瀝青路面多層結(jié)構(gòu)涂層的降溫性能研究

孫斌祥，黃尹泰，沈 航，姜 奕

(1.紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院，浙江 紹興 312000；2.紹興文理學(xué)院 元培學(xué)院，浙江 紹興 312000)

隨著城市道路建設(shè)的快速發(fā)展，大量天然地面被瀝青路面等所代替，可能導(dǎo)致地面滲水不暢并增加路面顯熱釋放，加劇城市熱島效應(yīng)。傳統(tǒng)瀝青路面吸熱能力強，且本身具有熱塑性的特點，在夏季高溫條件下瀝青路面會引發(fā)嚴重的車轍危害。針對傳統(tǒng)瀝青路面存在的高聚熱現(xiàn)象，國內(nèi)外研究者開展了能夠減輕瀝青路面吸熱的冷路面技術(shù)研究，主要包括多孔透水瀝青路面、熱反射瀝青路面和路面反射涂層等降溫技術(shù)，其中，在瀝青路面表面涂裝熱反射涂層是一種有效降低瀝青路面溫度的技術(shù)，通常作為減輕瀝青路面車轍病害和減緩城市熱島效應(yīng)的有效技術(shù)措施。

Anting等以廢陶瓷制備出高反射率的瀝青路面降溫涂層，實測結(jié)果表明，其可使路面降溫4.1～9.6 ℃。Cao等以二氧化鈦、二氧化硅和中空微珠為原料制備出降溫效果較好的熱反射涂料，涂裝路面后其反射率可達74.4%。姬彪等在二氧化鈦和二氧化硅基礎(chǔ)上添加硅藻土制備出一種新型瀝青路面熱反射涂層，其可使路面降溫12～15 ℃?？紤]綠色環(huán)保的需要，郭滕滕等基于多孔屬性制備出一種環(huán)保型路面降溫涂層，除能降低路面溫度外也能凈化汽車尾氣。此外，陳玉靜等提出了一種適合青藏高原寒旱環(huán)境特點的瀝青路面隔熱涂層；鄭木蓮等通過在熱反射涂料中加入金紅石型鈦白粉顏填料研究了涂層不同顏色、厚度對瀝青路面降溫效果的影響；針對路面熱反射涂層可能會降低路面抗滑能力，Zheng等研究了瀝青路面熱反射降溫涂層摻入適量陶瓷顆粒和機制砂來改善路面抗滑能力；Guan等通過Grubbs法和線性回歸數(shù)據(jù)優(yōu)化方法分析了不同降溫涂層的路面降溫能力，并獲得其最優(yōu)降溫效果的回歸變量。

目前，路用熱反射涂層的研究大多集中在材料的組成優(yōu)化上，路面熱反射涂層中反射填料和其他降溫填料協(xié)同降溫的研究以及對涂層的結(jié)構(gòu)研究相對較少。另外，受單層涂層結(jié)構(gòu)的限制，瀝青路面熱反射涂層降溫性能的改進也面臨著挑戰(zhàn)，因此，對于路面熱反射多層涂層結(jié)構(gòu)的研究應(yīng)運而生。為了充分發(fā)揮不同降溫機理的涂層性能，更好地滿足路面降溫的應(yīng)用要求，本文根據(jù)反射、輻射和隔熱3種不同降溫機理的功能性填料提出具有多層結(jié)構(gòu)的瀝青降溫涂層，并對其降溫性能進行試驗研究，進而確定反射涂層、輻射涂層和隔熱涂層中添加的功能性填料摻量、3種涂層的最佳厚度和組合方式，給出降溫性能較好的多層結(jié)構(gòu)瀝青路面降溫涂層，為多層結(jié)構(gòu)降溫涂層在瀝青路面的應(yīng)用起到指導(dǎo)作用。

1 涂層的降溫機理

根據(jù)能量平衡，太陽照射下瀝青路面與周圍大氣存在短波輻射平衡、長波輻射平衡、對流換熱、熱傳導(dǎo)和水分蒸發(fā)散熱等熱交換過程，具體表達為：

式中，ρ為瀝青路面太陽輻射反射率，σ為Stefan-Boltzmann常數(shù)，α為路面對流換熱系數(shù)，λ為路面層導(dǎo)熱系數(shù)，α為路面蒸發(fā)散熱系數(shù)，

I

為瀝青路面太陽輻射入射量，ε和ε分別為路面和天空的發(fā)射系數(shù)，θ和θ分別為路面和附近空氣的溫度， ?為Hamilton算子，

n

為路面外法線單位矢量。由式（1）可知，通過改變路面材料或涂層材料，從而改善表面太陽輻射反射率、短波輻射、對流換熱、熱傳導(dǎo)和蒸發(fā)散熱等性能，最終可以改善路面溫度等熱狀況。因此，瀝青路面采用單層或多層結(jié)構(gòu)涂層可以改變?yōu)r青路面太陽輻射反射率、短波輻射、長波輻射等性能，從而達到降底路面溫度的目標。

單層結(jié)構(gòu)涂層根據(jù)降溫機理不同可以分為反射型降溫涂層、隔熱型降溫涂層和輻射型降溫涂層3種類型，具體降溫機理為：1）反射型涂層的降溫機理是通過反射太陽輻射減少涂覆物對太陽輻射的吸收，有效降低輻射傳熱和對流傳熱。由于涂層內(nèi)添加了特殊的反射填料，因此對光的散射能力較強，可以高效地反射太陽輻射，使得太陽輻射與涂層下的涂覆物隔絕，從而對涂層表面及內(nèi)部溫度起到控制作用。2）隔熱型涂層的降溫機理是通過涂層自身的高熱阻性來實現(xiàn)隔熱的一種涂層，涂層通過添加導(dǎo)熱系數(shù)低的填料從而提高自身的熱阻性，可以減少熱量向涂覆物的傳遞。3）輻射型涂層的降溫機理是在涂層中添加輻射率高的材料使其可以通過熱輻射形式把吸收的熱量發(fā)射到大氣中從而實現(xiàn)降溫。由于大氣對3～5 μm和8.0～13.5 μm波段的輻射吸收率較小，而添加的輻射材料在這兩波段內(nèi)具有高發(fā)射率，可以把吸收的熱量盡可能輻射到路表外面去而實現(xiàn)降溫。

多層結(jié)構(gòu)涂層是在瀝青路面組合運用上述3種涂層材料，以充分發(fā)揮3種涂層各自的降溫機理而增強其對瀝青路面的綜合降溫效果。各種涂層材料的具體組合材料、順序及摻量等都需要深入研究。

2 降溫涂層的材料組成

常用降溫涂層主要由成膜物質(zhì)、功能填料、著色顏料、溶劑和助劑這5部分組成。本文采用苯丙乳液作為降溫涂層的成膜物質(zhì)，苯乙烯和丙烯酸酯單體通過乳液共聚反應(yīng)生成苯丙乳液，其物理性狀呈現(xiàn)乳白色液體，其中固體含量占比40%～50%，呈弱堿性，密度為1.03 g/cm，具有優(yōu)良的耐水性、耐磨性和耐老化性。在本次研究中，主要應(yīng)用的填料包括：

1）反射層的填料主要用金紅石型鈦白粉（二氧化鈦）。其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，與大部分物質(zhì)一般不發(fā)生反應(yīng)。金紅石型具有穩(wěn)定的晶格，更優(yōu)越的白度、著色力、遮蓋力、耐候性、耐熱性，且對環(huán)境較好。

2）隔熱層的填料主要用中空玻璃微珠。中空玻璃微珠由于是一種中空密閉的正球形狀，其具有重量輕、體積大、導(dǎo)熱系數(shù)低、分散性、流動性、穩(wěn)定性好的優(yōu)點。在樹脂中添加中空玻璃微珠能夠提高隔熱效果，同時也能提高涂層耐磨性。

3）輻射層的填料主要用中遠紅外陶瓷粉。中遠紅外陶瓷粉由多種物質(zhì)混合經(jīng)1 200～1 600 ℃高溫煅燒而成，其不溶于水，耐熱性強，可輻射出比正常物體更多的遠紅外線，在波長2～18 μm范圍內(nèi)遠紅外發(fā)射率達92%，可降低涂覆物溫度。

上述3種功能性填料的性能參數(shù)如表1所示，外觀如圖1所示。顏料主要以氧化鐵紅、氧化鐵綠為主，以及少量的氧化鐵黃和炭黑。氧化鐵常用于建筑涂料，其優(yōu)異性能主要體現(xiàn)在耐候性、著色力、遮蓋力、耐熱性、水滲性，可以很好地在油性載體中進行分散，受熱不易分解，耐高溫、耐堿、耐污濁氣體，是一種環(huán)境較好的無機顏料。另外溶劑選擇去離子水，助劑有分散劑、消泡劑、防沉劑和流平劑等。試驗中填料的用量通過成膜物質(zhì)和各填料的密度確定涂層中填料的體積濃度，從而可確定各種成分的相對比例。

表1 功能性填料的性能參數(shù)
Tab. 1 Performances of functional materials

材料密度/(g.cm–3)粒徑/μm酸堿度特點鈦白粉 4.200～4.300 0.20～0.26 6.0～9.0 折光率高達2.8玻璃微珠 0.125～0.600 15.00～135.00 8.0～9.5導(dǎo)熱系數(shù)低0.062～2.077 W/(m·K)陶瓷粉 1.200～2.000 1.00～5.00 6.0～8.0 發(fā)射率高達92%

圖1 功能性填料的外觀Fig. 1 Appearance of functional materials

3 試驗方法

用70號瀝青和石灰?guī)r研磨的集料，據(jù)AC–13C級配制備300 mm×300 mm×40 mm的車轍板試件，再將上述車轍板瀝青試件平均切割成4塊150 mm×150 mm×40 mm的小試件，小試件具體形狀如圖2所示。

圖2 車轍板試件Fig. 2 Rut plate specimen

為了保證瀝青表面涂層厚度均勻性與一致性，在瀝青小試件上涂刷降溫涂層前將涂層攪拌均勻，在涂刷涂層時要采用試驗電子秤控制涂層涂刷的用量，以保持涂層厚度的一致性。

將試件放置在自制的降溫模擬試驗裝置上，進行室內(nèi)降溫試驗，室內(nèi)試驗時保持無風(fēng)狀態(tài)。降溫模擬試驗裝置由模擬光源和載物臺組成的，以500 W碘鎢燈作為模擬光源，為了確保瀝青試件的溫度變化僅是表面受到熱量傳輸所引起的，瀝青試件的四周和底部粘貼泡沫板，試驗裝置如圖3所示。

圖3 室內(nèi)模擬降溫實驗裝置Fig. 3 Indoor simulation cooling test setup

瀝青涂層室內(nèi)降溫模擬試驗的具體步驟為：1）調(diào)整碘鎢燈水平和豎向位置，根據(jù)瀝青試件表面溫度在30 min左右時間可達到65 ℃為標準調(diào)整碘鎢燈位置以控制輻射強度和均勻性，且試驗臺上每個位置接收的輻射強度也相近；2）在瀝青試件表面和內(nèi)部放置溫度傳感器，每1 min采集一次溫度數(shù)據(jù)；3）以已涂刷涂層的瀝青為試驗試件、無涂刷涂層的瀝青為對照試件，記錄試驗試件和對照試件的初始溫度；4）打開光源，當(dāng)對照組的表面溫度達到65 ℃時停止試驗，采集溫度數(shù)據(jù)；5）比較試驗試件與對照試件的溫度差。

4 結(jié)果與分析

4.1 填料含量對涂層降溫性能的影響

填料在成膜物質(zhì)中所占的體積濃度對涂層的降溫性能有較大的影響，本文初步研究了各種填料較為合適的添加量。

功能性填料的最佳體積濃度在10%～30%之間，因此，本文在成膜物質(zhì)中分別添加體積濃度為10%、15%、20%和25%的功能性填料，相應(yīng)的涂層用量控制在0.6 kg/m，并通過室內(nèi)試驗測得試件表面和內(nèi)部的溫度變化，用于分析填料用量對涂層降溫性能的影響，具體3種功能性填料鈦白粉、玻璃微珠及陶瓷粉的降溫試驗結(jié)果如圖4～6所示。

圖4 反射材料不同含量下的溫度變化Fig. 4 Temperature variation at different contents of reflective material

由圖4可以看出，鈦白粉的加入能夠有效降低瀝青表面和內(nèi)部的溫度，當(dāng)反射填料的含量為15%時，熱反射涂層的降溫幅度最大，試件表面和內(nèi)部達到10.71和10.75 ℃。當(dāng)反射材料的用量繼續(xù)增大時，熱反射涂層的降溫效果（隨其涂層厚度增加）反而下降。因為當(dāng)反射填料在涂層中含量較少時反射填料的增加能逐漸填滿樹脂內(nèi)的空隙，導(dǎo)致更多的光輻射被反射出去，這減少了光輻射穿透，涂層降溫效果更好；但當(dāng)反射填料用量超過15%時，如果反射填料用量繼續(xù)增加，其不能有效分散，涂層降溫效果反而會下降。為此，本文選擇體積濃度15%為鈦白粉的最佳含量。

由圖5看出，中空玻璃微珠的加入能夠降低試件表面的溫度，中空玻璃微珠也具有一定的反射能力，雖然反射率不及鈦白粉高，但在阻隔熱量進入試件內(nèi)部時表面也能起到一定的反射作用。隨著中空玻璃微珠的含量增大，試件表面的降溫幅度相差不大，中空玻璃微珠主要起到熱阻的作用，有效阻隔熱量進入試件內(nèi)部。相比對照組，4組試驗組的內(nèi)部溫差分別為5.26、7.48、8.44和9.77 ℃，中空玻璃微珠的加入能夠降低試件內(nèi)部的溫度?？紤]到中空玻璃微珠的密度小、體積大，含量過多會增加攪拌難度，涂層的成膜性較差，因此，選擇中空玻璃微珠的體積為15%。

圖5 隔熱材料不同含量下的溫度變化Fig. 5 Temperature variation at different contents of insulation material

從圖6看出，輻射材料的加入能夠降低試件表面的溫度，輻射涂層將熱量發(fā)射出外面以降低試件的溫度，隨著輻射材料的含量增加，降溫效果也逐漸增加。當(dāng)含量為20%時，表面最大降溫幅度可達10.55 ℃，含量為20%和25%相差較小，原因可能是輻射涂層的降溫效果只與其表面材料有關(guān)，當(dāng)輻射材料含量為20%時其表面的輻射材料排列緊密，當(dāng)含量繼續(xù)增大時，對表面的輻射材料排列方式影響不大，因此，降溫效果相差不大。與表面相比內(nèi)部降溫幅度相對較小，當(dāng)輻射材料含量為20%時試件內(nèi)部降溫效果最佳，可達4.89 ℃。綜合考慮，選取輻射材料的體積濃度為20%。

圖6 輻射材料不同含量下的溫度變化Fig. 6 Temperature variation at different contents of radiative material

4.2 涂層厚度對其降溫性能的影響

瀝青表面涂刷涂層由于增大了表面反射率能降低瀝青路面溫度，但涂刷太厚不會明顯改善表面反射率，研究表明涂層厚度在一定范圍內(nèi)會使瀝青表面反射率達到峰值，另外，涂層越厚工程造價也會越高。涂層涂刷量越大表示厚度越大，因此本文對熱反射涂層的最佳用量進行研究。

試驗中對4種涂刷量為0.3、0.6、0.9和1.2 kg/m的熱反射涂層、隔熱涂層和輻射涂層分別進行降溫試驗，按照前述試驗步驟測得各試件表面和內(nèi)部的溫度變化，其中，熱反射涂層、隔熱涂層和輻射涂層試驗結(jié)果如圖7～9所示，下面分析涂層用量對瀝青表面降溫性能的影響。

圖7 反射涂層不同涂刷量下的溫度變化Fig. 7 Temperature variation of reflective coatings with different dosages

從圖7可見：與對照組相比，不同涂刷量對試件表面和內(nèi)部均有良好的降溫效果，涂刷量0.3 kg/m與其他涂刷量的降溫效果相差較大，最大差值約3 ℃，涂刷量0.6 kg/m的降溫效果最佳；試件表面和內(nèi)部最大溫差能達到11.42和10.37 ℃，內(nèi)部與表面相比區(qū)分度相對較大；涂層降溫效果并不是隨著涂刷量的增加而一直增加，表明涂層厚度達到一定程度后其反射率不再明顯變化，因此，繼續(xù)增大厚度反射率相差不大，但光輻射在涂層內(nèi)部的散射光程會增長，涂層降溫效果反而會降低。

由圖8看出：與對照組相比，隔熱涂層不同涂刷量對試件表面均有良好的降溫效果，3種涂刷量之間區(qū)分度較小，降溫幅度約為8.40 ℃，幾乎相同，表面降溫效果只與表面的中空玻璃微珠有關(guān)，涂層厚度的增加對其基本無影響；不同涂刷量對試件內(nèi)部均有明顯降溫效果，且區(qū)分度較大，3種涂刷量的降溫幅度分別達到6.86、8.36和10.61 ℃，隔熱涂層的隔熱降溫效果隨厚度的增加而增加，并不止和表面的填料有關(guān)。這是由于隔熱填料的導(dǎo)熱系數(shù)小，涂層用量越大內(nèi)部的隔熱填料越多，可以延長熱量流入路徑，減緩?fù)繉酉蛳聼醾鬟f，增強了隔熱降溫效果。

圖8 隔熱涂層不同涂刷量下的溫度變化Fig. 8 Temperature variation of insulation coatings with different dosages

由圖9可知：相比試件對照組，輻射涂層不同涂刷量對試件均有良好的降溫效果，3種涂刷量之間降溫幅度在表面和內(nèi)部分別在11.30 ℃和4.90 ℃左右，基本維持相等，涂層厚度的增加對其無影響；可取輻射涂層最佳用量為0.3 kg/m，此時降溫效果幾乎達到最大，用量進一步增加降溫效果無明顯影響，輻射涂層的降溫性能只與涂層表面的輻射填料有關(guān)。

圖9 輻射涂層不同涂刷量下的溫度變化Fig. 9 Temperature variation of radiative coatings with different dosages

4.3 著色顏料對涂層降溫性能的影響

選用氧化鐵綠、氧化鐵紅和氧化鐵黃原料配制出綠、紅、黃色系的涂層。彩色涂層具有醒目、提示等功能，適用于路口交匯處、公交車道和小道等，但大面積用于主干道容易造成視覺疲勞。黑色或灰色在道路的使用較為普遍，高反射率的黑色涂層較難制備，因此，本文僅研究灰色涂層。試驗中采用2種方法制得灰色涂層，灰色1為二氧化鈦中加入炭黑制成，灰色2則利用氧化鐵綠和氧化鐵紅在可見光區(qū)和近紅外光區(qū)各自的反射特性再通過配色混合原理制成。在涂層制備時顏料和涂層用量均保持一致，本文采用顏料的用量為6.7%，以白色涂層試件表面溫度為對照標準，不同顏色涂層表面溫度變化的試驗結(jié)果見圖10。

圖10 不同顏色涂層的溫度變化Fig. 10 Temperature changes of different color coatings

從圖10可以看出，與白色涂層溫度基準比，降溫差值由小到大的順序為黃、紅、灰2、綠和灰1，溫差分別為3.20、4.10、4.44、5.41和7.85 ℃。由于各著色顏料在可見光區(qū)和近紅外光區(qū)的反射率低于二氧化鈦的反射率，因此，著色顏料的添加會降低涂層的降溫效果。對比灰色涂層降溫效果可以發(fā)現(xiàn)，相同用量下使用反射率高的氧化鐵紅和氧化鐵綠制得的灰色涂層降溫效果更佳，比使用反射率低的炭黑制得的灰色涂層溫度降低了3.41 ℃。

4.4 涂層結(jié)構(gòu)對其降溫性能的影響

4.4.1 單層結(jié)構(gòu)復(fù)合涂層的降溫性能

現(xiàn)有瀝青熱反射涂層大多是將不同作用的填料混合而成，為了發(fā)揮不同降溫機理填料的降溫性能，本文將反射、隔熱和輻射3種降溫填料混合制得單層復(fù)合降溫涂層和單層反射涂層進行降溫比較，實驗方案見表2。鈦白粉、陶瓷粉和玻璃微珠的用量分別采用體積濃度15%、20%和15%，著色顏料由氧化鐵紅和氧化鐵綠混合而成，用量為6.7%，實驗結(jié)果如圖11所示。

表2 單層結(jié)構(gòu)降溫涂層的實驗方案
Tab. 2 Experimental scheme of one-layer structure cooling coating

方 案結(jié)構(gòu)層組成填料1單層反射層鈦白粉+著色顏料2單層復(fù)合降溫涂層 鈦白粉+陶瓷粉+玻璃微珠+著色顏料

圖11 單層結(jié)構(gòu)涂層不同組合形式的溫度變化Fig. 11 Temperature variation of one-layer coatings with different combining forms

如圖11所示，方案1的降溫效果比方案2的表面降溫效果要好，原因是涂層里的一些反射填料被輻射填料和隔熱填料所覆蓋，涂層反射性能下降；且隔熱填料的密度小，更多的隔熱填料會浮在涂層的表面上，從而使涂層的降溫效果達不到預(yù)期效果。2種方案的內(nèi)部降溫幅度與表面降溫幅度相比區(qū)分度較小，雖然方案2表面溫度相比較高，存在熱量更多，但由于添加了隔熱填料和輻射填料，阻隔了部分向下傳遞的熱量，因此，兩種方案的內(nèi)部降溫幅度相差較小。

為了充分發(fā)揮反射、隔熱和輻射不同機理填料的降溫性能，實現(xiàn)各種降溫填料協(xié)同降溫的目的，可以通過改變涂層結(jié)構(gòu)的方法，將3種不同原理的填料設(shè)計在不同的層里。

4.4.2 兩層結(jié)構(gòu)涂層的降溫性能

將鈦白粉、中空玻璃微珠和陶瓷粉3種填料分別設(shè)計在不同的層里來進行協(xié)同降溫。兩層涂層的厚度不能過大，否則會降低瀝青的構(gòu)造厚度，根據(jù)前述分析，綜合考慮取反射涂層的用量為0.6 kg/m、隔熱涂層和輻射涂層都為0.3 kg/m。

由于隔熱涂層的降溫作用主要是隔熱，因此，將隔熱涂層設(shè)計在底層，而反射涂層和輻射涂層的降溫性能都只與表面的填料有關(guān)，兩層降溫涂層的組合形式需進行研究，初步設(shè)計方案如表3所示。以無涂刷涂層的瀝青試件表面溫度為對照標準，降溫實驗結(jié)果如圖12所示。

表3 兩層結(jié)構(gòu)降溫涂層的試驗方案
Tab. 3 Experimental scheme of two-layer structure cooling coating

方 案結(jié)構(gòu)層組成填料1反射層鈦白粉+著色顏料2反射層鈦白粉+著色顏料隔熱層玻璃微珠3反射層鈦白粉+著色顏料輻射層陶瓷粉4輻射層陶瓷粉+著色填料反射層鈦白粉

圖12 兩層結(jié)構(gòu)涂層不同組合的溫度變化Fig. 12 Temperature variation of two-layer coatings with different combining forms

如圖12所示，與無涂層瀝青試件表面溫度基準比，各方案均能有效降低試件溫度，其中，方案3降溫效果最佳，而方案2、1、4降溫效果依次減弱。方案2與方案1相比，試件表面溫度幾乎相等，而內(nèi)部溫度能有效降低1.10 ℃，說明試件表面溫度只和表層的反射層密切相關(guān)，而與底層的隔熱層關(guān)系不大，表面反射層將部分輻射進行反射，同時，底層隔熱層將向下傳遞的熱量進行阻隔，因此，降溫效果更佳。

方案3與方案1相比，表面溫度和內(nèi)部溫度分別下降3.70 ℃和1.80 ℃，反射表層將部分太陽輻射進行反射，同時，底層的輻射層將內(nèi)部吸收的輻射再發(fā)射到外部，因此方案3的降溫效果得到增強；方案3與方案1相比，表面溫度和內(nèi)部溫度分別增加0.80 ℃和0.70 ℃，方案4的降溫效果主要由表層的輻射層發(fā)揮作用，底層的反射層也反射了部分輻射，但發(fā)揮作用較少，說明多層結(jié)構(gòu)中反射層作為表層比輻射層作為表層的降溫效果要更好，不同涂層結(jié)構(gòu)位置改變可影響其降溫性能。

4.4.3 3層結(jié)構(gòu)涂層的降溫性能

通過兩層結(jié)構(gòu)的降溫涂層不同組合形式對其降溫性能的影響因素分析，可以確定3層涂層結(jié)構(gòu)的組合形式，試驗方案如表4所示。

表4 3層結(jié)構(gòu)降溫涂層的試驗方案
Tab. 4 Experimental scheme of three-layer structure cooling coating

方 案結(jié)構(gòu)層組成填料1反射層鈦白粉+著色顏料2反射層鈦白粉+著色顏料輻射層陶瓷粉3反射層鈦白粉+著色填料輻射層陶瓷粉隔熱層玻璃微珠

首先，對添加相應(yīng)降溫涂層結(jié)構(gòu)層后的試樣表面反射率影響進行了研究，使用紫外可見近紅外分光光度計測試了無添加著色顏料的3種方案在波譜范圍220～2 000 nm的反射率。所測的結(jié)果如圖13所示。

圖13 3種方案在不同波段范圍內(nèi)的反射率Fig. 13 Reflectivity of three schemes in different spectral bands

從圖13可看出，3種方案的反射率曲線趨勢基本一致，方案1、2和3的反射率分別為70.09%、68.90%和71.19%，三者相差甚小，這說明了當(dāng)表面反射涂層的厚度達到一定厚度后，在反射涂層下增加結(jié)構(gòu)層并不會明顯影響其反射率，多層結(jié)構(gòu)降溫涂層中反射涂層、輻射涂層和隔熱涂層3種涂層各自發(fā)揮自身的降溫機理，綜合后達到協(xié)同降溫的目的。3層結(jié)構(gòu)涂層的降溫效果實驗結(jié)果如圖14所示。

圖14 3層結(jié)構(gòu)涂層不同組合的溫度變化Fig. 14 Temperature variation of three-layer coatings with different combining forms

由圖14可知，與對照組相比，各方案均能有效降低試件溫度，方案1、2、3的表面溫度分別降為58.04、55.13和54.55 ℃，其中，方案2和方案3降溫值幾乎相同，說明在3層結(jié)構(gòu)降溫涂層中，對瀝青表面發(fā)揮降溫作用的主要是反射層和輻射層。而方案1、2、3的內(nèi)部降溫效果依次增加，降溫效果分別為5.66、7.46、9.22 ℃，隔熱涂層在反射涂層和輻射涂層的降溫基礎(chǔ)上增強對瀝青內(nèi)部的降溫效果，表明3層結(jié)構(gòu)降溫涂層的降溫效果更佳。

5 結(jié) 論

本文通過室內(nèi)試驗分析得出以下結(jié)論：

1）通過室內(nèi)降溫實驗對鈦白粉、中空玻璃微珠和遠紅外陶瓷粉的最佳摻量進行研究，得到有利瀝青涂層降溫效果的鈦白粉、中遠紅外陶瓷粉和中空玻璃微珠的最佳含量分別為15%、20%和15%。

2）反射涂層、輻射涂層、隔熱涂層3種涂層的最佳用量分別為0.6、1.2、0.3 kg/m；但考慮到多層降溫涂層不能過厚的工程限制，多層結(jié)構(gòu)降溫涂層中反射涂層的用量取為0.6 kg/m、隔熱涂層和輻射涂層均取為0.3 kg/m。

3）著色顏填料的添加會降低降溫涂層的降溫效果，當(dāng)加入用量為6.7%的氧化鐵紅和氧化鐵綠制得的灰色涂層降溫效果要比白色涂層降溫效果低4.44 ℃。

4）通過對降溫涂層的結(jié)構(gòu)組合形式的研究，發(fā)現(xiàn)涂層結(jié)構(gòu)的改變可以明顯影響其降溫性能。將3種降溫填料混合會使得一些反射填料被其他填料所覆蓋，制備得到的單層結(jié)構(gòu)復(fù)合涂層降溫效果反而會減弱。將不同降溫填料設(shè)計在多層結(jié)構(gòu)涂層的不同層中，涂層降溫效果得到增強，組合形式以反射層作為表面層、輻射層作為中間層、隔熱層作為底層制得的3層結(jié)構(gòu)涂層有著明顯的降溫效果，表面和內(nèi)部降溫幅度可達10.45和9.22 ℃。