砂漿立方體抗壓強(qiáng)度測量不確定度評(píng)定及影響因素

陳桂梅

（中國建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)廈門宏業(yè)有限公司，福建 廈門 360001）

0 引言

砂漿是由細(xì)集料、膠凝材料、水以及摻和料等物質(zhì)依照一定比例拌和而成的工程材料。在對(duì)地面和墻體等表面質(zhì)量評(píng)價(jià)中砂漿強(qiáng)度是一個(gè)重要依據(jù)，需要通過實(shí)驗(yàn)室在較高的要求下測量。任何測量均會(huì)存在一定測量誤差，導(dǎo)致測量結(jié)果存在不確定度。在測量質(zhì)量評(píng)價(jià)中，不確定度體現(xiàn)了測量結(jié)果中的分散性，是針對(duì)被測量對(duì)象測量真值在某個(gè)范圍中的評(píng)定，屬于誤差數(shù)值指標(biāo)，評(píng)定結(jié)果值越低，相應(yīng)的測量結(jié)果可信度越高。針對(duì)測量結(jié)果不確定度實(shí)施評(píng)定，不僅可以認(rèn)知不同來源不同誤差對(duì)最終結(jié)果的影響作用，在計(jì)算過程中也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)誤差服從概率分布規(guī)律的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)測量結(jié)果可靠程度的準(zhǔn)確評(píng)定，所以在測量結(jié)果中只有包括了不確定度，才屬于是一個(gè)完整的測量結(jié)果，同時(shí)這一測量結(jié)果才具有意義。所以可以看出砂漿立方體抗壓強(qiáng)度測量不確定度評(píng)價(jià)具有重要作用。本次試驗(yàn)以M10砂漿立方體抗壓強(qiáng)度作為研究對(duì)象，對(duì)其抗壓強(qiáng)度測量不確定度實(shí)施評(píng)定，并對(duì)其試驗(yàn)過程中存在的影響因素實(shí)施精細(xì)化控制，以提升評(píng)估結(jié)果的可靠性。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試件制作及養(yǎng)護(hù)

在制作試件的時(shí)候，依照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范以及砂漿配合比設(shè)計(jì)要求拌制完成砂漿，且將其一次性灌裝在砂漿試模中，注意一次性灌滿，并對(duì)其人工插搗成型；完成試件制作后，將其放置在（20±5）℃環(huán)境下進(jìn)行靜置（24±2）h，之后需要對(duì)各個(gè)試件實(shí)施編號(hào)以及拆模處理；當(dāng)氣溫較低時(shí)，或者凝結(jié)時(shí)間大于24h的砂漿，可適當(dāng)延長時(shí)間，但不應(yīng)超過2d。對(duì)于完成拆模處理的試件需要馬上放置在溫度為（20±2）℃，相對(duì)濕度為90%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)期間，試件的間隔不小于10mm。試件的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28d，計(jì)算時(shí)間即從攪拌加水開始計(jì)算。

1.2 試驗(yàn)條件及準(zhǔn)備

本次研究以M10砂漿立方體抗壓強(qiáng)度測量試驗(yàn)為例，對(duì)其試驗(yàn)過程中的方法以及要求展開探討。在對(duì)砂漿立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)測量中，將《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T70-2009）作為測量方法，并以《測量不確定度評(píng)定與表示》（JJF 1059.1-2012）作為測量不確定度評(píng)定中的參考依據(jù)。

砂漿對(duì)環(huán)境條件無要求，在本次試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)環(huán)境條件：試驗(yàn)溫度為20℃，相對(duì)濕度66%。

在試驗(yàn)過程中，選用的設(shè)備為液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)WE-300B，精度為1%；鋼直尺（0～300）mm，精度為1mm。

被測對(duì)象：10組同一配合比、同一成型工藝、同一養(yǎng)護(hù)條件，同一規(guī)格的砂漿試塊的標(biāo)準(zhǔn)尺寸為70.7mm×70.7mm×70.7mm，同一強(qiáng)度等級(jí)為M10的砂漿試塊，每組3塊，被測對(duì)象抗壓強(qiáng)度為f。

1.3 試驗(yàn)過程

在砂漿抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的時(shí)候，需要均勻且持續(xù)向試件進(jìn)行加荷，加荷速度應(yīng)為0.25~1.5kN/s，砂漿強(qiáng)度不大于2.5MPa時(shí)，宜取下限。此次的砂漿試驗(yàn)統(tǒng)一按0.5kN/s的加荷速率進(jìn)行，直到將整個(gè)試件破壞，對(duì)破壞荷載F進(jìn)行記錄，計(jì)算后可以獲取砂漿立方體抗壓強(qiáng)度f。試驗(yàn)采用同一環(huán)境，同一臺(tái)液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)，由同一檢測人員進(jìn)行試驗(yàn)[1]。

2 抗壓強(qiáng)度測量不確定度的來源分析

結(jié)合JGJ/T70-2009中的標(biāo)準(zhǔn)，砂漿立方體抗壓強(qiáng)度測量中的計(jì)算公式為：

式中：

A——試件邊長，mm；

N——試件破壞荷載，N；

k——換算系數(shù)，取值為1.35。

在砂漿立方體抗壓試驗(yàn)過程中，測量結(jié)果不確定度的來源主要為以下幾方面：

（1）測量對(duì)象不確定度u(fA)，這一因素的存在主要是受試件材質(zhì)不均勻性以及檢測人員重復(fù)檢測因素所致；

（2）試驗(yàn)壓力機(jī)不確定度u(fB)：主要是受標(biāo)準(zhǔn)測力儀、試驗(yàn)機(jī)示值誤差所致，另外也會(huì)受到讀數(shù)分辨率的影響；

（3）數(shù)值修約所致不確定度u(frou)，依照J(rèn)GJ/T70-2009中的規(guī)定，對(duì)于測量結(jié)果必須實(shí)施數(shù)值修約，此過程中也會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)不確定度。

3 測量不確定度評(píng)定

本次試塊抗壓強(qiáng)度重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果見表1，試塊抗壓強(qiáng)度的數(shù)學(xué)模型為：

表1 10組砂漿的抗壓強(qiáng)度檢測結(jié)果

式中：

Rm——試塊抗壓強(qiáng)度，Pa；

Fm——最大力，N；

k——換算系數(shù)，取值為1.35；

S0——受壓面積，mm2。

式中：

Rm——抗壓強(qiáng)度；

rep——重復(fù)性；

Fm——最大力；

Rmv——加荷速度對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響；

S0——受壓面積。

3.1 樣品不均勻性不確定度分項(xiàng)Urel(rep)的評(píng)定方法

通過砂漿立方體抗壓強(qiáng)度測量數(shù)值能夠得出以下結(jié)果：

抗壓強(qiáng)度平均值Rˉm=13.6MPa

根據(jù)表1中10組（每組3塊）砂漿試塊抗壓強(qiáng)度平均值的檢測結(jié)果，樣品不均勻性帶來的不確定度可以按A類，根據(jù)貝塞爾公式[2]計(jì)算得試驗(yàn)重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)偏差為：si=

3.2 最大力Fm的B類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分項(xiàng)Urel(Fm)的評(píng)定方法

（1）影響砂漿試件破壞荷載結(jié)果的不確定度分量包括：液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)本身帶來的不確定分量；人員讀數(shù)引起的不確定分量；加荷速率引起的不確定分量。

本次試驗(yàn)采用強(qiáng)度等級(jí)為M10的砂漿試塊，按《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T70-2009）要求加荷速率滿足0.25~1.5kN，砂漿強(qiáng)度不大于2.5MPa時(shí)，宜取下限。此次加荷速率統(tǒng)一按0.5MPa/s進(jìn)行，所以加荷速率引起的不確定度分量可以忽略不計(jì)；目前數(shù)據(jù)采集均為系統(tǒng)自動(dòng)采集，所以人員讀數(shù)引起的不確定度分量可以忽略不計(jì)。

綜上分析，實(shí)際破壞荷載結(jié)果的不確定度分量是由液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)測力系統(tǒng)示值誤差導(dǎo)致出現(xiàn)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度Urel(F1)。在本次試驗(yàn)中1.0級(jí)壓力試驗(yàn)機(jī)示值誤差為±1.0%，依照測量中均勻分布標(biāo)準(zhǔn)分析k=3，可得：

（2）標(biāo)準(zhǔn)測力儀所致出現(xiàn)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度Urel(F2)。在本次試驗(yàn)中采用的是0.3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)測力儀檢定試驗(yàn)機(jī)，檢測過程中重復(fù)性R=0.3%，對(duì)于這一問題可以看成是重復(fù)性極限，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定為：

（3）計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集中的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度Urel(F3)。在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的時(shí)候，依照《靜力單軸試驗(yàn)機(jī)用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的評(píng)定》（GB/T22066-2008）實(shí)現(xiàn)對(duì)B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度的分析，具體為Urel(F3)=0.2×10-2。

（4）最大力相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分項(xiàng)Urel(Fm)。通過以上分析，可以獲取最大力相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分項(xiàng)Urel(Fm)，具體為：

3.3 B類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分項(xiàng)Urel(S0)、Urel(Rmv)的評(píng)定方法

B類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分項(xiàng)Urel(S0)、Urel(Rmv)屬于受壓面積S0及抗壓速度所致。針對(duì)本次砂漿試塊在試驗(yàn)過程中選用的是液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)，因此對(duì)于抗壓速度變化所致相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分項(xiàng)也可以忽略。

另外砂漿試塊原始受壓面積實(shí)施測定時(shí)，按《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T70-2009）的要求，試塊的邊長測量精確至0.1mm，如實(shí)測尺寸與公稱尺寸之差不超過1mm，可按公稱尺寸進(jìn)行計(jì)算，因此數(shù)值修約引起的不確定度按B類評(píng)定；由于承壓面積為兩個(gè)邊長的乘積，兩個(gè)邊長測量過程有一定的相關(guān)性，為了避免確定相關(guān)系數(shù)，將其視為正相關(guān)，則面積的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

3.4 抗壓強(qiáng)度相對(duì)合成及相對(duì)擴(kuò)展不確定度

通過以上分析可以得出本次試驗(yàn)過程中的抗壓強(qiáng)度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分項(xiàng)，具體見表2。

表2 試塊抗壓強(qiáng)度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分項(xiàng)

通過以上各個(gè)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分項(xiàng)實(shí)施計(jì)算可得：

抗壓強(qiáng)度相對(duì)擴(kuò)展不確定度評(píng)定中，取置信概率為P=95%，k=2，相應(yīng)的抗壓強(qiáng)度相對(duì)擴(kuò)展不確定度為：

通過以上研究可以得出本次M10砂漿立方體抗壓強(qiáng)度的測量結(jié)果表示為：

4 試驗(yàn)細(xì)節(jié)對(duì)抗壓強(qiáng)度數(shù)值的影響

4.1 正向影響

在試驗(yàn)過程中，試塊貯存溫度、養(yǎng)護(hù)溫度以及試驗(yàn)溫度均會(huì)對(duì)其強(qiáng)度造成影響，若溫度過低容易導(dǎo)致強(qiáng)度偏低；若溫度過高容易導(dǎo)致強(qiáng)度偏高。對(duì)抗壓強(qiáng)度影響最顯著的即為底模，主要是底模材質(zhì)差異會(huì)直接導(dǎo)致砂漿吸水性不同。通常在選擇底模時(shí)，如果選擇的是吸水率在10%以下，含水率在2%以下的普通黏土磚，最終抗壓強(qiáng)度測量結(jié)果會(huì)高于采用不吸水的鋼模或塑料模。另外在養(yǎng)護(hù)過程中，自然養(yǎng)護(hù)條件下，即標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)溫度高，濕度沒有要求條件下，所測量試件抗壓強(qiáng)度會(huì)高于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的試件。加荷速度也會(huì)對(duì)抗壓強(qiáng)度造成影響，如果速度過快會(huì)導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度較高，過低也會(huì)降低抗壓強(qiáng)度測量結(jié)果。和規(guī)定養(yǎng)護(hù)齡期28d相比，若實(shí)際養(yǎng)護(hù)齡期較長，會(huì)導(dǎo)致最終抗壓強(qiáng)度測量結(jié)果較高。

4.2 負(fù)向影響

在試驗(yàn)過程中，拌合時(shí)間和操作時(shí)間越長，相應(yīng)的砂漿抗壓強(qiáng)度測量值越低。試驗(yàn)前，如果對(duì)于器具沒有潤濕、涮鍋，會(huì)導(dǎo)致器具上粘附一定的水泥漿，也就會(huì)導(dǎo)致最終的砂漿抗壓強(qiáng)度測量結(jié)果偏低。在試塊制作過程中，若振搗沒有到位，容易導(dǎo)致試塊不完整，存在有四角缺損或內(nèi)部孔洞，會(huì)導(dǎo)致砂漿抗壓強(qiáng)度測量結(jié)果偏低；如果振搗過度，也會(huì)導(dǎo)致試塊分層不均和砂漿抗壓強(qiáng)度測量結(jié)果偏低；抹面時(shí)間對(duì)試塊抗壓強(qiáng)度測量結(jié)果也具有影響，如果抹面過早，會(huì)導(dǎo)致最終砂漿抗壓強(qiáng)度測量結(jié)果偏低；如果受壓面為成型面，或者是在安裝試塊下壓板的時(shí)候，和中心偏離或接觸面受壓不均衡，均會(huì)導(dǎo)致最終砂漿抗壓強(qiáng)度測量結(jié)果偏低。

4.3 不定向影響

在砂漿立方體抗壓強(qiáng)度測量中，若沒有嚴(yán)格依照試驗(yàn)過程中的貯存方式、拌和用水、計(jì)量過程、尺寸測量、計(jì)算結(jié)果、壓力機(jī)量程選擇以及數(shù)據(jù)取舍等標(biāo)準(zhǔn)展開，就會(huì)導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度測量結(jié)果精確性不佳，且無法針對(duì)錯(cuò)誤操作實(shí)施判定，即無法評(píng)估出最終抗壓強(qiáng)度測量結(jié)果是偏大還是偏小，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)其不確定度的評(píng)定。

5 結(jié)束語

以上砂漿立方體抗壓強(qiáng)度不確定度報(bào)告的意義即為：這一批砂漿立方體抗壓強(qiáng)度測量可能在期望范圍內(nèi)。通過研究可以發(fā)現(xiàn)，一份完整的試驗(yàn)報(bào)告，也需要將其抗壓強(qiáng)度測量不確定度說明包含其中，以便為相關(guān)使用人員對(duì)測量結(jié)果的應(yīng)用提供便利。砂漿立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)過程中，人為因素（砂漿的制作過程）的影響作用較大，這一問題的存在主要是受到砂漿強(qiáng)度低、離散性大的影響。為提高砂漿立方體抗壓強(qiáng)度測量不確定度的分析，在試驗(yàn)過程中必須要嚴(yán)格依照相關(guān)規(guī)定操作，針對(duì)試驗(yàn)操作過程中的注意事項(xiàng)和影響因素進(jìn)行整理，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)試驗(yàn)過程的精細(xì)化控制，提高評(píng)定結(jié)果可靠性，有效防范被測產(chǎn)品誤判問題的出現(xiàn)。