強輻射高原區(qū)建筑防護涂層反射性能研究

張偉超,張磊,王磊,董自運,古松

（1.中鐵建工集團有限公司，北京 100160；2.中鐵建工集團北方工程有限公司，天津 300450；3.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽 621000）

0 引言

西藏地區(qū)屬于我國高原高海拔地區(qū)，該地區(qū)空氣稀薄，云層稀少，紫外線強輻射為該地區(qū)典型氣候特點，因此該地區(qū)建筑結(jié)構(gòu)在長時間太陽強輻照下的隔熱保溫需求，一直是困擾高原建筑節(jié)能發(fā)展的關(guān)鍵問題。長期以來，建筑結(jié)構(gòu)，尤其是鋼結(jié)構(gòu)涂裝在應(yīng)對強太陽輻照方面的技術(shù)短板，對高原地區(qū)建筑結(jié)構(gòu)節(jié)能減排與綠色建筑政策的貫徹實施帶來了嚴峻考驗，同時還增加了綠色施工技術(shù)在高原地區(qū)的發(fā)展推廣難度，據(jù)統(tǒng)計[1-3]，西藏地區(qū)人均每年因強輻照造成的建筑能耗約為全國平均水平的7.8 倍。因此，高原地區(qū)鋼結(jié)構(gòu)隔熱保溫技術(shù)的成熟與發(fā)展迫在眉睫。

近年來，隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的不斷深入，大量基礎(chǔ)設(shè)施在高原高海拔地區(qū)不斷營造，這些基礎(chǔ)設(shè)施絕大多數(shù)設(shè)置了寬幅大面積鋼屋面結(jié)構(gòu)。太陽強輻照作用下，西藏地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施所擁有的大面積鋼屋面結(jié)構(gòu)通常因熱工效率差和低太陽輻照反射率增加了大量建筑能耗。而對于高原地區(qū)，強輻照因素是導(dǎo)致建筑能耗增加的關(guān)鍵因素。文獻[4]通過調(diào)研，分析了青藏高原地區(qū)太陽輻照的年平均分布狀況，發(fā)現(xiàn)高原地區(qū)年平均輻照強度約為內(nèi)陸平原地區(qū)的5～8 倍。文獻[5]則通過平流層氣候特征進一步說明了西藏地區(qū)強輻照效應(yīng)的產(chǎn)生原因以及發(fā)展規(guī)律。文獻[6]利用大氣探測技術(shù)研究了大氣成分對高原地區(qū)輻照強度演化的影響，并給出了西藏各地區(qū)全年太陽輻照強度分布統(tǒng)計結(jié)果。太陽輻照作為建筑能耗變化的重要誘因，已成為當前建筑節(jié)能的重要調(diào)控因素。

鋼結(jié)構(gòu)由于施工方便、工藝多樣以及成本優(yōu)勢，被廣泛推廣于高原地區(qū)的大宗基礎(chǔ)設(shè)施工程領(lǐng)域。鋼屋面作為高原地區(qū)建筑結(jié)構(gòu)重要的遮蔽構(gòu)造，不但承擔(dān)防護雨雪風(fēng)等自然因素，還兼?zhèn)渥韪籼栞椪?。而其隔熱保溫缺陷則恰恰成了遮蔽構(gòu)造的建筑缺陷。為彌補鋼結(jié)構(gòu)屋面強輻照條件下隔熱保溫短板，多種構(gòu)造措施被開發(fā)并利用。其中表面涂裝方法因操作方法，利于施工，已成為改善強太陽輻照的有效反射效率的重要措施。建筑鋼屋面利用涂裝方法不但能夠?qū)崿F(xiàn)對太陽輻射的有效反射，還可以避免厚重隔熱體系帶來的結(jié)構(gòu)荷載，同時簡單的涂裝工藝還可顯著提高施工效率[7-8]。目前，用于建筑領(lǐng)域反射紫外線的涂裝材料較多，其中金屬涂料以廉價、優(yōu)效等突出優(yōu)勢，被大量應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)的各個受輻射部位。因此不少學(xué)者開展了關(guān)于不同強度太陽輻射下金屬涂料的反射性能研究。文獻[1-3]及文獻[7]通過不同類型金屬顏料反射率比的對比分析，明確了添加鋁粉改性防輻射涂料反射性能的提升優(yōu)勢。在此基礎(chǔ)上，文獻[3-6]將鋁粉添加含量作為控制參數(shù)，分析了其與涂層反射效率之間的關(guān)系。然而，對用于建筑工程低反射率涂層而言，外添金屬組劑形狀、尺寸以及分布形式均與其紅外發(fā)射率關(guān)系顯著，而太陽輻射熱效應(yīng)絕大多數(shù)來源于紅外光譜射線，因此不同鋁粉的形狀、尺寸以及分布形式，也會引起其反射效率的明顯差異[9]。然而，目前針對鋁粉性狀（形狀、尺寸與分布形態(tài)）對涂層反射性能的影響的研究尚未見報道，但其恰恰與高原地區(qū)強太陽輻射下建筑節(jié)能關(guān)系密切[10-13]，因此亟需開展相關(guān)研究。

基于此，本文采用試驗手段，通過對比不同鋁粉粉末性狀參數(shù)下改性涂料的輻射試驗結(jié)果，分析各性狀參數(shù)與涂層反射率比之間的關(guān)系，提出一套適用于高原地區(qū)的反射太陽輻射涂料添加組劑設(shè)計參數(shù)，達到強太陽輻射下大型建筑結(jié)構(gòu)屋面體系建筑物理節(jié)能的要求。

1 室內(nèi)輻射加速實驗

1.1 試驗準備

為避免涂層基底材料反射紅外線引起實驗誤差，本次輻射實驗基底材料選用高透明亞克力板（紅外穿透系數(shù)0.98）。結(jié)構(gòu)外表面涂裝反射涂料選用聚氨酯水溶性基料。金屬摻合料為鋁粉，其按照三類粉劑進行摻入。各類鋁粉性狀參數(shù)與設(shè)計添加量見表1。

表1 金屬鋁粉組劑性狀設(shè)計參數(shù)

實驗在工程材料振動與沖擊四川省重點實驗室進行，選用Devices&Services Company-AEl 型輻射率儀完成所有輻射試驗。該設(shè)備具有輻照頻幅寬，加載速度快，光敏調(diào)控精確等優(yōu)點。考慮本文涉及涂層厚度均在0.5mm以內(nèi)，輻照峰值需在3s內(nèi)加載完成，輻照寬度選用常規(guī)紫外線。另外，為避免加載過程對試驗精度的影響，本次試驗光敏傳感器應(yīng)在輻照加載穩(wěn)定后讀取數(shù)據(jù)，即試驗開始3s 后讀取數(shù)據(jù)。最后，涂層反射效果采用UV-3600 型紫外可見光譜儀和HYPERION2000 紅外光譜儀共同完成。

1.2 試件制備及輻射實驗

試件表面涂裝反射涂層前，先稱取一定金屬粉末（按配方稱取），置于水溶性基料中，充分攪拌。再將混合溶液加入純丙彈溶劑（固含量65%，提高塑化時間），然后加入成膜劑，此時應(yīng)注意成膜劑需在復(fù)合溶劑完全塑化前加入。

將完全塑化制備涂料均勻涂置亞力克板上表面，厚度控制為100（±5）μm，形成10cm×10cm 方形測試平面。最后將制備好的試樣統(tǒng)一置于養(yǎng)護箱內(nèi)標準養(yǎng)護72h（T=25（±2）℃；HR=（50±5）%）。

待試樣樣化完畢后，放于黑色背景測試平臺上，測試光譜選用可見光及近紅外光，波長約為230～2 550nm。試驗測試如圖1 所示。

圖1 涂層薄膜反射率測試系統(tǒng)

為避免涂裝厚度離散引起的測量誤差，本次測量范圍均位于試件中部區(qū)域，且每個試件測量點個數(shù)為10 個，呈等間距隨機分布狀態(tài)。同時，考慮涂層在太陽輻照下的老化問題，正式輻照試驗開始前，所有試件需在實驗等同輻照環(huán)境進行預(yù)處理，每周取出進行輻照效果測試，當連續(xù)兩次輻照反射率偏差小于5%時，正式開始反射率測試。待單個試件所有測點測試完畢后，取平均值作為本試件輻照測量結(jié)果。

2 室內(nèi)輻射加速實驗

太陽輻照能量作用于金屬屋面板后，其能量形式轉(zhuǎn)化為兩部分：吸收能與反射能。屋面板吸收部分太陽輻照能量后，引起自身與室內(nèi)溫度升高；另一部分能量則經(jīng)屋面板反射進入自然環(huán)境中。在總太陽輻照能量不變的前提下，增加反射能，降低吸收能可有效控制建筑結(jié)構(gòu)室內(nèi)溫度。本文利用涂裝溶劑添加鋁粉摻料來調(diào)控金屬屋面板對太陽輻照反射效率。

據(jù)前文所述，鋁粉摻入料性狀分為三類。通過對比涂料添加鋁粉各性狀參數(shù)下的涂層反射率變化，可直接確定強輻射改性涂料金屬組份設(shè)計參數(shù)。

2.1 粉末性狀對涂層反射率的影響

本文考慮鋁粉摻入料形狀含片狀與顆粒。片狀由于體表面積較大，很難在涂裝層中均勻分布，存在一定聚攏現(xiàn)象。而顆粒則能夠很好地懸浮分散于涂裝層構(gòu)造中。兩種分散特征對其反射效率的影響十分顯著。

眾所周知，涂料反射水平通常采用其反射率來定量描述，可通過式（1）進行計算。

式（2）中，Ω 為光譜儀測量值cd/m2；S 為試樣表面積，單位cm2。

為分析金屬粉末尺寸與對應(yīng)涂層反射效率的關(guān)系，本文對相同尺寸的不同形狀金屬粉末改性涂料的反射率進行對比，結(jié)果如圖2 所示。為避免摻入量對試驗結(jié)果的影響，此處金屬粉末兩類形狀的摻合量在同一條件下取等值。

圖2 不同形狀鋁粉下涂料反射率隨鋁粉尺寸的變化

由圖2 可以看出，相同含量條件下，片狀鋁粉對涂料反射率比的影響較顆粒狀顯著得多，隨著金屬粉末含量增加，試件涂裝反射率逐漸提高，但增加幅度逐漸減小。當金屬粉末含量達到17.8%時，兩種性狀鋁粉涂層反射率均達到穩(wěn)定值。同時，隨著鋁粉摻入量的改變，兩類性狀摻料涂層造成的反射效果差異亦發(fā)生改變。當摻 入料含量較低時，兩類鋁粉摻料涂層反射率基本相同，但隨著摻入料含量增加，兩者偏差逐漸增大，當摻入料達到17.8%時，偏差達到峰值，隨后又逐漸減小。由此可見，涂裝摻入料應(yīng)優(yōu)先選用片狀鋁粉，其摻入量應(yīng)控制在17.8%，以達到最優(yōu)涂裝反射效果。

2.2 粉末尺寸對涂層反射率的影響

金屬粉末尺寸對改性涂層反射能力具有一定作用，但性能提升幅度有限。已有研究表明，金屬粉末尺寸不同，改性涂層反射效率也不同。因此，本文分析了最優(yōu)摻入量條件下不同鋁粉尺寸涂層的反射率變化情況，如圖3 所示。

圖3 不同鋁粉尺寸條件下涂料反射率比變化曲線

根據(jù)流體力學(xué)基本理論，粉末尺寸越小，表面張力越大，其在溶液中內(nèi)聚力亦越大，懸浮離散性越差。當金屬粉末在涂層構(gòu)造中分散性不足時，其對輻照反射效率就越低。反之，當金屬粉末尺寸越大，其分散性則越好，但對涂層基體流質(zhì)分散性亦越大。雖然金屬粉末分散狀態(tài)增加了涂層反射率，但涂層基體流質(zhì)的分散行為則對其反射效果造成一定抑制作用。因此金屬粉末的尺寸水平應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)才能確保涂層構(gòu)造具有十分突出的輻照反射能力。

由圖3 可見，隨著片狀鋁粉尺寸增加，改性涂層反射率比逐漸增強。當鋁粉含量介于10～20μm 間時，涂層反射率增強速率迅速，但在含量較低與較高階段，反射率增強幅度隨鋁粉尺寸增加的速率十分有限。由此可見，對于同形狀鋁粉外加劑，當尺寸達到約20μm 時，強輻射條件下的涂層反射率比最高，即此尺寸水平為片狀鋁粉改性涂層的最優(yōu)特征尺寸。

2.3 粉末形態(tài)分布對涂層反射率的影響

金屬外添加劑在結(jié)構(gòu)涂裝施工時主要以兩種形態(tài)分布，表層涂刷和懸浮分布，且不同分布狀態(tài)對涂層的抗輻射能力與輻射反射效果影響很大。圖4 給出了采用不同鋁粉添加比例下改性涂層的輻照測試試驗結(jié)果。

圖4 不同鋁粉添加劑分布狀態(tài)下涂層反射率比變化曲線

由圖4 可以看出，隨著鋁粉含量的增加，其不同分布狀態(tài)下的涂層反射率均逐漸增強，且懸浮狀態(tài)的增強程度明顯高于表面涂刷狀態(tài)。另外，通過對比發(fā)現(xiàn)，不同分布狀態(tài)鋁粉涂層也存在最優(yōu)含量，約為18.4%。

3 工程應(yīng)用

根據(jù)前文研究結(jié)果，以西藏自治區(qū)醫(yī)院為依托，通過現(xiàn)場測試的方法，分析本文所優(yōu)化配方的改性涂料在高原強輻射下的反射效果。在相同施工條件下，對比未進行涂料改性的涂層輻照測試結(jié)果，對探究高原地區(qū)強輻照條件下防輻射涂層改性效果具有十分顯著的工程意義，且研究結(jié)果具有突出的應(yīng)用價值。

現(xiàn)場測試涂層采用片狀鋁粉，分別按照0%、16%、18%、20%和22%五個含量梯度均勻摻入水溶性涂料，利用上述方法制作試片，并養(yǎng)護?，F(xiàn)場利用采用光譜儀對其反射效果進行測試，結(jié)果見圖5。

圖5 鋁粉改性涂層反射率現(xiàn)場試驗結(jié)果

由圖5 可見，含鋁粉涂層較未含鋁粉涂層的反射能力顯著增強，當含量達到18.9%時，兩者差異最為顯著，能夠很好地與室內(nèi)實驗結(jié)果吻合。由此可見，本文所提涂層改性配方能較好地用于高原地區(qū)的太陽強輻射防護條件。

4 結(jié)論

為探究金屬顏料對防輻射涂層反射率的影響，本文分別對比了鋁粉形狀、尺寸以及含量等形狀參數(shù)與改性涂層反射率比之間的關(guān)系。并基于研究成果確定了適用于西藏地區(qū)強輻射下的大型金屬屋面反射涂層配方，研究成果可為該地區(qū)綠色建筑的進一步發(fā)展提供技術(shù)支持。主要研究成果如下：

（1）相同含量條件下，片狀鋁粉對涂料反射率比的影響較顆粒狀顯著得多。且當含量達到17.8%時，不同形狀鋁粉所引起涂層反射率的差異最大。

（2）隨著片狀鋁粉增加，改性涂層反射率比逐漸增強。對于同形狀鋁粉外加劑，當含量達到20%左右時，強輻射條件下的涂層反射率比最高，即此含量為片狀鋁粉改性涂層的最優(yōu)配比。

（3）隨著鋁粉含量增加，其不同分布狀態(tài)下的涂層反射率均逐漸增強，且懸浮狀態(tài)的增強程度明顯高于表面涂刷狀態(tài)。