基于室內(nèi)外實(shí)驗的瀝青路面熱反射涂層降溫效果分析

閔偉春 俞曉麗

1.上海南信公路建設(shè)有限公司；2.上海南信公路建設(shè)有限公司

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，我國的瀝青路面通車?yán)锍桃衍S居世界前列[1-3]。目前的主要挑戰(zhàn)是如何統(tǒng)籌兼顧路面的耐久、環(huán)保、舒適和可持續(xù)等方面的要求。在瀝青路面的病害形式中，車轍作為最常見、分布最廣泛和影響程度最大的一種病害形式，決定了瀝青路面的使用壽命[4-9]。

車轍病害的產(chǎn)生主要源于瀝青混合凝土材料的粘彈特性以及溫度荷載敏感性[10]。瀝青路面在夏季高溫時節(jié)在車輛荷載的長時間作用下容易產(chǎn)生不可恢復(fù)變形，進(jìn)而形成車轍病害。其中溫度作為車轍病害的主要誘導(dǎo)因素，對車轍病害的產(chǎn)生和發(fā)展有著決定性的作用。已有研究表明當(dāng)瀝青路面的夏季溫度降低時車轍病害明顯減少[11,12]。因此，采用熱反射涂層來主動降低路面的夏季溫度逐漸得到了推廣和應(yīng)用。熱反射涂層設(shè)計的主要控制指標(biāo)包含兩個方面[13-15]：一是涂層的降溫性能；二是涂層的耐久性。而目前關(guān)于涂層的降溫性能評價主要采用室內(nèi)模擬真實(shí)環(huán)境和現(xiàn)場實(shí)測兩種，由于現(xiàn)場實(shí)測降溫性能的代價較高，在材料設(shè)計階段一般很難實(shí)現(xiàn)，因此大多數(shù)學(xué)者采用室內(nèi)縮尺平臺模擬實(shí)際的降溫性能。有關(guān)兩種方法之間的關(guān)聯(lián)目前尚屬空白。

本研究的目的在于通過室內(nèi)外的降溫性能測試，對比分析兩種實(shí)驗方法之間的內(nèi)在聯(lián)系，以期為瀝青路面熱反射涂層設(shè)計過程中關(guān)于降溫性能評價指標(biāo)的選取提供參考。

2 熱反射涂層降溫性能測試

2.1 室內(nèi)實(shí)驗

圖1 室內(nèi)熱反射涂層降溫性能測試圖

如圖1所示，室內(nèi)模擬系統(tǒng)主要由輻射光源、輻射強(qiáng)度測試儀、溫度傳感器和溫度采集設(shè)備組成。輻射光源采用300W日光模擬燈泡，燈泡的直徑為127mm，長度為185mm。該太陽燈所發(fā)出的光線的波長范圍為：320mm~2500nm，超過99%以上的太陽輻射光譜所在的波長范圍大致為：150mm~4000nm。因此可以采用太陽燈模擬太陽光照。輻射強(qiáng)度的控制可以通過輻射燈的數(shù)量、排布形式和距離試件高度實(shí)現(xiàn)。

對于試件上、下表面采用不同的溫度采集方法：采用Raytek紅外測溫儀（測溫范圍為-18℃~260℃，精度±1℃）測試件上表面溫度變化，采用熱電偶溫度傳感器（測溫范圍為-20℃~125℃，精度±0.5℃）采集試件下表面溫度。通過數(shù)據(jù)采集裝置自動記錄傳感器采集的溫度。熱反射涂層的降溫效果定量評價指標(biāo)為未涂覆試件和涂覆試件實(shí)測溫度之差。

2.2 現(xiàn)場實(shí)測降溫性能

圖2 現(xiàn)場熱反射涂層涂覆及溫度傳感器埋置示意圖

如圖2 所示，現(xiàn)場實(shí)驗選擇新建瀝青混凝土路面（上面層SMA-13；下面層AC-20），垂直于道路縱向劃定三塊矩形區(qū)域（3.75m×0.5m），將配置好的環(huán)氧樹脂基熱反射涂層涂覆于三塊矩形區(qū)域。三塊矩形區(qū)域為平行組，涂覆前每塊矩形區(qū)域通過鉆芯取樣埋置溫度傳感器，傳感器的位置為上面層和下面層的中部。溫度的記錄時間為早10:00~下午16:00，當(dāng)天上海地區(qū)為晴天，室外最高空氣溫度38℃。三塊矩形區(qū)域的表面溫度變化采用紅外熱像儀采集，采集時間為下午13:00 左右，即當(dāng)天最高溫度時段。

3 實(shí)驗結(jié)果對比分析

3.1 室內(nèi)降溫性能

圖3 基于室內(nèi)模擬實(shí)驗的熱反射涂層降溫效果

圖3所示為基于室內(nèi)模擬降溫系統(tǒng)所得的瀝青混合料車轍板（a未涂熱反射涂層；b涂有熱反射涂層）表面變化趨勢。考慮到試件表面的溫度分布變異性，對紅外熱像儀采集的試件表面溫度進(jìn)行統(tǒng)計分析，獲得平均值，最大值和最小值。由圖可以看出未涂熱反射涂層的車轍板試件的表面平均溫度比涂有熱反射涂層的車轍板高出5.7℃。

3.2 室外降溫性能

圖4 現(xiàn)場實(shí)測熱反射涂層降溫性能

圖4所示為室外試驗段的三塊矩形涂層的表面以及涂層下瀝青路面內(nèi)部各層在夏季高溫天氣中的某一天的溫度變化檢測結(jié)果。其中涂層表面的溫度變化采用紅外熱像儀進(jìn)行檢測，通過對比涂層表面與未涂涂層的瀝青路面表面的溫度，計算其差值得到三個平行試驗段在13時左右的溫差分別為3.8℃，5.9℃和4.8℃，其平均值為4.8℃，略低于室內(nèi)實(shí)驗的平均值5.7℃。涂有熱反射涂層的瀝青路面內(nèi)部（上面層與下面層）的溫度變化趨勢較為相似，在早上10:00 至下午14:00 均呈現(xiàn)單調(diào)增長趨勢，隨后便出現(xiàn)急劇下降。通過計算最高點(diǎn)的溫度差值，得到上面層和下面層的降溫幅度分別為6.3℃和5.6℃。可以發(fā)現(xiàn)上面層的降溫幅度大于室內(nèi)實(shí)驗結(jié)果，下面層的降溫幅度數(shù)值與室內(nèi)實(shí)驗結(jié)果最為接近。

4 總結(jié)與結(jié)論

本文通過室內(nèi)試驗與室外試驗對比分析了瀝青路面熱反射涂層的降溫特性，探究了室內(nèi)試驗結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際降溫效果之間的內(nèi)在聯(lián)系。發(fā)現(xiàn)室內(nèi)試驗得到的熱反射涂層降溫幅度與實(shí)際涂有熱反射涂層的路面下面層中的降溫幅度最為接近。室內(nèi)試驗所得的降溫幅度高于實(shí)際路面環(huán)境中涂層表面的溫度，同時低于實(shí)際涂有熱反射涂層的瀝青路面上面層的降溫幅度。