住宅建筑外墻缺陷紅外成像法檢測研究
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摘要：外墻飾面脫落事故近期時有發(fā)生，危及人民生命和財產(chǎn)安全，及時發(fā)現(xiàn)外墻安全隱患尤為重要，亟需快速安全的檢測方法。紅外檢測外墻缺陷具有實(shí)時、快速和可視化的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工程中應(yīng)用廣泛。本文粗略給出了紅外檢測外墻缺陷的原理，根據(jù)在外墻缺陷檢測中的工程實(shí)踐經(jīng)驗，對紅外檢測法中應(yīng)注意的問題，如檢測時間、房屋朝向、障礙遮擋、拍攝角度等進(jìn)行了詳細(xì)討論并給出了可行的方法，可供類似工作參考。文中還給出了相關(guān)工程案例，結(jié)果表明了紅外成像檢測方法的有效性。
0引言
建筑外墻是指房屋外圍的墻體，包含墻體結(jié)構(gòu)本身和墻體結(jié)構(gòu)外側(cè)的裝飾物和附著物，如外墻外保溫系統(tǒng)、外墻石（金屬、玻璃等）材掛板、黏貼馬賽克等。住宅建筑的外墻起著保溫隔熱防雨等作用，在目前的建筑設(shè)計中，除清水建筑外墻體的裝飾物和附著物是必不可少的，特別今年來設(shè)計新建的住宅，根據(jù)國家建筑節(jié)能發(fā)展的需要，建筑外墻均設(shè)有保溫隔熱層。由于保溫材料存在的先天缺陷，全國各地建筑工程外墻保溫層脫落等事故時有發(fā)生，如2019年5月，因大風(fēng)原因，呼和浩特新華東街萬達(dá)廣場6號樓外墻保溫層脫落，砸傷一名過路男性。2019年8月，臺風(fēng)過境江蘇，南京江北新區(qū)的綠地悅峰公館一棟樓的半面外墻外保溫脫落，面積達(dá)一百多平方米。2021年3月22日，上海一幢居民樓的外墻粉刷層發(fā)生部分脫落，殃及一位路人因傷勢過重不幸離世。針對這種情況，上海、湖南、浙江、鄭州等地陸續(xù)出臺相關(guān)規(guī)定，對無機(jī)保溫砂漿、外部粘貼式保溫板等限制使用。盡管如此，已經(jīng)采用保溫砂漿等技術(shù)建造的住宅已經(jīng)有大量的存量房。隨著使用時間增加，外墻保溫層剝落的危險也逐年增大。外墻外保溫脫落嚴(yán)重影響居民生命財產(chǎn)安全，為消除外墻飾面隱患，應(yīng)及時排查外墻空鼓等缺陷，及早治理，防患于未然。針對外墻存在的空鼓等缺陷，常用方法有目測法、錘擊法、紅外熱像法以及超聲波激振法等。與傳統(tǒng)的檢測方法(目測法、錘擊法)相比，紅外熱像技術(shù)具有非接觸、遠(yuǎn)距離、快速、大面積檢測、結(jié)果直觀等優(yōu)點(diǎn)，為現(xiàn)代無損檢測技術(shù)注入了新的活力,在建筑外墻飾面粘貼質(zhì)量檢測方面具有廣闊的應(yīng)用前景。袁仁續(xù)[1]介紹了我國研究人員利用紅外熱像技術(shù)進(jìn)行材料內(nèi)部缺陷檢測、材料傳熱參數(shù)的檢測、結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷檢測、建筑節(jié)能監(jiān)測、建筑物飾面層粘貼質(zhì)量的檢測、建筑物滲漏檢測中的研究進(jìn)展，[2]給出了確定缺陷深度的兩種紅外檢測方法,同時給出由紅外熱像確定缺陷尺寸的方法。我們在近二年對住宅小區(qū)的外墻安全排查工作中，也采用紅外成像檢測法，取得了很好的效果。
1紅外檢測法的基本原理
紅外線是介于微波和可見光之間的一種電磁波。任何溫度高于絕對溫度在物體都會發(fā)出紅外射線。紅外熱像儀攝取的紅外圖像的每一點(diǎn)都對應(yīng)一定的溫度，且可根據(jù)顏色的深淺來判斷溫度的高低，相同顏色表示溫度相同。在光照和熱流注入是均勻的時候，對無缺陷的物體，在熱傳導(dǎo)過程中，正面和背面的溫度分布始終是均勻的。在光照和熱流注入是均勻的時候比如在白天，經(jīng)熱傳導(dǎo)一定時間后，正面和背面的溫度分布是不均勻的，因在缺陷處熱量堆積，使得從正面測得有缺陷處的表面溫度較高，形成“熱點(diǎn)”（圖1（a））；在晚上，墻體處于放熱狀態(tài)，使得從正面測得有缺陷處的表面溫度較低，形成“冷點(diǎn)”（圖1（b））。當(dāng)外墻各層直接存在間隙，或?qū)嵯禂?shù)存在差異，紅外輻射溫度存在不同，當(dāng)采用紅外熱像儀拍攝時，可以明顯區(qū)分各區(qū)域溫度的差異，從而判斷外墻外保溫層存在間隙或缺陷的區(qū)域。利用不同時段缺陷部位的“熱點(diǎn)”和“冷點(diǎn)”效應(yīng)，疊加檢測結(jié)果，可以有效提高紅外成像法檢測外墻缺陷的精度。
2紅外成像法檢測的特點(diǎn)
建筑外墻主要缺陷是空鼓和滲漏。紅外成像檢測外墻缺陷的基本原理是通過墻體表面輻射溫度的差異來區(qū)分示范是否有空鼓存在。由于吸熱速率不同，在受到太陽照射時，一般來說，有空鼓部分升溫比沒有空鼓部分升溫更快，在紅外熱像的表現(xiàn)是空鼓部位溫度比周圍未空鼓部分要高，而對于滲漏部分由于水的存在，在紅外熱像的表現(xiàn)則是溫度比周圍未滲漏部分要低。因此，可以據(jù)此來判定外墻缺陷的類型。
2.1拍攝時間
太陽輻射熱在外墻中是逐漸堆聚的。當(dāng)堆聚的熱量產(chǎn)生的外墻表面輻射溫度可以被紅外圖像分辨時，缺陷才有可能被辨識。如果太陽照射在墻面的時間過長或過短，這種缺陷將不可能被識別。因此選取合適的時間進(jìn)行紅外成像檢測是十分重要的。如圖1所示的春分日南墻面不同缺陷深度的表面溫度差異和時間的關(guān)系，可幫助我們確定有效的檢測時段。圖中數(shù)字為缺陷至表面的深度，縱坐標(biāo)為溫差，橫坐標(biāo)為時間。關(guān)于紅外熱成像的檢測時間，《紅外熱成像法檢測建筑外墻飾面層粘結(jié)缺陷技術(shù)規(guī)程》（CECS204-2006）[3]和《建筑紅外熱像檢測要求》（JGT269-2010）[4]中都有推薦時間的相關(guān)條款，上海地區(qū)夏季紅外檢測推薦時間為：東立面8:00~9:00、南立面11:00~13:00、西立面15:00~16:00。以上時間主要是根據(jù)上海地區(qū)夏季不同時刻的太陽高度角得出的，除了考慮這些時間外，還應(yīng)考慮房屋樓棟的朝向和風(fēng)向等影響。在上述規(guī)程中，還建議了北立面的拍攝時間。根據(jù)我們的經(jīng)驗，對北立面外墻不能得到好的結(jié)果，主要原因是北立面沒有熱量的輸入過程，難以形成明顯的“熱點(diǎn)”。因此，我們建議對于北立面，應(yīng)采取其他有效檢測方法來進(jìn)行檢測。
2.2拍攝角度
采用紅外熱像儀檢測外墻空鼓時，拍攝角度的控制非常重要，物體正面的輻射能量是最大的，隨著觀測角度從90°變化到0°，熱像儀接收到的能量會減小。在水平距離一定時，隨著觀測仰角的增大，建筑物與紅外熱像儀的距離會變大，量透過大氣被熱像儀接收的輻射能量會減小，這樣會使檢測的精度下降[5]。相應(yīng)規(guī)范規(guī)定拍攝的仰角應(yīng)控制在45°以內(nèi)，水平傾角應(yīng)控制在30°以內(nèi)。圖2為對同一棟樓西立面不同區(qū)域的拍攝情況，左圖拍攝角度約為60°，有圖拍攝角度約為10°，可以看出，仰角60°的情況下，紅外成像的精度較低，溫度區(qū)塊的邊緣較模糊。在實(shí)際操作過程中，可以利用相鄰樓棟來改善拍攝角度。
2.3房屋朝向及綠化遮擋
特別需要注意的是，當(dāng)房屋朝向為坐北朝南時，北立面基本無法受到陽光直射,只有環(huán)境溫度的變化會影響缺陷部位溫度和周圍墻體的差異，紅外成像檢測缺陷誤差較大，無法采用紅外熱成像方法進(jìn)行檢測。部分高端小區(qū)綠化率較高，樹木會房屋的部分立面，同樣無法采用紅外熱成像法進(jìn)行檢測（如圖3）。此時應(yīng)采用傳統(tǒng)方法，例如錘擊法，進(jìn)行檢測。
2.4外墻做法
對采用XPS板等保溫板材料的外墻，對保溫板與墻體之間的空鼓，由于保溫板本身導(dǎo)熱系數(shù)很低，這種溫差在外表面不能形成可以被紅外熱像儀識別的“熱點(diǎn)”，采用紅外成像方法不能得出保溫板與外墻結(jié)構(gòu)之間空鼓部位的檢測結(jié)果，但對保溫板外部的飾面與保溫板之間的空鼓等可以得到檢測結(jié)果。
3案例分析
圖427#樓東立面空鼓檢測結(jié)果（左圖為可見光照片，中間為2018年檢測紅外熱成像照片，右圖為2020年檢測紅外熱成像照片，紅色區(qū)域為空鼓區(qū)域）圖524#樓西立面空鼓檢測結(jié)果（左圖為可見光照片，中間為2018年檢測紅外熱成像照片，右圖為2020年檢測紅外熱成像照片，紅色區(qū)域為空鼓區(qū)域）圖65#樓西立面空鼓檢測結(jié)果（左圖為可見光照片，中間為2018年檢測紅外熱成像照片，右圖為2020年檢測紅外熱成像照片，紅色區(qū)域為空鼓區(qū)域）某公共租賃住房一期項目共39棟住宅樓及部分公建配套用房，工程于2013年左右竣工并投入使用。后期使用過程中，房屋外墻存在明顯的開裂和空鼓現(xiàn)象，2018年6月采用紅外熱像法對外墻空鼓情況進(jìn)行檢測，后根據(jù)檢測結(jié)果對空鼓區(qū)域進(jìn)行過修繕。修繕采用的措施主要為：對空鼓面積大于0.5m2的空鼓區(qū)域，大范圍鏟除重做。其余較為分散的小于0.5m2的空鼓區(qū)域，局部割掉外保溫材料，開放透氣晾曬，確?；鶎优c外保溫層界面干燥后，用界面砂漿處理，再用相同的保溫材料進(jìn)行修補(bǔ)或者采取附加錨栓的方式進(jìn)行加固。2020年8月，發(fā)現(xiàn)外墻外保溫仍存在局部空鼓情況，再次采用紅外熱像法對外墻空鼓情況進(jìn)行檢測，部分檢測照片見圖4~圖6。對比2018年和2020年紅外熱成像檢測結(jié)果，多數(shù)區(qū)域修繕后不再出現(xiàn)空鼓情況（如圖3.1和圖3.2），也存在局部區(qū)域修繕后仍出現(xiàn)了空鼓情況（如圖3.3）。新增的空鼓區(qū)域中，一部分與原空鼓區(qū)域存在一定的聯(lián)系，位于原空鼓區(qū)域周邊（如圖3.1和圖3.2中2020年檢測右下角空鼓區(qū)域），也有部分與原空鼓區(qū)域無明顯聯(lián)系（如圖3.2中2020年檢測左下角空鼓區(qū)域）。由上述情況可推測，外墻外保溫空鼓是一個整體的、系統(tǒng)性的問題，一旦某個墻面出現(xiàn)了局部的空鼓，同批建造的、施工工藝相同的其他區(qū)域外保溫也存在著缺陷，隨著時間推移，缺陷逐漸變嚴(yán)重，從輕微脫開變?yōu)榫植靠展?、開裂。針對外墻外保溫的損傷，采用局部修繕的措施無法保證外墻系統(tǒng)正常工作，已修繕的部分短期內(nèi)可正常使用，但其他區(qū)域的缺陷仍在發(fā)展中，一段時間后，仍會發(fā)展至空鼓、開裂的狀態(tài)。這是在今后工作中特別值得重視的問題。
4小結(jié)
根據(jù)工程實(shí)踐結(jié)果，取得以下結(jié)論：1.采用紅外熱像法檢測建筑外墻空鼓具有快速、非接觸的特點(diǎn)，結(jié)果可以有效判定外墻的空鼓情況，對于房屋在使用過程中的安全管控具有重要意義。2.外墻外保溫缺陷隨著時間推移逐漸發(fā)展嚴(yán)重，應(yīng)定期對外墻缺陷進(jìn)行檢測，建議每1~2年檢測一次。3.外墻外保溫檢測應(yīng)注意紅外熱像檢測法的適用條件并應(yīng)于其他各種檢測方法相結(jié)合，可以采用紅外熱成像方法進(jìn)行大范圍的普查，采用錘擊法對紅外熱成像檢測的盲區(qū)，例如北立面、綠化遮擋區(qū)域等進(jìn)行檢測。在白天和晚上分別拍攝“熱點(diǎn)”和“冷點(diǎn)”圖像，也可以很好地提高檢測精度。
參考文獻(xiàn)
[1]袁仁續(xù),趙鳴,紅外熱像技術(shù)在無損檢測中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].福州大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2005,33(z1):203-207.
[2]王永茂,郭興旺,李日華,等.缺陷大小和深度的紅外檢測[J].無損檢測,2003,(9).458-461.
[3]CECS204-2006.紅外熱像法檢測建筑外墻飾面層粘結(jié)缺陷技術(shù)規(guī)程[S].中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會標(biāo)準(zhǔn),2006.
[4]JGT269-2010.建筑紅外熱像檢測要求[S].中華人民共和國建筑工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).2010.
[5]孫麗,宦克為.距離對紅外熱像儀測溫精度的影響及矯正方法研究[J].長春理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2008,25(3):33-35.
作者:卞征宇 單位:上海臨港創(chuàng)新經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù)有限公司
