建筑地下工程漏水的紅外熱成像檢測

段浩然，趙 鵬，秦 磊，李 偉，解振鵬，南文博

(1.濟(jì)南大學(xué) 土木建筑學(xué)院，濟(jì)南 250022；2.中鐵十局集團(tuán)建筑工程有限公司，濟(jì)南 250101)

為了減少占地面積，提高土地利用率，房屋建筑大量向高層和地下發(fā)展。建筑地下工程面積不斷增加的同時(shí)，其對防水技術(shù)和防水材料的要求也在提高[1]。滲漏是建筑地下工程中常見的病害，其關(guān)系到建筑物結(jié)構(gòu)的承載能力[2]。快速定位地下工程中的滲漏點(diǎn)，采取及時(shí)的修繕措施至關(guān)重要。

紅外熱成像技術(shù)在軍事、電力、消防以及醫(yī)療領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，而在建筑防水工程領(lǐng)域的應(yīng)用還非常少[3]。隨著紅外熱成像儀器制造水平的提高，儀器設(shè)備呈高精度和小體積的發(fā)展趨勢，為紅外熱成像技術(shù)在建筑地下工程漏水檢測中的應(yīng)用提供了設(shè)備基礎(chǔ)[4]。

1 建筑地下工程漏水

1.1 漏水的主要形式

圖1 底板滲水現(xiàn)場

圖2 側(cè)墻漏水現(xiàn)場

圖3 水管根部漏水現(xiàn)場

圖4 結(jié)構(gòu)縫漏水現(xiàn)場

建筑地下工程一般修建在地下水層中，環(huán)境較為復(fù)雜，其不僅受地下水層的作用，還受地面上建筑物的影響。建筑地下工程漏水的位置主要為頂板、側(cè)墻、底板、變形縫、施工縫、穿層水管根部及埋設(shè)件處(見圖14)。主要漏水形式為點(diǎn)狀滲漏、面狀滲漏和縫滲漏；按照流水量可以分為慢滲、快滲、漏水和涌水[5]。

1.2 檢測方法

檢測建筑地下工程漏水的方法可分為無損檢測和破壞性檢測兩種。無損檢測法通過分析聲、光、電、磁和射線在構(gòu)件內(nèi)部發(fā)生的變化來推斷內(nèi)部是否存在損傷和缺陷，具有非破壞性、操作方便、可重復(fù)檢測等優(yōu)點(diǎn)[6]。破壞性檢測法大多利用鉆孔來探測病害，較為直觀，但會(huì)對被檢構(gòu)件造成一定的損傷，嚴(yán)重時(shí)甚至影響防水工程的正常建設(shè)。

常見的地下工程無損檢測方法有超聲檢測法、沖擊回波法和雷達(dá)監(jiān)測法等[7]。超聲檢測法是通過超聲波的反射時(shí)距來計(jì)算被檢構(gòu)件的厚度的[8]。沖擊回波法通過分析錘擊構(gòu)件產(chǎn)生的彈性波信號(hào)的波形、頻率、波速等參數(shù)，來判斷構(gòu)件內(nèi)部的缺陷和損傷情況。雷達(dá)監(jiān)測法通過向構(gòu)件中發(fā)射極高周波數(shù)的電磁波,并分析反射回來的波形來判斷構(gòu)件內(nèi)部的損傷情況[9]。破壞性方法主要是指進(jìn)行鉆孔和開窗檢測，這種檢測方法速度慢,結(jié)果受檢測人員的主觀影響較大,對檢測人員的施工經(jīng)驗(yàn)要求較高，易造成較大的誤差,且其只能進(jìn)行抽樣檢測,不能對整體結(jié)構(gòu)的情況進(jìn)行推斷。

2 紅外熱成像檢測技術(shù)原理

紅外熱成像檢測技術(shù)是指通過紅外熱成像設(shè)備，對被檢物體的不可視紅外能量進(jìn)行轉(zhuǎn)化和處理，最終以可視溫度分布情況的紅外熱像圖呈現(xiàn)出來的一種技術(shù)[10]。這種檢測技術(shù)具有快捷、檢測范圍廣、適用性強(qiáng)、清晰直觀、非接觸性、精確度高等特點(diǎn)[11]。紅外熱成像技術(shù)按其檢測方式主要分為兩大類：① 主動(dòng)式檢測，指對被檢構(gòu)件施加外部熱源進(jìn)行的檢測；② 被動(dòng)式檢測，指不對被檢構(gòu)件施加外部熱源進(jìn)行的檢測[12]。

根據(jù)熱輻射原理，當(dāng)被檢區(qū)域出現(xiàn)漏水時(shí)，該區(qū)域的導(dǎo)熱性能會(huì)發(fā)生變化，使得該區(qū)域的溫度分布不均勻并引起構(gòu)件表面溫度的變化[13]。利用紅外熱成像設(shè)備可以對該區(qū)域的溫度進(jìn)行采集和處理，并轉(zhuǎn)化為熱像圖。檢測人員通過觀察熱像圖可了解該區(qū)域表面溫度的分布情況。

3 工程實(shí)例

漏水位置為某建筑地下一層，建筑底板厚度為90 mm，底板下方為防水卷材和10 mm厚的墊層，地下水位較高(地面以下2 m)，底板位于地面以下10 m處。因?yàn)樵摻ㄖ?jīng)多次分段澆筑而成，所以存在多處防水薄弱點(diǎn)。當(dāng)?shù)叵滤贿^高時(shí)，地下水穿過外層的柔性防水，并在結(jié)構(gòu)和柔性防水之間劈裂出一個(gè)通道，從結(jié)構(gòu)自防水失效處滲漏出來，造成地面大量積水。為解決漏水問題，檢測人員決定先用水泵抽取地下積水，再利用紅外熱成像技術(shù)和目測法尋找漏點(diǎn)。檢測人員對某地下室內(nèi)的多處滲漏點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，研究了不同位置漏水點(diǎn)的紅外特征，并總結(jié)其紅外輻射的規(guī)律。

3.1 檢測設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備為手持式紅外熱像儀(型號(hào)為Fotric 326，見圖5)，分辨率為384像素×288像素，測試溫度為-20～650℃，溫度靈敏度為0.05 ℃(環(huán)境溫度為30 ℃時(shí))，空間分辨率為1.14 mrad，圖像幀頻為60 Hz。地下水溫為8～10 ℃，大氣溫度為24 ℃。不同的材料具有不同的輻射率,為了更精確地采集溫度數(shù)據(jù)，需要按照被檢構(gòu)件的主要材料來設(shè)置發(fā)射率。被檢構(gòu)件以混凝土材料為主要材料，輻射率為0.92[14]。

圖5 手持式紅外熱成像儀外觀

3.2 滲漏點(diǎn)的紅外熱成像特征

3.2.1 實(shí)例1

建筑施工縫漏水現(xiàn)場如圖6所示，圖中顯示的是抽水過后的現(xiàn)場，可看到墻上明顯的水位線以及坑內(nèi)的殘余積水。該施工縫的紅外熱像圖如圖7所示，可見，周圍結(jié)構(gòu)顏色較淺，對應(yīng)的溫度較高，圖中曲線的顏色較深，對應(yīng)的溫度較低。這是因?yàn)榈叵滤臏囟刃∮谥車Y(jié)構(gòu)的溫度。曲線的顏色由深到淺，表示溫度逐漸升高，顏色越深的地方溫度越低，通常也是漏水點(diǎn)。

圖6 建筑施工縫漏水現(xiàn)場

圖7 建筑施工縫的紅外熱像圖

圖8 充氣膨脹密實(shí)法封堵沉降縫示意

經(jīng)過對紅外熱像圖和現(xiàn)場結(jié)構(gòu)施工順序的分析，檢測人員認(rèn)為漏水來源于結(jié)構(gòu)之間的沉降縫。造成漏水的原因主要有3點(diǎn)：① 該處結(jié)構(gòu)為不同施工單位分批次施工，兩次施工間隔時(shí)間較長，容易造成結(jié)構(gòu)不均勻沉降；② 該處卷材接縫未處理好，柔性防水失效，當(dāng)?shù)叵滤贿^高時(shí)會(huì)向上涌水；③ 該處對預(yù)埋橡膠止水帶保護(hù)不力，止水橡膠帶存在破損。因該處沉降縫縫隙較大，漏水較為嚴(yán)重，所以筆者采用充氣膨脹密實(shí)法對其進(jìn)行修復(fù)(見圖8)。首先對漏水點(diǎn)進(jìn)行局部注漿封堵和填充速凝剛性材料處理，目的是降低水壓，清理出一個(gè)臨時(shí)無水浸泡的工作面；再采用丙烯酸鹽注漿材料進(jìn)行注漿，其遇水膨脹性較好[15]；然后對沉降縫壁兩側(cè)進(jìn)行切割、打磨和清潔，并采用環(huán)氧樹脂膠泥對空洞、凹陷和蜂窩進(jìn)行修整，保證沉降縫壁平行無損；最后利用環(huán)氧樹脂膠黏劑將切割打磨好的橡膠止水條進(jìn)行充氣封堵，再外加金屬蓋板。

3.2.2 實(shí)例2

墻角漏水現(xiàn)場如圖9所示，可以看到該處為側(cè)墻和底板的交界處，存在大量積水。墻角漏水的紅外熱像圖如圖10所示，可以看出底板和側(cè)墻交界處的顏色較深，對應(yīng)的溫度較低，周圍結(jié)構(gòu)的顏色較淺，對應(yīng)的溫度較高，由此可以推斷漏水點(diǎn)位于側(cè)墻與底板的交界處。

圖9 墻角漏水現(xiàn)場

圖10 墻角漏水的紅外熱像圖

漏水原因主要有兩點(diǎn)：① 外部防水卷材未處理好，柔性防水失效;② 該處存在吊模結(jié)構(gòu)，施工過程中無法一次成型，二次成型過程中一次澆筑的混凝土已過初凝期，形成了施工冷縫，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)自防水失效。筆者決定用注漿工藝處理該處漏水，采用丙烯酸鹽注漿材料進(jìn)行注漿，注漿堵漏工藝的流程如圖11所示。筆者首先將底坑內(nèi)的積水排出，清理工作面，鏟除疏松的混凝土，采用速凝剛性材料進(jìn)行封堵；然后埋置止水針(見圖12，埋設(shè)止水針時(shí)將底板打穿，止水針盡可能埋得深，以擴(kuò)大漿液的滲透面積)，因漏水面積較大，所以底板上需要埋置多排止水針，埋置間距小于20 cm。第一次注漿完成后，先對漏點(diǎn)位置進(jìn)行24 h觀察，再進(jìn)行二次注漿。待注漿完成后，利用速凝剛性材料封堵針孔。

圖11 注漿堵漏工藝的流程

圖12 止水針埋置位置示意

3.2.3 實(shí)例3

底板漏水現(xiàn)場如圖13所示，漏點(diǎn)位于底板中心預(yù)留的一個(gè)下沉處。底板漏水的紅外熱像圖如圖14所示，可以看出，顏色較深的地方位于邊角和墻壁接縫處。

圖13 底板漏水現(xiàn)場

圖14 底板漏水的紅外熱像圖

該處底板存在吊模結(jié)構(gòu)(分兩次澆筑而成)，漏水原因與實(shí)例2相同，但相較于實(shí)例2，該漏點(diǎn)面積較小，只需要在邊角和墻壁接縫處預(yù)埋單排注漿釘即可。

為進(jìn)一步總結(jié)熱輻射規(guī)律，筆者對所有實(shí)例的熱成像數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，以研究影響紅外熱成像的因素。不同滲漏處沿水流方向和沿水流橫斷面方向的溫度分布如圖15，16所示。由圖15，16可看出，沿水流方向的溫度大小有：實(shí)例1<實(shí)例3<實(shí)例2，沿水流橫斷面方向的最大溫度差大小有：實(shí)例1>

圖15 不同滲漏處沿水流方向的溫度分布

圖16 不同滲漏處沿水流橫斷面方向的溫度分布

實(shí)例3>實(shí)例2。根據(jù)現(xiàn)場工況和水流量分析可得到結(jié)論：① 實(shí)例1為沉降縫漏水，流速較快；② 實(shí)例2與實(shí)例3均為混凝土構(gòu)件滲水，實(shí)例3滲水速度較實(shí)例2的快。

4 結(jié)論

(1) 被測區(qū)域表面的紅外熱輻射溫度的最低值出現(xiàn)在漏水點(diǎn)或漏水點(diǎn)附近,漏水點(diǎn)位置與周圍環(huán)境有著明顯的溫差，由此規(guī)律可快速定位滲漏位置。

(2) 紅外熱成像技術(shù)不僅能夠?qū)β┧c(diǎn)進(jìn)行快速定位，還能清晰地呈現(xiàn)出漏水點(diǎn)的面積范圍，極大地提高了漏水點(diǎn)檢測的效率和科學(xué)性。

(3) 滲漏點(diǎn)滲水沿水流方向的溫度梯度變化由快到慢，最后趨于平緩；沿水流橫斷面方向的溫度梯度變化較快。

(4) 滲漏點(diǎn)水源流速越快，與混凝土構(gòu)件接觸的時(shí)間越少，漏水點(diǎn)溫度越低，沿水流方向混凝土構(gòu)件的溫度越低，沿水流橫斷面方向混凝土構(gòu)件的溫度梯度變化越快。