從國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)看數(shù)字圖像技術(shù)在工程材料檢測(cè)方面的應(yīng)用

曹路

【摘要】隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)和數(shù)字圖像理論的不斷進(jìn)步， 數(shù)字圖像處理技術(shù)（簡(jiǎn)稱DIP）為各種自然、非自然材料研究提供了一種前所未有的實(shí)用技術(shù)，數(shù)字圖像的理論日益成熟、微觀數(shù)字圖像采集水平的快速提升，都使得DIP技術(shù)更加廣泛深入地應(yīng)用到工程材料的試驗(yàn)、研制、檢測(cè)作業(yè)中。

【關(guān)鍵詞】工程材料檢測(cè);研究動(dòng)態(tài);數(shù)字圖像技術(shù)

DIP是一門(mén)大雜燴的邊緣性學(xué)科，將信號(hào)處理、數(shù)學(xué)、體視學(xué)、模式識(shí)別、人工智能等學(xué)科融為一體。并引入各大領(lǐng)域，如生物醫(yī)學(xué)、航空航天以及各種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)等不同的科學(xué)領(lǐng)域。DIP也為測(cè)量和表述巖土內(nèi)部微觀的各種介質(zhì)的空間分布情況提供了可行之處，能夠方便人們了解巖土微觀材料的非均質(zhì)性和巖土的微觀結(jié)構(gòu)特征，并為認(rèn)識(shí)巖土微觀材料各組分的形態(tài)特征以及相對(duì)應(yīng)的力學(xué)特征提供了有效的途徑。在同一地點(diǎn)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)無(wú)差異的情況下巖體內(nèi)外的裂縫特征幾乎一樣，為解決難以獲取巖體內(nèi)部數(shù)據(jù)這一難題，通常有從巖體內(nèi)部和表面兩種方式獲得裂隙的數(shù)據(jù)信息，一般是利用皮尺和羅盤(pán)等傳統(tǒng)測(cè)量工具對(duì)巖體表面裂隙特征進(jìn)行測(cè)量，這種依賴人工逐一測(cè)量而"獲得數(shù)據(jù)的方式盡管簡(jiǎn)單易行但效率低下，受外界條件限制較多，但測(cè)量對(duì)象在險(xiǎn)峻的陡坡上時(shí)，測(cè)量工作就難以進(jìn)行。借助先進(jìn)的數(shù)字圖像存儲(chǔ)設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)拍攝裂隙特征，運(yùn)用DIP分析處理所采集到的裂隙數(shù)據(jù)，最后提取有參考價(jià)值的信息，與傳統(tǒng)的測(cè)量方法相比，這種測(cè)量方式可降低測(cè)量難度，有效的避免外界條件對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，并且有很高的測(cè)量效率，既經(jīng)濟(jì)又簡(jiǎn)單，最重要的是通過(guò)圖像采集所獲得的信息量大，符合巖體裂隙的各種研究中的數(shù)據(jù)要求。

目前國(guó)外有關(guān)數(shù)字圖像技術(shù)的動(dòng)態(tài)是：國(guó)內(nèi)岳中琦等專家在研究巖土的內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)時(shí)，提出可利用數(shù)字圖像處理的理論對(duì)其進(jìn)行定量分析。這個(gè)方法是從水平和垂直的兩個(gè)方向切割混凝土試件，對(duì)試件被切割后會(huì)產(chǎn)生橫向截面和縱向截面進(jìn)行照相記錄。再利用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)顆粒直徑超過(guò)2毫米的集料粒度，并對(duì)其粒度分布、幾何形狀特征、集料定向性以及顆粒的空間分布情況進(jìn)行定量分析并作以總結(jié)，該研究表明采集的試件瀝青混凝土骨料在不同的方向上著很大區(qū)別：與瀝青混凝土碾壓而形成的過(guò)程一致，該混凝土骨料在垂直剖面上的排列會(huì)小于在水平剖面上的情況，可得出瀝青混凝土骨料主要是水平剖面排列分布;旋轉(zhuǎn)碾壓方法能夠模擬現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)過(guò)程，并且可以取得較好效果。國(guó)內(nèi)還有張婧娜基于DIP技術(shù)分析了瀝青混凝土在不同溫度、不同形態(tài)條件下的內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)組成及其的相關(guān)要素的排列情況。

李智等通過(guò)研究證明了基于DIP技術(shù)研究瀝青混凝土微觀顆粒組成結(jié)構(gòu)的合理性。也就是以瀝青混凝土的內(nèi)部微觀屬性為出發(fā)點(diǎn)，繼續(xù)開(kāi)發(fā)和完善DIP在此類領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用。分析各種壓實(shí)成型方法對(duì)混凝土試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，借助數(shù)碼成像技術(shù)采集混凝土的內(nèi)構(gòu)圖像后得到混凝土試樣的微觀立斷面，從中采集材料關(guān)鍵的數(shù)字信息機(jī)進(jìn)行整合分析。結(jié)合實(shí)際情況，認(rèn)為與實(shí)際的路面最接近的是輪碾壓實(shí)及旋轉(zhuǎn)壓實(shí)效果。

彭勇等在DIP技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)瀝青混凝土內(nèi)部骨料的均勻性進(jìn)行了研究，并且提出位置偏差、數(shù)目偏差及面積比3個(gè)參數(shù)，這3個(gè)參數(shù)是在截面熵骨料布狀態(tài)的基礎(chǔ)之上提出的，然后對(duì)瀝青混凝土的均勻性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。

岳中琦等人則提出另一種理論方案，在對(duì)巖土內(nèi)部微觀骨料的空間幾何分布特征進(jìn)行分析研究中，利用數(shù)字圖像測(cè)量的方法進(jìn)行分析。試驗(yàn)結(jié)果得出，混凝土微觀內(nèi)部骨料的幾何分布形態(tài)在水平以及深度方向上有較大差別，且混凝土試樣微觀骨料剖面在深度方向上的面積部分較大。試驗(yàn)中用使骨料主剖面趨近于大豎向分布排列的方式的方法，使混凝土受到側(cè)方向上的振動(dòng)擠壓力。所以就豎向插入了混合流體內(nèi)的振動(dòng)棒。這樣操作結(jié)果是導(dǎo)致混凝土試樣的物理以及相關(guān)的力學(xué)方面等特性在水平和垂直方向上有所不同。

寶庭等專家在DIP之上，獲得斷裂面的統(tǒng)計(jì)特征，對(duì)水泥混凝土受損后的各種相關(guān)截面的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。同時(shí)研究了巖土試樣的強(qiáng)度及其內(nèi)部骨料受損斷裂比例之間聯(lián)系。最后由三維級(jí)配分布推論出二維級(jí)配分布，對(duì)從二維基礎(chǔ)上對(duì)混凝土進(jìn)行數(shù)值分析奠定基礎(chǔ)。

劉清元等將 DIP 與其它技術(shù)容合，最終提出研究各種混凝土裂痕的綜合算法。這一算法的提出對(duì)該混凝土的研究有很深遠(yuǎn)的影響，該算法能夠開(kāi)發(fā)出很強(qiáng)大的用處。比如對(duì)混凝土的裂紋走向、幾何尺寸如長(zhǎng)度、寬度等的獲取提供了便捷。但是算法也有待進(jìn)一步完善，因?yàn)樗惴ㄟ€不能夠處理復(fù)雜的多分支細(xì)小裂紋。徐文杰等人則以由崩坡堆積而成的的巖土混合體為研究對(duì)象展開(kāi)相關(guān)研究，他們先對(duì)巖土混合體的斷面圖像進(jìn)行多維化照相采集，然后選取其中四個(gè)試樣的斷面圖像進(jìn)行DIP技術(shù)分析，對(duì)其內(nèi)部塊石的幾何形態(tài)和分布定向性、 粒度等相關(guān)的細(xì)觀結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行定量研究，所得結(jié)果顯示，土石混合體在形成的時(shí)候經(jīng)歷的位移活動(dòng)相當(dāng)復(fù)雜，雖然巖土混合體的內(nèi)部塊石雜亂無(wú)章的排列，但其依舊有著不錯(cuò)的統(tǒng)計(jì)自組織性。該試樣的比例無(wú)關(guān)性也是它的一個(gè)不可忽略的特征。

目前國(guó)外有關(guān)DIP技術(shù)在工程巖土材料檢測(cè)研究、應(yīng)用的動(dòng)態(tài)有：Tanshman 運(yùn)用計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）技術(shù)及DIP技術(shù)處理等方法，對(duì)巖土內(nèi)部孔隙的分布在不同的壓實(shí)方法及巖土的骨料梯度的情況下會(huì)有何種差異進(jìn)行了分析研究。其研究結(jié)果表明，在水平或是垂直的方向上，壓實(shí)成型（SGC）的瀝青混凝土試樣的內(nèi)部孔隙都呈不均勻分布，然而骨料梯度對(duì)孔隙分布影響不大。該研究是通過(guò)定量分析巖土的內(nèi)部骨料分布特征，再經(jīng)過(guò)計(jì)算處理后可了解對(duì)其巖土內(nèi)部的各向異性特征的微結(jié)構(gòu)張量的具體情況，并運(yùn)用到巖土的力學(xué)結(jié)構(gòu)研究中，在巖土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)瀝青混凝土進(jìn)行粘塑性本構(gòu)建模。

Amo等人在研究過(guò)程中，將水泥混凝土骨料顯微鏡圖像和 DIP 技術(shù)相結(jié)合，定量分析了水泥混凝土內(nèi)部礦物組成，研究得到了石英反應(yīng)指數(shù)（QRI）以及QRI 可以反映堿硅酸反應(yīng)試驗(yàn)中的特征。研究還得出，由于巖土的質(zhì)變過(guò)程中會(huì)很大程度上增大石英顆粒參加反應(yīng)的表面積，因此可以用這個(gè)方法來(lái)減小石英顆粒大小，從而達(dá)到增強(qiáng)堿反應(yīng)作用的目的。

Lebourg 在運(yùn)用 DIP 對(duì) Aspe Valley 分布的冰磧物內(nèi)部塊石的形態(tài)及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征的定量分析過(guò)程時(shí)，在研究冰磧物與其內(nèi)部塊石之間的力學(xué)形態(tài)特征參數(shù)相關(guān)性中，巧妙地運(yùn)用了多維統(tǒng)計(jì)方法。Akesson 等人則是在DIP基礎(chǔ)之上，借助定量顯微鏡的便捷之處，對(duì)瑞典某地區(qū)存在的花崗巖的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了研究。包括對(duì)花崗巖的內(nèi)部的礦物顆粒幾何形態(tài)、葉理指數(shù)以及顆粒的空間分布等細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征的研究。通過(guò)研究表明，巖石的抗磨損能力主要由內(nèi)部礦物顆粒的大小來(lái)決定，巖石的力學(xué)性質(zhì)受不同的礦物形狀及巖土微觀排列方式的影響較大，然而抗破碎能力方面受以上兩因素的影響更大，但是不是決定因素。并且指出必須考慮材料內(nèi)部的礦物細(xì)觀結(jié)構(gòu)，對(duì)其性質(zhì)的影響，在此基礎(chǔ)之上對(duì)巖石的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析和研究，必要時(shí)還要建立其相應(yīng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。就目前而言主要采取實(shí)驗(yàn)測(cè)試、數(shù)據(jù)分析、理論分析相結(jié)合的方法對(duì)巖土材料進(jìn)行研究，然而這種研究方法僅適用于巖土材料性質(zhì)及其相應(yīng)的邊界條件不太復(fù)雜時(shí)，當(dāng)在處理復(fù)雜條件下的巖石材料問(wèn)題時(shí)，上述方法中的理論分析過(guò)程則會(huì)顯得相當(dāng)復(fù)雜，甚至無(wú)法解決相關(guān)問(wèn)題，此時(shí)則需要運(yùn)用分析得出巖土的物理模型，并結(jié)合目前比較合適的計(jì)算機(jī)數(shù)值分析技術(shù)的方法來(lái)解決這些難題，因此這類物理模型試驗(yàn)方法只在大型（高難度）工程時(shí)才會(huì)采用。目前巖土工程作業(yè)中一般還是采用DIP方法，由于是使用計(jì)算機(jī)技術(shù)去處理巖土工程中的難題，而目前的計(jì)算機(jī)技術(shù)也都能為此提供較好的技術(shù)基礎(chǔ)，所以這種方法具有運(yùn)算速度相對(duì)較快、經(jīng)濟(jì)成本相對(duì)較低，對(duì)設(shè)備條件要求較低等優(yōu)勢(shì)，這種處理方法也確實(shí)能對(duì)巖土的材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較精確的分析和計(jì)算，因此在巖土工程研究中得到了大力的推廣。

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