CN110864610B

CN110864610B - 基于3d扫描重构混凝土表面三维粗糙度的测试方法

Info

Publication number: CN110864610B
Application number: CN201911065766.7A
Authority: CN
Inventors: 谢洪波; 张雪锋; 夏晋; 胡淑婷; 金伟良
Original assignee: Hangzhou Metropolitan Expressway Co ltd; Zhejiang University ZJU
Current assignee: Hangzhou Metropolitan Expressway Co ltd; Zhejiang University ZJU
Priority date: 2019-11-04
Filing date: 2019-11-04
Publication date: 2021-08-03
Anticipated expiration: 2039-11-04
Also published as: CN110864610A

Abstract

本发明公开了一种基于3D扫描重构混凝土表面三维粗糙度的测试方法。目前，混凝土结构现场施工过程中，对于装配式混凝土结合界面的粗糙处理未有明确的指导手册，故现场施工处理的混凝土表面粗糙度情况参差不齐。目前工程中一般采用的铺砂法、探针法可用于现场混凝土表面粗糙度检测，但存在一定的局限性，如铺砂法易受到人为主观因素影响，且检测精度较低；而探针法检测的粗糙度值仅仅为混凝土表面的二维表征，但实际粗糙度应是一个三维指标。故本发明提出重新建模3D扫描评定混凝土表面三维粗糙度的方法。该方法为：通过制作混凝土表面镜像模型，将镜像模型在实验室内进行3D扫描试验，分析计算获得三维粗糙度指标值。

Description

基于3D扫描重构混凝土表面三维粗糙度的测试方法

技术领域

本发明属于装配式混凝土结构技术领域，具体地说是一种基于3D扫描重构混凝土表面三维粗糙度的测试方法。

背景技术

混凝土结合界面广泛存在于混凝土结构中，如混凝土浇筑过程中的施工缝、沉降缝和伸缩缝等结构缝，预制构件湿法安装过程中的拼接缝，以及结构修复加固中新旧混凝土的接缝等。新旧混凝土的粘结性能将影响混凝土整体性能，而界面的粗糙度则是决定新旧混凝土粘结性能的关键因素。

目前工程中一般采用的铺砂法、探针法可用于现场混凝土表面粗糙度检测，但存在一定的局限性，如铺砂法易受到人为主观因素影响，且检测精度较低；而探针法检测的粗糙度值仅仅为混凝土表面的二维表征，但实际粗糙度应是一个三维指标。

发明内容

针对现有检测方法的不足，本发明提供一种基于3D扫描重构混凝土表面三维粗糙度的测试方法，对镜像模型在试验室内进行3D扫描重构，通过旋转移动、修补优化和编辑计算，获得混凝土表面的三维粗糙度指标。

本发明采用如下的技术方案：

基于3D扫描重构混凝土表面三维粗糙度的测试方法，该方法为：通过制作混凝土表面的镜像模型，将镜像模型在实验室内进行3D扫描试验，获得三维粗糙度指标值。

进一步的，混凝土表面镜像模型制备方法如下：

(A1)在混凝土表面任意选取一块区域；

(A2)使用软毛刷将混凝土表面清理干净，去除浮沉、碎石；

(A3)在混凝土表面涂抹一层脱模油；

(A4)取容器和搅拌棒；

(A5)取藻酸盐粉末于容器中；

(A6)藻酸盐和水进行混合；

(A7)混合搅拌至混合物呈现粉色；需要说明的是藻酸盐粉末呈现白色，加水搅拌后呈现粉色，应立即倒置混凝土表面，防止其未成模就固化。温度较低的水可以减缓凝固速度，温度较高的水则可以加速凝固速度，为保证足够的搅拌制模时间，水温不应高于25摄氏度。

(A8)将混合物倒于混凝土表面上，并展开；

(A9)等待混合物固化；

(A10)将固化成型的镜像模型从混凝土表面剥离；

(A11)为避免模型久置对试验结果的影响，宜对模型进行密封保存，并尽快送至实验室进行3D扫描试验。

进一步的，所述藻酸盐和水的比例为藻酸盐：水＝9g：18ml。

进一步的，所述混合搅拌时间约40-55秒。

进一步的，所述等待时间约100-300秒。

进一步的，混合物固化后易风干变形，故需在剥离后立即进行密封保存。

进一步的，所述分析计算获得三维粗糙度指标值具体过程如下：

(B1)对镜像模型进行3D扫描试验，扫描结束后，将文件数据导出为源.stl和源.dxf 格式；

(B2)将源.dxf文件导入Auto CAD，模型粗糙面与Z坐标轴垂直，导出为旋转.dxf文件；

(B3)将文件导入Geomagic Studio软件，删除粗糙面以外的三个无关面，修补粗糙面，导出为粗糙面1.stl和粗糙面1.dxf文件；

(B4)将粗糙面1.stl文件，导入COMSOL Multiphysics软件中，导出坐标1.txt文件；

(B5)将坐标1.txt文件导入到Excel文件中；

(B6)删除坐标以外的数据，将数据点按Z值降序进行排序，找到基准面偏离XOY空间面的值A；

(B7)将粗糙面1.dxf文件导入Auto CAD软件中，将粗糙面沿Z轴方向移动距离A，导出为移动.dxf文件；

(B8)将移动.dxf文件导入到Geomagic Studio软件中，导出为粗糙面2.stl和粗糙面 2.dxf文件；

(B9)将粗糙面2.stl导入COMSOL Multiphysics软件中，导出坐标2.txt文件；

(B10)将坐标2.txt文件导入Excel文件中，计算的算数平均高度(Sa)，即为三维粗糙度指标值。

进一步的，所述基准面采用99％基准面。

进一步的，99％基准面的确定方法如下：

将十种不同粗糙度面的CSP标准模型重复步骤(1)-步骤(10)，得到每个模型在85％、 90％、95％、98％、99％、100％六种不同基准面下的三维粗糙度指标值；

对十种不同粗糙度面的CSP标准模型进行铺砂法试验，得到MTD值；

对比不同基准面下CSP标准模型3D扫描Sa值与铺砂法MTD值的误差方差，得到误差方差最小的基准面即为最终基准面。

进一步的，所述铺砂法试验具体如下：

(C1)将CSP标准模型水平放置于无风环境的实验室操作台上；

(C2)用刷子清理CSP标准模型粗糙面；

(C3)用样本容器量取适量体积V(ml)的渥太华标准砂；

(C4)将量取的渥太华标准砂倾倒在CSP标准模型上；

(C5)用直尺将渥太华标准砂成圆形展开，最高面与砂子覆盖区域最高点平齐；

(C6)用直尺多次测量圆形砂面直径，并计算平均值D；

(C7)根据公式计算该覆盖区域粗糙面的MTD值；

(C8)多次测量CSP标准模型不同区域的MTD值，并计算平均值即为该CSP标准模型最终的MTD结果。

本发明的有益效果如下：相较于铺砂法、探针法这些常规检测混凝土表面粗糙度的方法，本发明方法能够克服它们的缺陷，精确检测混凝土表面的三维粗糙度，更能准确描述混凝土表面的粗糙度特征。而且本发明选用的制模材料为藻酸盐，藻酸盐和水按一定比例混合后的混合物本身具有一定的流淌性和粘滞性，故制模不需要围挡，降低了制模的成本和困难。

附图说明

图1为12种混凝土试件示意图。

图2为制模材料、工具示意图。

图3为刷油示意图。

图4为混合物示意图。

图5为制模示意图。

图6为镜像模型示意图。

图7为镜像模型3D扫描示意图。

图8为不同基准面下CSP标准模型的Sa值。

图9为CSP标准模型铺砂法MTD值。

图10为不同基准面不同CSP标准模型MTD值与Sa值误差。

图11为不同基准面CSP标准模型MTD值与Sa值误差方差。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实验室内浇筑试件应用案例对本发明作进一步详细说明。

本发明提供基于3D扫描重构混凝土表面三维粗糙度的测试方法，该方法为：通过制作混凝土表面镜像模型，将镜像模型在实验室内进行3D扫描试验，旋转移动、修补优化和编辑计算，获得三维粗糙度指标值。

在申请实施例中，以实验室内浇筑混凝土试件对本发明进行详细说明。试验室内浇筑10 个100*100*100mm尺寸不同表面粗糙度的混凝土试件，见图1，标准养护28d后对混凝土试件粗糙面进行复制，制作镜像模型。所述混凝土表面镜像模型制备材料、工具见图2，图中1 ——油；2——藻酸盐粉；3——玻璃瓶；4——玻璃棒；5——刷子；6——橡胶手套；具体步骤如下：

(A1)在混凝土表面任意选取一块区域；

(A2)使用软毛刷5将混凝土表面清理干净，去除浮沉、碎石；

(A3)在混凝土表面涂抹一层脱模油1，见图3；

(A4)取玻璃瓶3和搅拌棒4；

(A5)用电子秤称取36g藻酸盐2于玻璃瓶3中；

(A6)将藻酸盐2与水按藻酸盐：水＝9g：18ml的比例，加入72ml的水；

(A7)用玻璃棒4混合搅拌40-55秒，至混合物(图4)呈现粉色；需要说明的是藻酸盐粉末呈现白色，加水搅拌后呈现粉色，应立即倒置混凝土表面，防止其未成模就固化。温度较低的水可以减缓凝固速度，温度较高的水则可以加速凝固速度，为保证足够的搅拌制模试件，水温不应高于25摄氏度。

(A8)将混合物倒于混凝土表面上，并展开，覆盖整个粗糙面，见图5；

(A9)等待约100-300秒，待混合物固化；

(A10)将固化成型的模型从混凝土表面剥离，即为镜像模型，见图6；

(A11)为避免镜像模型久置对试验结果的影响，宜对镜像模型进行密封保存，可以采用密封袋保存，并尽快送至实验室进行3D扫描试验。

在实验室内对镜像模型进行3D扫描重构，旋转移动、修补优化和编辑计算，获得三维粗糙度指标值即混凝土试件面的三维粗糙度指标值，具体步骤如下：

(B1)将镜像模型垂直放置于Roland LPX 3D激光扫描仪的置物台中央处，进行3D扫描试验，扫描结束后，将文件数据导出为源.stl和源.dxf格式；

其中3D扫描试验具体如下：1)启动桌面的Dr.PICZA3软件，点击SCAN绿色按钮，选择环绕扫描，扫描面设置为4，高度和宽度根据镜像模型尺寸分别设置为60mm和100mm，扫描精度设置为0.2mm。点击Preview进行预览，通过小窗口调整参数设置。参数设置完毕后，点击Scan进行扫描。

(B2)将源.dxf文件导入Auto CAD，镜像模型粗糙面与Z坐标轴垂直，导出为旋转.dxf 文件；

(B3)将文件导入Geomagic Studio软件，删除粗糙面以外的三个无关面，修补粗糙面，导出为粗糙面1.stl和粗糙面1.dxf文件，见图7。

(B4)打开COMSOL Multiphysics软件，创建三维空模型。模型开发器窗口中，右击全局定义选择几何零件，右击几何零件选择三维零件，右击三维零件选择导入。设置导入，文件名选择前一步导出的粗糙面1.stl文件，点击导入。模型开发器右击结果数据集选择网格。设置网格选择网格零件1。模型开发器右击结果导出，选择数据。设置输出栏点击浏览，选择保存文本的位置。点击导出，保存结果为坐标1.txt文件。

(B5)新建Excel文件并打开，选择数据自文本，找到导出的坐标1.txt文件，点击导入。选择分隔符号“Tab键”和“空格”，点击下一步；选择常规，点击完成。放置于现有工作表中，点击确定。

在本申请实施例中，在步骤(10)将坐标2.txt文件导入Excel文件中后，还计算均方根高度(Sq)、偏度(Ssk)、峰度(Sku)、最大峰高(Sp)、最大谷低(Sv)和最大表面高度差(Sz)。①Sq同Sa一样可适用于描述待测对象的峰、谷和表面特征分布；②Ssk＞0表示待测对象主要分布峰；Ssk＜0表示主要分布谷。Ssk值变大表示待测对象的劣化，具有陡峭坡度和尖峰的峰数目增多；Ssk是负值表示待测对象由一个具有深谷的高原组成；Ssk是正值表示一个有许多峰的平面；③Sku表示缺陷出现的可能性及在待测对象上的分布。Sku＜3表示缺陷出现较少，且均匀分布；Sku＞3表示缺陷高频出现且分布不均匀；④Sp,Sv和Sz是待测对象上绝对最高值和最低值点，及他们的相对高差。

S_p＝sup{Z(x_i,y_j)} (5)

S_v＝|inf{Z(x_i,y_j)}| (6)

S_z＝S_p-S_v (7)

在本申请实施例中，随着基准面的变化，计算得到的三维粗糙度指标也会随之发生改变。因此根据铺砂法MTD值校核3D扫描法三维粗糙度指标Sa值，计算不同基准面下的误差方差，确定最终基准面(基准面即粗糙面上Z坐标大于零的点占所有数据点的百分数)，基准面的确定方法如下：

将十种不同粗糙度面的CSP标准模型重复步骤(B1)-步骤(B10)，得到每个模型在85％、 90％、95％、98％、99％、100％六种不同基准面下的三维粗糙度指标值Sa，见图8；本实施例中所述CSP标准模型选用国际混凝土修复协会(International Concrete RepairInstitute/ICRI)在‘Guideline No.310.2R-2013’中提到的CSP标准模型，随着编号的增大，模型粗糙度变大。

对十种不同粗糙度面的CSP标准模型进行铺砂法试验，得到MTD值，见图9；所述铺砂法试验具体如下(C1)-(C8)。

(C1)将CSP标准模型水平放置于无风环境的实验室操作台上；

(C2)用刷子清理CSP标准模型粗糙面；

(C3)用样本容器量取适量体积V(ml)的渥太华标准砂；

(C4)将量取的渥太华标准砂倾倒在CSP标准模型上；

(C6)用直尺多次测量圆形砂面直径，并计算平均值D；

(C7)根据公式计算该覆盖区域粗糙面的MTD值；

(C8)多次测量模型不同区域的MTD值，并计算平均值即为该模型最终的MTD结果，见图9，发现CSP1-CSP3模型由于粗糙度过小而无法测得MTD值。

需要说明的是：3D扫描试验Sa值与铺砂法试验MTD具有相同的物理意义，故比较不同 CSP标准模型不同基准面Sa值与MTD值的误差，见图10，计算不同基准面下所有CSP标准模型Sa值与MTD值的误差方差，见图11，发现99％基准面下的误差方差最小，故选择99％基准面为最终基准面。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.基于3D扫描重构混凝土表面三维粗糙度的测试方法，其特征在于，该方法为：通过制作混凝土表面镜像模型，将镜像模型在实验室内进行3D扫描试验，计算获得三维粗糙度指标值；

所述混凝土表面镜像模型制备方法如下：

（A1）在混凝土表面任意选取一块区域；

（A2）使用软毛刷将混凝土表面清理干净，去除浮沉、碎石；

（A3）在混凝土表面涂抹一层脱模油；

（A4）取容器和搅拌棒；

（A5）取藻酸盐粉末于容器中；

（A6）藻酸盐和水进行混合；

（A7）混合搅拌至混合物呈现粉色；

（A8）将混合物倒于混凝土表面上，并展开；

（A9）等待混合物固化；

（A10）将固化成型的镜像模型从混凝土表面剥离；

（A11）对镜像模型密封送至实验室。

2.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述藻酸盐和水的比例为藻酸盐：水=9g：18ml。

3.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述混合搅拌时间40-55秒。

4.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，等待时间100-300秒。

5.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，混合物固化后易风干变形，故需在剥离后立即进行密封保存。

6.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述计算获得三维粗糙度指标值具体过程如下：

（B1）对镜像模型进行3D扫描试验，扫描结束后，将文件数据导出为源.stl和源.dxf格式；

（B2）将源.dxf文件导入Auto CAD，镜像模型粗糙面与Z坐标轴垂直，导出为旋转.dxf文件；

（B3）将旋转.dxf文件导入Geomagic Studio软件，删除粗糙面以外的三个无关面，修补粗糙面，导出为粗糙面1.stl和粗糙面1.dxf文件；

（B4）将粗糙面1.stl文件，导入COMSOL Multiphysics 软件中，导出坐标1.txt文件；

（B5）将坐标1.txt文件导入到Excel文件中；

（B6）删除坐标以外的数据，将数据点按Z值降序进行排序，找到基准面偏离XOY空间面的值A；

（B7）将粗糙面1.dxf文件导入Auto CAD软件中，将粗糙面沿Z轴方向移动距离A，导出为移动.dxf文件；

（B8）将移动.dxf文件导入到Geomagic Studio软件中，导出为粗糙面2.stl和粗糙面2.dxf文件；

（B9）将粗糙面2.stl导入COMSOL Multiphysics 软件中，导出坐标2.txt文件；

（B10）将坐标2.txt文件导入Excel文件中，计算得算数平均高度Sa，即为三维粗糙度指标值。

7.根据权利要求6所述的测试方法，其特征在于，所述基准面采用99%基准面，99%基准面的确定方法如下：

将十种不同粗糙度面的CSP标准模型重复步骤（B1）-步骤（B10），得到每个模型在85%、90%、95%、98%、99%、100%六种不同基准面下的三维粗糙度指标值；

8.根据权利要求7所述的测试方法，其特征在于，所述铺砂法试验具体如下：

（C1）将CSP标准模型水平放置于无风环境的实验室操作台上；

（C2）用刷子清理CSP标准模型粗糙面；

（C3）用样本容器量取适量体积V（ml）的渥太华标准砂；

（C4）将量取的渥太华标准砂倾倒在CSP标准模型上；

（C5）用直尺将渥太华标准砂成圆形展开，最高面与砂子覆盖区域最高点平齐；

（C6）用直尺多次测量圆形砂面直径，并计算平均值D；

（C7）根据公式计算该覆盖区域粗糙面的MTD值；

（C8）多次测量CSP标准模型不同区域的MTD值，并计算平均值即为该CSP标准模型最终的MTD结果。