建筑外墻飾面層內部缺陷紅外熱像法檢測試驗研究

馮力強，王歡祥，晏大偉，劉吉林

（1.武漢大學 土木建筑工程學院，武漢 430072；2.甘肅省建設投資（控股）集團總公司，蘭州 730050；3.甘肅省建筑科學研究院，蘭州 730050）

建筑外墻飾面層內部缺陷紅外熱像法檢測試驗研究

馮力強1，2，王歡祥2，晏大偉3，劉吉林3

（1.武漢大學 土木建筑工程學院，武漢 430072；2.甘肅省建設投資（控股）集團總公司，蘭州 730050；3.甘肅省建筑科學研究院，蘭州 730050）

利用紅外熱像儀對建筑外墻飾面層（包括砂漿飾面層和飾面磚飾面層）內部缺陷進行檢測試驗，研究飾面層內部缺陷在外部熱源輻射下的表面溫度變化特征，得出飾面層表面溫度隨時間、空間的分布及變化規(guī)律，并分析內部缺陷的厚度、面積大小、埋置深度等因素對紅外熱成像效果的影響。試驗結果表明，厚度越大、面積越大、深度越淺的內部缺陷越容易被檢測出來；缺陷沿其寬度方向的表面溫度關于其最大溫度點呈近似對稱關系?；谠囼灲Y果，采用統(tǒng)計分析的方法建立了缺陷面積大小預測模型。

飾面層；紅外熱成像；表面溫度；預測模型；缺陷

砂漿飾面層和飾面磚飾面層在建筑外墻的裝飾系統(tǒng)中大量使用，并取得了良好的工程應用效果。但由于環(huán)境影響或施工質量等原因，飾面層與主體鋼筋混凝土結構之間經常會產生脫開現象，且隨著時間的推移，在雨水、風及地震等的作用下，脫開面積會逐漸增大，最終導致砂漿從主體結構上剝離、脫落，從而造成安全隱患。因此，需要采用有效的預防措施以避免該類事故的發(fā)生。

建筑外墻飾面層內部缺陷檢測技術已發(fā)展為一個新興行業(yè)，檢測技術也隨著計算機技術的發(fā)展而不斷進步。傳統(tǒng)的目測法和錘擊法已逐漸被脈沖雷達法和紅外熱像法等可視化檢測技術所取代，其中，紅外熱像法因其快速、無接觸、遠距離、范圍廣等優(yōu)點［1］，近年來在建筑外墻質量控制中得到廣泛應用。已有諸多學者對紅外熱像法在建筑外墻質量控制方面進行了研究［2－5］，并取得了良好的實際工程應用效果［1，6－9］。中國在該方面 的研究 相對較 少［10－12］，工 程應用案例［13－14］亦為數不多。從既有的研究成果來看，紅外熱像檢測技術在建筑外墻飾面層內部缺陷判斷上，主要處于定性分析階段，尚缺乏定量化分析模型。為了更好的推廣該項技術在建筑外墻飾面層粘接質量檢測中的應用，筆者在國家住房和城鄉(xiāng)建設部“2010工程建設標準規(guī)范制訂、修訂計劃”的要求下，對紅外熱像法檢測建筑外墻飾面層內部缺陷進行室內試驗研究，建立了內部缺陷大小預測模型。

1 紅外熱像儀檢測原理

紅外線是一種波長介于0.76～1000μm之間的電磁波。自然界中任何處于絕對零度（－273.15℃）以上的物體，都會因為自身分子的運動而產生紅外輻射。紅外熱像檢測技術正是利用紅外輻射對物體或材料表層進行檢測、測量，并將不可見的紅外輻射轉化為可見圖像的一種技術［15］。

紅外熱像儀主要由配備了一系列可變光學系統(tǒng)的照相機和微型計算機組成。照相機的核心部件是紅外探測器，用來吸收被檢測物體輻射出的紅外線能量，并轉化為電子電壓或電流，從而得到物體表面的熱分布（任何物體釋放的能量與其表面溫度呈比例關系），再經圖像處理系統(tǒng)，最終以熱像圖的形式在顯示器上顯現。其工作原理如圖1所示［15］。

圖1 紅外熱像儀檢測系統(tǒng)示意圖

紅外熱像儀顯示的熱像圖能很好地反映被檢測物表面的熱分布及溫度的差異［16］。當結構或材料內部存在缺陷時，在外部熱源作用下，由于缺陷部位的熱傳導性能與其他位置有所不同，導致被檢測物表面的溫度場產生變化，從而可準確判斷出缺陷的位置。

2 試驗概況

2.1 試件設計

試驗利用室內既有墻面（C30混凝土板墻），在其表面進行砂漿飾面層和飾面磚飾面層的施工。砂漿飾面層和墻體以及粘接砂漿與飾面磚之間之間預先埋設空鼓，以模擬內部缺陷。由于實際工程中，空鼓內部介質主要為空氣，所以空鼓材料選用與空氣熱傳導性能相近的發(fā)泡苯乙烯板。

為研究缺陷的厚度、面積大小及埋置深度對熱成像效果的影響，試驗共設計2塊飾面磚飾面層試件和8塊砂漿飾面層試件，每塊試件布置4個面積不等的空鼓。各試件主要參數如表1所示，試件尺寸及空鼓分布見圖2。

表1 試件編號及主要參數

圖2 試件尺寸及空鼓分布（單位：mm）

2.2 試驗裝置及測試方法

將5個1 200 W的紅外燈均勻分布在距試件正前方1 m遠的1 m×0.65 m范圍內，對飾面層進行加熱，并利用熱流 溫度巡回儀測量飾面層表面處空氣溫度。當空氣溫度達到35℃后，移除紅外燈，以紅外熱像儀（型號：FlukeTi50FT，測溫度范圍：－20～100℃，精度：±0.1℃，發(fā)射率：0.95）代之，對飾面層進行連續(xù)監(jiān)測，并適時拍攝紅外熱像圖。試驗裝置如圖3所示，飾面層表面處空氣溫度變化曲線如圖4所示。

圖3 試驗布置示意圖及裝置

圖4 飾面層表面處空氣溫度 時間曲線

3 試驗結果及分析

3.1 成像效果比較

圖5所示為移除紅外燈后，部分試塊在不同時刻下的高度對比熱成像圖。由圖可以看出，有內部缺陷部位的表面溫度較無缺陷部位的明顯偏高，且表面最高溫度隨著外部環(huán)境溫度的降低而降低。這是由于紅外燈的加熱，使飾面層的內部溫度升高，移除紅外燈之后，飾面層的溫度高于周圍環(huán)境溫度，其內部熱量向周圍環(huán)境流動；當熱流在飾面層內部遇到缺陷時，其內部的熱傳導會受到影響，由于砂漿和飾面磚的導熱系數大于發(fā)泡苯乙烯材料，所以使缺陷表面的溫度高于完好部位的表面溫度，形成“熱點”。隨著熱量的持續(xù)流動，飾面層內部熱量逐漸減小，表面溫度隨之降低，熱成像效果變差。同時，由于飾面磚的熱傳導系數大于砂漿且離散性較小，所以飾面磚飾面層的熱成像效果明顯優(yōu)于砂漿飾面層。

圖5 紅外熱成像圖

此外，內部缺陷的熱成像效果還與缺陷的厚度、面積大小以及埋置深度有關，厚度越大、面積越大、深度越淺的內部缺陷越容易被檢測出，且試驗中發(fā)現，在紅外燈移除初期，飾面磚飾面層的熱成像效果圖受內部缺陷厚度的影響較小，隨著溫度的降低，試件S2的成像效果明顯優(yōu)于試件S1。

3.2 表面溫度分析

選取每塊試件的熱成像最佳效果圖，利用紅外熱像儀所得溫度和像素信息提取功能，提取沿其表面最大寬度方向（圖6中的L1和L2方向）的溫度數值及相應的像素個數，并計算有缺陷部位的飾面層表面溫度與其附近無缺陷部位的飾面層表面溫度之間的差值（以下簡稱“溫差”），圖7所示為得到的典型溫差與像素個數之間的關系曲線。

由圖7（a）可以看出，同一缺陷在不同時刻的溫差像素個數曲線基本相同，因此，在選擇計算曲線時，可根據最易識別的熱成像效果圖來確定。由圖7（b）和（c）可知，缺陷表面溫差沿缺陷寬度方向關于最大溫差點呈近似對稱關系，但由于在內部缺陷表面進行砂漿飾面層施工時，造成缺陷厚度（特別是邊緣厚度）變化不均而導致熱像圖中的缺陷邊界線較砂漿飾面層模糊。同時，紅外燈在加熱過程中，紅外燈間釋放的熱量疊加，使飾面層中心部分的溫度偏高，所以沿缺陷兩邊邊緣位置至最大溫度之間的表面溫差變化速度不等。

圖6 表面溫度提取路徑

圖7 飾面層溫差 像素個數曲線

4 缺陷大小預測模型

由圖7可知，同一試件、同一缺陷的寬度較小方向的溫差 像素個數曲線較寬度較大方向的 “窄瘦”，且面積大小和厚度相等、埋置深度不等的兩個缺陷的溫差 像素個數曲線比較接近。為建立內部缺陷大小的計算模型，假定溫差與像素個數之間的關系曲線如圖8所示，缺陷邊界處的溫差為最大溫差△Tmax的α倍，則缺陷寬度B的計算公式為：

式中：n1、n2分別為α△Tmax所對應的像素個數；b為每個像素代表的實際尺寸大小，b＝L／N；L為試件的實際長度；N為L方向上的像素總數。

圖8 溫差 像素個數模型

選取試驗結果中飾面磚飾面層的16條曲線和砂漿飾面層的32條理想曲線，根據曲線中兩個溫差相等且像素差值等于缺陷實際寬度與每個像素代表的實際尺寸比值的原則，計算每條曲線對應的α值并進行統(tǒng)計分析，得到兩種類型的建筑外墻飾面層的α平均值、標準差分別為0.51、0.067和0.41、0.13?？梢?，飾面磚飾面層所得的α值較砂漿飾面層的離散性小。

參考試驗結果，在計算砂漿飾面磚和飾面磚飾面層的內部缺陷大小時，缺陷邊界溫差可分別取0.5倍和0.4倍最大溫差。

5 結論

利用紅外熱像法檢測砂漿飾面層內部缺陷，通過紅外燈加熱的方式研究內部缺陷表面的熱成像規(guī)律，主要結論如下：

1）紅外熱像法能有效檢測出砂漿飾面層的內部缺陷，且面積、厚度越大、埋置深度越淺的內部缺陷越易被檢測出。

2）沿內部缺陷寬度方向，有內部缺陷飾面層表面溫度與無缺陷飾面層表面溫度之差關于其最大溫度點近似呈對稱關系，且寬度越小，溫差 像素個數曲線越“窄瘦”。

3）基于試驗所得內部缺陷飾面層的表面溫差像素個數曲線，采用統(tǒng)計分析的方法得出飾面磚飾面層和砂漿飾面層的內部缺陷邊緣溫差為其最大溫差的0.5倍和0.4倍，為估算紅外熱像法檢測砂漿飾面層內部缺陷大小提供參考。

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（編輯 胡英奎）

Experimental Analysis of Infrared Thermography for Detecting Internal Defects of Decorative Layer on Exterior Wall

Feng Liqiang1，2，Wang Huanxiang2，Yan Dawei3，Liu Jilin3

（1.School of Civil and Architectural Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，P.R.China；2.Gansu Construction Investment（Holding）Group General Company，Lanzhou 730050，P.R.China；3.Gansu Academy of Building Research，Lanzhou 730050，P.R.China）

Internal defects of decorative layer on exterior wall，including mortar and ceramic tile decorative layers，were detected using thermal infrared imager.Variable characteristics of surface temperature for decorative layer heated by external heating source were studied.The distribution and variation law of surface temperature on decorative layer with time and space were obtained，and the influences of thickness，area and embedded depth of internal defect on image quality were analyzed.It is revealed that the thicker，bigger and shallower internal defect are more easily detected.The surface temperature of internal defect is maximum temperature point of approximate symmetry along with width direction.Based on the test results，the prediction model of dimensions for internal defect was established through statistical analysis technique，which can provide a reference for the related follow-up study and practical project application.

decorative layer；infrared thermography；surface temperature；prediction model；defects

TU746. 2；TU767.2

A

1674-4764（2014）02-0057-05

10.11835／j.issn.1674-4764.2014.02.009

2013-11-13

甘肅省科技支撐計劃（1104GKCA053）

馮力強（1967-），男，教授級高級工程師，博士生，主要從事工程災害監(jiān)測與防治研究，（E-mail）fenglq168＠sina.com。