超声回弹综合法检测混凝土抗压强度的不确定度分析.pdf

2 0 1 2年第 1 2期 1 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT PRODUC 2 01 2 No 1 2 De c e mbe r 超声 回 弹综合法检测混凝土抗压强度的 不确定度分析 崔德 密 ( 安徽省 水利部淮河水利委员会水利科学研究院， 蚌埠 2 3 3 0 0 0 ) 摘要 ： 为 了合理表征在超声回弹综合法检测 混凝 土抗压强度过程 中检测结果 的分散性 ， 对测量结果 的不确定 度进行 了分析 。通过相 关的数 学模型确定不确定度的来源， 并对各不确定度来源进行独立分析 ， 最终确定 了各 来源 的 不 确 定 度 分 量值 及 其 最终 测 量 结 果 的 灵敏 系数 。 关键词 ： 混凝土 ； 抗压强度 ； 超声 回弹综合法 ； 不确定度 Ab s t r a c t ： I n o r d e r t o e x p r e s s t h e d i s c r e t e n e s s o f t h e t e s t r e s u l t f o r c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f c o n c r e t e w i t h u l tr a s o n i c r e b o u n d c o mb i n e d me t h o d t h e u n c e r t a i n t y o f i t s r e s u l t i S n e e d e d t o b e a n a l y z e d T h e s o u r c e o f u n c e r t a i n t y a c c o r d i n g t o r e l e v a n t ma t h e ma t i c a l mo d e l s i s d e t e r mi n e d T h e n ，s o me i n d e p e n d e n t a n a l y s i s s h o u l d b e d o n e a b o u t t h e u n c e rt a i n t y s o u r c e S O a s t o c o n fi r m t h e s o u r c e s o f u n c e rta i n t y v a l u e s a n d t h e s e n s i t i v i t y c o e f fi c i e n t a b o u t i t s fi n a l me a s u r e me n t r e s u l t s Ke y wo r d s ： Co n c r e t e ；C o mp r e s s i v e s tr e n g t h ； Ul tra s o n i c r e b o u n d c o mb i n e d me t h o d ； Un c e r t a i n t y 中图分类号 ： T U 5 2 8 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 O O 一 4 6 3 7 ( 2 0 1 2 ) 1 2 - 2 4 - 0 3 0前 言 超声 回弹综合法检测结 构混凝土抗压 强度是 一 种非破损检测技术 ， 该方法根据实测声速值和 回 弹值综合推定混凝土强度 。这种检测方法既能反映 混凝土的弹性 ， 又能反映混凝 土的塑性 ； 既能反映 表层的状态 ， 又能反映 内部构造 ， 与单一法相 比有 较小 的测试误差和较宽的使用范围。综合法采用多 项物理参数 ， 能较全面地反映构成混凝土强度 的各 种因素 ， 并且还能抵消部分影 响强度与物理量相关 关系的因素。因此 ， 许多学者认为超声 回弹综合法 是混凝土强度无损检测技术的一个重要发展方向。 超声回弹综合法 已在我国广泛应用 ， 与单一回弹或 超声波法相比， 综合法具有如下优点【 】 ： 减少龄期 和含水率的影响； 优势互补； 提高测试精度； 具有更广的适用性 。 按超声 回弹综合法测得 混凝土强度 比实际强 度小 ， 但其规律 比较明显 ， 且离散性小 ， 说明这种方 法还是较可靠 的， 但需要根据各地区的混凝土所用 材料及环境条件建立相应 的测强曲线。 1 数学模 型 的建立 超声 回弹法检测混凝土抗压强度 的主要计算 公式如下阁 ： 基 金项 目： 水利部公益性 行业科研专项经费项 目 水利计 量认证 审核 检测技术 。 一 2 4一 当 粗骨 料为 卵石 时： j = 0 o 0 5 6 14 3 R 胡 ( 1 ) 当粗骨料为碎石时 ： 0 0 1 6 2 v R ( 26 5 6 1 4 1 0 ) c 1 = 一 1 6 4 5 s r ： ( 3 ) 式 中， 一 结构或构件第 i 个测 区混凝土抗压强度 换算值 ， MP a ； 一 修正后测区混凝土中声速代表值 ， k m s ； R 一修正后测区回弹代表值 ； 埘， c 一构件测 区混凝土强度换算值 的平 均值 ， MPa； 5 ，一构件测区混凝土强度换算值的标准差 ， MPa： C 一结构混凝土抗压强度推定值 ， M P a 。 根据超声 回弹综合法检测混凝土抗压强度 的 公式 ， 可知构件混凝土强度推定值主要取决于 U 目 和 R 进而可建立该方法的统一数学模型如下： = ， ( ， ) ( 4 ) 2不确 定度 的来 源 由模 型 = ， ( ， 凰 ) 可看 出， 混凝土抗压强度 推定值 的不确定度来源于修正后测 区混凝土 中 声速代表值 及修正后测区回弹代表值 ，而 和 也各 自有其不确定度来源【 3 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 崔德密 超声 回弹综合法检测混凝土抗压强度 的不确定度分析 声速值 的不确定度来源于以下三方面 ： 读 数重复性引入 的标准不确定度 U l v ； 确定测距 时读 数误差引入的标准不确定度 U 2 v ； 超声仪系统性能 引入的标准不确定度 1 1 。 回弹代 表值 的不确 定度 来 源 于 以下 三方 面 ： 读数重复性引入的标准不确定度 u 读数 误差引入的标准不确定度 U 2 R ； 弹击方 向偏离引入 的标准不确定度 H 3 R ； 回弹仪的系统性能引入的标 准 不 确定 度 U # R 。 因此 ，混凝 土抗压强度推定值 。 的合成标准 不 确 定 度 U c ( ) 可 以 表示 为下 式 ( 按 线性 考 虑 ， 各 分量互不相关 ， 忽略高阶项 ) ： U 。 ( ) = V ( u j + u + u ) + ( U lR 2 + u 2 R 2 + 11 3 R 2 ) ( 5 ) 式 中， c 一测区混凝土 中声速代表值灵敏系数 ； C 一修正后测区混凝土回弹代表值灵敏系数 。 3混 凝土 抗压 强 度评 定 的不确 定性 分 析实 例 3 1 现场 检测成 果 为采集数据 ， 实验人员选取 了某 一在建框架结 构建筑物的柱进行实验 。根据相关规范 ， 沿柱侧面 布置了 1 0个测区 ，每测区回弹法检测 1 6个测点 ， 并布置 3个钡 量测声速值 ， 检测结果见表 1 。 由于实验是在水平方向进行的 ， 因而测得 的声 速值和回弹值均不需做任何修正。 3 2 声速代表值 的不确定度分析 ( 1 ) 读数重复性 引入的标准不确定度 13 按 标 准不 确定 度 的 A类 评 定 方法 ， 由实 测声 速 代表值得到合并实验标准差 ： s ( u ) = ( 6 ) 读数重复性引入 的标准不确定度： u ( 7 ) 、 经计算 ，此构件实测声速代表值的合并实验标 准差 s ( v ) 为 0 0 8 5 k r n s ， 读数重复性引入的标准不确 定度 u j 为 0 0 2 7 k m s 。 ( 2 )确定测距时读数误差引入的标准不确定度 U 检 测人员 在确定测距 时读数造成 的误差 在 1 ra m 以内， 考虑声时平 均值 约为 6 1 5 l x s ， 即测距读 数 误 差 的不 确 定 度 U 为 1 6 1 5 k m s 。据 J J F 1 0 5 9 1 9 9 9 ( 0 量不确定度评定 与表示 附录 B中概率分 表 1 超声 回弹法检测数据汇总表 测点序号 波速 ( k m s ) 回弹值 1 4 6 l 4 5 5 4 5 2 4 0 3 7 4 6 3 4 4 7 4 4 3 6 4 4 3 8 3 8 4 4 3 8 3 6 3 8 3 6 3 5 2 4 5 5 4 - 3 8 4 5 2 3 7 3 6 3 7 4 2 3 6 3 5 3 6 3 7 3 7 4 2 4 0 3 9 3 8 4 5 3 7 3 5 3 4 76 4 70 4 61 3 8 3 9 4 7 3 6 3 7 4 2 4 4 4 3 4 2 3 9 3 5 3 8 3 7 40 38 4 2 4 4 7 0 4 6 1 4 61 3 6 3 6 4 3 5 l 4 1 3 8 5 0 5 1 3 8 3 7 3 4 4 0 3 7 3 7 4 3 3 7 5 4 5 8 4 4 6 4 2 7 3 6 3 7 3 5 3 8 3 4 3 5 3 7 3 9 3 8 3 7 3 9 3 7 4 9 3 7 3 8 3 7 6 4 58 4_ 3 5 4 52 3 6 40 4 2 3 7 4 0 3 6 3 8 4 3 4 4 3 5 47 3 9 3 8 40 35 3 6 7 4 6 1 4 6 7 4 6l 3 9 3 5 5 O 3 1 3 7 3 4 3 9 3 8 3 9 3 4 2 6 3 5 3 7 3 7 3 6 3 5 8 4 6 7 4 6 7 4 6 7 3 5 3 5 3 7 3 7 3 6 4 1 3 8 3 6 3 6 3 5 4 0 3 7 3 8 3 7 4 0 4 3 9 4 55 4 52 4 41 3 9 4 2 3 4 4 0 32 31 38 38 3 6 3 6 3 6 3 6 3 5 3 6 36 38 1 0 4 5 8 4 7 3 4 5 8 3 4 3 6 3 5 3 8 3 3 4 7 3 4 4 0 3 6 4 1 3 9 5 0 4 2 1 9 4 4 4 2 布情况的估计 ，设这一误差在该区间内均匀分布 ， 取包含因子 = 、 3 ， 采取 B类评定方法 ， 则在确定 测 距 时引入 的标 准不 确定 度 为 u 2 = U k = O O l k m s 。 ( 3 )超声仪系统性能引入的标准不确定度 U ， 检测用的超声仪 已经过 当地计 量监督检测 中 心检定合格 ， 在有效期 内， 并已经过保养且率定合 格 。根据计量监督检测中心 的校准证 书， 由超声仪 系统性能引入的示值误差为 0 0 5 1 s ， 声时平均值约 为 6 1 5 1 x s ， 显然系统性能引起的标准不确定度 U是 一 微小量 ， 因而可做假定 u 3 。 = O O O k m s 3 - 3 回弹代表值 兄 的不确定度分析 ( 1 ) 读数重复性引入的标准不确定度 U 脶 按标准不确定度的 A类评定方法 ， 同样可根据 式 ( 6 ) 的实测 回弹代表值得到合并实验标准差 ， 根 据式( 7 )可得到读数重复性引入 的标准不确定度 u , R = s ( R) 、 v 埘 。 经计算 ， 此构件实测 回弹值的合并实验标准差 s ( R) 为 4 2 O ， 读 数重复性 引人 的标准不确定度 U 堰 一 2 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 1 2期 混凝土与水泥制品 总第 2 0 0期 为 1 3 3 。 ( 2 ) 读数误差引入的标准不确定度 2 R 检测人员读数造成的误差 在 0 5个分度值 以 内 ，即读数误差的不确定度 U为 0 5 个分度值。据 J J F 1 0 5 9 1 9 9 9附录 B中概率分布情况的估计 ， 设这 一 误差在该 区间内均匀分布 ， 取包含 因子 = 、 3 ， 采取 B类评定方法 ， 则 回弹值读数引入的标准不确 定度为 u 2 R = U k = O 5 、 丁 = 0 2 8 9 。 ( 3 )弹击方 向偏离引入的标准不确定度 u 船 根据实际操作经验估计 弹击方 向偏离角度对 回弹值 的影响在 1 个分度值以内， 设该影响在允许 偏离角度范 围内均匀分布 ， 取包含 因子、 3 ， 采取 B类评定方法，则弹击方向偏离引入的标准不确定 度 为 u 3 R = U k = I N 3 - 0 5 7 7 。 ( 4 )回弹仪系统性能引入的标准不确定度 u 检测用的 回弹仪已经过计量监督检测 中心检 定合格 ， 在有效期内， 并已经过保养且率定合格。根 据计量监督检测中心的校准证书 ， 由回弹仪系统性 能引入 的示值误差为 1 5个分度值 ， 设这一误差在 量程范围内均匀分布 ， 取包含因子 、 3 ， 采取 B类 评定方法 ， 则 回弹仪系统性能引人的标准不确定度 为 u = 1 5 、 3= O 8 6 6 。 3 4 灵敏系数 由式 ( 5 ) 可知 ， 不确定度灵敏 系数对测量 过程 中不确定度的形成具有重要作用。因此 ， 在测量系 统的研制及测量方案拟定过程中， 原则上对其测量 模型的输入量应尽量考虑能达到其灵敏系数 G为 零 的状态 5 - 6 。 ( 1 )声速代表值 的灵敏系数 G 由数学模型 = 0 0 1 6 2 1 6 R m ( 碎石骨料) ， 在所研究点声速代表值 的灵敏系数即为该点强度 换算 值 对 的偏 导数 ，即 = a 0 o j = 0 0 1 6 2 1 6 5 6 R ， 回弹代表值取平均值 R 声速代表 值取 ， 计算得该灵敏系数 C 1 2 4 1 。 ( 2 )回弹代表值的灵敏系数 根据混凝土 中声速代表值灵敏系数的计算原 理 ，同样可求 出所研究点 回弹代表值 的灵敏系数 。c 1 Ii= a uj O R ij= O 0 1 6 2 1 4 1 0 j 麟R- 0 加 ，回弹代表值 取平均值 ， 声 速代表值也均取其平均值 ， 进一步计 算得到该灵敏系数 C R = I 2 6 。 3 5 混凝土抗压强度推定值 的合成标准不确定度 u ( 。 ) 由于标准不确定度各分量 互不相关 ， 因而构件 混凝土抗压强度推定值 的合成标准不确定度 t ( ) 按式( 2 ) 及式( 3 ) 计算 ， 如表 2所示。 表 2 合成标准不确定度计算表 4结语 ( 1 ) 通过超声回弹综合法评定混凝土抗压强度 不确定度的分析 ， 可看出该方法的不确定度 主要来 源为重复测量 、 读数误差 、 操作水平及仪器系统性 能导致的不确定度。 ( 2 ) 降低仪器示值误差可较大程度上降低最终 的合成标准不确定度。本实验中超声仪的声时精度 为 0 0 5 s ， 仅为实验中声时值 的 0 0 8 ， 因而该误差 在合成标准不确定 的分析过程 中几乎可以忽略不 计 。 ( 3 ) 混凝 土是一种典型 的非线性复合材料 ， 显 然在构件 的不同测区其 回弹代表值 和声 速代表 值 之间必然存在差异。因而 ， 在 A类标准不确定 度 u 如及 u m的评定 中， 对混凝土不均匀性导致 的不 确定度可进行更深入的探索。 参考文献 ： 【 1 佟成娥 超声 回弹 综合法在结 构混凝土强 度检测 中的应 一 26一 用 J J 无损探伤， 2 0 0 8 ， 3 2 ( 3 ) ： 4 5 I 4 6 2 1 中国工程建设标 准化协 会 C E C S 0 2 ： 2 0 0 5超声 回弹综合 法检测混凝土强度技 术规程 S 北京 ： 中国建 筑工业 出版 社， 2 0 0 5 3 3 吕列民， 崔德密 钻芯法检测结构混凝土强度合格性评 定 分析 J 水 利水 电技术， 2 0 1 1 ， 4 2 ( 8 ) ： 2 1 - 2 3 4 伦志强 回弹法检测混凝土抗压强度 的不确定度研究 D 广州： 华南 理工 大学土木与交通学院， 2 0 1 l ： 2 6 5 4 5 】T e d D o i r o n ，J o h n S t o u p U n c e r t a i n t y a n d D i m e n s i o n a l C a l i b r a t i o n s J J o u rnal o f R e s e a r c h o f t h e N a t i o n al I n s t i t u t e o f S t a n d a r d s a n d T e c h n o l o g y ， 1 9 9 7 ， 1 0 2 ( 6 ) ： 6 4 7 - 6 7 6 6 林洪桦 测量误差与不确定度评估 M】 北京： 机械 工业出 版社， 2 0 0 9 收稿 日期 ： 2 0 1 2 1 0 - 2 7 作者简介 ： 崔德密 ( 1 9 6 3 一 ) ， 男 ， 正高级工程师 。 通讯地址 ： 安徽省蚌埠市治淮路 7 7 1 号 联 系电话 ： 1 8 2 2 5 9 0 0 1 6 9 E -ma il ： 2 5 2 5 7 5 0 2 6q q c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m