使用紅外熱像儀對外墻外保溫系統(tǒng)的缺陷分析

吳世勇 ，汪 洋

（合肥學(xué)院，安徽 合肥 230061）

1 概況

1.1 外墻外保溫存在問題

外墻外保溫技術(shù)在我國夏熱冬冷地區(qū)包括安徽省得到了較快發(fā)展，但經(jīng)過近年來的應(yīng)用實踐，主要存在如下兩方面問題。

①建筑物設(shè)計年限與外保溫系統(tǒng)設(shè)計年限的矛盾。《外墻外保溫工程技術(shù)規(guī)程》(JGJ144-2008)規(guī)定外墻外保溫工程的使用年限應(yīng)不少于25年[1]，而一般民用建筑的設(shè)計年限為50～70年，在當(dāng)前可持續(xù)發(fā)展的新形勢下，有要求新建建筑使用年限100年甚至更長周期。這就意味著，在建筑物的壽命周期內(nèi)需要多次更換外保溫系統(tǒng)。

②外保溫系統(tǒng)設(shè)計年限與其實際使用年限的矛盾。房屋在設(shè)計時若已滿足國家節(jié)能指標(biāo)的規(guī)定，但房屋建成后的保溫性能在其使用周期內(nèi)能否真正達(dá)到實際節(jié)能的效果，需要充分的現(xiàn)場檢測手段加以證明。在本地區(qū)多雨、炎熱、溫差等特殊的氣候環(huán)境下，特別是濕度的影響，使保溫層受潮后，導(dǎo)熱系數(shù)增加，保溫能力降低，降低材料的機械強度，產(chǎn)生破壞性變形等不利因素，都會降低結(jié)構(gòu)的使用質(zhì)量與耐久性。因此其后續(xù)使用情況如何,使用年限能否達(dá)到設(shè)計年限，需要實際驗證。

當(dāng)前對建筑物保溫效果的實際檢測并不是特別充分，近年來,雖然國內(nèi)市場上已經(jīng)產(chǎn)生了幾十種外墻外保溫體系,但只是停留在實踐應(yīng)用的試錯階段,低價位競爭嚴(yán)重,大量不合格的、質(zhì)量差的外墻外保溫體系進(jìn)入到外保溫市場,施工技術(shù)也欠成熟規(guī)范[2]。這些都嚴(yán)重制約了其實際使用效果。

1.2 本研究的必要性和現(xiàn)實意義

合肥市目前普遍采用的外墻外保溫體系，其投入使用才10年左右，隨著時間的推移，各種不利因素特別是濕含量對保溫系統(tǒng)的影響、保溫系統(tǒng)的耐久性耐候性不足等問題會進(jìn)一步凸現(xiàn)，必將會迎來大規(guī)模的整改和修繕。合肥學(xué)院南二期教學(xué)樓辦公樓于2012年竣工，迄今僅僅5年時間，但部分外墻外保溫層的空鼓和吸濕現(xiàn)象嚴(yán)重并出現(xiàn)脫落，造成了不小的安全隱患，其局部修繕或整體大規(guī)模修繕已經(jīng)迫切提到日程上來。

住建部于2015年頒布了《建筑外墻外保溫系統(tǒng)修繕標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ376-2015），自2016年5月1日起嚴(yán)格實施，其中規(guī)定外保溫使用年限9年內(nèi)檢測周期為3年1次，9～15年檢測周期為2年1次，使用年限大于等于15年的必須每年實測。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定現(xiàn)場檢測手段中，主要利用紅外熱像儀定位空鼓和熱橋等缺陷[3]。

2 實驗設(shè)計與過程

2.1 實驗原理

紅外熱像儀近年來在建筑領(lǐng)域特別是建筑節(jié)能現(xiàn)場檢測方面得到越來越廣泛的應(yīng)用，本課題通過使用建筑領(lǐng)域?qū)Ｓ玫腂360紅外熱像儀，做如下兩方面的測試工作。

①建筑物墻體脫離層的檢測：飾面層與保溫層受濕度，溫度變化的影響，與墻體結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生脫離，即發(fā)生“空鼓”現(xiàn)象，從而形成空氣夾層，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)低，熱容量小，這就降低了墻體的熱傳導(dǎo)性，使得空鼓部位外墻體與主墻體之間的熱傳導(dǎo)變小，當(dāng)外部溫度變化時，該部位溫度分布將會與完好部位的墻體有明顯的差異，高精度紅外熱成像儀能夠直觀地檢測出這個差異。

②外墻面滲漏檢測：墻面防水層失效和墻面微裂所造成的雨水滲漏，導(dǎo)致疏松多孔易吸水的保溫層受潮，水的導(dǎo)熱系數(shù)相對較大，熱容量大，當(dāng)外部溫度有變化時，缺陷部位表面層的溫度分布將會與正常部位表面層的溫度有較大差別，紅外熱像儀同樣可以顯現(xiàn)這個差別，從而快速找到漏點和滲水區(qū)域[4]。

2.2 實驗過程

利用熱像儀對本學(xué)院南二期35棟～41棟總共7棟教學(xué)樓外墻外保溫體系的保溫缺陷和結(jié)構(gòu)缺陷進(jìn)行全面掃描，總共獲得有效圖譜達(dá)200多幅。

掃描對象墻體外保溫構(gòu)造由外向內(nèi)分別是8mm抗裂砂漿，40mm玻化微珠保溫砂漿（保溫層），200mm煤矸石燒結(jié)空心磚（結(jié)構(gòu)層）以及20mm石灰砂漿內(nèi)墻抹面。內(nèi)墻飾面層是涂料，外墻飾面層高度12m以下飾面磚，12m以上涂料。

所用B360紅外熱像儀是FLIR Systems公司專用于建筑業(yè)的熱像儀產(chǎn)品，其像素、分辨率和測試波段等指標(biāo)均符合《居住建筑節(jié)能檢測標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T132-2009）規(guī)范中的要求，環(huán)境溫濕度和風(fēng)速測量采用手持式溫濕度儀和風(fēng)速儀，在紅外圖像掃描過程中環(huán)境參數(shù)也均符合規(guī)范中的要求[5]。所有檢測指標(biāo)和手段符合《紅外熱像法檢測建筑物外墻飾面層粘結(jié)缺陷技術(shù)規(guī)程》（CECS204-2006）提出的要求。根據(jù)測試對象所用材料，輻射率取0.90。

我們拍出來的熱像圖基本排除了視角、溫度梯度、日照、環(huán)境溫度濕度、風(fēng)速和熱輻射等外在因素的干擾，把能夠反映實際缺陷狀況的熱像圖導(dǎo)入到分析軟件Reporter8.0中仔細(xì)鑒別，從而判斷潛在的吸濕缺陷和空鼓缺陷。

在判定吸濕缺陷時，紅外圖像的獲取時段是在持續(xù)3d以上陰雨天氣后放晴這個時機，最終發(fā)現(xiàn)有大量的外墻滲漏區(qū)域（圖1紫色部分），這也是墻體出現(xiàn)諸多空鼓剝落的重要原因。

我們在墻體200mm煤矸石燒結(jié)空心磚結(jié)構(gòu)層預(yù)埋傳感器再連接ALBORN2908手持式數(shù)據(jù)采集儀，測得墻體內(nèi)部空氣區(qū)域的相對濕度長期穩(wěn)定在90%以上，計算墻體結(jié)構(gòu)各層飽和水蒸汽分壓力，發(fā)現(xiàn)并沒有出現(xiàn)內(nèi)部結(jié)露現(xiàn)象，從而佐證了墻體潮濕原因是外墻吸水滲漏所致。

圖1 35#樓南立面、37#樓西立面局部可見光圖和對應(yīng)區(qū)域熱像圖

3 實驗結(jié)果及分析

在大量拍攝紅外熱像圖階段，我們增強了紅外熱像儀實際使用經(jīng)驗，豐富完善了熱像儀的使用技巧，對墻體脫離層和滲漏區(qū)域面積等做了簡單的估算，對同一位置有日照和無日照圖譜做了比對，等等。這其中重點探討研究了最佳拍攝時間和最佳方位朝向等因素。

3.1 不同的掃描時段對熱像圖缺陷顯示效果的影響

把空鼓缺陷升溫和降溫?zé)嵯駡D導(dǎo)入到Reporter8.0分析軟件中，選取空鼓部位和正常部位各6個溫度點（圖2左），從軟件中導(dǎo)出表格（圖2右），2組溫度分別取平均值，求兩者的差值△t作為缺陷部分“熱斑”和“冷斑”顯示效果的依據(jù)。在連續(xù)的不同時段拍攝10幅熱像圖，在相同位置取點計算，得出溫差隨時間變化的曲線圖（圖3、圖4）。

由圖中可以看出，升溫階段溫差大，10組溫差的平均值3.47，峰值達(dá)到5.85℃，最佳觀測時段在下午2點～3點之間，時值冬季，此時段陽光照射較強。相對應(yīng)的降溫階段，溫差較小，10組溫差的平均值1.28℃，峰值2.24℃，這可能是因為此時天色已黑，降溫跳躍不明顯導(dǎo)致。最佳觀測時段在5點～7點之間。

圖2 39#樓西立面紅外圖像和對應(yīng)的溫度點

圖3 升溫階段溫差隨時間的變化曲線

圖4 降溫階段溫差隨時間的變化曲線

3.2 方位朝向?qū)z測效果的影響

在東、南、西、北4個外立面的最佳升溫觀測時段分別拍攝熱像圖，正常點和缺陷點分別取6個溫度點，求2組之間平均溫差，其值分別為東向2.17℃、南向4.26℃、西向2.01℃和北向0.86℃（圖表略）。由于不是同一位置缺陷圖，可比性不是很強，但也能夠明顯看出，南向溫差大，圖譜辨識度高，北向冬季無陽光直射，溫差小，辨識度低，這就需要更加細(xì)致審慎地識別缺陷存在，避免誤判。

4 結(jié)論

①使用紅外熱像儀可以基本掌握合肥學(xué)院教學(xué)樓外立面的空鼓剝離和潮濕狀況，為后期修繕提供參考依據(jù)。

②通過實測，發(fā)現(xiàn)外保溫層缺陷嚴(yán)重，主要原因是因為墻體吸濕性嚴(yán)重，這在紅外觀測圖譜上可以明顯反映出來。合肥市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會對于玻化微珠等類似無機保溫砂漿存在吸水性大、滲水等問題的判定，在本次實測中得到充分驗證，同時也對今后維修材料的性能提出了更高的要求。

③本地冬季升溫階段紅外觀測的最佳時間是下午2點～3點，溫差明顯；降溫階段最佳時間大致在下午6點左右，溫差不明顯，建議主要拍攝升溫時段，降溫圖譜作為輔助手段。本地冬季南外立面觀測效果最好。

④在大量的檢測工作中，豐富完善了熱像儀的使用技巧，通過掌握紅外熱像儀的使用技能，對建筑領(lǐng)域紅外熱像檢測這一新興技術(shù)但又不可或缺且越來越普及的應(yīng)用提供了第一手資料。

下一步擬做工作：

①從原理上來說，應(yīng)選擇一天內(nèi)所受日照量最大的時刻作為升溫階段最佳觀測時刻，CECS204(2006)中確定合肥市夏季升溫階段的最佳時段，也是基于此判斷。本文數(shù)據(jù)全部采集于冬季，只是做了驗證工作的一部分，我們準(zhǔn)備結(jié)合總輻射表和照度計測量光照強度，對本地夏冬兩季升溫和降溫階段進(jìn)行交叉比對驗證。

②JGJ376-2015規(guī)定空鼓面積比不大于15%則進(jìn)行局部修繕，大于15%必須進(jìn)行單元墻體修繕。我們已經(jīng)能夠較準(zhǔn)確定位缺陷位置，但希望通過建立數(shù)學(xué)模型并利用數(shù)值分析軟件，對缺陷的嚴(yán)重程度（空鼓面積比）和幾何尺寸（厚度、面積）做出評估。

[1]JGJ144-2008，外墻外保溫工程技術(shù)規(guī)程[S].

[2]尹秀琴.建筑外墻外保溫系統(tǒng)性能與質(zhì)量評價研究[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2010.

[3]JGJ376-2015，建筑外墻外保溫系統(tǒng)修繕標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4]Eva Barreira.Evaluation of Building Materials Using Infrared Thermograph[J].Construction and Building Materials,2007(21).

[5]JGJ/T132-2009，居住建筑節(jié)能檢測標(biāo)準(zhǔn)[S].