混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)量不確定度評(píng)定

陳志良

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410200)

在評(píng)價(jià)水泥混凝土各類(lèi)強(qiáng)度的試驗(yàn)檢測(cè)中，劈裂抗拉強(qiáng)度是一個(gè)重要的檢測(cè)指標(biāo)。根據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3420—2020)，圓柱體劈裂強(qiáng)度仍然是測(cè)定公路工程水泥混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的常用方法，而測(cè)量不確定度則是判斷劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果好壞的基本依據(jù)。目前我國(guó)最新的測(cè)量不確定度評(píng)定規(guī)范為2017年頒布的《測(cè)量不確定度評(píng)定和表示》(GB/T 27418—2017)。依據(jù)該評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，基于公路工程最新的相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)蓮株公路K1132段改造工程路面用水泥混凝土圓柱體劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果的測(cè)量不確定度進(jìn)行了評(píng)定，供行業(yè)從業(yè)者參考。

1 圓柱體劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)與計(jì)算

根據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3420—2020)，T 0561—2005水泥混凝土圓柱體劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法的試驗(yàn)步驟如下。

(1)到達(dá)齡期時(shí)，取出試件，用濕布覆蓋。標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸為直徑150 mm×高300 mm，測(cè)量試件實(shí)際尺寸。

(2)在試件中部劃出劈裂面位置線，將試件、夾具等置于壓力機(jī)上，利用夾具兩側(cè)桿對(duì)中試件。通過(guò)調(diào)整球座，保證試件接觸壓力均勻，當(dāng)壓力到5 kN時(shí)，將夾具側(cè)桿卸下。

(3)根據(jù)混凝土強(qiáng)度等級(jí)選擇加載速度為0.06 MPa/s。當(dāng)試件接近破壞、開(kāi)始迅速變形時(shí)，試驗(yàn)機(jī)油門(mén)保持不變，試件破壞時(shí)記錄破壞極限荷載。

根據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3420—2020)規(guī)定，水泥混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的數(shù)學(xué)模型(也稱(chēng)測(cè)量模型)為

(1)

式中：為圓柱體劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa；為極限荷載，N；為圓柱體截面的平均直徑，mm；為圓柱體平均長(zhǎng)度，mm。

根據(jù)以上試驗(yàn)步驟，利用壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行蓮株公路K1132段改造工程路面用水泥混凝土4組共12個(gè)(每組3個(gè))平行試驗(yàn)，得到表1中的破壞荷載；利用公式(1)，計(jì)算得到表1中的劈裂強(qiáng)度。破壞載荷平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)分別為223.43 kN、18.07 kN、8.09%；劈裂強(qiáng)度平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)分別為3.16 MPa、0.26 MPa、8.12%。

表1 劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

2 劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定

分析以上試驗(yàn)步驟與數(shù)學(xué)模型可知，水泥混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的不確定度來(lái)源主要是壓力試驗(yàn)機(jī)的示值與量值誤差、圓柱體平均長(zhǎng)度、圓柱體截面平均直徑的測(cè)量誤差以及試件破壞荷載平行試驗(yàn)的離散性。根據(jù)不確定度的傳播定律，當(dāng)采用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度表示，水泥混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度可表示為

(2)

2.1 破壞極限荷載F的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

(1)試驗(yàn)機(jī)示值誤差引入的不確定度

試驗(yàn)機(jī)的示值相對(duì)最大允許誤差為±0.5%，采用B類(lèi)評(píng)定方法，按均勻分布估計(jì)，則其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

(3)

(2)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀校準(zhǔn)引入的不確定度

試驗(yàn)機(jī)采用0.3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀進(jìn)行鑒定，該校準(zhǔn)源的不確定度為0.3%，置信因子=2，采用B類(lèi)評(píng)定方法，則由標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀校準(zhǔn)引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

(4)

(3)最小分辨力引入的不確定度

試驗(yàn)機(jī)荷載讀數(shù)的分度值為0.1 kN，采用B類(lèi)評(píng)定方法，按均勻分布估計(jì)，則最小分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

(5)

以試驗(yàn)均值223.43 kN為試件破壞荷載的期望值，則由最小分辨力引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

(6)

以上各影響量之間相互獨(dú)立，當(dāng)靈敏系數(shù)取1時(shí)，水泥穩(wěn)定碎石劈裂破壞荷載由試驗(yàn)機(jī)引入的合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

(7)

2.2和的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

(1)直尺測(cè)量引入的不確定度

采用鋼制直尺測(cè)量試件直徑，直尺的最大允許誤差為±0.1 mm，采用B類(lèi)評(píng)定方法，按均勻分布估計(jì)，則直尺測(cè)量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

(8)

(2)最小分辨力引入的不確定度

鋼直尺的最小分辨力為1 mm，采用B類(lèi)評(píng)定方法，按均勻分布估計(jì)，則由最小分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

(9)

以上兩個(gè)影響量之間相互獨(dú)立，當(dāng)靈敏系數(shù)取1時(shí)，水泥混凝土試件截面平均直徑和圓柱體平均長(zhǎng)度合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

(10)

以150 mm為試件直徑的期望值，則試件高度引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

(11)

以300 mm為試件長(zhǎng)度的期望值，則試件長(zhǎng)度引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

(12)

2.3 試件離散性引入的不確定度

試件的劈裂抗拉強(qiáng)度由12個(gè)平行試件確定，故試件的離散性引入的測(cè)量不確定度為12個(gè)試件的破壞荷載值。根據(jù)表1，采用A類(lèi)評(píng)定方法，由貝塞爾公式計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)差為

(13)

(14)

以一組12個(gè)試件進(jìn)行平行試驗(yàn)，則由試件的離散性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

(15)

相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

(16)

2.4 不確定度分量匯總

蓮株公路K1132段改造工程路面用水泥混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量匯總見(jiàn)表2。

表2 劈裂抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量匯總

2.5 計(jì)算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

根據(jù)式(2)，混凝土劈裂強(qiáng)度的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

()=

=3.16×

=0.075 MPa

2.6 計(jì)算擴(kuò)展不確定度

包含因子取2，水泥混凝土劈裂強(qiáng)度的擴(kuò)展不確定度為

==0.15 MPa

(17)

則水泥混凝土劈裂強(qiáng)度的測(cè)量不確定度報(bào)告可表示為

=3.16 MPa，=0.15 MPa，=2。

基于測(cè)量不確定度評(píng)定和表示標(biāo)準(zhǔn)提供的力學(xué)參數(shù)測(cè)量不確定度報(bào)告，大多為區(qū)間數(shù)值。因此，蓮株公路K1132段改造工程路面用水泥混凝土圓柱體劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的測(cè)量不確定度報(bào)告區(qū)間數(shù)值=[3.16-0.15，3.16+0.15]=[3.01，3.31]MPa。根據(jù)表2分析可知，試件強(qiáng)度本身的離散性為圓柱體劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)量不確定度的主要來(lái)源。實(shí)際上，公路工程使用的材料大多是土、石、砂、粉及膠漿等組成的復(fù)合材料，其力學(xué)性質(zhì)的離散性較其它工程材料往往是偏大的。根據(jù)該報(bào)告，蓮株公路K1132段改造工程路面用水泥混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，但應(yīng)確?；炷粮髟牧腺|(zhì)量、生產(chǎn)嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行。

3 結(jié) 論

對(duì)蓮株公路K1132段改造工程水泥混凝土圓柱體劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果的測(cè)量不確定度進(jìn)行了評(píng)定，得到以下結(jié)論。

(1)對(duì)于數(shù)學(xué)模型中沒(méi)有涉及到的測(cè)量方法、工具、環(huán)境、人員等因素，當(dāng)其對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的最終測(cè)量不確定度影響較小時(shí)，可以不考慮其測(cè)量不確定度。特別的，當(dāng)不明確某種因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響時(shí)，不能隨意增加到式2中。比如濕度、溫度，理論上肯定會(huì)對(duì)水泥混凝土圓柱體劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。但沒(méi)有建立濕度、溫度與劈裂抗拉強(qiáng)度的之間的聯(lián)系，即沒(méi)有確定的數(shù)學(xué)表達(dá)式或函數(shù)關(guān)系，可以不考慮濕度、溫度的測(cè)量不確定度。另外，也要盡可能減少數(shù)學(xué)模型中測(cè)量參數(shù)在測(cè)量過(guò)程中的相關(guān)性。

(2)測(cè)量不確定度的評(píng)定，是嚴(yán)格按照規(guī)程規(guī)定的操作要求進(jìn)行的。凡是不符合試驗(yàn)規(guī)程而考慮的測(cè)量不確定度，因無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)定，就不再考慮。例如，水泥混凝土圓柱體劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)中，加載中心不一定與試件中心線完全重合時(shí)，即偏心受壓時(shí)的測(cè)量不確定度，就較難評(píng)定了。