MICROINDENTATION AND IMAGE ANALYSIS AS A METHOD FOR DIAGNOSTICS OF HARDENED CONCRETE PROPERTIES
Principal Investigator: Prof. Janusz Kasperkiewicz (2006-2008), Prof. Michał A. Glinicki (2008-2009)
MICROINDENTATION AND IMAGE ANALYSIS AS A METHOD FOR DIAGNOSTICS OF HARDENED CONCRETE PROPERTIES
Principal Investigator: Prof. Janusz Kasperkiewicz (2006-2008), Prof. Michał A. Glinicki (2008-2009)
About
DESCRIPTION:
The objective of the research was to develop a new test method for diagnostic of concrete quality by assessment of the microstructure on flat sections, microindentation and determination of the permeability. Detailed procedures of preparing samples taken from concrete elements and procedures for enhancing the contrast between elements of the microstructure and the background of the image were worked out so as to allow automatic analysis of microscopic images. A method of determination of the microhardness of concrete was elaborated using the depth sensing indentation technique (DSI) together with acquisition of acoustic emission. Software for processing of acoustic emission data using wavelet analysis was developed to aid identification of concrete phases. The developed test method was checked on numerous cement paste and concrete compositions, including mineral additions and chemical admixtures, also for high performance concrete and air entrained concrete. A relation was found between the resistance of concrete to frost-salt aggression and the microhardness of cement paste in the case of concrete containing fly ash from fludized bed combustion, replacing from 0 to 40% of mass of cement, and also in case of various slag cement concrete. The mobile test stand for air-permeability determination on concrete elements using Torrent method was set up. The air-permeability tests performed on concrete elements, manufactured in the laboratory using coal combustion by-products as concrete additives, revealed an empirical relationship between the air-permeability coefficient kT and concrete composition. Application of wavelet analysis and machine learning methods (programs See5, AQ21,WEKA) enabled the recognition of the location of indentation within the composite. Rules were found for identification of indented phase of concrete, particularly for identification of cement paste that was considered as a major phase influencing concrete durability. The initiated database, containing results of performed experimental tests should further be developed.
The research was financially supported by KBN State Committee for Scientific Research in Poland, provided to Institute of Fundamental Technological Research, Polish Academy of Science in Warsaw.
PROJECT STATUS: Completed
START DATE: 19 April 2006
END DATE: 18 July 2009
KEYWORDS:
concrete, properties of hardened concrete, acoustic emission, image analysis, wavelet transformation, microindentation, microhardness, machine learning methods, stereology
APPLICATION POTENTIAL:
The developed test method is available in the laboratory of IPPT PAN in Warsaw and can be applied to aid the performance-based design of concrete and for quick evaluation of concrete quality in structural elements.
INTERNATIONAL COLLABORATION:
USA, George Mason University, Machine Learning and Inference Laboratory - prof. R. Michalski, dr J. Wojtusiak
Project Description - in Polish
Projekt Badawczy KBN T07E 036 30:
MIKROINDENTACJA I ANALIZA OBRAZU JAKO METODA DIAGNOZOWANIA WŁAŚCIWOŚCI STWARDNIAŁEGO BETONU
STRESZCZENIE
Celem podjętych badań było opracowanie nowej metody diagnostyki jakości betonu na podstawie ilościowej oceny mikrostruktury na płaskich przekrojach, mikroindentacji próbek betonu i określenia przepuszczalności. Opracowano szczegółowe procedury przygotowania próbek pobranych z elementów betonowych, sposoby kontrastowania elementów mikrostruktury, takich jak pory powietrzne i rysy, a także programy do automatycznej analizy obrazów mikroskopowych. Rozwinięto metodę określania mikrotwardości betonu techniką mikroindentacji (DSI) wraz z określeniem widma emisji akustycznej. Opracowano program do sterowania maszyną wytrzymałościową i rejestracji wyników oraz program do analizy wyników pomiarów emisji akustycznej i rozpoznawania faz betonu na podstawie analizy falkowej. Metoda była weryfikowana na podstawie badań właściwości zaczynów cementowych modyfikowanych dodatkami popiołowymi oraz betonów zwykłych i wysokowartościowych, z dodatkami mineralnymi, także z napowietrzeniem. Stwierdzono zależność odporności betonu na jednoczesne oddziaływanie mrozu i soli odladzającej od mikrotwardości zaczynu cementowego w przypadku betonów modyfikowanych fluidalnymi popiołami lotnymi, zastępującymi od 0 do 40% masy cementu, a także w przypadku betonów z cementów z dodatkiem żużla wielkopiecowego. Uruchomiono stanowisko badawcze do określania gazoprzepuszczalności betonu metodą Torrenta i przeprowadzono próby na betonach modyfikowanych dodatkami popiołowymi, uzyskując empiryczną zależność między współczynnikiem gazoprzepuszczalności kT betonu i składem betonu. Wykorzystane w Projekcie metody uczenia się maszyn (programy See5 i AQ21,WEKA), a także aparat matematyczny analizy falkowej, umożliwiły automatyzację rozpoznawania miejsca mikroindentacji czyli rozpoznanie fazy kompozytu. Znaleziono reguły do identyfikacji fazy betonu, przy czym zasadnicze znaczenie przypisano prawidłowej identyfikacji fazy zaczynu cementowego. Zapoczątkowana baza danych, zawierająca wyniki przeprowadzonych badań doświadczalnych, powinna być dalej rozwijana.
Projekt finansowany przez Komitet Badań Naukowych w Polsce na podstawie umowy z Instytutem Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk.
SŁOWA KLUCZOWE:
beton, właściwości stwardniałego betonu, emisja akustyczna, analiza obrazów, transformacje falkowe, mikroindentacja, mikrotwardość, metody uczenia maszyn, stereologia
WSPÓŁPRACA MIĘDZYNARODOWA:
USA, George Mason University, Machine Learning and Inference Laboratory-prof. R. Michalski, dr J. Wojtusiak (konsultacje)
OFERTA WYKORZYSTANIA:
Opracowana metoda badawcza jest dostępna w laboratorium IPPT PAN w Warszawie i może być wykorzystana przy projektowaniu betonu na trwałość oraz do oceny jakości betonu w elementach konstrukcji.
Publications
Application of acoustic emission method for concrete component identification during microhardness testing/ Zastosowanie metody emisji akustycznej do identyfikacji faz betonu przy pomiarach mikrotwardości
Cement Wapno Beton -15( 4) (2010), 202-209
Authors: M.A. Glinicki, Z. Ranachowski, G. Nowowiejski
https://www.cementwapnobeton.pl/Zastosowanie-metody-emisji-akustycznej-do-identyfi-kacji-skladnikow-betonu-przy-pomiarach,177869,0,2.html
Frost salt scaling resistance of concrete containing CFBC fly ash
Materials and Structures, 42 (2009) 993-1002; DOI: 10.1617/s11527-008-9438-y
Authors: M.A. Glinicki, M. Zieliński
Air void system and frost salt scaling of concrete containing slag blended cement
Construction and Building Materials, 23 (2009) 2451-2456; DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2008.10.001
Authors: Z. Giergiczny, M.A. Glinicki, M. Sokołowski, M. Zieliński
Microstructural characterization of slag cement concrete for performance evaluation
Proc. 4th Int.Conference on Construction Materials: Performance, Innovations and Structural Implications, August 24-26, 2009, Nagoya, 1069-1074
Authors: M.A. Glinicki, Z. Giergiczny
Agents for searching rules in civil engineering data mining
Computational Science – ICCS 2008, M.Bubak et al. (Ed-s): Part III, LNCS 5103, Springer - Verlag Berlin Heidelberg, 2008, 702-711
Authors: J. Kasperkiewicz, M. Marks
Ocena możliwości wykorzystania emisji akustycznej do badania własności betonów
LV Otwarte Seminarium z Akustyki, Wrocław-Piechowice, 8-12.09.2008, 115-120
Authors: J. Wołowicz, A. Ossowski
Możliwości akustycznej identyfikacji faz w betonie
LIV Konferencja Naukowa KILiW PAN i KN PZITB, Krynica 2008, Tom V, 325-332
Authors: J. Kasperkiewicz, M. Marks, J. Wołowicz
Długotrwała wytrzymałość betonu z dodatkiem popiołu lotnego ze spalania węgla kamiennego w kotłach fluidalnych
Konferencja DNI BETONU 2008, Wisła 13-15.10.2008, Stowarzyszenie Producentów Cementu, Kraków
Authors: M.A. Glinicki, G. Nowowiejski
Charakterystyka porów powietrznych a mrozoodporność betonów na cementach żużlowych
LIV Konferencja Naukowa KILiW PAN i KN PZITB, Krynica 2008, Tom V, 301-308
Authors: Z. Giergiczny, M.A. Glinicki, M. Sokołowski, M. Zieliński
Diagnostyka mikrostruktury porów w betonie wbudowanym w konstrukcje i nawierzchnie
DROGI-lądowe, powietrzne, wodne, nr 12/2008, 35-40
Authors: M.A. Glinicki, M. Zieliński
Holistic approach to diagnostics of engineering materials
Computer Assisted Mechanics and Engeneering Sciences, 14, 2007, 197-207
Authors: J. Kasperkiewicz, D. Alterman
Diagnostyka rys w kompozytach o matrycy cementowej metodą komputerowej analizy obrazu
Drogi i Mosty, nr 3/2007, 5-37
Authors: M.A. Glinicki, A. Litorowicz
On a possibility of structure identification by microindentation and acoustic emission
Nanotechnology in Construction, ed. Y. de Miguel, A.Porro and P.J.M.Bartos, Proceedings PRO 045, RILEM Publications S.A.R.L., 2006, 151-159
Author: J. Kasperkiewicz
Diagnostyka mikrostruktury porów w betonie wbudowanym w konstrukcje i nawierzchnie
Materiały IV Konferencji "Dni Betonu - Tradycja i Nowoczesność", 2006, 331-338
Authors: M.A.Glinicki, M.Zieliński
