Бетон – самый популярный строительный материал в мире: мы используем его для строительства мостов через реки и долины, строительства стен и прокладки туннелей. Самая распространенная форма бетона – армированный сталью – принцип, знакомый каждому, кто хоть раз внимательно изучал строительную площадку. Длинные стальные стержни, также называемые арматурой, сгибаются в плотный каркас, известный как арматура, который затем заполняется бетоном.
Но строительство из железобетона требует много времени. Могут пройти дни или даже недели, прежде чем арматура для больших зданий будет полностью собрана, арматура соединена вместе и все будет готово для заливки бетона.
Бетон, армированный стальной фиброй, – гораздо более быстрая альтернатива, поскольку стальные волокна длиной примерно с сосновые иглы просто смешиваются с жидким бетоном. После схватывания бетона эта сеть волокон выполняет ту же работу, что и традиционная арматура арматуры, увеличивая прочность бетона на растяжение и противодействуя образованию трещин.
Несмотря на это, SFRC не очень широко используется в строительной отрасли. Причина в том, что в прошлом всегда было очень сложно определить качество материала, так как не было метода простого и надежного анализа распределения волокон в бетоне. И все же именно это распределение определяет несущую способность материала.
Если в бетоне есть зоны, в которых волокна слипаются, или если некоторые участки плиты вообще не содержат стальных волокон, материал гораздо хуже выдерживает нагрузки. Это представляет собой элемент риска, на который многие строительные компании не хотят идти, что заставляет их уклоняться от использования SFRC.
Программное обеспечение для оценки волоконной матрицы
Теперь помощь пришла в виде нового метода анализа, разработанного математиками из Института промышленной математики им.
Фраунгофера ITWM в Кайзерслаутерне. Он использует вероятностные вычисления для определения распределения всех волокон в образцах бетона за считанные секунды. Руководитель проекта д-р. Рональд Рош и его команда экспертов используют рентгеновскую компьютерную томографию таким образом, который, по его словам, не отличается от того, как компьютерная томография используется в медицине. «Единственная разница в том, что мы используем его для исследования образцов, взятых из готовых бетонных компонентов, а не людей», – сказал доктор.
Рош объясняет. Ученые берут образец керна длиной около десяти сантиметров из бетона для испытаний. Затем образец подвергается рентгеновскому облучению с помощью промышленного компьютерного томографа с разрешением, примерно в тысячу раз превосходящим разрешение медицинских сканеров. Эта система выявляет даже самые тонкие структуры микрометрового размера в материале и генерирует набор 3D-данных высокого разрешения для конкретного образца, который содержит около восьми миллиардов пикселей – огромный файл.
Затем Рош и его команда используют свое новое программное обеспечение для анализа данных изображения. Оценивая различия в контрасте, программное обеспечение может назначить каждый пиксель определенной структуре внутри материала, будь то бетон, небольшой камень, воздушный пузырь или стальная фибра.
По мере того, как программное обеспечение обрабатывает набор данных, все волокна постепенно становятся видимыми на изображении.
«Сама по себе эта картина не очень полезна, так как запутанная сеть волокон настолько плотна, что практически невозможно различить отдельные волокна невооруженным глазом», – объясняет Рош. Это побудило экспертов из Кайзерслаутерна разработать программное обеспечение, которое упорядочивает хаос, анализируя систему в целом, а не оценивая каждое отдельное волокно.
Программа просто решает, представляет ли конкретный пиксель часть стального волокна, и вычисляет ориентацию этого волокна.
Для каждого пикселя программа рассчитывает состав прилегающего к нему материала.
Это волокно или нет? Наиболее интересны случаи, когда многочисленные волокна соприкасаются или пересекаются друг с другом, поскольку для начала неясно, какой из всех соседних пикселей на самом деле принадлежит какому волокну. Принадлежит ли этот пиксель волокну, идущему сверху слева, или одному, пересекающему другие, непосредственно сверху? Вот где приходит расчет вероятности.
Он взвешивает местоположение каждого пикселя и приписывает его определенному волокну на основе того, что имеет логический смысл. Результаты говорят экспертам все, что им нужно знать, показывая не только долю стальных волокон в образце, но и их ориентацию. «Это особенно важно, когда бетонный компонент должен поглощать силы, исходящие с определенного направления», – говорит Рош. Пример тому – мосты, по которым на большой скорости проходят автомобили и поезда.
Само собой разумеется, что Рош знает о текущих ограничениях системы; компьютерный томограф размером с небольшой стенной шкаф просто слишком велик для практического использования на строительной площадке. «Но это препятствие, которое мы можем преодолеть», – говорит он. «Наши коллеги из Центра разработки рентгеновских технологий им.
Фраунгофера EZRT в Эрлангене уже разработали аппарат размером с пивной ящик."Опытный образец для практического применения может быть доступен через пять лет, – считает Рош.