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住宅建筑外墙缺陷红外成像法检测的应用研究

所属栏目:建筑设计论文 发布日期:2021-07-15 09:48 热度:

   建筑外墙是指房屋外围的墙体,包含墙体结构本身和墙体结构外侧的装饰物和附着物,如外墙外保温系统、外墙石(金属、玻璃等)材挂板、黏贴马赛克等。住宅建筑的外墙起着保温隔热防雨等作用,在目前的建筑设计中,除清水建筑外墙体的装饰物和附着物是必不可少的,特别今年来设计新建的住宅,根据国家建筑节能发展的需要,建筑外墙均设有保温隔热层。由于保温材料存在的先天缺陷,全国各地建筑工程外墙保温层脱落等事故时有发生,如2019年5月,因大风原因,呼和浩特新华东街万达广场6号楼外墙保温层脱落,砸伤一名过路男性。2019年8月,台风过境江苏,南京江北新区的绿地悦峰公馆一栋楼的半面外墙外保温脱落,面积达一百多平方米。2021年3月22日,上海一幢居民楼的外墙粉刷层发生部分脱落,殃及一位路人因伤势过重不幸离世。针对这种情况,上海、湖南、浙江、郑州等地陆续出台相关规定,对无机保温砂浆、外部粘贴式保温板等限制使用。尽管如此,已经采用保温砂浆等技术建造的住宅已经有大量的存量房。随着使用时间增加,外墙保温层剥落的危险也逐年增大。外墙外保温脱落严重影响居民生命财产安全,为消除外墙饰面隐患,应及时排查外墙空鼓等缺陷,及早治理,防患于未然。针对外墙存在的空鼓等缺陷,常用方法有目测法、锤击法、红外热像法以及超声波激振法等。与传统的检测方法(目测法、锤击法)相比,红外热像技术具有非接触、远距离、快速、大面积检测、结果直观等优点,为现代无损检测技术注入了新的活力,在建筑外墙饰面粘贴质量检测方面具有广阔的应用前景。袁仁续[1]介绍了我国研究人员利用红外热像技术进行材料内部缺陷检测、材料传热参数的检测、结构内部损伤检测、建筑节能监测、建筑物饰面层粘贴质量的检测、建筑物渗漏检测中的研究进展,[2]给出了确定缺陷深度的两种红外检测方法,同时给出由红外热像确定缺陷尺寸的方法。我们在近二年对住宅小区的外墙安全排查工作中,也采用红外成像检测法,取得了很好的效果。

住宅建筑外墙缺陷红外成像法检测的应用研究

  1红外检测法的基本原理

  红外线是介于微波和可见光之间的一种电磁波。任何温度高于绝对温度在物体都会发出红外射线。红外热像仪摄取的红外图像的每一点都对应一定的温度,且可根据颜色的深浅来判断温度的高低,相同颜色表示温度相同。在光照和热流注入是均匀的时候,对无缺陷的物体,在热传导过程中,正面和背面的温度分布始终是均匀的。在光照和热流注入是均匀的时候比如在白天,经热传导一定时间后,正面和背面的温度分布是不均匀的,因在缺陷处热量堆积,使得从正面测得有缺陷处的表面温度较高,形成“热点”(图1(a));在晚上,墙体处于放热状态,使得从正面测得有缺陷处的表面温度较低,形成“冷点”(图1(b))。当外墙各层直接存在间隙,或导热系数存在差异,红外辐射温度存在不同,当采用红外热像仪拍摄时,可以明显区分各区域温度的差异,从而判断外墙外保温层存在间隙或缺陷的区域。利用不同时段缺陷部位的“热点”和“冷点”效应,叠加检测结果,可以有效提高红外成像法检测外墙缺陷的精度。

  2红外成像法检测的特点

  建筑外墙主要缺陷是空鼓和渗漏。红外成像检测外墙缺陷的基本原理是通过墙体表面辐射温度的差异来区分示范是否有空鼓存在。由于吸热速率不同,在受到太阳照射时,一般来说,有空鼓部分升温比没有空鼓部分升温更快,在红外热像的表现是空鼓部位温度比周围未空鼓部分要高,而对于渗漏部分由于水的存在,在红外热像的表现则是温度比周围未渗漏部分要低。因此,可以据此来判定外墙缺陷的类型。

  2.1拍摄时间

  太阳辐射热在外墙中是逐渐堆聚的。当堆聚的热量产生的外墙表面辐射温度可以被红外图像分辨时,缺陷才有可能被辨识。如果太阳照射在墙面的时间过长或过短,这种缺陷将不可能被识别。因此选取合适的时间进行红外成像检测是十分重要的。如图1所示的春分日南墙面不同缺陷深度的表面温度差异和时间的关系,可帮助我们确定有效的检测时段。图中数字为缺陷至表面的深度,纵坐标为温差,横坐标为时间。关于红外热成像的检测时间,《红外热成像法检测建筑外墙饰面层粘结缺陷技术规程》(CECS204-2006)[3]和《建筑红外热像检测要求》(JGT269-2010)[4]中都有推荐时间的相关条款,上海地区夏季红外检测推荐时间为:东立面8:00~9:00、南立面11:00~13:00、西立面15:00~16:00。以上时间主要是根据上海地区夏季不同时刻的太阳高度角得出的,除了考虑这些时间外,还应考虑房屋楼栋的朝向和风向等影响。在上述规程中,还建议了北立面的拍摄时间。根据我们的经验,对北立面外墙不能得到好的结果,主要原因是北立面没有热量的输入过程,难以形成明显的“热点”。因此,我们建议对于北立面,应采取其他有效检测方法来进行检测。

  2.2拍摄角度

  采用红外热像仪检测外墙空鼓时,拍摄角度的控制非常重要,物体正面的辐射能量是最大的,随着观测角度从90°变化到0°,热像仪接收到的能量会减小。在水平距离一定时,随着观测仰角的增大,建筑物与红外热像仪的距离会变大,量透过大气被热像仪接收的辐射能量会减小,这样会使检测的精度下降[5]。相应规范规定拍摄的仰角应控制在45°以内,水平倾角应控制在30°以内。图2为对同一栋楼西立面不同区域的拍摄情况,左图拍摄角度约为60°,有图拍摄角度约为10°,可以看出,仰角60°的情况下,红外成像的精度较低,温度区块的边缘较模糊。在实际操作过程中,可以利用相邻楼栋来改善拍摄角度。

  2.3房屋朝向及绿化遮挡

  特别需要注意的是,当房屋朝向为坐北朝南时,北立面基本无法受到阳光直射,只有环境温度的变化会影响缺陷部位温度和周围墙体的差异,红外成像检测缺陷误差较大,无法采用红外热成像方法进行检测。部分高端小区绿化率较高,树木会房屋的部分立面,同样无法采用红外热成像法进行检测(如图3)。此时应采用传统方法,例如锤击法,进行检测。

  2.4外墙做法

  对采用XPS板等保温板材料的外墙,对保温板与墙体之间的空鼓,由于保温板本身导热系数很低,这种温差在外表面不能形成可以被红外热像仪识别的“热点”,采用红外成像方法不能得出保温板与外墙结构之间空鼓部位的检测结果,但对保温板外部的饰面与保温板之间的空鼓等可以得到检测结果。

  3案例分析

  图427#楼东立面空鼓检测结果(左图为可见光照片,中间为2018年检测红外热成像照片,右图为2020年检测红外热成像照片,红色区域为空鼓区域)图524#楼西立面空鼓检测结果(左图为可见光照片,中间为2018年检测红外热成像照片,右图为2020年检测红外热成像照片,红色区域为空鼓区域)图65#楼西立面空鼓检测结果(左图为可见光照片,中间为2018年检测红外热成像照片,右图为2020年检测红外热成像照片,红色区域为空鼓区域)某公共租赁住房一期项目共39栋住宅楼及部分公建配套用房,工程于2013年左右竣工并投入使用。后期使用过程中,房屋外墙存在明显的开裂和空鼓现象,2018年6月采用红外热像法对外墙空鼓情况进行检测,后根据检测结果对空鼓区域进行过修缮。修缮采用的措施主要为:对空鼓面积大于0.5m2的空鼓区域,大范围铲除重做。其余较为分散的小于0.5m2的空鼓区域,局部割掉外保温材料,开放透气晾晒,确保基层与外保温层界面干燥后,用界面砂浆处理,再用相同的保温材料进行修补或者采取附加锚栓的方式进行加固。2020年8月,发现外墙外保温仍存在局部空鼓情况,再次采用红外热像法对外墙空鼓情况进行检测,部分检测照片见图4~图6。对比2018年和2020年红外热成像检测结果,多数区域修缮后不再出现空鼓情况(如图3.1和图3.2),也存在局部区域修缮后仍出现了空鼓情况(如图3.3)。新增的空鼓区域中,一部分与原空鼓区域存在一定的联系,位于原空鼓区域周边(如图3.1和图3.2中2020年检测右下角空鼓区域),也有部分与原空鼓区域无明显联系(如图3.2中2020年检测左下角空鼓区域)。由上述情况可推测,外墙外保温空鼓是一个整体的、系统性的问题,一旦某个墙面出现了局部的空鼓,同批建造的、施工工艺相同的其他区域外保温也存在着缺陷,随着时间推移,缺陷逐渐变严重,从轻微脱开变为局部空鼓、开裂。针对外墙外保温的损伤,采用局部修缮的措施无法保证外墙系统正常工作,已修缮的部分短期内可正常使用,但其他区域的缺陷仍在发展中,一段时间后,仍会发展至空鼓、开裂的状态。这是在今后工作中特别值得重视的问题。

  4小结

  根据工程实践结果,取得以下结论:1.采用红外热像法检测建筑外墙空鼓具有快速、非接触的特点,结果可以有效判定外墙的空鼓情况,对于房屋在使用过程中的安全管控具有重要意义。2.外墙外保温缺陷随着时间推移逐渐发展严重,应定期对外墙缺陷进行检测,建议每1~2年检测一次。3.外墙外保温检测应注意红外热像检测法的适用条件并应于其他各种检测方法相结合,可以采用红外热成像方法进行大范围的普查,采用锤击法对红外热成像检测的盲区,例如北立面、绿化遮挡区域等进行检测。在白天和晚上分别拍摄“热点”和“冷点”图像,也可以很好地提高检测精度。

  参考文献

  [1]袁仁续,赵鸣,红外热像技术在无损检测中的应用研究进展[J].福州大学学报(自然科学版),2005,33(z1):203-207.

  [2]王永茂,郭兴旺,李日华,等.缺陷大小和深度的红外检测[J].无损检测,2003,(9).458-461.

  [3]CECS204-2006.红外热像法检测建筑外墙饰面层粘结缺陷技术规程[S].中国工程建设标准化协会标准,2006.

  [4]JGT269-2010.建筑红外热像检测要求[S].中华人民共和国建筑工业行业标准.2010.

  [5]孙丽,宦克为.距离对红外热像仪测温精度的影响及矫正方法研究[J].长春理工大学学报(自然科学版),2008,25(3):33-35.

  《住宅建筑外墙缺陷红外成像法检测的应用研究》来源:《四川水泥》,作者:卞征宇

文章标题:住宅建筑外墙缺陷红外成像法检测的应用研究

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