CN114136840A - 一种3d打印混凝土建造性检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及混凝土性能检测技术领域，提供一种3D打印混凝土建造性检测装置，包括：本体；探测结构，包括相连的探测部与连接部，探测部裸露于本体的外部，适于插入待测试的混凝土中，连接部位于本体内；力传感器，设置在本体内，并与连接部远离探测部的一端相抵，适于在探测部插入待测试的混凝土时获取探测部受到的阻力值；数据处理系统，与力传感器信号连接，适于根据阻力值获取待测试的混凝土的建筑性信息。该3D打印混凝土建造性检测装置体积小，质量轻，便携性好，可以携带至施工现场进行使用，适用性更强；而且，相较于混凝土流变仪造价更低，适于大范围推广使用。

Description

一种3D打印混凝土建造性检测装置及方法

技术领域

本发明涉及混凝土性能检测技术领域，具体涉及一种3D打印混凝土建造性检测装置及方法。

背景技术

3D打印混凝土技术是将3D打印技术与混凝土制备技术相结合而产生的一种全新技术，其主要原理是将混凝土构件利用计算机进行3D建模和分割生产三维信息，然后将配制好的混凝土拌合物通过挤出装置，按照设定好的程序，通过机械控制，由喷嘴挤出进行打印，最后得到混凝土构件。不同于传统水泥混凝土的高性能化发展，建筑3D打印用混凝土材料能否实现3D打印的关键在于混凝土经喷嘴挤出后，是否能够承受自重以及上部各层的重力而不发生坍塌或变形，通常将混凝土的这一性能称之为建造性或可打印性。因此测试并评价混凝土材料的建造性是开展混凝土3D打印施工必不可少的程序。

现有技术中通常借助混凝土流变仪对混凝土工作性能进行检测，该混凝土流变仪可以测试混凝土的流变学参数，从而评价混凝土的建造性。施工现场往往需要快速检测，并根据检测结果及时调整物料配比，以便获得合格的混凝土。但是，混凝土流变仪的体积、重量大，便携性差，通常只能在实验室内完成检测工作，难以适应现场的测试环境和施工要求，具有一定的局限性；而且，混凝土流变仪造价高昂，不适于大范围推广使用。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的混凝土流变仪对混凝土的性能检测时，便携性差，通常只能在实验室内完成检测工作，具有一定的局限性；而且，混凝土流变仪造价高昂，不适于大范围推广使用的缺陷，从而提供一种3D打印混凝土建造性检测装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

本发明提供一种3D打印混凝土建造性检测装置，包括：本体；探测结构，包括相连的探测部与连接部，所述探测部裸露于所述本体的外部，适于插入待测试的混凝土中，所述连接部位于所述本体内；力传感器，设置在所述本体内，并与所述连接部远离所述探测部的一端相抵，适于在所述探测部插入待测试的混凝土时获取所述探测部受到的阻力值；数据处理系统，与所述力传感器信号连接，适于根据所述阻力值获取待测试的混凝土的建筑性信息。

进一步地，所述探测结构包括探杆与探头；所述探杆的一端经所述本体的底面插置在所述本体内，并与所述力传感器相抵，另一端裸露于所述本体的外部；所述探头可拆卸的设置在所述探杆远离所述本体的一端。

进一步地，所述探杆远离所述探头的杆体上设置有多个卡件，多个所述卡件沿所述探杆的轴向间隔设置，所述探杆插置在所述本体内时，每个所述卡件均位于所述本体的外部。

进一步地，该3D打印混凝土建造性检测装置还包括把手与样品桶；所述把手包括两个，两个所述把手对称设置在所述本体的两侧；所述把手朝向所述探头的一面设置有功能按键；所述样品桶适于容纳待测试的混凝土。

进一步地，该3D打印混凝土建造性检测装置还包括膝盖托架，所述膝盖托架包括两个，两个所述膝盖托架对称设置在所述本体的两侧，所述膝盖托架的高度不超过所述把手的高度。

进一步地，所述膝盖托架包括连接杆、轴体、第一弧形板以及第二弧形板；所述连接杆的一端与所述本体相连；所述轴体设置在所述连接杆远离所述本体的一端；所述第一弧形板与所述第二弧形板头通过所述轴体可转动的设置在所述连接杆上，所述第一弧形板与所述第二弧形板的凸面均背对所述本体设置。

进一步地，所述连接杆与所述本体可转动连接，适于调节所述连接杆与所述本体之间的夹角；所述连接杆为可伸缩的杆体，所述连接杆的杆体上设置有锁紧件，所述锁紧件具有限制所述连接杆伸缩的锁紧状态，以及允许所述连接杆伸缩的开锁状态。

进一步地，所述第一弧形板与所述第二弧形板的凹面均设置有缓冲垫。

进一步地，该3D打印混凝土建造性检测装置还包括显示面板，所述显示面板与所述数据处理系统信号连接，适于显示所述待测试的混凝土的建筑性信息；所述本体的一侧面设置有凹槽，所述显示面板可折叠的设置在所述凹槽内，所述显示面板具有与所述本体的一侧面相平行的收拢状态，以及与所述本体的一侧面相垂直的打开状态。

本发明还提供一种3D打印混凝土建造性检测方法，包括如下步骤：将探测结构的探测部插入待测试的混凝土中，获取探测部插入待测试的混凝土时受到的阻力值F；重复n次，获得F1、F2、F3…Fn，并获得F1、F2、F3…Fn的算术平均值F’；根据F’获得待测试的混凝土的屈服应力τ，并与目标值M进行对比，若τ＞M，则待测试的混凝土的建筑性满足要求；其中，获取屈服应力τ时；若探测结构采用平头型的探头，则有

R为平头型的探头的半径，目标值M为6Pa；若采用锥形的探头，则有

R为锥形的探头的半径，h为探头插入的深度，目标值M为5Pa。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明提供的3D打印混凝土建造性检测装置，使用时，可以握持本体后将探测结构的探测部直接插置在待测试的混凝土中，探测部受到的阻力可以传递至力传感器并被记录，力传感器再将测得的阻力值反馈至数据处理系统，最终得到待测试的混凝土的建筑性信息。该混凝土建造性检测装置体积小，质量轻，便携性好，可以携带至施工现场进行使用，适用性更强；而且，相较于混凝土流变仪造价更低，适于大范围推广使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中的3D打印混凝土建造性检测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中的3D打印混凝土建造性检测装置的局部结构示意图；

图3为本发明实施例中的3D打印混凝土建造性检测装置的俯视图；

图4为本发明实施例中的3D打印混凝土建造性检测装置中探杆的结构示意图；

图5为本发明实施例中的3D打印混凝土建造性检测装置中样品桶的结构示意图；

图6为本发明实施例中的3D打印混凝土建造性检测装置中膝盖托架的结构示意图。

附图标记说明：

1、本体； 2、探杆； 3、把手；

4、膝盖托架； 5、显示面板； 6、功能按键；

7、样品桶； 8、探头； 9、卡件；

10、连接杆； 11、轴体； 12、第一弧形板；

13、第二弧形板； 14、缓冲垫； 15、锁紧件。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

图1为本发明实施例中的3D打印混凝土建造性检测装置的结构示意图；如图1所示，本实施例提供一种3D打印混凝土建造性检测装置，包括：本体1，可以为长方体状的结构，本体1的内部中空，可以用于安装其他零部件。

探测结构，包括相连的探测部与连接部，探测部裸露于本体1的外部，适于插入待测试的混凝土中，连接部位于本体1内；例如，探测结构可以为杆状结构，探测结构的一端从本体1的底面伸入本体1内，作为探测结构的连接部，探测结构的另一端裸露在本体1的外部，作为探测部，可以在需要测试时插入待测试的混凝土中。

力传感器，可以粘接或者螺接在本体1内，力传感器的探测头朝向本体1 的底面设置，并与连接部相抵，当探测部插入待测试的混凝土内时，探测部受到的阻力可以通过连接部传递至力传感器上。

数据处理系统，可以设置在本体1的内部，并与力传感器信号连接，适于根据阻力值获取待测试的混凝土的建筑性信息。其中，数据处理系统可以包括数据处理器、信号收发器、输出接口以及电源等，信号收发器与数据处理器以及力传感器均信号连接，力传感器采集的阻力值可以通过信号收发器接收并反馈至数据处理器，数据处理器根据接收到阻力值后经计算分析可以得到待测试的混凝土的建筑性信息。电源则可以通过导线与力传感器、信号收发器以及数据处理器相连，用于提供电力。输出接口可以用于连通外部的计算机与数据处理器，实现人机交互。

本发明提供的3D打印混凝土建造性检测装置，使用时，可以握持本体1 后将探测结构的探测部直接插置在待测试的混凝土中，探测部受到的阻力可以传递至力传感器并被记录，力传感器再将测得的阻力值反馈至数据处理系统，最终得到待测试的混凝土的建筑性信息。该混凝土建造性检测装置体积小，质量轻，便携性好，可以携带至施工现场进行使用，适用性更强；而且，相较于混凝土流变仪造价更低，适于大范围推广使用。

图4为本发明实施例中的3D打印混凝土建造性检测装置中探杆的结构示意图，如图4所示，其中，探测结构包括探杆2与探头8；探杆2的一端经本体1 的底面插置在本体1内，并与力传感器相抵，另一端裸露于本体1的外部，探杆2与本体1的底面相垂直。探头8可拆卸的设置在探杆2远离本体1的一端。例如，探杆2可以为圆柱状结构，可以在本体1的底面设置通孔，通孔内可以插置有连接套筒，探杆2插置在连接套筒内，并与力传感器的探测头相抵。

其中，探杆2与连接套筒可以为卡扣式连接，方便将探杆2取下。例如，探头8可以为异形探头8，探头8与探杆2可以螺接。例如，探头8远离探杆2 的一端可以为平头型，也可以为锥形，以便根据不同的测试方式选择更换不同的探头8。

其中，在探杆2裸露在本体1外的杆体上，且在探杆2远离探头8的杆体上设置有多个卡件9，多个卡件9沿探杆2的轴向间隔设置。例如，卡件9可以为设置在探杆2上的通孔，通孔的内壁设置螺纹，每个卡件9内可以用于暂时存放不同的探头8。如此设置，无需根据不同的探头8设置不同的探杆2，一个探杆2配合多个探头8即可完成不同模式的测试，实现一杆多用，降低成本的同时，也使得使用更加便捷。

其中，该3D打印混凝土建造性检测装置还包括把手3与样品桶7；把手3 包括两个，两个把手3对称设置在本体1的左右两个侧面上，把手3与本体1 的侧面相垂直。

图3为本发明实施例中的3D打印混凝土建造性检测装置的俯视图，如图3 所示，其中，把手3朝向探头8的一面可以设置有功能按键6，当用户握持把手3时，可以方便的按压不同的功能按键6。例如，功能按键6可以包括测试按键和设置按键，测试按键，测试按键上标有按键名称，可以在手握的过程中同时完成插入和按下按键的测试工作，实现一人即可完成插入、读数和按下测试按键的工作，快速简便。设置按键可以输入设定的参数或计算模型。其中，功能按键6还可以设置在把手3的上部、下部或其他手握可触及的部位。功能按键6与数据处理系统相连接，可实时处理数据，并可自动记录探头8的受力峰值。

图5为本发明实施例中的3D打印混凝土建造性检测装置中样品桶的结构示意图，如图5所示，例如，样品桶7可以由不吸水的材料制成，样品桶7可以为圆柱形的结构，也可以为长方形的结构，还可以为其他异形结构的桶体，当需要测试时，可以将样品桶7内盛装适量的待测试的混凝土，其中，为了保证测量效果，待测试的混凝土的深度不小于探杆2的长度。

图6为本发明实施例中的3D打印混凝土建造性检测装置中膝盖托架的结构示意图，如图6所示，其中，该3D打印混凝土建造性检测装置还包括膝盖托架 4，膝盖托架4包括两个，两个膝盖托架4对称设置在本体1的左右两个侧面上，膝盖托架4的高度不超过把手3的高度。

其中，膝盖托架4包括连接杆10、轴体11、第一弧形板12以及第二弧形板13；连接杆10的一端可以通过铰支座与本体1可转动连接，调节角度的范围可以为0°－90°之间。其中，连接杆10为可伸缩的杆体，连接杆10的杆体上设置有锁紧件15，锁紧件15具有限制连接杆10伸缩的锁紧状态，以及允许连接杆10伸缩的开锁状态。例如，锁紧件15可以为锁紧螺母，可以通过锁紧件15来调节连接杆10的长度。例如，可以在连接杆10远离本体1的一端设置通孔，轴体11插置在通孔内。第一弧形板12与第二弧形板13头可以一上一下套设在轴体11上，第一弧形板12与第二弧形板13的凸面均背对本体1设置，第一弧形板12与第二弧形板13均可以相对轴体11转动，以调节第一弧形板 12与第二弧形板13的开合的程度，以适应不同的测试人员和测试现场。如此设置，膝盖靠在膝盖托架4上，减轻下蹲姿势对测试人员腿部肌肉的压力，使之更加符合人体工学。另一方面双膝的支撑作用可以使探头8插入混凝土时更加稳定，减少晃动，减少测试数据的离散和误差。

其中，第一弧形板12与第二弧形板13的凹面均设置有缓冲垫14，例如，缓冲垫14可以为橡胶材质，采用粘接或者套接的方式固定在第一弧形板12以及第二弧形板13上。

图2为本发明实施例中的3D打印混凝土建造性检测装置的局部结构示意图；如图2所示，其中，该3D打印混凝土建造性检测装置还包括显示面板5，显示面板5与可以与信号收发器信号连接，当数据处理器计算得到待测试的混凝土的屈服力后，可以通过信号收发器发送至显示面板5，以告知用户。

其中，可以在本体1的前侧面设置凹槽，凹槽的槽壁设置有盲孔，显示面板5可以通过转轴可折叠的设置在凹槽内，可以转动显示面板5使其与本体1 的前侧面相平行，此时显示面板5为收拢状态。也可以转动显示面板5使其与本体1的前侧面相垂直，此时显示面板5为打开状态。其中，可以在显示面板5内设有远程无线控制模块，可以在远程读取数据，也可以在现场不触碰机器的情况下，通过手机上内置软件进行测试。例如，显示面板5也可以设置在本体1的后侧面或者顶面，如此设置，显示面板5设在测试过程中肉眼自然可见的地方，不需要继续前倾弯腰或后移头部并倾斜本体1，使显示面板5垂直于测试人员的眼睛。

本发明提供的3D打印混凝土建造性检测装置有两种使用方式，分别是主动使用模式与配重使用模式；

主动使用模式下：

现场取新拌3d打印混凝土，将待测试的混凝土盛放于样品桶7内或通过 3D打印机挤出3－4层于样品桶7内；

将平头型的探头8安装在探杆2上；

展开显示面板5，并调整至与测试人员肉眼可舒适直视的位置；

双手握住把手3，双膝夹紧膝盖托架4，将探头8垂直于混凝土的物料面，稳稳的连续插入混凝土中，中途不可停顿，使探头8完全没入混凝土中，当插入深度达到预定深度时，按动把手3上的测试按键，保留测试结果，记录下阻力值F；

然后再进行下一次测试，每个新拌的混凝土进行不少于9次测试；

多次测试后求出F的算术平均值F’，并根据公式

得到待测试的混凝土的屈服应力τ；其中，R为平头型的探头8投影圆形的半径；

当τ＞6Pa时，证明该新拌的混凝土满足3D打印建造性要求，可以进行大规模3D打印工作。

配重使用模式：

现场取新拌3d打印混凝土，将待测试的混凝土盛放于样品桶7内或通过 3D打印机挤出3－4层于样品桶7内；

将锥形的探头8安装在探杆2上；

拧松锁紧件15，将连接杆10伸长，使连接杆10与探杆2呈45°夹角，拧紧锁紧件15，保证探杆2与混凝土的物料面垂直，配1kg重砝码在本体1的顶面，使探杆2在本体1自重和砝码重量下自主插入混凝土中，自动记录阻力峰值F，通过数据处理系统发送至远端的手机或电脑等终端；

测试14次，将2个最大值和2个最小值舍弃后，求出剩余数据的算术平均值F’，并根据公式

得到待测试的混凝土的屈服应力τ；其中， R为锥形的探头8投影圆形的半径，h为探头8插入的深度；

当τ＞5Pa时，证明该新拌的混凝土满足3D打印建造性要求，可以进行大规模3D打印工作。

本发明还提供一种3D打印混凝土建造性检测方法，包括如下步骤；将探测结构的探测部插入待测试的混凝土中，获取探测部插入待测试的混凝土时受到的阻力值F；

重复n次，获得F1、F2、F3…Fn，并获得F1、F2、F3…Fn的算术平均值F’；例如，可以重复9次，也可以重复14次。

根据F’获得待测试的混凝土的屈服应力τ，并与目标值M进行对比，若τ＞M，则待测试的混凝土的建筑性满足要求；其中，获取屈服应力τ时；

若探测结构采用平头型的探杆2，则有

R为平头型的探杆2的半径，目标值M为6Pa；

若采用锥形的探杆2，则有

R为锥形的探杆2的半径，h 为探头8插入的深度，目标值M为5Pa。

综上，本发明提供的3D打印混凝土建造性检测装置可以通过手持，便携至现场，测试混凝土的建造性是否满足3D打印要求，单独一人即可完成测试。

本发明提供的3D打印混凝土建造性检测装置，显示面板5与水平面角度可调节或直接处于本体1的顶面，保证现场不同身高的测试人员能够舒服地一边测试一边看到显示面板5上的测试数据。

本发明提供的3D打印混凝土建造性检测装置，把手3上安装有手握式测试按键，实现一人即可完成插入、读数和按下测试按键的工作，快速简便。

本发明提供的3D打印混凝土建造性检测装置，把手3和探头8间设有膝托支架，一方面可以在下蹲过程中使膝盖靠在膝托上，减轻下蹲姿势对测试人员腿部肌肉的压力，使之更加符合人体工学。另一方面双膝的支撑作用可以使探头8插入混凝土时更加稳定，减少晃动，减少测试数据的离散和误差。

本发明提供的3D打印混凝土建造性检测装置，主动检测或配重检测可以在机器主动或配重情况下物料的屈服应力，减少人为的经验，插入速度和插入力度对结果的影响。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种3D打印混凝土建造性检测装置，其特征在于，包括：

本体；

探测结构，包括相连的探测部与连接部，所述探测部裸露于所述本体的外部，适于插入待测试的混凝土中，所述连接部位于所述本体内；

力传感器，设置在所述本体内，并与所述连接部远离所述探测部的一端相抵，适于在所述探测部插入待测试的混凝土时获取所述探测部受到的阻力值；

数据处理系统，与所述力传感器信号连接，适于根据所述阻力值获取待测试的混凝土的建筑性信息。

2.根据权利要求1所述的3D打印混凝土建造性检测装置，其特征在于，

所述探测结构包括探杆与探头；

所述探杆的一端经所述本体的底面插置在所述本体内，并与所述力传感器相抵，另一端裸露于所述本体的外部；

所述探头可拆卸的设置在所述探杆远离所述本体的一端。

3.根据权利要求2所述的3D打印混凝土建造性检测装置，其特征在于，

所述探杆远离所述探头的杆体上设置有多个卡件，多个所述卡件沿所述探杆的轴向间隔设置，所述探杆插置在所述本体内时，每个所述卡件均位于所述本体的外部。

4.根据权利要求2所述的3D打印混凝土建造性检测装置，其特征在于，

还包括把手与样品桶；

所述把手包括两个，两个所述把手对称设置在所述本体的两侧；

所述把手朝向所述探头的一面设置有功能按键；

所述样品桶适于容纳待测试的混凝土。

5.根据权利要求4所述的3D打印混凝土建造性检测装置，其特征在于，

还包括膝盖托架，所述膝盖托架包括两个，两个所述膝盖托架对称设置在所述本体的两侧，所述膝盖托架的高度不超过所述把手的高度。

6.根据权利要求5所述的3D打印混凝土建造性检测装置，其特征在于，

所述膝盖托架包括连接杆、轴体、第一弧形板以及第二弧形板；

所述连接杆的一端与所述本体相连；

所述轴体设置在所述连接杆远离所述本体的一端；

所述第一弧形板与所述第二弧形板头通过所述轴体可转动的设置在所述连接杆上，所述第一弧形板与所述第二弧形板的凸面均背对所述本体设置。

7.根据权利要求6所述的3D打印混凝土建造性检测装置，其特征在于，

所述连接杆与所述本体可转动连接，适于调节所述连接杆与所述本体之间的夹角；

所述连接杆为可伸缩的杆体，所述连接杆的杆体上设置有锁紧件，所述锁紧件具有限制所述连接杆伸缩的锁紧状态，以及允许所述连接杆伸缩的开锁状态。

8.根据权利要求6所述的3D打印混凝土建造性检测装置，其特征在于，

所述第一弧形板与所述第二弧形板的凹面均设置有缓冲垫。

9.根据权利要求1所述的3D打印混凝土建造性检测装置，其特征在于，

还包括显示面板，所述显示面板与所述数据处理系统信号连接，适于显示所述待测试的混凝土的建筑性信息；

所述本体的一侧面设置有凹槽，所述显示面板可折叠的设置在所述凹槽内，所述显示面板具有与所述本体的一侧面相平行的收拢状态，以及与所述本体的一侧面相垂直的打开状态。

10.一种3D打印混凝土建造性检测方法，其特征在于，包括如下步骤；

将探测结构的探测部插入待测试的混凝土中，获取探测部插入待测试的混凝土时受到的阻力值F；

重复n次，获得F1、F2、F3…Fn，并获得F1、F2、F3…Fn的算术平均值F’；

根据F’获得待测试的混凝土的屈服应力τ，并与目标值M进行对比，若τ＞M，则待测试的混凝土的建筑性满足要求；

其中，获取屈服应力τ时；

若探测结构采用平头型的探头，则有

R为平头型的探头的半径，目标值M为6Pa；

若采用锥形的探头，则有

R为锥形的探头的半径，h为探头插入的深度，目标值M为5Pa。

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