瀝青路面降溫涂層材料優(yōu)化設(shè)計及其性能研究

馮錫榮

(中交資產(chǎn)管理有限公司，北京市 100000)

城市的熱島效應(yīng)現(xiàn)象與城市瀝青路面有著直接的關(guān)系，根據(jù)Stefan-Boltzmann定律，夏季路表溫度為63 ℃時，路面的長波輻射強度約為672 W/m2，而夏季太陽的直接輻射強度為700～1 000 W/m2，路表輻射接近太陽輻射，導致了城市熱量難以下降。目前，用于緩解城市熱的方法有增大城市綠化面積，修建通風廊道，采用具有高反射率和高紅外發(fā)射率的“冷材料”等措施。

根據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，目前在路面上降低城市熱的方法主要有：① 優(yōu)化路面結(jié)構(gòu)，采用大孔隙排水性瀝青路面；② 路面灑水和降雨，通過蒸發(fā)作用降低路表溫度；③ 改變路表物化性質(zhì)，在瀝青路表面鋪設(shè)具有反射太陽輻射的“冷材料”；④ 采用阻熱材料，阻止熱量向瀝青路面內(nèi)部傳遞。趙昕分析了路面光反射率對瀝青路面降溫及近地面大氣的影響，認為路用熱反射涂層較其他路面降溫措施效果更佳；陳肅明利用有限元建立路面溫度場模型，研究了熱反射涂層反射效果以及實際應(yīng)用的可行性；長安大學湯琨將以聚丙乙基樹脂基材料制成的熱反射涂料用于瀝青路面，路面溫度最高可以降低 12.5 ℃；路俊杰以聚丙烯酸樹脂、二氧化鈦和碳黑為原料制備了太陽熱反射涂料，室外溫度可以降低 7 ℃；任瑞采用硅丙乳液和空心玻璃微珠為原材料，以氧化鉻和氧化鐵為著色顏料，發(fā)現(xiàn)紅色和綠色反射層降溫可達6.5 ℃以上。目前對路用熱反射涂層的選擇多基于零碎化片段，系統(tǒng)研究較少，室內(nèi)試驗也缺乏相應(yīng)的規(guī)范體系，因此該文基于熱反射理論，對熱反射涂層的機理進行分析，以優(yōu)化原材料以及配合比設(shè)計，并開發(fā)室內(nèi)熱輻射模擬系統(tǒng)，對涂層的降溫性能進行評價。

1 路用降溫涂層工作原理

瀝青路面的熱能交換與其所處的自然環(huán)境有關(guān)，瀝青路面熱量來源主要分為3大部分：太陽直接輻射、散射輻射及大氣逆輻射，路面熱量去向主要包括路面反射、對流交換及路面輻射。瀝青路面熱交換過程中，受太陽熱輻射強度、氣溫等自然因素的影響，而這些因素都是在動態(tài)變化的，但當路表溫度達到最大時路面即達到熱平衡狀態(tài)，瀝青路面的熱平衡方程可通過熱流方程確定，熱流方程公式如下：

q′=α(Es+Esky)-Esur-Eh

(1)

式中：q′為瀝青路面表面的凈熱流密度(W/m2)；α為瀝青路面的輻射吸收率；Es為太陽總輻射強度(W/m2)；Esky為大氣熱輻射量(W/m2)；Esur為大地熱輻射量(W/m2)；Eh為對流換熱(W/m2)。

當q′=0時，可得瀝青路面熱平衡方程：

α(Es+Esky)=Esur+Eh

(2)

通過式(2)可以看出：除去太陽總輻射、大氣逆輻射、風速、濕度等外在因素，瀝青路面降溫的問題可以通過改變路面對輻射的吸收率α來改變?yōu)r青路面溫度的平衡過程。如果能夠降低α，則會減少瀝青路面對外界輻射熱量的吸收，從而能夠使瀝青路面在較低溫度下達到熱平衡。

2 路用降溫涂層原材料選擇

熱反射涂層在常溫下通常為黏稠狀液體，主要由基體材料、顏料和外加劑3部分組成。其中基體材料是涂層組成里最重要的部分，對涂層力學性能起主要作用；顏料主要是用于改善熱反射涂層對太陽光的反射率和優(yōu)化視覺效果；外加劑作為成膜作用的組成部分，可以改善施工條件。

2.1 基體材料選擇

幾種常見基體材料的太陽輻射基本性能見表1。

表1 幾種常見基體材料的太陽輻射吸收率α

由表1可知：在涂層基體材料滿足基本力學性能的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡可能選擇與瀝青路面黏結(jié)性好、在自然環(huán)境變化下物理化學性質(zhì)穩(wěn)定的材料。該文選擇的E-51環(huán)氧樹脂是一種熱固性高分子合成材料，常溫下為透明黏稠液體，其固化后的強度高、黏結(jié)性好、柔韌性好、抗變形能力較好，在堿性環(huán)境中物理性能和化學性能穩(wěn)定。其主要技術(shù)指標見表2。

表2 E-51環(huán)氧樹脂技術(shù)指標

2.2 顏料選擇

顏料的散射能力直接影響了太陽熱反射涂層的反射率。顏料與樹脂混合材料對白光的散射能力m可以通過顏料與樹脂的遮光指數(shù)計算得出，計算公式為：

(3)

式中：m為顏料與樹脂混合材料對白光的散射能力；np為顏料的遮光指數(shù)；nτ為樹脂的遮光指數(shù)。

涂層材料對光的散射率越大，光程越短，路面吸收的太陽光能越少。由式(3)可知，為增大m值，提高涂層對光的反射能力，故選取遮光指數(shù)高的顏料與遮光指數(shù)低的樹脂，幾種顏料的遮光指數(shù)見表3。

表3 部分常用顏料的遮光指數(shù)

為達到較好的熱反射涂層降溫效果，考慮化學穩(wěn)定性，該文選用遮光指數(shù)較高的二氧化鈦(表4)和無機顏料作為涂層顏料。

表4 TiO2主要技術(shù)指標

無機彩色顏料呈粉末狀，密度為2.2 g/cm3，粒徑為20～450 μm，有良好的光穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，是優(yōu)良的道路顏料。當顏料用量過少時，配制的涂層白色顆粒較多，降溫性能更好，但路面反光度較高，對行車安全造成影響；顏料用量過多時，降溫性能變差，有良好的視覺效果。推薦彩色顏料用量為20%～50%，由于20%～50%顏料用量的外觀無明顯差別，因而，該文選用顏料用量質(zhì)量百分比為30%。

2.3 外加劑

外加劑主要有成膜助劑、催干劑、濕潤劑、發(fā)泡劑、分散劑和固化劑等，其主要作用要有輔助成膜作用、均勻分散樹脂作用及提高施工和易性等，該文選用的外加劑主要有消泡劑、分散劑、固化劑和稀釋劑。

水性消泡劑具備在水中易均勻分散、消除氣泡效果良好、儲存期間性能穩(wěn)定等優(yōu)點，該文選定消泡劑用量為涂層總質(zhì)量的0.4%，其主要技術(shù)指標見表5。

表5 水性消泡劑技術(shù)指標

分散劑使顏料在涂層中分散更均勻，而且還起到防止被分解的顏料二次粒子重新組合、降低涂料黏結(jié)度的作用。該文選擇SN-5040分散劑，用量為涂層總質(zhì)量的0.3%～1%，其技術(shù)指標見表6。

表6 SN-5040分散劑主要技術(shù)指標

固化劑的技術(shù)參數(shù)見表7，當固化劑用量過小時，等待開放交通時間過長，且易受污染，當固化劑用量過大時，施工質(zhì)量不易控制，故需確定固化劑最佳用量。

表7 固化劑主要技術(shù)參數(shù)

固化劑最佳用量通過如下公式確定：

(4)

式中：m為固化劑最佳用量；M為胺的相對分子質(zhì)量；n為胺的活潑氫原子數(shù)量；a為胺的純度；E為環(huán)氧樹脂環(huán)氧值。

式(4)中各參數(shù)取值分別為：M=1 000，n=1 000/48，a%=1，E=0.512，經(jīng)計算得到固化劑最佳用量為24.35%，同時，由于理論公式計算與實際應(yīng)用會出現(xiàn)一定的偏差，故推薦固化劑最佳用量為20%～30%。

稀釋劑有活性稀釋劑和非活性稀釋劑兩種，該文選用非活性稀釋劑，非活性稀釋劑和環(huán)氧樹脂不會發(fā)生反應(yīng)，并且在涂層固化時大部分會揮發(fā)，起到降低黏度、改善涂層施工和易性的作用。其取值取決于涂層黏度和施工和易性，該文推薦稀釋劑用量為10%～35%，其技術(shù)指標見表8。

表8 稀釋劑技術(shù)指標

3 熱反射涂層配方

3.1 涂層配合比設(shè)計

以非統(tǒng)計法設(shè)計配置降溫涂層，基體材料采用環(huán)氧樹脂，變量為二氧化鈦體積濃度和漂珠摻量，共設(shè)計了6種熱反射涂層，配制比例見表9。

表9 熱反射涂層各組分比例

表9中炭黑用量是指炭黑與TiO2質(zhì)量比，漂珠和稀釋劑用量為各自占環(huán)氧樹脂質(zhì)量的比例，分散劑和消泡劑用量為占涂料總質(zhì)量的比例。

3.2 涂層制備流程

當涂層各組分的用量確定后，進行涂層的制備，不同的制備流程配制的涂層，其性能也有一定的差別，該文涂層制備工藝流程見圖1。

圖1 太陽熱反射涂層制備流程

4 降溫涂層性能

4.1 干燥時間

參照JC/T 1015-2006《環(huán)氧樹脂地面涂層材料》，測試不同涂刷量下涂層表干時間和實干時間，確定滿足施工中道路開放交通時間的基礎(chǔ)涂層配比，試驗結(jié)果如表10所示。

由表10可知：該涂層的表干時間與實干時間均隨溫度的增加而減小，隨著溫度的升高，涂層固化速率增大。表干時間隨單位涂刷量的增加變化幅度較小，當涂刷量從0.4 kg/m2增加到0.8 kg/m2時，表干時間僅減小0.7 h，合理涂刷量范圍內(nèi)涂層表干時間受涂刷量的影響較小。當涂刷量從0.4 kg/m2增加到0.8 kg/m2時，實干時間減小了5.5 h，有助于快速開放交通。當涂刷量增加到1 kg/m2時，表干時間與實干時間反而增大，表明隨著單位涂刷量的增大，涂層表面易于干燥，但內(nèi)部涂層材料干燥時間會逐漸增長，從而導致開放交通時間大幅增加。

表10 熱反射涂層各組分比例

4.2 抗滑性能

按照JTG E60-2008《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》中T0964試驗規(guī)程，研究0.4、0.6和0.8 kg/m23種涂抹量下6#涂層的抗滑性能，采用0.6 kg/m2的涂抹量對1#～6#涂層進行抗滑性能試驗，試驗溫度為15 ℃，試驗結(jié)果如圖2、3所示。

由圖2可看出：對于同一種涂料來說，相比于對照組無涂層試件，增設(shè)涂層后路面擺值大幅度下降。當涂刷量為1 kg/m2時，擺值較無涂層試件降低了21 BPN，表明涂層降低了路面抗滑能力，這是由于隨著涂刷量的增大，原路面較多空隙被覆蓋，路面構(gòu)造深度逐漸減小，抗滑性能下降。在合理涂抹量范圍內(nèi)，擺值均大于45，可以滿足高等級公路路面的抗滑要求。由圖3可以看出：1#～3#涂層的擺值逐漸降低，表明在相同涂刷量下，隨著TiO2體積濃度的增加，該降溫涂層的抗滑性能逐漸降低；4#～6#涂層的擺值逐漸增大，表明在相同涂刷量下，該降溫涂層的抗滑性能隨著漂珠摻量的增加而逐漸提高，這是由于漂珠分布均勻后的顆粒形態(tài)增大了涂層表面的粗糙程度，對路面抗滑性能產(chǎn)生了有利的影響。

圖2 6#涂層不同涂刷量下的擺值

4.3 黏附性能

測試涂層的黏附性能采用拉拔試驗，所用儀器為PosiTest自動式黏結(jié)力拉拔儀，試驗方法如下：

(1)制備試驗所用標準馬歇爾試件，測量并計算各試件截面面積。

(2)計算每種涂刷量和截面面積下的不同種類涂層涂刷質(zhì)量，將涂料涂刷至相應(yīng)試件上。

(3)室溫固化24 h后，將拉頭與試驗涂層用AB膠黏結(jié)后靜置24 h。

(4)將試樣置于25 ℃的烘箱中，恒溫2～3 h。

(5)測試涂層的黏附強度，試驗結(jié)果見表11。

表11 熱反射涂層黏附強度

由表11可以看出：拉拔試驗破壞界面多數(shù)為涂層與試件的結(jié)合面，6種熱反射涂層的黏附性隨著涂層涂刷量的增加先升高后降低；1#～3#熱反射涂層在涂刷量為0.8 kg/m2時黏附性最強，4#和6#涂層在0.4 kg/m2時黏附性最強，5#涂層在涂刷量為0.6 kg/m2時具有最強的黏附性。這是由于當涂刷量較小時，涂層不能形成連續(xù)膜，黏結(jié)力有限；隨著涂刷量增加，涂層厚度接近最佳，黏結(jié)力增強；當涂刷量繼續(xù)增大時，涂層厚度大于最佳厚度，拉拔頭與混合料表面含有多余自由涂料，因此黏結(jié)力降低。

涂層的涂刷量不宜過少也不宜過多。過少的涂刷量會導致涂層的耐久性和降溫效果大大降低；過多的涂刷量會嚴重影響涂層的抗滑性能，且增加成本。從1#～6#涂層的黏附性試驗結(jié)果可以看出，6種涂層在涂刷量為0.6～0.8 kg/m2時具有較強的黏附強度，因此該文根據(jù)黏附性推薦的涂刷量范圍為0.6～0.8 kg/m2。

4.4 降溫性能

為研究路用涂層的降溫性能，評價測量熱反射材料的降溫能力，該文基于太陽光源模擬開發(fā)了室內(nèi)模擬輻射試驗系統(tǒng)。測試使用的光源為與太陽光譜相近的碘鎢燈，為防止溫度過高引起試驗誤差，該光源輻射功率取用300 W。輻射強度試驗儀由兩部分構(gòu)成，即JTBQ-1總輻射表與輻射轉(zhuǎn)換器。環(huán)境箱自行研制，用于控制環(huán)境溫濕度以及監(jiān)測環(huán)境變化，溫度采集與接收裝置為L93-4高精度溫度記錄儀。

試驗所制車轍板試件尺寸為50 cm×50 cm×5 cm，試驗起始保溫溫度為20 ℃，預(yù)先保溫3 h，模擬輻射時間6 h。測溫點取試件上表面和下表面，進行平行試驗。

選擇1#～6#涂料，涂刷量為0.6 kg/m2，每種涂料測試兩個試件，試驗結(jié)果取其平均值(圖4～6)。

圖4 不同涂層試件上表面溫度

由圖4～6可得：

(1)涂刷6種熱反射涂層后試件表面及底部溫度均下降，其中頂部溫度最高可降7.93 ℃，試件底部可降6.3 ℃，6種涂層試件表面降溫幅度由大到小順序為4#>5#>6#>3#>2#>1#，試件底面降溫效果由大到小順序為4#>6#>5#>3#>2#>1#。

(2)1#～3#涂層試件表面最大降溫幅度分別為4.15、5.15和5.35 ℃，3種二氧化鈦體積濃度的涂層降溫效果由強到弱的順序為20%>15%>10%，這表明在濃度小于20%時，隨著二氧化鈦體積濃度的增加，涂層的降溫效果逐漸增強，這是由于二氧化鈦顆粒具有高遮蓋力和高散射率，可以減小光輻射而降低了試件表面溫度。

圖5 不同涂層試件下表面溫度

圖6 不同涂層試件各層位與對照組最大溫差

(3)4#～6#涂層試件表面最大降溫幅度分別為7.93、6.75和6.05 ℃，3種漂珠摻量的涂層降溫效果順序為10%>20%>30%，通過對比2#涂層可知，漂珠的摻加大幅度降低了試件表面溫度，這是由于漂珠表面為光滑曲面，涂層散射率增強從而減少了試件吸收的熱輻射，而漂珠摻量越大涂層降溫效果越差，可能是由于過多地摻加涂層使得樹脂不能完全包裹漂珠顆粒而不能形成連續(xù)的薄膜，漂珠發(fā)生團聚使得涂層散射率降低，進而反射率下降，降溫效果變差；5#涂層試件底面降溫效果低于6#涂層，原因是漂珠的空心結(jié)構(gòu)起到了阻熱功能，從而降低了試件內(nèi)部溫度，但對表面降溫產(chǎn)生了不利影響。

(4)綜合1#～6#涂層的降溫效果以及抗滑性能和黏附性能等影響因素，得到二氧化鈦摻量為15%效果最優(yōu)。

5 結(jié)論

通過對熱反射涂層的降溫機理研究，優(yōu)選了路用降溫原材料，制備了一種路用降溫涂層。開發(fā)了用于評價路用涂層降溫性能的室內(nèi)模擬太陽熱輻射測試系統(tǒng)，通過對干燥時間、抗滑性能、黏附性能以及室內(nèi)降溫性能試驗，確定了新型路用降溫涂層的最佳配比以及涂抹量。通過干燥性試驗研究，得到涂層0.4～0.8 kg/m2涂刷量范圍內(nèi)表干時間受涂刷量的影響較小，涂層涂刷量為1 kg/m2時干燥時間反而增加。通過黏附性試驗，發(fā)現(xiàn)涂層在涂刷量為0.4～0.8 kg/m2時具有較強的黏附強度。通過抗滑試驗研究，表明當涂層中漂珠摻量增大時會提高路面抗滑能力，增大TiO2體積濃度會導致路面抗滑能力降低。試驗還對該涂層的抗滑能力進行了研究，而其抗磨耗能力有待進一步驗證。通過對6種熱反射涂層進行室內(nèi)模擬熱輻射試驗，得到6種熱反射涂層均能大幅度降低試件表面及內(nèi)部溫度。其中4#涂層降溫效果最明顯，試件上表面最大降溫可達7.93 ℃，試件下表面最大降溫可達7.43 ℃。說明所制備的太陽熱反射涂層的應(yīng)用可以有效降低路面溫度，有利于緩解城市“熱島效應(yīng)”。