瀝青路面熱反射涂料研究進(jìn)展

達(dá)瓦扎西，陳先勇，戰(zhàn)琦琦,2，張 瑜,2，杜嬌嬌，謝 磊

(1.重交再生資源開(kāi)發(fā)股份有限公司，重慶 401121；2.重慶市瀝青路面再生工程技術(shù)研究中心，重慶 401121)

據(jù)估計(jì)，太陽(yáng)輻射每秒到達(dá)地球的太陽(yáng)能為1.765×1017J[1]，這些能量給地球提供熱量，促進(jìn)地球表面植物光合作用，但是也會(huì)帶來(lái)一些危害。瀝青路面由于施工周期短、易于養(yǎng)護(hù)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于城市道路，但瀝青具有吸熱的特性，對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收率高達(dá)85%～95%，導(dǎo)致瀝青路面溫度在夏季高達(dá)60 ℃以上；并且由于瀝青屬于一種熱塑性材料，吸熱后會(huì)發(fā)軟、發(fā)黏，在車(chē)輛荷載長(zhǎng)期作用下，會(huì)出現(xiàn)車(chē)轍、擁包、開(kāi)裂等問(wèn)題，不僅影響瀝青路面的正常使用，而且加劇“城市熱島效應(yīng)”[2-3]。

熱反射涂料利用填料的高折光率對(duì)太陽(yáng)輻射進(jìn)行有效反射，從而降低物質(zhì)吸收的熱量。瀝青路面熱反射涂料因具有不改變路面原有結(jié)構(gòu)、僅依靠提高路表反射率降低路面溫度的優(yōu)勢(shì)而受到廣泛關(guān)注。早在20世紀(jì)90年代，日本就成功研制了瀝青路面熱反射涂料，其主要以丙烯酸樹(shù)脂和二氧化鈦制備而成，并于2002年進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)路鋪裝[4-5]。隨后，國(guó)外對(duì)反射隔熱涂料進(jìn)行了大量研究，提出了降溫機(jī)理[6-8]，并在實(shí)際工程中運(yùn)用[9-10]。我國(guó)對(duì)瀝青路面熱反射涂料的研究起步于2006年，主要集中在對(duì)熱反射涂料的研發(fā)，實(shí)際應(yīng)用較少[11-15]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)[16-18]首先對(duì)瀝青路面熱反射涂料降溫機(jī)理進(jìn)行了研究，并開(kāi)發(fā)了多種熱反射涂料；隨后，長(zhǎng)安大學(xué)[19-22]開(kāi)發(fā)了多種適用于高海拔路面的熱反射涂料，并對(duì)涂料的抗壓性能進(jìn)行了深入研究；重慶交通大學(xué)[23-26]以不飽和聚酯、丙烯酸和環(huán)氧樹(shù)脂等為基料，開(kāi)發(fā)了多種路面熱反射涂料，并對(duì)其耐候性能進(jìn)行了大量研究，發(fā)現(xiàn)所有涂料的耐沾污性能較差，一旦涂層被灰塵、油漬和碎屑等污染，其降溫性能就大幅下降；同濟(jì)大學(xué)[27-28]通過(guò)研究不同填料對(duì)不同波段太陽(yáng)光的反射率，著重研究了熱反射涂料的降溫性能。國(guó)內(nèi)外對(duì)瀝青路面熱反射涂料雖已有大量研究，但還存在一些問(wèn)題，如涂層的耐磨、耐沾污和耐候性能等。

鑒于此，作者對(duì)瀝青路面熱反射涂料的降溫機(jī)理、組成及路用性能(降溫性能、粘接性能及抗滑性能)進(jìn)行綜述，并提出熱反射涂料在瀝青路面應(yīng)用存在的問(wèn)題和解決措施，以期為瀝青路面熱反射涂料性能的提高和更廣泛的應(yīng)用提供幫助。

1 熱反射涂料的降溫機(jī)理

太陽(yáng)輻射的波段主要分布在0.2～4.0 μm，其中0.2～0.4 μm為紫外光，占輻射總能量的5%，紫外光穿透能力強(qiáng)，能夠被反射的能量不足1%；0.4～0.76 μm為可見(jiàn)光，占輻射總能量的50%；0.76～2.5 μm為紅外光，占輻射總能量的43%，紅外光輻射至物體表面后轉(zhuǎn)化成熱量的速度是最快的；2.5～4.0 μm為黑體輻射波段，其占比較小，因此研究較少。太陽(yáng)輻射強(qiáng)度分布如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)輻射強(qiáng)度分布Fig.1 Distribution of solar radiation intensity

熱反射涂料主要是對(duì)可見(jiàn)光區(qū)和紅外光區(qū)輻射進(jìn)行反射。太陽(yáng)輻射照射至物體表面會(huì)產(chǎn)生2種光學(xué)現(xiàn)象(反射和折射)和3種能量轉(zhuǎn)換(反射、透過(guò)和吸收)。假設(shè)能量為1的太陽(yáng)輻射照射至物體，其中透過(guò)物體的能量占總能量的比例稱(chēng)為透過(guò)率，被反射的能量所占比例稱(chēng)為反射率，而被吸收的能量所占比例稱(chēng)為吸收率，根據(jù)能量守恒定律，三者之和為1。由于熱反射涂料是完全不透明的涂層，故透過(guò)率為零，入射涂層表面的能量只能被反射和被吸收，因此，要降低物體表面的溫度，熱反射涂料必須具有高的反射率和低的吸收率，這樣可以將占太陽(yáng)總輻射能量95%的可見(jiàn)光區(qū)(0.4～0.76 μm)和紅外光區(qū)(0.76～2.5 μm)的輻射以同樣的波長(zhǎng)反射出去，從而不被瀝青路面吸收，實(shí)現(xiàn)降溫。但是熱反射涂料的反射率不可能達(dá)到1，仍會(huì)有部分太陽(yáng)輻射被涂層吸收，吸收的能量會(huì)以熱傳遞的方式傳遞至瀝青路面，并向外界產(chǎn)生熱輻射。

根據(jù)大氣對(duì)紅外輻射的吸收特性，更為理想的路用熱反射涂料是能將吸收的能量以8～14 μm波長(zhǎng)的能量反射出去，這個(gè)波段的能量被大氣吸收少，可以更好地實(shí)現(xiàn)瀝青路面持續(xù)降溫，緩解“城市熱島效應(yīng)”。如以二氧化鈦和二氧化硅為填料的熱反射涂料，當(dāng)太陽(yáng)光照射到涂層表面時(shí)，大部分能量被涂層反射出去，只有少部分是被吸收的，這樣涂層表面吸收的能量就大大下降，表面溫度也會(huì)相應(yīng)下降，如圖2所示。

圖2 熱反射涂料的降溫機(jī)理Fig.2 Cooling principle of heat-reflective coating

2 熱反射涂料的組成

熱反射涂料主要由成膜物質(zhì)、填料、助劑組成。根據(jù)其組成成分的不同，分為單組分溶劑揮發(fā)成膜與多組分反應(yīng)成膜。

2.1 成膜物質(zhì)

熱反射涂料的成膜物質(zhì)一般為樹(shù)脂，但樹(shù)脂的品種很多，表現(xiàn)出來(lái)的性能也有所不同，一般選擇透明度高(≥80%)、對(duì)太陽(yáng)能的吸收率低[29]的樹(shù)脂作為成膜物質(zhì)。不同樹(shù)脂的折光率相差不大，一般在1.4～1.6之間，瀝青在1.6～1.7之間。

2.1.1 聚氨酯樹(shù)脂

聚氨酯樹(shù)脂主要以異氰酸酯和聚醚、聚酯反應(yīng)得到。異氰酸酯含有高度缺電子的不飽和基團(tuán)，能夠與帶有活潑氫的羥基、胺基等反應(yīng)，將其氫原子剝離并進(jìn)行重排，生成具有重復(fù)單元的氨基甲酸酯結(jié)構(gòu)。由于氨基甲酸酯結(jié)構(gòu)為剛性鏈段，聚醚、聚酯鏈段為柔性鏈段，因此，聚氨酯樹(shù)脂表現(xiàn)出良好的柔韌性能；加之，聚氨酯樹(shù)脂合成單體多，配方調(diào)整空間大；可以與丙烯酸、環(huán)氧、有機(jī)硅和有機(jī)氟單體進(jìn)行改性，性能調(diào)試空間大；被廣泛應(yīng)用于建筑、家具、化工儲(chǔ)罐、船舶等領(lǐng)域。但由于其生產(chǎn)成本昂貴，并未在道路中應(yīng)用。

2.1.2 環(huán)氧樹(shù)脂

環(huán)氧樹(shù)脂根據(jù)其環(huán)氧值大小分為環(huán)氧E12、環(huán)氧E20、環(huán)氧E44、環(huán)氧E51等。環(huán)氧樹(shù)脂具有價(jià)格低、粘接性能優(yōu)、強(qiáng)度高、使用范圍廣等特點(diǎn)。常用胺類(lèi)物質(zhì)或酸酐類(lèi)物質(zhì)對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行固化，前者在室溫下就可固化，而后者需在高溫下固化。由于環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)構(gòu)中存在大量苯環(huán)、環(huán)氧基團(tuán)，導(dǎo)致其耐老化性能差，尤其是抗紫外老化性能，因此，環(huán)氧樹(shù)脂不適用于西藏、昆明等紫外線照射較強(qiáng)的地區(qū)。李瑞嬌[30]使用油性環(huán)氧樹(shù)脂與熱反射填料制備了環(huán)氧熱反射涂料，將其涂布于瀝青混凝土試件上，發(fā)現(xiàn)與未涂布熱反射涂料的瀝青混凝土相比，溫度下降7.8 ℃，該熱反射涂料在重慶地區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用。曹雪娟等[26]采用相反轉(zhuǎn)法制備了一種水性環(huán)氧樹(shù)脂乳液，用該乳液制得的熱反射涂料性能良好，摻入1%紫外線吸收劑UV-531與受阻胺光穩(wěn)定劑GW-480的復(fù)合穩(wěn)定劑后，水性環(huán)氧樹(shù)脂的耐老化性能顯著改善。

2.1.3 丙烯酸樹(shù)脂

丙烯酸樹(shù)脂是一個(gè)大家族，包括氟丙樹(shù)脂、醋丙樹(shù)脂、叔丙樹(shù)脂、純丙樹(shù)脂、硅丙樹(shù)脂、苯丙樹(shù)脂等，應(yīng)根據(jù)所需要涂料的性能選擇合適的丙烯酸樹(shù)脂。廣島道路株式會(huì)社、日本油漆公司和日本LINER公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)了分別用于行車(chē)道和人行道的油性丙烯酸熱反射涂料和水性丙烯酸熱反射涂料[5]。Nemoto等[31]發(fā)明的一種路用丙烯酸樹(shù)脂熱反射涂料具有固化快、降溫效果好等優(yōu)點(diǎn)，涂料顏色有黑色和灰色兩種，能使瀝青路面溫度分別降低10 ℃和17 ℃ 。

2.1.4 復(fù)合樹(shù)脂

單一樹(shù)脂性能有限，如聚氨酯樹(shù)脂性能可根據(jù)使用條件進(jìn)行調(diào)控，但與路面的粘接性能略差；丙烯酸樹(shù)脂價(jià)格低，但氣味極重，大面積施工時(shí)揮發(fā)性有機(jī)物(VOC)釋放量較高，并且其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度較低，材料損耗因子高，耐磨性差；環(huán)氧樹(shù)脂與路面具有較好的粘接性能、耐磨性能，然而材料耐紫外老化性能差，容易產(chǎn)生大面積脫落。而復(fù)合樹(shù)脂可將單一樹(shù)脂的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行互補(bǔ)，明顯改善性能。李少香[32]采用連續(xù)種子乳液聚合技術(shù)合成了水性環(huán)氧-丙烯酸酯雜化乳液，具有吸水率低、耐鹽水性佳、附著力強(qiáng)、柔韌性好的特點(diǎn)；曹雪娟[23]在不飽和樹(shù)脂中加入甲基丙烯酸甲酯(MMA)和丙烯酸丁酯(BA)進(jìn)行改性，改善了其耐候性能，涂料不僅具有良好的降溫性能還能滿(mǎn)足路用要求；羅婷倚等[33]以甲基丙烯酸十二氟庚酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯為主要原料，采用預(yù)乳液-種子乳液聚合技術(shù)合成了核殼型含氟丙烯酸酯乳液，不僅具有良好的疏水性能，而且提高了乳膠膜的耐沾污性能。

2.2 填料

熱反射涂料的填料包括著色功能顏料和反射功能填料。著色功能顏料改變涂料顏色，使道路更加美觀，在交通樞紐、長(zhǎng)下坡、收費(fèi)站等特殊路段可以起到警示作用；反射功能填料決定了路面熱反射涂料的冷卻性能，填料的折光率越大，對(duì)光線的反射率越高、吸收率越低，涂料的冷卻性能就越好。研究發(fā)現(xiàn)，熱反射涂料的填料粒徑也會(huì)影響反射波長(zhǎng)，因此在選擇填料時(shí)應(yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。常見(jiàn)填料的折光率列于表1。

表1 常見(jiàn)填料的折光率

近年來(lái)，多重降溫功能填料成為研究熱點(diǎn)，如輻射降溫填料、隔熱降溫填料等。中空玻璃微珠由于具有質(zhì)輕、隔音、隔熱等特點(diǎn)，經(jīng)常與反射功能填料共同使用制備熱反射涂料；二氧化鈦?zhàn)鳛橐环N高折光率物質(zhì)也常應(yīng)用于涂料中。董晶亮等[34]對(duì)粒徑為0.05 mm的中空玻璃微珠的表面進(jìn)行了特殊處理，使其表現(xiàn)出更高的折光率，兼具反射與隔熱的功能；于獻(xiàn)等[35]研制了一種經(jīng)偶聯(lián)劑KH570改性的高折光率鈦白粉，以其制備的熱反射涂料具有較好的機(jī)械性能和反射作用；薛來(lái)齊等[36]制備了一種球形二氧化鈦粉體材料，其對(duì)0.4～2.5 μm波長(zhǎng)的光具有較高的反射率；張靜[37]以中空玻璃微珠和金紅石型二氧化鈦為填料、硅丙乳液為基料制備了具有良好冷卻性能的路面熱反射涂料。

2.3 助劑

熱反射涂料中的助劑用量雖然很少，僅占百分之幾，卻能明顯改善涂料的使用性能，提高熱反射涂料的路用性能。油性熱反射涂料和水性熱反射涂料中的助劑種類(lèi)與用量均有所差異：油性熱反射涂料主要使用消泡劑、分散劑和降黏劑等調(diào)節(jié)涂料使用性能；水性熱反射涂料與瀝青路面存在較大的表面張力差，使用時(shí)還需考慮因界面產(chǎn)生的涂層缺陷，因此使用助劑種類(lèi)較多，如成膜助劑、消泡劑、分散劑、增稠劑、防沉劑、濕潤(rùn)劑和流平劑等，助劑用量也較多。

3 熱反射涂料的路用性能

將熱反射涂料應(yīng)用于瀝青路面，涂料需要滿(mǎn)足路面材料的相關(guān)使用性能要求，例如降溫、粘接、抗滑等性能。

3.1 降溫性能

研究瀝青路面熱反射涂料的降溫性能一般分為室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)和室外試驗(yàn)兩種，主要通過(guò)比較涂布與未涂布熱反射涂料的試件內(nèi)部溫度差來(lái)評(píng)價(jià)降溫性能。目前，我國(guó)還沒(méi)有路面熱反射涂料降溫性能測(cè)試的相關(guān)規(guī)范及指南，降溫性能測(cè)試設(shè)備也不盡相同，一些高校開(kāi)發(fā)的降溫測(cè)試設(shè)備的測(cè)試條件及測(cè)試方式均有所不同，制備的熱反射涂料在材料及用量方面也具有較大差異。表2為重慶交通大學(xué)研制的3種熱反射涂料的降溫性能。

表2 不同熱反射涂料的降溫性能

由表2可知，在填料相同的情況下，不同樹(shù)脂制得的熱反射涂料的降溫值相差并不大，但室外試驗(yàn)的降溫值均低于室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)的?？赡苁怯捎?，在室外測(cè)試時(shí)，試件升溫速率較慢，導(dǎo)致熱量傳遞充分；而室內(nèi)測(cè)試一般為1～2 h，升溫速率快，熱量傳遞慢，導(dǎo)致溫差較大。上述3種熱反射涂料的室外降溫值均可達(dá)到7.5～7.8 ℃，將其應(yīng)用于實(shí)際路面能夠起到路面降溫的作用。

3.2 粘接性能

車(chē)輛在行駛過(guò)程中會(huì)對(duì)瀝青路面產(chǎn)生一個(gè)向后的摩擦力、一個(gè)向下的壓力，摩擦力和壓力會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向下的復(fù)合力，損壞熱反射涂料。目前，普遍采用拉拔儀測(cè)試熱反射涂料與瀝青路面的粘接強(qiáng)度來(lái)表征熱反射涂料的粘接性能。表3為重慶交通大學(xué)研制的3種熱反射涂料的粘接性能。

表3 不同熱反射涂料的粘接性能

熱反射涂料涂布在新修瀝青路面表面后，其表面涂層結(jié)構(gòu)為涂料-瀝青-基底。從表3可知，3種熱反射涂料的粘接強(qiáng)度均較低，且拉拔過(guò)程中均屬于粘附破壞(圖3)，而瀝青與基底間的剪切強(qiáng)度僅為0.156 MPa(25 ℃)，說(shuō)明瀝青與基底間的粘接強(qiáng)度也不大。

圖3 油性環(huán)氧熱反射涂料拉拔測(cè)試破壞界面Fig.3 Failure interface of oil-based epoxy heat-reflective coating in drawing test

3.3 抗滑性能

瀝青路面原本具有良好的抗滑性能，在涂布熱反射涂料后會(huì)改變?cè)械穆繁砑y理并減小表面構(gòu)造深度，降低了瀝青路面的抗滑穩(wěn)定性。因此，通常在涂料中增加一層防滑顆粒，使熱反射涂料具有較好的構(gòu)造深度，以滿(mǎn)足路面使用要求。防滑顆粒的種類(lèi)較多，其粒徑和用量是影響涂料使用的最主要因素。

4 展望

熱反射涂料是一種新型的節(jié)能材料，能夠有效降低物體吸收的熱量，減少高溫帶來(lái)的危害，對(duì)緩解“城市熱島效應(yīng)”具有至關(guān)重要的作用。但在應(yīng)用過(guò)程中還存在著一些問(wèn)題，如熱反射涂料的施工、使用壽命、效率、多功能化[38-40]等。

(1)目前大多數(shù)熱反射涂料為溶劑型，在使用過(guò)程中存在有機(jī)溶劑易揮發(fā)的問(wèn)題，不僅會(huì)污染環(huán)境還會(huì)對(duì)人體健康造成危害。盡管研制了環(huán)保型的水性涂料，但與溶劑型涂料相比，水性涂料的一些性質(zhì)有待改進(jìn)。因此，熱反射涂料的發(fā)展方向應(yīng)是水性化或無(wú)溶劑化。

(2)溶劑型熱反射涂料和水性熱反射涂料的耐久性均不理想。在長(zhǎng)期的太陽(yáng)光照射下，樹(shù)脂會(huì)老化，顏填料會(huì)從中剝離，最終導(dǎo)致涂層被破壞。因此，延長(zhǎng)熱反射涂料的使用壽命，提高其耐候性能也是今后的研究方向。

(3)在使用過(guò)程中，空氣中的粉塵會(huì)使涂層表面變臟，涂層受到沾污后其熱反射性能會(huì)受到影響。目前已有熱反射涂料受污后性能下降的研究，但還需要進(jìn)一步的研究。有關(guān)超疏水表面和超親水表面的研究還不夠深入，將其運(yùn)用到涂料上的技術(shù)也有待研究。

(4)目前對(duì)瀝青路面熱反射涂料的評(píng)價(jià)方法并不統(tǒng)一，主要由于評(píng)價(jià)方法和手段主要根據(jù)自制測(cè)試設(shè)備建立，未廣泛應(yīng)用。因此，推進(jìn)其測(cè)試方法與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的建立，是目前亟需解決的問(wèn)題。