Sistema automatico per misura della profondità di carbonatazione (ora procedura manuale). Il campione spruzzato con fenolftaleina è messo su support retroilluminato con marker di calibrazione. Viene scattata una foto, poi elaborata per determinare il perimetro di interesse attraverso la transizione tra area contaminata e non, scartando aggregati (grazie a rete neurale convoluzionale) che influenzano la misura. La profondità di penetrazione è data come valori medio e massimo. Misura più accurata rispetto al metodo standard EN13295, poiché si considerano tutti I punti del perimetro, nonché più veloce.

Stato del brevetto

DEPOSITATO

Numero di priorità

102020000026705

Data di priorità

09/11/2020

Licenza

ITALIA

Mercato

La penetrazione di agenti contaminanti è una della principali cause di degrado che influenzano le strutture in calcestruzzo armato, causando deterioramento e problemi di durabilità. I costi di manutenzione e riparazione sono stimati al 3-4% del PIL. I costi dei singoli interventi sono fino al 2% del costo dell’intera struttura e crescono esponenzialmente con lo stato di degrado (legge di De Sitter). Ispezioni periodiche regolari rivestono un ruolo fondamentale, permettendo interventi tempestivi che riducono danni e relativi costi. Potenziali clienti possono essere aziende ingegneristiche, società di consulenza e sviluppatori di sistemi di misura.

Problema

La penetrazione di agenti contaminanti in una struttura cementizia può influenzare la durabilità e i costi di manutenzione e riparazione (3-4% del PIL). La carbonatazione è una delle principali cause di degrado del calcestruzzo, specialmente nelle aree caratterizzate da un ambiente caldo e relativamente umido, poiché il contenuto di umidità accelera la carbonatazione. Così, lo strato passivo che  protegge le barre in acciaio è danneggiato e si ha corrosione se l’acciaio entra in contatto con l’aria, accorciando la vita di servizio della struttura. Per la misura della profondità di carbonatazione, i metodi attuali si rifanno allo standard EN 13295: si prendono campioni del materiale da esaminare e si spruzza la superficie esposta con una soluzione contenente un indicatore colorimetrico (fenolftaleina), che diventa rosso-fucsia nell’area non carbonatata. Tuttavia, la transizione tra le due aree non è così netta, così sta alla soggettività ed esperienza dell’operatore stabilire il perimetro di transizione ottimale. Questo porta a scarsa ripetibilità della misura e a risultati soggettivi. Inoltre, la misura è fatta solo su punti discreti, senza considerare l’intera area del campione, pertanto è operatore-dipendente. In aggiunta, alcuni tipi di aggregati non si colorano mai e non dovrebbero essere considerati come area carbonatata nella misura. Ovviamente, anche il costo computazionale deve essere considerato, essendo un’operazione manuale.

Limiti attuali tecnologie / Soluzioni

Per quanto riguarda la carbonatazione, lo standard EN13295 dice di spruzzare la soluzione di fenolftaleina sulla superficie per evidenziare le aree carbonatate e non. La soluzione cambia colore in relazione al pH del materiale: nella parte del campione non carbonatata, dove il calcestruzzo ha ancora un comportamento alcalino (pH > 9), si ottiene una colorazione rosso-fucsia, mentre in quella carbonatata (pH < 9) non si hanno cambiamenti di colore. Lo standard descrive una procedura in cui l’operatore deve misurare manualmente la profondità di carbonatazione (dk), cioè “la distanza media, in mm, dalla superficie del calcestruzzo/malta dove la CO2 ha ridotto l’alcalinità del cemento idratato al punto che la soluzione indicatrice di fenolftaleina rimane incolore”, usando righelli, calibri, ecc.

Anche se la misura è relativamente semplice da eseguire, è soggettiva e legata all’esperienza dell’operatore, alla sua percezione dei colori e all’abilità manuale. Quindi, la misura sarà caratterizzata da basse ripetibilità e riproducibilità, che portano a risultati subottimali.

Il metodo proposto mira a sviluppare un approccio automatico ed oggettivo, basato sulla visione artificiale, per la misura della prpfondità di penetrazione di agenti contaminanti nel calcestruzzo (non limitandosi alla carbonatazione). Si usa l’Intelligenza Artificiale per scartare automaticamente aggregati che porterebbero a risultati fuorvianti.

Killer Application

Il progetto è stato inizialmente sviluppato come banco da laboratorio:

  • Camera e Sistema di illuminazione diffusa;
  • Barra con marker per conversione pixel-mm;
  • Supporto con retroilluminazione a LED

Si possono sviluppare due tipi di supporti standalone:

  1. Da laboratorio: alloggio specifico con sfondo illuminato (con marker o sensori lidar per la misura della distanza target-sensore), Sistema illuminante e camera. Il Sistema di processamento dati può essere controllato via pannello di controllo o smartphone.
  2. Sul campo: dispositivo mobile usato su struttura con barre di rinforzo visibili. L’area è illuminata e fotografata per la misura.

Tecnologia e nostra soluzione

Il sistema di misura proposto (hardware e software) è volto all’identificazione automatica della profondità di carbonatazione in campioni cementizi, precedentemente trattati sulla superficie esposta con una soluzione colorimetrica. Il Sistema include:

  • Un dispositivo di acquisizione immagini, per fotografare l’intera superficie esposta;
  • Un primo dispositivo illuminante che proietta una luce diffusa sulla superficie esposta, dalla stessa direzione di osservazione del dispositivo di imaging;
  • Un dispositivo di processamento dati per la digitalizzazione dell’immagine e la selezione della superficie esposta. Quindi, si calcolano perimetro e d area della superficie esposta, nonché l’area colorata dall’indicatore colorimetrico, poi sottratta a quella totale per ottenere l’area incolore. Quindi, si ottiene la profondità di penetrazione degli agenti contaminanti come rapport tra area e perimetro, prima in pixel e poi in millimetri.

Questo Sistema di misura è oggettivo (non operatore-dipendente), preciso e accurate (incertezza estesa con fattore di copertura k = 2: 0,08 mm). Si forniscono I valori di profondità di penetrazione media e massima, come indicato nello standard EN 13295 per la misura della profondità di penetrazione. Inoltre, la correlazione con il metodo descritto dallo standard EN 13295 standard p molto forte (R2 = 0,96). Questa tecnologia è adatta per un sistema autonomo, che può essere implementato in forme diverse a seconda dell’applicazione di interesse, in laboratorio o sul campo.

Vantaggi

  • Oggettività: metodo automatico, non operatore-dipendente;
  • Ripetibilità (varianza): 0,0017 mm2;
  • Accuratezza (incertezza di tipo A): 0,08 mm (k = 2);
  • Tempo di esecuzione: -98% vs metodo standard;
  • No influenza degli aggregate, identificati automaticamente con una rete neurale convoluzionale VGG16;
  • Misura sull’intero campione, non limitata a pochi punti  (contrariamente allo standard EN 13295);
  • Indipendenza dalle condizioni di illuminazione ambientale;
  • Applicabile a qualsiasi geometria del campione;
  • Indipendente dalle rotazioni rispetto al sistema di imaging;
  • Soglia di segmentazione non soggettiva (Sistema di retroilluminazione, analisi nel dominio HSV).

Roadmap

Per commercializzare il sistema proposto nella forma di una cabina portatile o integrato in un dispositivo mobile (es. smartphone, PDA – Portable Data Assistant), una possibile roadmap può essere la seguente:

  • Contratti con clienti del servizio;
  • Creazione di uno spin-off;
  • Ricerca di fondi EU all’interno delle Fast Track to Innovation actions;
  • Potenziali clienti potrebbero essere aziende ingegneristiche, agenzie di consulenza e sviluppatori di sistemi di misura;
  • Occorre ulteriore ricerca per sviluppare l’innovazione come sistema standalone (sia cabina portatile che dispositivo mobile con specifica applicazione installata).
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