数字图像技术在建材检测中的应用意义

摘 要：数字图像技术在材料微观层面、材料爆破后研究以及大规模检测工程材料中有了一定的应用。本文将从材料微观层面、材料破坏以及大规模检测材料等几个方面来阐述数字图像技术在建材检测中的应用意义。

关键词：数字图像技术;建材检测;应用意义

虽然数字图像技术进入工程岩土材料的时间尚短，但已经在微观层面研究、材料爆破后研究以及大规模检测工程材料中有了一定的应用。

由于我国的经济水平飞速提高，各种领域如土木建筑类、交通、采矿工程、能源开发、核能储备等方面都普遍存在一些重要的岩土材料方面的问题，有待进一步研究解决。针对深基坑高边坡或较高的地应力的地下等一系列工程，存在一些如开挖、支撑保护以及系统稳定性等缺陷，需要解决。在实际研究中，岩土工程通常有岩体和土体两方面的研究对象，岩体一般是指由岩石和其各个结构面组合而成的结合体，它的形成得力于复杂多变的地质运动，是构成地质体的一部分。在较早的研究中，通常利用弹性力学等分析理论展开对岩石材料的研究，用弹性力学研究岩土材料，一般假设岩土材料具有连续、均质、弹性、各向同性和小变形等性质，然而实际情况中，岩石材料具有变幻多端的特征，并不能满足上述假设。由此可见，在面对日益复杂的工程研究问题时，运用弹性力学来研究岩土工程问题的缺陷日趋困难。随着我国科技的不断发展，研究者们在岩土研究中渐渐采用一些力学理论如塑性、断裂损伤和统计力等，与计算机技术相结合，取得了卓越的成效。同时，岩石材料的复杂特征的研究也成为目前的一个趋势。

目前主要采用理论分析、实验测试和数据分析等方法展开对岩土材料的研究，然而这种研究方法仅在岩土材料性质及其相应的边界条件不复杂时比较实用，当在处理岩石材料复杂特征及其实际应用中的问题时，上述方法中的理論分析过程比较复杂，甚至无法解出想要的答案，此时，则需要运用通过分析得出岩土的物理模型，并结合较为完善的计算机数值分析技术来解决这一难题。上述方法中的物理模型试验是指对研究对象进行缩放研究，这种方法以相似理论为支撑，使地质情况能在物理模型中较为真实地呈现出来。然而该模型试验理论也有一些弊病，比如难以操作，对选用的相似材料相似性要求高，以及要求试验中所用的监测设备有较高的精确度，经济成本高等问题，因此通常在大型的工程中才会采用物理模型试验方法。如今岩土工程中一般采用DIP方法，由于它是用计算机技术去处理岩土工程中的难题，而现有的计算机技术较为发达，因此这种方法有较快的运算速度、经济成本不高、设备有很强的可重复性等优势，这种处理方法能比较精确地分析计算岩土的材料结构，因此在岩土工程研究中得到了大力的推广。

通常我们所说的岩石是包含颗粒、空隙、裂隙及胶结物的非均质材料，这种非均质性决定了它的力学性质及其受力变形时的特性。岩石受损时，裂纹的出现对岩石的受损形态有着显著的影响，同时岩石的不均匀分布特性也对裂纹的萌生和扩展产生了较大的影响。在岩土工程中，岩石材料的复杂性，尤其是岩土材料的非均质性研究，与其失稳与破坏、受应变力时的变化、剪切带等密切相关。综上所述，岩石材料的非均质性对岩石工程的发展具有深远且不可替代的意义。

1 数字图像技术在材料微观层面研究的意义

岩土材料受到来自外界的负荷时，其内部应变力和应变力分布状态都与岩土材料的非均质性密切相关，这一特性是人工合成或天然的岩土材料都不可避免的，同时这种非均质性材料的细观力学性能（如应力之间的传递、受载后的破坏模式、受损后的裂纹扩展等）也和其他材料有不可忽视的差距。想要在深化岩土力学本质性认识方面实现新的突破和飞跃，必须在理论上有效地摆脱传统细观均匀介质假设的束缚，对岩土材料结构进行测量，准确建立岩土材料的结构性数学模型。

2 数字图像技术在材料破坏中的研究意义

以混凝土为例，研究中所用的二维级配分布是在三维级配分布的基础上推算出的，这些都为从二维的角度对土样进行数值分析提供了可能。除了对破坏后的实物的研究，也可模拟破坏过程。混凝土是一种复合材料，其中以水泥砂浆为基相，粗细骨料为分散相。骨料分布和组成相材料的非均匀性对混凝土力学行为的影响，能够通过数值模拟结果反映出来。混凝土试样从裂纹萌生扩展到宏观裂纹形成的完整破坏过程，都被直观地模拟了出来。

混凝土是一种非均质且多层次的复合材料体系，其结构比较复杂，由水泥砂浆、粗细骨料及二者之间的界面等主要物质构成。内部结构的复杂性反映到宏观上就是不规则性、不确定性和非线性等特征。抓住材料非均匀性这一特征，数字图像技术在混凝土的破坏机理研究中就可发挥更加重要的作用。

3 在大规模检测材料的应用意义

对于岩土缺陷方面的检测，目前有大量的研究方法。然而当面对要求较高的实际问题时（如飞机滑行道、高速公路、大型堤坊等），就具有比较严峻的检测问题。因为这种大型工程结构需要检测的面积很大，普通的检测方式不适用于这种大范围的检测工程，因此上述的工程在选择检测方式时有严格的要求。由于传统的传感方式不适用于高速检测工程，传统的传感器的接触式传感决定了这一缺陷，因此高速检测通常利用如激光、雷达探伤、超声波技术等辐射法来解决这一难题。当与被测对象没有直接接触时，对被测对象进行高速的扫描采集，则可得到不间断的被测对象，从上述的检测中可以搜集到我们需要的岩土图像特征。利用计算机技术分析采集到的图像信息，并运用DIP技术，计算分析岩土的图像情况，所得的结果就是混凝土表层裂纹情况。

无论是天然岩土材料还是人工合成材料，二者的内部微观结构都存在不均匀性，材料的不均匀性决定了它们在受到外力负荷时内部应力、应变等的分布情况。此外，这类材料的裂纹延伸、应力传感等细观力学性能和均匀材料之间存在较大的区别。从实际的工程中可以发现，岩土材料在工程力学上受到岩土颗粒的形态特征限制，并且岩土材料的微观（或细观）结构特征决定了其宏观的变形、破坏机理等力学特征。岩土材料的微观结构特征包括内部颗粒的组成、定向性、颗粒间的相互接触关系、孔隙度及孔隙分布等相关因素。所以，在研究岩土材料的内部结构特征时，我们可以从微观（或细观）入手，深入地了解岩土材料的物理性质和力学性能。同时，要注重对岩土材料结构化模型的搭建，这对将来岩土材料的研究非常重要。

随着计算机处理速度的加快和数字图像处理的发展，数字图像处理技术已经能够对岩土材料的微观结构分布进行精确测量，其参数数据的处理也发展到了一定水平，我们可以更加全面地认识这些材料的不均匀性、内部结构、组分特征以及力学特性等必要的参数信息。

数字图像技术应用于工程岩土材料主要有三个方面：第一，在材料微观层面的研究;第二，在材料破坏中的研究;第三，大规模检测材料的应用。具体阐述数字图像软件技术在材料微观研究的机理之后，本文分别检测了沥青混凝土、水泥混凝土、土石混合体、岩石等一系列工程岩土材料，并作出分析，接下来对岩土颗粒做了相关研究，分析了与颗粒相关的一系列参数，并计算了岩土颗粒内部孔隙数与整体孔隙数之间的百分比关系。最后，开发了一套数据处理程序，实现了对所测岩土数据的处理分析，并计算出了孔隙比、孔隙率等诸多参数数据。

数字图像技术并不是孤立的技术，其常与其他技术嫁接使用，如与有限元分析法的综合使用、与RFPA系统的综合运用、结合FLAC有限差分法程序、基于数字图像处理的非均质岩土材料细观结构PFC2D数值计算模型等，上下游技术的衔接使用，使工程岩土材料的研究再进一层，取得了最佳的科研效果。

数字图像技术在工程岩土材料领域的研究是十分重要并将越发深入的。以往传统的材料分析，主要是基于表象理论对材料作出宏观分析，且数学模型和力学理论都没有对岩土材料的微观结构引起足够重视，而自从数字图像技术进入工程岩土材料领域的研究之后，越来越多的细观研究受到了重视。

作者简介：曹路，男，学士，2003年毕业于陕西师范大学，2014年获电子科技大学硕士学位，广东女子职业技术学院讲师，主要从事设计基础方面的教研工作。