高分子防水材料止水带拉伸强度测量的不确定度评定

■潘 舒

（1.福建省交通科学技术研究所;2.福建省公路水运工程重点实验室，福州 350001）

高分子防水材料止水带拉伸强度测量的不确定度评定

■潘 舒1,2

（1.福建省交通科学技术研究所;2.福建省公路水运工程重点实验室，福州 350001）

不确定度表征合理地赋予被测量之值的分散性，与测量结果相联系的参数。拉伸强度是衡量高分子防水材料止水带（以下简称止水带）质量的一个关键性指标。本文通过介绍测定止水带拉伸强度的试验方法，建立数学模型，找出不确定度来源，对止水带拉伸强度的测量不确定度进行评定，从而达到提高止水带拉伸强度的检测水平。

高分子防水材料止水带 拉伸强度 测量不确定度 评定

止水带是高分子防水材料的一种，为片状带体状，上下两侧设置固定肋，具有柔韧性、耐用性、抗腐蚀性、变形性能优异等特点。本文通过对止水带拉伸强度测量不确定度的评定，找到引起测量结果不确定度的主要来源并加以分析，从而达到提高止水带拉伸强度的检测水平。

1 试样制备及试验方法[1-3]

本文选用规格为 B-300×10的止水带，按 GB/T 18173.2-2014《高分子防水材料 第2部分 止水带》、GB/T 528-2009《硫化橡胶或热塑性橡胶 拉伸应力应变性能的测定》规定的方法进行试样制备，采用Ⅱ型试样。所用试验设备有：微机控制电子式万能试验机CMT4304（配100N的拉压力传感器，精度0.5级）、游标卡尺 （精度0.01mm）和测厚计（精度0.01mm）。

试验过程：将试样对称地夹在拉力试验机的上、下夹持器上，使拉力均匀地分布在横截面上。启动试验机，在整个试验过程中连续监测试验长度和力的变化，精度在± 2%之内。夹持器的移动速度为500mm/min±50 mm/min。如果试样在狭窄部分以外断裂则舍弃试验结果，并另取一试样进行重复试验。以3个有效试样的中值为测试结果，并进行评定。

2 数学模型

根据GB/T 528-2009《硫化橡胶或热塑性橡胶 拉伸应力应变性能的测定》中规定：止水带的拉伸强度按式（1）计算：

式中，TS——拉伸强度，MPa；

Fm——最大力，N；

W——裁刀狭窄部分的宽度，mm；

t——试样狭窄部分的厚度，mm；

n——试块个数。

3 测量不确定度主要来源

根据JJF1059-1999《测量不确定度评定与表示》，测量不确定度主要来源有：

（1）重复性测量及样品不均性所引入的不确定度分量urel(rep)；

（2）最大力 Fm测量误差所引入的不确定度分量urel(Fm)，包括试验机示值误差引入的不确定度 urel1(Fm)、标准测力仪校准试验机引入的标准不确定度urel2(Fm)、计算机数据采集力值引入的标准不确定度urel3(Fm)；

（3）裁刀狭窄部分的宽度测量所引入的不确定度分量urel(W)；

（4）试样狭窄部分的厚度测量所引入的不确定度分量 urel(t)；

（5）其他如试验环境条件引起的不确定度。测量时环境温度、湿度波动在标准要求范围波动较小，则其产生的不确定度忽略不计。

4 标准不确定度分量及其评定[4-5]

4.1 重复性测量及样品不均性所引入的不确定度分量urel(rep)

重复性引起的相对不确定度主要来源于拉力测量的重复性、裁刀狭窄部分的宽度测量的重复性和试样狭窄部分的厚度测量的重复性。

按GB/T 528-2009《硫化橡胶或热塑性橡胶 拉伸应力应变性能的测定》的规定进行试验，试验取 10个试样，试验速度为500mm/min，10次拉伸强度试验结果见表1。

表1 止水带拉伸强度试验结果

拉伸强度平均值：

拉伸强度标准偏差：

重复性引起TS的相对不确定度分量：

实际测量情况是在重复条件下连续测量3个，以3个测量结果的中值为最终测量结果，得到拉伸强度的标准不确定度：

4.2 最大力测量Fm误差所引入的不确定度分量urel(Fm)

4.2.1 试验机最大允许示值误差引入的不确定度urel1(Fmmax)

根据GB/T 528-2009《硫化橡胶或热塑性橡胶 拉伸应力应变性能的测定》标准要求，材料试验机应能以恒定速率加载，示值相对误差不大于±0.5%，试验的最大荷载应在试验机示值的15%～90%之间。因此，本次试验采用微机控制电子式万能试验机CMT4304（配100N的拉压力传感器，精度0.5级），其最大允许示值误差为±0.5%，误差范围区间的半宽度为 0.5%，示值误差出现在区间[-0.5%，+0.5%]的概率是均匀的，并满足矩形分布，所以包含因子由此引入的B类评定相对标准不确定度为：

4.2.2 标准测力仪校准试验机引入的标准不确定度urel2(Fm)

0.5级试验机是借助于0.2级标准测力仪进行校准的，则其最大允许误差为0.2%，包含因子为因此引入的B类评定相对标准不确定度为：

4.2.3 计算机数据采集力值引入的标准不确定度urel3(Fm)[6]

由JJF1103-2003计量技术规范附录B.3可知，该不确定度与采样速率及系统的分辨率有关，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：

4.2.4 最大力测量误差所引入的不确定度分量urel(Fm)

从上述三个方面的因素所引入的测量不确定度彼此独立不相关，所以最大力Fm测量误差所引入的不确定度分量urel(Fm)可合成为：

4.3 裁刀狭窄部分的宽度W测量所引入的不确定度分量urel(W)

按GB/T 528-2009《硫化橡胶或热塑性橡胶 拉伸应力应变性能的测定》标准要求，制品型遇水膨胀橡胶的拉伸强度试验采用哑铃状Ⅱ型试样，狭窄部分的宽度为4.0mm±0.1mm，为固定分量。采用数显游标卡尺测量，精度为0.01mm，以均匀分布估计，其示值误差所引入的不确定度为：

4.4 试样狭窄部分的厚度t测量所引入的不确定度分量urel(t)

按GB/T 528-2009《硫化橡胶或热塑性橡胶 拉伸应力应变性能的测定》标准要求，制品型遇水膨胀橡胶的拉伸强度试验采用哑铃状Ⅱ型试样，试样的厚度为2.0mm± 0.2mm，为固定分量。采用测厚计测量，精度为0.01mm，以均匀分布估计，其示值误差所引入的不确定度为：

4.5 合成标准不确定度urel(TS)评定

由于各分量之间彼此独立，相对合成标准不确定度为：

4.6 扩展不确定度urel(TS)评定

本例在报告合成标准不确定度时，缺少有关自由度的信息，这在使用计量仪器进行常规测量时是经常遇到的。实际上，估算B类标准不确定度时，都隐含地假设标准不确定度是确切知道的，这就暗示它们相应的自由度都趋近∞ （亦即标准不确定度的相对不确定度趋近于零）。因此根据韦尔奇—萨特思韦特公式，合成标准不确定度urel(TS)的有效自由度也趋近于∞。这就意味着，在相对合成标准不确定度urel(TS)确定后，乘以一个包含因子k，即可得扩展不确定度urel(TS)。根据JJF1059-1999《测量不确定度评定与表示》第7章可知，在大多数情况下包含因子k=2，区间的置信概率约为95%，故拉伸强度的相对扩展不确定度urel(TS)为：

绝对扩展不确定度为：

于是，本例试验检测测量结果可表示为：

4.7不确定度评定讨论

相对标准不确定度分量汇总如表2。从表2可看出，重复性引起的不确定度分量对总的不确定度占的比例最大，需控制其影响因素。

对于选用的材料，拉伸强度显然是高一些好，因此在设计标准或试验规范中通常希望大于某值（下限），而不会对其上限提出要求，本例标准规定止水带的拉伸强度TS≥10MPa，测量结果为TS=(11.2±0.38)MPa,k=2,p=95%。如果标准要求TS＞11.58MPa，则结果评定不合格。但当标准要求为10.82MPa＜TS＜11.58MPa时，材料合格与否的判定就会处于可疑区、模糊区或不确定区。从这个讨论可看出，不确定度评定对产品质量的判定和试验数据的判断的重要性。

表2 相对标准不确定度一览表

[1]GB/T 18173.2-2014，高分子防水材料 第2部分 止水带[S].

[2]GB/T 2941-2006，橡胶物理试验方法试样制备和调节通用程序[S].

[3]GB/T 528-2009，硫化橡胶或热塑性橡胶 拉伸应力应变性能的测定[S].

[4]JJF 1059-1999，测量不确定度评定与表示[S].

[5]国家质量技术监督局计量司，测量不确定度评定与表示指南[M].北京：中国计量出版社，2000：76-79.

[6]JJF 1103-2003，万能试验机计算机数据采集系统评定[S].