CN110940299B - 一种混凝土表面三维粗糙度的测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种混凝土表面三维粗糙度的测量方法,属于混凝土表面技术领域,该方法针对目前混凝土表面粗糙度的评定方法仍不统一,现场施工浇筑的混凝土表面粗糙度情况参差不齐的问题而提出。本发明提出对待测对象进行3D扫描试验,运用软件进行旋转移动、修补优化和编辑计算处理,获得三维粗糙度指标值。通过CSP标准模型铺砂法MTD值与3D扫描Sa值的误差方差与3D扫描试验基准面的变化关系,确立最终基准面。通过本发明提出的方法,可以测得混凝土表面的三维粗糙度,从而可以规范现场对混凝土结合界面的施工,提升混凝土建筑的耐久性能。
Description
技术领域
本发明属于混凝土表面技术领域,具体地说是一种混凝土表面三维粗糙度的测量方法。
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。
混凝土结合界面由不同混凝土基体、界面层以及界面钢筋共同构成。界面层附近不同混凝土基体的材料性能和水化程度不同,界面层存在变形协调问题,在荷载和收缩作用下,容易形成薄弱环节;另一方面,这些薄弱界面层为有害物质提供了便捷的传输途径,加速了界面钢筋的腐蚀,腐蚀产物的体积膨胀将加剧结合界面损伤,导致结构在结合界面附近耐久性降低甚至失效。由混凝土结合界面耐久性不足引起的失效案例屡见不鲜,严重地影响了结构的适用性能,并威胁结构的安全服役。
混凝土结合界面的粗糙度是影响薄弱界面层的关键因素,进而影响结构的耐久性。目前对混凝土表面的粗糙度评定方法多为铺砂法、探针法。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。故有必要提出一种混凝土表面三维粗糙度的测量方法。
发明内容
针对上述不足,本发明提供一种混凝土表面三维粗糙度的测量方法,解决了施工现场混凝土粗糙度检测困难、精度较低、维度局限等问题。
本发明所采用的技术方案如下:一种混凝土表面三维粗糙度的测量方法,包括如下步骤:
(1)对待测对象进行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;
(2)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;
(3)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;
(4)将粗糙面1.stl文件,导入COMSOL Multiphysics软件中,导出坐标1.txt文件;
(5)将坐标1.txt文件导入到Excel文件中;
(6)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;
(7)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;
(8)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;
(9)将粗糙面2.stl导入COMSOL Multiphysics软件中,导出坐标2.txt文件;
(10)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。
作为优选,所述基准面采用99%基准面。
作为优选,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;
用MTD值校核3D扫描三维粗糙度指标值,得到最终基准面。
作为优选,所述铺砂法试验具体如下:
(A1)将CSP标准模型水平放置于无风环境的实验室操作台上;
(A2)用刷子清理CSP标准模型粗糙面;
(A3)用样本容器量取适量体积V(ml)的渥太华标准砂;
(A4)将量取的渥太华标准砂倾倒在CSP标准模型上;
(A5)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;
(A6)用直尺多次测量圆形砂面直径,并计算平均值D;
(A7)根据公式计算该覆盖区域粗糙面的MTD值;
(A8)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。
作为优选,所述CSP标准模型选用国际混凝土修复协会(International ConcreteRepair Institute/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。
作为优选,3D扫描采用Roland LPX 3D激光扫描仪。
作为优选,所述步骤(1)中,3D扫描试验具体如下:
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CSP标准模型尺寸分别设置为100mm和150mm,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。
作为优选,所述步骤(4)具体如下:
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;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。
作为优选,所述步骤(5)具体如下:
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。
作为优选,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)。
本发明的有益效果如下:高精度仪器3D扫描重构粗糙面,利用二次积分公式计算粗糙度指标,从三维角度测量得到混凝土表面粗糙度指标,对粗糙面的粗糙度描述更为全面精确。通过本发明提出的方法,可以测得混凝土表面的三维粗糙度,从而可以规范现场对混凝土结合界面的施工,提升混凝土建筑的耐久性能。
附图说明
图1为CSP标准模型示意图。
图2为CSP标准模型放置示意图。
图3为CSP标准模型不同基准面Sa值。
图4为铺砂法材料示意图。
图5为CSP标准模型铺砂法MTD值。
图6为不同基准面不同CSP标准模型MTD值与Sa值误差。
图7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具体实施方式对本发明作进一步说明。
本实施例提供一种混凝土表面三维粗糙度的测量方法,包括如下步骤:
(1)对待测对象进行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: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CSP标准模型尺寸分别设置为100mm和150mm,扫描精度设置为0.2mm,保证3D扫描试验的精度;为保证待测对象被完整扫描,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。本实施例中3D扫描采用Roland LPX 3D激光扫描仪,当然不限于此。
(2)将源.dxf文件导入CAD,模型粗糙面与Z坐标轴垂直,确保Z坐标值的大小能准确表述混凝土表面的起伏特征,导出为旋转.dxf文件;
(3)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,得到一完整的粗糙面,导出为粗糙面1.stl和粗糙面1.dxf文件;
(4)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;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。
(5)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。
(6)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;
(7)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,使得基准面与XOY空间面重合,导出为移动.dxf文件;
(8)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;
(9)将粗糙面2.stl导入COMSOL Multiphysics软件中,导出坐标2.txt文件;
(10)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。
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。
Sp=sup{Z(xi,yj)} (5)
Sv=|inf{Z(xi,yj)}| (6)
Sz=Sp-Sv (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(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;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 Repair Institute/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,如图1。
测试时,将具有十种不同粗糙度面的CSP标准模型依次垂直放置于Roland LPX 3D激光扫描仪的置物台中央处,如图2。
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;所述铺砂法试验具体如下(A1)-(A8),铺砂法试验所需材料如图4所示,图中1——渥太华标准砂(0.15-0.3mm);2——样本容器(可定量测量渥太华标准砂的体积,0.1ml);3——有刻度直尺(将砂子铺开成圆,测量直径,0.1mm);4——刷子。
(A1)将CSP标准模型水平放置于无风环境的实验室操作台上;
(A2)用刷子清理CSP标准模型粗糙面;
(A3)用样本容器量取适量体积V(ml)的渥太华标准砂;
(A4)将量取的渥太华标准砂倾倒在CSP标准模型上;
(A5)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;
(A6)用直尺多次测量圆形砂面直径,并计算平均值D;
(A7)根据公式计算该覆盖区域粗糙面的MTD值;
(A8)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5,发现CSP1-CSP3模型由于粗糙度过小而无法测得MTD值。
用MTD值校核3D扫描三维粗糙度指标值,得到最终基准面,见图3。
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6,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7,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 (9)
1.一种混凝土表面三维粗糙度的测量方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)对待测对象进行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;
(2)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;
(3)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;
(4)将粗糙面1.stl文件,导入COMSOL Multiphysics 软件中,导出坐标1.txt文件;
(5)将坐标1.txt文件导入到Excel文件中;
(6)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;
(7)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;
(8)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;
(9)将粗糙面2.stl导入COMSOL Multiphysics 软件中,导出坐标2.txt文件;
(10)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。
2.根据权利要求1所述的一种混凝土表面三维粗糙度的测量方法,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(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;
用MTD值校核3D扫描三维粗糙度指标值,得到最终基准面。
4.根据权利要求2所述的一种混凝土表面三维粗糙度的测量方法,其特征在于,所述CSP标准模型选用国际混凝土修复协会(International Concrete Repair Institute/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。
5.根据权利要求1所述的一种混凝土表面三维粗糙度的测量方法,其特征在于,3D扫描采用Roland LPX 3D激光扫描仪。
6.根据权利要求1所述的一种混凝土表面三维粗糙度的测量方法,其特征在于,所述步骤(1)中,3D扫描试验具体如下:
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CSP标准模型尺寸分别设置为100mm和150mm,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。
7.根据权利要求1所述的一种混凝土表面三维粗糙度的测量方法,其特征在于,所述步骤(4)具体如下:
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;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。
8.根据权利要求1所述的一种混凝土表面三维粗糙度的测量方法,其特征在于,所述步骤(5)具体如下:
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。
9.根据权利要求1所述的一种混凝土表面三维粗糙度的测量方法,其特征在于,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)。
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