數(shù)字圖像技術(shù)在建材檢測中的應(yīng)用意義

摘 要：數(shù)字圖像技術(shù)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(yīng)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(gè)方面來闡述數(shù)字圖像技術(shù)在建材檢測中的應(yīng)用意義。

關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像技術(shù);建材檢測;應(yīng)用意義

雖然數(shù)字圖像技術(shù)進(jìn)入工程巖土材料的時(shí)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(yīng)用。

由于我國的經(jīng)濟(jì)水平飛速提高，各種領(lǐng)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(jìn)一步研究解決。針對深基坑高邊坡或較高的地應(yīng)力的地下等一系列工程，存在一些如開挖、支撐保護(hù)以及系統(tǒng)穩(wěn)定性等缺陷，需要解決。在實(shí)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(gè)結(jié)構(gòu)面組合而成的結(jié)合體，它的形成得力于復(fù)雜多變的地質(zhì)運(yùn)動，是構(gòu)成地質(zhì)體的一部分。在較早的研究中，通常利用彈性力學(xué)等分析理論展開對巖石材料的研究，用彈性力學(xué)研究巖土材料，一般假設(shè)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(shí)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(shè)。由此可見，在面對日益復(fù)雜的工程研究問題時(shí)，運(yùn)用彈性力學(xué)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(xué)理論如塑性、斷裂損傷和統(tǒng)計(jì)力等，與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，取得了卓越的成效。同時(shí)，巖石材料的復(fù)雜特征的研究也成為目前的一個(gè)趨勢。

目前主要采用理論分析、實(shí)驗(yàn)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(yīng)的邊界條件不復(fù)雜時(shí)比較實(shí)用，當(dāng)在處理巖石材料復(fù)雜特征及其實(shí)際應(yīng)用中的問題時(shí)，上述方法中的理論分析過程比較復(fù)雜，甚至無法解出想要的答案，此時(shí)，則需要運(yùn)用通過分析得出巖土的物理模型，并結(jié)合較為完善的計(jì)算機(jī)數(shù)值分析技術(shù)來解決這一難題。上述方法中的物理模型試驗(yàn)是指對研究對象進(jìn)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(shí)地呈現(xiàn)出來。然而該模型試驗(yàn)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(yàn)中所用的監(jiān)測設(shè)備有較高的精確度，經(jīng)濟(jì)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(yàn)方法。如今巖土工程中一般采用DIP方法，由于它是用計(jì)算機(jī)技術(shù)去處理巖土工程中的難題，而現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)技術(shù)較為發(fā)達(dá)，因此這種方法有較快的運(yùn)算速度、經(jīng)濟(jì)成本不高、設(shè)備有很強(qiáng)的可重復(fù)性等優(yōu)勢，這種處理方法能比較精確地分析計(jì)算巖土的材料結(jié)構(gòu)，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(xué)性質(zhì)及其受力變形時(shí)的特性。巖石受損時(shí)，裂紋的出現(xiàn)對巖石的受損形態(tài)有著顯著的影響，同時(shí)巖石的不均勻分布特性也對裂紋的萌生和擴(kuò)展產(chǎn)生了較大的影響。在巖土工程中，巖石材料的復(fù)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(yīng)變力時(shí)的變化、剪切帶等密切相關(guān)。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(yuǎn)且不可替代的意義。

1 數(shù)字圖像技術(shù)在材料微觀層面研究的意義

巖土材料受到來自外界的負(fù)荷時(shí)，其內(nèi)部應(yīng)變力和應(yīng)變力分布狀態(tài)都與巖土材料的非均質(zhì)性密切相關(guān)，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(shí)這種非均質(zhì)性材料的細(xì)觀力學(xué)性能（如應(yīng)力之間的傳遞、受載后的破壞模式、受損后的裂紋擴(kuò)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(xué)本質(zhì)性認(rèn)識方面實(shí)現(xiàn)新的突破和飛躍，必須在理論上有效地?cái)[脫傳統(tǒng)細(xì)觀均勻介質(zhì)假設(shè)的束縛，對巖土材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行測量，準(zhǔn)確建立巖土材料的結(jié)構(gòu)性數(shù)學(xué)模型。

2 數(shù)字圖像技術(shù)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(chǔ)上推算出的，這些都為從二維的角度對土樣進(jìn)行數(shù)值分析提供了可能。除了對破壞后的實(shí)物的研究，也可模擬破壞過程?；炷潦且环N復(fù)合材料，其中以水泥砂漿為基相，粗細(xì)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(xué)行為的影響，能夠通過數(shù)值模擬結(jié)果反映出來?；炷猎嚇訌牧鸭y萌生擴(kuò)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(fù)合材料體系，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，由水泥砂漿、粗細(xì)骨料及二者之間的界面等主要物質(zhì)構(gòu)成。內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)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(shù)在混凝土的破壞機(jī)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(yīng)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(dāng)面對要求較高的實(shí)際問題時(shí)（如飛機(jī)滑行道、高速公路、大型堤坊等），就具有比較嚴(yán)峻的檢測問題。因?yàn)檫@種大型工程結(jié)構(gòu)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(shí)有嚴(yán)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(dá)探傷、超聲波技術(shù)等輻射法來解決這一難題。當(dāng)與被測對象沒有直接接觸時(shí)，對被測對象進(jìn)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(jì)算機(jī)技術(shù)分析采集到的圖像信息，并運(yùn)用DIP技術(shù)，計(jì)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(gòu)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(fù)荷時(shí)內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變等的分布情況。此外，這類材料的裂紋延伸、應(yīng)力傳感等細(xì)觀力學(xué)性能和均勻材料之間存在較大的區(qū)別。從實(shí)際的工程中可以發(fā)現(xiàn)，巖土材料在工程力學(xué)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(xì)觀）結(jié)構(gòu)特征決定了其宏觀的變形、破壞機(jī)理等力學(xué)特征。巖土材料的微觀結(jié)構(gòu)特征包括內(nèi)部顆粒的組成、定向性、顆粒間的相互接觸關(guān)系、孔隙度及孔隙分布等相關(guān)因素。所以，在研究巖土材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征時(shí)，我們可以從微觀（或細(xì)觀）入手，深入地了解巖土材料的物理性質(zhì)和力學(xué)性能。同時(shí)，要注重對巖土材料結(jié)構(gòu)化模型的搭建，這對將來巖土材料的研究非常重要。

隨著計(jì)算機(jī)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(shù)已經(jīng)能夠?qū)r土材料的微觀結(jié)構(gòu)分布進(jìn)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(rèn)識這些材料的不均勻性、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組分特征以及力學(xué)特性等必要的參數(shù)信息。

數(shù)字圖像技術(shù)應(yīng)用于工程巖土材料主要有三個(gè)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(yīng)用。具體闡述數(shù)字圖像軟件技術(shù)在材料微觀研究的機(jī)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(guān)研究，分析了與顆粒相關(guān)的一系列參數(shù)，并計(jì)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(guān)系。最后，開發(fā)了一套數(shù)據(jù)處理程序，實(shí)現(xiàn)了對所測巖土數(shù)據(jù)的處理分析，并計(jì)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(shù)并不是孤立的技術(shù)，其常與其他技術(shù)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(yùn)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(xì)觀結(jié)構(gòu)PFC2D數(shù)值計(jì)算模型等，上下游技術(shù)的銜接使用，使工程巖土材料的研究再進(jìn)一層，取得了最佳的科研效果。

數(shù)字圖像技術(shù)在工程巖土材料領(lǐng)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(xué)模型和力學(xué)理論都沒有對巖土材料的微觀結(jié)構(gòu)引起足夠重視，而自從數(shù)字圖像技術(shù)進(jìn)入工程巖土材料領(lǐng)域的研究之后，越來越多的細(xì)觀研究受到了重視。

作者簡介：曹路，男，學(xué)士，2003年畢業(yè)于陜西師范大學(xué)，2014年獲電子科技大學(xué)碩士學(xué)位，廣東女子職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，主要從事設(shè)計(jì)基礎(chǔ)方面的教研工作。