CN112924311A - 一种利用钻孔消耗电能检测混凝土抗压强度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用钻孔消耗电能检测混凝土抗压强度的方法，属于混凝土强度检测技术领域，具体包括S1：确定钻头半径规格R；S2：用钻机的钻头钻透粉刷层直至混凝土构件的表面，然后在混凝土构件上钻孔，直至到达设定深度h；S3：通过设置在钻机上的压力传感器读取钻孔时作用在钻头上压力F，通过设置在钻机前端的转速传感器读取钻头速度n通过集成于Arduino电子平台内的交流电模块表读取整个钻孔过程消耗的总电能W；本发明克服了回弹法、超声回弹综合法依赖混凝土表层质量才能完成检测混凝土质量；克服了后拔法、钻芯法检测繁琐、检测周期长，且取样时对混凝土表层造成一定的伤害；不需要事先凿除构件表面的粉刷层，操作简单。

Description

一种利用钻孔消耗电能检测混凝土抗压强度的方法
技术领域
本发明属于混凝土强度检测技术领域，具体涉及一种利用钻孔消耗电能检测混凝土抗压强度的方法。
背景技术
在房屋质量检测或者其他工程领域通常会对混凝土抗压强度进行检测，GB/T50344-2019《建筑结构检测技术标准》中混凝土抗压强度的检测方法包括回弹法、超声回弹综合法、后拔出法和钻芯法；以上四种方法的弊端分别为：回弹法操作简单，但是准确性低，且有期龄限制范围值，需要在相应的期间内做检测；超声回弹综合法虽客服了回弹法的准确性低的技术问题，但是遇到钢筋混凝土强度较高的材料时，超声波产生绕射的现象，导致测量数据不准确；后拔出法现场操作繁琐，且也有期龄限制；钻芯法虽然检测最为准确，但是需要现场取芯，对结构有一定的伤害。
发明内容
本发明针对上述的四种方法对混凝土抗压强度检测产生的技术问题，提供种利用钻孔消耗电能检测混凝土抗压强度的方法，操作简单，且检测精度高。为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种利用钻孔消耗电能检测混凝土抗压强度的方法，包括
S1：确定钻头半径规格R；
S2：用钻机的钻头钻透粉刷层直至混凝土构件的表面，然后在混凝土构件上钻孔，直至到达设定深度h；
S3：通过设置钻机上的压力传感器读取钻孔时作用在钻机上的水平推力(即钻头压力)F，通过设置在钻头上的速度传感器读取钻头转速n；通过集成于Arduino电子平台内的交流电能模块读取钻头使用的总电能W；
通过钻头压力F、钻头速度n、钻孔深度h、钻头半径R和电量W计算出混凝土的抗压强度。
采用下列公式计算出混凝土的抗压强度：
Figure BDA0002928045580000021
其中，σ为混凝土抗压强度；
W2为切削能耗；
G为为混凝土剪切模量，MPa；
β为计算参数，
Figure BDA0002928045580000022
α为混凝土抗压强度与劈裂抗剪强度换算比值，与混凝土强度等级相关；
R为钻头半径，m；
h为钻孔深度，m；
其中，W2＝W-W1-W3，其中W为总电能；W1为摩擦能耗；W3为空转能耗；W1＝μFRnt/13000
其中μ为摩擦系数；F为钻头压力，N；n为转速，转/分；R为转头半径；t为钻孔所用时间；
W3＝Pt
其中P为电钻空载功率，W；t为钻孔所用时间；
作为优化，钻头压力F、钻头速度n、钻孔深度h、钻头半径R和总电能W的数据处理均集成在电子平台Arduino系统中。
作为优化，所述步骤S2、S3可以重复多次，在混凝土构件上取多个孔进行检测。
作为优化，对多次检测获得的混凝土抗压强度按《建筑结构检测技术标准》进行统计计算，最终得到混凝土抗压强度推定值。数据处理及统计过程均集成在电子平台Arduino系统中，并将混凝土抗压强度实测结果实时输出至Arduino电子平台的显示屏上。
作为优化，所述孔与孔之间的孔距不小于150mm。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本发明一种利用钻孔消耗电能检测混凝土抗压强度的方法，通过以W＝W1+W2+W3为基础，推导出混凝土抗压强度σ的计算公式，克服了回弹法、超声回弹综合法依赖混凝土表层质量才能完成检测混凝土质量；克服了后拔法、钻芯法检测繁琐、检测周期长，且取样时对混凝土表层造成一定的伤害；不需要事先凿除构件表面的粉刷层，操作简单，检测结果真是反应混凝土内部强度。
附图说明
图1为单构件混凝土抗压强度测量流程图；
具体实施方式
下面，结合图1通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。
一种利用钻孔消耗电能检测混凝土抗压强度的方法，包括
S1：确定钻头半径规格R，钻头的半径决定了孔的大小；
S2：用钻机的钻头钻透粉刷层直至混凝土构件的表面，然后在混凝土构件上钻孔开始测试，直至到达设定深度h，停止钻头工作；该方法不需要凿除构件表面的粉刷层，现场操作简单。
S3：通过设置钻机上的压力传感器读取钻孔时作用在钻机上的钻头压力(即水平推力)F，通过设置在钻头上的速度传感器读取钻头速度n；通过集成于Arduino电子平台内的交流电能表读取钻头使用的总电能W；
通过钻头压力F、钻头转速n、钻孔深度h、钻头半径R和总能耗W计算出混凝土的抗压强度。以上所述数据容易获得，且操作简单。
具体的，在本方案的实施例中，混凝土抗压强度σ的推导如以下步骤：
采用电钻钻孔，所消耗的电能分为摩擦能耗W1、切削能耗W2和空转能耗W3三个部分的总和，即W＝W1+W2+W3：
(1)摩擦能耗W1
摩擦能耗是电钻与孔壁及孔底摩擦所消耗的电能，主要是孔底摩擦，根据扭矩与功率的关系：
T1＝9550P/n (1)
其中：T1为钻孔时钻头与孔摩擦产生的扭矩，Nm；
P为孔底摩擦所消耗的电功率，W；
n为转速，转/分；
根据相关力学公式
Figure BDA0002928045580000041
结合公式(1)和(2)，并考虑孔壁摩擦放大系统约为1.1，则摩擦能耗
W1＝1.1Pt＝μFRnt/13000 (3)
其中，μ为钻头与孔底摩擦系数
F为钻头压力；
n为转速，转/分；
R为钻头半径，m；
t为钻孔所用时间，s；
F为压力传感器测得，n为转速传感器测得。
(2)切削能耗W2
切削能耗是钻头切碎混凝土所消耗的能耗，钻头切碎混凝土的过程可以看作圆杆受扭劈裂破坏的过程，其所消耗的能耗等于圆杆扭转应变能，根据相关公式：
Figure BDA0002928045580000042
其中，Vε为应变能，Nm；
T为钻头在混凝土上的扭矩，Nm；
h为钻孔深度，m；
G为混凝土剪切模量，MPa；
Ip为半径为R的圆形截面的极惯性距；
参考公式(1)的推导过程，则T的计算公式如下：
Figure BDA0002928045580000043
其中，α为混凝土抗压强度与劈裂抗剪强度换算比值，与混凝土强度等级有关；
σ为混凝土抗压强度标准值，MPa；
R为钻头半径，m；
结合(4)和(5)，则切削能耗
Figure BDA0002928045580000051
(3)空转能耗W3
W3＝Pt (7)
其中P为电钻空载功率，W；
t为钻孔所用时间，s；
综合以上计算结构，钻孔消耗的总电能W＝W1+W2+W3，在钻头直径及钻孔深度不变的情况下，总电能W通过电表测得，W1通过钻头压力F、转速n和钻孔时间t三个参数计算所得；W3钻机空载功率P及钻孔时间t两个参数计算所得。由此可以计算出W2＝W-W1-W3，再结合公式(6)，计算出混凝土的抗压强度指标
Figure BDA0002928045580000052
其中，σ为混凝土抗压强度；
W2为切削能耗；
G为混凝土剪切模量，MPa；
β为计算参数，
Figure BDA0002928045580000053
α为混凝土抗压强度与劈裂抗剪强度换算比值，与混凝土强度等级相关；
R为钻头半径，m；
h为钻孔深度，m；
R和h为已知，W2由上述计算所得。
其中混凝土剪切G与混凝土强度相关，具体计算处理方法如下：
a)先根据混凝土强度估算值σ0，依据规范确定其初值G0,代入公式(7)计算出混凝土强度σ1；
b)根据σ1，据规范计算得到G1，代入公式(7)计算出混凝土强度σ2；
c)重复以上步骤，直至两次计算的混凝土强度σ的差值小于控制误差，即可得到混凝土强度实测值。
具体的，为了便于监控和读取数据，钻头压力F、钻头速度n、钻孔深度h、钻头半径R和电量W的数据均集成在电子平台Arduino系统中。
具体的，在本方案中，所述步骤S2、S3可以重复多次，在混凝土构件上取多个孔进行检测，所述孔与孔之间的孔距不小于150mm。对多次检测获得的混凝土抗压强度按《建筑结构检测技术标准》进行统计计算，最终得到混凝土抗压强度推定值。数据处理及统计过程均集成在电子平台Arduino系统中，并将混凝土抗压强度实测结果实时输出至Arduino电子平台的显示屏上。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种利用钻孔消耗电能检测混凝土抗压强度的方法，其特征在于，包括
S1：确定钻头半径规格R；
S2：用钻机的钻头钻透粉刷层直至混凝土构件的表面，然后在混凝土构件上钻孔，直至到达设定深度h；
S3：通过设置钻机上的压力传感器读取钻孔时作用在钻头上的压力F，通过设置在钻头上的速度传感器读取钻头速度n；通过集成于Arduino电子平台内的交流电能模块读取钻头使用的总电能W；
通过钻头压力F、钻头转速n、钻孔深度h、钻头半径R和电量W计算出混凝土的抗压强度。
2.根据权利要求1所述的一种利用钻孔消耗电能检测混凝土抗压强度的方法，其特征在于，采用下列公式计算出混凝土的抗压强度：
Figure FDA0002928045570000011
其中，σ为混凝土抗压强度；
W2为切削能耗；
G为混凝土剪切模量，MPa；
β为计算参数，
Figure FDA0002928045570000012
α为混凝土抗压强度与劈裂抗剪强度换算比值，与混凝土强度等级相关；
R为钻头半径，m；
h为钻孔深度，m；
其中，W2＝W-W1-W3，其中W为总电能；W1为摩擦能耗；W3为钻机空转能耗；
W1＝μFRnt/13000
其中μ为摩擦系数；F为钻头压力，N；n为转速，转/分；R为转头半径；t为钻孔所用时间；
W3＝Pt
其中P为电钻空载功率，W；t为钻孔所用时间。
3.根据权利要求1所述的一种利用钻孔消耗电能检测混凝土抗压强度的方法，其特征在于，钻头压力F、钻头转速n、钻孔深度h、钻头半径R和总电能W的数据均集成在电子平台Arduino系统中进行处理。
4.根据权利要求1所述的一种利用钻孔消耗电能检测混凝土抗压强度的方法，其特征在于，所述步骤S2、S3可以重复多次，在混凝土构件上取多个孔进行检测。
5.根据权利要求4所述的一种利用钻孔消耗电能检测混凝土抗压强度的方法，其特征在于，对多次检测获得的混凝土抗压强度按《建筑结构检测技术标准》进行统计计算，最终得到混凝土抗压强度推定值。数据处理及统计过程均集成在电子平台Arduino系统中，并将混凝土抗压强度实测结果实时输出至Arduino电子平台的显示屏上。
6.根据权利要求1所述的一种利用钻孔消耗电能检测混凝土抗压强度的方法，其特征在于，所述孔与孔之间的孔距不小于150mm。
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