路用熱反射涂層工藝性能與施工工藝研究

張韶華，蔣應(yīng)軍，王華濤

(1.駐馬店市公路工程開發(fā)有限公司，河南 駐馬店 463000；2.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

0 引 言

熱反射材料指將具有高反射率的功能填料加入成膜物中，固化后形成對(duì)太陽輻射中可見波段和近紅外波段的反射率較高的材料，使用該材料可降低路面溫度，從而主動(dòng)地解決瀝青路面車轍病害[1-2]。瀝青路面熱反射材料由于其反射率高、降溫效果顯著、顏色亮麗且兼具良好的經(jīng)濟(jì)性成為彩色路面技術(shù)發(fā)展熱點(diǎn)[3]。國內(nèi)外的學(xué)者們也對(duì)熱反射材料進(jìn)行了一些研究，最大降溫效果高達(dá)14 ℃，極端氣溫下，熱反射材料隔熱性能更佳，可以極大地緩解路面車轍[4-6]，并且熱反射材料作為一種噴灑材料不僅可用在新、改建路面，還可用于已有路面。

梁滿杰等通過分析瀝青路面熱物環(huán)境以及太陽熱反射涂層降溫機(jī)理，論證出太陽熱反射涂層具有顯著的降溫效果，并對(duì)熱反射涂層路面性能做了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，熱反射涂層路面性能滿足預(yù)期效果[7]。2008年，北京工業(yè)大學(xué)程明通過分析熱反射涂層作用機(jī)理，優(yōu)選出熱反射涂層顏填料的折光系數(shù)、用量、粒徑以及成膜物質(zhì)的種類，開發(fā)了深色系高反射涂層，并通過試驗(yàn)對(duì)涂料的老化性、褪色性做了檢測(cè)，結(jié)果表明，該深色系高反射涂層均滿足路用性能要求[8]。2013年，長(zhǎng)安大學(xué)鄭木蓮等通過分析熱反射涂層工作原理，研發(fā)了不同顏色的熱反射涂層，并用檢測(cè)設(shè)備研究了不同顏色熱反射涂層的降溫效果，結(jié)果表明，白色熱反射涂層降溫幅度可達(dá)18～25 ℃，灰色涂層可降低路面溫度12 ℃左右[9]。2014年，重慶交通大學(xué)唐伯明等對(duì)熱反射涂層的老化機(jī)理及規(guī)律進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，熱反射涂層老化的原因是碳碳雙鍵的斷裂，進(jìn)而引起成膜物質(zhì)透光率的降低，最后導(dǎo)致涂層熱反射率的降低[10]。

2010年，Uemoto等人將顏色深淺不一的熱反射材料用于瀝青路面上，發(fā)現(xiàn)熱反射材料反射率隨顏色變深而降低，說明淺色熱反射材料具有更好地隔熱性能，但在淺色路面上眩光問題可能影響到行車安全[11]。2012年，Gabriele等人將熱反射材料分別應(yīng)用于不同路面，并分析其對(duì)路面溫度和城市熱島效應(yīng)的影響[12]。2013～2014年，Anak等人研究了反射率對(duì)熱反射材料隔熱性能的影響，并基于室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證[13-14]。

除了隔熱性能，國外學(xué)者還研究了熱反射路面的其他路用性能。2010年，Cao等人研究了熱反射路面抗滑性能、滲水性能和耐磨性能，研究表明：熱反射路面抗滑性能能滿足規(guī)范要求，滲水性能優(yōu)良，耐磨性能優(yōu)于市面上熱反射材料[15]。2015年，Zheng等人開發(fā)了一種抗滑熱反射材料[16]。2016年，Hu等人基于隔熱性能、黏度和光澤度開發(fā)熱反射材料，并分析其耐磨性能和抗滑性能[17]。

然而，工程應(yīng)用中也暴露了熱反射材料的一些問題，對(duì)熱反射材料工藝性能研究較少，而熱反射材料的工藝性能隨溫度和時(shí)間變化較大，導(dǎo)致熱反射材料施工技術(shù)不成熟。因而，研究熱反射涂層工藝性能，并通過對(duì)其工藝性能的研究，優(yōu)化施工工藝。

1 熱反射涂層反射機(jī)理

1.1 太陽輻射光譜

太陽是溫度約為5 800 K的電磁波輻射源，以輻射的形式向地球輸送能量。太陽輻射波長(zhǎng)范圍很廣，分為紅外線區(qū)、可見光區(qū)、紫外線區(qū)，如圖1所示。在全部輻射能中，大約95%的能量來源于可見光區(qū)與紅外光區(qū)，高能紫外光只占太陽輻射能量的5%。有研究表明，雖然任何物體都可以輻射紅外線，但不同物體所輻射紅外線的量不同，這與物體的溫度有關(guān)。日常生活中幾十至幾千℃熱輻射主要集中在紅外區(qū)域。因此，為降低物體表面溫度，最有效的方法是研制對(duì)紅外光有高反射性的特種涂料。

圖1 太陽輻射光譜

1.2 熱反射涂層反射機(jī)理

熱反射涂層是一種可以增加光照反射率、降低熱能吸收并起到隔熱降溫效果的新型涂料。將這種新型涂料涂刷在物體表面，在太陽光持續(xù)照射下，物體表面溫度上升的速率比較低，在相同的光照時(shí)間內(nèi)，涂刷熱反射涂層物體表面溫度明顯比未涂刷熱反射涂層的低，并且光照越強(qiáng)烈，物體表面降溫效果越明顯[18]。功能性填料是影響熱反射涂層隔熱性能的關(guān)鍵材料，功能性填料反射率越高，熱反射涂料隔熱效果就越好。此外，太陽熱反射涂料的成膜物質(zhì)也具有一定的反射率，太陽熱反射涂料能對(duì)400～2 500 nm的紫外線以及太陽紅外線進(jìn)行高反射，可防止熱能在物體表面累積，即使在陰天或多云天氣也能輻射熱量，起到隔熱降溫的效果。其工作原理見圖2。

圖2 熱反射涂層路面工作原理示意圖

2 熱反射涂層工藝性能

2.1 黏度

(1)溫度

環(huán)氧樹脂黏度受溫度影響顯著，在評(píng)價(jià)熱反射材料黏度時(shí)不能脫離溫度單獨(dú)提及。為了明確熱反射材料黏度隨溫度變化規(guī)律，測(cè)定不同溫度下不同固化時(shí)間的熱反射材料黏度，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 溫度對(duì)熱反射材料黏度影響

由圖3可知，熱反射材料黏度隨溫度增加而降低，這是因?yàn)闇囟鹊奶嵘档土嘶橡ざ?，從而表現(xiàn)為熱反射材料黏度的降低。而隨時(shí)間的增長(zhǎng)，溫度較高的熱反射材料黏度高于低溫是的黏度，這是由于高溫的環(huán)境下熱反射材料逐漸發(fā)生凝膠作用，黏度發(fā)生陡增現(xiàn)象，15 min后50 ℃黏度升高就是由于熱反射材料發(fā)生了凝膠作用。

(2)時(shí)間

熱反射材料固化反應(yīng)過程中黏度也隨之變化，當(dāng)熱反射材料達(dá)到凝膠后，黏度陡然增加，為研究固化過程中黏度變化規(guī)律，分別在20、30、40、50 ℃環(huán)境下固化，并每隔5 min測(cè)試黏度，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 時(shí)間對(duì)熱反射材料黏度影響

由表1可知，固化溫度小于50 ℃時(shí)，黏度隨時(shí)間增長(zhǎng)先降低后增加，而固化溫度大于50 ℃時(shí)，黏度隨時(shí)間增長(zhǎng)持續(xù)增長(zhǎng)；黏度變化存在突變，固化溫度越高，突變發(fā)生越快，這是由于熱反射材料達(dá)到凝膠狀態(tài)，在20、30、40、50 ℃環(huán)境下凝膠時(shí)間分別為110 min、40 min、25 min、15 min。推薦施工溫度小于40 ℃，施工時(shí)間15 min。

2.2 固化時(shí)間

溫度決定了熱反射材料固化反應(yīng)速率，本文將熱反射材料試件置于20、30、40、50 ℃溫度下，測(cè)量其固化時(shí)間的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

由表2所示溫度對(duì)固化時(shí)間的影響可知，20 ℃以上的熱反射材料表干時(shí)間降低明顯，而30 ℃以上的熱反射材料實(shí)干時(shí)間和不粘胎固化時(shí)間降低明顯，30 ℃時(shí)不粘胎固化時(shí)間為145 min，因此，熱反射材料施工時(shí)建議氣溫在30 ℃以上施工。

表2 不同溫度下熱反射材料固化時(shí)間

3 熱反射涂層施工工藝

3.1 施工環(huán)境控制

對(duì)熱反射材料工藝性能的研究可知，不同環(huán)境下施工熱反射材料最大施工時(shí)間和開放交通時(shí)間均不同，且通過調(diào)整稀釋劑摻量均能使熱反射材料黏度控制在適宜噴灑的黏度區(qū)間見表3。

表3 施工控制時(shí)間

由表3可知，在氣溫30～35 ℃施工，最大施工時(shí)間為0.32～0.35 h，開放交通時(shí)間為2.0～2.4 h，保證了足夠的施工時(shí)間，確保工程質(zhì)量，且具備快速開放交通的條件，對(duì)施工路段交通影響較小。

3.2 施工用量控制

熱反射材料用量對(duì)性能影響顯著，在優(yōu)選熱反射材料用量時(shí)應(yīng)綜合考慮各性能綜合優(yōu)選見表4。

由表4可知，熱反射材料用量為0.55 kg/m2可保證熱反射材料隔熱性能、粘結(jié)強(qiáng)度、抗滑性能和固化時(shí)間，僅耐磨性能略低，考慮到熱反射用量超過0.55 kg/m2后抗滑性能無法滿足要求，為了道路安全考慮，優(yōu)選熱反射材料用量為0.55 kg/m2。

表4 熱反射材料用量控制

3.3 施工流程

(1)施工前準(zhǔn)備

①封閉交通。熱反射材料施工工期較短，不需長(zhǎng)期封閉交通，但施工準(zhǔn)備階段、施工階段和養(yǎng)生期間需完全隔絕交通，車輛通行不僅會(huì)阻礙施工進(jìn)程和延緩施工速率還可能導(dǎo)致熱反射材料未固化完全被破壞，影響熱反射材料隔熱性能和使用壽命。施工準(zhǔn)備階段前應(yīng)聯(lián)系當(dāng)?shù)亟煌ü芾聿块T，在施工區(qū)域前后100 m設(shè)置相應(yīng)警示標(biāo)志及防護(hù)，進(jìn)行交通管制，直至熱反射材料達(dá)到不粘胎固化時(shí)間方可開放交通。

②清掃路面。由于路面上的雜質(zhì)、油污等會(huì)影響熱反射材料與瀝青路面的粘結(jié)強(qiáng)度，為提高熱反射材料使用質(zhì)量保證熱反射材料使用壽命需進(jìn)行路面清掃工作。對(duì)于新建道路與舊路面應(yīng)進(jìn)行不同清掃工作。新建路面本就封閉交通，路面上雜質(zhì)較少，但路表瀝青膜厚度會(huì)影響熱反射材料與路面粘結(jié)強(qiáng)度，故對(duì)于瀝青膜厚度較大的新建路面需打磨路表并清掃打磨后雜質(zhì)；舊路面由于開放交通后車輛與行人通行，路面已被打磨比較光滑，但油污、塵土、試劑等雜質(zhì)較多，可采用高壓氣流鼓風(fēng)機(jī)清理塵土、砂礫等固體雜質(zhì)，采用高壓水槍灑水清理油污等液體雜質(zhì)。對(duì)于存在裂縫、車轍等病害的路面需先修補(bǔ)舊路面再噴灑熱反射材料。

③配制涂料。清掃路面的同時(shí)應(yīng)組織人員配制涂料，將除固化劑外其他原料按配方比例加入攪拌桶內(nèi)，用專用攪拌設(shè)備攪拌均勻并密封放置待用。應(yīng)注意填料由于吸收了水分可能出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，在稱取填料前應(yīng)用與填料粒徑對(duì)應(yīng)篩孔的篩子將結(jié)團(tuán)的填料剔除，防止其堵塞油泵和噴頭；助劑用量較小，應(yīng)精確其用量，建議采用精度小于0.1 g的稱稱取；稀釋劑易揮發(fā)，涂料配制好后應(yīng)立即密封待用。

④封邊。對(duì)已有標(biāo)線和單向施工的路面應(yīng)該做好封邊。對(duì)道路標(biāo)線，用專用膠帶密封標(biāo)線區(qū)域，并將超出標(biāo)線范圍的膠帶切除，對(duì)道路周邊區(qū)域應(yīng)采用塑料膜覆蓋并用膠帶固定，防止施工過程中污染周圍區(qū)域。

(2)熱反射材料施工

熱反射材料施工過程分為儀器調(diào)試、熱反射材料噴灑及邊角處理三部分。

①調(diào)試儀器。將熱反射材料噴灑車開入施工區(qū)域，稱取每桶熱反射材料對(duì)應(yīng)質(zhì)量的固化劑，添加入熱反射材料并用專業(yè)攪拌設(shè)備攪拌均勻，將攪拌好的涂料倒入熱反射材料噴灑車料桶內(nèi)，并放入導(dǎo)管和排氣管，啟動(dòng)油泵，待排氣管內(nèi)充滿涂料后，啟動(dòng)噴頭，測(cè)試噴頭是否堵塞。

②噴灑。待一切準(zhǔn)備就緒，啟動(dòng)熱反射材料噴灑車，依據(jù)噴灑量控制車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及油泵壓強(qiáng)等參數(shù)，控制方向盤沿行車道向前行走并噴灑熱反射材料，根據(jù)噴灑遍數(shù)調(diào)整噴灑方向。若涂料噴灑殆盡，需盡快配制涂料倒入料桶內(nèi)；為防止涂料在導(dǎo)管和噴頭處堵塞，每30 min清洗熱反射材料噴灑車油泵和噴頭；在噴灑過程中應(yīng)及時(shí)計(jì)算噴灑量，若與施工要求不符盡快調(diào)整。

③邊角處理。對(duì)于轉(zhuǎn)向道路和道路加寬處，熱反射材料噴灑車可能噴灑不到或不均勻，需人工拿著手持噴灑裝置進(jìn)行邊角處理，保證整體噴灑均勻性。

(3)熱反射材料養(yǎng)生與開放交通

熱反射材料噴灑后應(yīng)該進(jìn)行養(yǎng)生，待養(yǎng)生完成后開放交通。

①養(yǎng)生。熱反射材料噴灑完成后，繼續(xù)封閉交通，禁止行人及車輛通行，直至熱反射材料達(dá)到不粘胎固化時(shí)間后，用小刀將道路標(biāo)線附近熱反射材料切割開，撕下專用膠帶，并在標(biāo)線與熱反射材料接口處封水；揭下道路四周固定的塑膠薄膜，清理施工垃圾。

②開放交通。由于溫度的不同，熱反射材料固化速率不同，因此，溫度不同熱反射材料固化時(shí)間也不一樣，待熱反射材料達(dá)到不粘胎固化后可將施工器械運(yùn)出并開放交通。

4 工程實(shí)例

4.1 熱反射涂層施工施工

熱反射涂層施工嚴(yán)格按照施工方案，控制噴灑速度和行進(jìn)方向，確保熱反射材料均勻噴灑瀝青路面；要嚴(yán)格控制熱反射材料施工時(shí)間，防止熱反射材料在施工過程中達(dá)到凝膠狀態(tài)，堵塞噴頭，影響施工進(jìn)度。

4.2 降溫性能

熱反射涂層施工完成后，持續(xù)監(jiān)測(cè)熱反射路面與普通瀝青路面溫度變化，熱反射路面的降溫效果見表5。

表5 不同氣溫下瀝青路表面溫度

由表5可知，熱反射路面在夏季高溫時(shí)段具有較好的隔熱效果。在每日最高氣溫下，瀝青路面溫度可高達(dá)60～70 ℃，而熱反射路面溫度僅在60 ℃左右，隔熱性能大于9 ℃。

4.3 抗滑性能

為驗(yàn)證熱反射路面抗滑性能是否滿足規(guī)范要求，采用擺式摩擦儀測(cè)試抗滑性能，結(jié)果見表6。

表6 熱反射材料抗滑性測(cè)試結(jié)果

由表6可知，熱反射材料路面擺值在65 BPN左右，所以熱反射路面抗滑性滿足路用規(guī)范要求。

5 結(jié) 論

(1)研究了溫度、時(shí)間對(duì)熱反射材料黏度影響，結(jié)果表明，初始狀態(tài)下，熱反射材料黏度隨溫度增大而降低，但隨熱反射材料固化反應(yīng)進(jìn)行，溫度較高的熱反射材料率先進(jìn)入膠凝狀態(tài)，表現(xiàn)為熱反射材料黏度的陡增；

(2)研究了溫度對(duì)熱反射材料表面固化時(shí)間、實(shí)際固化時(shí)間和不粘胎固化時(shí)間的影響，溫度的升高可降低熱反射材料固化時(shí)間，基于固化時(shí)間推薦施工溫度不小于30 ℃，既可保證正常施工，又可快速開放交通。