沥青针入度试验不确定度的参数分析

梁胜

(吉首市海昇交通建设有限责任公司， 湖南 吉首 416000)

沥青作为沥青砼最重要的原材料，其性能优劣直接决定沥青砼道路的使用性能。沥青针入度作为沥青流变性能的显示指标，其检测结果的准确度直接影响试验人员对沥青性能的判定。近年来很多学者对沥青针入度试验的不确定度进行了分析，如陈柏年对沥青针入度试验的误差来源进行系统阐述，并进行了测量不确定度计算；刘璐等通过仪器的精度允许误差限值对沥青针入度仪校准的不确定度进行了分析；武冬生等对一台针入度试验仪进行校准分析，考虑校准仪器使用的标准器精度误差，阐述了仪器各参数所引入的不确定度分量。该文采用A类不确定度评定方法，对沥青针入度仪的控制指标进行参数分析，计算各指标引入的不确定度分量，并进行重复性试验，导出除沥青针入度仪外的不确定度分量。

1 沥青针入度试验仪器和原理

沥青针入度试验采用符合JJG(交通) 067—2015《沥青针入度试验仪》要求的沥青针入度试验仪，试验仪主要包含示值系统、标准针、盛样皿、恒温水箱、温度计等。

试验方法：采用一根具有特定形状的标准针，标准针具有特定的质量，在连接杆和砝码作用下竖直沉入恒温(25 ℃)的标准沥青试样中，下沉时间为5 s，检测标准针沉入沥青的针入度值，一个针入度值对应0.1 mm。重复进行3次试验，取算术平均值作为沥青的针入度值。

2 试验参数概要

(1) 依据：GB/T 4509—2010《沥青针入度测定法》；JJG(交通)067—2015《沥青针入度试验仪》。

(2) 示值系统参数：量程0～400个针入度值，精度值0.1 mm，误差控制为1个针入度值。

(3) 标准针参数：针体长度50 mm，允许误差1 mm；针体直径1 mm，允许误差0.05 mm；针柄长度38 mm，容许误差1 mm；针总质量25 g，允许误差0.05 g；针连杆质量47.5 g，允许误差0.05 g。

(4) 计时设定系统参数：采用电子装置，时间精度控制值为0.1 s。

(5) 恒温装置参数：采用恒温水槽，水槽容积大于10 000 mL，水槽恒定温度控制精度为0.1 ℃。

3 误差分析

根据沥青针入度试验的试验仪器、材料参数和试验人员操作过程将试验误差分为两类：

(1) 沥青针入度仪装置及材料性能误差，包括仪器位移示值转换系统的误差ΔL、仪器设定针的下沉时间误差Δt、温度监测系统的误差ΔT1、恒温水箱温度稳定性引入的误差ΔT2及仪器中针、连杆与配重砝码变化引入的误差Δm。

(2) 试验人员自身观测能力引入的误差，包括试验人员将针与沥青表面接触距离误差ΔZ1、试验人员所选定的针沉入点不同引入的误差ΔZ2。

4 试验仪器不确定度的参数分析

4.1 参数分析方法

采用A类不确定度评定方法进行分析。考虑到试验次数的有限性，利用有限次试验结果的标准差来近似反映试验中标准差。采用贝塞尔法计算标准差，公式如下：

(1)

4.2 仪器位移示值转换系统的不确定度参数分析

用相对不确定度表示，沥青针入度试验中假定实际测量距离为4.5 mm，则Ur(L)=0.007 6/4.5=0.001 69。

假定试验中沥青针入度测量值为45 (0.1 mm)，则仪器位移示值转换系统引入的不确定度分量U(L)=0.001 69×45=0.076 (0.1 mm)。

4.3 仪器设定针下沉时间的不确定度参数分析

用相对不确定度表示，沥青针入度试验中针下沉时间为5 s，则Ur(t)=0.006 3/5=1.26×10-3。

假定试验中沥青针入度测量值为45 (0.1 mm)，则针的下沉时间引入的不确定度分量U(t)=1.26×10-3×45=0.056 7 (0.1 mm)。

4.4 温度监测系统的不确定度参数分析

用相对不确定度表示，则Ur(T)=0.011 8/25=4.72×10-4。

假定试验中沥青针入度测量值为45 (0.1 mm)，则温度监测系统引入的不确定度分量U(T)=4.72×10-4×45=0.021 24 (0.1 mm)。

4.5 标准针、连杆、配重砝码的不确定度参数分析

以相对不确定度表示，则Ur(M)=0.000 46/100=4.6×10-6。

假定试验中沥青针入度测量值为45 (0.1 mm)，则针、连杆与配重砝码的总质量引入的不确定度分量U(M)=4.6×10-6×45=2.07×10-4(0.1 mm)。

4.6 合成标准不确定度的计算

合成标准不确定度为：

0.097 2

4.7 扩展不确定度

取置信率为95%，包含因子为1.96，扩展不确定度U=1.96×0.097 2=0.190 5。

5 沥青针入度重复性试验

选用性能稳定的沥青，由有资质的试验员制作沥青针入度标准试样，在同一试验环境下在短时间内完成沥青针入度的重复性试验。完成6组试验，每组进行3次检测，检测结果见表1。

表1 25 ℃下针入度试验结果

按式(1)计算各组试验的标准差，取其平均值，得到试验重复性标准差为：

S=σ=

测量标准不确定度Ua=S=0.33。取置信率为95%、包含因子为1.96，扩展不确定度U=1.96×0.33=0.646 8。

6 结论

(1) 沥青针入度试验中针入度仪各参数的不确定度分量为：示值转换系统U(L)=0.076 (0.1 mm)；针的下沉时间U(t)=0.056 7 (0.1 mm)；温度监测系统U(T)=0.021 24 (0.1 mm)；针、连杆与配重砝码的总质量U(M)=2.07×10-4(0.1 mm)。

(2) 沥青针入度试验中针入度仪合成标准不确定度UC=0.097 2；扩展不确定度为0.190 5，包含因子取1.96。

(3) 重复性试验测量标准不确定度Ua=0.33；扩展不确定度为0.646 8，包含因子取1.96。

(4) 已知重复性试验标准不确定度Ua和由仪器引入的合成标准不确定度UC，则由试验人员自身观测能力引入的不确定度UB=UC-Ua=0.232 8。

(5) 沥青针入度试验不确定度的主要来源为试验人员自身的观测能力；沥青针入度仪对试验结果的影响较小。