建筑材料檢測(cè)數(shù)據(jù)的不確定度控制分析

柴金錦

（杭州蕭山建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司，浙江杭州 311200）

0 引言

如今我國(guó)建筑市場(chǎng)快速發(fā)展，各建筑工程對(duì)材料質(zhì)量要求越來(lái)越高，建筑材料作為建筑工程以及建筑行業(yè)的基礎(chǔ)，材料質(zhì)量直接關(guān)系行業(yè)發(fā)展和建筑安全。因此對(duì)建筑材料檢測(cè)及數(shù)據(jù)評(píng)估有重要地位。數(shù)據(jù)不確定度是衡量數(shù)據(jù)質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。采取有效控制手段嚴(yán)格管理不確定度，能夠保證建筑材料檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，輔助評(píng)估材料治療。

1 建筑材料不確定度檢測(cè)的意義

檢測(cè)不確定度是表示檢測(cè)值的分散性和賦予性，和測(cè)量結(jié)果存在密切關(guān)聯(lián)，不確定度在本質(zhì)上是標(biāo)準(zhǔn)偏差，給予置信區(qū)間固定范圍。根據(jù)數(shù)據(jù)測(cè)量的特點(diǎn)，不確定度可以分為兩種，分符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律的和不符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律的兩種。符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律的需要計(jì)算數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差，不符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律的則需要詳細(xì)了解測(cè)量?jī)x器、測(cè)量方法以及檢定證書(shū)等，通過(guò)評(píng)定分析確定測(cè)量結(jié)果的可信度。檢測(cè)不確定度根本目的在于被測(cè)量值以及被測(cè)定結(jié)果的確認(rèn)，在貿(mào)易活動(dòng)、日常生活以及科學(xué)技術(shù)中十分重要。測(cè)量結(jié)果決定著試驗(yàn)和科研的成敗，甚至直接關(guān)系到經(jīng)濟(jì)利益和社會(huì)安全。在報(bào)告測(cè)量結(jié)果前需要對(duì)測(cè)量結(jié)果質(zhì)量進(jìn)行說(shuō)明，表明測(cè)量結(jié)果置信度。測(cè)量不準(zhǔn)確度則作為定量表述測(cè)量結(jié)果質(zhì)量，在很大程度上可用性和可信性都會(huì)影響不確定度，因此在測(cè)量結(jié)果中標(biāo)注不確定度，才是完整的測(cè)量報(bào)告。

與精密度、準(zhǔn)確度和誤差不同，不確定度是評(píng)價(jià)檢測(cè)結(jié)果質(zhì)量的指標(biāo)，表示被測(cè)材料質(zhì)量范圍，能夠反映不同測(cè)量誤差對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響，反映無(wú)法分布規(guī)律和數(shù)據(jù)分散性。精密度則表示隨機(jī)誤差程度，在多次測(cè)量中和真值的接近程度。準(zhǔn)確度表示檢測(cè)數(shù)據(jù)和真值的一致程度，反映檢測(cè)結(jié)果中系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差綜合。誤差是指由于人為和客觀原因造成檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確，測(cè)量結(jié)果和真值不一致的情況以及估算情況，反映測(cè)量結(jié)果的偏離情況?？梢?jiàn)不確定度的測(cè)量要準(zhǔn)確辨別誤差數(shù)量。

2 檢測(cè)不確定度的原因

無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外的建筑行業(yè)，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的確定都十分重要。但由于科學(xué)技術(shù)局限，還有很多數(shù)據(jù)無(wú)法確定度測(cè)量。很多建筑工程越來(lái)越重視不確定度，測(cè)量結(jié)果質(zhì)量直接關(guān)系建筑行業(yè)的利潤(rùn)，判斷檢測(cè)數(shù)據(jù)是否達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)。如果不確定度未得到嚴(yán)格控制，不僅會(huì)影響建筑企業(yè)的信譽(yù)，還會(huì)導(dǎo)致安全事故，甚至企業(yè)要承擔(dān)法律責(zé)任[1]。不確定度的結(jié)果會(huì)對(duì)企業(yè)決策產(chǎn)生直接影響。因此獲得測(cè)量數(shù)據(jù)后，需要嚴(yán)格控制不準(zhǔn)確度，準(zhǔn)確評(píng)估測(cè)量結(jié)果的正確性和可信性，從而準(zhǔn)確判斷建筑材料的質(zhì)量。在測(cè)量不確定度時(shí)，還需要采取一系列控制措施，保證測(cè)量結(jié)果可靠性和完整性。

3 建筑材料不確定度檢測(cè)的原理和控制方法

3.1 原理

不確定度測(cè)量是為了表示被測(cè)數(shù)據(jù)的分散性，是通過(guò)測(cè)量結(jié)果相關(guān)參數(shù)表示，不確定度包括人為或儀器的不確定度，包括會(huì)引起不確定測(cè)量結(jié)果的各種原因。以鋼筋為例，鋼筋主要為圓形，鋼筋拉伸強(qiáng)度是拉伸試驗(yàn)最大作用力和鋼筋截面積的比值，一般情況下忽略溫度和應(yīng)變率造成的影響。為了確定影響檢測(cè)結(jié)果的變量，明確不確定度測(cè)量的來(lái)源，建立準(zhǔn)確度計(jì)算模型。在溫度等外界條件保持不變的情況下，拉伸強(qiáng)度可使用公式：u2crel（Rm）=u2rel（F）+4u2rel（d），其中F 表示鋼筋斷裂承受的最大拉伸力，d 表示鋼筋直徑，Rm 表示鋼筋的拉伸強(qiáng)度，使用該公式可以計(jì)算鋼筋的拉伸強(qiáng)度。

3.2 控制方法

3.2.1 檢查不確定度的來(lái)源

為保證不確定度的準(zhǔn)確性，需要采取嚴(yán)格的控制措施。首先需要明確不確定度的來(lái)源，可以總結(jié)為：①讀取工具、儀器、儀表等器械時(shí)，出現(xiàn)人為讀數(shù)錯(cuò)誤的問(wèn)題，造成數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確；②選取的樣品并不能代表建筑材料的整體水平，樣品不具備普遍性和代表性；③儀器測(cè)量或者計(jì)量性能有所局限，造成數(shù)據(jù)測(cè)量不準(zhǔn)確。以建筑玻璃為例，建筑玻璃進(jìn)行可見(jiàn)光透射檢測(cè)，不確定度主要來(lái)源于儀器誤差、遮陽(yáng)系數(shù)、透射比誤差引起的不確定度[2]。由于玻璃檢測(cè)結(jié)果差異性較小，儀器具有穩(wěn)定性特征，使測(cè)試結(jié)果存在重復(fù)性誤差；④計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)值以及標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)等不適用或不準(zhǔn)確；⑤測(cè)量方法不合適，無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量建筑材料；⑥溫度、濕度等外界環(huán)境變化過(guò)大，影響材料質(zhì)量或外形，從而造成測(cè)量不準(zhǔn)確；⑦測(cè)量方法以及測(cè)量程序存在假定性條件等，造成測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確；⑧測(cè)量引進(jìn)的數(shù)據(jù)或者參數(shù)不準(zhǔn)確或不適用。明確上述不確定度來(lái)源后，針對(duì)性加強(qiáng)控制，保證不確定度合理。

3.2.2 遵守檢測(cè)控制方法

為嚴(yán)格控制不確定度需要嚴(yán)格遵守檢測(cè)方法，使用量具前需要對(duì)量具進(jìn)行校正。一般情況下使用均勻分布代表儀器的不確定度，不確定度值按照檢定系統(tǒng)以及規(guī)范控制在最大誤差之內(nèi)，示值引起的不確定度要使用根號(hào)下誤差最大值評(píng)定。不確定度和誤差最大值要滿足其中一個(gè)可接受原則，擴(kuò)展不確定不允許超過(guò)誤差最大值的1/3。使用任何工具前均需要進(jìn)行示值的修正，確保數(shù)據(jù)測(cè)量的準(zhǔn)確性。

3.2.3 嚴(yán)格執(zhí)行控制步驟

控制不確定度檢測(cè)，需要嚴(yán)格按照規(guī)律和規(guī)章實(shí)施操作步驟，保證操作步驟符合規(guī)范。要求檢測(cè)人員了解不確定度原理以及操作規(guī)范，熟練使用各種儀器設(shè)備，明確樣品的性質(zhì)，了解實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的環(huán)境條件。建立被測(cè)量和各分量之間的數(shù)學(xué)模型，分析不確定度分量以及性質(zhì)。再計(jì)算不確定度分量，進(jìn)行評(píng)定。最后合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度，對(duì)擴(kuò)展不確定度進(jìn)行評(píng)定。要矯正測(cè)量工具，避免測(cè)量過(guò)程中由于工具誤差產(chǎn)生不必要的影響[3]。其次需要保證不確定度和誤差控制在可接受范圍內(nèi)。最后使用不確定度期間需要及時(shí)修正示值。計(jì)算不確定度分量，如鋼筋直徑，可能會(huì)由于千分尺操作或讀數(shù)錯(cuò)誤，造成數(shù)據(jù)誤差。因此要嚴(yán)格控制人員操作，選樣時(shí)不能故意選擇標(biāo)準(zhǔn)材料，要隨機(jī)選擇具有代表性的樣品，評(píng)估數(shù)據(jù)不確定度。以鋼筋為例，先進(jìn)行不確定度分量的測(cè)量，測(cè)量直徑引入不確定度分量。已知鋼筋直徑約為1cm，不確定度主要來(lái)源于操作錯(cuò)誤造成誤差，以及示值讀數(shù)錯(cuò)誤造成誤差。在讀數(shù)時(shí)要使用均勻分布進(jìn)行估計(jì)，將千分尺誤差控制在3 以下，如圖1 所示。

評(píng)價(jià)建筑鋼材不確定度，主要參考數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)以及規(guī)范性，評(píng)定不確定度需要對(duì)鋼材檢測(cè)全面評(píng)價(jià)，評(píng)估鋼材形狀以及尺寸，同時(shí)檢測(cè)各項(xiàng)參數(shù)以及成分含量。在鋼材表面檢測(cè)中，檢測(cè)不確定度可評(píng)估表面特征。表面質(zhì)量直接決定材料銷(xiāo)量好壞。首先確定表面信息，如直徑、橢圓度等數(shù)據(jù)，需要使用直尺等儀器測(cè)量。如長(zhǎng)度測(cè)量，介于合格和不合格之間，需要高度重視讀數(shù)，從而保證質(zhì)量。測(cè)量前需要校準(zhǔn)量具，提高測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性。檢測(cè)鋼材力學(xué)性能時(shí)，主要借助于拉伸試驗(yàn)測(cè)試最大承受力、拉伸強(qiáng)度等數(shù)據(jù)。如果使用度盤(pán)指針進(jìn)行測(cè)量，一般情況下最小刻度為0.1kN，最小估讀0.15kN，不確定度分布均勻。因此建議使用數(shù)字化儀表進(jìn)行讀數(shù)，精確讀數(shù)，降低不確定度分量?，F(xiàn)代拉伸檢驗(yàn)技術(shù)逐漸使用拉力測(cè)試機(jī)，借助于拉力傳感器結(jié)合自動(dòng)控制技術(shù)，集成多種功能，能夠?qū)︿摬睦鞆?qiáng)度等準(zhǔn)確測(cè)量，進(jìn)一步提高測(cè)量準(zhǔn)確性。此外還會(huì)進(jìn)行鋼材化學(xué)成分的測(cè)量。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鋼材中各項(xiàng)合金元素以及殘余元素進(jìn)行要求，要求各元素含量應(yīng)該達(dá)到固定標(biāo)準(zhǔn)。若存在成分差異也會(huì)影響鋼材化學(xué)性能。我國(guó)明確規(guī)范材料檢測(cè)化學(xué)成分的不確定度，要求使用化學(xué)分析結(jié)合計(jì)算進(jìn)行測(cè)量元素含量，檢測(cè)中使用的儀器種類(lèi)較多，對(duì)于操作人員專業(yè)性要求較高，尤其是光譜分析法，需要由專業(yè)人員操作分析，從而保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此需要交給第三方專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，嚴(yán)格按照國(guó)家要求操作，保證檢測(cè)準(zhǔn)確性。

圖1 建筑鋼材

4 結(jié)論

綜上所述，建筑材料檢測(cè)決定著建筑工程質(zhì)量，關(guān)系到人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。通過(guò)對(duì)不確定度的評(píng)定和意義的分析，提出控制不確定度測(cè)量的措施，提高不確定度評(píng)定準(zhǔn)確度，從而保證建筑材料檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為建筑材料檢測(cè)奠定基礎(chǔ)。未來(lái)還需要進(jìn)一步細(xì)化不確定度評(píng)定的規(guī)范，加強(qiáng)人員培訓(xùn)，并通過(guò)不確定度的分析明確建筑材料測(cè)量上存在的弊端，進(jìn)一步完善建筑材料測(cè)量，滿足建筑行業(yè)的健康發(fā)展。