路用熱反射涂層工藝性能研究

蔣應(yīng)軍，王華濤，易 勇，鮑豫豪，李兵兵

(長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

0 引言

瀝青路面具有較高的吸熱性能和溫度敏感性[1-2]，交通荷載反復(fù)作用下，高溫瀝青路面易出現(xiàn)車(chē)轍，影響行車(chē)舒適性與安全性。熱反射涂層具有極高的太陽(yáng)輻射反射率，可降低路面溫度，延緩車(chē)轍病害的產(chǎn)生[3-5]。

國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者就熱反射涂層降溫性能進(jìn)行了大量研究，發(fā)現(xiàn)熱反射涂層的降溫效果顯著。Cao，舒永法，Xie，Anting，Hu等[6-10]利用光照模擬箱模擬光照進(jìn)行室內(nèi)溫度場(chǎng)試驗(yàn)，測(cè)試了熱反射涂層的降溫效果，發(fā)現(xiàn)降溫可達(dá)5～25 ℃。Zheng，Wang，Sha等[11-13]對(duì)噴涂熱反射涂層試驗(yàn)段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)溫度試驗(yàn)，測(cè)試熱反射涂層的降溫效果，發(fā)現(xiàn)可降溫達(dá)10～25 ℃。Jiang等[14]對(duì)熱反射涂層降溫效果、抗車(chē)轍性能和耐久性進(jìn)行了評(píng)估，發(fā)現(xiàn)涂層的抗車(chē)轍性能隨空氣溫度的升高而增加。Rossi，Xie等[15-16]研究了熱反射涂層近紅外反射率對(duì)路面內(nèi)部能量的影響，發(fā)現(xiàn)熱反射涂層可緩解城市熱島現(xiàn)象。也有學(xué)者對(duì)熱反射涂層的其他性能進(jìn)行研究。馮錫榮、蔣應(yīng)軍、曹雪娟、謝磊等[17-20]對(duì)熱反射涂層材料的路用性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明熱反射涂層材料降溫效果、抗滑性、耐久性和滲水性良好。唐伯明、Cao等[21-22]研究了熱反射涂層的老化機(jī)理及規(guī)律，發(fā)現(xiàn)熱反射涂層老化的主要原因?yàn)樘?yáng)輻射導(dǎo)致涂層反射率的下降。Yi等[23]研究發(fā)現(xiàn)熱反射涂層的降溫性能與普通涂層基本相同，但黏合強(qiáng)度和耐磨性分別比普通涂層高20%和49%。

上述研究主要集中在熱反射涂層的降溫性能、路用性能和耐久性能等方面，但熱反射涂層是一種高分子聚合物材料，其黏度和固化時(shí)間等工藝性能對(duì)施工影響較大，而熱反射涂層的工藝性能研究鮮有報(bào)道，導(dǎo)致其施工應(yīng)用技術(shù)發(fā)展緩慢，缺少理論依據(jù)。鑒于此，本研究對(duì)熱反射涂層的黏滯性與固化時(shí)間進(jìn)行研究，分析黏滯性和固化時(shí)間對(duì)熱反射涂層的施工方式、施工時(shí)間、開(kāi)放交通時(shí)間的影響，建立等溫黏度預(yù)測(cè)模型，在一定溫度和時(shí)間范圍內(nèi)預(yù)估熱反射涂層黏度的變化情況，分析影響熱反射涂層工藝性能的溫度、時(shí)間、材料組成3個(gè)因素，用于指導(dǎo)施工。

1 原材料及試驗(yàn)方案

1.1 原材料

熱反射涂層由基料、功能填料、助劑組成。

基料又稱成膜物，由環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑按一定比例組成，其技術(shù)性質(zhì)見(jiàn)表1～2。

表1 環(huán)氧樹(shù)脂技術(shù)性質(zhì)Tab.1 Technical properties of epoxy resin

表2 固化劑技術(shù)性質(zhì)Tab.2 Technical properties of curing agent

功能填料又分為著色填料和顏填料。著色填料采用氧化鐵顏料；顏填料采用硅藻土、鈦白粉。其技術(shù)性質(zhì)見(jiàn)表3。

表3 功能填料的技術(shù)性質(zhì)Tab.3 Technical properties of functional filler

助劑為熱反射涂層的輔助成膜物質(zhì)，如稀釋劑等。其技術(shù)性質(zhì)見(jiàn)表4。

表4 助劑的技術(shù)性質(zhì)Tab.4 Technical properties of additive

1.2 熱反射材料配比

各材料摻量如表5所示。

根據(jù)前期試驗(yàn)研究，結(jié)合熱反射涂層降溫性能、抗滑性能、耐久性能，綜合考慮得出熱反射涂層用量為0.55 kg/m2，此用量的熱反射涂層可降低路面溫度12 ℃左右[24]。

1.3 熱反射涂層材料的制備及用量

(1)取36.42%環(huán)氧樹(shù)脂和18.21%稀釋劑置于容器中，采用恒速攪拌器以300 r/min攪拌速度均勻攪拌。

(2)加入功能填料中的顏填料和著色顏料，用量分別為21.12%和10.56%，攪拌均勻。

(3)加入消泡劑、流平劑、分散劑等其他助劑。

(4)最后加入固化劑12.75%，低速均勻攪拌，即制備得熱反射涂層材料，隨后即可施工。

(5)熱反射涂層用量為0.55 kg/m2，制備完成后采用噴灑或涂抹設(shè)備進(jìn)行施工[24]。

1.4 試驗(yàn)方案

1.4.1 黏滯性

(1)溫度及時(shí)間

為明確熱反射涂層黏度隨溫度變化規(guī)律，測(cè)定不同溫度下不同固化時(shí)間的熱反射涂層黏度，擬采用溫度為20，30，40，50，60 ℃，并每隔5 min測(cè)試黏度。

(2)稀釋劑用量

通過(guò)添加稀釋劑用量來(lái)改變熱反射涂層噴灑時(shí)的黏度，在已開(kāi)發(fā)熱反射涂層配方的基礎(chǔ)上添加5%，10%，15%，20%，25%的稀釋劑用量，在不同溫度下研究稀釋劑用量對(duì)黏度的影響。

1.4.2 固化時(shí)間

(1)熱反射材料

為了研究熱反射材料組成對(duì)熱反射涂層固化時(shí)間的影響，稀釋劑摻量采用0，5%，10%，15%，20%，固化劑摻量采用25%，30%，35%，40%，45%，測(cè)試其表干時(shí)間、實(shí)干時(shí)間和不黏胎固化時(shí)間。

(2)溫度

溫度決定了熱反射涂層的固化反應(yīng)速率，將熱反射涂層試件置于20，30，40，50，60 ℃溫度下，測(cè)量其固化時(shí)間的變化。

1.5 試驗(yàn)方法

1.5.1 黏滯性

熱反射涂層的黏滯性由NDJ-8S旋轉(zhuǎn)式數(shù)值顯示黏度計(jì)測(cè)定。

試驗(yàn)步驟如下[25]：

(1)將熱反射材料倒入燒杯或直筒容器中。

(2)將儀器保護(hù)架和轉(zhuǎn)子逆向旋入主機(jī)箱下的端子和連接頭。

(3)控制旋轉(zhuǎn)黏度儀升降旋鈕，使轉(zhuǎn)子緩慢浸入熱反射材料中，并調(diào)整儀器至水平泡居中。

(4)試驗(yàn)過(guò)程保證環(huán)境溫度恒定，確保黏度儀數(shù)值穩(wěn)定準(zhǔn)確。

1.5.2 固化時(shí)間

固化時(shí)間分為表面固化時(shí)間、實(shí)際固化時(shí)間、不黏胎固化時(shí)間。

(1)表面固化時(shí)間

指固化劑與基料混合到熱反射涂層開(kāi)始進(jìn)入固態(tài)的時(shí)間。其測(cè)定方法為：

①制備1 cm3的脫脂棉球，在車(chē)轍板上成型熱反射材料試件。

②將脫脂棉球放到熱反射涂層試件上，吹動(dòng)棉球，若試件上未留下棉絲，則達(dá)到表面固化，若有棉絲殘留，則每30 s重復(fù)1次試驗(yàn)，直至達(dá)到表面固化。

(2)實(shí)際固化時(shí)間

指熱反射涂層達(dá)到固體狀態(tài)的時(shí)間，熱反射涂層全部厚度都固化結(jié)成漆膜時(shí)成為實(shí)際固化時(shí)間。測(cè)定采用QGS型測(cè)定器[26]。

測(cè)定方法為：將試件置入固化箱中固化，每隔一段時(shí)間在熱反射涂層表面放上棉球，將QGS型測(cè)定器放在棉球上，開(kāi)動(dòng)秒表，30 s后拿掉QGS型測(cè)定器和棉球，若熱反射涂層表面不遺留棉絲，則達(dá)到實(shí)際固化，此時(shí)為熱反射涂層實(shí)際固化時(shí)間。

(3)不黏胎固化時(shí)間

該時(shí)間是熱反射涂層在道路工程中應(yīng)用的特有指標(biāo)。本研究以該時(shí)間作為從涂層固化到在行車(chē)荷載作用下仍可保證結(jié)構(gòu)完整，有充足強(qiáng)度抵抗荷載的時(shí)間。采用BZT不黏胎時(shí)間測(cè)定儀測(cè)定該時(shí)間[27]。其測(cè)定方法為：

①將試樣噴灑于車(chē)轍板上。

②按下秒表，10 min后，兩手持BZT不黏胎時(shí)間測(cè)定儀手柄勻速滾動(dòng)1 s，立即查看輪胎上有無(wú)黏漆，清理輪胎并間隔30 s重復(fù)試驗(yàn)直至輪胎不黏漆，停止秒表。

2 黏滯性

2.1 等溫黏度預(yù)測(cè)模型

測(cè)定熱反射涂層在20，30，40，50，60 ℃時(shí)的黏度，采用阿累尼烏斯方程(Dual-Arrhenius Equation)建立黏度與時(shí)間、溫度的等溫流變模型，用于評(píng)價(jià)黏度與時(shí)間、溫度的關(guān)系。根據(jù)該模型可計(jì)算出不同溫度和時(shí)間下熱反射涂層的黏度[28]。不同溫度下黏度隨時(shí)間的變化規(guī)律見(jiàn)表6。

表6 不同溫度下熱反射涂層黏度隨時(shí)間變化規(guī)律Tab.6 Viscosity of heat reflective coating varying with time at different temperatures

Roller半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅挥糜谘芯凯h(huán)氧樹(shù)脂體系的等溫固化體系的流變行為。在轉(zhuǎn)化率較低、時(shí)間為0、轉(zhuǎn)化率為0的條件下，假設(shè)轉(zhuǎn)化率與時(shí)間呈線性關(guān)系，得到Arrhenius模型：

η(t)=η0ekt，

(1)

轉(zhuǎn)換后可得：

η(t)/η0=AeBt，

(2)

式中，η(t)和η0為t時(shí)刻的熱反射涂層黏度、初始黏度；k為速率常數(shù)；A和B為與溫度相關(guān)的模型參數(shù)；t為時(shí)間。

式中η0，A，B均滿足阿累尼烏斯方程，即：

(3)

(4)

(5)

式中，C0，CA，CB，D0，DA，DB均為模型參數(shù)；T為溫度。

求解出模型參數(shù)值后可得到熱反射涂層等溫流變模型。根據(jù)實(shí)測(cè)不同溫度下熱反射涂層的初始黏度值對(duì)lnη0-1/T進(jìn)行線性擬合，得到η0的表達(dá)式：

(6)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合圖見(jiàn)圖1。

圖1 ln η0-1/T擬合曲線Fig.1 ln η0-1/T fitting curve

得到η0的表達(dá)式后，依據(jù)不同溫度下變化時(shí)間的黏度，建立各溫度下的η(t)/η0-t的擬合關(guān)系曲線，求得不同溫度下的模型參數(shù)C0和D0，見(jiàn)表7。

表7 不同溫度下模型參數(shù)C0和D0Tab.7 Model parameters C0 and D0 at different temperatures

分別將A-1/T和B-1/T進(jìn)行擬合，求解參數(shù)CA，CB，DA和DB，擬合曲線見(jiàn)圖2，A和B的擬合方程見(jiàn)式(7)～(8)。

圖2 擬合曲線Fig.2 Fitting curves

(7)

(8)

由上述條件求得熱反射涂層等溫黏度預(yù)測(cè)模型：

(9)

簡(jiǎn)化后可得：

(10)

選擇5個(gè)溫度和時(shí)間，運(yùn)用模型計(jì)算黏度，并與實(shí)測(cè)值對(duì)比，見(jiàn)表8。

表8 黏度預(yù)測(cè)模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Tab.8 Comparison of viscosity between model calculation value and measured value

由表8可知，黏度預(yù)測(cè)模型與實(shí)測(cè)值相差較小，最大相差7.2%，說(shuō)明該預(yù)測(cè)模型能夠用于預(yù)測(cè)熱反射涂層隨時(shí)間和溫度變化的黏度，能夠更好地指導(dǎo)施工。

2.2 黏度影響因素

2.2.1 溫度

溫度對(duì)黏度的影響見(jiàn)圖3。

圖3 溫度對(duì)熱反射材料黏度影響Fig.3 Influence of temperature on viscosity of heat reflective materials

由圖3可知，熱反射涂層黏度隨溫度的增加而降低，這是因?yàn)闇囟鹊奶嵘档土嘶橡ざ龋瑥亩憩F(xiàn)為熱反射涂層黏度的降低。在20 min時(shí)，熱反射涂層黏度在50 ℃時(shí)顯著高于20，30，40 ℃的黏度，這是由于高溫環(huán)境下熱反射涂層逐漸發(fā)生凝膠作用，黏度發(fā)生陡增現(xiàn)象，15 min后黏度升高就是由于熱反射涂層發(fā)生了凝膠作用。

2.2.2 時(shí)間

時(shí)間對(duì)黏度的影響見(jiàn)圖4。

圖4 時(shí)間對(duì)熱反射涂層黏度影響Fig.4 Influence of time on viscosity of heat reflective coating

由圖4可知，固化溫度小于50 ℃時(shí)，黏度隨時(shí)間的增長(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)。當(dāng)熱反射涂層達(dá)到凝膠后，黏度變化存在突變，固化溫度越高，突變發(fā)生越快，這是由于熱反射涂層達(dá)到凝膠狀態(tài)，在20，30，40，50，60 ℃環(huán)境下凝膠時(shí)間分別為110，40，25，15，10 min。環(huán)境溫度大于50 ℃時(shí)，熱反射涂層施工時(shí)間應(yīng)控制在15 min以內(nèi)，推薦施工溫度小于40 ℃。

2.2.3 材料組成

試驗(yàn)溫度為25 ℃時(shí)稀釋劑摻量對(duì)黏度的影響見(jiàn)圖5。

圖5 稀釋劑增量對(duì)熱反射涂層黏度影響Fig.5 Influence of thinner increment on viscosity of heat reflective coating

由圖5可知，稀釋劑的摻入可明顯降低熱反射涂層的黏度，溫度為25 ℃時(shí)黏度在不摻稀釋劑時(shí)可達(dá)1 170 mPa·s，黏度較大。稀釋劑摻量的提升會(huì)降低熱反射涂層的黏度，這是由于環(huán)氧樹(shù)脂在常溫下有結(jié)晶傾向，因此，常溫下環(huán)氧樹(shù)脂黏度較高，而稀釋劑的加入擾亂了樹(shù)脂中原有的有序結(jié)構(gòu)，故熱反射涂層的黏度隨稀釋劑摻量的增加而降低。

為進(jìn)一步明確在不同施工溫度下稀釋劑摻量對(duì)熱反射涂層黏度的影響，在20，25，30，35 ℃溫度下分別測(cè)試不同稀釋劑摻量下熱反射涂層黏度隨時(shí)間的變化規(guī)律，并繪制等溫線圖，見(jiàn)圖6。

圖6 熱反射涂層黏度等值線圖(單位：mPa·s)Fig.6 Isotherm diagrams of viscosity of heat reflective coating (unit：mPa·s)

由圖6(a)可知，在氣溫為20 ℃條件下施工，60 min以內(nèi)均未達(dá)到凝膠狀態(tài)，而涂層黏度偏大，根據(jù)前期研究發(fā)現(xiàn)的適合噴灑黏度200～350 mPa·s可得：稀釋劑增量小于30%時(shí)黏度過(guò)大無(wú)法滿足噴灑要求，因此，在氣溫為20 ℃時(shí)最佳稀釋劑增量為30%，熱反射涂層最佳施工時(shí)間為0～60 min。氣溫為20，25，30，35 ℃時(shí)的最佳稀釋劑增量分別為30%，30%，20%，20%，低溫條件下施工需要更多的稀釋劑降低熱反射涂層黏度。

3 固化特性

3.1 固化時(shí)間

表面固化時(shí)間是熱反射涂層黏性和可塑性最好的階段，因此也是施工的最佳時(shí)期，決定了熱反射涂層的最大可施工時(shí)間。實(shí)際固化時(shí)間是在熱反射涂層具備一些強(qiáng)度的階段，化學(xué)反應(yīng)接近尾聲，對(duì)于人行道、景觀道路等荷載不大的路段已可開(kāi)放交通。熱反射涂層達(dá)到固態(tài)具備強(qiáng)度后，其強(qiáng)度仍可增強(qiáng)，且無(wú)法保證能夠抵抗荷載作用。達(dá)到不黏胎固化時(shí)間時(shí)，熱反射涂層固化到在行車(chē)荷載作用下仍可保證結(jié)構(gòu)完整，有充足的強(qiáng)度抵抗荷載的時(shí)間，行車(chē)道及重載交通路段應(yīng)在達(dá)到不黏胎固化時(shí)間后方可開(kāi)放交通。熱反射涂層的固化時(shí)間決定于基料與固化劑的固化反應(yīng)速度，固化反應(yīng)劇烈則固化時(shí)間短，固化反應(yīng)緩慢則固化時(shí)間長(zhǎng)。

3.2 固化時(shí)間影響因素

3.2.1 材料組成

稀釋劑和固化劑對(duì)熱反射涂層固化時(shí)間的影響見(jiàn)圖7。由圖7(a)可知，稀釋劑的摻量增大會(huì)增加熱反射涂層固化時(shí)間。由于稀釋劑具有“緩凝”作用，可以減慢體系固化反應(yīng)速度，從而增大固化時(shí)間，導(dǎo)致開(kāi)放交通時(shí)間延長(zhǎng)，不利于快速投入使用，而稀釋劑的摻量降低又會(huì)降低黏度，降低施工和易性，故選擇稀釋劑摻量時(shí)應(yīng)綜合考慮黏度和固化時(shí)間的影響。稀釋劑摻量為15%時(shí)熱反射材料的表干時(shí)間、實(shí)干時(shí)間及不黏胎固化時(shí)間分別為39，140，187 min，這說(shuō)明最大施工時(shí)間應(yīng)控制在39 min 以內(nèi)，非機(jī)動(dòng)車(chē)道開(kāi)放交通時(shí)間應(yīng)大于140 min，機(jī)動(dòng)車(chē)道開(kāi)放交通時(shí)間應(yīng)大于187 min。圖7(b)表明固化劑的摻量會(huì)縮減固化時(shí)間，因?yàn)楣袒瘎┑脑黾訉?dǎo)致與環(huán)氧樹(shù)脂反應(yīng)的基團(tuán)增多，從而加劇固化反應(yīng)速度，降低固化時(shí)間。前期研究中優(yōu)選固化劑摻量為35%下熱反射材料的表干時(shí)間、實(shí)干時(shí)間及不黏胎固化時(shí)間分別為38，120，153 min。

圖7 熱反射涂層材料對(duì)固化時(shí)間的影響Fig.7 Influence of material of heat reflective coating on curing time

3.2.2 溫度

溫度對(duì)熱反射涂層固化時(shí)間的影響見(jiàn)圖8。

圖8 溫度對(duì)熱反射材料固化時(shí)間影響Fig.8 Influence of temperature on curing time of heat reflective materials

由圖8所示溫度對(duì)固化時(shí)間的影響可知，20 ℃ 以上的熱反射涂層表干時(shí)間降低明顯，而30 ℃以上的熱反射涂層實(shí)干時(shí)間和不黏胎固化時(shí)間降低明顯，30 ℃時(shí)不黏胎固化時(shí)間為145 min，因此，熱反射涂層施工時(shí)建議氣溫在30 ℃以上施工。

4 結(jié)論

(1)建立黏度與時(shí)間、溫度的等溫流變模型，根據(jù)該模型計(jì)算的熱反射涂層黏度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值最大差值為7.2%，可預(yù)測(cè)熱反射涂層黏度。

(2)熱反射涂層稀釋劑摻量越大，熱反射涂層黏度越低，稀釋劑摻量為0%時(shí)黏度可達(dá)1 170 mPa·s，5%時(shí)黏度為800 mPa·s；熱反射涂層黏度隨溫度的升高而降低，高溫下熱反射材料發(fā)生凝膠作用時(shí)出現(xiàn)黏度陡增現(xiàn)象，在40 ℃以上時(shí)增加到100～200 mPa·s，建議熱反射涂層在氣溫30 ℃ 以上施工。

(3)熱反射涂層固化時(shí)間與溫度和熱反射涂層材料密切相關(guān)。固化時(shí)間與稀釋劑摻量成正比、與固化劑摻量成反比，在稀釋劑、固化劑最佳劑量下涂層表干時(shí)間在40 min以內(nèi)；熱反射涂層施工時(shí)建議氣溫在30 ℃以上，施工時(shí)間在40 min內(nèi)完成。