熱反射涂層及其對瀝青路面高溫性能的影響

舒永法，韓占闖，陳浙江，蔣應軍

(1.蘭溪市人民政府，浙江 金華 321110； 2.長安大學 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710064； 3.金華交通運輸管理局，浙江 金華 321110)

0 引 言

為了降低夏季瀝青路面溫度，緩解熱島效應及路面車轍問題，國內(nèi)外道路工作者對夏季瀝青路面降溫技術(shù)開展了大量研究。熱反射涂層材料是一種對太陽熱輻射具有高反射率的材料[1]。涂層材料中的功能性粒子將太陽的熱輻射反射，或?qū)⒙访嫖盏臒崃枯椛涞酵獠靠臻g，降低瀝青路表及內(nèi)部結(jié)構(gòu)層溫度，這是近年來較為熱門的研究課題之一[2]。

日本多家油漆公司研發(fā)了一種熱反射涂料，這種涂料用于行車道及人行道路面，能在高溫季節(jié)降低路表面溫度10 ℃左右[3-4]；美國一項專利中介紹了幾種顏色較深的太陽熱反射率涂料，涂有這種熱反射涂料的建筑物可以減少能量損耗2%～43%[5]。在國內(nèi)，趙石林等利用氧化錮錫與氧化錫銻對太陽光譜具有理想選擇性的特點，研發(fā)了納米透明阻熱涂料，該涂層具有良好的阻熱性能以及力學性能；鄭木蓮等采用鈦白粉、氧化鐵紅、炭黑、鉻綠等，研究了不同顏色涂層對瀝青混合料的阻熱效果及抗滑性的影響，結(jié)果表明白色熱反射涂層試件表面的室內(nèi)降溫高達18 ℃～25 ℃，涂在試件內(nèi)部2.5 cm處可降低9.4 ℃；曹雪娟等在瀝青路表面涂布一種熱反射涂料，在夏季時可有效降低路表面溫度5 ℃～10 ℃，且具有良好的耐磨性；張鑫等研發(fā)了一種路面降溫熱反射涂料，可降低瀝青路表面溫度8.3 ℃～12.8 ℃；馮德成等研發(fā)的熱反射涂料可降低瀝青路面溫度11.4 ℃。

上述研究成果對降低路面溫度、促進熱反射涂層技術(shù)進步具有重要意義，然而因工程造價較高，難以大面積推廣應用；且上述研究成果聚焦于熱反射涂層對路面的降溫效果，而未見有熱反射涂層對瀝青路面高溫抗車轍性能影響的研究。鑒于此，本文以降溫效果為主要評價指標，兼顧材料價格，采用硅藻土和金紅石型鈦白粉為顏填料開發(fā)熱反射涂層，并評價該熱反射涂層降溫效果對瀝青路面高溫性能的影響。

1熱反射涂層的開發(fā)

1.1 原材料及初擬用量

1.1.1 基料原材料及初擬用量

基料又稱成膜物，由樹脂及與之相匹配的固化劑組成[6-10]。所用樹脂采用南通星辰鳳凰牌E-51環(huán)氧樹脂，固化劑采用與樹脂相匹配的聚酰胺固化劑，固化劑用量一般為環(huán)氧樹脂的40%。

1.1.2 助劑原材料及初擬用量

助劑是熱反射涂層的輔助成膜物質(zhì)，其用量一般很少。助劑主要包含稀釋劑、潤濕分散劑、消泡劑、流平劑等[11-14]。

(1)稀釋劑。稀釋劑采用普通非活性稀釋劑丙酮，用量一般為成膜物質(zhì)量的10%～15%。熱反射涂層采用涂刷工藝，因此稀釋劑用量為成膜物質(zhì)量的10%。

(2)潤濕分散劑。潤濕分散劑采用德國BYK公司生產(chǎn)的型號為BYK-P104的潤濕分散劑。潤濕分散劑用量一般約占總質(zhì)量的0.2%～0.8%。由于熱反射涂層現(xiàn)配現(xiàn)用，因此潤濕分散劑用量占總質(zhì)量的0.3%。

(3)消泡劑。消泡劑采用富宇生產(chǎn)的磷酸三丁酯消泡劑，用量一般為涂料總質(zhì)量的 0.01%～0.3%。根據(jù)試驗研究，當消泡劑用量為0.1%時，熱反射涂層配制過程不再產(chǎn)生泡沫。因此，消泡劑用量取涂料總質(zhì)量的0.1%。

(4)流平劑。流平劑采用德國BYK公司生產(chǎn)的型號為BYK-331的流平劑，用量一般為涂料總質(zhì)量的0.1%～1%。研究表明：當流平劑用量為0.3%時，熱反射涂層在干燥成膜過程中即可形成一個平整、光滑、均勻的涂膜。因此，流平劑用量占總質(zhì)量的0.3%。

1.1.3 功能填料原材料及初擬用量

功能填料一般包括顏填料和著色顏料，是決定熱反射涂層降溫效果的關(guān)鍵成分。

(1)顏填料。顏填料采用硅藻土、金紅石型鈦白粉，研究顏填料中硅藻土與鈦白粉的比例(簡稱硅鈦比)、顏基比(顏填料與基料的質(zhì)量)比對熱反射涂層降溫效果的影響，提出涂層降溫效果最好的硅鈦比和顏基比[15]。根據(jù)國內(nèi)外研究結(jié)果及施工經(jīng)驗，擬定硅鈦比、顏基比見表1。

表1 擬定硅鈦比及顏基比

(2)著色顏料。著色填料采用氧化鐵紅(三氧化二鐵)，按熱反射涂層中在使用時所顯示的色彩，著色填料分為紅、黃、藍、白、黑、綠、紫等，可美化道路景觀，提高道路行駛安全[16]。

根據(jù)道路景觀要求，設計著色顏料及其用量，使得配置涂層顏色為粉紅色，顏填料中硅鈦比不同時，氧化鐵紅用量占總質(zhì)量的百分比見表2。本試驗取氧化鐵紅推薦用量的中值。

表2 氧化鐵紅占涂料總質(zhì)量的百分比

1.2 涂料的制備及降溫效果測試方案

1.2.1 涂料的制備

涂料的制備過程：準確稱量顏填料質(zhì)量；向顏填料中加入規(guī)定質(zhì)量的環(huán)氧樹脂，用玻璃棒快速攪拌2～3 min，然后加入適量的稀釋劑并攪拌3～5 min，形成料漿；再向料漿中加入適量的顏料，攪拌至顏色均勻；隨后加入各種成膜助劑，快速攪拌3 min左右；最后加入適量的聚酰胺固化劑，快速攪拌5 min左右，即可形成涂料。

1.2.2 降溫效果的測試方案

(1)測試方案。制備2組試件，一組是5 cm厚普通車轍板，另一組是5 cm厚涂熱反射涂層的車轍板試件，采用光照模擬裝置對2組試件進行光照模擬試驗，光源為1 000 W的碘鎢燈，測試試件表面溫度，評價熱反射涂層的降溫效果。

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)中的輪碾壓法制作普通車轍板，然后將制備好的熱反射涂料按設計用量涂刷于車轍板表面，用于制作涂熱反射涂層車轍板試件。

(2)測試方法。將車轍板的四周及底部用厚度為50 mm的高密度泡沫保溫板包圍，為防止光照從車轍板四周進去影響試驗的準確性；在車轍板的表面中心處放置溫度傳感器；調(diào)整光照模擬裝置的碘鎢燈位置，使其處于車轍板試件中心的正上方，且光照均勻；連接溫度傳感器與溫度記錄儀，開啟溫度記錄儀和光照設備，每30 min采集1次數(shù)據(jù)。

1.3 熱反射涂層最佳配比的確定

1.3.1 顏基比對降溫效果的影響及最佳顏基比

當顏填料中硅鈦比為1∶0時，不同顏基比下涂熱反射涂層車轍板試件和未涂熱反射涂層普通車轍板試件表面溫度隨模擬光照時間的變化規(guī)律見表3，涂熱反射涂層車轍板試件的溫差隨模擬光照時間的變化規(guī)律如圖1所示。

由圖1可知：顏填料中硅鈦比為1∶0時，顏基比不同，熱反射涂層的降溫效果不同，降溫效果隨模擬光照時間的增加逐漸增加；顏基比為4∶6的降溫效果最好，模擬光照3 h降溫可達4 ℃。因此，硅鈦比為1∶0時，熱反射涂層的最佳顏基比為4∶6。

表3 當硅鈦比為1∶0時試件表面溫度隨模擬光照時間的變化規(guī)律

圖1 當硅鈦比為1∶0時降溫效果隨模擬光照時間的變化規(guī)律

當顏填料中硅鈦比為2∶1時，同理可得如表4和圖2所示的結(jié)果。

表4 當硅鈦比為2∶1時試件表面溫度隨模擬光照時間的變化規(guī)律

圖2 當硅鈦比為2∶1時降溫效果隨模擬光照時間變化規(guī)律

由圖2可知，當顏填料中硅鈦比為2∶1時，熱反射涂層的最佳顏基比為5∶5。

當顏填料中硅鈦比為1∶2時，可得如表5和圖3所示的結(jié)果。

表5 當硅鈦比為1∶2時試件表面溫度隨模擬光照時間的變化規(guī)律

圖3 當硅鈦比為1∶2時降溫效果隨模擬光照時間的變化規(guī)律

由圖3可得，當顏填料中硅鈦比為1∶2時，熱反射涂層的最佳顏基比為5∶5。

當顏填料中硅鈦比為2∶0時，可得如表6和圖4所示的結(jié)果。

表6 當硅鈦比為2∶0時試件表面溫度隨模擬光照時間的變化規(guī)律

圖4 當硅鈦比為2∶0時降溫效果隨模擬光照時間變化規(guī)律

由圖4可知，當顏填料中硅鈦比為2∶0時，熱反射涂層的最佳顏基比為6∶4。

1.3.2 熱反射涂層最佳配比

熱反射涂層最佳配比是指使涂層降溫效果達到最好的涂層配比。4種硅鈦比的熱反射涂層試件在相應最佳顏基比下的降溫效果如圖5所示。

圖5 涂層在不同硅鈦比及最佳顏基比下的降溫效果

由圖5可知，當硅鈦比為1∶2、顏基比為5∶5時，涂層降溫效果最好，此時涂層的配比為最佳配比，如表7所示。

表7 熱反射涂層的最佳配比 %

該配比適用于涂刷工藝，若大面積采用噴灑工藝時，可適當增加稀釋劑的用量。同時，該配比配制反射涂層顏色為粉紅色，若需配制紅色或深紅色，只需加大氧化鐵紅用量即可實現(xiàn)。

1.4 熱反射涂層最佳用量

涂層厚度對涂層反射阻熱性能影響很大[17-18]。如果涂層厚度較薄，太陽光線就有可能透過涂層，造成熱穿透效應，熱量就會被涂層下面的瀝青混合料所吸收，起不到反射阻熱的作用[19]；如果涂層厚度超過一定值，太陽光線在涂層內(nèi)部的散射光程會增長，加大涂層對能量的吸收，反而會降低涂層對瀝青路面的降溫效果，不利于反射涂層的推廣應用。

涂層用量為0、0.4、0.6、0.8 kg·m-2的車轍板試件表面溫度隨模擬光照時間的變化規(guī)律如圖6所示；模擬光照3 h后，涂層用量為0.4、0.6、0.8 kg·m-2的熱反射涂層降溫效果如圖7所示。

圖6 試件表面溫度隨模擬光照時間的變化規(guī)律

圖7 涂層降溫效果

由圖6和圖7可知，不同涂層用量的熱反射涂層均有較好的降溫效果，隨時間增長溫差逐漸增大；涂層用量為0.6 kg·m-2時降溫效果最好，降溫可達11.3 ℃。因此，推薦涂層用量為0.6 kg·m-2。

2 熱反射涂層瀝青路面高溫抗車轍性能評價

2.1 瀝青混合料原材料及配合比

本文采用SMA-13混合料進行試驗。瀝青采用韓國雙龍(S-OIL牌)A級70#道路石油瀝青。粗集料采用商洛市商州區(qū)興達采石場生產(chǎn)的斜長角閃巖集料，細集料采用洛南縣正泰礦業(yè)有限公司生產(chǎn)的9.5～19 mm石灰?guī)r碎石自行加工生產(chǎn)。 礦粉采用洛南縣正泰礦業(yè)有限公司生產(chǎn)的4.75～9.5 mm石灰?guī)r碎石自行加工生產(chǎn)。纖維采用天堯牌木質(zhì)纖維。SMA-13瀝青混合料礦料級配見表8。

2.2 熱反射涂層瀝青路面高溫抗車轍性能評價

為了研究熱反射涂層對夏季瀝青路面高溫抗車轍性能的影響，鋪筑了熱反射涂層路面試驗路段，測試了夏季氣溫與熱反射涂層瀝青路面、普通瀝青路面路表溫度的關(guān)系，如圖8所示。

由圖8可知，路面溫度與氣溫的函數(shù)關(guān)系相關(guān)系數(shù)均可達到0.99。

表8 SMA-13瀝青混合料礦料級配

圖8 夏季氣溫與熱反射涂層瀝青路面、普通路面路表溫度的關(guān)系

采用車轍試驗測試不同溫度下車轍板試件的動穩(wěn)定度，由于涂熱反射涂層的車轍板和普通車轍板成型時所用的材料相同，當車轍板的溫度相同時，兩者的動穩(wěn)定度相差不大。所以，只測試了不同溫度下普通車轍板試件的動穩(wěn)定度隨溫度的變化規(guī)律，見表9和圖9。

根據(jù)圖8、9可計算得出不同氣溫下瀝青路面的表面溫度及動穩(wěn)定度。通過對比同一氣溫下熱反射涂層瀝青路面和普通瀝青路面的動穩(wěn)定度，評價熱反射涂層的高溫抗車轍性能，不同氣溫下熱反射涂層瀝青路面和普通瀝青路面的溫度、動穩(wěn)定度以及相對動穩(wěn)定度見表10。

表9 不同溫度下普通車轍板試件的動穩(wěn)定度

圖9 不同溫度下車轍板試件的動穩(wěn)定度

表10 不同氣溫下路面的動穩(wěn)定度以及相對動穩(wěn)定度

由表10可知：氣溫為38 ℃時，普通SMA-13路表溫度約56 ℃，熱反射涂層路表降低為36 ℃；氣溫為39 ℃時，普通SMA-13路表約61 ℃，熱反射涂層路表降低了8 ℃；氣溫為40 ℃時，普通SMA-13路表約67 ℃，熱反射涂層路表降低了11 ℃；氣溫為41 ℃時，普通SMA-13路表約73 ℃，熱反射涂層瀝青路面路表降低了13 ℃；氣溫分別為38 ℃、39 ℃、40 ℃、41 ℃時，與不涂熱反射涂層路面相比，熱反射涂層路面動穩(wěn)定度分別提高1.39倍、1.86倍、3.61倍、6.90倍，隨氣溫升高，熱反射涂層提高夏季瀝青路面高溫抗車轍性能的效果越顯著。

3 結(jié) 語

(1)研究了熱反射涂層中硅鈦比、顏基比對熱反射涂層瀝青路面降溫效果的影響，開發(fā)了路用熱反射涂層，結(jié)果表明：當硅藻土與鈦白粉之比為1∶2、顏基比為5∶5時，涂層降溫效果最好，3 h后可降溫約11.2 ℃，從而較好地解決了夏季路面溫度過高而出現(xiàn)車轍損害的問題。

(2)研究了熱反射涂層對瀝青路面路面高溫性能的影響，結(jié)果表明：瀝青路面降溫性能隨熱反射涂層用量呈拋物線變化規(guī)律，當涂層用量為0.6 kg·m-2時降溫效果最好，降溫可達11.3 ℃。同時，給出了最佳經(jīng)濟適用的熱反射涂層用量，對以后的施工預算具有一定的指導意義。

(3)研究了熱反射涂層對瀝青路面抗高溫性能的影響，結(jié)果表明：與不涂熱反射涂層路面相比，熱反射涂層路面動穩(wěn)定度至少可提高1.39倍，且隨氣溫升高，熱反射涂層提高夏季瀝青路面高溫抗車轍性能的效果越顯著。

(4)為了使熱反射涂層有更長的保存時間，應對其老化性能、儲存耐久性做進一步的研究；為了使現(xiàn)場施工更方便、更有效率，應對熱反射涂層的施工工藝做進一步的研究。