水泥膠砂抗折強(qiáng)度影響因素的不確定度分析

陳偉，徐亦東,朱才岳

（1.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院土木工程實(shí)驗(yàn)中心，浙江 寧波 315100；2.寧波蛟川構(gòu)件有限公司，浙江 寧波 315221）

0 引言

建筑材料是一切土木建筑的基礎(chǔ)， 而建材的力學(xué)性能是其性能中最重要的一個(gè)方面， 抗折強(qiáng)度是水泥或者混凝土力學(xué)性能中需要檢測(cè)的一個(gè)重要指標(biāo)，由于受到試件制備、養(yǎng)護(hù)、檢測(cè)等過(guò)程中諸多因素的影響， 檢測(cè)結(jié)果經(jīng)常出現(xiàn)一定的偏差。 為了避免檢測(cè)過(guò)程中不確定性影響建筑材料的正常使用，一般需要提高相應(yīng)的安全系數(shù)，從而在建筑設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中造成建材浪費(fèi)。 而對(duì)于現(xiàn)有建筑工程的力學(xué)性能檢測(cè)中， 也有可能產(chǎn)生一定的偏差， 進(jìn)而造成安全事故隱患或者影響建筑材料充分發(fā)揮作用。 因此有必要對(duì)現(xiàn)有抗折強(qiáng)度檢測(cè)整個(gè)過(guò)程中對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響的各個(gè)因素加以分析，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算確定其誤差來(lái)源及大小。本研究利用P·O42.5水泥為原料，根據(jù)GB/T 17671-1999標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其28 d抗折強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定，并對(duì)試件從制備到利用WEW-300萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)過(guò)程中有可能產(chǎn)生誤差的因素進(jìn)行分析，利用數(shù)學(xué)公式或者實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)由之造成的不確定進(jìn)行評(píng)價(jià)，為土木工程建筑設(shè)計(jì)、施工等提供一定參考數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

P·O42.5水泥， 寧波海螺水泥股份有限公司；ISO 標(biāo)準(zhǔn)砂，廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司；自來(lái)水；濟(jì)南試金WEW-300萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

使用P·O42.5水泥，按照水泥：砂質(zhì)量比為1：3配制膠砂， 根據(jù)GB/T 17671-1999標(biāo)準(zhǔn)對(duì)膠砂抗折強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定。

2 膠砂抗折強(qiáng)度影響因素及不確定性分析

2.1 試件尺寸

試件成型過(guò)程中，試件的寬度和高度是由模具尺寸控制，選取模具公差為±0.5 mm，所以模具引入的尺寸不確定度為：

而測(cè)試過(guò)程中，試件長(zhǎng)度是由試驗(yàn)機(jī)的下方支撐圓柱確定的，抗折試驗(yàn)機(jī)支撐圓柱之間的距離L的誤差為±0.1%，而試件長(zhǎng)度為100 mm，因此其尺寸不確定度為：

2.2 試驗(yàn)壓力示值

抗折試驗(yàn)機(jī)的壓力值標(biāo)準(zhǔn)誤差為±1.0%，因此其不確定度為：

根據(jù)抗折強(qiáng)度計(jì)算公式可以知道，試件抗折強(qiáng)度在測(cè)試過(guò)程中的不確定度由所受載荷，試件的b、h、L有關(guān)，因此，測(cè)量過(guò)程中的不確定度為：

經(jīng)過(guò)計(jì)算，得到在測(cè)試過(guò)程中引入的不確定度為U（fm1）=1.01%。

2.3 荷載速度

根據(jù)GB/T 17671-1999標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定， 試件所受荷載為（2 400 ±200） N/s條件下進(jìn)行，因此分別考察2 200 N/s、2 400 N/s、2 600 N/s條件下試塊的抗折強(qiáng)度，并確定其不確定度，結(jié)果如表1所示。

表1 荷載速度對(duì)抗折強(qiáng)度影響表

通過(guò)表1測(cè)得的不同荷載速度下試件的抗折強(qiáng)度，從中可以看出，試塊在2 400 N/s條件下的平均抗折強(qiáng)度為7.500 MPa， 而在2 200 N/s和2 600 N/s條件下， 試塊的平均抗折強(qiáng)度分別為7.533 MPa和7.433 MPa，以2 400 N/s時(shí)的平均抗折強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)值，計(jì)算得到在試驗(yàn)荷載速度為2 200 N/s和2 600 N/s條件下的標(biāo)準(zhǔn)差為（以2 400 N/s時(shí)的算術(shù)平均值為標(biāo)準(zhǔn)值）：

根據(jù)不確定評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)可知，S（fm）=U（fm），計(jì)算由此帶來(lái)的不確定度為：

2.4 養(yǎng)護(hù)溫度

根據(jù)GB/T 17671-1999標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，養(yǎng)護(hù)溫度為（20±2）℃，因此在超級(jí)恒溫水浴箱中，分別于18 ℃、20 ℃和22 ℃養(yǎng)護(hù)溫度下的試件進(jìn)行抗折強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果如表2所示。

表2 養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)膠砂抗折強(qiáng)度影響表

通過(guò)表2可以看出，在不同養(yǎng)護(hù)溫度下，各自對(duì)應(yīng)的抗折強(qiáng)度分別為：

根據(jù)不確定評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)可知，S（fm）=U（fm），因此由養(yǎng)護(hù)溫度引起的不確定度為：

2.5 養(yǎng)護(hù)時(shí)間

根據(jù)GB/T 17671-1999標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定， 對(duì)于水泥試件，其28 d強(qiáng)度在28 d±8 h時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，因此有可能帶來(lái)試件抗折強(qiáng)度的不確定性，分別考察不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間條件下試件的抗折強(qiáng)度，結(jié)果如表3所示。

表3 養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)膠砂抗折強(qiáng)度影響表

通過(guò)表3可以看出，養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)試件抗折強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果有一定影響，在不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下，采用與養(yǎng)護(hù)溫度相同處理方法， 計(jì)算出養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)試件抗折強(qiáng)度試驗(yàn)引起的標(biāo)準(zhǔn)差為S（fm）=0.0775 MPa，由此帶來(lái)的不確定度為U（fm4）=1.03%。

2.6 密實(shí)方式

在試件制備過(guò)程中， 根據(jù)GB/T 17671-1999標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，采用振實(shí)臺(tái)對(duì)試件進(jìn)行密實(shí)，不過(guò)也允許用振動(dòng)臺(tái)對(duì)試件進(jìn)行密實(shí)， 因此考察不同密實(shí)方式對(duì)試件抗折強(qiáng)度的影響，結(jié)果如表4所示。

表4 密實(shí)方式對(duì)膠砂抗折強(qiáng)度影響表

通過(guò)表4可以看出，采用振動(dòng)臺(tái)對(duì)砂漿進(jìn)行密實(shí)處理，可以提高試件抗折強(qiáng)度，采用與養(yǎng)護(hù)溫度相似計(jì)算方法， 計(jì)算出采用振動(dòng)臺(tái)密實(shí)方式對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法帶來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)差為：

由此帶來(lái)的不確定度為U（fm5）=2.10%。

2.7 試驗(yàn)機(jī)顯示儀表誤差

本試驗(yàn)機(jī)為WEW-300萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)， 顯示儀表誤差為0.3%，則有顯示儀表帶來(lái)的不確定度為：

此數(shù)據(jù)是由計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集而帶來(lái)的誤差，也可根據(jù)JJF1103-2003計(jì)量技術(shù)規(guī)范附錄B.3中規(guī)定，一個(gè)合格的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所引入的B類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.2%，直接加以引用。

2.8 重復(fù)性測(cè)試引入的不確定度

根據(jù)GB/T 17671-1999標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定， 每次試驗(yàn)取3個(gè)試塊進(jìn)行抗折強(qiáng)度試驗(yàn)， 本研究為測(cè)定重復(fù)性測(cè)試所引入的不確定度，在相同條件下，制備4組12塊試塊，確定其不確定度，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 重復(fù)性測(cè)試讀數(shù)對(duì)膠砂抗折強(qiáng)度影響表

計(jì)算得12塊試塊的算術(shù)平均值為：

由此帶來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)差為：

而根據(jù)不確定評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，S（fm）=U（fm），計(jì)算由試驗(yàn)樣品引入的不確定度為：

3.9 不確定度的合成

由于不確定度各自獨(dú)立， 因此綜合不確定度為：

根據(jù)《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》JTF1059-1999中7.9條規(guī)定，取包含因子K=2，則其擴(kuò)展不確定度為3.85%×2=7.70%。

3 結(jié)論

（1）以P·O42.5普通硅酸鹽水泥膠砂為研究對(duì)象，根據(jù)GB/T 17671-1999標(biāo)準(zhǔn)對(duì)水泥砂漿28 d抗折強(qiáng)度試驗(yàn)中的影響因素進(jìn)行分析，試驗(yàn)證實(shí)試件尺寸、壓力示值、荷載速度、試件養(yǎng)護(hù)溫度、試件養(yǎng)護(hù)時(shí)間、試件密實(shí)方式、試驗(yàn)機(jī)儀表誤差和取樣重復(fù)性等都對(duì)抗折強(qiáng)度結(jié)果準(zhǔn)確性有影響。

（2）通過(guò)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算得出不同影響因素對(duì)水泥砂漿抗折強(qiáng)度不確定度的影響大小依次為：密實(shí)方式不同2.10%，養(yǎng)護(hù)溫度偏差2.07%，取樣重復(fù)性讀數(shù)偏差1.50%，荷載速度偏差1.33%，養(yǎng)護(hù)時(shí)間偏差1.03%， 測(cè)試條件偏差1.01%， 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)偏差0.20%， 試驗(yàn)過(guò)程中抗折強(qiáng)度的擴(kuò)展不確定度為7.70%。