瀝青路面功能梯度多層結構涂層的制備及性能研究

王 偉

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

瀝青路面因其開放交通早、行車舒適、振動小、耐磨等優點，被廣泛應用于二級及二級以上公路。但瀝青路面在夏季高溫季節容易出現車轍，隨著城市熱島效應加劇，給道路養護及城市居住環境帶來一定程度的影響，對此國內外道路學者對遮熱涂層做了一系列研究。

曹雪娟[1]等人研制了一種新型遮熱反射材料，對有無涂覆涂層的試片溫差來進行比較。陳玉靜[2]提出了一種新型適用于冰川凍土的反射涂層結構。馮德成[3]以路用性能及經濟性能為出發點開發熱反射涂層材料。國外[4]的一項專利介紹了深色反射涂層，該涂層一定程度上可降低路表溫度及防眩光。

上述國內外研究成果對于緩解城市熱島效應意義重大，然而因其降溫效果不突出，難以在實際中推廣。因此，本文以鐵鉻黑為顏料，二氧化鈦為反射型材料，中空玻璃微珠為功能型材料，研究材料類型及涂層結構對涂層降溫性能的影響，并采用擺式摩擦儀評價涂層的路用性能，室內磨耗儀測試涂層的磨耗能力，研究成果對于解決夏季高溫路面車轍問題及抑制城市溫度過高具有重要意義。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

1.1.1 瀝青混合料試件

試件瀝青混合料級配為AC-13，級配見表1。室內模擬太陽光輻射試驗的試件從標準車轍板上切成四等份，尺寸為150 mm×150 mm×50 mm；用于抗滑及耐磨試驗的大型瀝青混合料試件尺寸為500 mm×500 mm×80 mm。

表1 AC-13級配

1.1.2 不同結構層次的涂層制備

本文在參照文獻及調研的基礎上[5-10]，確定了涂層制作最佳的涂層用量為1 kg/m2。

1.1.2.1 單層制作方法

a）按初定的設計比例，在離子水中加入各類助劑（成膜助劑、分散劑、消泡劑、流平劑），恒溫攪拌器以1 000 r/min的速度攪拌10 min。

b）加入二氧化鈦、中空玻璃微珠及鐵鉻黑顏料，以1 000 r/min的速度攪拌15 min。

c）加入改性丙烯酸乳液，以相同速度攪拌15 min，最終得到反射涂層。

1.1.2.2 多層制作方法

a）先制備底層。（a）按初定的設計比例，在離子水中加入各類助劑，恒溫攪拌器以1 000 r/min的速度攪拌10 min。（b）加入二氧化鈦與中空玻璃微珠，恒溫攪拌器以相同速度攪拌15 min。（c）加入改性丙烯酸乳液，以相同速度攪拌15 min。

b）制作表面層。（a）按初定的設計比例，在離子水中加入各類助劑，恒溫攪拌器以1 000 r/min的速度攪拌10 min。（b）加入鐵鉻黑顏料，繼續以1 000 r/min的速度攪拌15 min。（c）最后加入改性丙烯酸乳液，以相同速度攪拌15 min，得到表面層。

涂刷時，先在試件上涂刷二氧化鈦及中空玻璃微珠制成的下面層，再涂刷鐵鉻黑顏料制成的上面層，形成下表面層降溫，上表面層防眩光的整體效益。

1.2 試驗方法

1.2.1 室內輻射試驗

本文旨在通過室內試驗模擬自然光對瀝青路面的影響，探究自制涂層對瀝青路面升溫的抑制效果，采用500 W碘鎢燈為模擬光源，照射時間為150 min，采用溫度槍測其試件表面溫度，裝置見圖1。

圖1 室內模擬自然光試驗裝置

1.2.2 路用性能試驗

利用擺值摩擦儀及室內磨損機分別探究涂層的抗滑及耐磨性能，以探究瀝青路面遮熱反射涂層是否滿足瀝青路面路用性能要求，測試裝置見圖2所示。

圖2 路用性能試驗相關儀器

2 試驗結果分析

2.1 單層結構涂層降溫性能分析

為進一步驗證單層涂層中顏料摻量、二氧化鈦、中空玻璃微珠摻量對試件降溫效果的影響，采用控制變量法對其進行室內模擬降溫試驗。

2.1.1 鐵鉻黑摻量對涂層降溫性能的影響

為進一步驗證反射涂層中顏料摻量對涂層整體降溫效果，在控制其他變量相同，設置5%、10%、15%三個鐵鉻黑的摻量梯度，并設置未摻加鐵鉻黑的對照組進行對照試驗，以此進行不同鐵鉻黑摻量梯度的涂層降溫效果分析，結果見圖3。

圖3 不同鐵鉻黑摻量下的涂層降溫示意圖

如圖3所示，試件中顏料摻量與其整體降溫效果呈正相關，當鐵鉻黑摻量從0%～5%時，平均每個時刻下，摻量為5%試件表層溫度較對照組低2℃～3℃，涂層降溫效果不是十分明顯。其摻量進一步提升至10%，涂層降溫效果提升明顯，該組降溫效果較前兩組降低5℃～10℃。當鐵鉻黑濃度達到15%時，降溫效果雖有提升，但是增大幅度不明顯。綜合考慮降溫效果及經濟性，鐵鉻黑濃度選定10%為宜。

2.1.2 反射型材料的摻量對涂層降溫性能影響

為進一步探究試件中二氧化鈦對其冷卻效果的影響，配制了3%、8%、10%等3種濃度梯度的二氧化鈦涂層，并設置未摻加二氧化鈦的試件為對照組，以此進行不同濃度梯度的試件降溫效果分析。不同摻量的二氧化鈦試件降溫效果見圖4所示。

圖4 不同二氧化鈦摻量下的試件降溫示意圖

如圖4所示，和圖3結果相似，二氧化鈦摻量的增加與涂層整體降溫效果亦呈正相關。其中當二氧化鈦摻量從0%～3%時，其降溫效果不是十分顯著，3%摻量的試件表面溫度比對照組低2℃左右。當二氧化鈦摻量繼續升高至8%，其降溫效率進一步提高，降溫效果明顯，降低溫度可達5℃～8℃。當其摻量繼續升高時，降溫效率基本趨于一定值。表明，當二氧化鈦的摻量超過8%以后，增加的二氧化鈦的摻量不會顯著提高涂層的冷卻能力。綜合考慮降溫效果及經濟性，二氧化鈦摻量選定為8%。

2.1.3 中空玻璃微珠的摻量對涂層降溫性能影響

為進一步研究玻璃微珠摻量對涂層冷卻程度的作用，本文設置4個摻量的中空玻璃微珠，用量梯度為5%、10%、15%，并設置未摻加中空玻璃微珠的試件為對照組，并對該組涂層進行降溫效果分析。不同摻量的中空玻璃微珠涂層降溫效果見圖5。

圖5 不同中空玻璃微珠摻量下的涂層降溫示意圖

如圖5所示，反射涂層試件降溫效果良好隨著反射涂層中中空玻璃微珠摻量的增加更顯著。其中當其摻量從0%增加到5%時，試件降溫效果一般，升溫過程稍有起伏。但隨著其摻量達到15%時，試件的降溫效果雖有一定幅度上升但趨于穩定。這可能是由于隨著中空微珠摻量的增加，導致其排列方式發生了改變，從而影響了試件的降溫效果。綜合降溫效果及經濟性，選擇中空微珠的摻量為10%。

2.2 功能梯度多層結構降溫性能分析

2.2.1 鐵鉻黑摻量對多層結構涂層降溫性能的影響

為進一步驗證本文開發的梯度多功能層中顏料摻量對復合式涂層整體降溫效果，本文在參考文獻的基礎上，設置5%、10%、15%鐵鉻黑的摻量梯度，并設置未摻加鐵鉻黑的試件為對照組，以此進行不同鐵鉻黑摻量梯度的復合式涂層降溫效果分析，結果見圖6。

圖6 不同鐵鉻黑摻量下的復合式涂層降溫示意圖

如圖6所示，復合式涂層其試件降溫效果和鐵鉻黑摻量亦呈正相關，各時刻下試件溫度均比單層涂層溫度低1℃～2℃。顏料摻量為5%時，試件降溫效果較良好，且隨著顏料摻量的提升，試件降溫性能雖有一定程度的提高，但變化幅度不大。這與單涂層中最佳顏料摻量略有不同，筆者認為復合式涂層中，顏料與各功能型填料分開拌制，能各自充分發揮作用，不會相互干擾，顆粒分布均勻，能最大程度上冷卻路面結構。考慮降溫效果及經濟性，選擇摻量為5%的鐵鉻黑顏料配制復合式涂層。

2.2.2 二氧化鈦摻量對多層結構涂層降溫性能的影響

為進一步驗證本文開發的復合式涂層中二氧化鈦摻量的降溫效果，本文在參考文獻的基礎上，配制了3%、8%、10%摻量梯度的二氧化鈦涂層，并設置未摻加二氧化鈦的試件為對照組，以此進行降溫效果分析，降溫效果分析見圖7。

圖7 不同二氧化鈦摻量下的復合式涂層降溫示意圖

如圖7所示，隨著二氧化鈦摻量的提升，試件的降溫效果逐步明顯，變化趨勢大體與相同摻量下的二氧化鈦單涂層溫度變化趨勢相同。對于復合式涂層來說，二氧化鈦摻量為8%時，涂層降溫效果最好。

2.2.3 中空玻璃微珠的摻量對多層結構涂層降溫性能的影響

為進一步研究玻璃微珠摻量對功能梯度多結構層涂層冷卻程度的作用，本文設置4個摻量的中空玻璃微珠，用量梯度為5%、10%、15%，并設置未摻加中空玻璃微珠的試件為對照組，對其進行降溫效果分析，結果見圖8。

圖8 不同中空玻璃微珠摻量下的復合式涂層降溫示意圖

如圖8所示，在一定范圍內，中空玻璃微珠的摻量與梯度多層涂層降溫效果呈正相關。此處復合式涂層降溫效果與單層涂層有一定不同，觀察發現，在各溫度下，多層結構的涂層降溫效果均比單層結構效果好，其平均溫度比單涂層溫度低2℃～3℃。且中空玻璃微珠摻量為10%時效果最適宜，雖隨著其摻量提升，試件降溫效果會有一定程度的起伏，但是變化程度不大。綜合經濟性及降溫效果，復合式涂層中中空玻璃微珠摻量為10%適宜。

3 涂層路用性能分析

3.1 單層結構涂層路用性能分析

為進一步探究所制成試件的抗滑性能，選取4種陶瓷顆粒撒布量（0 kg/m2、0.5 kg/m2、1 kg/m2、1.5 kg/m2）在常溫下測試試件的抗滑性。控制其他因素相同，每個陶瓷顆粒撒布量下制作3個平行試件，對其測試抗滑性能，取平均值作為擺錘值，結果顯示見圖9。為進一步探究涂層的耐磨性能，用室內磨損機對試件進行評估探究，試件經過磨損2 h后，計算其磨損前后質量的損失來評價涂層的耐磨性能。具體試驗結果亦見圖9所示。

圖9 不同陶瓷撒布量下的單層涂層擺值及磨損率

3.1.1 抗滑性能分析

由圖9可知，路表有涂層的試件，其擺值下降較為明顯。當陶瓷顆粒為0～0.5 kg/m2，其試件表面擺值有一定程度增大，但增加效果不是十分明顯，當撒布陶瓷顆粒繼續進一步增加至1 kg/m2，其試件路表擺值顯著提高，但當撒布量繼續增加時，其試件表面擺值反而減小。原因是陶瓷撒布量較大時可能會填補一些試件原有的孔隙等，導致路表構造深度降低。綜上考慮路面的路用性及經濟性，陶瓷撒布量為1 kg/m2較適宜。

3.1.2 耐磨性能分析

如圖9所示，所制備的涂層的耐磨性能隨著陶瓷顆粒的增加呈現先降低后增加的趨勢。陶瓷用量從0 kg/m2升高至0.5 kg/m2，其試件磨損率增加，當用量到1 kg/m2，其試件磨損程度加劇，試件整體損失率為1.6%，試件整體的耐磨性能仍較好，符合我國規范標準。

3.2 功能梯度多層結構涂層路用分析

為進一步探究所制的功能梯度多層結構抗滑性能及耐磨性能，選取4種陶瓷顆粒撒布量（0 kg/m2、0.5 kg/m2、1 kg/m2、1.5 kg/m2）在常溫下測試試件的抗滑性、耐磨性，制作及試驗流程同上述單層結構。具體試件擺值及質量磨損率見圖10。

由圖10可知，雙層結構涂層的擺值及試件磨損率的變化趨勢與單涂層變化大體相同，但可以發現復合式涂層，其擺值及耐磨性能均有一定程度的下降。當陶瓷撒布量為1 kg/m2時，單涂層的擺值及質量損失率分別為70 BPN、1.6%。梯度復合式涂層的擺值與質量損失率分別為64 BPN、1.76%。對比可以發現，梯度多層結構涂層，其路用性能下降了一定幅度，但仍滿足設計使用要求。

圖10 不同陶瓷撒布量下的復合式涂層擺值及磨損率

4 結論

a）本文所研制的梯度多層結構涂層制備工藝簡單，相較于單層涂層結構并無繁瑣的制作流程，涂層中鐵鉻黑、二氧化鈦、中空玻璃微珠摻量分別為5%、8%、10%時，梯度多層結構涂層試件降溫效果最好。

b）本文研制的梯度多層結構涂層試件降溫效果良好，比單層涂層結構試件溫度低2℃～3℃，且其抗滑性能及耐磨性能仍滿足設計使用要求，研究結果對于冷卻夏季高溫天氣瀝青路面有積極的意義。