住宅建筑外墻缺陷紅外成像法檢測(cè)研究
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摘要：外墻飾面脫落事故近期時(shí)有發(fā)生，危及人民生命和財(cái)產(chǎn)安全，及時(shí)發(fā)現(xiàn)外墻安全隱患尤為重要，亟需快速安全的檢測(cè)方法。紅外檢測(cè)外墻缺陷具有實(shí)時(shí)、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(cè)外墻缺陷的原理，根據(jù)在外墻缺陷檢測(cè)中的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)紅外檢測(cè)法中應(yīng)注意的問(wèn)題，如檢測(cè)時(shí)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(cè)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(jì)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(lái)設(shè)計(jì)新建的住宅，根據(jù)國(guó)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(guó)各地建筑工程外墻保溫層脫落等事故時(shí)有發(fā)生，如2019年5月，因大風(fēng)原因，呼和浩特新華東街萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)6號(hào)樓外墻保溫層脫落，砸傷一名過(guò)路男性。2019年8月，臺(tái)風(fēng)過(guò)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(shì)過(guò)重不幸離世。針對(duì)這種情況，上海、湖南、浙江、鄭州等地陸續(xù)出臺(tái)相關(guān)規(guī)定，對(duì)無(wú)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(shí)間增加，外墻保溫層剝落的危險(xiǎn)也逐年增大。外墻外保溫脫落嚴(yán)重影響居民生命財(cái)產(chǎn)安全，為消除外墻飾面隱患，應(yīng)及時(shí)排查外墻空鼓等缺陷，及早治理，防患于未然。針對(duì)外墻存在的空鼓等缺陷，常用方法有目測(cè)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(cè)方法(目測(cè)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(cè)、結(jié)果直觀等優(yōu)點(diǎn)，為現(xiàn)代無(wú)損檢測(cè)技術(shù)注入了新的活力,在建筑外墻飾面粘貼質(zhì)量檢測(cè)方面具有廣闊的應(yīng)用前景。袁仁續(xù)[1]介紹了我國(guó)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(cè)、材料傳熱參數(shù)的檢測(cè)、結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷檢測(cè)、建筑節(jié)能監(jiān)測(cè)、建筑物飾面層粘貼質(zhì)量的檢測(cè)、建筑物滲漏檢測(cè)中的研究進(jìn)展，[2]給出了確定缺陷深度的兩種紅外檢測(cè)方法,同時(shí)給出由紅外熱像確定缺陷尺寸的方法。我們?cè)诮陮?duì)住宅小區(qū)的外墻安全排查工作中，也采用紅外成像檢測(cè)法，取得了很好的效果。
1紅外檢測(cè)法的基本原理
紅外線是介于微波和可見(jiàn)光之間的一種電磁波。任何溫度高于絕對(duì)溫度在物體都會(huì)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(duì)應(yīng)一定的溫度，且可根據(jù)顏色的深淺來(lái)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(shí)候，對(duì)無(wú)缺陷的物體，在熱傳導(dǎo)過(guò)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(shí)候比如在白天，經(jīng)熱傳導(dǎo)一定時(shí)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(cè)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(cè)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(shí)，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(shí)段缺陷部位的“熱點(diǎn)”和“冷點(diǎn)”效應(yīng)，疊加檢測(cè)結(jié)果，可以有效提高紅外成像法檢測(cè)外墻缺陷的精度。
2紅外成像法檢測(cè)的特點(diǎn)
建筑外墻主要缺陷是空鼓和滲漏。紅外成像檢測(cè)外墻缺陷的基本原理是通過(guò)墻體表面輻射溫度的差異來(lái)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(yáng)照射時(shí)，一般來(lái)說(shuō)，有空鼓部分升溫比沒(méi)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(duì)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(lái)判定外墻缺陷的類型。
2.1拍攝時(shí)間
太陽(yáng)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(shí)，缺陷才有可能被辨識(shí)。如果太陽(yáng)照射在墻面的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短，這種缺陷將不可能被識(shí)別。因此選取合適的時(shí)間進(jìn)行紅外成像檢測(cè)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(shí)間的關(guān)系，可幫助我們確定有效的檢測(cè)時(shí)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(shí)間。關(guān)于紅外熱成像的檢測(cè)時(shí)間，《紅外熱成像法檢測(cè)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(cè)要求》（JGT269-2010）[4]中都有推薦時(shí)間的相關(guān)條款，上海地區(qū)夏季紅外檢測(cè)推薦時(shí)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(shí)間主要是根據(jù)上海地區(qū)夏季不同時(shí)刻的太陽(yáng)高度角得出的，除了考慮這些時(shí)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(shí)間。根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)北立面外墻不能得到好的結(jié)果，主要原因是北立面沒(méi)有熱量的輸入過(guò)程，難以形成明顯的“熱點(diǎn)”。因此，我們建議對(duì)于北立面，應(yīng)采取其他有效檢測(cè)方法來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。
2.2拍攝角度
采用紅外熱像儀檢測(cè)外墻空鼓時(shí)，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(cè)角度從90°變化到0°，熱像儀接收到的能量會(huì)減小。在水平距離一定時(shí)，隨著觀測(cè)仰角的增大，建筑物與紅外熱像儀的距離會(huì)變大，量透過(guò)大氣被熱像儀接收的輻射能量會(huì)減小，這樣會(huì)使檢測(cè)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(duì)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(guò)程中，可以利用相鄰樓棟來(lái)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?yàn)樽背蠒r(shí)，北立面基本無(wú)法受到陽(yáng)光直射,只有環(huán)境溫度的變化會(huì)影響缺陷部位溫度和周圍墻體的差異，紅外成像檢測(cè)缺陷誤差較大，無(wú)法采用紅外熱成像方法進(jìn)行檢測(cè)。部分高端小區(qū)綠化率較高，樹(shù)木會(huì)房屋的部分立面，同樣無(wú)法采用紅外熱成像法進(jìn)行檢測(cè)（如圖3）。此時(shí)應(yīng)采用傳統(tǒng)方法，例如錘擊法，進(jìn)行檢測(cè)。
2.4外墻做法
對(duì)采用XPS板等保溫板材料的外墻，對(duì)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(shí)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(cè)結(jié)果，但對(duì)保溫板外部的飾面與保溫板之間的空鼓等可以得到檢測(cè)結(jié)果。
3案例分析
圖427#樓東立面空鼓檢測(cè)結(jié)果（左圖為可見(jiàn)光照片，中間為2018年檢測(cè)紅外熱成像照片，右圖為2020年檢測(cè)紅外熱成像照片，紅色區(qū)域?yàn)榭展膮^(qū)域）圖524#樓西立面空鼓檢測(cè)結(jié)果（左圖為可見(jiàn)光照片，中間為2018年檢測(cè)紅外熱成像照片，右圖為2020年檢測(cè)紅外熱成像照片，紅色區(qū)域?yàn)榭展膮^(qū)域）圖65#樓西立面空鼓檢測(cè)結(jié)果（左圖為可見(jiàn)光照片，中間為2018年檢測(cè)紅外熱成像照片，右圖為2020年檢測(cè)紅外熱成像照片，紅色區(qū)域?yàn)榭展膮^(qū)域）某公共租賃住房一期項(xiàng)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(guò)程中，房屋外墻存在明顯的開(kāi)裂和空鼓現(xiàn)象，2018年6月采用紅外熱像法對(duì)外墻空鼓情況進(jìn)行檢測(cè)，后根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)空鼓區(qū)域進(jìn)行過(guò)修繕。修繕采用的措施主要為：對(duì)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(kāi)放透氣晾曬，確保基層與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(duì)外墻空鼓情況進(jìn)行檢測(cè)，部分檢測(cè)照片見(jiàn)圖4~圖6。對(duì)比2018年和2020年紅外熱成像檢測(cè)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(cè)右下角空鼓區(qū)域），也有部分與原空鼓區(qū)域無(wú)明顯聯(lián)系（如圖3.2中2020年檢測(cè)左下角空鼓區(qū)域）。由上述情況可推測(cè)，外墻外保溫空鼓是一個(gè)整體的、系統(tǒng)性的問(wèn)題，一旦某個(gè)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(shí)間推移，缺陷逐漸變嚴(yán)重，從輕微脫開(kāi)變?yōu)榫植靠展摹㈤_(kāi)裂。針對(duì)外墻外保溫的損傷，采用局部修繕的措施無(wú)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(shí)間后，仍會(huì)發(fā)展至空鼓、開(kāi)裂的狀態(tài)。這是在今后工作中特別值得重視的問(wèn)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(cè)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(duì)于房屋在使用過(guò)程中的安全管控具有重要意義。2.外墻外保溫缺陷隨著時(shí)間推移逐漸發(fā)展嚴(yán)重，應(yīng)定期對(duì)外墻缺陷進(jìn)行檢測(cè)，建議每1~2年檢測(cè)一次。3.外墻外保溫檢測(cè)應(yīng)注意紅外熱像檢測(cè)法的適用條件并應(yīng)于其他各種檢測(cè)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(duì)紅外熱成像檢測(cè)的盲區(qū)，例如北立面、綠化遮擋區(qū)域等進(jìn)行檢測(cè)。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(cè)精度。
參考文獻(xiàn)
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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
