水泥胶砂抗折强度影响因素的不确定度分析

陈伟，徐亦东,朱才岳

（1.浙江大学宁波理工学院土木工程实验中心，浙江 宁波 315100；2.宁波蛟川构件有限公司，浙江 宁波 315221）

0 引言

建筑材料是一切土木建筑的基础， 而建材的力学性能是其性能中最重要的一个方面， 抗折强度是水泥或者混凝土力学性能中需要检测的一个重要指标，由于受到试件制备、养护、检测等过程中诸多因素的影响， 检测结果经常出现一定的偏差。 为了避免检测过程中不确定性影响建筑材料的正常使用，一般需要提高相应的安全系数，从而在建筑设计、施工过程中造成建材浪费。 而对于现有建筑工程的力学性能检测中， 也有可能产生一定的偏差， 进而造成安全事故隐患或者影响建筑材料充分发挥作用。 因此有必要对现有抗折强度检测整个过程中对结果产生影响的各个因素加以分析，并通过实验和计算确定其误差来源及大小。本研究利用P·O42.5水泥为原料，根据GB/T 17671-1999标准对其28 d抗折强度进行测定，并对试件从制备到利用WEW-300万能试验机检测过程中有可能产生误差的因素进行分析，利用数学公式或者实验数据对由之造成的不确定进行评价，为土木工程建筑设计、施工等提供一定参考数据。

1 实验

1.1 实验原料

P·O42.5水泥， 宁波海螺水泥股份有限公司；ISO 标准砂，厦门艾思欧标准砂有限公司；自来水；济南试金WEW-300万能试验机。

1.2 实验方法

使用P·O42.5水泥，按照水泥：砂质量比为1：3配制胶砂， 根据GB/T 17671-1999标准对胶砂抗折强度进行测定。

2 胶砂抗折强度影响因素及不确定性分析

2.1 试件尺寸

试件成型过程中，试件的宽度和高度是由模具尺寸控制，选取模具公差为±0.5 mm，所以模具引入的尺寸不确定度为：

而测试过程中，试件长度是由试验机的下方支撑圆柱确定的，抗折试验机支撑圆柱之间的距离L的误差为±0.1%，而试件长度为100 mm，因此其尺寸不确定度为：

2.2 试验压力示值

抗折试验机的压力值标准误差为±1.0%，因此其不确定度为：

根据抗折强度计算公式可以知道，试件抗折强度在测试过程中的不确定度由所受载荷，试件的b、h、L有关，因此，测量过程中的不确定度为：

经过计算，得到在测试过程中引入的不确定度为U（fm1）=1.01%。

2.3 荷载速度

根据GB/T 17671-1999标准中规定， 试件所受荷载为（2 400 ±200） N/s条件下进行，因此分别考察2 200 N/s、2 400 N/s、2 600 N/s条件下试块的抗折强度，并确定其不确定度，结果如表1所示。

表1 荷载速度对抗折强度影响表

通过表1测得的不同荷载速度下试件的抗折强度，从中可以看出，试块在2 400 N/s条件下的平均抗折强度为7.500 MPa， 而在2 200 N/s和2 600 N/s条件下， 试块的平均抗折强度分别为7.533 MPa和7.433 MPa，以2 400 N/s时的平均抗折强度为标准值，计算得到在试验荷载速度为2 200 N/s和2 600 N/s条件下的标准差为（以2 400 N/s时的算术平均值为标准值）：

根据不确定评定标准可知，S（fm）=U（fm），计算由此带来的不确定度为：

2.4 养护温度

根据GB/T 17671-1999标准中规定，养护温度为（20±2）℃，因此在超级恒温水浴箱中，分别于18 ℃、20 ℃和22 ℃养护温度下的试件进行抗折强度测试，结果如表2所示。

表2 养护温度对胶砂抗折强度影响表

通过表2可以看出，在不同养护温度下，各自对应的抗折强度分别为：

根据不确定评定标准可知，S（fm）=U（fm），因此由养护温度引起的不确定度为：

2.5 养护时间

根据GB/T 17671-1999标准中规定， 对于水泥试件，其28 d强度在28 d±8 h时间内进行，因此有可能带来试件抗折强度的不确定性，分别考察不同养护时间条件下试件的抗折强度，结果如表3所示。

表3 养护时间对胶砂抗折强度影响表

通过表3可以看出，养护时间对试件抗折强度测量结果有一定影响，在不同养护时间下，采用与养护温度相同处理方法， 计算出养护时间对试件抗折强度试验引起的标准差为S（fm）=0.0775 MPa，由此带来的不确定度为U（fm4）=1.03%。

2.6 密实方式

在试件制备过程中， 根据GB/T 17671-1999标准中规定，采用振实台对试件进行密实，不过也允许用振动台对试件进行密实， 因此考察不同密实方式对试件抗折强度的影响，结果如表4所示。

表4 密实方式对胶砂抗折强度影响表

通过表4可以看出，采用振动台对砂浆进行密实处理，可以提高试件抗折强度，采用与养护温度相似计算方法， 计算出采用振动台密实方式对标准试验方法带来的标准差为：

由此带来的不确定度为U（fm5）=2.10%。

2.7 试验机显示仪表误差

本试验机为WEW-300万能试验机， 显示仪表误差为0.3%，则有显示仪表带来的不确定度为：

此数据是由计算机数据采集而带来的误差，也可根据JJF1103-2003计量技术规范附录B.3中规定，一个合格的计算机数据采集系统所引入的B类相对标准不确定度为0.2%，直接加以引用。

2.8 重复性测试引入的不确定度

根据GB/T 17671-1999标准中规定， 每次试验取3个试块进行抗折强度试验， 本研究为测定重复性测试所引入的不确定度，在相同条件下，制备4组12块试块，确定其不确定度，试验结果如表5所示。

表5 重复性测试读数对胶砂抗折强度影响表

计算得12块试块的算术平均值为：

由此带来的标准差为：

而根据不确定评定标准，S（fm）=U（fm），计算由试验样品引入的不确定度为：

3.9 不确定度的合成

由于不确定度各自独立， 因此综合不确定度为：

根据《测量不确定度评定与表示》JTF1059-1999中7.9条规定，取包含因子K=2，则其扩展不确定度为3.85%×2=7.70%。

3 结论

（1）以P·O42.5普通硅酸盐水泥胶砂为研究对象，根据GB/T 17671-1999标准对水泥砂浆28 d抗折强度试验中的影响因素进行分析，试验证实试件尺寸、压力示值、荷载速度、试件养护温度、试件养护时间、试件密实方式、试验机仪表误差和取样重复性等都对抗折强度结果准确性有影响。

（2）通过实验和计算得出不同影响因素对水泥砂浆抗折强度不确定度的影响大小依次为：密实方式不同2.10%，养护温度偏差2.07%，取样重复性读数偏差1.50%，荷载速度偏差1.33%，养护时间偏差1.03%， 测试条件偏差1.01%， 计算机数据偏差0.20%， 试验过程中抗折强度的扩展不确定度为7.70%。