沥青路面热反射涂层温度试验研究

范永根， 邱文静， 朱春东， 顾兴宇， 梁晓龙

(1.浙江省嘉兴市公路管理局， 浙江 嘉兴 314000； 2.浙江省公路与运输管理中心， 浙江 杭州 310009；3.东南大学，江苏 南京 211189)

0 引言

近年来沥青路面在我国公路与城市道路建设中大量应用，但沥青路面特有的黑色表面具有高吸热性，夏季高温时，沥青路面路表温度达60℃以上[1]。一方面高温车辙病害影响行车舒适性与安全性；另一方面城市道路的高温容易导致行人和居民产生热焦灼等身体、心理不适，同时加剧了城市的“热岛效应”[2]。

国内外研究人员针对沥青路面高温危害开展了相关研究，并提出了相应的防治技术措施，以降低路面温度[3-4]。现称为“冷路面”的路面降温措施包括使用彩色薄层沥青混凝土、相变材料、多孔沥青混凝土和路面太阳能采集器等。多孔沥青混凝土通过孔隙内水分蒸发降低沥青路面温度，但多孔沥青混合料的飞散和耐久性问题还有待解决[5]；在沥青混凝土内加入相变材料可以改变沥青路面的热物理特性，提高路面导热率和比热容从而降低路面的最高温度，但同时会提高夜间的平均温度[6]。路面太阳能采集器就是在路面埋设液体导热管道，转移路面能量，不仅增加了沥青路面施工的复杂性，还导致路面压实不足，容易发生车辙现象[7]。

热反射涂层作为一种能够有效反射太阳光的涂层材料，广泛应用于建筑物、储油罐、船舶、飞行器甲板等[8]。日本研究人员首次将热反射涂层应用于路面降温，并开展了大量研究，现已广泛应用于日本的人行道和停车场等地[9]。

本文研发了一种新型沥青路面热反射涂层，通过在涂层中添加云母粉，提高涂层的热辐射能力。针对现有涂层室内试验方法存在的缺陷，提出了一种改进的室内试验方法。使用此试验方法测试热反射涂层的降温效果，结合有限元模拟，验证试验方法的有效性。同时，通过在浙江金华修建的一条试验路，测试了热反射涂层的室外降温效果。

1 室内降温试验

1.1 降温机理

太阳光中有55%的能量以红外线形式释放出去，剩余约40%为可见光和其他不可见光。如图1所示，热反射涂层中的反射填料可以将大部分的红外线光区(0.76～2.5μm)和部分可见光区(0.4～0.76μm)的辐射以同样的波长反射出去，使其不被路面吸收，实现降温；同时将部分吸收的能量以特定的波长辐射至外部环境而不被空气所吸收，达到降低路面和环境温度的效果。

图1 热反射涂层降温机理

1.2 涂层材料

如表1所示，本文研发的热反射涂层主要由粘结剂、高反射填料、颜填料、热辐射填料和其他添加剂组成。

表1 热反射涂层材料组成粘结剂填料和颜填料热辐射填料其他添加剂硅丙乳液TiO2,Fe2O3云母粉消泡剂/分散剂/成膜助剂,空心玻璃微珠/增稠剂

热反射涂层中，硅丙乳液是主要的粘结剂，二氧化钛作为核心热反射填料，具有极高的反射率。与普通热反射涂料不同，此涂层中加入了云母粉，可以提高沥青路面的辐射率，增强路面向外部环境释放长波辐射的能力。空心玻璃微珠特有的空心孔隙结构，不但可以提高热反射涂层的隔热能力，还对太阳光线保持良好的反射能力。三氧化二铁作为主要的着色填料，也具有较高的反射率。一般情况下，涂料的颜色越接近白色，其反射能力越好。但是，由于道路运输的特殊性，白色涂料会弱化交通标线的可视性，引起“炫目”现象，影响交通安全。加入三氧化二铁使得路面涂层显现铁红色，既保持了路面良好的视觉效果，又能使涂料保持较高的反射率。

1.3 试件准备

传统的室内涂料试验采用车辙板表面涂覆反射涂料的方法来测试路面涂料的降温效果。此方法存在一定的局限性：车辙板的厚度只有5cm，不能反应沥青面层全厚度范围内的温度分布情况和降温效果；车辙板的侧面和底面的热力学边界条件是不受控制的，可能受到外界环境影响。

为了改进传统室内涂料车辙板试验的不足，本文考虑采用一种新的试验方法。本试验采用直径150mm、高度180mm的圆柱形试件,试件分为3层，分别是4cm的AC-13、6cm的AC-20和8cm的AC-25，混合料的油石比分别为5.5%、 5.0%和4.8%。此路面结构是浙江省高速公路的典型路面结构，各层沥青混合料的级配见表2。

3种沥青混合料成型之后首先切割至预定的高度，各层间通过乳化沥青粘结成整体。成型后，在试件不同高度处钻孔，钻空位置分别距表面2、5、8、11cm，并在孔径内埋设热电偶温度传感器，如图2所示。然后在试件侧面和底面涂覆1层厚1cm的ZS1型保温隔热材料，最后在试件侧面和底部包裹1层岩棉，如图3所示。这样做的目的是保证试件侧面和底部处于绝热状态，使热量只沿试件竖向传导。

表2 室内试验试件级配表混合料种类通过下列筛孔(mm)的百分率/%31.526.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075AC-13100.094.069.941.430.522.714.911.89.56.1AC-2010096.983.671.558.135.524.517.411.58.36.85.1AC-2510010098.784.072.664.556.338.028.418.611.49.67.0

图2 试件内传感器布置图

图3 试件准备及传感器埋设

1.4 试验过程

将试件分为2组，其中1组涂布热反射涂层，另1组作为对照组。室内试验开始时，将2组试件同时放置在功率500W的碘钨灯下加热5h，然后自然冷却降温3h。碘钨灯距离试件表面50cm，如图4所示。试验过程中，温度记录仪每隔10min记录并保存温度传感器的读数。

图4 室内试验示意图

2 室内试验有限元模拟

通过温度场有限元软件Comsol Multiphysics计算试件内的温度分布情况[10]。试件表面的反射及辐射特性均采用标准试验方法ASTM E903进行测试，测试结果见表3。沥青混合料的热物理特性见表4。

表3 试件表面反射与辐射特性参数材料反射率/%辐射率/%无涂层表面0.050.81热反射涂层表面0.270.93

表4 有限元计算沥青混合料热物理特性路面材料密度 /(kg·m-3)导热系数/ (W·m-1·℃-1)热容量/ (J·kg-1·℃-1)AC-132 1001.561 168AC-202 4001.25894AC-252 6001.16921

在有限元计算中，将碘钨灯简化为功率500W的热源。考虑到试验发生在室内，试件表面的边界条件为自然热对流，侧面和底面均为热绝缘边界条件，试件内部为自由热传导。试件初始温度场为实验室实测数据。

3 试验路测试

为验证热反射涂层的现场降温效果，在浙江金华一道路交叉口附近铺设了试验路。试验区域面积约50m2。试验路路面结构中沥青层材料结构与室内试验相同，基层为40cm的水泥稳定碎石，底基层为20cm的低剂量水泥稳定碎石。

4 试验结果分析

无涂层、有涂层试验室内试验与有限元模拟温度变化曲线分别见图5、图6。有、无涂层试件室内试验温度对比如图7所示。

图5 无涂层试件室内试验与有限元模拟的温度变化曲线

图6 有涂层试件室内试验与有限元模拟的温度变化曲线

图7 有、无涂层试件室内试验温度对比

由图5和图6可知，试件表面的温度曲线与有限元模拟结果几乎重合，但下层的温度曲线与有限元模拟结果存在一定的偏离。具体表现为：当实验室实测的下层材料温度开始下降时，有限元模拟的温度值仍在继续上升。这主要是因为有限元模拟与试件边界条件不完全相同,但有限元模拟结果与实验室的实测结果总体上具有较好的一致性。说明改进的室内试验方法是有效的，能够真实反映路面的温度变化。

由图7可知，相较于有涂层的试件，无涂层的试件温度上升速度较快，最终达到的最高温度也比较高，有涂层试件的最高表面温度比无涂层试件的最高表面温度低10℃；随着试件深度的增加，有、无涂层试件最大温差逐渐减小，路面2 cm处的最大温差为6℃，而11cm处的最大温差仅有3.2℃。随试件深度的增加温度曲线存在一定的滞后现象，深度越大，材料达到最高温度需要的时间也越长。当撤去碘钨灯时，即使表面的温度开始下降，试件内部的温度仍在继续上升。

图8为试验路现场2 d的跟踪实测数据。由图可知，有涂层路面日间的最高温度为52℃，比普通沥青混凝土路面降低了8℃。降温效果明显，说明热反射涂层有助于缓解城市热岛效应。

图8 试验路有、无涂层路面实测温度对比

5 结论

结合室内试验、有限元模拟以及试验路现场实测的路面温度数据，可以得到如下3点结论：

1) 相比原有的室内涂料试验方法，改进后的室内试验方法严格限制了试件的侧面和底部边界条件，能够更合理地反映路面深度方向上真实的温度分布状况。

2) 室内试验与有限元模拟和现场试验路实测的温度变化均有较好的一致性，表明改进后的室内试验方法可以有效评价热反射涂层的降温效果。

3) 本文提出的热反射涂层降温效果明显，有助于缓解城市热岛效应。