专利名称：微损现场混凝土强度检测方法及其实现装置的制作方法
技术领域：
本发明属于建筑业、土木工程、水利工程领域，涉及混凝土强度检测技术。
背景技术：
受到服役环境的影响，既有建筑结构的混凝土材料自身性能和力学指标都会产生不 利于建筑结构服役安全的变化。对既有建筑结构的混凝土材料的检测是确定结构混凝土 强度和评定建筑结构服役安全性的必要手段。
在国内，用于混凝土强度现场检测的技术或设备都有一定的局限性。现有的有损检 测技术由于对结构造成损伤而逐渐被新型的微损检测技术和无损检测技术取代。而采用 较多的无损检测技术在对结构服役环境和结构服役时间的适用性方面难以满足工程需 求。尤其是对服役时间较长的既有建筑结构，无法满足现场快速准确检测老化结构混凝 土材料强度的要求。
目前，现场检测混凝土强度的方法有回弹法、钻芯法、拔出法和射击法。其中， 回弹法属于无损检测方法；钻芯法、拔出法和射击法属于微损检测方法。回弹法检测的
是结构混凝土的表面硬度，同时要求混凝土的服役时间一般要求在28天 1000天之间， 无法满足老化混凝土强度检测的要求；钻芯法对结构造成伤害，削弱结构的截面，影响 承载力，降低结构安全储备，同时该方法执行的过程较为复杂，不宜作为现场快速检测 手段；拔出法是用专用工具拔出已置入混凝土的锚具，来测定混凝土抗压强度的一种测 试方法，也对结构造成一定程度的损伤，而且操作过程较为复杂，不能满足快速检测的
需求；射击法有安全问题外，受火药、枪机零件质量和混凝土表层中粗骨料等因素的影
响较大，检测精度难以保证，所得检测数据的离散性较大，射钉法很少在国内工程上正 式应用。
因此，研究一种能够在现场快速检测混凝土强度的技术和方法已经成为本领域众多 研究人员的目标。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微损现场混凝土强度检测方法及其实现装置，用于检测 既有结构上混凝土的强度，是一种微损的快速的现场检测技术。
为实现以上目的，本发明所采用的解决方案是 一种微损现场混凝土强度检测方法，其包括以下步骤
1) 钻头钻入待测混凝土水平放置面测区，测定单点钻入时效值；
2) 重复步骤l)，测得多点混凝土钻入时效值；
3) 剔除钻入时效值中的奇异值，取平均值作为该待测混凝土的钻入时效值；
4) 根据C = 得到待测混凝土的强度，其中C为混凝土强度；为测试面 为水平面时的钻入时效值平均；"为钻入时效与强度的换算系数。
进一步，钻头钻入时间为30秒，对选定测区编号并测定该多点钻入时效值。 钻头钻入深度不大于5cm，钻孔直径不大于lcm。
测定的多点钻入时效值不少于10个，推荐测区数为16个，相邻两测区的间距控制 在2m以内，测区离构件端部或施工缝边缘的距离不大于0.5m ，且不小于0.2m。
混凝土构件尺寸小于4.5mX0.3m的构件，其测区数量可适当减少，但不少于5个。 该钻头钻入过程中明显接触到粗骨料，不计该次测试结果。
测试前采用1%的酚酞酒精溶液测得碳化深度，根据测得的碳化深度去除所测试结构 表面的碳化层或钻头钻至平均碳化深度后再开始计时测试。当结构测试面为非水平面时，= ，其中^^为测试面为水平面时的钻入时
效；^为测试面为非水平面时的钻入时效；/ 为非水平面钻入时效与水平面钻入时效的 换算系数。
压力传感器每0.5秒采集钻机上所施加力的大小，在测试结束后取其测得的平均值为 该次测试所施加的力，y = "1+ (<T '— ，，其中^为经过强度折算后的钻入时
效；^'为实际测得的钻入时效；O"为实验室标定时所用的标准力；O"'为实际测试时所 施加的力；Z为单位施加力与标准力偏差所引起的钻进时效偏差的换算系数。
一种微损现场混凝土强度检测装置，其包括钻机、钻头、施力架、外力监控器，钻 头通过钻机的夹具夹紧固定，钻机表面设有导槽进而通过导槽约束施力架，外力监控器 固定于施力架上。
该施力架包括后座板、手柄，后座板和手柄通过螺栓连接固定。
该外力监控器包括压力传感器、数据采集器、显示器和保护外壳。压力传感器位于 外力监视器最下端；数据采集器位于压力传感器上侧且与压力传感器直接接触；保护外 壳将压力传感器和数据采集器的上侧及周侧包围以达到保护作用；显示器直接焊接或粘 结在保护外壳的上侧。
该后座板与外力监控器焊接或粘结在一起。
一种微损现场混凝土强度检测技术，该技术包括基本原理和基本设备两个部分构成。
基本原理-
通过考察规定时间内混凝土试样的可钻性，与该类试样在实验室条件下标定的混凝 土强度相比较，进而得到混凝土的可钻性与强度之间的关系。该方法利用试验前选定的 钻机在混凝土试样上选定测区内进行钻机时效性测定。认为，当钻机的功率(以钻机转 速表示的)、钻杆的质量(以钻头的磨损程度来表示的)、钻杆的直径三个因素是固定 的值时，混凝土的可钻性主要取决于混凝土的力学性质。混凝土的强度越高，受混凝土 抗力影响钻进阻力或者说混凝土抗力就越高，单位时间内钻进混凝土的深度就越小；混 凝土的强度越低，钻进的阻力就越小，单位时间内钻进混凝土的深度就越大。钻机的功 率，以钻机每分钟的转数来表示是固定的值，是钻机的基本性能指标之一；合格的钻杆 和钻头的材料性质是一定。
该方法通过对测区内混凝土的钻入时效指标进行统计分析，比对实验室标定的混凝 土强度标准，得出测区内混凝土的强度。首先对选定测区内的单点混凝土钻入时效进行 测定，得出单点钻入时效，而后在该测区内进行一定数目的测点钻入时效的测定，并从 中剔除奇异值，对剩余的测点钻入时效取平均值，就认定该测区混凝土强度的检测值。 其基本换算公式为
C = "^ (i.i)
式中C为测得混凝土强度；为该测试面为水平面时的钻入时效值平均；"为
钻入时效与强度的换算系数，该系数由实验室试验测定。其中，钻入时效定义为单位时
间内(30s) —定功率(与标定时所用钻机一致)的钻机钻入所测试混凝土的深度。
在此测定过程中，结构因素、环境因素、设备因素和对设备的操作因素是影响混凝 土强度测得值与混凝土强度实际值的主要因素。因对这些因素进行具体分析，得出各种 不同因素的影响方式和影响效应，以修正测试结果，进而保证其可靠度。下面对各因素 的影响和应对方法进行概括性描述
1. 结构因素主要为测试面所处方向对测试的影响。本方法实验室标定混凝土 强度时， 一般采用水平面钻入时效指标。当结构测试面为非水平面时，要求 按式(1.2)对其钻入时效进行折算-
(1.2)式中WA为测试面为水平面时的钻入时效；^为测试面为非水平面时的钻 入时效；"为非水平面钻入时效与水平面钻入时效的换算系数，该系数有实 验室试验测定。
2. 环境因素主要为测试结构所处环境的温湿度、二氧化碳含量和酸碱盐含量 等方面的影响。这些因素主要对混凝土表面影响较大。利用钻入时效方法进 行测试时，为消除这些因素的影响，可采用1%的酚酞酒精溶液测得碳化深 度，然后根据测得的碳化深度去除所测试结构表面的碳化层。
3. 设备因素主要为设备的功率、钻杆的质量和钻杆的直径等方面的影响。使 用该方法测试混凝土强度时，应采用与实验室试验标定一样的设备。亦可指 定标准测试设备，以便于该方法推广。
4. 操作因素主要是操作人员施加的动力不同。本方法采用在施力架与钻机之 间加入压力传感器的方法控制施力。该压力传感器每0.5秒采集所施加力的 大小，在测试结束后取其测得的平均值为该次测试所施加的力。根据该力的 大小可按式(1.3)对钻入时效进行换算
^=H1 +-V (1.3)
式中^为经过强度折算后的钻入时效；^ '为实际测得的钻入时效；<T 为实验室标定时所用的标准力；O"'为实际测试时所施加的力；/为单位施 加力与标准力偏差所引起的钻进时效偏差的换算系数，该系数由实验室试验
综合^虑以上各因素后的钻进时效与混凝土强度的换算公式为
d外(l+(— ' (1.4)
式中C为测得混凝土强度；《为钻入时效与强度的换算系数；々为非水平面钻
入时效与水平面钻入时效的换算系数；；r为单位施加力与标准力偏差所引起的钻进时效 偏差的换算系数；cr为实验室标定时所用的标准力；O"'为实际测试时所施加的力；y'
为实际测得的钻入时效。
a、 / 和y均为实验室测得值，CT为规定的标准力，这几个值均为已知值，在实 际使用过程中可制定成表，以方便使用换算。使用该方法测试混凝土强度时，实际所施 加的力O"'为传感器自动采集，因此，只需要测得在某构件上的钻入时效^'即可根据表 格快速得出所测混凝土的强度。
基本设备
该技术中包含的设备主要有钻机、钻头、施力架和外力监控器。
外力监控器由压力传感器、数据采集器、液晶显示屏以及外部保护装置四个部件构 成。压力传感器是用来监测作用在钻机上的外力；数据采集器则釆集压力传感器信号， 并将其转换为压力，在液晶显示屏上显示出来，并进行数据存储；外部保护装置主要是 用来保护内部传感器和数据采集器。
钻头由钻机的夹具夹紧。施力架包括控制手柄和后座板，外力监控器与后座板通过 焊接或粘结方式连接在一起，然后在通过连接螺栓和控制手柄连接。控制手柄与钻机间 之间由导槽提供水平约束，不限制二者之间的竖直位移。通过以上连接方式，各部件形 成测试系统。该系统中，钻机提供钻进动力，并和钻头共同提供对混凝土试样的钻进。 钻进过程中，人所施加在钻机上的外力由外力监控器传递。同时，由外力监控器监视并 记录测试过程中施加外力的大小，以进行对施加外力的进行控制和转换。
由于采用了上述方案，本发明具有以下特点
1、可测试任意服役时间混凝土的强度；2、 对结构造成伤害较小，钻入深度一般不大于5cm，钻孔直径一般不大于lcm (由 钻头直径控制)，不削弱结构的截面，不影响结构承载力。
3、 执行的过程较为简单，宜作为现场快速检测手段，可根据由钻入时效査表迅速得 出混凝土强度。
本发明可用于土木工程、水利工程、矿山工程、核电工程等工程领域服役时间较长 的结构混凝土强度的检测，该测试仪易于操作，操作方便，是一种新型的现场混凝土强 度检测装置。
图1为本发明实施例的装置示意图。 图2后座板示意图。 图3外力监控器示意图。 图4外力监控器A-A剖面图。
具体实施例方式
以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。
本发明一种微损现场混凝土强度检测技术，并涉及一种使用该方法进行测试的仪器。
具体操作如下
1、 组装检测装置。如图l-图4所示，该仪器主要有钻机3、钻头4、施力架和
外力监控器7。外力监控器7可以作为固定部件，或者根据需要临时组装，其 由压力传感器11、数据采集器13、液晶显示屏10以及外部保护装置12四个
部件构成。压力传感器11是用来监测作用在钻机上的外力；数据采集器13则
采集压力传感器信号，并将其转换为压力，在液晶显示屏IO上显示出来，并 进行数据存储；外部保护装置主要是用来保护内部传感器11和数据采集器 13。施力架包括控制手柄2和后座板6，外力监控器7与后座板6通过焯接或 粘结方式连接在一起，然后在通过连接螺栓1穿过后座板6的螺栓孔9和控制 手柄2连接。控制手柄2与钻机4间之间由钻机4上的导槽8提供水平约束， 不限制二者之间的竖直位移。钻头4由钻机3的夹具夹紧。该系统中，钻机3 提供钻进动力，并和钻头4共同提供对混凝土试样5的钻进。钻进过程中，人 所施加在钻机上的外力由外力监控器7传递。同时，由外力监控器7监视并记 录测试过程中施加外力的大小，以进行对施加外力的进行控制和转换。
2、 按照所需检测结构的范围选定测区。本方法适用于单一构件或结构及批量构件 或结构(在相同的生产工艺条件下，混凝土强度等级相同，原材料、配合比、 成型工艺、养护条件基本一致且龄期相近的同类结构或构件)，按批进行检测 的构件，抽检数量不得少于同批构件总数的某一比例或某一最小数量。抽检构 件时，应随机抽取并使所选构件具有代表性。每一结构或构件测区数不应少于 10个，推荐测区数为16个，对某一方向尺寸小于4.5m且另一方向尺寸小于 0.3m的构件，其测区数量可适当减少，但不应少于5个；相邻两测区的间距 应控制在2m以内，测区离构件端部或施工缝边缘的距离不宜大于0.5m ，且 不宜小于0.2m;测区应选在使测试仪器的钻头处于水平方向检测混凝土浇筑 侧面。当不能满足这一要求时，可使测试仪器钻头处于非水平方向检测混凝土 浇筑侧面、表面或底面，并根据式1.4进行修正；测区宜选在构件的两个对称 可测面上，也可选在一个可测面上，且应均匀分布。在构件的重要部位及薄弱 部位必须布置测区，并应避开预埋件。应避开粗骨料，若钻入过程中明显接触 到粗骨料，应不计该次测试结果。
3、 测区处理。测得碳化深度，将碳化层去除以避免碳化对混凝土强度的影响。亦 可钻至平均碳化深度后再开始计时测试。4、 开始测试。将外力施加在控制手柄或者后座板上，钻机在混凝土表面自由旋 进，同时对钻头进行浇水冷却处理，以保持钻头的基本性能。外力可以人工提 供，保持恒定或在较小的浮动范围内，同时数据采集器将采集外力大小，并得 出测试过程中的均值。测试过程中用秒表记录钻机旋进的时间， 一般控制在 30秒，或采用直接可定时的钻机进行钻进，钻入深度一般不大于5cm，钻孔 直径一般不大于lcm (由钻头直径控制)。测试结束后用游标卡尺量测钻机旋 入混凝土的深度，以确定钻入时效值。在各个测区重复此过程。结构或构件的 测区应标有清晰的编号，必要时应在记录纸上描述测区布置示意图和外观质量 情况。
5、 测试结果处理。对所测试结构各个测区的数据进行处理，综合考虑结构因素、 环境因素、设备因素和环境因素，根据所给公式或直接査表得到各个测区的强 度。计算均值时，可去除3个最大值和3个最小值，取剩余IO个值的平均值 为所测区域的强度。若一个测区的测试值有较大偏移时，可采用同条件试件或 钻取混凝土芯样进行修正。
6、 将收集到的数值按照固定的方式进行处理并对结构加以修正，最终得到目标结 构混凝土的强度值。
本发明突破了现有快速检测方法在结构混凝土服役时间上的限制，对服役时间较长 的结构混凝土检测能达到较好的检测效果。本发明可用于土木工程、水利工程、矿山工 程、核电工程等工程领域服役时间较长的结构混凝土强度的检测，该测试仪易于操作， 操作方便，是一种新型的现场混凝土强度检测装置。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。 熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一 般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施 例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明 的保护范围之内。
权利要求
1、一种微损现场混凝土强度检测方法，其特征在于其包括以下步骤1)钻头钻入待测混凝土水平放置面测区，测定单点钻入时效值；2)重复步骤1)，测得多点混凝土钻入时效值；3)剔除钻入时效值中的奇异值，取平均值作为该待测混凝土的钻入时效值；4)根据C＝αΨh得到待测混凝土的强度，其中C为混凝土强度；Ψh为测试面为水平面时的钻入时效值平均；α为钻入时效与强度的换算系数。
2、 如权利要求1所述的微损现场混凝土强度检测方法，其特征在于钻头钻入时间 为30秒，对选定测区编号并测定该多点钻入时效值。
3、 如权利要求2所述的微损现场混凝土强度检测方法，其特征在于钻头钻入深度 不大于5cm，钻孔直径不大于lcm。
4、 如权利要求1或2所述的微损现场混凝土强度检测方法，其特征在于测定的多 点钻入时效值不少于10个，推荐测区数为16个，相邻两测区的间距控制在2m以内，测 区离构件端部或施工缝边缘的距离不大于0.5m ，且不小于0.2m。
5、 如权利要求4所述的微损现场混凝土强度检测方法，其特征在于混凝土构件尺 寸小于4.5mx0.3m的构件，其测区数量可适当减少，但不少于5个。
6、 如权利要求l所述的微损现场混凝土强度检测方法，其特征在于该钻头钻入过 程中明显接触到粗骨料，不计该次测试结果。
7、 如权利要求l所述的微损现场混凝土强度检测方法，其特征在于测试前采用 1%的酚酞酒精溶液测得碳化深度，根据测得的碳化深度去除所测试结构表面的碳化层或 钻头钻至平均碳化深度后再开始计时测试。
8、 如权利要求l所述的微损现场混凝土强度检测方法，其特征在于当结构测试面 为非水平面时，^A = ，其中^^为测试面为水平面时的钻入时效；^为测试面为 非水平面时的钻入时效；/ 为非水平面钻入时效与水平面钻入时效的换算系数。
9、 如权利要求1或8所述的微损现场混凝土强度检测方法，其特征在于压力传感 器每0.5秒采集钻机上所施加力的大小，在测试结束后取其测得的平均值为该次测试所施加的力，^ = r(i+(cr °"V,，其中^为经过强度折算后的钻入时效；^'为实际测得的钻入时效；cr为实验室标定时所用的标准力；cr'为实际测试时所施加的力；7为单位施加力与标准力偏差所引起的钻进时效偏差的换算系数。
10、 实现权利要求l所述方法的装置，其特征在于其包括钻机、钻头、施力架、外 力监控器，钻头通过钻机的夹具夹紧固定，钻机表面设有导槽进而通过导槽约束施力架，外力监控器固定于施力架上。
11、如权利要求10所述的装置，其特征在于该施力架包括后座板、手柄，后座板和手柄通过螺栓连接固定。
12、 如权利要求10所述的装置，其特征在于该外力监控器包括压力传感器、数据 采集器、显示器和保护外壳，压力传感器位于外力监视器最下端；数据采集器位于压力 传感器上侧且与压力传感器直接接触；保护外壳将压力传感器和数据采集器的上侧及周 侧包围以达到保护作用；显示器直接焊接或粘结在保护外壳的上侧。
13、 如权利要求ll所述的装置，其特征在于该后座板与外力监控器焊接或粘结在 一起。
全文摘要
一种微损现场混凝土强度检测方法及其实现装置，属于建筑及土木工程领域，该装置包括钻头、钻机、施力架及外力监控器，该外力监控器安装于施力架上检测施力架上所受外力。工作时外力对施力架施力，与施力架相连的钻机旋进，进而钻头钻入混凝土内测定钻入时效值，重复多次，测定多点钻入时效值，剔除其中的奇异值后得到均值，根据C＝αψ<sub>h</sub>，得到混凝土强度。本发明结构简单，操作方便，可以应用于服役时间较长的结构混凝土强度的检测。
文档编号G01N3/00GK101419144SQ20081020328
公开日2009年4月29日 申请日期2008年11月25日 优先权日2008年11月25日
发明者刘颖浩, 姚旭朋, 献 柳, 虞春龙, 洋 迟 申请人:同济大学