一种混凝土收缩变形测试装置及方法

1.本发明涉及混凝土测试技术领域，具体涉及一种基于三维扫描的混凝土收缩变形测试装置及方法。


背景技术：

2.随着国内外各种大型土木工程的建设发展，业内对混凝土性能的研究也逐渐深入，混凝土的自收缩测试作为混凝土性能的一项重要测试手段，混凝土的自收缩指标可以给混凝土结构的抗裂性能的评价提供依据，同时也是混凝土结构开裂风险评估中应力场和开裂风险计算的重要依据。
3.混凝土收缩测量主要分两种，干燥收缩测量和收缩测试。其中针对混凝土收缩测试的方法有很多，主要分为体积法和线性法两大类，具体分为埋入式收缩测试、非接触式收缩测试和接触式外置测量方法三种。埋入式收缩测试通过在混凝土试件两端埋入相应的传感器和应变计，主要有dl/t 5150—2001《水工混凝土试验规程》中建议的差动式应变计、线性差动位移传感器和线振仪，埋入式测量能够实现实时连续采集数据，但埋入式的应变计和传感器与内部混凝土之间黏结并不充分、容易造成测量的混凝土自收缩数据并不可靠。非接触式收缩测试方法适用于普通混凝土无约束状态下自收缩变形的测量，不少学者通过电容式测微仪法、涡流传感器测量法等来实现混凝土自收缩的测量，但这类非接触式收缩测试的方式较为复杂、且成本较高。接触式外置测量法均采用的千分表测量法，这种测量方式容易受仪器稳定性等因素的影响，且并不能实现连续测量。
4.综上，开发一种混凝土试件非接触、连续准确的收缩测量装置是混凝土收缩测量方式亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.为了解决现有混凝土收缩测量技术存在的问题，本发明目的在于提供一种基于三维扫描的混凝土收缩变形测试装置及方法，能够进行一块或同时进行多块混凝土试件自收缩的测量，其在自收缩方向上的测量精度可达1μm，可实现混凝土试件自收缩的精确测量。
6.为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
7.一种混凝土收缩变形测试装置，包括“l”型测试台、激光三维扫描仪和便携式工作站；所述“l”型测试台包括扫描基准平面和扫描标记平面，所述扫描标记平面划分为扫描标记区和测试试件布置区，所述扫描标记区分布有若干数量的扫描标记点，用于激光三维扫描仪的标定校准；所述测试试件布置区用于限定混凝土试件的放置位置；所述激光三维扫描仪用于对测试试件布置区的混凝土试件进行三维扫描，并将数据传输至便携式工作站。
8.优选的，所述扫描标记区和测试试件布置区交替布置，每一个测试试件布置区的区域内均可放置混凝土试件，实现多块混凝土试件的同时测试。
9.本发明还提供了一种混凝土收缩变形测试方法，包括如下步骤：
10.(1)以扫描标记点为标准，对激光三维扫描仪进行标定校准；
11.(2)采用激光三维扫描仪对置于测试试件布置区的混凝土试件进行三维扫描，采集其三维模型数据并于便携式工作站进行三维模型重构；
12.(3)将重构后的三维模型导入到便携式工作站中的geomagic软件中，对重构的三维模型进行处理，实现了三维模型收缩方向与坐标轴方向对应；
13.(4)将相同时间间隔内的重复三维扫描、三维模型重构并处理好的同一混凝土试件的多个三维模型导入到polyworks测量软件中与标准cad试件3d模型进行对齐拟合，测量三维模型收缩方向的长度，记第一次混凝土试件的测量长度为d1，第二次混凝土试件的测量长度为d2，直至测试第n次混凝土试件的测量长度为d
n
，即得混凝土试件的收缩测试值计算公式为：
14.优选的，步骤(2)中，混凝土试件放置于扫描基准平面上，并位于测试试件布置区内，以扫描基准平面为基准，混凝土试件顶面为测试平面，将激光三维扫描仪从测试平面向下移动至基准平面，直至整个混凝土试件的三维模型数据完全采集。
15.优选的，步骤(4)中，所述时间间隔至少为1天。
16.优选的，步骤(4)中，先在auto cad绘图软件中绘制混凝土试件的标准 cad 3d模型，再将重构并处理后的三维模型和标准cad 3d模型导入至 polyworks测量软件中，完成三维模型和标准cad 3d模型的对齐拟合，测量混凝土试件的底面与顶面之间的距离(即三维模型收缩方向的长度)。
17.本发明的有益效果是：
18.(1)本发明基于三维扫描技术的混凝土试件重构模型，其在自收缩方向上的测量精度可达1μm，可实现混凝土试件自收缩的精确测量。
19.(2)本发明能够进行一块或同时进行多块混凝土试件自收缩的测量。
20.(3)本发明对重构的三维模型在便携式工作站中的技术处理，避免了人为选取测量点和测量方向所带来的误差，测量精度高。
附图说明
21.图1为本发明的混凝土收缩变形测试装置的结构示意图；
22.图2为图1中的“l”型测试台的主视图；
23.图3为图1中的“l”型测试台的俯视图；
24.图中1
‑
3中：1
‑“
l”型测试台；2
‑
激光三维扫描仪；3
‑
便携式工作站
25.101
‑
扫描基准平面；102
‑
扫描标记平面；1021
‑
扫描标记区；1022
‑
测试试件布置区。
26.图4为混凝土试件三维扫描重构模型技术处理过程变化图。
27.图5为三维模型与标准cad试件3d模型的对齐拟合变化图。
28.图6为拟合后的三维模型收缩方向的长度测量结果示意图。
具体实施方式
29.以下结合附图对本发明作进一步地详细描述。
30.如图1
‑
3所示，为本发明一种混凝土收缩变形测试装置的结构示意图，包括“l”型测试台1、激光三维扫描仪2和便携式工作站3；所述“l”型测试台包括扫描基准平面101(即底面)和扫描标记平面102(即竖直面)，所述扫描标记平面102划分为扫描标记区1021和测试试件布置区1022，扫描标记区1021分布有若干数量的扫描标记点，用于激光三维扫描仪2的标定校准；测试试件布置区 1022用于限定混凝土试件的放置位置；
31.当需要同时测试多块混凝土试件时，扫描标记区1021和测试试件布置区 1022交替布置，每一个测试试件布置区1022的区域内均可放置混凝土试件。如图1中，将三块混凝土试件置于扫描基准平面101上，且每一块混凝土试件的位置限定在对应的测试试件布置区1022内；
32.激光三维扫描仪2用于对测试试件布置区1022的混凝土试件进行三维扫描，并将数据传输至便携式工作站3，例如常规的数据处理终端。
33.一种混凝土收缩变形测试方法，包括如下步骤：
34.(1)以扫描标记区上随机分布的扫描标记点为标准，对激光三维扫描仪进行标定校准；
35.(2)将三块混凝土试件放置于扫描基准平面上，且每一块混凝土试件的位置限定在对应的测试试件布置区内，以扫描基准平面为基准，混凝土试件顶面为测试平面，将激光三维扫描仪从测试平面向下移动至基准平面，直至混凝土试件的三维模型数据完全采集，并于便携式工作站进行三维模型重构，如图4(1) 所示；
36.(3)将重构后的三维模型导入到便携式工作站中的geomagic软件中，选择该图像软件的“工具”选项卡下的“移动”选项，“移动”下有“到对象”、“到原点”、“精确移动”和“高级对象移动器”四个功能选项，先选择“移动”，再选择“到原点”，点击软件“对话框”确认按钮，将重构模型形心先平移至整体坐标系的原点位置上，如图4(2)所示；再同样选择“移动”下方的“精确移动”选项，点击软件“对话框”中的“主矢”选项，再点击确认按钮，完成重构模型的旋转工作，如图4(3)所示，经平移、旋转处理后，使得整体坐标系的原点位于试件三维模型收缩测试面的形心处，实现了试件三维模型收缩方向与整体坐标系中的z轴方向一致，避免人为选取测量点和测量方向的误差；
37.(4)先在auto cad绘图软件中绘制混凝土试件的标准cad 3d模型，再将相同时间间隔内的重复三维扫描、三维模型重构并经平移、旋转处理好的同一混凝土试件的多个三维模型和标准cad 3d模型导入到polyworks测量软件中，将三维模型与标准cad试件3d模型进行对齐拟合，具体为：打开polyworks ms 2018软件，打开工作区，选择“输入”选项卡，“输入”选项卡下有“输入点云文件”、“输入三角化模型”和“输入cad模型”三个功能选项，先选择“输入cad模型”选项，导入绘制好的标准cad 3d模型，如图5(1)所示；再选择“输入三角化模型”，导入处理好的三维模型，最后选择“对齐”选项卡下的“最佳拟合数据到参考对象”，点击对话框的“开始拟合”选项，完成三维模型与标准cad试件3d模型的对齐拟合，如图5(2)所示；
38.(5)对对齐拟合后的模型进行长度测量，创建拟合后的模型的底面、顶面两个面特征1和2，点击“测量”选项，测量三维模型收缩方向的长度l(即混凝土试件的底面与顶面之
间的面距离)，如图6所示(图中所示测量数值为其块混凝土试件某次的测试结果)，记第一次混凝土试件的测量长度为d1，第二次混凝土试件的测量长度为d2，直至测试第n次(n≥2)混凝土试件的测量长度为d
n
，即得混凝土试件的收缩测试值计算公式为：
39.实施例1
40.按照本发明的混凝土收缩变形测试方法，测试c50混凝土自终凝开始至28 天龄期的自收缩，具体包括如下步骤：
41.(1)以扫描标记区上随机分布的扫描标记点为标准，将三维扫描仪保持在距离扫描标记平面20cm的位置上，对激光三维扫描仪进行标定校准；
42.(2)将三块c50混凝土试件放置于扫描基准平面上，且每一块混凝土试件的位置限定在对应的测试试件布置区内，以扫描基准平面为基准，混凝土试件顶面为测试平面，将激光三维扫描仪从测试平面向下移动至基准平面，直至混凝土试件的三维模型数据完全采集，并于便携式工作站进行三维模型重构；
43.(3)将重构后的三维模型导入到便携式工作站中的geomagic软件中，对重构的三维模型进行处理，实现了三维模型收缩方向与坐标轴方向对应；
44.(4)将相同时间间隔内的重复三维扫描、三维模型重构并处理好的同一混凝土试件(测试的时间间隔为24h，连续测试28天)的多个三维模型导入到 polyworks测量软件中与标准cad试件3d模型进行对齐拟合，测量三维模型收缩方向的长度，记第一次混凝土试件的测量长度为d1，第二次混凝土试件的测量长度为d2，直至测试第28次混凝土试件的测量长度为d
28
，即得混凝土试件的收缩测试值计算公式为：
45.如表1所示，为得到的第一天测量长度 d1、第二天测量长度d2以及千分表测量结果。
46.结果表明，基于三维扫描每隔24h非接触式测量的混凝土试件收缩值，与接触式千分表测量的收缩值相差不大，甚至测试结果比之千分表测量的数值更为精确。在测量过程中发现，将混凝土试块移动之后，移动前后使用该测试方法测量的混凝土试件收缩值基本一致，测试结果不会受混凝土试件的移动影响，相比于接触式千分表测试方式，能够极大的避免外界不稳定环境影响。
47.表1三维扫描收缩测试间隔24h测量结果与千分表测试结果对比
48.