數字圖像技術在建材檢測中的應用意義

摘 要：數字圖像技術在材料微觀層面、材料爆破后研究以及大規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、材料破壞以及大規模檢測材料等幾個方面來闡述數字圖像技術在建材檢測中的應用意義。

關鍵詞：數字圖像技術;建材檢測;應用意義

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

由于我國的經濟水平飛速提高，各種領域如土木建筑類、交通、采礦工程、能源開發、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、支撐保護以及系統穩定性等缺陷，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構面組合而成的結合體，它的形成得力于復雜多變的地質運動，是構成地質體的一部分。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、均質、彈性、各向同性和小變形等性質，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、斷裂損傷和統計力等，與計算機技術相結合，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、實驗測試和數據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，并結合較為完善的計算機數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，使地質情況能在物理模型中較為真實地呈現出來。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測設備有較高的精確度，經濟成本高等問題，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，而現有的計算機技術較為發達，因此這種方法有較快的運算速度、經濟成本不高、設備有很強的可重復性等優勢，這種處理方法能比較精確地分析計算巖土的材料結構，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、裂隙及膠結物的非均質材料，這種非均質性決定了它的力學性質及其受力變形時的特性。巖石受損時，裂紋的出現對巖石的受損形態有著顯著的影響，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性研究，與其失穩與破壞、受應變力時的變化、剪切帶等密切相關。綜上所述，巖石材料的非均質性對巖石工程的發展具有深遠且不可替代的意義。

1 數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，其內部應變力和應變力分布狀態都與巖土材料的非均質性密切相關，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性認識方面實現新的突破和飛躍，必須在理論上有效地擺脫傳統細觀均勻介質假設的束縛，對巖土材料結構進行測量，準確建立巖土材料的結構性數學模型。

2 數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，能夠通過數值模擬結果反映出來。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且多層次的復合材料體系，其結構比較復雜，由水泥砂漿、粗細骨料及二者之間的界面等主要物質構成。內部結構的復雜性反映到宏觀上就是不規則性、不確定性和非線性等特征。抓住材料非均勻性這一特征，數字圖像技術在混凝土的破壞機理研究中就可發揮更加重要的作用。

3 在大規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。由于傳統的傳感方式不適用于高速檢測工程，傳統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，二者的內部微觀結構都存在不均勻性，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別。從實際的工程中可以發現，巖土材料在工程力學上受到巖土顆粒的形態特征限制，并且巖土材料的微觀（或細觀）結構特征決定了其宏觀的變形、破壞機理等力學特征。巖土材料的微觀結構特征包括內部顆粒的組成、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部結構特征時，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和力學性能。同時，要注重對巖土材料結構化模型的搭建，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字圖像處理的發展，數字圖像處理技術已經能夠對巖土材料的微觀結構分布進行精確測量，其參數數據的處理也發展到了一定水平，我們可以更加全面地認識這些材料的不均勻性、內部結構、組分特征以及力學特性等必要的參數信息。

數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，大規模檢測材料的應用。具體闡述數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，并計算了巖土顆粒內部孔隙數與整體孔隙數之間的百分比關系。最后，開發了一套數據處理程序，實現了對所測巖土數據的處理分析，并計算出了孔隙比、孔隙率等諸多參數數據。

數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系統的綜合運用、結合FLAC有限差分法程序、基于數字圖像處理的非均質巖土材料細觀結構PFC2D數值計算模型等，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深入的。以往傳統的材料分析，主要是基于表象理論對材料作出宏觀分析，且數學模型和力學理論都沒有對巖土材料的微觀結構引起足夠重視，而自從數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，廣東女子職業技術學院講師，主要從事設計基礎方面的教研工作。