瀝青路面熱反射涂層研究綜述

喬志剛 孫 軍 鞠英明

1.上海南信公路建設(shè)有限公司；2.上海浦發(fā)綜合養(yǎng)護（集團）有限公司；3.上海市浦東新區(qū)公路管理署

1 引言

瀝青路面由于其良好的行車舒適性和維修方便性，已經(jīng)發(fā)展成為道路鋪裝的主要形式[1]。然而瀝青路面具有較強的儲熱能力和較低的反射率等特性，在夏季高溫時節(jié)容易吸收大量的熱量導(dǎo)致路面溫度升高，瀝青路面模量降低，進而在車輛荷載的作用下產(chǎn)生嚴(yán)重地車轍病害，影響行車安全。同時，瀝青路面吸收大量的熱量，會進一步加劇城市熱島效應(yīng)[2]。

瀝青路面熱反射涂層技術(shù)作為一種瀝青路面的主動降溫措施，通過在瀝青路面涂覆具有反射太陽輻射功能的涂料減小路面對太陽熱量的吸收，達(dá)到降低路面的溫度、減小車轍病害和緩解城市熱島效應(yīng)的目的。近年來，伴隨著高分子聚合物合成技術(shù)的逐漸成熟，更多具有良好降溫效果的熱反射涂層相繼出現(xiàn)，并且在瀝青路面中得到了廣泛應(yīng)用[3-5]。本文從熱反射涂層的降溫機理、材料組成設(shè)計、降溫效果以及路用性能研究等方面綜述了國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，總結(jié)了目前研究所要解決的問題。

2 熱反射涂層降溫機理

2.1 瀝青路面光熱環(huán)境

圖1 瀝青路面光熱環(huán)境示意圖

瀝青路面溫度隨著外部環(huán)境的變化而變化，處于一個動態(tài)變化的過程中[6]。路面與周圍環(huán)境之間以及瀝青路面內(nèi)部各層之間的熱量傳遞通過熱輻射、熱對流和熱傳導(dǎo)三種基本方式進行[7]。瀝青路面一方面接收來自太陽直接輻射、散射輻射和大氣逆輻射等，同時又以反射和長波輻射的形式向外輻射熱量。瀝青路面與近地面空氣之間不斷地進行對流換熱，對流換熱主要受路面與近地面空氣之間的溫度差和風(fēng)速的影響。瀝青路面內(nèi)部以及路面與路基之間的熱量傳遞主要通過熱傳導(dǎo)進行，熱傳導(dǎo)主要受材料的密度、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)的影響。瀝青路面的典型光熱環(huán)境如圖1所示。

為了定量描述瀝青路面的光熱環(huán)境的動態(tài)變化，一般通過簡化后的光熱模型計算瀝青路面的凈熱流密度。其中凈熱流密度表示瀝青路面在單位時間單位面積上通過的熱量，如式所示。當(dāng)q''=0時，路面達(dá)到熱平衡狀態(tài)[8]。

式中：

q''——瀝青路表面的凈熱流密度，W∕m2；

α——瀝青路面對太陽總輻射的吸收率；

E0——太陽總輻射強度，W∕m2；

Esky——大氣逆輻射強度，W∕m2；

Esur——路面的長波輻射強度，W∕m2；

Eh——對流換熱強度，W∕m2。

2.2 熱反射涂層降溫原理

太陽光的能量主要集中在可見光區(qū)和紅外光驅(qū)，如圖2 所示。瀝青路面也不斷地以紅外光和波長更長的電磁波向外輻射能量。對于來自太陽的能量，瀝青路面表面有三種響應(yīng)方式：反射、吸收和透過。反射率ρ、吸收率ε和透過率τ的關(guān)系如式所示。

由于瀝青路面不是透明物體，因此，透過率通常近似為0。而夏季瀝青路面對太陽輻射的吸收率高達(dá)85%以上，因此導(dǎo)致夏季瀝青路面的溫度過高。因此降低夏季瀝青路面的溫度的關(guān)鍵在于降低瀝青路面的熱輻射吸收率，提高瀝青路面熱輻射反射率。

熱反射涂層的降溫主要基于兩種途徑，如圖2所示：（1）將占太陽總輻射能量95%的可見光（0.4μm～0.72μm）和近紅外光（0.72μm～2.5μm）反射至外部空間；（2）將吸收的熱量以長波輻射的形式從“大氣窗口”輻射出去。大氣窗口一般指的是2.5μm～5μm和8μm～13.5μm這兩個波段，在這兩個波段，大氣對其紅外輻射吸收能力較弱，透過率一般在80%以上[9]。熱反射涂層可以在不消耗能量的情況下將瀝青路面吸收的熱量盡可能通過這兩個窗口輻射至外部空間，從而進一步降低路面的溫度。研究發(fā)現(xiàn)瀝青路面的反射率大約為17%，在使用熱反射涂層之后路面的反射率可達(dá)到59%～66%[10]。而瀝青路面的表面最大溫度和內(nèi)部最大溫度都與反射率呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)[11]，因此，反射率的提高可以有效降低路面的最高溫度，減小車轍病害的產(chǎn)生。一般來講，路面的顏色越淺，路面的反射率越高，從而路面溫度也越低[12，13]，但是淺色涂層容易對駕駛員造成炫光的現(xiàn)象，對行車安全造成威脅[14]。因此近年來的研究更多地是采用在可見光區(qū)反射率較低，而在近紅外光區(qū)反射率較高的深色系涂層[15，16]。

圖2 太陽輻射光譜輻射照度分布與熱反射涂層降溫機理示意圖

3 熱反射涂層材料組成設(shè)計

3.1 材料的化學(xué)組成

熱反射涂層主要由顏料、填料、基料和助劑組成，如圖3 所示。常用的顏料有二氧化鈦、氧化鐵紅、氧化鐵黃、氧化鋅、鋅鋇白、炭黑和氧化鋁等，顏料的種類和粒徑等因素與涂層的反射率密切相關(guān)。表1所示為不同類型的顏填料的折射率，可以發(fā)現(xiàn)二氧化鈦、氧化鐵紅、氧化鐵黃和氧化鋅的折射率較高，因此在熱反射涂層中應(yīng)用較為廣泛。另外不同顏料按照不同的比例組合可以生產(chǎn)出不同顏色，具有不同反射率的熱反射涂層。研究發(fā)現(xiàn)適當(dāng)減小顏料粒徑有助于提高涂層的反射率，然而顏料粒徑過細(xì)會導(dǎo)致光線繞過顏料顆粒而無法發(fā)生全發(fā)射，從而降低涂層的反射率[15]。

圖3 涂層材料的組分及作用[17]

表1 不同類型顏填料折射率

常用填料主要包括碳酸鈣，滑石粉、二氧化硅和中空玻璃微珠等。二氧化硅作為一種無毒、無味、無污染的無機非金屬材料，具有良好的隔熱性能，廣泛應(yīng)用于瀝青路面熱反射涂層的生產(chǎn)中，可以有效提高涂層的強度和耐磨性。中空玻璃微珠的主要成分為二氧化硅和三氧化二鋁，導(dǎo)熱率低，具有良好的隔熱降溫效果，可以提高熱反射涂層的降溫性能[15]。

基料主要用來將涂料中其他物質(zhì)黏結(jié)成以整體，附著在被瀝青路面表層，干燥固化形成均勻連續(xù)而堅韌的功能層。由于太陽熱反射涂層直接收到太陽光的輻射作用，因此要求基料具有防紫外線破壞的作用。同時為了進一步提升涂層整體的降溫效果，應(yīng)選擇化學(xué)結(jié)構(gòu)中—C—O—C—、O=C—、—OH 等吸能基團較少的基料，從而減少對可見光和近紅外光的吸收[4，10]。常用的樹脂類基料有：有機硅一丙烯酸樹脂、有機硅一醇酸樹脂、有機硅-聚氨酯樹脂、丙烯酸樹脂、環(huán)氧樹脂、聚氨酯樹脂、硅酮樹脂等。上述樹脂類基料透明度高，折光指數(shù)高（1.45～1.5），在熱反射涂層中應(yīng)用較多。不同種類的基料對涂層的降溫效果影響不大，但是不同基料制備的熱反射涂層的硬度、柔韌性、耐磨性和耐水性等物理性能相差較大[7]。因此在涂層配方設(shè)計中通常以物理性能為控制指標(biāo)，在滿足涂層降溫要求的前提下提高涂層的耐久性。

3.2 涂層固化進程

涂層強度的形成與反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間密切相關(guān)，因此了解涂層材料的強度變化機制對于優(yōu)化現(xiàn)場施工工藝和確定封閉交通時間有著重要影響。溫度過低，涂層固化反應(yīng)速度慢，交通開放時間較長;溫度過高，導(dǎo)致涂層反應(yīng)速度快，不利于施工操作。在固定溫度下，配制完成后涂層材料的黏度隨著反應(yīng)時間的增加先保持恒定，然后緩慢增加，最后急劇增加。研究發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，黏度突變點對應(yīng)的時間逐漸減小，當(dāng)大氣溫度高于30℃時，涂層最大施工操作時間不到15min。由于熱反射涂層從凝膠狀態(tài)到表干狀態(tài)還需要一定時間，因此，確定施工操作時間時需要包括不粘胎干燥時間[18]。

4 涂層的降溫效果與路用性能

4.1 涂層的降溫性能

對于熱反射涂層的降溫效果的評價主要是表面降溫效果和路面內(nèi)部降溫效果，其中表面溫度的降低對于緩解城市熱島效應(yīng)有著重要的影響，而路面內(nèi)部的溫度的降低有助于緩解瀝青路面的車轍病害[19-22]。影響降溫效果的因素主要有涂層材料組成和涂層的厚度。隨著涂層厚度的增加，降溫的效果呈現(xiàn)線性增加的趨勢，同時，涂層厚度的增加超過一定量時會對路面的抗滑性能產(chǎn)生不利的影響。最大降溫幅度隨著涂層表面灰塵等污染物的堆積呈現(xiàn)降低的趨勢，因此需要定期清理熱反射涂層表面的污染物，以保證涂層的降溫效果。

4.2 涂層的耐久性研究

熱反射涂層直接收到行車荷載的作用，其耐磨耗性是發(fā)揮反射降溫作用的關(guān)鍵因素。而目前還沒有統(tǒng)一的耐磨耗性能評價指標(biāo)，一般采用室內(nèi)模擬行車荷載的瀝青混合料加速磨光儀或者小型加速加載儀對涂有熱反射涂層的瀝青混合料車轍板進行加載，觀察不同加載循環(huán)后熱反射涂層的剝落情況，以定性分析評價熱反射涂層的耐磨耗性能。同時，熱反射涂層作為以高分子材料為基底的材料，在光、熱和氧氣環(huán)境中容易產(chǎn)生老化現(xiàn)象，導(dǎo)致強度的降低，進而在冬季溫度較低時產(chǎn)生開裂，影響其使用壽命。研究發(fā)現(xiàn)采用紫外光吸收劑和受阻胺光穩(wěn)定劑對不飽和聚酯樹脂涂料進行改性，能夠提高涂層的抗老化性能[12]。

4.3 涂層的抗滑性能研究

抗滑性作為路面設(shè)計的主要控制因素對于行車安全具有重要影響。在瀝青路面表面涂覆熱反射涂層后會降低路面表面的構(gòu)造深度，進而降低路面抗滑性能[23]。因此，在涂層材料設(shè)計和施工過程中應(yīng)采用合理的措施提高涂層的抗滑性能。目前國內(nèi)外專家學(xué)者主要通過在涂層材料設(shè)計階段加入防滑顆粒來改善路面的抗滑性能。防滑顆粒需要同時滿足較高的強度和與涂層較好的黏附性。常見的防滑顆粒有高聚樹脂顆粒、聚乙烯、聚氯乙烯和天然橡膠等合成有機顆粒材料以及金剛砂、玻璃珠、石英砂、云母和天然砂等無機顆粒材料[24]。相比于有機防滑顆粒，無機防滑顆粒對于涂層的抗滑性能提升效果更加明顯，同時無機材料還具有較好的耐久性。

5 總結(jié)與展望

瀝青路面熱反射涂層作為一種主動降低瀝青路面溫度、降低瀝青路面車轍病害、緩解城市熱島效應(yīng)的新型可持續(xù)路面技術(shù)，能夠有效減小路面車轍病害，降低維修成本，同時降低城市熱島效應(yīng)帶來的能量消耗并且減小溫室氣體的排放，具有良好的應(yīng)用前景。通過梳理歸納瀝青路面熱反射涂層技術(shù)發(fā)展歷程及研究成果，總結(jié)了現(xiàn)有研究中的不足之處以及未來研究應(yīng)重點關(guān)注并解決的技術(shù)難題。

（1）未來研究應(yīng)重點研發(fā)無毒無害的綠色涂層，在材料設(shè)計及涂層施工階段監(jiān)測VOC 的排放量，通過優(yōu)化材料組成設(shè)計及施工工藝，降低涂層材料對人體以及環(huán)境的影響。避免采用噴涂的施工方式帶來的空氣污染。

（2）常用的聚酯樹脂和環(huán)氧樹脂等樹脂類基料雖然能夠提高涂層的強度，提高涂層短期內(nèi)的耐磨性，但是隨著時間的推移，涂層材料逐漸發(fā)生老化，在行車荷載的作用下，在涂層-瀝青界面發(fā)生剝離。因此可采用化學(xué)改性的方法提高涂層的抗老化性能。

（3）目前還未提出針對熱反射涂層降溫性能的標(biāo)準(zhǔn)評價方法。因此未來研究可注重于室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)降溫性能測試方法的建立以及室內(nèi)降溫效果與室外降溫效果的轉(zhuǎn)換關(guān)系的確定，以通過室內(nèi)試驗預(yù)測室外的降溫效果。