红外热成像技术在建筑外墙检测中的应用

曹平华

(江西有色地质勘查五队， 九江 332000)

红外热成像技术在建筑外墙检测中的应用

曹平华

(江西有色地质勘查五队， 九江 332000)

红外热成像技术作为一种全新的无损检测技术，在工程建设检测、监测领域的应用处于起步阶段。以某高层建筑外墙饰面施工质量检测为例，介绍了红外热成像技术在建筑外墙检测中的应用；并结合其他案例，对该技术的可靠性、灵敏度和检测条件进行了分析。结果表明，如果外界检测条件较好，检测时间段选择合理，采用红外热成像技术可以可靠、准确地对建筑外墙的质量进行检测，可为房屋建筑的验收或饰面质量的普查提供可靠的依据。

红外热成像；外墙；检测；温度

我国的建筑物外墙一般都要求做饰面工程，但近年来饰面砖、饰面砂浆等外墙饰面材料塌落的事故时有发生，甚至发生了多起人员伤亡的事故[1]。为了提高全国建筑物外墙饰面工程质量，建设部先后发布了《建筑工程饰面砖粘结强度检验标准》和《外墙外保温工程技术规程》。这些标准的发布虽然对饰面施工质量的控制起到了很大的作用，但是标准中规定的检验方法属于局部破损试验，试验时对抽样数量也有一定的限制，而且实施时需要安装脚手架。故这种方法对于新建大面积饰面工程和已使用多年的建筑外墙面的质量检查来说，存在很大的困难，即便检查，抽样数量也很少，不具备全面性。

在这种背景下，工程检测界希望找到一种能够大面积普查建筑外墙饰面质量，而又不损伤饰面材料的方法。近年来，研究发现运用红外热成像技术，可以通过检查外墙表面温度分布，来检测建筑外墙饰面的质量；且该方法不需要脚手架，还可进行快速、非接触、大面积的普查[2]。鉴于红外热成像技术的优点，研究人员对其在建筑饰面工程中应用的可行性方面做了大量的试验研究工作。

笔者以某高层建筑外墙饰面施工质量检测为例，介绍了红外热成像技术在建筑外墙检测中的应用；并结合其他案例，对该技术的可靠性、灵敏度和检测条件进行了分析。

1 红外热成像技术的原理

自然界所有温度高于绝对零度的物体都在不断向外界四周空间发出辐射能量(红外线)，建筑物外墙也同样如此[3]。物体的红外辐射特性与它的表面温度有着十分密切的关系;因此通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定物体表面的温度，这就是红外辐射测温所依据的理论基础。其实，红外辐射是一种波长介于微波和可见光之间的电磁波段，通常人们又称其为红外线或红外光，其波长范围在0.75 μm～1 mm[4-5]。

红外成像检测是一种应用红外热成像原理来探测建筑外墙表面辐射能量的大小，通过测定建筑外墙表面的温度分布，从而判断外墙保温层是否存在缺陷的一种诊断方法。

1964年世界上第一套工业用红外热像仪在瑞典研制成功[6]，两年后，瑞典人运用红外热像技术进行建筑物节能保温性能的检测，美国、德国等多个国家的研究人员随后也进行了这方面的研究工作[7]，我国的红外检测技术开始于1979年[6]。近年来，我国多个部门先后发布了红外检测系列国家或行业标准，建立了红外资质认证培训中心，并研发了相应的红外检测仪器，为红外检测在国内的推广提供了有力支撑[8-9]。

建筑外墙保温层由于施工质量原因，易出现两类质量缺陷，一类是保温层所用的材料质量不达标或用量少，达不到预期的保温效果；另一类是局部(主要是井子架及人货电梯预留孔、塔吊连接处)外墙面在后期修补时未做保温层。建筑外墙饰面砖粘贴时，也易出现两类质量缺陷:一类是施工单位偷工减料，导致外饰面砖粘贴的砂浆不饱满，人为造成外饰面砖与墙体之间存在空鼓现象；另一类是由于粘贴外饰面砖采用的水泥砂浆配合比不当，造成粘贴不牢固，易在外饰面砖与墙体之间形成空鼓。有些老旧建筑，其外饰面长期日晒雨淋，在外饰面砖与墙体之间也易形成空鼓。

当建筑外墙进行了保温处理，如保温层质量可靠，相当于在外饰面砖与墙体之间存在一个充满空气的隔离面板，具有较好的隔热性，因此，在太阳光照射下，外墙表面与墙体之间的热传递少；如果外墙局部区域的保温层存在一定的缺陷或未作保温处理，在太阳光的照射下，当外墙表面的温度高于墙体温度时，热量很快会从外墙表面向内部传递，故保温层存在缺陷区域的外墙表面的温度会比周围正常部位低。与之类似，如果外墙局部饰面砖粘贴存在质量缺陷，或老旧建筑外饰面砖与墙体间存在空鼓情况，在太阳光照射下，其外墙表面温度比周围正常部位高。建筑外墙红外成像检测原理示意如图1所示。

图1 建筑外墙红外成像检测原理示意

2 工程应用实例

中国南方某城市新建的一酒店为高层建筑，该建筑采用全框架结构，其外墙采用聚苯颗粒进行保温处理，最外层用磁砖作饰面层。根据施工单位提交的施工资料，该工程的保温层施工完全符合国家行业标准JGJ 144-2004《外墙外保温工程技术规程》的相关要求。在进行建筑外墙质量验收时，应业主要求，采用红外热成像法对建筑外墙饰面材料粘接质量和外保温层的施工情况进行了全面检测。现对检测中发现的问题进行简单介绍。

现场检测是在外墙饰面全部完工，脚手架已拆除且室内装饰正在进行，酒店未正式投入使用前进行的，检测时间为春季的3月份，白天日平均气温均超过10 ℃，检测前一周当地天气一直晴好，检测当天外墙墙面日照充足，空气湿度低，有微风。根据建筑的朝向特点，东、西面外墙分别在上午和下午进行检测，南、北两外墙检测时间为中午。检测范围覆盖了整栋建筑的所有外墙饰面。

现场检测时，根据检测区域的不同，在每侧外墙上均设置了多个检测拍摄点，并要求拍摄距离尽量控制在50 m以内，红外热像仪观察方向与外墙饰面层发射表面法向方向的夹角一般小于35°；部分区域的少数检测拍摄点，拍摄距离大于50 m时，均在红外热像仪上加装了长焦距的镜头。对每个检测点，根据红外拍摄的范围使用高分辨率的相机拍摄了可见光照片，并对红外热像仪和相机拍摄的照片进行了统一编号，以免出现错误。在正式检测前，根据被检测外墙表面的发射率，对红外热像仪进行了调试，以保证检测工作能正常开展。

现场测试采用的设备为日本生产的NEC红外热成像仪，其温度分辨率可达0.03 ℃，精度完全能满足外墙检测的精度要求。

检测结果表明:该建筑外墙绝大部分区域保温和饰面工程质量良好，仅有局部出现异常，存在质量问题。其检测照片和可见光照片示例如图2所示。

图2 某酒店红外热成像检测照片和可见光照片示例

此建筑的外墙保温层采用的是聚苯颗粒，饰面层为磁砖。从图2(a)中可以看出，其外墙大部分区域温度相近，窗户位置由于结构不同，显示出一定的高温现象，而轮廓非常清晰，可以非常容易地看清各窗户的具体情况，而且还可以很准确地判别出各窗户的玻璃状态，表明红外成像效果明显。

在图2(a)右侧中下部有一明显的不规则低温区域，其温度相对于周围外墙的温度低2～3 ℃，根据红外成像理论，可判定其外墙质量存在一定的缺陷。而从图2(b)可见光照片上看，其外墙整洁、美观，作为外饰面的磁砖粘贴效果良好，看不出任何质量问题。综合两张照片的显示结果，结合工程的特点，基本可认定外保温层存在质量缺陷或缺失(如果是外饰面层磁砖的粘贴存在质量问题，其红外图片上应表现为局部的高温异常)。

但根据施工方提交的施工记录，未能查明原因，为了对工程质量负责，在业主、监理、施工单位三方的见证下，对该异常区域的外墙保温层和饰面进行了现场取样验证，同时在正常外墙墙面也取下几处饰面砖进行对比。

敲开红外低温异常区域，可见该外饰面磁砖(图3(a))异常区域基本未作保温处理，仅仅只有一般的普通水泥砂浆；在此处取出部分水泥砂浆(见图3(b))，可见该处水泥砂浆仅含极少量的聚苯颗粒，与规范要求的保温材料相差甚远。图3(c)为取下的红外检测显示正常区域的外墙保温材料，可见其聚苯颗粒正常，符合国家强制性标准，为合格的保温材料。

图3 红外热成像检测现场验证图

经现场验证表明：红外检测显示的低温异常区域的外墙未进行保温处理(或者说保温材料存在严重的质量问题)，建筑物达不到保温效果，外墙存在严重的质量缺陷；而红外检测显示的正常区域，外墙保温材料合适，保温效果良好。同时，也证明了红外热成像技术在外墙饰面检测中的准确可靠性。

3 红外热成像检测技术的综合分析

3.1 可靠性分析

为了进一步验证红外检测技术的可靠性，收集并整理了近年来红外检测的实际案例进行分析，结果如表1如示。

从表1列出的几个案例可看出，对一些外保温层存在明显缺陷或建筑外墙饰面层存在质量问题的区域，运用红外热成像技术可以很容易地区分出来，判别准确，可靠性好。

3.2 灵敏度分析

红外外墙检测的灵敏度主要与外墙日照强度有关。由于检测仪接收外墙发出的红外线，故受太阳辐射量变化的影响较大。为了能掌握红外检测受太阳辐射影响的程度，分析红外检测的灵敏度，特选择了某建筑物的某处外饰面磁砖存在空鼓的外墙，分时间段进行了系列观测，观测结果如表2所示(其建筑立面的朝向为西)。

从表2可看出，对同一处存在质量问题的外墙，在不同的时间段，红外观测得到的温差值差别较大:其中下午15:30时刻观测得到的温差值最大，其检测灵敏度最高，检测效果明显;早晚时段温差值较小，可能无法有效区分。故应用红外热成像法进行外墙检测时，还应根据建筑立面的朝向选择合适的检测时间。外墙红外检测的灵敏度除了与外墙日照强度(外墙表面红外辐射能量大小)有关外，还与环境湿度、拍摄角度、拍摄距离、外墙材料及仪器精度等有关。

表1 红外检测可靠性分析

表2 不同时间段红外检测效果统计

3.3 检测条件要求

因外墙红外检测主要是接收外墙发出的红外线，检测效果除了与上述分析的检测时间段、环境湿度、拍摄角度及距离有关外，还与天气、外墙的状态等条件有关。例如在雨天不能进行检测；多云天气，一般情况下正常部位与质量缺陷部位温度差不超过0.5 ℃，此时进行红外检测，很容易出现误判、漏判现象；雨后，外墙表面淋湿，外饰面不均匀含水，雨水有可能从裂缝浸入墙体空鼓部分，此时进行检测，其外墙的红外特征差距不大，无法准确区分出是否存在缺陷，在雨水蒸发过程中进行检测也可能会引起误判。因此，下雨后，应在墙壁完全干燥后再进行检测，夏季最好在连续天晴三天后开始检测，其他季节最好在连续天晴一周后再进行检测[10]；对于涉及沾污部位、阴影部位及有热源的影响部位(如挂有空调外机)、特殊部位(阳台侧面)等，因其受外界影响较大，也易形成误判，故进行红外检测时应特别注意检测条件情况，如有必要可辅助其他手段进行验证。

综上所述，采用红外热成像技术进行外墙检测时，如果外界检测条件较好，检测时间段选择合理，是能够获得可靠、准确的检测结果的。

4 结语

红外成像检测方法的使用，使得建筑外墙的检测验收逐步变得客观公正，解决了以前仅凭肉眼观察、人工敲击等有限的局部试验进行判断，检测量有限、代表性不足等问题。从技术上来说，红外热成像检测技术具有检测灵敏度高、检测结果可靠性好等优势；从成本上来说，其具有检测覆盖范围广、无损、检测效率高等优势；同时，还具有非接触的特点，可有效避免检测中的安全事故，是工程检测技术领域中的跨越式进步。该技术除了可应用于外墙质量的检测外，还可应用于高压线路电缆的损伤检测、沥青路面摊铺质量的现场实时监测、渗水检查等多个领域。

[1] 毛欣荣，黄海峰，姜剑峰，等. 红外热成像技术在建筑物外墙饰面质量检测中的应用[J]. 工程质量，2010，28(增1)：50-52.

[2] 衡涛，江俊佳. 红外热成像仪对围护结构缺陷温度场变化规律的研究与分析[J]. 建筑节能，2015，43(6)：110-114.

[3] 黄新，王晓燕. 用红外热成像技术检测外墙空鼓时的影响因素分析[J]. 红外，2012，33(6)：38-41.

[4] 陆燕飞. 红外热像仪在建筑外墙饰面检测中的应用[J].江苏建材，2009，28(2)：39-40.

[5] 郭伟，董丽虹，徐滨士，等.主动红外热像无损检测技术的研究现状与进展[J]. 无损检测，2016，38(4)：58-66.[6] 程玉兰. 红外诊断技术与应用(一)[J]. 设备管理与维修，2003(9)：41-43.

[7] 蒋济同，徐华峰，吴景福. 红外热像法检测建筑物外墙外保温缺失的数值模拟[J]. 无损检测，2015，37(10)：39-46.

[8] 黄国扬，李健. 红外热成像技术在建筑节能检测中的应用[J]. 住宅科技，2010，30(1)：50-54.

[9] 李晓丽，金万平，张存林，等. 红外热波无损检测技术应用与进展[J]. 无损检测，2015，37(6)：19-23.

[10] JGJ/T 277-2012 红外热像法检测建筑外墙饰面粘结质量技术规程[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

曹平华(1975-)，男，高级工程师，主要从事工程检测、工程物探及矿产物探工作。

曹平华，E-mail: abc7535@126.com。

10.11973/wsjc201702007

TG115.28

A

1000-6656(2017)02-0026-04