■ 王俊偉 Wang Junwei 陳 洋 Chen Yang 趙 鴻 Zhao Hong周 云 Zhou Yun 金桂華 Jin Guihua

0 引言

建筑外墻常用貼面磚、馬賽克或粉刷抹灰等方式保護建筑外墻，又具美觀效果。然而，由于施工工程中材料不合格、施工工藝不當或施工質(zhì)量不合格[1]及正常使用過程中自然老化等因素，外墻飾面材料空鼓現(xiàn)象普遍存在。特別是一些高層建筑外墻的面磚、馬賽克脫落造成財產(chǎn)損失和人員傷亡后，人們對外墻飾面空鼓問題愈發(fā)重視，上海市更是把它提高到了城市公共安全的高度。2010年上海世博會前，上海市政府投入大量財力，對全市幾百幢高層，總計約1 500萬m2建筑外墻飾面空鼓情況進行了檢測，并根據(jù)檢測情況對空鼓部位進行了修繕。

施工過程中的外墻飾面空鼓問題，可通過加強質(zhì)量控制，減少或避免墻面空鼓的發(fā)生。而對既有建筑外墻飾面空鼓問題，則需要采用一定的檢測方法檢測，根據(jù)檢測情況進行修繕，確保使用安全。傳統(tǒng)檢測方法是讓有經(jīng)驗的工程師采用空鼓錘敲擊墻面，聽敲擊聲音辨別墻面是否空鼓。然而只是由人來敲擊檢測，除了存在效率低、適用范圍小、依賴工程師的經(jīng)驗等缺點，對高層等建筑外墻顯然行不通。上?！坝啦?00天”高層建筑外墻飾面空鼓檢測中，采用了先進的紅外熱成像技術，但實踐中發(fā)現(xiàn)，紅外熱像技術受天氣、拍攝角度、拍攝距離以及紅外圖像的分析判斷等因素影響，時常出現(xiàn)誤判[2]。

本文在深入分析傳統(tǒng)敲擊檢測方法中敲擊聲音振動特性基礎上，在不同外墻飾面、多種工況下進行了實驗驗證，結(jié)果表明，可利用墻面敲擊聲音振動特性判別墻面空鼓情況。

1 敲擊聲音振動特性[3][4]

根據(jù)相關文獻對敲擊過程動力學分析，在敲擊過程中，敲擊錘的初動能將轉(zhuǎn)化為墻體飾面材料的彎曲振動能量及相互接觸區(qū)域形變能量，當墻體飾面材料達到最大形變時，敲擊錘的速度變?yōu)榱?，這時所有的初動能都轉(zhuǎn)化為墻體飾面材料的彎曲振動能量和接觸區(qū)域形變所產(chǎn)生的能量(不考慮能量損壞)。因此忽略壓縮波與墻體結(jié)構(gòu)變形的剪切力等成分，能量守恒方程如下：E=1/2≈Ef+Ec。其中，v0是敲擊錘的初動能，Ef、 Ec代表墻體飾面材料彎曲變形的能量和接觸區(qū)域的能量。接觸區(qū)域的能量包括墻體形變能量和敲擊球形變能量兩部分，這部分能量通過反彈最后轉(zhuǎn)化為敲擊小球的剩余振動。

當墻體飾面材料存在空鼓時，飾面材料和黏結(jié)材料間存在空隙，像是一塊空心的薄板，該處墻體飾面材料的等效厚度要比正常墻體飾面材料的等效厚度小得多，剛度顯著降低。這樣在敲擊空鼓部位時，敲擊錘的初動能轉(zhuǎn)化為墻體彎曲振動能量的比率將大大高于正常墻面，這樣空鼓部位的振動幅度將明顯增加。墻體飾面空鼓部分與正常部位的剛度和吸收能量的明顯不同，將在敲擊聲音中有明確的表現(xiàn)，即正常墻體因剛度相對較大，振動頻率較高，而空鼓墻體因剛度相對較小，振動頻率低，但空鼓時墻面吸收了較多的敲擊能量，空鼓墻面的振動幅度將增大，表現(xiàn)為聲音高。因此通過對敲擊過程中產(chǎn)生的聲信號特征進行分析，可判斷墻體結(jié)構(gòu)中是否存在空鼓。

2 墻面敲擊聲音振動特性分析結(jié)果

實驗選取常見的三種建筑外墻飾面，分別是粉刷抹灰墻面、面磚墻面和馬賽克墻面。對每種墻面選取兩幢不同建筑外墻進行測試，分析其敲擊聲音特性。實驗中錄音采用三洋錄音筆，音頻分析采用cooledit和matlab軟件。具體分析結(jié)果見圖1～8。

通過不同粉刷抹灰墻面聲音測試，對比結(jié)果表明：①墻面正常和空鼓時敲擊聲音特征明顯不同，正常墻體振動振幅小，而空鼓墻體振動幅度明顯增大，這與人耳聽到的墻面空鼓時聲音高相符(注：聲音的三個基本特征為音調(diào)、響度和音色，音調(diào)由振動頻率決定，而聲音的高低即聲音的響度則由振動幅度決定)；正常墻體振動頻率高，而空鼓時振動頻率低。②不同墻面空鼓時的振幅與正常時振幅的相對比值均約為3～4倍。③不同墻面敲擊的振動頻率頻段含量不同，這主要是與不同墻面構(gòu)造如找平層厚度、粉刷層厚度、粉刷層混合砂漿配合比、抹灰層厚度、施工工藝等有關。具體為：墻1正常時的振動頻率基本位于2 500Hz左右，而墻2正常時的振動頻率基本位于1 200Hz左右；墻1空鼓時的振動頻率基本位于750Hz左右，而墻2正常時的振動頻率基本位于350Hz左右。

除了對比不同的墻面，還考慮了另外兩個因素，一是不同的敲擊設備，二是環(huán)境噪音。因此，實驗測試過程中，采用不同的敲擊錘，如多棱金屬球(滾動方式)、傳統(tǒng)的敲擊錘和響鼓錘(金屬圓球)對同一墻面分別進行了安靜環(huán)境和有噪音環(huán)境下的測試，測試分析結(jié)果表明，采用不同的敲擊設備以及環(huán)境噪音均未對墻面敲擊聲音的振動特性產(chǎn)生明顯的影響。

另外，針對面磚和馬賽克墻面分別進行測試(圖9～16)，其聲音振動特征表現(xiàn)出與粉刷抹灰墻面相同的規(guī)律，只是因為墻面材料不同，振動頻率有所差別。

3 結(jié)論

綜合粉刷抹灰墻面、馬賽克墻面和面磚墻面的實驗分析結(jié)果有如下特征：①同一墻面空鼓時敲擊聲音振幅明顯增大，約為正常時的3～4倍，聽起來聲音明顯高；②同一墻面正常時敲擊振動頻率高，而空鼓時振動頻率低；③不同材料墻面敲擊時振動頻率不同；④同一材料的不同墻面敲擊振動頻率不同，這主要與墻面粉刷層厚度、粉刷混合砂漿的配合比、抹灰層厚度和施工工藝等因素有關。綜合以上分析結(jié)果，可基于墻面空鼓時敲擊聲音明顯的振動特征來判斷墻面的空鼓情況。

[1]蔣吉振.外墻飾面磚空鼓和脫落的現(xiàn)象分析及質(zhì)量控制[J].四川建筑,2007(3) :59-60.

[2]黃新，王曉燕.用紅外熱成像技術檢測外墻空鼓時的影響因素分析[J].紅外，2012(6):38-41.

[3]孫牽宇.基于SPCE061A的嵌入式墻體空鼓聲無損檢測系統(tǒng). 廈門大學碩士學位論文，2007.6.

[4]F. Tong， S.K. Tso， X.M. Xu.Tile-wall bonding integrity inspection based on timedomain features of impact acoustics，Sensors and Actuators A 132 (2006) 557-566.