數(shù)字圖像技術在建材檢測中的應用意義

摘 要：數(shù)字圖像技術在材料微觀層面、材料爆破后研究以及大規(guī)模檢測工程材料中有了一定的應用。本文將從材料微觀層面、材料破壞以及大規(guī)模檢測材料等幾個方面來闡述數(shù)字圖像技術在建材檢測中的應用意義。

關鍵詞：數(shù)字圖像技術;建材檢測;應用意義

雖然數(shù)字圖像技術進入工程巖土材料的時間尚短，但已經(jīng)在微觀層面研究、材料爆破后研究以及大規(guī)模檢測工程材料中有了一定的應用。

由于我國的經(jīng)濟水平飛速提高，各種領域如土木建筑類、交通、采礦工程、能源開發(fā)、核能儲備等方面都普遍存在一些重要的巖土材料方面的問題，有待進一步研究解決。針對深基坑高邊坡或較高的地應力的地下等一系列工程，存在一些如開挖、支撐保護以及系統(tǒng)穩(wěn)定性等缺陷，需要解決。在實際研究中，巖土工程通常有巖體和土體兩方面的研究對象，巖體一般是指由巖石和其各個結(jié)構面組合而成的結(jié)合體，它的形成得力于復雜多變的地質(zhì)運動，是構成地質(zhì)體的一部分。在較早的研究中，通常利用彈性力學等分析理論展開對巖石材料的研究，用彈性力學研究巖土材料，一般假設巖土材料具有連續(xù)、均質(zhì)、彈性、各向同性和小變形等性質(zhì)，然而實際情況中，巖石材料具有變幻多端的特征，并不能滿足上述假設。由此可見，在面對日益復雜的工程研究問題時，運用彈性力學來研究巖土工程問題的缺陷日趨困難。隨著我國科技的不斷發(fā)展，研究者們在巖土研究中漸漸采用一些力學理論如塑性、斷裂損傷和統(tǒng)計力等，與計算機技術相結(jié)合，取得了卓越的成效。同時，巖石材料的復雜特征的研究也成為目前的一個趨勢。

目前主要采用理論分析、實驗測試和數(shù)據(jù)分析等方法展開對巖土材料的研究，然而這種研究方法僅在巖土材料性質(zhì)及其相應的邊界條件不復雜時比較實用，當在處理巖石材料復雜特征及其實際應用中的問題時，上述方法中的理論分析過程比較復雜，甚至無法解出想要的答案，此時，則需要運用通過分析得出巖土的物理模型，并結(jié)合較為完善的計算機數(shù)值分析技術來解決這一難題。上述方法中的物理模型試驗是指對研究對象進行縮放研究，這種方法以相似理論為支撐，使地質(zhì)情況能在物理模型中較為真實地呈現(xiàn)出來。然而該模型試驗理論也有一些弊病，比如難以操作，對選用的相似材料相似性要求高，以及要求試驗中所用的監(jiān)測設備有較高的精確度，經(jīng)濟成本高等問題，因此通常在大型的工程中才會采用物理模型試驗方法。如今巖土工程中一般采用DIP方法，由于它是用計算機技術去處理巖土工程中的難題，而現(xiàn)有的計算機技術較為發(fā)達，因此這種方法有較快的運算速度、經(jīng)濟成本不高、設備有很強的可重復性等優(yōu)勢，這種處理方法能比較精確地分析計算巖土的材料結(jié)構，因此在巖土工程研究中得到了大力的推廣。

通常我們所說的巖石是包含顆粒、空隙、裂隙及膠結(jié)物的非均質(zhì)材料，這種非均質(zhì)性決定了它的力學性質(zhì)及其受力變形時的特性。巖石受損時，裂紋的出現(xiàn)對巖石的受損形態(tài)有著顯著的影響，同時巖石的不均勻分布特性也對裂紋的萌生和擴展產(chǎn)生了較大的影響。在巖土工程中，巖石材料的復雜性，尤其是巖土材料的非均質(zhì)性研究，與其失穩(wěn)與破壞、受應變力時的變化、剪切帶等密切相關。綜上所述，巖石材料的非均質(zhì)性對巖石工程的發(fā)展具有深遠且不可替代的意義。

1 數(shù)字圖像技術在材料微觀層面研究的意義

巖土材料受到來自外界的負荷時，其內(nèi)部應變力和應變力分布狀態(tài)都與巖土材料的非均質(zhì)性密切相關，這一特性是人工合成或天然的巖土材料都不可避免的，同時這種非均質(zhì)性材料的細觀力學性能（如應力之間的傳遞、受載后的破壞模式、受損后的裂紋擴展等）也和其他材料有不可忽視的差距。想要在深化巖土力學本質(zhì)性認識方面實現(xiàn)新的突破和飛躍，必須在理論上有效地擺脫傳統(tǒng)細觀均勻介質(zhì)假設的束縛，對巖土材料結(jié)構進行測量，準確建立巖土材料的結(jié)構性數(shù)學模型。

2 數(shù)字圖像技術在材料破壞中的研究意義

以混凝土為例，研究中所用的二維級配分布是在三維級配分布的基礎上推算出的，這些都為從二維的角度對土樣進行數(shù)值分析提供了可能。除了對破壞后的實物的研究，也可模擬破壞過程。混凝土是一種復合材料，其中以水泥砂漿為基相，粗細骨料為分散相。骨料分布和組成相材料的非均勻性對混凝土力學行為的影響，能夠通過數(shù)值模擬結(jié)果反映出來。混凝土試樣從裂紋萌生擴展到宏觀裂紋形成的完整破壞過程，都被直觀地模擬了出來。

混凝土是一種非均質(zhì)且多層次的復合材料體系，其結(jié)構比較復雜，由水泥砂漿、粗細骨料及二者之間的界面等主要物質(zhì)構成。內(nèi)部結(jié)構的復雜性反映到宏觀上就是不規(guī)則性、不確定性和非線性等特征。抓住材料非均勻性這一特征，數(shù)字圖像技術在混凝土的破壞機理研究中就可發(fā)揮更加重要的作用。

3 在大規(guī)模檢測材料的應用意義

對于巖土缺陷方面的檢測，目前有大量的研究方法。然而當面對要求較高的實際問題時（如飛機滑行道、高速公路、大型堤坊等），就具有比較嚴峻的檢測問題。因為這種大型工程結(jié)構需要檢測的面積很大，普通的檢測方式不適用于這種大范圍的檢測工程，因此上述的工程在選擇檢測方式時有嚴格的要求。由于傳統(tǒng)的傳感方式不適用于高速檢測工程，傳統(tǒng)的傳感器的接觸式傳感決定了這一缺陷，因此高速檢測通常利用如激光、雷達探傷、超聲波技術等輻射法來解決這一難題。當與被測對象沒有直接接觸時，對被測對象進行高速的掃描采集，則可得到不間斷的被測對象，從上述的檢測中可以搜集到我們需要的巖土圖像特征。利用計算機技術分析采集到的圖像信息，并運用DIP技術，計算分析巖土的圖像情況，所得的結(jié)果就是混凝土表層裂紋情況。

無論是天然巖土材料還是人工合成材料，二者的內(nèi)部微觀結(jié)構都存在不均勻性，材料的不均勻性決定了它們在受到外力負荷時內(nèi)部應力、應變等的分布情況。此外，這類材料的裂紋延伸、應力傳感等細觀力學性能和均勻材料之間存在較大的區(qū)別。從實際的工程中可以發(fā)現(xiàn)，巖土材料在工程力學上受到巖土顆粒的形態(tài)特征限制，并且?guī)r土材料的微觀（或細觀）結(jié)構特征決定了其宏觀的變形、破壞機理等力學特征。巖土材料的微觀結(jié)構特征包括內(nèi)部顆粒的組成、定向性、顆粒間的相互接觸關系、孔隙度及孔隙分布等相關因素。所以，在研究巖土材料的內(nèi)部結(jié)構特征時，我們可以從微觀（或細觀）入手，深入地了解巖土材料的物理性質(zhì)和力學性能。同時，要注重對巖土材料結(jié)構化模型的搭建，這對將來巖土材料的研究非常重要。

隨著計算機處理速度的加快和數(shù)字圖像處理的發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術已經(jīng)能夠?qū)r土材料的微觀結(jié)構分布進行精確測量，其參數(shù)數(shù)據(jù)的處理也發(fā)展到了一定水平，我們可以更加全面地認識這些材料的不均勻性、內(nèi)部結(jié)構、組分特征以及力學特性等必要的參數(shù)信息。

數(shù)字圖像技術應用于工程巖土材料主要有三個方面：第一，在材料微觀層面的研究;第二，在材料破壞中的研究;第三，大規(guī)模檢測材料的應用。具體闡述數(shù)字圖像軟件技術在材料微觀研究的機理之后，本文分別檢測了瀝青混凝土、水泥混凝土、土石混合體、巖石等一系列工程巖土材料，并作出分析，接下來對巖土顆粒做了相關研究，分析了與顆粒相關的一系列參數(shù)，并計算了巖土顆粒內(nèi)部孔隙數(shù)與整體孔隙數(shù)之間的百分比關系。最后，開發(fā)了一套數(shù)據(jù)處理程序，實現(xiàn)了對所測巖土數(shù)據(jù)的處理分析，并計算出了孔隙比、孔隙率等諸多參數(shù)數(shù)據(jù)。

數(shù)字圖像技術并不是孤立的技術，其常與其他技術嫁接使用，如與有限元分析法的綜合使用、與RFPA系統(tǒng)的綜合運用、結(jié)合FLAC有限差分法程序、基于數(shù)字圖像處理的非均質(zhì)巖土材料細觀結(jié)構PFC2D數(shù)值計算模型等，上下游技術的銜接使用，使工程巖土材料的研究再進一層，取得了最佳的科研效果。

數(shù)字圖像技術在工程巖土材料領域的研究是十分重要并將越發(fā)深入的。以往傳統(tǒng)的材料分析，主要是基于表象理論對材料作出宏觀分析，且數(shù)學模型和力學理論都沒有對巖土材料的微觀結(jié)構引起足夠重視，而自從數(shù)字圖像技術進入工程巖土材料領域的研究之后，越來越多的細觀研究受到了重視。

作者簡介：曹路，男，學士，2003年畢業(yè)于陜西師范大學，2014年獲電子科技大學碩士學位，廣東女子職業(yè)技術學院講師，主要從事設計基礎方面的教研工作。