一种混凝土振捣密实性评价方法及系统发明专利

专利名称：一种混凝土振捣密实性评价方法及系统

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202210511922.3

专利申请（专利权）人：南京康斯智信工程科技有限公司
权利人地址：江苏省南京市鼓楼区水佑岗6号301

专利发明（设计）人：李佳杰,田正宏

专利摘要：本发明公开了一种混凝土振捣密实性评价方法及系统，通过对振捣棒插入新拌混凝土中实施振捣过程进行参数采集，根据采集到的参数信息，计算受振范围内任意位置的单位质量混凝土吸能率，获取单位质量混凝土吸能率沿径向分布；根据不同位置的单位质量混凝土吸能率计算得到受振范围内不同位置的单位质量混凝土吸能值，对不同吸能值对应位置的混凝土进行抗压强度测试，根据测试结果对振捣密实效果进行评价。通过量化表征振动能量在新拌混凝土内分布对振捣密实效果进行评价，有助于解决新拌混凝土受振过程中缺乏可靠振捣效果评价指标的技术难题。

主权利要求：
1.一种混凝土振捣密实性评价方法，其特征在于，所述方法包括：
将振捣棒插入新拌混凝土中实施振捣并进行参数采集，包括：通过点布式预埋入混凝土内的多个第一加速度传感器采集受振混凝土内不同位置的混凝土加速度与混凝土振动频率值；并通过安装在振捣棒上的第二加速度传感器采集振捣棒加速度与振捣棒振动频率值；并通过与驱动电机连接的功率采集仪采集驱动振捣棒的驱动电机的有功功率；
根据采集到的参数信息，计算受振范围内任意位置的单位质量混凝土吸能率，获取单位质量混凝土吸能率沿径向分布；
根据不同位置的单位质量混凝土吸能率计算得到受振范围内不同位置的单位质量混凝土吸能值，对不同吸能值对应位置的混凝土进行抗压强度测试，根据测试结果对振捣密实效果进行评价；
根据采集到的参数信息，计算受振范围内任意位置的单位质量混凝土吸能率，具体包括： ， ，，
式中：P1为正常振捣工况下单位质量混凝土吸能率，单位为W/kg；P'为空载工况下电机有功功率，单位为W；P为浅插入工况下电机有功功率，单位为W；C为正常振捣工况下影响系2
数；C5为浅插入工况下影响系数；ab为正常振捣工况下振捣棒加速度值，单位为m/s ；a'b为2
浅插入工况下振捣棒加速度值，单位为m/s；fs为浅插入工况下振捣棒振动主频，单位为Hz；
fn为正常振捣工况下振捣棒振动主频，单位为Hz；r为振捣棒半径，单位为cm；Rs为浅插入工况下振捣棒影响半径，单位为cm；Rn为正常振捣工况下振捣棒影响半径，单位为cm；ξm为混凝3
土材料阻尼系数；ρ为混凝土密度，单位为kg/cm ；h为正常振捣工况下振捣棒插入深度，单位为cm；n为正常振捣工况与浅插入工况插入深度比值；R为振捣棒影响半径，单位为cm；x为混凝土测量点距振捣棒轴线径向距离，单位为cm；
振捣棒影响半径R基于混凝土和振捣棒振动频率值，依据受迫振动原理即受振影响范围内混凝土与振捣棒振动主频近似相等来确定；所述混凝土阻尼系数包括边界阻尼系数ξb与混凝土材料阻尼系数ξm，结合获取的混凝土、振捣棒加速度值，与振捣棒加速度值ax、混凝土加速度值ab的关系式 计算确定；其中，对不同吸能值对应位置的混凝土进行抗压强度测试，根据测试结果对振捣密实效果进行评价，具体包括：
选取不同吸能值位置混凝土进行钻芯取样并测量相应抗压强度，根据预设抗压强度阈值，抗压强度值超过所述阈值的吸能值范围确定为密实能量范围，吸能值低于所述密实能量范围的判定为欠振，吸能值超过所述密实能量范围的判定为过振，处于所述密实能量范围内的判断为振捣密实。
2.根据权利要求1所述的一种混凝土振捣密实性评价方法，其特征在于，所述浅插入工况下振捣棒插入混凝土5cm，所述正常振捣工况下振捣棒插入混凝土35cm。
3.一种混凝土振捣密实性评价系统，其特征在于，所述系统包括：
参数采集模块，用于对振捣棒插入新拌混凝土中实施振捣过程进行参数采集，包括：用于采集受振混凝土内不同位置的混凝土加速度与混凝土振动频率值的点布式预埋入混凝土内的多个第一加速度传感器；用于采集振捣棒加速度与振捣棒振动频率值的安装在振捣棒上的第二加速度传感器；用于采集驱动振捣棒的驱动电机的有功功率的功率采集仪，所述功率采集仪与驱动电机连接，并将采集到的电机有功功率发送至能量计算模块；
能量计算模块，用于根据采集到的参数信息，计算受振范围内任意位置的单位质量混凝土吸能率，获取单位质量混凝土吸能率沿径向分布；
所述计算受振范围内任意位置的单位质量混凝土吸能率，具体包括：
， ，
，式中：P1为正常振捣工况下单位质量混凝土吸能率，单位为W/kg；P'为空载工况下电机有功功率，单位为W；P为浅插入工况下电机有功功率，单位为W；C为正常振捣工况下影响系数；C5为浅插入工况下影响系数；ab为正常振捣工况下振捣棒加速度值，单位为
2 2
m/s ；a'b为浅插入工况下振捣棒加速度值，单位为m/s ；fs为浅插入工况下振捣棒振动主频，单位为Hz；fn为正常振捣工况下振捣棒振动主频，单位为Hz；r为振捣棒半径，单位为cm；
Rs为浅插入工况下振捣棒影响半径，单位为cm；Rn为正常振捣工况下振捣棒影响半径，单位3
为cm；ξm为混凝土材料阻尼系数；ρ为混凝土密度，单位为kg/cm；h为正常振捣工况下振捣棒插入深度，单位为cm；n为正常振捣工况与浅插入工况插入深度比值；R为振捣棒影响半径，单位为cm；x为混凝土测量点距振捣棒轴线径向距离，单位为cm；所述混凝土阻尼系数包括边界阻尼系数ξb与混凝土材料阻尼系数ξm，结合获取的混凝土、振捣棒加速度值，与振捣棒加速度值ax、混凝土加速度值ab的关系式 计算确定；所述振捣棒影响半径R基于混凝土和振捣棒振动频率值，依据受迫振动原理即受振影响范围内混凝土与振捣棒振动主频近似相等来确定；
振捣密实评价模块，用于根据不同位置的单位质量混凝土吸能率计算得到受振范围内不同位置的单位质量混凝土吸能值，对不同吸能值对应位置的混凝土进行抗压强度测试，根据测试结果对振捣密实效果进行评价，具体包括：选取不同吸能值位置混凝土进行钻芯取样并测量相应抗压强度，根据预设抗压强度阈值，抗压强度值超过所述阈值的吸能值范围确定为密实能量范围，吸能值低于所述密实能量范围的判定为欠振，吸能值超过所述密实能量范围的判定为过振，处于所述密实能量范围内的判断为振捣密实。
4.根据权利要求3所述的一种混凝土振捣密实性评价系统，其特征在于，所述参数采集模块还包括加速度分析仪，所述加速度分析仪用于对采集到的混凝土、振捣棒加速度与振动频率进行处理并发送至能量计算模块进行计算。 说明书 : 一种混凝土振捣密实性评价方法及系统技术领域[0001] 本发明涉及混凝土施工质量控制技术领域，具体涉及一种混凝土振捣密实性评价方法及系统。背景技术[0002] 振捣密实是常规混凝土施工过程中必不可少环节。根据实际施工工艺不同，常用的振动器分为：插入式振动器、表面振动器和外部振动器，其中插入式振动器使用范围最为广泛。[0003] 现行的有关插入式振动器振捣作业规范，只提出当混凝土表面无明显塌陷、有水泥浆出现、不再冒气泡时，便可结束该部位振捣之类的主观定性评判依据。但是由于现场施工环境复杂，工人经验、态度与责任心客观存在差别，使用的振捣设备参数类别与品质质量存在显著差异性，有关混凝土振捣密实效果缺乏可靠客观量化评价指标，由此会导致施工过程不可控，也难以保证混凝土振捣密实质量的精确掌握。发明内容[0004] 为此，本发明提供一种混凝土振捣密实性评价方法及系统，以解决现有技术中对混凝土振捣密实效果缺乏可靠客观量化评价指标，无法对混凝土振捣密实质量进行精确掌握的问题。[0005] 为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：[0006] 根据本发明实施例的第一方面，提出了一种混凝土振捣密实性评价方法，所述方法包括：[0007] 将振捣棒插入新拌混凝土中实施振捣并进行参数采集，包括：通过点布式预埋入混凝土内的多个第一加速度传感器采集受振混凝土内不同位置的混凝土加速度与混凝土振动频率值；并通过安装在振捣棒上的第二加速度传感器采集振捣棒加速度与振捣棒振动频率值；并通过与驱动电机连接的功率采集仪采集驱动振捣棒的驱动电机的有功功率；[0008] 根据采集到的参数信息，计算受振范围内任意位置的单位质量混凝土吸能率，获取单位质量混凝土吸能率沿径向分布；[0009] 根据不同位置的单位质量混凝土吸能率计算得到受振范围内不同位置的单位质量混凝土吸能值，对不同吸能值对应位置的混凝土进行抗压强度测试，根据测试结果对振捣密实效果进行评价。[0010] 进一步地，根据采集到的参数信息，计算受振范围内任意位置的单位质量混凝土吸能率，具体包括：[0011][0012][0013][0014] 式中：P1为正常振捣工况下单位质量混凝土吸能率，单位为W/kg；P'为空载工况下电机有功功率，单位为W；P为浅插入工况下电机有功功率，单位为W；C为正常振捣工况下影2响系数；C5为浅插入工况下影响系数；ab为正常振捣工况下振捣棒加速度值，单位为m/s ；2a'b为浅插入工况下振捣棒加速度值，单位为m/s；fs为浅插入工况下振捣棒振动主频，单位为Hz；fn为正常振捣工况下振捣棒振动主频，单位为Hz；r为振捣棒半径，单位为cm；Rs为浅插入工况下振捣棒影响半径，单位为cm；Rn为正常振捣工况下振捣棒影响半径，单位为cm；ξm为3混凝土材料阻尼系数；ρ为混凝土密度，单位为kg/cm；h为正常振捣工况下振捣棒插入深度，单位为cm；n为正常振捣工况与浅插入工况插入深度比值；R为振捣棒影响半径，单位为cm；x为混凝土测量点距振捣棒轴线径向距离，单位为cm。[0015] 进一步地，所述方法还包括：[0016] 振捣棒影响半径R基于混凝土和振捣棒振动频率值，依据受迫振动原理即受振影响范围内混凝土与振捣棒振动主频近似相等来确定。[0017] 进一步地，所述方法还包括：[0018] 混凝土阻尼系数包括边界阻尼系数ξb与混凝土材料阻尼系数ξm，结合获取的混凝土、振捣棒加速度值，与振捣棒加速度值ax、混凝土加速度值ab的关系式 计算确定。[0019] 进一步地，对不同吸能值对应位置的混凝土进行抗压强度测试，根据测试结果对振捣密实效果进行评价，具体包括：[0020] 选取不同吸能值位置混凝土进行钻芯取样并测量相应抗压强度，根据预设抗压强度阈值，抗压强度值超过所述阈值的吸能值范围确定为密实能量范围，吸能值低于所述能量范围的判定为欠振，吸能值超过所述能量范围的判定为过振，处于所述能量范围内的判断为振捣密实。[0021] 进一步地，所述浅插入工况下振捣棒插入混凝土5cm，所述正常振捣工况下振捣棒插入混凝土35cm。[0022] 根据本发明实施例的第二方面，提出了一种混凝土振捣密实性评价系统，所述系统包括：[0023] 参数采集模块，用于对振捣棒插入新拌混凝土中实施振捣过程进行参数采集，包括：用于采集受振混凝土内不同位置的混凝土加速度与混凝土振动频率值的点布式预埋入混凝土内的多个第一加速度传感器；用于采集振捣棒加速度与振捣棒振动频率值的安装在振捣棒上的第二加速度传感器；用于采集驱动振捣棒的驱动电机的有功功率的功率采集仪，所述功率采集仪与驱动电机连接，并将采集到的电机有功功率发送至能量计算模块；[0024] 能量计算模块，用于根据采集到的参数信息，计算受振范围内任意位置的单位质量混凝土吸能率，获取单位质量混凝土吸能率沿径向分布；[0025] 振捣密实评价模块，用于根据不同位置的单位质量混凝土吸能率计算得到受振范围内不同位置的单位质量混凝土吸能值，对不同吸能值对应位置的混凝土进行抗压强度测试，根据测试结果对振捣密实效果进行评价。[0026] 进一步地，所述参数采集模块还包括加速度分析仪，所述加速度分析仪用于对采集到的混凝土、振捣棒加速度与振动频率进行处理并发送至能量计算模块进行计算。[0027] 本发明具有如下优点：[0028] 本发明提出的一种混凝土振捣密实性评价方法及系统，通过对振捣棒插入新拌混凝土中实施振捣过程进行参数采集，根据采集到的参数信息，计算受振范围内任意位置的单位质量混凝土吸能率，获取单位质量混凝土吸能率沿径向分布；根据不同位置的单位质量混凝土吸能率计算得到受振范围内不同位置的单位质量混凝土吸能值，对不同吸能值对应位置的混凝土进行抗压强度测试，根据测试结果对振捣密实效果进行评价。通过量化表征振动能量在新拌混凝土内分布对振捣密实效果进行评价，有助于解决新拌混凝土受振过程中缺乏可靠振捣效果评价指标的技术难题。附图说明[0029] 为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对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，下面描述中的附图仅仅是示例性的，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，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。[0030] 图1为本发明实施例1提供的一种混凝土振捣密实性评价方法的流程示意图；[0031] 图2为本发明实施例1提供的一种混凝土振捣密实性评价方法中的系统结构示意图；[0032] 图3为本发明实施例1提供的一种混凝土振捣密实性评价方法中得到的新拌混凝土内振动能量分布图；[0033] 图4为本发明实施例1提供的一种混凝土振捣密实性评价方法中沉球试验示意图；[0034] 图5为本发明实施例1提供的一种混凝土振捣密实性评价方法中得到的不同时刻单位质量新拌混凝土累计吸收能量图；[0035] 图6为本发明实施例1提供的一种混凝土振捣密实性评价方法中得到的单位质量混凝土吸能值与抗压强度关系图。[0036] 图中：参数采集模块1、能量计算模块2、振动参数采集子模块3、电机有功功率采集子模块4、振捣棒5、混凝土6、第二加速度传感器7、第一加速度传感器8、加速度信号分析仪9、驱动电机10、功率采集仪11、电流互感器12、高压鳄鱼夹13、钢球14。具体实施方式[0037] 以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，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。[0038] 实施例1[0039] 如图1所示，本实施例提出了一种混凝土振捣密实性评价方法，该方法包括：[0040] S100、将振捣棒插入新拌混凝土中实施振捣并进行参数采集，包括：通过点布式预埋入混凝土内的多个第一加速度传感器采集受振混凝土内不同位置的混凝土加速度与混凝土振动频率值；并通过安装在振捣棒上的第二加速度传感器采集振捣棒加速度与振捣棒振动频率值；并通过与驱动电机连接的功率采集仪采集驱动振捣棒的驱动电机的有功功率。[0041] 系统的结构组成如图2所示，参数采集模块1由振动参数采集子模块3、电机有功功率采集子模块4组成。[0042] 振动参数采集子模块3由第一加速度传感器8、第二加速度传感器7、加速度信号分析仪9、振捣棒5组成。振捣棒5插入新拌混凝土6中实施振捣前分布式预埋所述第一加速度传感器8在混凝土6内，用于采集受振混凝土6加速度与振动频率值，并经加速度信号分析仪9滤波、主频分析处理后，将混凝土加速度值与主频传输至能量计算模块2。混凝土内振捣参数采集分两阶段进行，第一阶段将振捣棒5浅插入混凝土5cm，传输浅插入工况下混凝土加速度值a'x与主频f'1至能量计算模块2；第二阶段振捣棒5插入混凝土35cm，传输正常振捣工况下混凝土加速度值ax与主频f1至能量计算模块2。[0043] 第二加速度传感器7安装在振捣棒5前端金属棒管位置，用于采集振捣棒加速度与振动频率值，并经加速度信号分析仪9滤波、主频分析处理后，将振捣棒5加速度值与主频传输至能量计算模块2。振捣棒5插入新拌混凝土6中实施振捣数据采集分两阶段进行，第一阶段将振捣棒5浅插入混凝土5cm，传输浅插入工况下振捣棒加速度值a'b与主频fs至能量计算模块2；第二阶段振捣棒5插入混凝土35cm，传输正常振捣工况下振捣棒加速度值ab与主频fn至能量计算模块2。[0044] 电机有功功率采集子模块4由功率采集仪11、电流互感器12、高压鳄鱼夹13、驱动电机10组成。电流互感器12一端与驱动电机10火线连接，一端与功率采集仪11连接，实时传输交变电流值至功率采集仪11内；高压鳄鱼夹13一端与驱动电机10火线或零线连接，一端与功率采集仪11连接，实时传输交变电压值至功率采集仪11内，功率采集仪11结合采集的原始电流、电压数据计算有功功率并传输至能量计算模块2。电机有功功率采集分两阶段进行，第一阶段振捣棒5未插入混凝土6，传输空载工况下电机有功功率P'至能量计算模块2；第二阶段振捣棒5浅插入混凝土5cm，传输浅插入工况下电机有功功率P至能量计算模块2。[0045] S200、根据采集到的参数信息，计算受振范围内任意位置的单位质量混凝土吸能率，获取单位质量混凝土吸能率沿径向分布。[0046] 振捣棒影响半径R计算方法：基于振动参数采集子模块3在正常振捣工况下获取的混凝土振动主频值f1、振捣棒振动主频值fn，浅插入工况下获取的混凝土振动主频值f'1、振捣棒振动主频值fs，依据受迫振动原理（受振影响范围内混凝土与振捣棒振动主频相近，误差小于±10%）确定正常工况下与浅插入工况下振捣棒影响半径Rn、Rs。[0047] 混凝土阻尼系数计算方法：结合振动参数采集子模块3在正常振捣工况下获取的振捣棒加速度值ab、混凝土加速度值ax与相关关系式计算确定混凝土材料阻尼系数ξm与边界阻尼系数ξb：[0048][0049] 式中：ax为正常振捣工况下受振区域内混凝土加速度值，单位为m/s2；ab为正常振2捣工况下振捣棒加速度值，单位为m/s；ξb为边界阻尼系数，ξm为混凝土材料阻尼系数，与振动时间无关，x为混凝土测量点距振捣棒轴线径向距离，单位为cm；[0050] 单位质量混凝土吸能率基于构建的插入式振捣棒振动能量传递理论模型计算，能量传递理论模型如下：[0051][0052][0053][0054] 式中：P1为正常振捣工况下单位质量混凝土吸能率，单位为W/kg；P'为空载工况下电机有功功率，单位为W；P为浅插入工况下电机有功功率，单位为W；C为正常振捣工况下影2响系数；C5为浅插入工况下影响系数；ab为正常振捣工况下振捣棒加速度值，单位为m/s ；2a'b为浅插入工况下振捣棒加速度值，单位为m/s；fs为浅插入工况下振捣棒振动主频，单位为Hz；fn为正常振捣工况下振捣棒振动主频，单位为Hz；r为振捣棒半径，单位为cm；Rs为浅插入工况下振捣棒影响半径，单位为cm；Rn为正常振捣工况下振捣棒影响半径，单位为cm；ξm为3混凝土材料阻尼系数；ρ为混凝土密度，单位为kg/cm；h为正常振捣工况下振捣棒插入深度，单位为cm；n为正常振捣工况与浅插入工况插入深度比值；R为振捣棒影响半径，单位为cm；x为混凝土测量点距振捣棒轴线径向距离，单位为cm。[0055] 结合参数模块1采集的参数、能量计算模块2已求得的正常振捣工况下与浅插入工况下振捣棒影响半径Rn、Rs、混凝土材料阻尼系数ξm、插入式振捣棒振动能量传递理论模型实现新拌混凝土内插入式振捣棒振动能量采集。本实施例中，以振捣第20s为例绘制采集的振捣棒振动能量在混凝土内分布情况，如图3所示。[0056] 为进一步说明本实施例的可行性与准确性，采用以下沉球试验实例作为论证：[0057] 距离振捣棒中心位置每隔5cm在混凝土表面放置钢球14，振捣过程中第3s、7s、11s、15s时刻，距振捣棒轴心5cm、10cm、15cm、20cm处钢球14刚好沉没（如图4所示）。[0058] 累计计算3s、7s、11s、15s时刻各位置单位质量混凝土吸收能量值（如图5所示），3s时刻距棒轴心5cm处单位质量混凝土累计吸收能量8.67J/kg，此时钢球14刚好沉没，以8.67J/kg为试验混凝土表面钢球沉没能量阈值。由图5知7s、11s、15s时刻分别在距棒轴心10.6cm、15.5cm、19.6cm处达到钢球沉没能量阈值，与实测钢球沉没位置基本一致，预测结果可信。[0059] S300、根据不同位置的单位质量混凝土吸能率计算得到受振范围内不同位置的单位质量混凝土吸能值，对不同吸能值对应位置的混凝土进行抗压强度测试，根据测试结果对振捣密实效果进行评价。[0060] 基于步骤S200计算得到的单位质量混凝土能量吸收率，累计计算不同位置单位质量混凝土吸能值（J/kg），选取不同吸能值位置混凝土进行钻芯取样并测量相应抗压强度，如图6所示。[0061] 实施例所用混凝土标号C35，因此以抗压强度35Mpa为标准确定密实能量范围30J/kg‑121J/kg，单位质量混凝土吸能值小于30J/kg判定为欠振、单位质量混凝土吸能值大于121J/kg判定为过振，在范围内为振捣密实。[0062] 实施例2[0063] 与上述实施例1相对应的，本实施例提出了一种混凝土振捣密实性评价系统，所述系统包括：[0064] 参数采集模块，用于对振捣棒插入新拌混凝土中实施振捣过程进行参数采集，包括：用于采集受振混凝土内不同位置的混凝土加速度与混凝土振动频率值的点布式预埋入混凝土内的多个第一加速度传感器；用于采集振捣棒加速度与振捣棒振动频率值的安装在振捣棒上的第二加速度传感器；用于采集驱动振捣棒的驱动电机的有功功率的功率采集仪，所述功率采集仪与驱动电机连接，并将采集到的电机有功功率发送至能量计算模块；[0065] 能量计算模块，用于根据采集到的参数信息，计算受振范围内任意位置的单位质量混凝土吸能率，获取单位质量混凝土吸能率沿径向分布；[0066] 振捣密实评价模块，用于根据不同位置的单位质量混凝土吸能率计算得到受振范围内不同位置的单位质量混凝土吸能值，对不同吸能值对应位置的混凝土进行抗压强度测试，根据测试结果对振捣密实效果进行评价。[0067] 进一步地，所述参数采集模块还包括加速度分析仪，所述加速度分析仪用于对采集到的混凝土、振捣棒加速度与振动频率通过滤波、主频分析等方式进行处理并发送至能量计算模块进行计算。[0068] 本发明实施例提供的一种混凝土振捣密实性评价系统中各部件所执行的功能均已在上述实施例1中做了详细介绍，因此这里不做过多赘述。[0069] 虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

专利地区：江苏

专利申请日期：2022-05-12

专利公开日期：2024-07-26

专利公告号：CN114636812B