沥青路面热反射涂料老化规律及其机理探讨

唐伯明，袁 颖，曹雪娟，田春玲,余 苗

(1.重庆交通大学 交通土建工程材料国家地方联合工程实验室，重庆 400074; 2.重庆交通大学 土木建筑学院，重庆 400074)



沥青路面热反射涂料老化规律及其机理探讨

唐伯明1,2，袁 颖2，曹雪娟2，田春玲2,余 苗1

(1.重庆交通大学 交通土建工程材料国家地方联合工程实验室，重庆 400074; 2.重庆交通大学 土木建筑学院，重庆 400074)

针对沥青路面热反射涂层在使用中出现老化并导致降温效果下降的问题，探讨了涂层的老化规律及老化机理。在对涂层进行为期一年的自然老化试验过程中，通过对其表面形貌的观察，以及红外光谱测试、反射率测试、降温效果测试，得出以下结论：太阳辐照量是引起涂层老化的重要因素之一；涂层在老化过程中形成了碳氧双键并发生了碳碳双键的断裂，其中碳氧双键所构成羰基官能团易吸收可见光和近红外光，引起涂层中树脂透光率的下降，从而导致涂层反射率的下降；反射率与降温效果具有一定的相关性，且均随老化时间的增加而下降。

道路工程；热反射涂料；太阳辐射；老化规律；反射率；降温值

0 引 言

沥青路面热反射涂料是针对沥青路面夏季易产生车辙病害及加剧城市热岛效应而研发的一种新型路面材料。日本自2002年开始在热反射涂料上进行了研究，并实施了少量实体工程[1]。

近年来，由于热反射涂料可有效降低沥青混凝土路面温度而受到国内学者关注。梁满杰[2]对沥青路面光热效应机理及热反射涂料的相关技术进行了研究，其研究表明只有大幅度的改变沥青路面表面的热吸收和辐射特性，才能有效的降低沥青路面表面的热平衡温度。冯德成，等[3]开发了以硅丙乳液作为基料，空心玻璃微珠作为功能填料的路用热反射涂料。徐永祥，等[4]对太阳热反射涂料基本原理、测试方法以及原材料对性能的影响进行了分析。曹雪娟，等[5]及黄文红，等[6]以不饱和聚酯为成膜物质，加入纳米TiO2、SiO2等功能性填料，制备了聚酯类热反射涂料，固化后的热反射涂料可称其为热反射涂层，该热反射涂层可有效降低路面温度达10 ℃左右。陈肃明，等[7]采用ANSYS CFX建模分析了热反射涂层路面、普通沥青路面、水泥路面的温度场，结果表明反射率越高，路面表面温度越低。

然而热反射涂层在使用过程中，受到应用环境中水、空气、污染物以及太阳辐射的综合作用，易发生老化并导致其降温效果下降。目前，对于涂料老化的研究较少，主要集中在改性复合涂料、卷材涂料及常用外墙涂料上[8-9]，通常采用典型环境自然曝晒老化及人工加速老化的方法[10-11]，对其老化性能进行评价。

针对沥青路面热反射涂层老化问题，笔者对不同老化时间下热反射涂层表面形貌、分子结构、反射率及降温效果等方面进行研究，并建立反射率与降温值的关系，探讨热反射涂料老化规律及老化机理。

1 老化实验

1.1 实验原料

研究对象为重庆交通大学研制的沥青路面热反射涂料，该涂料以不饱和聚酯树脂为成膜物质，纳米TiO2与SiO2为填料，过氧化甲乙酮(MEKPO)/环烷酸钴体系为固化体系，色调为酞青兰，其基本技术指标如表1。

表1 热反射涂料技术指标

1.2 实验方法

1.2.1 自然光化实验

选用AC-13级配成型数块150 mm×150 mm×50 mm的沥青混凝土测试板，在试件表面涂布热反射涂料，置于楼顶进行自然老化，每90 d对试件形貌进行观测。

1.2.2 红外分析

在自然老化过程中，每30 d对老化试件上的热反射涂层进行取样，采用Spectrum傅立叶变换红外光谱测试涂料在中红外区4 000～400 cm-1(2.5～25 μm)的红外光谱，分辨率为4，扫描次数为20。

1.2.3 降温效果测试

为了测试不同老化时间下热反射涂层的降温效果，每30 d进行沥青混凝土试件内部降温效果对比测试。将有热反射涂层的试件和无热反射涂层的试件分别放置于自制温度测试箱两侧，调节室内气温值23±2 ℃。碘钨灯距试件底部高度为30 cm，开启碘钨灯，测试并记录两块试件内部距离表面2 cm处的温度值。本实验采用自制热反射涂料温度测试箱，实验器材如图1。

图1 热反射涂层降温效果测试

1.2.4 反射率测试

反射率是物体表面的反射性质，其定义为物体表面的反射辐射值与总辐射值之比，反射率可用式(1)表示：

(1)

式中：αp为反射率；Lλ为反射辐射值，W/m2；Eλ为总辐射值，W/m2。

为分析热反射涂层的老化机理，在重庆交通大学某实验室楼顶涂布了一块2m×2m的试验段，在涂层自然老化过程中，以30d为周期，采用QTS-4全天数据采集仪进行涂层反射率测试。

2 实验结果分析

2.1 表面形貌分析

试件的自然老化时间为2012年9月至2013年8月，依次经历了秋、冬、春、夏4个季节。从图2中可以看出，由于涂层在自然界受到光热氧的作用，有机颜料分解，导致涂层在老化270d时有明显泛白现象；此外，随着夏季太阳辐照量增大，涂层中的树脂加速粉化变脆，导致涂层加速老化并出现开裂现象。这是由于紫外线的高能量会使大分子链发生断裂形成自由基，这些自由基又形成新的分子链，导致涂层中树脂的化学结构发生了改变并产生内应力，当内应力达到一定程度，涂层表面便出现裂纹。

图2 热反射涂层形貌

2.2 红外光谱测试及分析

热反射涂层在交联固化过程中会产生如下化学反应：

其中：X是网状结构的延续。

图3 热反射涂层的红外光谱分析

比较红外光谱图中的各个峰的峰位可以发现，老化前后产生的峰位基本一致，只是峰的吸收强度不同。为定量研究热反射涂层各官能团随老化时间的变化，现提出3个评价指标，分别为羰基指数(CI)、羟基指数(QI)及烯烃基指数(XI)，其计算式如下：

式中：A(C=O)为羰基吸收峰面积；A(-OH)为羟基吸收峰面积；A(C=C)为烯烃基吸收峰面积；A总为光谱总面积。

由计算结果可得，热反射涂层材料在老化过程中，生成了羟基和羰基，碳碳双键发生断裂。一方面，在光氧作用下，大分子烷基自由基与氧结合生成过氧自由基，之后过氧自由基夺取氢原子(分子间或分子内)生成氢过氧化物，氢过氧化物分解生成烷基自由基，后者发生断链生成大分子羧基自由基。同时，链增长过程中生成了醇类化合物；另一方面，热反射涂层在老化前以交联固化为主，分子中还含有未参与反应的烯烃，当老化90d后，交联固化完成，因此双键峰明显减弱。

2.3 反射率与降温值测试及综合分析

反射率是评价热反射涂层降温效果最重要的指标，它反映了热反射涂层反射太阳辐射的能力。采用QTS-4全天数据采集仪采集2012年9月至2013年8月每个季度的太阳反射辐射值和总辐射值。图4为太阳在不同季节一天中08:30—17:30时的平均辐射变化曲线。

图4 不同季节太阳辐射值

从图4可知不同季节一天中太阳辐射值变化趋势基本相同，近似呈正态分布，其中，秋、冬、春这3个季节太阳辐射值相差不大，最大辐射值为500 W/m2；夏季太阳总辐射值明显增加，最大值达到800 W/m2。一天中，10:00—16:00太阳辐射值相对较大，正午时达到峰值，是热反射涂层发挥降温作用的主要时间段。因此，将10:00—16:00作为热反射涂层反射率的重点分析时段。图5为不同季节下热反射涂层反射率在该时段的变化。

图5 不同季节一天中反射率变化趋势

由图5可以看出，一天中热反射涂层的反射率基本保持平稳，而夏季反射率明显低于其他3个季节，主要由于夏季太阳辐照量增加，导致热反射涂料加速老化，影响其反射率。

为探讨涂层反射率与降温值之间的关系， 2012年9月到2013年8月实验期间每30 d测试热反射涂层的反射率，测试结果取其平均值，太阳辐射值与反射率见表2。

表2 太阳辐射值与反射率

表2中的数据表明：反射率随时间呈递减趋势，其变化趋势如图6。

图6 反射率随时间变化趋势

从图6可知，2012年9月至2013年4月，热发射涂层反射率衰减速度缓慢，下降值为7.66%；2013年4月至8月，热反射涂层反射率衰减速度加快，下降值为15.51%，即经历夏季老化后的热反射涂层反射率值下降幅度是经历秋、冬、春这3个季节老化后的2倍。这是由于重庆位于中亚热带的四川盆地东部，属于典型的中亚热带季风气候，秋多阴雨，冬多云雾，日照时间相对较低。夏季累计的太阳辐照量占全年太阳总辐照量的40%左右。因此，结合实验数据可知太阳辐照量可引起热反射涂层老化，是影响涂层反射率的重要因素。

在相同照射条件下，通过对有、无热反射涂层的混凝土试件进行温度对比测试，热反射涂层在不同老化时间下的降温效果如图7。

图7 热反射涂层降温值随时间的变化

对一年中每月所测热反射涂层的反射率和降温值进行拟合，得到图8中的线性关系式：y=26.034x+0.200 2。拟合结果表明热反射涂层的反射率每下降0.1，其降温值约下降2.6 ℃。由热反射涂层的反射率与降温值的关系式可知：当热反射涂层反射率为23.91%时，理论降温值为6.4 ℃，与实际降温值相近。

图8 热反射涂层反射率与降温值关系拟合曲线

3 结 论

对沥青路面不饱和聚酯热反射涂层进行了一年的自然老化试验，分析实验结果得出如下结论：

1)涂层在老化过程中，有机颜料分解，内部分子结构变化并产生内应力，导致涂层表面出现泛白、开裂及剥落等现象。

2)红外光谱测试表明，随老化时间的延长，碳碳双键峰减弱，羟基峰及羰基峰增强，羰基作为吸能基团易吸收可见光和近红外光，引起不饱和聚酯树脂透光率下降，从而增加热反射涂层对太阳热的吸收率，使其降温效果降低。

3)夏季太阳辐照量增加会加快热反射涂层的老化，导致反射率下降。

4)对热反射涂层的降温值与反射率进行线性拟合，拟合结果表明，反射率每下降10%，降温值约下降2.6℃。

[1] 曹雪娟.沥青路面不饱和聚酯热反射涂料研制及性能评价[D].重庆:重庆交通大学,2011. Cao Xuejuan.Preparation and Performance Evaluation Of Unsaturated Polyester Heat-Reflective Coating for Asphalt Pavement[D].Chongqing:Chongqing Jiaotong University,2011.

[2] 梁满杰.沥青路面光热效应机理及热反射涂层技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2006. Liang Manjie.Asphalt Pavement Light Thermal Reaction Mechanism and Heat-Reflection Coating Engineering Research [D].Harbin:Harbin Institute of Technology,2006.

[3] 冯德成,张鑫.热反射涂层开发及路用性能观测研究[J].公路交通科技,2010,27 (10):17-20. Feng Decheng,Zhang Xin.Development of heat reflection coating and observation of its road performance[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development,2010,27 (10):17-20.

[4] 徐永祥,李运德,师华,等.太阳热反射隔热涂料研究进展[J].涂料工业,2010,40(1):70-73. Xu Yongxiang,Li Yunde,Shi Hua,et al.Present situation and progress of solar heat reflective thermal insulating coatings[J].Paint & Coatings Industry,2010,40(1):70-73.

[5] 曹雪娟,唐伯明,朱洪洲.降低沥青路面温度的热反射涂层性能研究[J].重庆交通大学学报:自然科学版,2010,29(3):391-393. Cao Xuejuan,Tang Boming,Zhu Hongzhou.Study on performance of heat-reflective coat of lowering asphalt pavement temperature[J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2010,29(3):391-393.

[6] 黄文红,王伟,刘军,等.太阳热反射涂层试验路铺筑及性能评价[J].重庆交通大学学报:自然科学版,2012,31(5):982-985. Huang Wenhong,Wang Wei,Liu Jun,et al.Construction and performance evaluation of solar heat-reflecting coating test road[J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2012,31(5):982-985.

[7] 陈肃明,黄文红,罗婷倚,等.热反射涂层路面温度场模型建立与分析[J].重庆交通大学学报:自然科学版,2012,31(1):44-47. Chen Suming,Huang Wenhong,Luo Tingyi,et al.Establishment and analysis of temperature field model of heat-reflective coating pavement[J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2012,31(1):44-47.

[8] 邵会菊,胡智,薛斌,等.氟树脂改性漆酚复合涂料的老化性能研究[J].化工新型材料,2010,38(4):156-159. Shao Huiju,Hu Zhi,Xue Bin,et al.Study on the anti-aging properties of urushiol/fluoro-siloxane resin[J].New Chemical Materials,2010,38(4):156-159.

[9] 王利群,吴奎录,冯春苗,等.卷材涂料老化性能的影响因素[J].涂料工业,2010,4(4):25-28. Wang Liqun,Wu Kuilu,Feng Chunmiao,et al.Factors influencing weather resistant performance of coil coatings[J].Paint & Coatings Industry,2010,4(4):25-28.

[10] 卢言利.有机涂层高原环境影响参数分析及老化机理研究[J].涂料工业,2012,42(4):12-16. Lu Yanli.Ageing mechanisms and influencing factors for organic coatings used in plateau environment[J].Paint & Coatings Industry,2012,42(4):12-16.

[11] 颜景莲.聚酯粉末涂料的老化[J].涂料工业,2008,38(2):58-60. Yan Jinglian.Weathering performance of polyester powder coating[J] Paint & Coatings Industry,2008,38(2):58-60.

Research on Ageing Process and Mechanism of Heat-Reflective Coating of Asphalt Pavement

Tang Boming1,2, Yuan Ying2, Cao Xuejuan2, Tian Chunling2, Yu Miao1

(1. National and Regional United Engineering Lab for Communications Construction Materials,Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China；2.School of Civil Engineering & Architecture,Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

The heat-reflective coating for asphalt pavement is subject to ageing processes which affect its cooling performance. The aging laws and mechanism of heat-reflective coating were surveyed. The methods used in the study are known as natural aging test, surface observation, FTIR , reflectivity measurement, cooling performance test. The results of the experiment indicate that one of the key factors on ageing is the quantity of solar irradiation. In addition, the heat-reflective coating aged with carbon-carbon double bond cleavage and carbon-oxygen double bond formation which can cause the reduction of reflectivity. Also, there are some correlation between reflectivity and cooling performance and both of them decreased with aging time.

road engineering; heat-reflective coating; solar radiation; ageing mechanism; reflectivity; cooling values

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.03.10

2014-01-07；

2014-04-18

交通运输部科技项目(20113188141300)；重庆交通大学交通土建工程材料国家地方联合工程实验室开放基金项目(LHSYS-2012-006)

唐伯明(1962—)，男，江苏东台人，教授，博士，博士生导师，主要从事道路工程及路面材料方面的研究。E-mail: tbm@netease.com。

U414

A

1674-0696(2015)03-047-05