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

No mundo dos materiais de construção, engenheiros buscam constantemente maneiras de tornar o concreto mais flexível e sustentável. Uma abordagem promissora envolve a mistura de borracha reciclada de pneus velhos no concreto. Isso cria um material composto que pode dobrar e esticar sem quebrar tão facilmente quanto o concreto tradicional, oferecendo uma forma de reutilizar resíduos enquanto melhora a segurança das estruturas. No entanto, essa flexibilidade traz um desafio único: quando essas vigas de concreto com borracha são submetidas a tensão, elas não racham em linhas simples e retas. Em vez disso, as rachaduras torcem, viram e seguem um caminho complexo e irregular através do material, criando uma superfície áspera e irregular que é difícil de medir. Compreender exatamente como essas rachaduras se formam e crescem é essencial para projetar misturas melhores, mas observar e medir essas fraturas minúsculas e sinuosas tem sido uma tarefa difícil para cientistas trabalhando em laboratórios.

Por décadas, pesquisadores confiaram em scanners a laser de alta tecnologia para mapear as superfícias de estruturas. Esses dispositivos, conhecidos como scanners a laser terrestres, funcionam disparando um feixe de luz contra um objeto e medindo o tempo que ele leva para retornar. Embora essas máquinas sejam excelentes para mapear grandes edifícios ou pontes, elas têm dificuldade com os detalhes minúsculos encontrados em um ambiente de laboratório. O próprio feixe de laser é frequentemente largo demais para caber nas aberturas mais estreitas de uma microfissura. Quando o feixe atinge uma superfície rugosa com um pequeno vazio, a luz simplesmente atravessa a lacuna, preenchendo o detalhe ausente e fazendo a rachadura parecer menor ou mais lisa do que realmente é. É como tentar medir a profundidade de uma fina fissura capilar com uma régua que é mais grossa que a própria fissura; a ferramenta fisicamente não consegue alcançar o fundo, deixando a verdadeira forma do dano escondida.

Para resolver esse problema, uma equipe de pesquisadores da Universidade de New South Wales recorreu a um tipo diferente de tecnologia: fotogrametria de curto alcance. Em vez de usar lasers, este método utiliza câmeras digitais padrão para tirar centenas de fotografias sobrepostas de um objeto a partir de muitos ângulos diferentes. Ao analisar as leves mudanças na aparência do objeto em cada foto, softwares sofisticados podem reconstruir um modelo tridimensional altamente detalhado da superfície. Os pesquisadores aplicaram essa técnica em vigas de concreto com borracha que foram testadas até a falha. Eles capturaram imagens usando tanto uma câmera profissional de alto nível quanto um smartphone moderno, e depois inseriram as fotos em um software que as costurou em uma nuvem densa de milhões de pontos, criando um gêmeo digital da superfície rachada.

Os resultados mostraram que essa abordagem baseada em câmeras conseguia ver detalhes que os scanners a laser perderam. A câmera profissional, equipada com um sensor grande, produziu um modelo com resolução fina o suficiente para distinguir características menores que um milímetro. Quando os pesquisadores mediram uma rachadura específica em seu modelo digital, a largura resultou em aproximadamente 2,3 milímetros, o que coincidiu quase perfeitamente com uma medição física feita com um paquímetro. Em contraste, a câmera do smartphone, embora ainda útil, produziu um modelo com um pouco mais de ruído e menos precisão, mostrando que a qualidade do sensor da câmera importa significamente ao tentar capturar detalhes tão finos. O estudo confirmou que, para as rachaduras submilimétricas típicas do concreto com borracha, uma câmera de alta resolução é uma ferramenta muito mais eficaz do que um scanner a laser padrão.

Além de apenas ver as rachaduras, a equipe desenvolveu uma maneira de isolá-las do restante da superfície. Como as rachaduras são frequentemente mais escuras que o concreto ao redor, o software pôde usar informações de cor para destacar as áreas danificadas. Ao converter os dados 3D em um formato que enfatizava essas diferenças tonais, eles foram capazes de separar os pontos reais de fratura do ruído de fundo. Isso permitiu que criassem um mapa limpo e estruturado do caminho da rachadura, revelando a geometria complexa e sinuosa que as imagens bidimensionais tradicionais muitas vezes não conseguem capturar. Esse nível de detalhe é crucial porque a forma da rachadura diz aos engenheiros como o material está se comportando sob tensão, informação que é vital para melhorar o design da mistura.

Os pesquisadores também usaram este método para medir o quanto o concreto se moveu durante o teste. Ao comparar o modelo 3D da viga antes do teste com o modelo após ela quebrar, eles puderam calcular a quantidade exata de deslocamento em toda a superfície. Os dados mostraram que a área ao redor da rachadura principal se moveu em média 2,2 milímetros, com algumas partes deslocando-se até 2,9 milímetros. Essa capacidade de rastrear o movimento em toda a superfície, em vez de apenas em um único ponto, fornece um quadro muito mais rico de como o material se deforma. Isso prova que este fluxo de trabalho fotogramétrico é capaz não apenas de encontrar pequenos defeitos, mas também de quantificar o dano com alta precisão.

Este estudo demonstra que a fotogrametria de curto alcance oferece uma alternativa flexível e acessível aos sistemas caros de laser para testes laboratoriais. Ela permite que os pesquisadores capturem a natureza verdadeira e tortuosa das rachaduras no concreto com borracha sem as limitações físicas dos feixes de laser. Ao estabelecer uma maneira confiável de gerar esses modelos 3D de alta resolução, o trabalho lança as bases para futuros sistemas automatizados que possam analisar o desempenho dos materiais de forma mais profunda. Os pesquisadores planejam expandir este trabalho desenvolvendo ferramentas totalmente automatizadas para medir o comprimento, a largura e a profundidade de cada rachadura automaticamente, e explorando como essas rachaduras crescem ao longo do tempo usando técnicas baseadas em vídeo. Por ora, o estudo confirma que, com a câmera certa e uma abordagem sistemática, os cientistas podem finalmente ver a complexidade oculta de como os materiais de construção sustentáveis falham, levando a estruturas mais seguras e duráveis no futuro.