混凝土涂层超声波测厚的不确定度评定.pdf

第 l 9卷第 1 期 2 0 1 6年 2月 建筑材料学报 J OURNAL OF BUI LDI NG MATERI ALS Vo1 1 9， NO I Fe b ， 2 O1 6 文 章 编 号 ： 1 0 0 7 - 9 6 2 9 ( 2 0 1 6 ) 0 1 0 1 7 7 - 0 4 混凝 土涂层超声 波测 厚 的不确定度评定 秦铁 男 ， 马化雄 ， 陈 韬 ， 唐 聪 ， 张文锋 ， 姚 妍 ( 1 中交天津港湾工程研究院有限公司， 天津 3 0 0 2 2 2 ； 2 天津航天长征火箭制造有限公司， 天津 3 O 0 4 6 2 ) 摘要 ： 针对混凝土表面涂层干膜厚度难以进行无损检测的 问题 ， 采 用超声波涂层测厚仪对不 同强 度 等级 的 混凝 土涂层 干膜 厚度 进行 了测量 ， 并 对 测量 结果进 行 了不 确定度 评 定及 合 格检 验 结果表 明 ： 不 确定度 评 定 能够有 效地 反 映测 量 结果 的 可 信 程 度 ， 也 是 判 别 测 量 结果 是 否 满足要 求 的 主要 依 据 ； 混凝 土 强度等 级越 高 ， 混凝 土涂 层 干膜厚 度 测量 结果 的 不确 定度越 小 ， 反 之 亦然 关键词 ：混凝土涂层；超声波测厚 ；不确定度评 定；合格判定 中图分 类号 ： T U5 6 1 6 7 文献标 志 码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 J 。 i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 6 0 1 0 3 0 Unc e r t a i nt y Ev a l u a t i o n o f Ul t r a s o ni c Thi c k ne s s M e a s u r e m e nt o f Co a t i n g s o n Co nc r e t e QI N T i e n a n ， MA Hu a x i o n g ， C HEN T a o ，T ANG C o n g ， Z HANG We n f e n g ， y AO Y a n ( 1 Ti a n j i n P o r t En g i n e e r i n g I n s t i t u t e Lt d o f CC CC F i r s t Ha r b o r E n g i n e e r i n g C o mp a n y L t d ，Ti a n j i n 3 0 0 2 2 2，Ch i n a； 2 Ti a n i i n L o n g Ma r c h La u n c h Ve h i c l e Ma n u f a c t u r i n g C o ，Lt d ，Ti a n j i n 3 0 0 4 6 2，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：To s o l v e t h e p r o b l e m t h a t t h e d r y f i l m t h i c k n e s s o f t h e c o n c r e t e c o a t i n g s wa s d i f f i c u l t t o b e t e s t e d n o nde s t r uc t i v e l y，u l t r a s o ni c c o a t i n g t hi c kne s s ga u ge wa s a do p t e d t o m e a s u r e t he dr y f i l m t h i c k ne s s o f c o a t i n g o n t h e s u r f a c e o f c o n c r e t e i n d i f f e r e n t s t r e n g t h g r a d e s Un c e r t a i n t y e v a l u a t i o n a n d q u a l i t y j u d g me n t o f t h e me a s u r e me n t r e s u l t s we r e c o n d u c t e d Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e d e g r e e o f r e l i a b i l i t y o f t h e me a s u r e me n t r e s u l t s c o u l d b e f o u n d b y t h e u n c e r t a i n t y e v a l u a t i o n，wh i c h i s t h e i mp o r t a n t b a s i s f o r q u a l i t y j u d g me n t wh e t h e r t h e me a s u r e me n t r e s u l t s a t i s f i e s t h e r e q u i r e me n t s o r n o t Th e h i g h e r t h e s t r e n g t h g r a d e o f c o n c r e t e i s ，t h e s m a l l e r t he un c e r t a i nt y o f t h e d r y f i l m t hi c kne s s o f c onc r e t e c o a t i n gs i s ，a n d v i c e v e r s a Ke y wo r d s ：c o n c r e t e c o a t i n g；u l t r a s o n i c t h i c k n e s s me a s u r e me n t ；u n c e r t a i n t y e v a l u a t i o n；q u a l i t y j u d g me n t 混凝土防腐涂料作为提高混凝土耐久性 的有效 措施 ， 在海工混凝土构筑物中被广泛采用 混凝土结 构表面涂层的干膜厚度是判别 昆 凝土涂层涂装质量 和涂层劣化程 度的重要指标 中国交通部相关规范 J T T 6 9 5 -2 0 0 7 ( 混凝土桥梁结构表面涂层防腐 技 术条件 、 J T J 2 7 5 2 O 0 O 海港工程混凝土结构防腐 蚀技术规范 以及 J T G TB 0 7 0 1 2 O O 6 公 路工 程 混凝土结构防腐蚀技术规范 要求混凝土防腐涂 料 涂装后应测定涂层干膜厚度 ， 并对检测数量和涂层 干膜平均厚度和最小厚度的下限值作 出了规定 J TJ 3 0 2 -2 0 0 6 港 口水工建筑物检测与技术评估 规范 则规定将混凝土涂层干膜厚度作为判别混凝土涂层 劣化评估分级标准的重要依据之一 可见对 于混凝 土结构表面涂层干膜厚度的检测具有极其重要 的意 义 对 于海 工混凝 土结 构 的现 场检 测 ， 无 损 检测 是 非 常必要 的， 但上述标准并没有 明确规定混凝 土涂层 干膜厚度的无 损检测方法 传统 的显微镜测厚法或 预埋金属片的方法对于已建混凝土结构 的表面涂层 并不适用 ， 因此超声波涂层测厚法几乎成为已建混 凝 土结 构涂 层厚 度无 损检 测 的唯一 方法 由于混 凝 土材质 自身 的复 杂性 ， 不 同强 度等 级 、 不 同配合比、 不 同外加剂等都会导致混凝土构件有 不 同的表面 状态 ， 这也 为 混凝 土 涂 层 干 膜厚 度 的检 测带来 了诸多不确定 因素 不确定度评定能够有效 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 8 - 2 1 ；修订 日期 ： 2 0 1 4 一 l O 一 0 8 第一作者： 秦铁男( 1 9 _8 5 一) ， 男， 辽宁鞍山人， 中交天津港湾工程研究院有限公司工程师， 硕士 E - ma i l ： q in t i e n a n 1 2 6 c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 7 8 建筑材料学报 第 1 9卷 地反映测量结果的可靠程度 ， 也是判别测量结果是 否满足要求 的主要依据 在对混凝土表面涂层 干膜 厚度进行测量 的过程 中， 为 了准确量化混凝 土涂层 干膜厚度测量结果 的可信程度 ， 有必要对采用超声 波涂层测厚仪测量混凝土表面涂层干膜厚度 的方法 进行不确定度评定 ， 并按 照规范要求 的合格检验方 法 ， 判别涂层干膜厚度是否满足设计或规范的要求 目前 ， 国内对 于混凝土结构 防腐涂层 干膜厚度 的超声波无损检测 尚无 可 以直接参 考 的标 准或规 范 ， 在实际检测工作 中也没有得 到足够 的重视和应 用 ， 而且对于混凝土表面涂层超声波测厚法测量结 果 的不确定度评定更是鲜有报道 本 文参照 国外对 于混凝土结构防腐涂层干膜厚度的无损检测方法和 相 关 规 定 1 j ， 采 用 P o s i Te c t e r 2 0 0型超 声 波 涂 层 测 厚 仪检 测 混凝 土 结 构 表 面涂 层 干 膜 厚 度 ， 并 对 测 量 结果进行不确定度评定及合格检验 试验 1 1 试 样制 备 制作 1 5 0 mlT l 1 5 0 mmX1 5 0 mm 的 C 2 0 ， C 3 0 ， 护 2 8 d 后待用 对每个试件选择 1 个非浇筑面进行表 面涂装 ， 采用总干膜厚 度约为 4 5 0肛 m 的涂层 体系 ， 其 中湿固化环氧封闭漆厚度5 0肛 m( 1道) ， 湿 固化环 氧厚浆漆厚度约为 3 0 0 m( 2 道) ， 丙烯酸聚氨酯面漆 厚度约为 1 0 0 m( 2 道) ， 涂层完全固化后待用 1 2测量 仪器 P o s i T e c t e r 2 0 0型超 声 波 涂 层 测 厚 仪 ， 测 量 范 围 5 0 3 8 0 0 m， 仪器精度为土( 2 5 +读数 的 3 ) m 通过对该仪器的示值误差进行不确定度评定， 求得仪 器示值误差 的最佳估计值为 1 9 8 b t m， 示值误差 的 合成标准不确定度 M ( ) 为 1 0 9 m， 自由度为 5 8 1 3测 量方 法 在 ( 2 0 5 )o C， 相 对 湿 度 为 5 0 6 5 的 条 件 下 ， 依据相关测量标准n 。 及仪 器使用说 明， 首先设 置超声波测厚仪的测量阀值 ， 再对其进行零位校正 ， 然后将探头表面涂抹适量的耦合剂后置于混凝土涂 层试 样表 面 ， 并垂 直 于涂 装 表 面 对 其施 加 适 当 的压 力( 2 0 3 O N) ， 以保证探头与涂层之间有 良好 的耦 合 ， 待测厚仪发出提示音后读取厚度值 按上述方法 分 别对 每个 混 凝 土 试 件 的涂 装 表 面 随机 重 复 进 行 C A0强度等级 的混凝土试件各 3块 ， 在标准条件下养 2 0次测量 ， 测量结果如表 1 所示 表 1 不 同强度等级混凝土试件表面涂层干膜厚度的测量结果 Ta b l e 1 T e s t r e s u l t s o f d r y f i l m t hi c k n e s s o f c o a t i ng s o n t h e s u r f a c e s o f c o n c r e t e s p e c i me n s i n d i f f e r e nt s t r e n g t h g r a d e s b t m M e a lq v a l u e 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 秦铁男 ， 等 ： 混凝 土涂 层超声波测厚 的不 确定度评定 2 数学模型 混凝土涂层干膜厚度的计算式如下 ： T ： T 一 ( 1 ) 式 中： 丁为 混凝土涂层 干膜厚度 的测量 结果 ， m； T 为超声波涂层测厚仪测量的显示值 ( 见表 1 ) ， m 用 B类方法评定 ； 仪器示 值误差 引入 的不确定度 ( ) ， 用 A类方法评定 ； 对于测量环境 引入 的不确 定度 ， 由于测量过程在短时间内完成 ， 测试温度和相 对 湿度 可视 为恒 定不 变 4 标准不确定度评定 3 不确定 度来 源 4 l 连续 测量重复性引入的测量不确定度 “ ( 丁 ) ， 用 A 测量得到的数据列统计分布过程中所产生的不确定度， 类方法评定E ； 仪器精度 引人 的不 确定度 “ 。 ( T ) ， 采用 A类不确定度评定方法 妇 进行评价， 结果见表 2 表 2 不 同强度等级混凝 土试件 表面涂 层干膜厚度的 A类评定结果 Ta b l e 2 Ty p e A e v a l u a t i o n r e s u l t s o f d r y f i l m t h i c k n e s s o f c o a t i n g s o n t h e s u r f a c e s o f c o n c r e t e s p e c i me n s i n d i f f e r e nt s t r e n g t h g r a d e s 4 2 仪 器精 度 引入 的不 确定 度 “ ( T ) 仪器精度引入 的不确定度主要来源于仪器 出厂 后即存在 的自身测量误差 ， 可按照 B类方法评定 由产品说明书可知 ， 该仪器 的精度为士( 2 5 +读数 的 3 ) m， 因此仪 器精度引入 的不 确定度 区间的 半宽 口一( 2 5 +读数 的 3 ) m 由表 1可得 ， 3种强 度等级混凝 土试 件 的涂层 干膜厚度平 均值分别 为 4 2 7 8 ， 4 5 3 3 ， 4 4 5 0 v m， 因此 其 不 确 定 度 区 间 的半 宽分别为 1 5 3 3 ， 1 6 1 O ， 1 5 8 5 m， 且按均匀分布处 理， 则置信 因子 k一 3， 故因仪器精度引入 的不确定 度 2 ( T ) =口 k一口 3， 则 C 2 0 ， C 3 0 ， C 4 0混凝土 试件涂层干膜厚度 由仪器精度引入的不确定度分别 为 8 8 3 ， 9 。 3 0 ， 9 1 5 m 估计各 强度混凝 土试件 因 仪器 精度 引入 的不确 定度 ： ( T ) 的不 可靠 程度 A u 2 ( T ) u 2 ( T ) 分别约为 0 1 1 3 ， 0 1 0 8和 0 1 0 9 ， 1 则其自由度 一 “ ( T ) “ ( T ) 一， 且分别 厶 约为 4 5 ， 4 7 ， 4 7 4 3 超声波涂层测厚仪示值误差引入的不确定度 ( ) 使用上述测量方法对标准厚度试片的厚度进行 测量 ， 并由此对仪器 的示值误差进行不确定度评定， 从而求得示值 误差 的合 成标 准不确 定度 ( ) 为 1 0 9 m， 自由度为 5 8 且仪器示值误差的不确定度与 试样间的差别无关 ， 因此对各强度等级的混凝土试件 表面涂层干膜厚度进行测量时所引入 的仪器示值误 差不确定度值相同， 均为 1 0 9 m， 自由度也均为 5 8 5不确定度评定 5 1合成 标准 不确 定度 评定 当所有输入量 z 相互独立时， 合成标准不确定 度 “ ( 丁) 可由下式 求得 ： T ) 一 a T ) 2 一 N 。 ( 一 ( ) 。 ( 2 ) 式 中 ： ： a T 3 ， 称 为 灵 敏 系 数 ， c 一 一 1 ， 。 一 一一1 - 贝 lJ ： ( T ) 一 f c ( ) 。 1 。 一 【 i 一1 J ( T ) +“ ； ( T ) + ( ) 寺 ( 3 ) 由式( 3 ) 计算 可得 ， C 2 0 ， C 3 0 ， C 4 0混凝土试件 表面涂层干膜厚度测量结果的合成标准不确定度分 别 为 2 5 1 ， 2 0 5 ， 1 7 5 x m 合成标准不确定度 乱 ( 了 、 ) 的自由度称为有效 自 由度 ， 用 表示 ， 可由韦尔奇一 萨特思韦特 ( We l c h S a t t e r t h wa i t e ) 公式E 计算 ： 一 一 一 互 X ， 一 _ 1 d t 1 。 2 。 3 一 一 一 一 一 一 一 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 8 O 建筑材料学报 第 1 9 卷 式中： 为各合成标准不确定度 的自由度 由式 ( 4 ) 计 算 可 得 ， C 2 O ， C 3 O ， C 4 O混 凝 土 试 件 表面涂层干膜厚度测量结果 的有效 自由度分别约为 1 0 9 ， 1 4 8和 1 6 4 5 2扩展 不确 定度 评定 扩展 不 确定 度 即被测 量可 能值 包含 区间 的半 宽 度 ， 在数值上等于合成标准不确定度与包含 因子的 乘积 取置信概率 P一9 5 ， 按有效 自由度结果 ， 查 t 分 布表 得 ： 9 5 ( 1 0 0 ) 一1 9 8 4 ， f 9 5 ( 2 0 0 ) = = = 1 9 7 2 由 内 插 法得 ， C 2 0 ， C 3 0 ， C 4 0混 凝 土 试件 涂 层 干 膜 厚 度测 量结果 的包含 因子 k 。 分别为 1 9 8 3 ， 1 9 7 8 ， 1 9 7 6 ， 则 扩展 不 确定 度 U。 分别 为 4 9 8 ， 4 0 5 ， 3 4 6 p m 5 3 测量 不确 定 度计 算结 果 由于仪器示值误差 的最佳估计值为 1 9 8肚 m， 而 C 2 0 ， C 3 0 ， C A 0混凝土试件表面涂层干膜厚度测量 显示值的最佳估计值分别为 4 2 7 8 ， 4 5 3 3 ， 4 4 5 0肚 m， 因此 C 2 O ， C 3 o ， C A O 混凝土试件表面涂层干膜厚度测 量结果的最佳估计值分别为 4 0 8 0 ， 4 3 3 5 ， 4 2 5 2 F m 因此 ， C 2 O ， C 3 0 ， C 4 0 混凝土试样表面涂层干膜厚度 测量 结 果 分 别 为 ( 4 0 8 0 4 9 8 ) ， ( 4 3 3 5 4 0 5 ) ， ( 4 2 5 2 3 4 6 )u m 置信 概率 为 9 5 的扩展 不确 定度 分别 为 4 9 8 ， 4 0 5 ， 3 4 6 m； 包 含 因子 分 别 为 1 9 8 3 ， 1 9 7 8 ， 1 9 7 6 ； 有 效 自由度分 别为 1 0 9 ， 1 4 8 ， 1 6 4 具有较好 的线性关 系， 即混凝土强度等级越 高， 混凝 土涂 层 干膜厚 度测 量结 果 的不 确定度 越小 ； 反 之 ， 混 凝土强度等级越低 ， 测量结果就越分散 考虑到测量 试验中除了混凝土试件 的强度等级不 同之外 ， 各试 件的制作条件和涂装工艺都是相同的， 因此 ， 基本可 以排除其他 工艺因素对测量结果不确定度 的影响 混凝土强度等级越高 ， 其结构越致密 ， 表面粗糙度也 越 小 ， 从 而 间接 影 响 了混 凝 土 涂 层 干 膜厚 度 测 量 结 果的离散程度 因此 ， 建议在强度等级较低 的混凝 土 表面进行涂装时， 应做好混凝土的表面处理 ， 以免对 混凝土涂层厚度 的均匀性造成影响 7 结论 通过对 3种强度等级的混凝土试件表面涂层干 膜厚度 的测量及不确定度评定 ， 得到其最佳估计值 分别为 4 0 8 0 ， 4 3 3 5 ， 4 2 5 2 , m， 置信概率为 9 5 的 扩展不确定度分别 为 4 9 8 ， 4 0 5 ， 3 4 6 m， 包 含因 子分别为 1 9 8 3 ， 1 9 7 8 ， 1 9 7 6 ， 有效 自由度分别 为 1 0 9 ， 1 4 8 ， 1 6 4 3种强度混凝土表面涂层最佳估计值 均满足设 计要 求 但 当 以混凝 土涂 层设 计 厚度 的 9 O 作为判定涂层 干膜厚度合格 与否的规范下 限 ( L S L ) 时 ， 除强度等级为 C 2 o的混凝土涂层干膜厚 度无法判别外 ， 其余 2种强度等级混凝 土涂层干膜 厚度 的测量结果均检验合格 6 测量结果检验 参考文献： 由上述计算结果 可知， 3种 混凝土 的涂层干膜 厚度最佳估计值均在涂层设计厚度的范 围内( 4 O 0 4 5 0 m) ， 满 足 J T T 6 9 5 2 O 0 7 ， J T J 2 7 5 - 2 0 0 0和 J T G T B O 7 0 1 2 O O 6等相关规范要 求 依据文 献 E 5 ， 以混凝 土涂层设计 厚度的 9 0 作为判别涂 层 干膜厚度合格与否 的规范下 限( L S L ) ， 对上述计 算 结果进行检验判定 其中， 强度等级为 C 2 o的混凝土 涂层干膜厚度 的最佳估计 值 ( 4 0 8 0 m) 虽然满 足 设计要求 ， 但其减去扩展不确定度 ( 4 9 8 m) 后 小 于规 范下 限 ( L S L ) ， 按 规 范 检 验 既 不 能 判 定 合 格 也 不能判定不合格 ； 而其余 2种强度等级的混凝土涂 层 干 膜厚度 的测量 结果 均检 验合 格_ 5 由上述计算及检验结果不难发现 ， 混凝土涂层 干膜厚度测量结果的不确定度与混凝土的强度等级 I AS TM D6 1 3 2 0 8 S t a n d a r d t e s t me t h o d o r n o n d e s t r u c t i v e m e a s u r e me n t o f d r y f i l m t h i c kn e s s o f a p p l i e d o r g a n i c c o a t i n g s u s i n g a n u l t r a s o n i c g a g e S 2 I S O 2 8 0 8 ： 2 0 0 7 P a i n t s a n d v a r n i s h e s -D e t e r mi n a t i o n o f f i l m t h i c k n e s s s 3 3 S S P C P A9 Me a s u r e me n t o f d r y c o a t i n g t h i c k n e s s o n c e me n t i t i o u s s u b s t r a t e s u s i n g u l t r a s o n i c g a g e s S 4 J J F 1 0 5 9 1 2 O 1 2 测量不确定度评定与表示I s J J F 1 0 5 9 1 2 O 1 2 Ev a l u a t i o n a n d e x p r e s s i o n o f u n c e r t a i n t y i n me a s u r e me n t S ( i n C h i n e s e ) 5 GB T 1 8 7 7 9 1 2 O 0 2 产品几何 量技术规 范( G P S ) 工件 与测 量设备 的测量检验 第 1部分 ： 按规范 检验合 格或不 合格 的判 定依据 S G B T 1 8 7 7 9 1 2 O O 2 G e o me t r i c a l p r o d u c t s p e d f ic a t i o n s ( G P S ) - I ns p e c t i o n by me a s ur e m e n t o f wo r k p i e c e s a nd me a s u r i n g e q u i p m e n t - Pa r t 1： De c i s i o n r u l e s f o r pr o v i ng c o n f o r ma n c e o r n o n - c o n f o r ma n c e wi t h s p e c mc a t i o n s s ( i n C h i n e s e ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m