瀝青路面太陽熱反射涂層材料

周蕾++李昊隆++劉文昌

[摘 要]分析了熱反射涂層的降溫機(jī)理，介紹了熱反射涂層的材料組成，綜述了熱反射涂層的發(fā)展歷程和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。

[關(guān)鍵詞]瀝青路面，太陽輻射，熱反射，涂層材料

中圖分類號：U414 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）07-0167-02

1 引言

近幾十年來，我國公路建設(shè)高速發(fā)展，因?yàn)r青路面具有良好的平整度，行車舒適度，降噪等優(yōu)越性能而被廣泛應(yīng)用于各種高等級路面中。但是瀝青材料是一種吸熱材料并且對太陽輻射光波長吸收范圍很廣，大量的熱量積累在瀝青面層中，夏季高溫時(shí)期能達(dá)到65℃。[1]這種高溫環(huán)境容易導(dǎo)致城市“熱島效應(yīng)”從而嚴(yán)重影響大氣溫度。20世紀(jì)末期，西方一些科技發(fā)展迅速的國家相繼研究出一種太陽熱反射涂層材料，是解決瀝青路面太陽熱輻射問題的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。R.Neil采用馬來酸二丁酯-乙酸乙烯共聚物作為成膜物質(zhì)，加入陶瓷珠光隔熱劑制成隔熱性能較好的水性隔熱材料[2]；日本的武居二郎在建筑物的熱反射上進(jìn)行了研究[3]。國內(nèi)對太陽熱反射涂層的研究從20世紀(jì)末開始，多數(shù)研究都是直接將填料摻入涂層涂料中，然后測試涂覆了熱反射涂層的瀝青路面路用性能，并且尚無具體實(shí)施工程。因此，關(guān)于太陽熱反射涂層還需結(jié)合國內(nèi)路面實(shí)際結(jié)構(gòu)情況來進(jìn)行深入研究。

2 熱反射涂層的降溫機(jī)理

瀝青路面吸收太陽熱輻射的外在因素包括：太陽總輻射、氣溫、風(fēng)速、大氣逆輻射、濕度等；內(nèi)在因素則是路面的熱傳導(dǎo)和熱輻射。對于已經(jīng)投入使用的瀝青路面，外在因素是客觀存在的，無法改變，只能改變?yōu)r青路面的內(nèi)在因素。而內(nèi)在因素的改變方式有兩種方式：一是被動降溫，例如降溫性能好的改性瀝青或者采用透水性路面從而加快熱量的傳導(dǎo)和散發(fā)；二是主動降溫，就是將一種具有吸收太陽高能量波長的材料摻入涂料中，將涂料涂覆在瀝青路面上，形成熱反射涂層從而可以將太陽熱輻射的能量輻射出去達(dá)到降溫效果。

目前國際上已經(jīng)對兩種降溫方式進(jìn)行了深入研究，得知通過改變?yōu)r青自身性能或?yàn)r青混合料性能的方式雖然延長了路面使用壽命但是由于瀝青本身性質(zhì)決定，這種措施仍不能從根本上解決高溫病害等問題。但是主動降溫的方式不僅效果顯著，而且經(jīng)濟(jì)性好可以節(jié)約大量能源和資金。[4]

3 熱反射涂層材料組成

太陽熱反射隔熱涂層是一種對近紅外輻射具有顯著反射作用的功能型涂層，主要包括基體、填料、顏料和助劑。太陽熱反射涂層示意圖1如下：

3.1 基體

基體包括樹脂和與之相配的固化劑。1992年，SANGYOYUGEN公司就用多種高分子聚合物對丙烯酸樹脂進(jìn)行改性，制備成共聚丙烯酸樹脂乳液，將其作為主要成膜物質(zhì)，與含有硅酸鹽的隔熱材料混合，制備出了一種熱反射涂料，其隔熱反射性能良好[6]。由于樹脂對涂層熱反射性能沒有太大影響，考慮到涂層的耐久性和附著性，盡量選擇耐磨性較好并且與瀝青路面粘結(jié)性較好的樹脂。

3.2 填料

填料是決定涂層熱反射性能的重要組成部分。根據(jù)光散射理論，光波遇到不均勻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生與主波方向不一致的次級波，與主波合成出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，使光波偏離原來的方向，從而引起散射。顏料顆粒分散在樹脂中所形成的涂層體系便構(gòu)成了一個典型的散射系統(tǒng)。散射質(zhì)點(diǎn)的折射率與基體的折射率相差越大，將產(chǎn)生更為嚴(yán)重的散射。[7]利用輻射制冷原理在涂料中添加紅外波段高發(fā)射率材料可以有效提高涂層的輻射能力，從而實(shí)現(xiàn)降低基體溫度。為了達(dá)到涂層輻射可以穿越大氣窗口而不被大氣所吸收，所以需要所添加的材料輻射波段在3～5m和8～13.5m波段內(nèi)有高的發(fā)射率。[8]

目前填料中使用較多的是二氧化鈦，在太陽熱反射涂層中很少用納米二氧化鈦，一般都用微米或亞微米二氧化鈦。但是僅僅使用二氧化鈦并不能滿足現(xiàn)有的對道路的要求，所以有研究對二氧化鈦進(jìn)行了改性。中國地質(zhì)大學(xué)熊君山等對二氧化鈦的改性進(jìn)行了研究，改性劑為硅烷偶聯(lián)劑WD-20，綜合改性劑用量、pH值、溫度等因素對改性效果的影響，將改性后的二氧化鈦加入熱反射涂層中，經(jīng)檢測該種涂層的反射率得到了較大提高，且降溫效果也得到了提高，試件背面的溫度較改性之前低7℃[9]。

3.3 顏料

由于填料自身性能決定其顏色大多是白色，將填料用于路面會造成炫光現(xiàn)象，降低司機(jī)的舒適度并且長時(shí)間會造成視覺疲勞容易引發(fā)事故。因此，在路用熱反射涂料制備過程中需要引入顏料增加涂料色彩性，不但美觀，更重要的是能夠提高視覺舒適度，增強(qiáng)路用性能。顏料主要是對路面上色，但也會影響涂料的施工及涂層的機(jī)械性質(zhì)。對于太陽熱反射涂料顏料不但要具備普通涂料中所應(yīng)具備的性質(zhì)，還應(yīng)具有特殊的紅外吸收特性。

3.4 助劑

樹脂的性質(zhì)決定將涂層用于瀝青路面后會對瀝青路面的抗滑性能以及耐久性產(chǎn)生不利影響，所以基料中會適當(dāng)加入部分助劑來提高涂層材料的性能。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的梁滿杰自制了一套室內(nèi)降溫試驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)，這套系統(tǒng)可以對太陽熱反射涂層的降溫效果進(jìn)行評價(jià)，同時(shí)，對涂覆涂層后瀝青路面的抗滑性進(jìn)行了測試，結(jié)果表明，涂后路面的抗滑值有所下降；然后通過在涂層表面撒布標(biāo)準(zhǔn)砂的方法對路面的抗滑性進(jìn)行了改善，試驗(yàn)結(jié)果表明，改善后路面的抗滑性可恢復(fù)到原有路面的抗滑水平[10]。

4 瀝青路面熱反射涂層實(shí)際應(yīng)用

從20世紀(jì)末開始，美國，歐洲等西方國家相繼研制了太陽熱反射涂層，從此太陽熱反射涂層迅速發(fā)展。2002年，長島特殊涂料公司和日本鋪道公司聯(lián)合開發(fā)出“涼頂”，“涼頂”是一種可以抑制路面溫度增長的材料。隨后，日本許多家企業(yè)紛紛開始了熱反射涂料研究，研制了多種適用于不同建筑物的熱反射涂層材料，除行車道和人行橫道外，還在廣場、游泳池旁等特殊工程中得到應(yīng)用[11]。我國從20世紀(jì)末才逐漸開始接觸太陽熱反射涂層并開始深入研究[12]。2002—2003年，中國瀝青路面的熱反射涂層鋪裝施工面積超過5萬㎡[12]。合適的材料和合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以使涂覆了太陽熱反射涂層的路面降溫效果越好，并且廣泛應(yīng)用于城市道路可以有效的緩解城市“熱島效應(yīng)”[13]。

涂層涂布在瀝青路面上要不斷經(jīng)受行車載荷和自然環(huán)境的影響。施工中對環(huán)境的影響，施工后熱反射涂層能否在路面上得以應(yīng)用，實(shí)際的降溫效果以及其耐久性如何，是研究中必須考慮的問題。太陽熱反射涂層在實(shí)際應(yīng)用中，雖然對減輕瀝青路面的熱島效應(yīng)有良好的效果，在國內(nèi)外已有一些實(shí)例，但在其研究中仍存在以下問題需要突破：

（1）成本偏高。熱反射涂層鋪裝的直接施工費(fèi)用是普通鋪裝的4倍多（熱反射涂層的造價(jià)較高，達(dá)到300～400元/㎡），高昂的建設(shè)成本能否被社會廣泛接受尚不明確。因此，熱反射涂層鋪裝的建設(shè)成本是急需解決的問題之一。[14]

（2）容易遭受污染磨損，車輛行駛易導(dǎo)致涂膜污損、脫落。車輛行駛（車胎摩擦等）可能造成路面中熱反射涂層材料出現(xiàn)部分脫落或污損，降低了降溫效果。

（3）現(xiàn)今研究出的熱反射涂層存在耐久性差，耐磨性不足的問題。實(shí)際的壽命基本維持一年左右，后期的養(yǎng)護(hù)修復(fù)存在有很大的問題。

（4）我國的瀝青路面時(shí)設(shè)計(jì)過程中有許多不足。如當(dāng)涂覆熱反射涂層后，實(shí)際路用時(shí)路面的抗滑性與不透水性難以兼顧。

參考文獻(xiàn)

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[14] 王赫.瀝青路面熱反射涂層性能及應(yīng)用研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.