紅外熱成像技術(shù)在建筑外墻檢測中的應(yīng)用

曹平華

(江西有色地質(zhì)勘查五隊， 九江 332000)

紅外熱成像技術(shù)在建筑外墻檢測中的應(yīng)用

曹平華

(江西有色地質(zhì)勘查五隊， 九江 332000)

紅外熱成像技術(shù)作為一種全新的無損檢測技術(shù)，在工程建設(shè)檢測、監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用處于起步階段。以某高層建筑外墻飾面施工質(zhì)量檢測為例，介紹了紅外熱成像技術(shù)在建筑外墻檢測中的應(yīng)用；并結(jié)合其他案例，對該技術(shù)的可靠性、靈敏度和檢測條件進行了分析。結(jié)果表明，如果外界檢測條件較好，檢測時間段選擇合理，采用紅外熱成像技術(shù)可以可靠、準確地對建筑外墻的質(zhì)量進行檢測，可為房屋建筑的驗收或飾面質(zhì)量的普查提供可靠的依據(jù)。

紅外熱成像；外墻；檢測；溫度

我國的建筑物外墻一般都要求做飾面工程，但近年來飾面磚、飾面砂漿等外墻飾面材料塌落的事故時有發(fā)生，甚至發(fā)生了多起人員傷亡的事故[1]。為了提高全國建筑物外墻飾面工程質(zhì)量，建設(shè)部先后發(fā)布了《建筑工程飾面磚粘結(jié)強度檢驗標準》和《外墻外保溫工程技術(shù)規(guī)程》。這些標準的發(fā)布雖然對飾面施工質(zhì)量的控制起到了很大的作用，但是標準中規(guī)定的檢驗方法屬于局部破損試驗，試驗時對抽樣數(shù)量也有一定的限制，而且實施時需要安裝腳手架。故這種方法對于新建大面積飾面工程和已使用多年的建筑外墻面的質(zhì)量檢查來說，存在很大的困難，即便檢查，抽樣數(shù)量也很少，不具備全面性。

在這種背景下，工程檢測界希望找到一種能夠大面積普查建筑外墻飾面質(zhì)量，而又不損傷飾面材料的方法。近年來，研究發(fā)現(xiàn)運用紅外熱成像技術(shù)，可以通過檢查外墻表面溫度分布，來檢測建筑外墻飾面的質(zhì)量；且該方法不需要腳手架，還可進行快速、非接觸、大面積的普查[2]。鑒于紅外熱成像技術(shù)的優(yōu)點，研究人員對其在建筑飾面工程中應(yīng)用的可行性方面做了大量的試驗研究工作。

筆者以某高層建筑外墻飾面施工質(zhì)量檢測為例，介紹了紅外熱成像技術(shù)在建筑外墻檢測中的應(yīng)用；并結(jié)合其他案例，對該技術(shù)的可靠性、靈敏度和檢測條件進行了分析。

1 紅外熱成像技術(shù)的原理

自然界所有溫度高于絕對零度的物體都在不斷向外界四周空間發(fā)出輻射能量(紅外線)，建筑物外墻也同樣如此[3]。物體的紅外輻射特性與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系;因此通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準確地測定物體表面的溫度，這就是紅外輻射測溫所依據(jù)的理論基礎(chǔ)。其實，紅外輻射是一種波長介于微波和可見光之間的電磁波段，通常人們又稱其為紅外線或紅外光，其波長范圍在0.75 μm～1 mm[4-5]。

紅外成像檢測是一種應(yīng)用紅外熱成像原理來探測建筑外墻表面輻射能量的大小，通過測定建筑外墻表面的溫度分布，從而判斷外墻保溫層是否存在缺陷的一種診斷方法。

1964年世界上第一套工業(yè)用紅外熱像儀在瑞典研制成功[6]，兩年后，瑞典人運用紅外熱像技術(shù)進行建筑物節(jié)能保溫性能的檢測，美國、德國等多個國家的研究人員隨后也進行了這方面的研究工作[7]，我國的紅外檢測技術(shù)開始于1979年[6]。近年來，我國多個部門先后發(fā)布了紅外檢測系列國家或行業(yè)標準，建立了紅外資質(zhì)認證培訓(xùn)中心，并研發(fā)了相應(yīng)的紅外檢測儀器，為紅外檢測在國內(nèi)的推廣提供了有力支撐[8-9]。

建筑外墻保溫層由于施工質(zhì)量原因，易出現(xiàn)兩類質(zhì)量缺陷，一類是保溫層所用的材料質(zhì)量不達標或用量少，達不到預(yù)期的保溫效果；另一類是局部(主要是井子架及人貨電梯預(yù)留孔、塔吊連接處)外墻面在后期修補時未做保溫層。建筑外墻飾面磚粘貼時，也易出現(xiàn)兩類質(zhì)量缺陷:一類是施工單位偷工減料，導(dǎo)致外飾面磚粘貼的砂漿不飽滿，人為造成外飾面磚與墻體之間存在空鼓現(xiàn)象；另一類是由于粘貼外飾面磚采用的水泥砂漿配合比不當(dāng)，造成粘貼不牢固，易在外飾面磚與墻體之間形成空鼓。有些老舊建筑，其外飾面長期日曬雨淋，在外飾面磚與墻體之間也易形成空鼓。

當(dāng)建筑外墻進行了保溫處理，如保溫層質(zhì)量可靠，相當(dāng)于在外飾面磚與墻體之間存在一個充滿空氣的隔離面板，具有較好的隔熱性，因此，在太陽光照射下，外墻表面與墻體之間的熱傳遞少；如果外墻局部區(qū)域的保溫層存在一定的缺陷或未作保溫處理，在太陽光的照射下，當(dāng)外墻表面的溫度高于墻體溫度時，熱量很快會從外墻表面向內(nèi)部傳遞，故保溫層存在缺陷區(qū)域的外墻表面的溫度會比周圍正常部位低。與之類似，如果外墻局部飾面磚粘貼存在質(zhì)量缺陷，或老舊建筑外飾面磚與墻體間存在空鼓情況，在太陽光照射下，其外墻表面溫度比周圍正常部位高。建筑外墻紅外成像檢測原理示意如圖1所示。

圖1 建筑外墻紅外成像檢測原理示意

2 工程應(yīng)用實例

中國南方某城市新建的一酒店為高層建筑，該建筑采用全框架結(jié)構(gòu)，其外墻采用聚苯顆粒進行保溫處理，最外層用磁磚作飾面層。根據(jù)施工單位提交的施工資料，該工程的保溫層施工完全符合國家行業(yè)標準JGJ 144-2004《外墻外保溫工程技術(shù)規(guī)程》的相關(guān)要求。在進行建筑外墻質(zhì)量驗收時，應(yīng)業(yè)主要求，采用紅外熱成像法對建筑外墻飾面材料粘接質(zhì)量和外保溫層的施工情況進行了全面檢測?，F(xiàn)對檢測中發(fā)現(xiàn)的問題進行簡單介紹。

現(xiàn)場檢測是在外墻飾面全部完工，腳手架已拆除且室內(nèi)裝飾正在進行，酒店未正式投入使用前進行的，檢測時間為春季的3月份，白天日平均氣溫均超過10 ℃，檢測前一周當(dāng)?shù)靥鞖庖恢鼻绾?，檢測當(dāng)天外墻墻面日照充足，空氣濕度低，有微風(fēng)。根據(jù)建筑的朝向特點，東、西面外墻分別在上午和下午進行檢測，南、北兩外墻檢測時間為中午。檢測范圍覆蓋了整棟建筑的所有外墻飾面。

現(xiàn)場檢測時，根據(jù)檢測區(qū)域的不同，在每側(cè)外墻上均設(shè)置了多個檢測拍攝點，并要求拍攝距離盡量控制在50 m以內(nèi)，紅外熱像儀觀察方向與外墻飾面層發(fā)射表面法向方向的夾角一般小于35°；部分區(qū)域的少數(shù)檢測拍攝點，拍攝距離大于50 m時，均在紅外熱像儀上加裝了長焦距的鏡頭。對每個檢測點，根據(jù)紅外拍攝的范圍使用高分辨率的相機拍攝了可見光照片，并對紅外熱像儀和相機拍攝的照片進行了統(tǒng)一編號，以免出現(xiàn)錯誤。在正式檢測前，根據(jù)被檢測外墻表面的發(fā)射率，對紅外熱像儀進行了調(diào)試，以保證檢測工作能正常開展。

現(xiàn)場測試采用的設(shè)備為日本生產(chǎn)的NEC紅外熱成像儀，其溫度分辨率可達0.03 ℃，精度完全能滿足外墻檢測的精度要求。

檢測結(jié)果表明:該建筑外墻絕大部分區(qū)域保溫和飾面工程質(zhì)量良好，僅有局部出現(xiàn)異常，存在質(zhì)量問題。其檢測照片和可見光照片示例如圖2所示。

圖2 某酒店紅外熱成像檢測照片和可見光照片示例

此建筑的外墻保溫層采用的是聚苯顆粒，飾面層為磁磚。從圖2(a)中可以看出，其外墻大部分區(qū)域溫度相近，窗戶位置由于結(jié)構(gòu)不同，顯示出一定的高溫現(xiàn)象，而輪廓非常清晰，可以非常容易地看清各窗戶的具體情況，而且還可以很準確地判別出各窗戶的玻璃狀態(tài)，表明紅外成像效果明顯。

在圖2(a)右側(cè)中下部有一明顯的不規(guī)則低溫區(qū)域，其溫度相對于周圍外墻的溫度低2～3 ℃，根據(jù)紅外成像理論，可判定其外墻質(zhì)量存在一定的缺陷。而從圖2(b)可見光照片上看，其外墻整潔、美觀，作為外飾面的磁磚粘貼效果良好，看不出任何質(zhì)量問題。綜合兩張照片的顯示結(jié)果，結(jié)合工程的特點，基本可認定外保溫層存在質(zhì)量缺陷或缺失(如果是外飾面層磁磚的粘貼存在質(zhì)量問題，其紅外圖片上應(yīng)表現(xiàn)為局部的高溫異常)。

但根據(jù)施工方提交的施工記錄，未能查明原因，為了對工程質(zhì)量負責(zé)，在業(yè)主、監(jiān)理、施工單位三方的見證下，對該異常區(qū)域的外墻保溫層和飾面進行了現(xiàn)場取樣驗證，同時在正常外墻墻面也取下幾處飾面磚進行對比。

敲開紅外低溫異常區(qū)域，可見該外飾面磁磚(圖3(a))異常區(qū)域基本未作保溫處理，僅僅只有一般的普通水泥砂漿；在此處取出部分水泥砂漿(見圖3(b))，可見該處水泥砂漿僅含極少量的聚苯顆粒，與規(guī)范要求的保溫材料相差甚遠。圖3(c)為取下的紅外檢測顯示正常區(qū)域的外墻保溫材料，可見其聚苯顆粒正常，符合國家強制性標準，為合格的保溫材料。

圖3 紅外熱成像檢測現(xiàn)場驗證圖

經(jīng)現(xiàn)場驗證表明：紅外檢測顯示的低溫異常區(qū)域的外墻未進行保溫處理(或者說保溫材料存在嚴重的質(zhì)量問題)，建筑物達不到保溫效果，外墻存在嚴重的質(zhì)量缺陷；而紅外檢測顯示的正常區(qū)域，外墻保溫材料合適，保溫效果良好。同時，也證明了紅外熱成像技術(shù)在外墻飾面檢測中的準確可靠性。

3 紅外熱成像檢測技術(shù)的綜合分析

3.1 可靠性分析

為了進一步驗證紅外檢測技術(shù)的可靠性，收集并整理了近年來紅外檢測的實際案例進行分析，結(jié)果如表1如示。

從表1列出的幾個案例可看出，對一些外保溫層存在明顯缺陷或建筑外墻飾面層存在質(zhì)量問題的區(qū)域，運用紅外熱成像技術(shù)可以很容易地區(qū)分出來，判別準確，可靠性好。

3.2 靈敏度分析

紅外外墻檢測的靈敏度主要與外墻日照強度有關(guān)。由于檢測儀接收外墻發(fā)出的紅外線，故受太陽輻射量變化的影響較大。為了能掌握紅外檢測受太陽輻射影響的程度，分析紅外檢測的靈敏度，特選擇了某建筑物的某處外飾面磁磚存在空鼓的外墻，分時間段進行了系列觀測，觀測結(jié)果如表2所示(其建筑立面的朝向為西)。

從表2可看出，對同一處存在質(zhì)量問題的外墻，在不同的時間段，紅外觀測得到的溫差值差別較大:其中下午15:30時刻觀測得到的溫差值最大，其檢測靈敏度最高，檢測效果明顯;早晚時段溫差值較小，可能無法有效區(qū)分。故應(yīng)用紅外熱成像法進行外墻檢測時，還應(yīng)根據(jù)建筑立面的朝向選擇合適的檢測時間。外墻紅外檢測的靈敏度除了與外墻日照強度(外墻表面紅外輻射能量大小)有關(guān)外，還與環(huán)境濕度、拍攝角度、拍攝距離、外墻材料及儀器精度等有關(guān)。

表1 紅外檢測可靠性分析

表2 不同時間段紅外檢測效果統(tǒng)計

3.3 檢測條件要求

因外墻紅外檢測主要是接收外墻發(fā)出的紅外線，檢測效果除了與上述分析的檢測時間段、環(huán)境濕度、拍攝角度及距離有關(guān)外，還與天氣、外墻的狀態(tài)等條件有關(guān)。例如在雨天不能進行檢測；多云天氣，一般情況下正常部位與質(zhì)量缺陷部位溫度差不超過0.5 ℃，此時進行紅外檢測，很容易出現(xiàn)誤判、漏判現(xiàn)象；雨后，外墻表面淋濕，外飾面不均勻含水，雨水有可能從裂縫浸入墻體空鼓部分，此時進行檢測，其外墻的紅外特征差距不大，無法準確區(qū)分出是否存在缺陷，在雨水蒸發(fā)過程中進行檢測也可能會引起誤判。因此，下雨后，應(yīng)在墻壁完全干燥后再進行檢測，夏季最好在連續(xù)天晴三天后開始檢測，其他季節(jié)最好在連續(xù)天晴一周后再進行檢測[10]；對于涉及沾污部位、陰影部位及有熱源的影響部位(如掛有空調(diào)外機)、特殊部位(陽臺側(cè)面)等，因其受外界影響較大，也易形成誤判，故進行紅外檢測時應(yīng)特別注意檢測條件情況，如有必要可輔助其他手段進行驗證。

綜上所述，采用紅外熱成像技術(shù)進行外墻檢測時，如果外界檢測條件較好，檢測時間段選擇合理，是能夠獲得可靠、準確的檢測結(jié)果的。

4 結(jié)語

紅外成像檢測方法的使用，使得建筑外墻的檢測驗收逐步變得客觀公正，解決了以前僅憑肉眼觀察、人工敲擊等有限的局部試驗進行判斷，檢測量有限、代表性不足等問題。從技術(shù)上來說，紅外熱成像檢測技術(shù)具有檢測靈敏度高、檢測結(jié)果可靠性好等優(yōu)勢；從成本上來說，其具有檢測覆蓋范圍廣、無損、檢測效率高等優(yōu)勢；同時，還具有非接觸的特點，可有效避免檢測中的安全事故，是工程檢測技術(shù)領(lǐng)域中的跨越式進步。該技術(shù)除了可應(yīng)用于外墻質(zhì)量的檢測外，還可應(yīng)用于高壓線路電纜的損傷檢測、瀝青路面攤鋪質(zhì)量的現(xiàn)場實時監(jiān)測、滲水檢查等多個領(lǐng)域。

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[10] JGJ/T 277-2012 紅外熱像法檢測建筑外墻飾面粘結(jié)質(zhì)量技術(shù)規(guī)程[S].

Application of IR Thermography Technique on Building Exterior Wall Detection

CAO Ping-hua

(No.5 Geological Team of Jiangxi Nonferrous Metals Geological Exploration, Jiujiang 332000, China)

The IR thermography technique as a new kind of non destructive testing technology, had been applied in the field of engineering construction detection and monitoring in initial stage. Taking the detection of a high-rise building exterior finishes construction quality as an example, the application of infrared thermal imaging technology in the detection of building exterior wall was introduced and by combining with other cases, the reliability, sensitivity and detection conditions of the technology were analyzed. The results show that if the external detection condition is well satisfied and the detection time is reasonably selected, the infrared thermal imaging technology can reliably and accurately detect the construction quality of the wall.

IR thermography technique; Exterior wall; Detection; Temperature

2016-05-06

曹平華(1975-)，男，高級工程師，主要從事工程檢測、工程物探及礦產(chǎn)物探工作。

曹平華，E-mail: abc7535@126.com。

10.11973/wsjc201702007

TG115.28

A

1000-6656(2017)02-0026-04