沥青路面功能梯度多层结构涂层的制备及性能研究

王 伟

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

沥青路面因其开放交通早、行车舒适、振动小、耐磨等优点，被广泛应用于二级及二级以上公路。但沥青路面在夏季高温季节容易出现车辙，随着城市热岛效应加剧，给道路养护及城市居住环境带来一定程度的影响，对此国内外道路学者对遮热涂层做了一系列研究。

曹雪娟[1]等人研制了一种新型遮热反射材料，对有无涂覆涂层的试片温差来进行比较。陈玉静[2]提出了一种新型适用于冰川冻土的反射涂层结构。冯德成[3]以路用性能及经济性能为出发点开发热反射涂层材料。国外[4]的一项专利介绍了深色反射涂层，该涂层一定程度上可降低路表温度及防眩光。

上述国内外研究成果对于缓解城市热岛效应意义重大，然而因其降温效果不突出，难以在实际中推广。因此，本文以铁铬黑为颜料，二氧化钛为反射型材料，中空玻璃微珠为功能型材料，研究材料类型及涂层结构对涂层降温性能的影响，并采用摆式摩擦仪评价涂层的路用性能，室内磨耗仪测试涂层的磨耗能力，研究成果对于解决夏季高温路面车辙问题及抑制城市温度过高具有重要意义。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

1.1.1 沥青混合料试件

试件沥青混合料级配为AC-13，级配见表1。室内模拟太阳光辐射试验的试件从标准车辙板上切成四等份，尺寸为150 mm×150 mm×50 mm；用于抗滑及耐磨试验的大型沥青混合料试件尺寸为500 mm×500 mm×80 mm。

表1 AC-13级配

1.1.2 不同结构层次的涂层制备

本文在参照文献及调研的基础上[5-10]，确定了涂层制作最佳的涂层用量为1 kg/m2。

1.1.2.1 单层制作方法

a）按初定的设计比例，在离子水中加入各类助剂（成膜助剂、分散剂、消泡剂、流平剂），恒温搅拌器以1 000 r/min的速度搅拌10 min。

b）加入二氧化钛、中空玻璃微珠及铁铬黑颜料，以1 000 r/min的速度搅拌15 min。

c）加入改性丙烯酸乳液，以相同速度搅拌15 min，最终得到反射涂层。

1.1.2.2 多层制作方法

a）先制备底层。（a）按初定的设计比例，在离子水中加入各类助剂，恒温搅拌器以1 000 r/min的速度搅拌10 min。（b）加入二氧化钛与中空玻璃微珠，恒温搅拌器以相同速度搅拌15 min。（c）加入改性丙烯酸乳液，以相同速度搅拌15 min。

b）制作表面层。（a）按初定的设计比例，在离子水中加入各类助剂，恒温搅拌器以1 000 r/min的速度搅拌10 min。（b）加入铁铬黑颜料，继续以1 000 r/min的速度搅拌15 min。（c）最后加入改性丙烯酸乳液，以相同速度搅拌15 min，得到表面层。

涂刷时，先在试件上涂刷二氧化钛及中空玻璃微珠制成的下面层，再涂刷铁铬黑颜料制成的上面层，形成下表面层降温，上表面层防眩光的整体效益。

1.2 试验方法

1.2.1 室内辐射试验

本文旨在通过室内试验模拟自然光对沥青路面的影响，探究自制涂层对沥青路面升温的抑制效果，采用500 W碘钨灯为模拟光源，照射时间为150 min，采用温度枪测其试件表面温度，装置见图1。

图1 室内模拟自然光试验装置

1.2.2 路用性能试验

利用摆值摩擦仪及室内磨损机分别探究涂层的抗滑及耐磨性能，以探究沥青路面遮热反射涂层是否满足沥青路面路用性能要求，测试装置见图2所示。

图2 路用性能试验相关仪器

2 试验结果分析

2.1 单层结构涂层降温性能分析

为进一步验证单层涂层中颜料掺量、二氧化钛、中空玻璃微珠掺量对试件降温效果的影响，采用控制变量法对其进行室内模拟降温试验。

2.1.1 铁铬黑掺量对涂层降温性能的影响

为进一步验证反射涂层中颜料掺量对涂层整体降温效果，在控制其他变量相同，设置5%、10%、15%三个铁铬黑的掺量梯度，并设置未掺加铁铬黑的对照组进行对照试验，以此进行不同铁铬黑掺量梯度的涂层降温效果分析，结果见图3。

图3 不同铁铬黑掺量下的涂层降温示意图

如图3所示，试件中颜料掺量与其整体降温效果呈正相关，当铁铬黑掺量从0%～5%时，平均每个时刻下，掺量为5%试件表层温度较对照组低2℃～3℃，涂层降温效果不是十分明显。其掺量进一步提升至10%，涂层降温效果提升明显，该组降温效果较前两组降低5℃～10℃。当铁铬黑浓度达到15%时，降温效果虽有提升，但是增大幅度不明显。综合考虑降温效果及经济性，铁铬黑浓度选定10%为宜。

2.1.2 反射型材料的掺量对涂层降温性能影响

为进一步探究试件中二氧化钛对其冷却效果的影响，配制了3%、8%、10%等3种浓度梯度的二氧化钛涂层，并设置未掺加二氧化钛的试件为对照组，以此进行不同浓度梯度的试件降温效果分析。不同掺量的二氧化钛试件降温效果见图4所示。

图4 不同二氧化钛掺量下的试件降温示意图

如图4所示，和图3结果相似，二氧化钛掺量的增加与涂层整体降温效果亦呈正相关。其中当二氧化钛掺量从0%～3%时，其降温效果不是十分显著，3%掺量的试件表面温度比对照组低2℃左右。当二氧化钛掺量继续升高至8%，其降温效率进一步提高，降温效果明显，降低温度可达5℃～8℃。当其掺量继续升高时，降温效率基本趋于一定值。表明，当二氧化钛的掺量超过8%以后，增加的二氧化钛的掺量不会显著提高涂层的冷却能力。综合考虑降温效果及经济性，二氧化钛掺量选定为8%。

2.1.3 中空玻璃微珠的掺量对涂层降温性能影响

为进一步研究玻璃微珠掺量对涂层冷却程度的作用，本文设置4个掺量的中空玻璃微珠，用量梯度为5%、10%、15%，并设置未掺加中空玻璃微珠的试件为对照组，并对该组涂层进行降温效果分析。不同掺量的中空玻璃微珠涂层降温效果见图5。

图5 不同中空玻璃微珠掺量下的涂层降温示意图

如图5所示，反射涂层试件降温效果良好随着反射涂层中中空玻璃微珠掺量的增加更显著。其中当其掺量从0%增加到5%时，试件降温效果一般，升温过程稍有起伏。但随着其掺量达到15%时，试件的降温效果虽有一定幅度上升但趋于稳定。这可能是由于随着中空微珠掺量的增加，导致其排列方式发生了改变，从而影响了试件的降温效果。综合降温效果及经济性，选择中空微珠的掺量为10%。

2.2 功能梯度多层结构降温性能分析

2.2.1 铁铬黑掺量对多层结构涂层降温性能的影响

为进一步验证本文开发的梯度多功能层中颜料掺量对复合式涂层整体降温效果，本文在参考文献的基础上，设置5%、10%、15%铁铬黑的掺量梯度，并设置未掺加铁铬黑的试件为对照组，以此进行不同铁铬黑掺量梯度的复合式涂层降温效果分析，结果见图6。

图6 不同铁铬黑掺量下的复合式涂层降温示意图

如图6所示，复合式涂层其试件降温效果和铁铬黑掺量亦呈正相关，各时刻下试件温度均比单层涂层温度低1℃～2℃。颜料掺量为5%时，试件降温效果较良好，且随着颜料掺量的提升，试件降温性能虽有一定程度的提高，但变化幅度不大。这与单涂层中最佳颜料掺量略有不同，笔者认为复合式涂层中，颜料与各功能型填料分开拌制，能各自充分发挥作用，不会相互干扰，颗粒分布均匀，能最大程度上冷却路面结构。考虑降温效果及经济性，选择掺量为5%的铁铬黑颜料配制复合式涂层。

2.2.2 二氧化钛掺量对多层结构涂层降温性能的影响

为进一步验证本文开发的复合式涂层中二氧化钛掺量的降温效果，本文在参考文献的基础上，配制了3%、8%、10%掺量梯度的二氧化钛涂层，并设置未掺加二氧化钛的试件为对照组，以此进行降温效果分析，降温效果分析见图7。

图7 不同二氧化钛掺量下的复合式涂层降温示意图

如图7所示，随着二氧化钛掺量的提升，试件的降温效果逐步明显，变化趋势大体与相同掺量下的二氧化钛单涂层温度变化趋势相同。对于复合式涂层来说，二氧化钛掺量为8%时，涂层降温效果最好。

2.2.3 中空玻璃微珠的掺量对多层结构涂层降温性能的影响

为进一步研究玻璃微珠掺量对功能梯度多结构层涂层冷却程度的作用，本文设置4个掺量的中空玻璃微珠，用量梯度为5%、10%、15%，并设置未掺加中空玻璃微珠的试件为对照组，对其进行降温效果分析，结果见图8。

图8 不同中空玻璃微珠掺量下的复合式涂层降温示意图

如图8所示，在一定范围内，中空玻璃微珠的掺量与梯度多层涂层降温效果呈正相关。此处复合式涂层降温效果与单层涂层有一定不同，观察发现，在各温度下，多层结构的涂层降温效果均比单层结构效果好，其平均温度比单涂层温度低2℃～3℃。且中空玻璃微珠掺量为10%时效果最适宜，虽随着其掺量提升，试件降温效果会有一定程度的起伏，但是变化程度不大。综合经济性及降温效果，复合式涂层中中空玻璃微珠掺量为10%适宜。

3 涂层路用性能分析

3.1 单层结构涂层路用性能分析

为进一步探究所制成试件的抗滑性能，选取4种陶瓷颗粒撒布量（0 kg/m2、0.5 kg/m2、1 kg/m2、1.5 kg/m2）在常温下测试试件的抗滑性。控制其他因素相同，每个陶瓷颗粒撒布量下制作3个平行试件，对其测试抗滑性能，取平均值作为摆锤值，结果显示见图9。为进一步探究涂层的耐磨性能，用室内磨损机对试件进行评估探究，试件经过磨损2 h后，计算其磨损前后质量的损失来评价涂层的耐磨性能。具体试验结果亦见图9所示。

图9 不同陶瓷撒布量下的单层涂层摆值及磨损率

3.1.1 抗滑性能分析

由图9可知，路表有涂层的试件，其摆值下降较为明显。当陶瓷颗粒为0～0.5 kg/m2，其试件表面摆值有一定程度增大，但增加效果不是十分明显，当撒布陶瓷颗粒继续进一步增加至1 kg/m2，其试件路表摆值显著提高，但当撒布量继续增加时，其试件表面摆值反而减小。原因是陶瓷撒布量较大时可能会填补一些试件原有的孔隙等，导致路表构造深度降低。综上考虑路面的路用性及经济性，陶瓷撒布量为1 kg/m2较适宜。

3.1.2 耐磨性能分析

如图9所示，所制备的涂层的耐磨性能随着陶瓷颗粒的增加呈现先降低后增加的趋势。陶瓷用量从0 kg/m2升高至0.5 kg/m2，其试件磨损率增加，当用量到1 kg/m2，其试件磨损程度加剧，试件整体损失率为1.6%，试件整体的耐磨性能仍较好，符合我国规范标准。

3.2 功能梯度多层结构涂层路用分析

为进一步探究所制的功能梯度多层结构抗滑性能及耐磨性能，选取4种陶瓷颗粒撒布量（0 kg/m2、0.5 kg/m2、1 kg/m2、1.5 kg/m2）在常温下测试试件的抗滑性、耐磨性，制作及试验流程同上述单层结构。具体试件摆值及质量磨损率见图10。

由图10可知，双层结构涂层的摆值及试件磨损率的变化趋势与单涂层变化大体相同，但可以发现复合式涂层，其摆值及耐磨性能均有一定程度的下降。当陶瓷撒布量为1 kg/m2时，单涂层的摆值及质量损失率分别为70 BPN、1.6%。梯度复合式涂层的摆值与质量损失率分别为64 BPN、1.76%。对比可以发现，梯度多层结构涂层，其路用性能下降了一定幅度，但仍满足设计使用要求。

图10 不同陶瓷撒布量下的复合式涂层摆值及磨损率

4 结论

a）本文所研制的梯度多层结构涂层制备工艺简单，相较于单层涂层结构并无繁琐的制作流程，涂层中铁铬黑、二氧化钛、中空玻璃微珠掺量分别为5%、8%、10%时，梯度多层结构涂层试件降温效果最好。

b）本文研制的梯度多层结构涂层试件降温效果良好，比单层涂层结构试件温度低2℃～3℃，且其抗滑性能及耐磨性能仍满足设计使用要求，研究结果对于冷却夏季高温天气沥青路面有积极的意义。