紅外熱像法檢測建筑外飾面層空鼓方法研究

侯東序，徐 馳，張 勇，慕明晏

（沈陽市建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心有限公司，遼寧 沈陽 110016）

0 引言

建筑外墻飾面層空鼓較為常見?？展牡拇嬖?，不僅會造成外墻滲漏，且脫粘飾面層從高空掉落，威脅人們的生命和財產(chǎn)安全，必須引起重視。工程中在對飾面層空鼓進(jìn)行排查時，通常采用破損及錘擊等方法。但傳統(tǒng)的方法不僅會對飾面層造成破傷，檢測人員也存在高空作業(yè)風(fēng)險。

近些年來，隨著紅外熱像及數(shù)字圖像技術(shù)的發(fā)展，飾面層空鼓區(qū)域紅外檢測技術(shù)日趨成熟［1-3］。大量研究表明，利用紅外熱像在一定條件下可以對飾面層空鼓進(jìn)行無損檢測［4-9］。如朱紅光等［10］認(rèn)為，紅外檢測飾面層空鼓效果與檢測季節(jié)及墻面朝向相關(guān)，基于太陽輻射強度理論入手，研究了不同情況下的最佳觀測時間。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，空鼓缺陷區(qū)域面積越大、厚度越厚，紅外檢測效果越明顯［11］，但已無粘結(jié)應(yīng)力的零厚度空鼓，紅外熱像法無法進(jìn)行檢測。學(xué)者們普遍認(rèn)為空鼓所在深度位置越淺檢測效果越好，但也有人認(rèn)為，空鼓的檢測效果與空鼓深度關(guān)系不大。張榮成［12］認(rèn)為紅外檢測空鼓最大深度為表面以下 75 mm，而徐教宇［13］認(rèn)為僅為表面以下 70 mm。對于檢測的適宜溫度，規(guī)程建議最佳測溫度應(yīng)＜40 ℃，而文獻(xiàn)［7］的研究認(rèn)為規(guī)程建議≥10 ℃。采用紅外熱像儀觀測外墻抹灰層空鼓的豎向角度，學(xué)者們普遍認(rèn)為仰角在 45°以內(nèi)，不至產(chǎn)生過度失真觀測效果［14］?？展膮^(qū)的紅外圖像依溫度最高點呈對稱分布。隨著環(huán)境溫度變化，飾面層空鼓會呈現(xiàn)“熱斑”和“冷斑”的變化。

另一研究重點集中于飾面層空鼓面積的量化。朱雷等采用圖像投影方法，確定紅外圖像上每個像素點的實際大小，基于最大類間方差法找到每溫度異常點優(yōu)選溫度閥值，并集成計算空鼓面積，劉強等［15］的研究也基于類似方法。馮力強等［16］通過實驗分析，確定空鼓邊界處的溫差，以此定義空鼓并通過參照尺寸對比方法確定缺陷面積。

雖然已有眾多學(xué)者對紅外檢測飾面層空鼓進(jìn)行了研究，但目前為止，對于適當(dāng)?shù)目展臋z測條件及空鼓面積量化方法仍需進(jìn)一步探討。本文通過水泥砂漿面層模擬空鼓及真實空鼓兩組紅外試驗，發(fā)現(xiàn)了外墻飾面層真實空鼓與模擬空鼓區(qū)域溫度分布差異，分析了空鼓區(qū)溫度同環(huán)境溫度變化規(guī)律，給出了沈陽地區(qū)各朝向墻體紅外檢測的最佳時段。并通過參照物像素對比法，量化了外墻飾面層空鼓面積。

1 紅外熱像法檢測原理

依照斯蒂芬-波爾茨曼定律，單位時間和單位面積物體的紅外輻射能量 W，見式（1）：

式中：σ 為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)（5.67×10-8）；ε 為物體表面發(fā)射率；T 為物體熱力學(xué)溫度。

飾面層與墻面間存在空鼓時，空鼓區(qū)很薄的空氣層有很好的隔熱性能。由于飾面層空鼓與結(jié)構(gòu)層之間的熱傳遞很少，空鼓外墻面在日照或外氣溫發(fā)生變化時，比正常墻面的溫度變化大，即可通過紅外技術(shù)進(jìn)行空鼓檢測。

2 試驗研究

2.1 真實空鼓紅外熱像研究

本文首先選一塊砂漿抹灰飾面層外墻，利用錘擊法確定飾面層空鼓的區(qū)域，并在空鼓邊緣用畫筆勾勒出空鼓邊界。采用 Fluke Tix64 手持式紅外熱像儀進(jìn)行觀測。觀測日期天氣晴好，氣溫 12～27 ℃，風(fēng)速＜4 m/s。觀測時無豎向及水平偏角。觀測墻體為西朝向，根據(jù)設(shè)備清晰度調(diào)試，觀測距離選定為距墻面 3.5 m。經(jīng)測量，抹灰飾面層平均厚度為 15 mm。觀測前在空鼓及非空鼓非邊緣區(qū)域飾面層表面分別劃定邊長為 150 mm 的正方形測溫區(qū)域，以測溫區(qū)域內(nèi)部平均溫度作為該區(qū)域溫度代表值。圖 1 為受檢墻體飾面層空鼓的檢測效果，由圖 1 可見，紅外圖像中墻面空鼓與非空鼓區(qū)域界線清晰，且空鼓區(qū)域分布與錘擊法檢測的墻面飾面層空鼓區(qū)域基本吻合。

圖1 真實飾面層空鼓區(qū)紅外檢測

將紅外圖像中最高溫點及最低溫點連線，線上從最低溫點至最高溫點之間各點溫度梯度基本成線性均勻變化（見圖 2）?？梢姡强展膮^(qū)各點至空鼓區(qū)各點過渡區(qū)均存在溫度梯度，至空鼓區(qū)域最高溫點后，各點溫度又呈等梯度均勻下降趨勢?？展膮^(qū)域溫度以最高溫點為中心基本呈對稱分布。溫度過渡線基本均勻，未見明顯溫差突變。

圖2 真實空鼓區(qū)域溫度分布

圖3 不同時段外墻空鼓紅外圖像（單位：℃）

圖4 各時段環(huán)境溫度及空鼓區(qū)溫度

表 1、圖 3 及圖 4 為 7 個時間點的紅外試驗結(jié)果。由圖可見，9∶30 時空鼓與非空鼓區(qū)平均溫差為 0.2 ℃，隨著環(huán)境溫度的增加，空鼓與非空鼓區(qū)平均溫差逐漸增大，空鼓區(qū)域呈現(xiàn)“熱斑”?？展膮^(qū)溫度及非空鼓區(qū)溫度均隨環(huán)境溫度變化而變化，溫差最大時段出現(xiàn)于 13∶30。而后隨著環(huán)境溫度的降低，空鼓與非空鼓區(qū)域平均溫差又逐漸縮小。直至 16∶30，環(huán)境溫度急劇下降時，空鼓區(qū)出現(xiàn)“冷斑”現(xiàn)象。

2.2 模擬空鼓紅外熱像研究

為進(jìn)一步研究各朝向墻體最佳的觀測時間，筆者選取一處四朝向墻均為正向的框架結(jié)構(gòu)房屋，進(jìn)行了模擬空鼓紅外試驗。

表1 飾面層空鼓檢測結(jié)果

2.2.1 試驗準(zhǔn)備

分別在四朝向墻體剔除面積為 1.0 m2的局部抹灰層。試驗中選用導(dǎo)熱系數(shù)與空氣相近的擠塑板為空鼓模擬材料。剔鑿區(qū)包含混凝土及灰渣填充磚兩種材料，擠塑板厚度均為 2 mm，將不同形狀的擠塑板粘貼于結(jié)構(gòu)層表面后，采用水泥砂漿抹平剔鑿區(qū)域，水泥砂漿平均厚度為 20 mm（見圖 5）。試驗觀測環(huán)境條件與 2.1 節(jié)相同，分別選定 16 個時間節(jié)點對東南西北四面墻體進(jìn)行紅外觀測。

圖5 模擬空鼓試驗準(zhǔn)備

2.2.2 試驗結(jié)果分析

圖 6 為 11∶30 時南側(cè)墻體模擬空鼓區(qū)域紅外圖像，由圖可見，紅外技術(shù)可準(zhǔn)確地檢測出內(nèi)置模擬空鼓的位置及大小。模擬空鼓面積越大，檢測效果越清晰。熱像中最高溫度點位于各圖形中心位置。沿最高溫度點做溫度線，線上溫度分布與圖 2 真實空鼓溫度分布相似，均以溫度最高點為中心對稱分布。但模擬空鼓的溫度邊緣存在一個明顯突變，而真實空鼓邊緣與此不同。通過各時間點各朝向墻體紅外圖像進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)模擬空鼓也有很明顯“冷斑”與“熱斑”效果（見圖 7）。由此可見，模擬空鼓可以模擬真實空鼓紅外效果，但在空鼓邊緣的溫度分布與真實空鼓存在差異。

圖6 模擬空鼓區(qū)域溫度分布

圖7 南側(cè)墻體“冷斑”“熱斑”效果圖

圖 8（a）～（d）為不同朝向墻體各時間的溫差圖。各圖中兩條曲線分別代表混凝土墻和磚墻上空鼓溫差。

東側(cè)墻體在 9∶30 以后，非空鼓區(qū)域與空鼓區(qū)域溫差逐漸減小。隨環(huán)境溫度逐步升高，模擬空鼓與非空鼓區(qū)溫度也逐漸增高，東側(cè)墻體受太陽輻射強度的增大也加劇了溫差的增大。而 10∶00 以后，隨著太陽直射的偏離，東側(cè)墻體空鼓與非空鼓區(qū)溫差漸小。因此東側(cè)墻體相對最佳檢測時段為上午 9∶00～10∶00。

南側(cè)墻體接受太陽輻射時間較長，早上 9∶00 環(huán)境溫度及太陽輻射強度上升明顯，空鼓與非空鼓區(qū)溫差較大，空鼓與非空鼓區(qū)域溫差均大于 10 ℉。在環(huán)境溫度 11∶30 以后，空鼓與非空鼓區(qū)域溫度趨于一致。15∶00 以后，空鼓區(qū)溫度開始低于非空鼓區(qū)，出現(xiàn)“冷斑”現(xiàn)象。由此可見，9∶00～13∶00 均可作為南側(cè)墻體相對最佳檢測時段。

西側(cè)墻體在上午無太陽照射，但隨著環(huán)境溫度升高，空鼓及非空鼓區(qū)域溫差逐漸加大。西側(cè)墻體在午后可接受太陽輻射，二者最大溫差點出現(xiàn)在 14∶00。隨著太陽照射角的偏移，環(huán)境溫度逐漸降低，15∶30 以后，空鼓與非空鼓區(qū)溫度趨于等同，空鼓圖像呈現(xiàn)“冷斑”。可見，西側(cè)墻體相對最佳檢測時間為下午 13∶30～14∶30。

圖8 不同朝向墻體空鼓與非空鼓區(qū)溫差曲線

北側(cè)墻體全天中無太陽直射，北側(cè)墻體在 9∶00～11∶30 時，空鼓與非空鼓區(qū)溫差相對明顯。隨環(huán)境溫度升高，空鼓與非空鼓區(qū)溫差逐漸縮小?？梢姳眰?cè)墻體內(nèi)空鼓紅外熱像檢測效果相對較差，相對最佳檢測時間為 9∶00～11∶30（見表 2）。

表2 不同朝向沈陽地區(qū)最佳檢測時段

3 飾面層空鼓面積的計算

本文采用設(shè)定閥值法及參照物對比法識別及量化空鼓脫粘區(qū)面積。

3.1 均值濾波降噪

本文在進(jìn)行圖像分析之前，將每像素點 3×3 區(qū)域內(nèi)溫度值均用該點周圍像素點溫度值平均值替代，從而降低干擾噪聲圖像。

3.2 飾面層空鼓區(qū)域的識別

均值降噪后，紅外圖像上像素塊表面溫度均勻，相鄰像素溫差清晰，紅外熱像圖各像素塊表面溫度可形成溫度矩陣。

由試驗結(jié)果可知，實際真實空鼓與實驗室模擬空鼓主要區(qū)別在于空鼓區(qū)域邊界溫度存在梯度，界限突變并不明顯，需設(shè)定閥值來識別空鼓區(qū)域。

3.3 空鼓面積計算

空鼓區(qū)域識別及面積計算流程如圖 9 所示。圖中 Tmax和 Tmin分別為定義的像素點最大 及最小平均值，m 為圖像總像素行數(shù)，n 為圖像總像素列數(shù)，ΔT 為設(shè)定溫度閥值，A1為參考區(qū)域?qū)嶋H面積，A 為待測空鼓區(qū)域?qū)嶋H面積，N1及 N 分別為參考區(qū)及待測區(qū)像素塊數(shù)，k 為空鼓區(qū)域在圖像中所占面積比例。

方形模擬空鼓實際面積大小為 0.04 m2，經(jīng)計算，方形模擬空鼓面積為 0.039 m2，該軟件可以較為準(zhǔn)確地識別飾面層空鼓區(qū)并計算出空鼓區(qū)域?qū)嶋H面積。

4 結(jié)論

圖9 識別計算流程圖

1）模擬空鼓在邊界存在溫度突變，而真實空鼓邊界無明顯過渡，采用擠塑板進(jìn)行紅外模擬試驗在空鼓邊界區(qū)與真實空鼓溫度分布存在差異。

2）空鼓與非空鼓的表面溫度都與環(huán)境溫度變化規(guī)律相似。紅外觀測飾面層空鼓最佳觀測效果與太陽輻射強度有關(guān)，太陽輻射充足且溫度變化明顯狀態(tài)是紅外觀測最佳時段。

3）紅外觀測飾面層空鼓效果與觀測時間和受檢墻面朝向有關(guān)，四個朝向墻體空鼓最佳觀測時段存在差異。沈陽地區(qū)東墻觀測最佳時段略早，西墻觀測最佳時段略晚，南墻觀測最佳時段相對較長，而北墻全天觀測效果相對較差。

4）文中基于閥值及像素對比法編制軟件可以準(zhǔn)確地對飾面層空鼓區(qū)面積進(jìn)行量化。