红外热成像技术在建筑外墙检测中的应用及可靠性分析

hwyzw

    摘要

    红外热成像技术，作为一种新兴的无损检测手段，目前正处在工程建设检测与监测领域的初步应用阶段。以一栋高层建筑的外墙饰面施工质量检测为具体案例，阐述了红外热成像技术在建筑外墙检测方面的应用；同时，通过对比分析其他案例，对这一技术的可靠性、敏感度以及检测所需的条件进行了深入研究。研究显示，在外部检测环境优良、检测时段恰当的前提下，红外热成像技术能够对建筑外立面质量进行精确可靠的评估，从而为房屋验收或外墙饰面质量普查提供坚实可信的参考依据。

    我国建筑物的外立面普遍需要实施装饰工程，然而，近期饰面砖、饰面砂浆等外墙装饰材料脱落的事件频发，甚至导致了多起造成人员伤亡的严重事故。为此，我国建设部陆续出台了《建筑工程饰面砖粘结强度检测规范》以及《外墙外保温施工技术规范》，旨在提升全国范围内建筑物外墙装饰工程的整体质量。这些规范的颁布对于控制饰面施工质量有着显著影响，然而，其中所规定的检测手段仅限于局部破坏性试验，且在试验过程中对样本数量设定了限制，同时，实际操作还需搭建脚手架。因此，这种方法在针对新建设施的大面积饰面工程以及使用多年的建筑外墙进行质量检测时，面临着诸多挑战，即便进行检测，样本数量也极为有限，难以实现全面评估。

    在这种形势下，工程检测领域迫切寻求一种既能广泛调查建筑外墙装饰层质量，又不会对装饰材料造成损害的检测手段。近期的研究发现，采用红外热成像技术，能够通过对外墙表面温度分布的检测，评估建筑外墙装饰层的质量；此外，这种方法无需使用脚手架，并且能够实现快速、非接触式的大范围普查。考虑到红外热成像技术的诸多优势，科研人员对这一技术在建筑装饰工程领域的应用潜力进行了广泛的实验与探索。

    以某高层建筑的外墙装饰施工质量检验为案例，作者阐述了红外热成像技术在建筑外墙检验领域的运用；同时，通过引用其他实例，对这一技术的可信度、敏感度以及检测所需条件进行了详尽的分析。

    1红外热成像技术的原理

    自然界中，所有温度超过绝对零度的实体都会持续向周边空间释放辐射能量，即红外线，建筑物的外立面也不例外[3]。物体的红外辐射性质与其表面温度之间存在紧密的联系；据此，通过测量物体自身辐射出的红外能量，我们可以精确地计算出其表面的温度，而这正是红外辐射测温技术的理论依据。实际上，红外辐射属于电磁波谱中位于微波与可见光之间的一个波段，通常被称作红外线或红外光，其波长跨度大约在0.75微米至1毫米之间。

    红外热成像技术被用于检测建筑外墙表面的辐射能量强度，这种方法通过测量外墙表面的温度分布情况，进而对保温层的完整性进行评估，是一种识别外墙保温层缺陷的诊断手段。

    1964年，瑞典成功研发了全球首套工业级红外热像仪[6]。紧接着，在两年之后，瑞典专家便开始利用红外热像技术对建筑物的节能保温效果进行检测。随后，美国、德国等国的科研人员也纷纷跟进，开展了相关研究。而我国在这一领域的发展则始于1979年[6]。近期，我国多个部门陆续推出了一系列红外检测的国家及行业标准，同时设立了红外资质认证的培训基地，还成功研发了相关的红外检测设备，这些举措为红外检测在国内的广泛应用奠定了坚实基础[8-]。

    建筑外墙的保温层，因施工质量问题，常出现两种缺陷：一是保温材料的质量不满足标准或使用量不足，无法实现预期的保温效果；二是部分外墙（尤其是井子架、人货电梯预留孔以及塔吊连接处）在后续修补过程中，未进行保温层的处理。在建筑外墙饰面砖的粘贴过程中，常常会遇到两种质量问题：一是施工方为了节省成本，采取偷工减料的方式，使得外饰面砖的粘结砂浆未能充分填充，从而在饰面砖与墙体之间产生空鼓；二是由于外饰面砖粘贴所用的水泥砂浆配比不当，导致粘结不稳固，同样容易在饰面砖与墙体之间形成空鼓。一些年代久远的建筑，其外部装饰层因长期遭受日晒雨淋的侵蚀，而且在外部装饰砖与墙体之间也容易出现空鼓现象。

    建筑外墙一旦实施保温措施，并且保温材料质量达标，便能在外饰面砖与墙体间形成一层充满空气的隔离层，这样的隔离层能有效隔热。因此，在阳光直射下，外墙表面与墙体间的热量交换减少；然而，若外墙局部区域的保温层存在瑕疵或未进行保温处理，阳光照射时，若外墙表面温度超过墙体温度，热量便会迅速从表面向内部传递，导致保温层有缺陷区域的外墙表面温度相对周围正常区域要低。类似地，若外墙局部装饰瓷砖粘贴出现质量问题，或者老旧建筑的外部装饰瓷砖与墙体之间出现空鼓现象，那么在阳光直射的情况下，该建筑外墙表面的温度将高于周围其他正常区域。建筑外墙的红外成像检测原理可以通过图1进行说明。

    2工 程 应 用 实 例

   

    位于我国南方某座城市的这家新酒店是一座高楼大厦，其主体结构为全框架式设计。酒店的外墙采用了聚苯颗粒材料进行保温处理，并在最外层使用了磁砖作为装饰面。根据施工方提供的施工文件，该工程在保温层的施工方面，完全遵循了我国2004年发布的《外墙外保温工程技术规程》中的各项标准要求。在建筑外墙质量验收过程中，依照业主的指示，我们运用红外热成像技术，对建筑外墙的饰面材料粘接效果以及外保温层的施工状况进行了细致的全面检查。目前，对于检查过程中发现的问题，我们在此作一简要说明。

    现场检测是在外墙装饰工程全面完成、脚手架已被撤除，且室内装修作业正在进行之际，在酒店尚未正式开放使用之前进行的。这次检测的时间定在春季的三月份，当时白天的平均气温普遍超过了10摄氏度。在检测前的一周，当地的天气状况持续晴朗。检测当天，外墙墙面得到了充足的日照，空气湿度较低，且伴有微风。依据建筑朝向的特性，东、西两侧的外墙分别在上午与下午时段接受检查，而南、北两侧的外墙则安排在正午时分进行检测。此次检测的范围全面，涵盖了建筑整体的所有外墙装饰面。

    在检测现场，针对不同的检测区域，两侧外墙分别布置了若干个拍摄检测点，同时规定拍摄距离需尽量不超过50米。红外热像仪的观测角度通常与外墙装饰面的法线方向夹角小于35度；对于某些区域，若个别检测点的拍摄距离超过50米，则会在红外热像仪上安装长焦距镜头。针对每一个检测点，我们运用了高清晰度的相机，对红外扫描区域进行了可见光成像，同时，对红外热像仪和相机所摄得的图像实施了编号管理，以防止出错。在正式检测活动开始之前，依据检测对象外墙表面的辐射率，对红外热像仪进行了调整，确保检测过程能够顺利进行。

    本次现场检测所使用的设备是源自日本的NEC品牌红外热成像仪，该设备具备0.03℃的高温分辨率，其精确度完全可以满足对外墙进行检测所需的精度标准。

    检测数据表明，该建筑的外墙大部分区域保温及饰面工程品质上乘，但局部区域存在异常情况，工程质量有所欠缺。具体可见的检测图像和普通光照下的照片，如图2所示。

    此建筑的外墙保温材料选用的是聚苯颗粒，其表面装饰采用磁砖。观察图2(a) 可发现，该建筑外墙大部分区域的温度较为接近，但在窗户附近，由于结构差异，出现了较为明显的温度升高现象。这些高温区域轮廓分明，便于清晰辨识，同时，还能精确判断各窗户的玻璃状况，充分显示出红外成像技术的显著效果。图2(a)右侧中下部区域呈现出一个明显的温度不均匀区，该区域温度比周边外墙温度要低2至3摄氏度。依据红外成像原理，这一现象表明外墙可能存在某种程度的缺陷。然而，观察图2(b)中的可见光照片，外墙表面整洁且美观，磁砖的粘贴效果也相当出色，从外观上并未发现任何质量问题。通过对比分析这两张照片所呈现的信息，并考虑到工程的具体特性，我们大致可以推断出外保温层可能存在质量问题或者有缺失的情况（若外饰面层磁砖的粘贴出现问题，那么在红外图像上应当出现局部的高温异常现象）。然而，依据施工方提供的施工日志，原因尚不明确。为确保工程品质，业主、监理以及施工单位共同见证了这一过程，我们对异常区域的外墙保温层及饰面层进行了现场抽样检测，并在常规外墙墙面选取了数块饰面砖以作比对。在红外低温异常区域进行敲击后，我们发现该外饰面磁砖（如图3(a)所示）的异常部分几乎没有进行保温处理，仅仅使用了普通的普通水泥砂浆；进一步取出一部分水泥砂浆（如图3(b)所示），观察到其中的聚苯颗粒含量极少，与规范中规定的保温材料要求相去甚远。图3(c)展示的是剥离后的红外检测图像，该图像中正常区域的外墙保温材料呈现出聚苯颗粒分布均匀，完全符合我国强制实行的标准，可认定为优质的保温材料。

    现场验证结果显示，红外检测所揭示的低温异常区域的外墙并未实施保温措施，或者说保温材料存在重大质量问题，导致建筑无法实现预期的保温效果，且外墙存在明显的质量瑕疵；与此同时，红外检测所显示的保温状况正常的区域，其外墙保温材料适宜，保温性能优良。此外，这一结果还进一步证实了红外热成像技术在检测外墙饰面方面的精确性和可靠性。

    3红外热成像检测技术

    的综合分析

    3.1 可靠性分析

   

    为了对红外检测技术的稳定性进行更深入的核实，我们对近期收集到的红外检测相关实例进行了搜集与归纳，并对其进行了细致的分析，具体分析结果详见表1。

    通过观察表1中所列举的案例，我们可以发现，在那些外保层存在显著瑕疵或者建筑外墙饰面层质量不达标的区域，红外热成像技术能够轻松将其识别，判别结果精确无误，且具有较高的可信度。

    3.2灵敏度分析

    外墙红外检测的敏感度主要受到日照强度的制约。检测设备捕捉到的红外信号，其强度受到太阳辐射量的波动影响显著。为了准确评估太阳辐射对红外检测灵敏度的影响，我们选取了某建筑特定部位的外饰面磁砖空鼓的外墙，在不同时间段进行了连续观测，并记录了相关数据，具体结果详见表2（该建筑朝向为西）。

    观察表2数据，我们发现针对同一位置存在质量问题的外墙面，在不同时间点，通过红外测量得到的温度差存在显著差异：在下午3:30这一时间点，测得的温差最大，表明其检测的灵敏度极高，效果显著；而在早晚时段，温差相对较小，可能无法准确区分。因此，在进行外墙的红外热成像检测时，必须考虑建筑立面的朝向，并选择恰当的检测时段。外墙红外检测的灵敏度不仅受到外墙日照强度（即外墙表面的红外辐射能量大小）的影响，而且与周围环境的湿度、拍摄时的角度、拍摄时的距离、外墙所使用的材料以及检测仪器的精度等因素密切相关。

    3.3 检测条件要求

    外墙红外检测主要涉及对墙体所辐射的红外线进行捕捉，其检测成效不仅受到检测时段、环境湿度、拍摄视角及距离等因素的影响，还与天气状况以及墙体本身的状况等其他条件密切相关。雨天不宜进行检测；在多云天气中，通常情况下，正常部位与有缺陷部位的温度差异不会超过0.5℃，此时进行红外检测，容易出现误判或漏判；雨停之后，外墙表面因雨水冲刷而潮湿，外饰面水分分布不均，雨水可能渗入墙体空鼓区域，此时检测，外墙的红外特征差异不明显，难以准确判断是否存在缺陷；此外，在雨水蒸发期间进行检测，也可能导致误判。下雨过后，必须等到墙体彻底干透才可进行检测；在夏季，宜选择连续晴天三天之后再展开检测；而在其他季节，则应在连续晴天过后的一周内进行检测[10]。对于那些容易受到污染、阴影遮挡或受热源影响（例如安装有空调外机的位置）、以及特殊区域（如阳台侧面）等，由于它们对外界因素的敏感度较高，且容易产生误判，因此在执行红外线检测时，务必特别关注检测条件，并在必要时借助其他检测方法来加以验证。

    总结来看，在外墙检测过程中运用红外热成像技术，只要外部检测环境适宜，且检测时段挑选得当，便能够确保所取得的检测数据既可靠又精确。

    4结论

    采用红外成像技术进行检测，推动了建筑外墙的验收过程趋向于客观和公正，有效解决了以往依赖肉眼观察、人工敲击等局限性的局部试验来作出判断的问题，同时也克服了检测范围有限、代表性不强等缺陷。在技术层面，红外热成像检测技术展现出高灵敏度与高可靠性检测结果的显著优势；在成本考量上，它能够实现广泛检测覆盖、无损检测以及高效检测；此外，其非接触特性还能有效预防检测过程中的安全事故，堪称工程检测技术领域的一大飞跃。这项技术不仅能用于检测建筑外墙的质量，而且还能在多个方面发挥作用，例如对高压电缆线路的损伤进行检测、对沥青路面铺设的实时质量进行监控、以及进行渗水情况的检查等。