红外热像法检测建筑外饰面层空鼓方法研究

侯东序，徐 驰，张 勇，慕明晏

（沈阳市建设工程质量检测中心有限公司，辽宁 沈阳 110016）

0 引言

建筑外墙饰面层空鼓较为常见。空鼓的存在，不仅会造成外墙渗漏，且脱粘饰面层从高空掉落，威胁人们的生命和财产安全，必须引起重视。工程中在对饰面层空鼓进行排查时，通常采用破损及锤击等方法。但传统的方法不仅会对饰面层造成破伤，检测人员也存在高空作业风险。

近些年来，随着红外热像及数字图像技术的发展，饰面层空鼓区域红外检测技术日趋成熟［1-3］。大量研究表明，利用红外热像在一定条件下可以对饰面层空鼓进行无损检测［4-9］。如朱红光等［10］认为，红外检测饰面层空鼓效果与检测季节及墙面朝向相关，基于太阳辐射强度理论入手，研究了不同情况下的最佳观测时间。有学者研究发现，空鼓缺陷区域面积越大、厚度越厚，红外检测效果越明显［11］，但已无粘结应力的零厚度空鼓，红外热像法无法进行检测。学者们普遍认为空鼓所在深度位置越浅检测效果越好，但也有人认为，空鼓的检测效果与空鼓深度关系不大。张荣成［12］认为红外检测空鼓最大深度为表面以下 75 mm，而徐教宇［13］认为仅为表面以下 70 mm。对于检测的适宜温度，规程建议最佳测温度应＜40 ℃，而文献［7］的研究认为规程建议≥10 ℃。采用红外热像仪观测外墙抹灰层空鼓的竖向角度，学者们普遍认为仰角在 45°以内，不至产生过度失真观测效果［14］。空鼓区的红外图像依温度最高点呈对称分布。随着环境温度变化，饰面层空鼓会呈现“热斑”和“冷斑”的变化。

另一研究重点集中于饰面层空鼓面积的量化。朱雷等采用图像投影方法，确定红外图像上每个像素点的实际大小，基于最大类间方差法找到每温度异常点优选温度阀值，并集成计算空鼓面积，刘强等［15］的研究也基于类似方法。冯力强等［16］通过实验分析，确定空鼓边界处的温差，以此定义空鼓并通过参照尺寸对比方法确定缺陷面积。

虽然已有众多学者对红外检测饰面层空鼓进行了研究，但目前为止，对于适当的空鼓检测条件及空鼓面积量化方法仍需进一步探讨。本文通过水泥砂浆面层模拟空鼓及真实空鼓两组红外试验，发现了外墙饰面层真实空鼓与模拟空鼓区域温度分布差异，分析了空鼓区温度同环境温度变化规律，给出了沈阳地区各朝向墙体红外检测的最佳时段。并通过参照物像素对比法，量化了外墙饰面层空鼓面积。

1 红外热像法检测原理

依照斯蒂芬-波尔茨曼定律，单位时间和单位面积物体的红外辐射能量 W，见式（1）：

式中：σ 为斯蒂芬-玻尔兹曼常数（5.67×10-8）；ε 为物体表面发射率；T 为物体热力学温度。

饰面层与墙面间存在空鼓时，空鼓区很薄的空气层有很好的隔热性能。由于饰面层空鼓与结构层之间的热传递很少，空鼓外墙面在日照或外气温发生变化时，比正常墙面的温度变化大，即可通过红外技术进行空鼓检测。

2 试验研究

2.1 真实空鼓红外热像研究

本文首先选一块砂浆抹灰饰面层外墙，利用锤击法确定饰面层空鼓的区域，并在空鼓边缘用画笔勾勒出空鼓边界。采用 Fluke Tix64 手持式红外热像仪进行观测。观测日期天气晴好，气温 12～27 ℃，风速＜4 m/s。观测时无竖向及水平偏角。观测墙体为西朝向，根据设备清晰度调试，观测距离选定为距墙面 3.5 m。经测量，抹灰饰面层平均厚度为 15 mm。观测前在空鼓及非空鼓非边缘区域饰面层表面分别划定边长为 150 mm 的正方形测温区域，以测温区域内部平均温度作为该区域温度代表值。图 1 为受检墙体饰面层空鼓的检测效果，由图 1 可见，红外图像中墙面空鼓与非空鼓区域界线清晰，且空鼓区域分布与锤击法检测的墙面饰面层空鼓区域基本吻合。

图1 真实饰面层空鼓区红外检测

将红外图像中最高温点及最低温点连线，线上从最低温点至最高温点之间各点温度梯度基本成线性均匀变化（见图 2）。可见，非空鼓区各点至空鼓区各点过渡区均存在温度梯度，至空鼓区域最高温点后，各点温度又呈等梯度均匀下降趋势。空鼓区域温度以最高温点为中心基本呈对称分布。温度过渡线基本均匀，未见明显温差突变。

图2 真实空鼓区域温度分布

图3 不同时段外墙空鼓红外图像（单位：℃）

图4 各时段环境温度及空鼓区温度

表 1、图 3 及图 4 为 7 个时间点的红外试验结果。由图可见，9∶30 时空鼓与非空鼓区平均温差为 0.2 ℃，随着环境温度的增加，空鼓与非空鼓区平均温差逐渐增大，空鼓区域呈现“热斑”。空鼓区温度及非空鼓区温度均随环境温度变化而变化，温差最大时段出现于 13∶30。而后随着环境温度的降低，空鼓与非空鼓区域平均温差又逐渐缩小。直至 16∶30，环境温度急剧下降时，空鼓区出现“冷斑”现象。

2.2 模拟空鼓红外热像研究

为进一步研究各朝向墙体最佳的观测时间，笔者选取一处四朝向墙均为正向的框架结构房屋，进行了模拟空鼓红外试验。

表1 饰面层空鼓检测结果

2.2.1 试验准备

分别在四朝向墙体剔除面积为 1.0 m2的局部抹灰层。试验中选用导热系数与空气相近的挤塑板为空鼓模拟材料。剔凿区包含混凝土及灰渣填充砖两种材料，挤塑板厚度均为 2 mm，将不同形状的挤塑板粘贴于结构层表面后，采用水泥砂浆抹平剔凿区域，水泥砂浆平均厚度为 20 mm（见图 5）。试验观测环境条件与 2.1 节相同，分别选定 16 个时间节点对东南西北四面墙体进行红外观测。

图5 模拟空鼓试验准备

2.2.2 试验结果分析

图 6 为 11∶30 时南侧墙体模拟空鼓区域红外图像，由图可见，红外技术可准确地检测出内置模拟空鼓的位置及大小。模拟空鼓面积越大，检测效果越清晰。热像中最高温度点位于各图形中心位置。沿最高温度点做温度线，线上温度分布与图 2 真实空鼓温度分布相似，均以温度最高点为中心对称分布。但模拟空鼓的温度边缘存在一个明显突变，而真实空鼓边缘与此不同。通过各时间点各朝向墙体红外图像进行分析，发现模拟空鼓也有很明显“冷斑”与“热斑”效果（见图 7）。由此可见，模拟空鼓可以模拟真实空鼓红外效果，但在空鼓边缘的温度分布与真实空鼓存在差异。

图6 模拟空鼓区域温度分布

图7 南侧墙体“冷斑”“热斑”效果图

图 8（a）～（d）为不同朝向墙体各时间的温差图。各图中两条曲线分别代表混凝土墙和砖墙上空鼓温差。

东侧墙体在 9∶30 以后，非空鼓区域与空鼓区域温差逐渐减小。随环境温度逐步升高，模拟空鼓与非空鼓区温度也逐渐增高，东侧墙体受太阳辐射强度的增大也加剧了温差的增大。而 10∶00 以后，随着太阳直射的偏离，东侧墙体空鼓与非空鼓区温差渐小。因此东侧墙体相对最佳检测时段为上午 9∶00～10∶00。

南侧墙体接受太阳辐射时间较长，早上 9∶00 环境温度及太阳辐射强度上升明显，空鼓与非空鼓区温差较大，空鼓与非空鼓区域温差均大于 10 ℉。在环境温度 11∶30 以后，空鼓与非空鼓区域温度趋于一致。15∶00 以后，空鼓区温度开始低于非空鼓区，出现“冷斑”现象。由此可见，9∶00～13∶00 均可作为南侧墙体相对最佳检测时段。

西侧墙体在上午无太阳照射，但随着环境温度升高，空鼓及非空鼓区域温差逐渐加大。西侧墙体在午后可接受太阳辐射，二者最大温差点出现在 14∶00。随着太阳照射角的偏移，环境温度逐渐降低，15∶30 以后，空鼓与非空鼓区温度趋于等同，空鼓图像呈现“冷斑”。可见，西侧墙体相对最佳检测时间为下午 13∶30～14∶30。

图8 不同朝向墙体空鼓与非空鼓区温差曲线

北侧墙体全天中无太阳直射，北侧墙体在 9∶00～11∶30 时，空鼓与非空鼓区温差相对明显。随环境温度升高，空鼓与非空鼓区温差逐渐缩小。可见北侧墙体内空鼓红外热像检测效果相对较差，相对最佳检测时间为 9∶00～11∶30（见表 2）。

表2 不同朝向沈阳地区最佳检测时段

3 饰面层空鼓面积的计算

本文采用设定阀值法及参照物对比法识别及量化空鼓脱粘区面积。

3.1 均值滤波降噪

本文在进行图像分析之前，将每像素点 3×3 区域内温度值均用该点周围像素点温度值平均值替代，从而降低干扰噪声图像。

3.2 饰面层空鼓区域的识别

均值降噪后，红外图像上像素块表面温度均匀，相邻像素温差清晰，红外热像图各像素块表面温度可形成温度矩阵。

由试验结果可知，实际真实空鼓与实验室模拟空鼓主要区别在于空鼓区域边界温度存在梯度，界限突变并不明显，需设定阀值来识别空鼓区域。

3.3 空鼓面积计算

空鼓区域识别及面积计算流程如图 9 所示。图中 Tmax和 Tmin分别为定义的像素点最大 及最小平均值，m 为图像总像素行数，n 为图像总像素列数，ΔT 为设定温度阀值，A1为参考区域实际面积，A 为待测空鼓区域实际面积，N1及 N 分别为参考区及待测区像素块数，k 为空鼓区域在图像中所占面积比例。

方形模拟空鼓实际面积大小为 0.04 m2，经计算，方形模拟空鼓面积为 0.039 m2，该软件可以较为准确地识别饰面层空鼓区并计算出空鼓区域实际面积。

4 结论

图9 识别计算流程图

1）模拟空鼓在边界存在温度突变，而真实空鼓边界无明显过渡，采用挤塑板进行红外模拟试验在空鼓边界区与真实空鼓温度分布存在差异。

2）空鼓与非空鼓的表面温度都与环境温度变化规律相似。红外观测饰面层空鼓最佳观测效果与太阳辐射强度有关，太阳辐射充足且温度变化明显状态是红外观测最佳时段。

3）红外观测饰面层空鼓效果与观测时间和受检墙面朝向有关，四个朝向墙体空鼓最佳观测时段存在差异。沈阳地区东墙观测最佳时段略早，西墙观测最佳时段略晚，南墙观测最佳时段相对较长，而北墙全天观测效果相对较差。

4）文中基于阀值及像素对比法编制软件可以准确地对饰面层空鼓区面积进行量化。