瀝青路面熱反射涂料研究進展

達瓦扎西，陳先勇，戰琦琦,2，張 瑜,2，杜嬌嬌，謝 磊

(1.重交再生資源開發股份有限公司，重慶 401121；2.重慶市瀝青路面再生工程技術研究中心，重慶 401121)

據估計，太陽輻射每秒到達地球的太陽能為1.765×1017J[1]，這些能量給地球提供熱量，促進地球表面植物光合作用，但是也會帶來一些危害。瀝青路面由于施工周期短、易于養護等優點被廣泛應用于城市道路，但瀝青具有吸熱的特性，對太陽輻射的吸收率高達85%～95%，導致瀝青路面溫度在夏季高達60 ℃以上；并且由于瀝青屬于一種熱塑性材料，吸熱后會發軟、發黏，在車輛荷載長期作用下，會出現車轍、擁包、開裂等問題，不僅影響瀝青路面的正常使用，而且加劇“城市熱島效應”[2-3]。

熱反射涂料利用填料的高折光率對太陽輻射進行有效反射，從而降低物質吸收的熱量。瀝青路面熱反射涂料因具有不改變路面原有結構、僅依靠提高路表反射率降低路面溫度的優勢而受到廣泛關注。早在20世紀90年代，日本就成功研制了瀝青路面熱反射涂料，其主要以丙烯酸樹脂和二氧化鈦制備而成，并于2002年進行了實驗路鋪裝[4-5]。隨后，國外對反射隔熱涂料進行了大量研究，提出了降溫機理[6-8]，并在實際工程中運用[9-10]。我國對瀝青路面熱反射涂料的研究起步于2006年，主要集中在對熱反射涂料的研發，實際應用較少[11-15]。哈爾濱工業大學[16-18]首先對瀝青路面熱反射涂料降溫機理進行了研究，并開發了多種熱反射涂料；隨后，長安大學[19-22]開發了多種適用于高海拔路面的熱反射涂料，并對涂料的抗壓性能進行了深入研究；重慶交通大學[23-26]以不飽和聚酯、丙烯酸和環氧樹脂等為基料，開發了多種路面熱反射涂料，并對其耐候性能進行了大量研究，發現所有涂料的耐沾污性能較差，一旦涂層被灰塵、油漬和碎屑等污染，其降溫性能就大幅下降；同濟大學[27-28]通過研究不同填料對不同波段太陽光的反射率，著重研究了熱反射涂料的降溫性能。國內外對瀝青路面熱反射涂料雖已有大量研究，但還存在一些問題，如涂層的耐磨、耐沾污和耐候性能等。

鑒于此，作者對瀝青路面熱反射涂料的降溫機理、組成及路用性能(降溫性能、粘接性能及抗滑性能)進行綜述，并提出熱反射涂料在瀝青路面應用存在的問題和解決措施，以期為瀝青路面熱反射涂料性能的提高和更廣泛的應用提供幫助。

1 熱反射涂料的降溫機理

太陽輻射的波段主要分布在0.2～4.0 μm，其中0.2～0.4 μm為紫外光，占輻射總能量的5%，紫外光穿透能力強，能夠被反射的能量不足1%；0.4～0.76 μm為可見光，占輻射總能量的50%；0.76～2.5 μm為紅外光，占輻射總能量的43%，紅外光輻射至物體表面后轉化成熱量的速度是最快的；2.5～4.0 μm為黑體輻射波段，其占比較小，因此研究較少。太陽輻射強度分布如圖1所示。

圖1 太陽輻射強度分布Fig.1 Distribution of solar radiation intensity

熱反射涂料主要是對可見光區和紅外光區輻射進行反射。太陽輻射照射至物體表面會產生2種光學現象(反射和折射)和3種能量轉換(反射、透過和吸收)。假設能量為1的太陽輻射照射至物體，其中透過物體的能量占總能量的比例稱為透過率，被反射的能量所占比例稱為反射率，而被吸收的能量所占比例稱為吸收率，根據能量守恒定律，三者之和為1。由于熱反射涂料是完全不透明的涂層，故透過率為零，入射涂層表面的能量只能被反射和被吸收，因此，要降低物體表面的溫度，熱反射涂料必須具有高的反射率和低的吸收率，這樣可以將占太陽總輻射能量95%的可見光區(0.4～0.76 μm)和紅外光區(0.76～2.5 μm)的輻射以同樣的波長反射出去，從而不被瀝青路面吸收，實現降溫。但是熱反射涂料的反射率不可能達到1，仍會有部分太陽輻射被涂層吸收，吸收的能量會以熱傳遞的方式傳遞至瀝青路面，并向外界產生熱輻射。

根據大氣對紅外輻射的吸收特性，更為理想的路用熱反射涂料是能將吸收的能量以8～14 μm波長的能量反射出去，這個波段的能量被大氣吸收少，可以更好地實現瀝青路面持續降溫，緩解“城市熱島效應”。如以二氧化鈦和二氧化硅為填料的熱反射涂料，當太陽光照射到涂層表面時，大部分能量被涂層反射出去，只有少部分是被吸收的，這樣涂層表面吸收的能量就大大下降，表面溫度也會相應下降，如圖2所示。

圖2 熱反射涂料的降溫機理Fig.2 Cooling principle of heat-reflective coating

2 熱反射涂料的組成

熱反射涂料主要由成膜物質、填料、助劑組成。根據其組成成分的不同，分為單組分溶劑揮發成膜與多組分反應成膜。

2.1 成膜物質

熱反射涂料的成膜物質一般為樹脂，但樹脂的品種很多，表現出來的性能也有所不同，一般選擇透明度高(≥80%)、對太陽能的吸收率低[29]的樹脂作為成膜物質。不同樹脂的折光率相差不大，一般在1.4～1.6之間，瀝青在1.6～1.7之間。

2.1.1 聚氨酯樹脂

聚氨酯樹脂主要以異氰酸酯和聚醚、聚酯反應得到。異氰酸酯含有高度缺電子的不飽和基團，能夠與帶有活潑氫的羥基、胺基等反應，將其氫原子剝離并進行重排，生成具有重復單元的氨基甲酸酯結構。由于氨基甲酸酯結構為剛性鏈段，聚醚、聚酯鏈段為柔性鏈段，因此，聚氨酯樹脂表現出良好的柔韌性能；加之，聚氨酯樹脂合成單體多，配方調整空間大；可以與丙烯酸、環氧、有機硅和有機氟單體進行改性，性能調試空間大；被廣泛應用于建筑、家具、化工儲罐、船舶等領域。但由于其生產成本昂貴，并未在道路中應用。

2.1.2 環氧樹脂

環氧樹脂根據其環氧值大小分為環氧E12、環氧E20、環氧E44、環氧E51等。環氧樹脂具有價格低、粘接性能優、強度高、使用范圍廣等特點。常用胺類物質或酸酐類物質對環氧樹脂進行固化，前者在室溫下就可固化，而后者需在高溫下固化。由于環氧樹脂結構中存在大量苯環、環氧基團，導致其耐老化性能差，尤其是抗紫外老化性能，因此，環氧樹脂不適用于西藏、昆明等紫外線照射較強的地區。李瑞嬌[30]使用油性環氧樹脂與熱反射填料制備了環氧熱反射涂料，將其涂布于瀝青混凝土試件上，發現與未涂布熱反射涂料的瀝青混凝土相比，溫度下降7.8 ℃，該熱反射涂料在重慶地區進行了應用。曹雪娟等[26]采用相反轉法制備了一種水性環氧樹脂乳液，用該乳液制得的熱反射涂料性能良好，摻入1%紫外線吸收劑UV-531與受阻胺光穩定劑GW-480的復合穩定劑后，水性環氧樹脂的耐老化性能顯著改善。

2.1.3 丙烯酸樹脂

丙烯酸樹脂是一個大家族，包括氟丙樹脂、醋丙樹脂、叔丙樹脂、純丙樹脂、硅丙樹脂、苯丙樹脂等，應根據所需要涂料的性能選擇合適的丙烯酸樹脂。廣島道路株式會社、日本油漆公司和日本LINER公司聯合開發了分別用于行車道和人行道的油性丙烯酸熱反射涂料和水性丙烯酸熱反射涂料[5]。Nemoto等[31]發明的一種路用丙烯酸樹脂熱反射涂料具有固化快、降溫效果好等優點，涂料顏色有黑色和灰色兩種，能使瀝青路面溫度分別降低10 ℃和17 ℃ 。

2.1.4 復合樹脂

單一樹脂性能有限，如聚氨酯樹脂性能可根據使用條件進行調控，但與路面的粘接性能略差；丙烯酸樹脂價格低，但氣味極重，大面積施工時揮發性有機物(VOC)釋放量較高，并且其玻璃化轉變溫度較低，材料損耗因子高，耐磨性差；環氧樹脂與路面具有較好的粘接性能、耐磨性能，然而材料耐紫外老化性能差，容易產生大面積脫落。而復合樹脂可將單一樹脂的優勢進行互補，明顯改善性能。李少香[32]采用連續種子乳液聚合技術合成了水性環氧-丙烯酸酯雜化乳液，具有吸水率低、耐鹽水性佳、附著力強、柔韌性好的特點；曹雪娟[23]在不飽和樹脂中加入甲基丙烯酸甲酯(MMA)和丙烯酸丁酯(BA)進行改性，改善了其耐候性能，涂料不僅具有良好的降溫性能還能滿足路用要求；羅婷倚等[33]以甲基丙烯酸十二氟庚酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯為主要原料，采用預乳液-種子乳液聚合技術合成了核殼型含氟丙烯酸酯乳液，不僅具有良好的疏水性能，而且提高了乳膠膜的耐沾污性能。

2.2 填料

熱反射涂料的填料包括著色功能顏料和反射功能填料。著色功能顏料改變涂料顏色，使道路更加美觀，在交通樞紐、長下坡、收費站等特殊路段可以起到警示作用；反射功能填料決定了路面熱反射涂料的冷卻性能，填料的折光率越大，對光線的反射率越高、吸收率越低，涂料的冷卻性能就越好。研究發現，熱反射涂料的填料粒徑也會影響反射波長，因此在選擇填料時應進行實驗驗證。常見填料的折光率列于表1。

表1 常見填料的折光率

近年來，多重降溫功能填料成為研究熱點，如輻射降溫填料、隔熱降溫填料等。中空玻璃微珠由于具有質輕、隔音、隔熱等特點，經常與反射功能填料共同使用制備熱反射涂料；二氧化鈦作為一種高折光率物質也常應用于涂料中。董晶亮等[34]對粒徑為0.05 mm的中空玻璃微珠的表面進行了特殊處理，使其表現出更高的折光率，兼具反射與隔熱的功能；于獻等[35]研制了一種經偶聯劑KH570改性的高折光率鈦白粉，以其制備的熱反射涂料具有較好的機械性能和反射作用；薛來齊等[36]制備了一種球形二氧化鈦粉體材料，其對0.4～2.5 μm波長的光具有較高的反射率；張靜[37]以中空玻璃微珠和金紅石型二氧化鈦為填料、硅丙乳液為基料制備了具有良好冷卻性能的路面熱反射涂料。

2.3 助劑

熱反射涂料中的助劑用量雖然很少，僅占百分之幾，卻能明顯改善涂料的使用性能，提高熱反射涂料的路用性能。油性熱反射涂料和水性熱反射涂料中的助劑種類與用量均有所差異：油性熱反射涂料主要使用消泡劑、分散劑和降黏劑等調節涂料使用性能；水性熱反射涂料與瀝青路面存在較大的表面張力差，使用時還需考慮因界面產生的涂層缺陷，因此使用助劑種類較多，如成膜助劑、消泡劑、分散劑、增稠劑、防沉劑、濕潤劑和流平劑等，助劑用量也較多。

3 熱反射涂料的路用性能

將熱反射涂料應用于瀝青路面，涂料需要滿足路面材料的相關使用性能要求，例如降溫、粘接、抗滑等性能。

3.1 降溫性能

研究瀝青路面熱反射涂料的降溫性能一般分為室內模擬實驗和室外試驗兩種，主要通過比較涂布與未涂布熱反射涂料的試件內部溫度差來評價降溫性能。目前，我國還沒有路面熱反射涂料降溫性能測試的相關規范及指南，降溫性能測試設備也不盡相同，一些高校開發的降溫測試設備的測試條件及測試方式均有所不同，制備的熱反射涂料在材料及用量方面也具有較大差異。表2為重慶交通大學研制的3種熱反射涂料的降溫性能。

表2 不同熱反射涂料的降溫性能

由表2可知，在填料相同的情況下，不同樹脂制得的熱反射涂料的降溫值相差并不大，但室外試驗的降溫值均低于室內模擬實驗的。可能是由于，在室外測試時，試件升溫速率較慢，導致熱量傳遞充分；而室內測試一般為1～2 h，升溫速率快，熱量傳遞慢，導致溫差較大。上述3種熱反射涂料的室外降溫值均可達到7.5～7.8 ℃，將其應用于實際路面能夠起到路面降溫的作用。

3.2 粘接性能

車輛在行駛過程中會對瀝青路面產生一個向后的摩擦力、一個向下的壓力，摩擦力和壓力會產生一個向下的復合力，損壞熱反射涂料。目前，普遍采用拉拔儀測試熱反射涂料與瀝青路面的粘接強度來表征熱反射涂料的粘接性能。表3為重慶交通大學研制的3種熱反射涂料的粘接性能。

表3 不同熱反射涂料的粘接性能

熱反射涂料涂布在新修瀝青路面表面后，其表面涂層結構為涂料-瀝青-基底。從表3可知，3種熱反射涂料的粘接強度均較低，且拉拔過程中均屬于粘附破壞(圖3)，而瀝青與基底間的剪切強度僅為0.156 MPa(25 ℃)，說明瀝青與基底間的粘接強度也不大。

圖3 油性環氧熱反射涂料拉拔測試破壞界面Fig.3 Failure interface of oil-based epoxy heat-reflective coating in drawing test

3.3 抗滑性能

瀝青路面原本具有良好的抗滑性能，在涂布熱反射涂料后會改變原有的路表紋理并減小表面構造深度，降低了瀝青路面的抗滑穩定性。因此，通常在涂料中增加一層防滑顆粒，使熱反射涂料具有較好的構造深度，以滿足路面使用要求。防滑顆粒的種類較多，其粒徑和用量是影響涂料使用的最主要因素。

4 展望

熱反射涂料是一種新型的節能材料，能夠有效降低物體吸收的熱量，減少高溫帶來的危害，對緩解“城市熱島效應”具有至關重要的作用。但在應用過程中還存在著一些問題，如熱反射涂料的施工、使用壽命、效率、多功能化[38-40]等。

(1)目前大多數熱反射涂料為溶劑型，在使用過程中存在有機溶劑易揮發的問題，不僅會污染環境還會對人體健康造成危害。盡管研制了環保型的水性涂料，但與溶劑型涂料相比，水性涂料的一些性質有待改進。因此，熱反射涂料的發展方向應是水性化或無溶劑化。

(2)溶劑型熱反射涂料和水性熱反射涂料的耐久性均不理想。在長期的太陽光照射下，樹脂會老化，顏填料會從中剝離，最終導致涂層被破壞。因此，延長熱反射涂料的使用壽命，提高其耐候性能也是今后的研究方向。

(3)在使用過程中，空氣中的粉塵會使涂層表面變臟，涂層受到沾污后其熱反射性能會受到影響。目前已有熱反射涂料受污后性能下降的研究，但還需要進一步的研究。有關超疏水表面和超親水表面的研究還不夠深入，將其運用到涂料上的技術也有待研究。

(4)目前對瀝青路面熱反射涂料的評價方法并不統一，主要由于評價方法和手段主要根據自制測試設備建立，未廣泛應用。因此，推進其測試方法與評價標準規范的建立，是目前亟需解決的問題。