in eenvoudige, rechte lijnen. In plaats daarvan draaien, kronkelen en volgen de scheuren een complex, grillig pad door het materiaal, wat een ruw en ongelijkmatig oppervlak creëert dat moeilijk te meten is. Begrijpen hoe deze scheuren precies ontstaan en groeien is essentieel voor het ontwerpen van betere mengsels, maar het zien en meten van deze kleine, kronkelende breuken is voor wetenschappers die in laboratoria werken al lang een moeilijke taak.

Decennialang hebben onderzoekers vertrouwd op geavanceerde laserscanners om de oppervlakken van constructies in kaart te brengen. Deze apparaten, bekend als terrestrische laserscanners, werken door een lichtstraal op een object af te vuren en te meten hoe lang het duurt voordat deze terugkaatst. Hoewel deze machines uitstekend zijn voor het in kaart brengen van grote gebouwen of bruggen, hebben ze moeite met de minuscule details die in een laboratoriumsetting worden gevonden. De laserstraal zelf is vaak te breed om in de smalste openingen van een microscheur te passen. Wanneer de straal een ruw oppervlak met een kleine holte raakt, slaat het licht simpelweg over de opening heen, waardoor de ontbrekende details worden opgevuld en de scheur er kleiner of gladder uitziet dan hij in werkelijkheid is. Het is alsof men de diepte van een dun haarscheurtje probeert te meten met een liniaal die dikker is dan de scheur zelf; het instrument kan fysiek niet de bodem bereiken, waardoor de ware vorm van de schade verborgen blijft.

Om dit probleem op te lossen, richtte een team onderzoekers aan de University of New South Wales zich op een andere technologie: nabijheidfotogrammetrie (close-range photogrammetry). In plaats van lasers te gebruiken, maakt deze methode gebruik van standaard digitale camera's om honderden overlappende foto's van een object vanuit vele verschillende hoeken te maken. Door de lichte verschuivingen in hoe het object in elke foto verschijnt te analyseren, kan geavanceerde software een zeer gedetailleerd driedimensionaal model van het oppervlak reconstrueren. De onderzoekers pasten deze techniek toe op rubberhoudende betonbalken die waren getest tot het punt van falen. Ze legden beelden vast met zowel een hoogwaardige professionele camera als een moderne smartphone, en voerden de foto's vervolgens in software die ze aan elkaar naaide tot een dichte wolk van miljoenen punten, waardoor een digitale tweeling van het gebarsten oppervlak werd gecreëerd.

De resultaten toonden aan dat deze cameragestuurde aanpak details kon zien die de laserscanners misten. De professionele camera, uitgerust met een grote sensor, produceerde een model met een resolutie die fijn genoeg was om kenmerken kleiner dan een millimeter te onderscheiden. Wanneer de onderzoekers een specifieke scheur in hun digitale model maten, kwam de breedte uit op ongeveer 2,3 millimeter, wat bijna perfect overeenkwam met een fysieke meting met een schuifmaat. In contrast hiermee produceerde de smartphonecamera, hoewel nog steeds nuttig, een model met iets meer ruis en minder precisie, wat aantoont dat de kwaliteit van de camerasensor er significant toe doet bij het proberen vast te leggen van dergelijke fijne details. De studie bevestigde dat voor de sub-millimeter scheuren die typerend zijn voor rubberhoudend beton, een camera met hoge resolutie een veel effectiever hulpmiddel is dan een standaard laserscanner.

Naast het enkel zien van de scheuren, ontwikkelde het team een manier om deze te isoleren van de rest van het oppervlak. Omdat de scheuren vaak donkerder zijn dan het omringende beton, kon de software kleurinformatie gebruiken om de beschadigde gebieden te benadrukken. Door de 3D-gegevens om te zetten naar een formaat dat deze tonale verschillen accentueerde, waren zij in staat om de werkelijke breukpunten te scheiden van de achtergrondruis. Dit stelde hen in staat om een zuivere, gestructureerde kaart van het pad van de scheur te maken, die de complexe, kronkelende geometrie onthulde die traditionele tweedimensionale afbeeldingen vaak niet kunnen vastleggen. Dit niveau van detail is cruciaal omdat de vorm van de scheur aan ingenieurs vertelt hoe het materiaal zich onder spanning gedraagt, informatie die essentieel is voor het verbeteren van het mengselontwerp.

De onderzoekers gebruikten deze methode ook om te meten hoeveel het beton bewoog tijdens de test. Door het 3D-model van de balk vóór de test te vergelijken met het model nadat deze was gebroken, konden zij de exacte mate van verplaatsing over het gehele oppervlak berekenen. De gegevens toonden aan dat het gebied rond de hoofdscheur gemiddeld 2,2 millimeter bewoog, met delen die tot 2,9 millimeter verschoven. Dit vermogen om beweging over het hele oppervlak te volgen, in plaats van slechts op één enkel punt, biedt een veel rijker beeld van hoe het materiaal vervormt. Het bewijst dat deze fotogrammetrische workflow niet alleen in staat is om kleine defecten te vinden, maar ook in staat is om de schade met hoge precisie te kwantificeren.

Deze studie demonstreert dat nabijheidfotogrammetrie een flexibel en toegankelijk alternatief biedt voor dure lasersystemen voor laboratoriumtesten. Het stelt onderzoekers in staat om de ware, kronkelende aard van scheuren in rubberhoudend beton vast te leggen zonder de fysieke beperkingen van laserstralen. Door een betrouwbare manier te vestigen om deze hoogwaardige 3D-modellen te genereren, legt dit werk de basis voor toekomstige geautomatiseerde systemen die de prestaties van materialen dieper kunnen analyseren. De onderzoekers zijn van plan dit werk uit te breiden door volledig geautomatiseerde tools te ontwikkelen om de lengte, breedte en diepte van elke scheur automatisch te meten, en door te onderzoeken hoe deze scheuren in de loop van de tijd groeien met behulp van videotechnieken. Voor nu bevestigt de studie dat wetenschappers, met de juiste camera en een systematische aanpak, eindelijk de verborgen complexiteit kunnen zien van hoe duurzame bouwmaterialen falen, wat leidt tot veiligere en duurzamere constructies in de toekomst.