基于降溫功能的瀝青路面熱反射涂層性能分析

1、基于降溫功能的瀝青路面熱反射涂層性能分析       摘要：為改善瀝青路面夏季高溫穩(wěn)定性，緩解城市熱島效應(yīng)，將一種新型熱反射涂層涂布于瀝青路面表面，分析了熱反射涂層的工作原理，研發(fā)了熱反射型瀝青路面熱物理環(huán)境性能綜合測試設(shè)備，利用測試設(shè)備研究了不同顏色涂層對瀝青混合料的降溫效果，并利用擺式摩擦儀評價了不同厚度涂層的抗滑性能。分析結(jié)果表明：白色熱反射涂層降溫效果優(yōu)于灰色涂層，試件表面白色熱反射涂層室內(nèi)降溫極限可達，在試件內(nèi)部處可降低 ，灰色涂層表面可降低；熱反射涂層的降溫能力隨涂層厚度的增大而增大，但達到一定厚度后，降溫效果趨于恒定，綜

2、合考慮降溫效果與造價，熱反射涂層最佳用量為·；隨著涂層厚度的增大，表面抗滑性能降低，需要在涂層中添加抗滑顆粒，以滿足行車安全性要求。關(guān)鍵詞：道路工程；瀝青路面；路面溫度；熱反射涂層；車轍；熱島效應(yīng)瀝青路面熱反射涂層的工作原理應(yīng)用于瀝青路面的熱反射涂層是一層涂布于瀝青路面表面的功能性涂層材料，可改善瀝青路面的黑色特性，并通過反射太陽光達到減少面層中的蓄熱量，抑制路面溫度上升的效果。路用熱反射涂層的工作原理主要是隔絕瀝青材料直接接收太陽輻射，而通過涂層中的功能粒子將輻射反射或?qū)⑽盏臒崮茌椛涞酵獠靠臻g，從而降低路面表面及內(nèi)部溫度。由于大氣對太陽輻射的吸收作用，到達地面的太陽輻射波長多在，

3、能量主要集中在可見光區(qū)和近紅外光區(qū)，因而太陽熱反射涂料應(yīng)具備對可見光及近紅外光的高反射；由于吸收的輻射能量以長波的形式發(fā)射到外部空間，因而熱反射涂層應(yīng)滿足對遠(yuǎn)紅外光的高熱反射涂層工作原理。試驗材料與方法熱反射涂層材料的組成熱反射涂層材料主要由樹脂、顏填料和溶劑組成，其中要求樹脂的透明度高，透光率在以上，在設(shè)計樹脂時應(yīng)避免樹脂中含有、等基團。本試驗采用了改性雙酚型環(huán)氧樹脂作為結(jié)合料，金紅石型鈦白粉（）為顏填料的反射涂層。改性后的樹脂黏度低，有利于機械化的噴灑施工，金紅石型鈦白粉硬度高，化學(xué)穩(wěn)定性好，是性能優(yōu)異的顏填料。試驗基本步驟為根據(jù)事先擬定的試驗條件，調(diào)控溫度控制機使環(huán)境箱處于規(guī)定溫度，將試

4、件預(yù)處理后置于載物臺上，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動支架使載物臺轉(zhuǎn)動到預(yù)設(shè)角度，調(diào)節(jié)好光電傳感器，啟動電源總開關(guān)，日光模擬光源開始工作，開啟溫度傳感器開關(guān)，溫度傳感探頭開始工作，整個試驗過程開始。試驗過程中，視具體情況通過溫控調(diào)節(jié)按鈕和日光模擬光源強度控制按鈕，調(diào)節(jié)溫控機輸出溫度和輻射強度，可以模擬道路在不同季節(jié)里溫度、太陽輻射強度和輻射角變化，通過數(shù)字記錄顯示儀讀取測溫試驗數(shù)據(jù)。降溫性能研究瀝青路面溫度實測中國夏季炎熱，高溫持續(xù)時間長，尤其是北方內(nèi)陸地區(qū)夏季伏旱與城市的熱島效應(yīng)共同作用，加劇了瀝青路面高溫車轍等病害。日光模擬光源；環(huán)境箱；溫度傳感探頭；載物臺；數(shù)字記錄顯示儀；日光模擬光源強度控制按鈕；溫度傳感器

5、開關(guān)；溫控調(diào)節(jié)按鈕；電源總開關(guān)；轉(zhuǎn)動支架；溫度控制機；試件；光電傳感器圖自行研制的測試設(shè)備本文研究以西安市為例，西安市位于中國內(nèi)陸腹地，地處東經(jīng)°°和北緯°°之間，在的研究中，認(rèn)為瀝青路面表面溫度與空氣溫度之間關(guān)系為式中：為緯度。根據(jù)上述回歸模型計算出瀝青路面溫度高出氣溫范圍在，根據(jù)公路瀝青路面設(shè)等：基于降溫功能的瀝青路面熱反射涂層性能分析計規(guī)范（），西安最熱多年平均值為，保證率的最高氣溫為，路面溫度將達到。圖為實測的西安市繞城高速公路夏季日典型氣溫和路面溫度。實時溫度采集從圖可以看出，當(dāng)日的最高氣溫出現(xiàn)在：時，溫度為，路表的最高溫度更是達到，路面溫度與

6、氣溫最大相差超過，路面內(nèi)部溫度由于溫度梯度影響，峰值隨深度約向后延遲。在如此高的溫度下，由于瀝青材料本身的熱塑特性，高溫時易變軟產(chǎn)生塑性流動，加之交通渠化、車輛超限超載嚴(yán)重和交通量激增等因素，使夏季成為了瀝青路面產(chǎn)生車轍病害的高危時段。 3室內(nèi)降溫性能模擬試驗室內(nèi)降溫性能測試時，所成型試件采用的瀝青為級中海瀝青，集料為咸陽彬縣石灰?guī)r，技術(shù)指標(biāo)均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。降溫性能不同顏色的熱反射涂層反射降溫效果存在明顯差異，白色在 所有顏色中反射率 最高，幾乎達到，白色涂層降溫效果最優(yōu)。用日光模擬光源照射后，未涂刷涂層的對比試件溫度高達，而有白色涂層的試件僅為，兩者相差；在輻射初期對比試件就劇烈升溫，上

7、升了，而白色涂層試件在內(nèi)升溫平緩；試件下土層的溫度相差，并隨蓄熱的向下傳遞它們之間的溫度差將會進一步拉大。通過埋設(shè)在試件內(nèi)部的傳感器，可以清晰地檢測到在輻照結(jié)束時刻，試件內(nèi)部中心的溫度差為。下一時刻雖然不再接受輻照，但由于溫度梯度的滯后性，內(nèi)部蓄熱量依舊在增加，后溫度達到最高，此時兩者之間溫度差為。白色熱反射涂層理論上雖然降溫效果最好，但交通運輸工程學(xué)報年是卻極易引起道路眩光以及使得標(biāo)志標(biāo)線難以辨識，根據(jù)以往道路的實際使用經(jīng)驗，目前灰色為最適合的道路涂裝顏色。后續(xù)試驗采用了在鈦白粉中加入的某種黑色顏料，將反射涂層調(diào)制接近水泥路面的顏色。與白色涂層相比，灰色涂層在相同條件下的溫度上限為，降溫性能

8、降低了約 ，但與對比試件相比，其溫度依舊能降低，效果依舊明顯。3熱反射涂層厚度對降溫性能的影響路用熱反射涂層厚度越厚降溫效果越好，但到一定厚度后效果會趨于穩(wěn)定，并且勢必會增加工程造價，反之，涂層很薄又起不到預(yù)期的降溫效果。實際使用中如何在建設(shè)成本與降溫效果中找到一個平衡點是一個有待研究的現(xiàn)實問題。本試驗選取涂刷量依次為、·的三檔灰色涂層進行降溫測試，對比未涂刷試件的溫度，從中選取一個最佳的用量。試件表面升溫曲線見圖，試件內(nèi)部升溫曲線見圖。不同涂刷量對試件表面降溫均有顯著效果，與對比試件相比，輻照剛開始溫度就區(qū)別明顯，并隨時間溫差累積越大，輻照結(jié)束時最大溫差達到了；不同涂刷量對表面降溫

9、的區(qū)分度較小，相同時間節(jié)點內(nèi)溫差約為 ，其中·的效果最佳，表面降溫效果并非隨厚度增加而增強；不同涂刷量對試件內(nèi)部降溫均有明顯效果，與對比試件的溫差最大有 ，但區(qū)分度較表面溫度有所增大，·的效果稍次，、·的內(nèi)部降溫效果相差不大，綜合考慮降溫效果和造價兩方面因素，推薦選取的涂刷量為·。抗滑性能研究熱反射涂層抗滑性能的測試與評價瀝青路面原本具有良好的抗滑性能，在涂布熱反射涂層后會改變原有的路表紋理并減小表面構(gòu)造深度，此時，涂層的抗滑性能能否保證安全行車的需要是熱反射涂層得以在路面應(yīng)用的根本前提。中國現(xiàn)行公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程（）規(guī)定橫向力系數(shù)法、構(gòu)造深度測試

10、法和擺式儀法為瀝青路面抗滑性能的測試方法，抗滑性能對于高速、一級公路要求橫向力系數(shù)不小于，擺值不小于，構(gòu)造深度不小于 。基于降溫功能的瀝青路面熱反射涂層性能分析上述方法中，涂層會降低路表的構(gòu)造深度，顯然構(gòu)造深度測試法不適于測試熱反射涂層的抗滑性能。對于室內(nèi)試驗，由于試件尺寸較?。?#215;），橫向力系數(shù)法無法施用，因而本文采用擺式摩擦儀測試評價其抗滑性能。采用擺式摩擦儀分別對室內(nèi)涂刷不同厚度反射涂層的試件進行了測定，種工況對應(yīng)涂刷量分別為、·，測試結(jié)果見圖。擺值對比從圖中可以看出，涂刷量為·的試件擺值最高，為，涂刷量為、·的試件擺值基本相同，但均低于規(guī)范要求，其

11、主要原因是試件表面為溶劑型涂層，表面漆膜在有水膜的情況下抗滑性能較差，·的涂布量在試件表面成膜很薄，試件表面還有一定的構(gòu)造深度和集料表面紋理，所以高于其余種涂刷量的擺值。綜上，要擴大熱反射涂層的使用范圍，就必須通過技術(shù)措施改善其表面抗滑性能。熱反射涂層抗滑性能的改善防滑涂料中往往采用防滑顆粒來改善抗滑不足的問題，并且效果明顯，本文借鑒防滑涂料的成功經(jīng)驗，采用在熱反射涂料中添加防滑顆粒的方式來改善抗滑性能。目前常用的防滑粒料根據(jù)顆粒強度可以分為軟、硬兩類，第一類為合成有機材料（軟質(zhì)），包括各種高聚樹脂顆粒、聚乙烯、聚氯乙烯、天然橡膠顆粒等惰性高分子材料；第二類為無機物（硬質(zhì)），分為金剛

12、砂、玻璃珠、石英砂、云母、天然砂等，硬質(zhì)顆粒不僅能提高水濕態(tài)和油潤態(tài)下的摩擦阻力，也能顯著增加防滑涂料的干態(tài)摩擦因數(shù)。本次試驗采用粒徑為的石灰?guī)r作為防滑顆粒。首先涂刷一層熱反射涂料作為底漆，然后按·用量撒布防滑顆粒，待底漆與顆粒固結(jié)后再涂刷一層熱反射涂料裹覆顆粒，最后測定其擺值。防滑顆粒所用細(xì)集料性質(zhì)見表，試件擺值情況見圖。種不同厚度涂層添加防滑表防滑顆粒的性能指標(biāo)試驗項 試驗結(jié)果 技術(shù)要求 試驗方法石料壓碎值 洛杉磯磨耗值 堅固性 表觀相對密度實測含泥量 圖添加防滑顆粒后的試件擺值顆粒后擺值均有大幅度的提升，與未涂刷的普通瀝青混合料試件表面的抗滑擺值相當(dāng)。由此可見，撒布防滑顆粒后增

13、大了路面的構(gòu)造深度，涂層表面的抗滑性能完全滿足行車安全的要求。防滑顆粒對降溫效果的影響熱反射涂層添加防滑顆粒后是否會影響涂層的降溫效果是一個首要關(guān)心的問題，為此對撒布防滑顆粒的試件進行了室內(nèi)試驗，分別測試了對比試件、純凈涂層試件與添加防滑顆粒涂層試件的降溫效果。添加防滑顆粒的熱反射涂層降溫效果與未添加防滑顆粒的涂層效果相差無幾，接受輻射后，兩者溫度僅相差 ，而與對比試件相差達到了 以上，降溫效果依舊顯著。可見，添加防滑顆粒的熱反射涂層對降溫效果的影響可以忽略不計，并且添加防滑顆粒后可以減交通運輸工程學(xué)報年小涂層的光澤和亮度，配合灰色的涂層顏色可減少道路的光污染，極大提高行車的安全性。結(jié)語（）自主研發(fā)了熱反射型瀝青路面綜合測試裝置，測試了太陽熱反射涂層試件和對比試件的溫度值，結(jié)果表明涂層可以起到理想的降溫效果，白色涂層的表面降溫極限可達 ，在試件內(nèi)部處可降低，灰色涂層表面可降低。（）通過對比不同涂層厚度下試件的溫度值得出，反射涂層的降溫能力隨厚度的