SBS 防水卷材拉伸性能检测结果的不确定度评定

李文婷，刘 然，陈 健，张 杉

（国家建筑工程质量监督检验中心，北京 100013）

0 引言

测量不确定度的评定是评判检测实验室能力水平的重要手段，也是评判测试结果准确性和可信性的依据。对于材料的任何特性参量（物理的或是化学的等等）进行检测或测量时，无论方法和仪器设备如何完善，其测量结果，始终存在着不确定性。现行的 RB/T 214－2017《检验检测机构资质认定能力评价检验检测机构通用要求》及 CNAS－CL01：2018《检测及校准实验室能力认可准则》均对测量不确定度进行了规定，要求检测实验室建立评定测量不确定度程序及具备评定测量不确定度的能力。本文选择建材实验室最常见的建筑材料 SBS 防水卷材的拉伸性能进行不确定度评定，从检验方法、建立数学模型，分析不确定度来源，不确定度评定及合成等几方面进行阐述，分析得出测量不确定度中贡献最大的不确定度分量，以便在今后的检测过程中加强对关键环节的控制，提高检测结果的准确性及检测水平。

1 测量不确定度定义及评定步骤

1.1 定义

测量不确定度（以下简称“不确定度”）：根据所用到的信息，表征赋予被测量量值分散性的非负参数。

1.2 评定步骤

测量结果的不确定度评定步骤［1］一般为：被测量及测量方法概述；建立测量模型；不确定度来源分析；分析各输入量的不确定度分量；针对输入量的不确定度分量，给出标准不确定度的评定方法，并计算出各分量的标准不确定度；计算各输入量的标准不确定度；需要时，计算并说明各输入量的分布及灵敏系数等信息；计算合成标准不确定度（被测量的标准不确定度）；计算扩展不确定度；给出包含不确定度的检测结果。

2 不确定度评定的应用

防水卷材是实验室中的常规检测项目，其拉伸性能是衡量防水卷材力学性能的重要指标，其测量不确定度的评定按下列步骤进行。

2.1 确定检测方法及检测参数

1）检测样品。本次 SBS 防水卷材拉伸性能检测结果的不确定度评定选用的是弹性体改性沥青防水卷材（SBS Ⅱ PY PE PE 3），在重复的条件下，对同一试样进行 5 次测定，共积累了 3 组数据。试件在试样上距边缘 100 mm 以上任意裁取，矩形试件宽为（50±0.5）mm，长为（200 mm+2×夹持长度），长度方向为试验方向。试件在试验前在（23±2）℃和相对湿度（30～70）%的条件下放置 24 h。

2）检测依据。检测依据为 GB 18242－2008《弹性体改性沥青防水卷材》［2］及 GB/T 328.8－2007《建筑防水卷材试验方法 第 8 部分：沥青防水卷材 拉伸性能》［3］。

3）检测参数。检测参数为纵向、横向最大峰拉力及纵向、横向最大峰时延伸率。

4）检测设备。试验设备为 UTM6203 电子万能试验机，精度±1 %，夹具移动速率为（100±10）mm/min。试验环境为室温。

5）检测方法。在室温条件下（23±2 ℃），试验人员使用已检定的电子万能试验机，在规定的拉伸速率下，对试件施加轴向拉力，测试试样最大峰拉力，并记录此时夹具间距离，通过公式计算得到最大峰时延伸率。

6）评定依据。评定依据为 JJF 1059.1－2012《测量不确定度评定与表示》［4］。

2.2 建立数学模型

所应用的数学模型见式（1）、（2）。

最大峰时拉力F：

最大峰时延伸率A：

式中：Fmax为最大峰时拉力，N；L0为原始标距，mm；原始标距用游标卡尺测量，Lu为拉力最大峰时夹具间距离，mm。

2.3 测量不确定度来源的分析

对于 SBS 防水卷材拉伸性能，根据其试验过程及数学模型可以看出，最大峰拉力Fmax测量所引入的不确定度u（F）主要来源是：测量设备的精度、数字显示式仪器分辨力、SBS 防水卷材本身的不均匀性、数值修约、试验环境及加荷速度引入的不确定度分量；计算最大峰时延伸率 A 所引入的不确定度u（A）主要来源是：试样原始夹具间距测量u（L0）、夹具间距测量u（Lu）及数值修约引入的不确定度分量。其中试样夹具间距离测量过程中所引入的不确定度分量u（L0）和u（Lu）主要来源是：测量设备精度、数字显示式仪器分辨力、SBS 防水卷材本身的不均匀性所引入的不确定度分量。

2.4 标准不确定度分量的评定

2.4.1 最大峰拉力测量引入的不确定度u（F）

最大峰拉力测量引入的不确定度包括试验机本身的精度引入的不确定度分量u1（F）、数字显示器分辨率引入不确定度分量u2（F）、样品的不均匀性引入的不确定度分量u3（F）、数值修约引入的不确定分量u（Frou），试验环境及加荷速度引入的不确定度分量。由于本试验使用数显设备读数，且整个试验过程均在室内进行，实验室内温度稳定在 23±2 ℃，同时加荷速度保持稳定，均在标准规定的速率范围内，因此试验环境和加荷速度引入的不确定度分量可以忽略不计。

1）试验机的精度引入的不确定度分量。试验机的精度引入的不确定度分量采用 B 类评定方法进行，计算如式（3）所示。

式中：a为被测量可能值区间的半宽度；k为置信因子。

通过计算得出的仪器分辨率带来的不确定分量较小，对于拉力总的不确定度来说可以忽略不计。

3）样品的不均匀性引入的不确定度分量。样品的不均匀性引入的不确定度分量采用 A 类评定方法进行，利用实验室在同一检测设备，相同的测试条件下对同一类防水卷材进行3组测量结果，则合并样本标准差按式（4）进行计算。

式中：Sp为合并样本标准差；xji为第j组的第i次测量结果，m为测试的组数，n为测试次数；xj为第j组的n个测量结果的平均值，Sj（xi）为第j组试验标准差。

试验进行的 3 组 SBS 防水卷材拉伸试验，每组得到纵向及横向最大峰拉力值各 5 个（见表 1、表 2）。

表1 SBS 防水卷材纵向最大峰拉力测量值

表2 SBS 防水卷材横向最大峰拉力测量值

使用式（4），对其进行 A 类不确定度评定。

在实际测量中是以 5 次测量值（n′=5）作为测量结果，因此不确定度分量为：

4）数值修约所引入的不确定度分量u（Frou）。对量值进行数字修约，修约间隔为δ，其概率分布可估计为均匀分布，则修约带来的标准不确定度计算如式（5）所示。

式中：δ为修约间隔；uB为修约不确定度。

GB/T 328.8－2007《建筑防水卷材试验方法 第8部分：沥青防水卷材 拉伸性能》要求对最大峰拉力F修约到 5 N，可用B类不确定度评定方法评定按式（5）计算。

u（Frou）＝0.29δ＝0.29×5＝1.45 N

由于试验机本身、样品的不均匀性、数值修约引入的不确定度分量之间完全独立，可以采用直接评定法合成最大峰拉力测量所引入的标准不确定度分量，按式（6）计算。uc（F纵向）=21.9 Nuc（F横向）=22.4 N

2.4.2 试样原始夹具间距测量引入的不确定度分量u（L0）

2.4.3 计算u（A）夹具间距测量引入的不确定度分量u（Lu）

最大峰时夹具间距的测量由电子万能试验机完成，因此这部分不确定度分量包括电子万能试验机分辨率引入的不确定度分量，数值修约引入的不确定度分量。

2）样品的不均匀性引入的不确定度分量。试验进行的 3 组 SBS 防水卷材拉伸试验，每组得到纵向及横向拉力最大峰时夹具间距的读数值各 5 个（见表 3、表4）。

表3 纵向拉力最大峰时夹具间距的读数值

表4 横向拉力最大峰时夹具间距的读数值

使用公式（4），对其进行 A 类不确定度评定。即：

在实际测量中是以 5 次测量值（n′=5）作为测量结果，因此不确定度分量为：

由于试验机本身以及样品的不均匀性引入的不确定度分量之间完全独立，可以采用直接评定法合成拉力最大峰时夹具间距测量所引入的标准不确定度分量，按式（7）进行计算，得：

2.4.4 最大峰时延伸率A数值修约所引入的不确定度分量u（Arou）

GB/T 328.8－2007 对拉伸性能延伸率A的修约间隔为 1 %，可用 B 类不确定度评定方法评定，按式（5）计算，即：

u（Arou）＝0.29δ＝0.29×1 %＝0.29 %

2.5 合成标准不确定度的计算

因 SBS 防水卷材最大峰拉力、夹具原始间距和最大峰时延伸率所引入的不确定度以及数值修约所引入的不确定度之间彼此独立不相关，因此可按式（9）合成标准不确定度，即：

合成最大峰拉力的不确定度，由式（6）得出，即：

uc（F纵向）＝21.9 N

uc（F横向）＝22.4 N

合成最大峰时延伸率的不确定度，可按式（9）计算，即：

由数学模型对各输入量求偏导数，可得相应的不确定度灵敏系数，见式（10）、（11）：

将不确定度分量和不确定度灵敏系数代入计算公式（9），可得：

2.6 扩展不确定度的评定

取包含因子k=2，扩展不确定度见式（12）、（13）：

因此：U（F）纵向=43.8 N；U（F）横向=44.8 N；U（A）纵向=3.16 %；U（A）横向=3.18 %。

2.7 测量结果的表示

本文所评定的 SBS 防水卷材的最大峰时拉力及最大峰时延伸率测量结果的不确定度报告如下。

F纵向=1 245 N，U=44 N，k=2

F横向=1085 N，U=45 N，k=2

A纵向=52 %，U=3 %，k=2

A横向=59 %，U=3 %，k=2

3 结语

通过对 SBS 防水卷材拉伸性能测量不确定度的分析及评定，可以得知在检测过程中，影响防水卷材检测结果不确定度的因素主要来源于试验人员，操作设备，试验方法，环境条件，样品的不均匀性等。

测定纵向、横向最大峰拉力时，样品的不均匀性引起的不确定度贡献最大，设备带来的不确定度和数值修约带来的不确定度几乎可以忽略。测定延伸率时，同样是样品的不均匀性引起的不确定度贡献最大，设备及数值修约带来的不确定度贡献较小。

由此可得，样品的不均匀性及重复检测带来的不确定度分量占比最大，要想降低不确定度的值，从而提高检测结果的准确性。首先生产厂家应完善生产工艺，提高产品的质量，其次检测机构在制作样品时，避开卷材边缘，选择质地均匀无明显缺陷的部位进行裁剪，裁剪中确保边缘光滑；检测设备引入的不确定度对 SBS 防水卷材的最大峰拉力值和延伸率的影响虽然很小，但是不确定度估算是假设这个设备是状态正常，并且计量合格满足方法标准的要求，在实际检测中需要定期对设备的计量状态进行核查；检测机构还应加强人员培训，熟悉并掌握标准规范的要求，准确熟练的操作检测设备，把握关键控制点，尽可能减少因人员技术问题带来的不确定度。Q