淺析建筑排水用硬聚氯乙烯管材拉伸屈服強度測量不確定度

■ 許 靜

(1.福建省交通科學技術研究所;2.福建省公路水運工程重點實驗室，福州 350001)

淺析建筑排水用硬聚氯乙烯管材拉伸屈服強度測量不確定度

■ 許 靜1，2

(1.福建省交通科學技術研究所;2.福建省公路水運工程重點實驗室，福州 350001)

硬聚氯乙烯管材拉伸屈服強度是衡量建筑排水用硬聚氯乙烯管材質量的一個關鍵性指標。本文通過剖析拉伸屈服強度試驗方法，并對試驗結果的測量不確定度進行分析評定，最后，找出了影響拉伸屈服強度測量結果的主要因素，從而提高建筑排水用硬聚氯乙烯管材的質量。

硬聚氯乙烯管材 拉伸屈服強度 不確定度 評定

建筑排水用硬聚氯乙烯管材簡稱為UPVC或PVCU排水管，是以PVC樹脂為主要原料，加入適量填充料及適宜的助劑，如穩定劑、改性劑、潤滑劑等，經擠出機擠出成型而成。其拉伸屈服強度是評價PVC-U管材承受縱向外力特性的一項關鍵性指標。本文通過剖析拉伸屈服強度試驗方法，并對試驗結果的測量不確定度進行分析評定，最后，找出了影響拉伸屈服強度測量結果的主要因素。

1 試樣制備及試驗方法

按GB/T5836.1-2006《建筑排水用硬聚氯乙烯(PVCU)管材》標準(以下簡稱GB/T5836.1)規定，拉伸屈服強度按標準GB/T8804.2-2003《熱塑性塑料管材 拉伸性能測定 第2部分：硬聚氯乙烯(PVC-U)、氯化聚氯乙烯(PVCC)和高抗沖聚氯乙烯 (PVC-HI)管材》(以下簡稱GB/T8804.2)和標準GB/T8804.1-2003《熱塑性塑料管材拉伸性能測定 第1部分：試驗方法總則》(以下簡稱GB/T8804.1)要求進行試驗。

所用試驗設備有：微機控制電子式萬能試驗機CMT4304(0.5級)和數顯游標卡尺(精度0.01mm)。

本文選用白色、公稱外徑為110mm的建筑排水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材，按GB/T5836.1及GB/T8804.2進行試驗，試樣采用沖裁試樣 (類型2)數量5個，按GB/T2918-1998《塑料試樣狀態調節和試驗的標準環境》標準規定，在 (23±2)℃環境中進行狀態調節，用精度為0.01mm的數顯游標卡尺測量試樣的寬度及最小厚度，計算試樣原始截面積，調節試驗機試驗速度為 (5±0.5)mm/min；夾持試樣盡量使其軸線與拉伸應力方向一致，對其施加軸向拉力，記錄其達到屈服時的應力，通過計算得到拉伸屈服強度。試驗結果以5個試樣的算術平均值表示，結果保留三位有效數字，小數點后第1位有效數字按四舍五入處理。

2 數學模型

根據GB/T8804.2，拉伸屈服強度：

式中，σ——拉伸屈服強度，(MPa)；

F——屈服點的拉力，(N)；

A——試樣的原始截面積，(mm2)；

b——試樣平行部分寬度，(mm)；

h——試樣最小厚度，(mm)；

m——試樣個數。

根據JJF1059-1999《測量不確定度評定與表示》，測量不確定度主要來源有：

(1)重復性測量及樣品不均性所引入的不確定度分量urel(rep)；

(2)屈服點拉力F測量誤差所引入的不確定度分量urel(F)，包括試驗機示值誤差引入的不確定度urel1(F)、標準測力儀校準試驗機引入的標準不確定度urel2(F)、計算機數據采集力值引入的標準不確定度urel3(F)；

(3)試樣平行部分寬度b測量所引入的不確定度分量urel1(b)；

(4)試樣最小厚度h測量所引入的不確定度分量urel1(h)；

(5)其他如試驗速率的偏差、試驗機的分辨力、試驗環境條件引起的不確定度。因使用的微機控制試驗機以一固定速率加載變化較小，分辨力較高，其引入的不確定度可忽略不計，同時測量時環境溫度、濕度波動在標準要求范圍波動較小，則其產生的不確定度亦忽略不計。

3 標準不確定度分量及其評定

3.1 重復性測量及樣品不均性所引入的不確定度分量urel1(rep)

重復性引起的相對不確定度主要來源于拉力測量的重復性、試樣平行部分寬度b測量的重復性和試樣最小厚度測量的重復性。

試樣采用白色、公稱外徑為110mm的建筑排水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材，壁厚為3.2mm，沖裁10個試樣(類型2)進行試驗，試驗結果如表1所示。

表1 拉伸屈服強度試驗結果

拉伸屈服強度σ平均值：

拉伸屈服強度σ標準偏差：

重復性引起的相對不確定度分量：

實際測量情況是在重復條件下連續測量5個，以5個試樣的拉伸屈服強度試驗結果的平均值為最終測量結果，得到拉伸屈服強度σ的標準不確定度：

3.2 屈服點拉力測量誤差所引入的不確定度分量urel(F)

3.2.1 試驗機最大允許示值誤差引入的不確定度urel1(Fmax)

根據GB/T8804.1要求，材料試驗機應能以恒定速率加載，示值相對誤差不大于±0.5%，試驗的最大荷載應在試驗機示值的15%～90%之間。因此，本次試驗采用微機控制電子式萬能試驗機CMT4304(配1kN的拉壓力傳感器，精度0.5級)，其最大允許示值誤差為±0.5%，誤差范圍區間的半寬度為0.5%，示值誤差出現在區間 [-0.5%，+0.5%]的概率是均勻的，并滿足矩形分布，所以包含因子

3.2.2 標準測力儀校準試驗機引入的標準不確定度urel2(F)

0.5級試驗機是借助于0.2級標準測力儀進行校準的，則其最大允許誤差為0.2%，包含因子為 。因此引入的B類評定相對標準不確定度為：。由此引入的B類評定相對標準不確定度為：

3.2.3 計算機數據采集力值引入的標準不確定度urel3(F)

由JJF1103-2003計量技術規范附錄B.3可知，該不確定度與采樣速率及系統的分辨率有關，一個合格的計算機數據采集系統所引入的B類相對標準不確定度為：

3.2.4 屈服點拉力F測量誤差所引入的不確定度分量urel(F)

從上述三個方面的因素所引入的測量不確定度彼此獨立不相關，所以屈服點拉力F測量誤差所引入的不確定度分量urel(F)可合成為：

3.3 試樣平行部分寬度b測量所引入的不確定度分量urel(b)

試樣平行部分寬度b測量所引入的不確定度分量urel(b)由兩部分組成：數顯游標卡尺的示值誤差導致的不確定度分量urel(b1)和操作者所引入的不確定度分量urel(b2)。按GB/T8804.1要求，建筑排水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材的拉伸屈服強度試驗采用沖裁類型2試樣，其試樣平行部分寬度標準規定為6mm[0，+0.4mm]，其出現在此區間的概率是均勻的，為固定分量。

3.3.1 示值誤差導致的不確定度分量urel(b1)

采用數顯游標卡尺測量，精度為0.01mm，以均勻分布估計，。則示值誤差所引入的不確定度為：

3.3.2 操作者所引入的不確定度分量urel(b2)

本次試驗采用10件試樣，各測3次，urel(b2)按合并樣本標準差Sp(xk)貝塞爾公式計算：

其中，取m=1,n=3。

由測量數據計算得：

兩者合成后，得到試樣平行部分寬度b測量所引入的不確定度分量urel(b)：

3.4 試樣最小厚度h測量所引入的不確定度分量urel(h)

試樣最小厚度h測量所引入的不確定度分量urel(h)由兩部分組成：數顯游標卡尺的示值誤差導致的不確定度分量urel(h1)和操作者所引入的不確定度分量urel(h2)。

按GB/T8804.1要求，建筑排水用硬聚氯乙烯(PVCU)管材的拉伸屈服強度試驗采用沖裁類型2試樣，試樣的厚度為3.2mm，為固定分量。

3.4.1 示值誤差導致的不確定度分量urel(h1)

采用數顯游標卡尺測量，精度為0.01mm，以均勻分布估計，。則示值誤差所引入的不確定度為：

3.4.2 操作者所引入的不確定度分量urel(h2)

本次試驗采用10件試樣，各測3次，urel(h2)按合并樣本標準差Sp(xk)貝塞爾公式計算：

其中，取m=10,n=3。

由測量數據計算得：

兩者合成后，得到試樣平行部分寬度h測量所引入的不確定度分量urel(h)：

3.5 合成標準不確定度評定

由于各分量之間彼此獨立，相對合成標準不確定度為：

3.6 擴展不確定度評定

本例在報告合成標準不確定度時，缺少有關自由度的信息，這在使用計量儀器進行常規測量時是經常遇到的。實際上，估算B類標準不確定度時，都隱含地假設標準不確定度是確切知道的，這就暗示它們相應的自由度都趨近∞(亦即標準不確定度的相對不確定度趨近于零)。因此根據韋爾奇—薩特思韋特公式，合成標準不確定度Urel(TS)的有效自由度也趨近于∞。這就意味著，在相對合成標準不確定度Urel(TS)確定后，乘以一個包含因子k，即可得擴展不確定度Urel(TS)。根據JJF1059-1999《測量不確定度評定與表示》第7章可知，在大多數情況下包含因子k=2，區間的置信概率約為95%，故拉伸強度的相對擴展不確定度urel(TS)為：

絕對擴展不確定度為：

于是，本例試驗檢測測量結果可表示為：

3.7 不確定度評定分析

相對標準不確定度分量匯總如表2。從表2可看出，重復性引起的不確定度分量對總的不確定度占的比例最大，需控制其影響因素。

對于選用的材料，拉伸屈服強度顯然是高一些好，因此在設計標準或試驗規范中通常希望σ大于某值 (下限)，而不會對其上限提出要求，本例標準規定σ≥40MPa，測量結果為σ=(42.6±0.45)MPa。k=2,p=95%如果標準要求σ＞43.05MPa，則結果評定不合格。但當標準要求為42.15MPa＜σ＜43.05MPa時，材料合格與否的判定就會處于可疑區、模糊區或不確定區。從這個討論可看出，不確定度評定對產品質量的判定和試驗數據的判斷的重要性。

表2 相對標準不確定度一覽表

4 結論

通過對硬聚氯乙烯管材拉伸屈服強度測量不確定度的評定，知道影響拉伸屈服強度檢測結果的主要因素是試樣制備和試驗機最大允許示值誤差，因此，試驗實際操作時，應注意取樣的均勻性，應考慮試樣制備的方法、試樣截面積的測量等對檢測結果的影響，同時，試樣的制備應盡量采用鋒利的裁刀加工，以保證測量的準確性。

[1]GB/T 5836.1-2006，建筑排水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材[S]．

[2]GB/T 8804-2003，熱塑性塑料管材 拉伸性能測定[S]．

[3]GB/T2918-1998，塑料試樣狀態調節和試驗的標準環境[S]．

[4]JJF 1059.1-2012，測量不確定度評定與表示技術規范[S]．

[5]國家質量技術監督局計量司.測量不確定度評定與表示指南[M]．北京：中國計量出版社，2000：76-79.

[6]JJF 1103-2003，萬能試驗機計算機數據采集系統評定[S]．