強輻射高原區建筑防護涂層反射性能研究

張偉超,張磊,王磊,董自運,古松

（1.中鐵建工集團有限公司，北京 100160；2.中鐵建工集團北方工程有限公司，天津 300450；3.西南科技大學土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621000）

0 引言

西藏地區屬于我國高原高海拔地區，該地區空氣稀薄，云層稀少，紫外線強輻射為該地區典型氣候特點，因此該地區建筑結構在長時間太陽強輻照下的隔熱保溫需求，一直是困擾高原建筑節能發展的關鍵問題。長期以來，建筑結構，尤其是鋼結構涂裝在應對強太陽輻照方面的技術短板，對高原地區建筑結構節能減排與綠色建筑政策的貫徹實施帶來了嚴峻考驗，同時還增加了綠色施工技術在高原地區的發展推廣難度，據統計[1-3]，西藏地區人均每年因強輻照造成的建筑能耗約為全國平均水平的7.8 倍。因此，高原地區鋼結構隔熱保溫技術的成熟與發展迫在眉睫。

近年來，隨著西部大開發戰略的不斷深入，大量基礎設施在高原高海拔地區不斷營造，這些基礎設施絕大多數設置了寬幅大面積鋼屋面結構。太陽強輻照作用下，西藏地區基礎設施所擁有的大面積鋼屋面結構通常因熱工效率差和低太陽輻照反射率增加了大量建筑能耗。而對于高原地區，強輻照因素是導致建筑能耗增加的關鍵因素。文獻[4]通過調研，分析了青藏高原地區太陽輻照的年平均分布狀況，發現高原地區年平均輻照強度約為內陸平原地區的5～8 倍。文獻[5]則通過平流層氣候特征進一步說明了西藏地區強輻照效應的產生原因以及發展規律。文獻[6]利用大氣探測技術研究了大氣成分對高原地區輻照強度演化的影響，并給出了西藏各地區全年太陽輻照強度分布統計結果。太陽輻照作為建筑能耗變化的重要誘因，已成為當前建筑節能的重要調控因素。

鋼結構由于施工方便、工藝多樣以及成本優勢，被廣泛推廣于高原地區的大宗基礎設施工程領域。鋼屋面作為高原地區建筑結構重要的遮蔽構造，不但承擔防護雨雪風等自然因素，還兼備阻隔太陽輻照。而其隔熱保溫缺陷則恰恰成了遮蔽構造的建筑缺陷。為彌補鋼結構屋面強輻照條件下隔熱保溫短板，多種構造措施被開發并利用。其中表面涂裝方法因操作方法，利于施工，已成為改善強太陽輻照的有效反射效率的重要措施。建筑鋼屋面利用涂裝方法不但能夠實現對太陽輻射的有效反射，還可以避免厚重隔熱體系帶來的結構荷載，同時簡單的涂裝工藝還可顯著提高施工效率[7-8]。目前，用于建筑領域反射紫外線的涂裝材料較多，其中金屬涂料以廉價、優效等突出優勢，被大量應用于建筑結構的各個受輻射部位。因此不少學者開展了關于不同強度太陽輻射下金屬涂料的反射性能研究。文獻[1-3]及文獻[7]通過不同類型金屬顏料反射率比的對比分析，明確了添加鋁粉改性防輻射涂料反射性能的提升優勢。在此基礎上，文獻[3-6]將鋁粉添加含量作為控制參數，分析了其與涂層反射效率之間的關系。然而，對用于建筑工程低反射率涂層而言，外添金屬組劑形狀、尺寸以及分布形式均與其紅外發射率關系顯著，而太陽輻射熱效應絕大多數來源于紅外光譜射線，因此不同鋁粉的形狀、尺寸以及分布形式，也會引起其反射效率的明顯差異[9]。然而，目前針對鋁粉性狀（形狀、尺寸與分布形態）對涂層反射性能的影響的研究尚未見報道，但其恰恰與高原地區強太陽輻射下建筑節能關系密切[10-13]，因此亟需開展相關研究。

基于此，本文采用試驗手段，通過對比不同鋁粉粉末性狀參數下改性涂料的輻射試驗結果，分析各性狀參數與涂層反射率比之間的關系，提出一套適用于高原地區的反射太陽輻射涂料添加組劑設計參數，達到強太陽輻射下大型建筑結構屋面體系建筑物理節能的要求。

1 室內輻射加速實驗

1.1 試驗準備

為避免涂層基底材料反射紅外線引起實驗誤差，本次輻射實驗基底材料選用高透明亞克力板（紅外穿透系數0.98）。結構外表面涂裝反射涂料選用聚氨酯水溶性基料。金屬摻合料為鋁粉，其按照三類粉劑進行摻入。各類鋁粉性狀參數與設計添加量見表1。

表1 金屬鋁粉組劑性狀設計參數

實驗在工程材料振動與沖擊四川省重點實驗室進行，選用Devices&Services Company-AEl 型輻射率儀完成所有輻射試驗。該設備具有輻照頻幅寬，加載速度快，光敏調控精確等優點。考慮本文涉及涂層厚度均在0.5mm以內，輻照峰值需在3s內加載完成，輻照寬度選用常規紫外線。另外，為避免加載過程對試驗精度的影響，本次試驗光敏傳感器應在輻照加載穩定后讀取數據，即試驗開始3s 后讀取數據。最后，涂層反射效果采用UV-3600 型紫外可見光譜儀和HYPERION2000 紅外光譜儀共同完成。

1.2 試件制備及輻射實驗

試件表面涂裝反射涂層前，先稱取一定金屬粉末（按配方稱取），置于水溶性基料中，充分攪拌。再將混合溶液加入純丙彈溶劑（固含量65%，提高塑化時間），然后加入成膜劑，此時應注意成膜劑需在復合溶劑完全塑化前加入。

將完全塑化制備涂料均勻涂置亞力克板上表面，厚度控制為100（±5）μm，形成10cm×10cm 方形測試平面。最后將制備好的試樣統一置于養護箱內標準養護72h（T=25（±2）℃；HR=（50±5）%）。

待試樣樣化完畢后，放于黑色背景測試平臺上，測試光譜選用可見光及近紅外光，波長約為230～2 550nm。試驗測試如圖1 所示。

圖1 涂層薄膜反射率測試系統

為避免涂裝厚度離散引起的測量誤差，本次測量范圍均位于試件中部區域，且每個試件測量點個數為10 個，呈等間距隨機分布狀態。同時，考慮涂層在太陽輻照下的老化問題，正式輻照試驗開始前，所有試件需在實驗等同輻照環境進行預處理，每周取出進行輻照效果測試，當連續兩次輻照反射率偏差小于5%時，正式開始反射率測試。待單個試件所有測點測試完畢后，取平均值作為本試件輻照測量結果。

2 室內輻射加速實驗

太陽輻照能量作用于金屬屋面板后，其能量形式轉化為兩部分：吸收能與反射能。屋面板吸收部分太陽輻照能量后，引起自身與室內溫度升高；另一部分能量則經屋面板反射進入自然環境中。在總太陽輻照能量不變的前提下，增加反射能，降低吸收能可有效控制建筑結構室內溫度。本文利用涂裝溶劑添加鋁粉摻料來調控金屬屋面板對太陽輻照反射效率。

據前文所述，鋁粉摻入料性狀分為三類。通過對比涂料添加鋁粉各性狀參數下的涂層反射率變化，可直接確定強輻射改性涂料金屬組份設計參數。

2.1 粉末性狀對涂層反射率的影響

本文考慮鋁粉摻入料形狀含片狀與顆粒。片狀由于體表面積較大，很難在涂裝層中均勻分布，存在一定聚攏現象。而顆粒則能夠很好地懸浮分散于涂裝層構造中。兩種分散特征對其反射效率的影響十分顯著。

眾所周知，涂料反射水平通常采用其反射率來定量描述，可通過式（1）進行計算。

式（2）中，Ω 為光譜儀測量值cd/m2；S 為試樣表面積，單位cm2。

為分析金屬粉末尺寸與對應涂層反射效率的關系，本文對相同尺寸的不同形狀金屬粉末改性涂料的反射率進行對比，結果如圖2 所示。為避免摻入量對試驗結果的影響，此處金屬粉末兩類形狀的摻合量在同一條件下取等值。

圖2 不同形狀鋁粉下涂料反射率隨鋁粉尺寸的變化

由圖2 可以看出，相同含量條件下，片狀鋁粉對涂料反射率比的影響較顆粒狀顯著得多，隨著金屬粉末含量增加，試件涂裝反射率逐漸提高，但增加幅度逐漸減小。當金屬粉末含量達到17.8%時，兩種性狀鋁粉涂層反射率均達到穩定值。同時，隨著鋁粉摻入量的改變，兩類性狀摻料涂層造成的反射效果差異亦發生改變。當摻 入料含量較低時，兩類鋁粉摻料涂層反射率基本相同，但隨著摻入料含量增加，兩者偏差逐漸增大，當摻入料達到17.8%時，偏差達到峰值，隨后又逐漸減小。由此可見，涂裝摻入料應優先選用片狀鋁粉，其摻入量應控制在17.8%，以達到最優涂裝反射效果。

2.2 粉末尺寸對涂層反射率的影響

金屬粉末尺寸對改性涂層反射能力具有一定作用，但性能提升幅度有限。已有研究表明，金屬粉末尺寸不同，改性涂層反射效率也不同。因此，本文分析了最優摻入量條件下不同鋁粉尺寸涂層的反射率變化情況，如圖3 所示。

圖3 不同鋁粉尺寸條件下涂料反射率比變化曲線

根據流體力學基本理論，粉末尺寸越小，表面張力越大，其在溶液中內聚力亦越大，懸浮離散性越差。當金屬粉末在涂層構造中分散性不足時，其對輻照反射效率就越低。反之，當金屬粉末尺寸越大，其分散性則越好，但對涂層基體流質分散性亦越大。雖然金屬粉末分散狀態增加了涂層反射率，但涂層基體流質的分散行為則對其反射效果造成一定抑制作用。因此金屬粉末的尺寸水平應控制在一定范圍內才能確保涂層構造具有十分突出的輻照反射能力。

由圖3 可見，隨著片狀鋁粉尺寸增加，改性涂層反射率比逐漸增強。當鋁粉含量介于10～20μm 間時，涂層反射率增強速率迅速，但在含量較低與較高階段，反射率增強幅度隨鋁粉尺寸增加的速率十分有限。由此可見，對于同形狀鋁粉外加劑，當尺寸達到約20μm 時，強輻射條件下的涂層反射率比最高，即此尺寸水平為片狀鋁粉改性涂層的最優特征尺寸。

2.3 粉末形態分布對涂層反射率的影響

金屬外添加劑在結構涂裝施工時主要以兩種形態分布，表層涂刷和懸浮分布，且不同分布狀態對涂層的抗輻射能力與輻射反射效果影響很大。圖4 給出了采用不同鋁粉添加比例下改性涂層的輻照測試試驗結果。

圖4 不同鋁粉添加劑分布狀態下涂層反射率比變化曲線

由圖4 可以看出，隨著鋁粉含量的增加，其不同分布狀態下的涂層反射率均逐漸增強，且懸浮狀態的增強程度明顯高于表面涂刷狀態。另外，通過對比發現，不同分布狀態鋁粉涂層也存在最優含量，約為18.4%。

3 工程應用

根據前文研究結果，以西藏自治區醫院為依托，通過現場測試的方法，分析本文所優化配方的改性涂料在高原強輻射下的反射效果。在相同施工條件下，對比未進行涂料改性的涂層輻照測試結果，對探究高原地區強輻照條件下防輻射涂層改性效果具有十分顯著的工程意義，且研究結果具有突出的應用價值。

現場測試涂層采用片狀鋁粉，分別按照0%、16%、18%、20%和22%五個含量梯度均勻摻入水溶性涂料，利用上述方法制作試片，并養護。現場利用采用光譜儀對其反射效果進行測試，結果見圖5。

圖5 鋁粉改性涂層反射率現場試驗結果

由圖5 可見，含鋁粉涂層較未含鋁粉涂層的反射能力顯著增強，當含量達到18.9%時，兩者差異最為顯著，能夠很好地與室內實驗結果吻合。由此可見，本文所提涂層改性配方能較好地用于高原地區的太陽強輻射防護條件。

4 結論

為探究金屬顏料對防輻射涂層反射率的影響，本文分別對比了鋁粉形狀、尺寸以及含量等形狀參數與改性涂層反射率比之間的關系。并基于研究成果確定了適用于西藏地區強輻射下的大型金屬屋面反射涂層配方，研究成果可為該地區綠色建筑的進一步發展提供技術支持。主要研究成果如下：

（1）相同含量條件下，片狀鋁粉對涂料反射率比的影響較顆粒狀顯著得多。且當含量達到17.8%時，不同形狀鋁粉所引起涂層反射率的差異最大。

（2）隨著片狀鋁粉增加，改性涂層反射率比逐漸增強。對于同形狀鋁粉外加劑，當含量達到20%左右時，強輻射條件下的涂層反射率比最高，即此含量為片狀鋁粉改性涂層的最優配比。

（3）隨著鋁粉含量增加，其不同分布狀態下的涂層反射率均逐漸增強，且懸浮狀態的增強程度明顯高于表面涂刷狀態。