建筑技术丨基于红外热成像的建筑外立面病害检测技术研究

1 建筑外立面空鼓检测试验研究

为了验证红外热成像检测的能力边界，本研究拟砌筑一堵墙体，在墙体上完成墙体外立面的水泥砂浆抹灰以及瓷砖外立面的施工，同时将不同程度的空鼓病害构造进入墙体。

1.1 试验方案设计

墙体表面立面以及病害构造布置设计如图1所示，外立面材料包括传统水泥砂浆、条形瓷砖2种形式。其中，条形瓷砖又分为在粘结层构造空鼓与在基层构造空鼓两种病害类型。

图1 砌筑墙体立面示意

如图1所示，图1中8–2、8–4、15–2、15–4分别代表了空鼓尺寸为8 cm×8 cm、15 cm×15 cm，空鼓深度为2 mm、4 mm的4种情况。瓷砖粘结层病害区域根据实际粘贴过程中，通过在瓷砖背面非满铺来模拟空鼓区域。

1.2 空鼓构造设计

为充分模拟建筑外立面空鼓的特征，采用人为构造预埋构件的方式来模拟。采用如图2所示的模具进行水泥砂浆构件的浇筑。以构件尺寸为8 cm、空鼓厚度为2 mm和4 mm的构件模具为例。

图2 预制空鼓构件示意

将预拌好的水泥砂浆敷设至模具中，养护7 d后脱模。

1.3 预埋构件墙体施工

根据试验方案设计，墙体砌筑过程中要将制作好的构件预埋至水泥砂浆层，接下来将分别针对水泥砂浆立面、瓷砖立面层的施工过程进行介绍。

从大方框中可看出将具有凹陷的一面朝向墙体，然后敷设水泥砂浆进行固定与掩盖，可以保障凹陷侧与墙体表面能够形成空腔来模拟空鼓。

为了确保预制构件本身不会对红外热成像检测存在影响，在小方框内将一个构件凹陷背向墙体预埋，水泥砂浆敷设过程中会填满凹陷，消除空鼓。根据现场测量，预制构件埋设于离水泥砂浆层内部1.5 cm。

瓷砖粘结层预制空鼓的方式如下：在平整的水泥砂浆层表面粘结条形瓷砖时，瓷砖背面不满贴水泥砂浆。在粘贴马克笔标注部位时，瓷砖对应位置不涂抹砂浆。该空鼓距离瓷砖表面仅0.5 cm，即瓷砖本身的厚度。

瓷砖基层预制空鼓的方式与水泥砂浆层预设构件的方式保持一致，在水泥砂浆层养护结束后，在水泥砂浆层表面铺设瓷砖，并且瓷砖背面的水泥砂浆满铺粘贴。瓷砖粘结层处设置的空鼓距离最终瓷砖层表面距离为2.5~3 cm。

1.4 红外热成像检测结果分析

待前述墙体施工与空鼓预设施工完成15 d后，利用红外热成像设备对其进行分析。红外热成像仪采用大疆无人机H30T挂载设备，其中红外热成像仪的像素为1 280×1  024@30 fps，支持32倍数字变焦，测量温度范围为–20~150℃。

空鼓位置处的温度明显高于无空鼓处的表面温度，具体温度数据见表1。从表1中可发现，空鼓位置的温度会随着空鼓面积的增加而提高。

表1 水泥砂浆层红外热成像温度数据    ℃

瓷砖背后高温空鼓区域的位置预设空鼓的位置几乎一致。同时，由于瓷砖粘结层位置处的空鼓距离表面更近，其温度越高，体现为空鼓区域的温度越高，颜色越亮。可以证明红外热成像技术对瓷砖粘结过程中出现的空鼓具有良好的检测效果。

从两个环境温度的测试结果可以看出，由于空鼓埋深较厚，8 cm×8 cm尺寸的空鼓基本上无法通过温差有效反映出来，仅能显示出15 cm×15 cm较大尺寸的空鼓病害。空鼓位置与无空鼓位置的温度信息见表2。

表2 空鼓位置与无空鼓位置的温度信息   ℃

对比不同温度下瓷砖基层空鼓处红外热成像可以发现以下规律：

（1）墙体表面温度降低幅度与环境温度的降低幅度近似成正比。

（2）环境温度降低后，空鼓位置处与完好位置处的温差反而增大。这意味着对于建筑外立面病害的检测对环境温度的要求反而放宽，无需仅在夏季才能开展。

2 既有建筑红外热成像检测排查

通过人为构造试验的方式验证了红外热成像对建筑外立面病害空鼓的检测能力后，针对2010年左右建成的建筑进行实地检测。

2.1 无人机飞行准备

本次检测采用了大疆无人机M350RTK，搭载H30T镜头进行拍摄。2024年我国交通运输部门发布了《民用无人驾驶航空器运行安全管理规则》的管理要求，本次无人机飞行采取了线上UOM民航局官网申请空域与线下拍摄区域属地派出所报备的方式进行了审批申请。

无人机起飞后，通过立面摄影航线规划，设定好无人机距离建筑外立面的平面距离。同时，设定好无人机连续拍照的时间间隔。为了保障飞行路径中摄影的高质量效果，采用了增稳模式进行飞行。

本次无人机检测拍摄了两种外立面材质的住宅小区，一个是保温水泥砂浆层，另一个是瓷砖层。

2.2 无人机检测结果分析

案例1是外立面为水泥砂浆层的建筑，该建筑外立面已发生了多次表皮高空脱落的事件。本次检测针对已脱落区域和外表完好但实际已处于病害中的2种情况进行展示。

外立面水泥砂浆脱落位置附近有大面积温度较低的区域。这部分区域与建筑结构的粘结从易脱落位置处开始发生劣化，需要重点进行防治。

建筑外立面表面平整，无凸起等明显情况。但通过红外热成像可以发现在建筑外立面分割缝位置两侧存在大面积温度较低的区域。这种结果明显证明了红外热成像检测的有效性，可以及时预防。

案例2是外立面为马赛克瓷砖的建筑，本案例仅展示表面完好但存在空鼓的情况。可以发现，红外热成像检测对建筑外立面微型瓷砖粘结质量也能起到良好的检测效果。

3 结论

为了研究红外热成像技术对既有建筑外立面检测能力与应用推广效果，分别开展了人为构造建筑立面空鼓病害的试验研究与既有建筑外立面病害识别检测的应用分析。试验研究与应用研究结论如下。

（1）红外热成像检测技术对建筑外立面病害检测具有良好的能力，尤其是对于表面完好、内部存在问题的情况。但其检测能力与病害的尺寸大小和深度情况紧密相关。

（2）建筑外立面空鼓位置与无病害位置之间的温差并不总是随着环境温度的升高而变得更加明显。这一发现提高了红外热成像检测技术在全年内的可应用性，使得该技术能够在更广泛的气候条件下得到有效利用。

（3）水泥砂浆外立面的分隔缝位置往往是脱落、空鼓、渗水等病害的高发区域。一旦分隔缝位置发生水泥砂浆或瓷砖的脱落后，应当及时采取相应的防治措施，以避免空鼓病害的进一步发展以及安全隐患风险的提高。