沥青路面水性丙烯酸热反射涂层优化设计与路用性能

2021-12-15申爱琴郭寅川

硅酸盐通报 2021年11期

申爱琴，孔涛，郭寅川，钱谣，李鹏

(长安大学，特殊地区公路工程教育部重点实验室，西安 710064)

0 引言

沥青对太阳辐射的吸收率较高，使得路面温度大幅度升高，加剧城市热岛效应，以致出现严重的车辙病害[1]。传统的沥青路面车辙病害防治措施主要包括优化路面结构及改善材料性能等，但这些措施未能从根本上解决车辙病害的直接原因——路面高温，因此，亟须一种“主动”降温措施。目前降低沥青路面温度的“主动”措施是在路表涂布热反射涂层[2]。热反射涂层主要分为溶剂型和水溶性两类，与溶剂型涂层相比，水溶性涂层在研制及施工过程中无有机化合物(volatile organic compound, VOC)的排放，更符合绿色道路建设理念[3-5]。水性丙烯酸热反射涂层是一种新型水溶性涂层，因具有降温效果显著、耐久性高、安全环保以及成本低等优点而备受关注[6]。

国内外学者对水性丙烯酸热反射涂层开展了大量的研究。卢斌等[7]研究表明水性丙烯酸热反射涂层的透光率高达89%，具有良好的降温隔热效果。于国玲等[8]研究发现水性丙烯酸热反射涂层光泽度较高，抗老化性能较好。Cheng等[9]研究发现水性丙烯酸涂层可以显著降低路表温度，增强耐水性，提高抗车辙能力。Vlad Cristea等[10]认为水性丙烯酸涂层能大幅度降低夏季沥青路表温度，相容性较好，但未对其与路面的粘附性能及抗滑性能进行分析。Rahman等[11]研究表明水性丙烯酸涂层具有良好的韧性及降温性能，并对其配合比进行初步分析。胡向阳等[12]研究发现水性丙烯酸涂料无毒无害，储运方便，耐腐蚀性较好。在现有研究中，尚未进行水性丙烯酸热反射涂层的配合比优化设计，对水性丙烯酸热反射涂层室内外降温效果及其相关性的研究不够深入，缺乏基于降温功能的路用性能参数对比分析。

鉴于此，本文首先通过正交试验对水性丙烯酸热反射涂层的质量配合比进行优化设计，利用室内降温装置测试涂刷量和温度对降温效果的影响，测试涂层室外降温性能，使用数学软件分析室内外降温效果的相关性，采用摆式仪法评价涂层的抗滑性能，采用拉拔试验评价涂层的粘附性能。

1 实验

1.1 原材料

基料选用深圳市吉田化工有限公司生产的水性丙烯酸乳液，其主要技术指标如表1所示；功能填料选用金红石型钛白粉、石英粉、空心玻璃微珠；溶剂选用江苏沭阳希之梦商贸有限公司生产的去离子水；助剂选用山东绿源化工有限公司生产的成膜助剂、分散剂度、消泡剂及流平剂。沥青采用壳牌70#基质沥青，其主要技术指标如表2所示；集料选用浙江衢州矿建材有限公司所生产的粗集料、细集料及矿粉，其中粗集料规格为5～10 mm和10～15 mm,细集料为0～3 mm机制砂。

表1 水性丙烯酸乳液的主要技术指标Table 1 Main technical indicators of waterborne acrylic emulsion

表2 70#沥青的主要技术指标Table 2 Main technical indicators of 70# asphalt

1.2 样品制备

涂料制备：首先按照预定的配合比进行称料，然后将金红石型钛白粉及石英粉加入到水性丙烯酸乳液中混合，再添加成膜助剂、分散剂以及去离子水，利用集热式恒温加热磁力搅拌器进行高速剪切分散搅拌，高速搅拌速率为1 800 r/min，搅拌时间为15 min。最后添加空心玻璃微珠、消泡剂及流平剂，并保持低速剪切分散搅拌，低速搅拌速率为1 000 r/min，搅拌时间为20 min，制备过程如图1所示。此外，采用AC-13沥青混合料级配组成(见表3)，车辙板试件成型尺寸为30 cm×30 cm×5 cm。

表3 沥青混合料的级配组成Table 3 Aggregate gradation of asphalt mixture

图1 涂料制备过程Fig.1 Coating preparation process

图2 室内降温装置Fig.2 Indoor cooling device

1.3 试验方法

1.3.1 正交试验

采用四因素三水平的正交试验设计进行涂料配合比优化，配合比均为质量配合比(下同)。初步拟定水性丙烯酸乳液用量为100 g，选取水性丙烯酸乳液固含量分别为35%、40%、47%，金红石钛白粉掺量分别为10%、12%、14%，石英粉掺量分别为3%、5%、7%，空心玻璃微珠掺量分别为2%、3%、4%(以上均为质量分数，下同)，正交试验因素、水平选取如表4所示。参照《涂料粘度测定法》(GB/T 1723—93)，采用流出杯法测定粘度；参照《色漆和清漆不含金属颜料的色漆漆膜的20°、60°和85°镜面泽的测定》(GB/T 9754—2007)，采用60°角度测定光泽度，仪器为WGG60型光泽度计；采用自制的室内降温装置测定降温值(见图2)。

表4 水性丙烯酸热反射涂料正交试验因素、水平表Table 4 Orthogonal test factors and levels of waterborne acrylic heat reflective coating

1.3.2 降温试验

采用河南薪智机械有限公司生产的钻机，在试件内部2.5 cm处埋设温度传感器。在试件表面涂布不同厚度的涂料，将其放置在自制的室内降温装置中，启动电源，调节温度至60 ℃，将涂层试件放置在移动载物台上，开启光源，调控辐射强度，照射60 min，记录显示屏中的试验数据。将对比试件与涂层试件一同放置在太阳照射的室外，记录7:00—22:00间的温度变化。

1.3.3 抗滑性能试验

参照《公路路基路面现场测试规程》(JTG 3450—2019)中的摆式仪法来评价涂层的抗滑性能，测试不同厚度涂层的摆值，试验仪器为摆式摩擦仪。

1.3.4 粘附性能试验

采用拉拔试验法来评价涂层的粘附性能，其试验原理是通过测试涂层与沥青混合料表面层间的拉拔力，并将拉拔力按公式(1)换算成拉拔强度。在60 ℃下保温5 h后，采用拉拔测试仪分别对不同厚度涂层的试件进行测试。

(1)

式中：σ为拉拔强度，MPa；F为拉拔力，kN；S为拉拔面积，m2；D为拉拔直径，m。

2 结果与讨论

2.1 配合比优化

表5为水性丙烯酸热反射涂料正交试验结果。表6为涂料粘度、光泽度及降温值的正交分析。由表5和表6可知，石英粉质量掺量对粘度的影响最为显著，粘度随石英粉质量掺量的增加而增大，最优组合为A3B1C1D1。金红石型钛白粉质量掺量为光泽度和降温值的主要影响因素，其中光泽度随金红石型钛白粉质量掺量的增加而下降，对应的最优组合为A2B3C1D3；降温值随金红石型钛白粉质量掺量的增加而增大，这是因为金红石钛白粉的折光指数较高，其对光辐射具有较强的折射能力，对应的最优组合为A3B3C3D2。

表7为涂料配比中最佳因素、水平及决策表。由表7可知，水性丙烯酸乳液固含量为47%时，降温值与粘度达到最佳；金红石型钛白粉质量掺量为14%时，降温值与光泽度达到最佳；石英粉质量掺量为3%时，粘度与光泽度达到最佳。考虑到降温值为配合比设计的主要评价指标，因此涂料的最佳质量配比为：水性丙烯酸乳液固含量为47%，金红石型钛白粉质量掺量为14%，石英粉质量掺量为7%，空心玻璃微珠质量掺量为3%。

表5 水性丙烯酸热反射涂料正交试验结果Table 5 Orthogonal test results of waterborne acrylic heat reflective coating

表6 涂料粘度、光泽度及降温值的正交分析Table 6 Orthogonal analysis of coating viscosity, glossiness and cooling value

表7 涂料配比中最佳因素、水平及决策表Table 7 Best factors, levels and decision-making tables in coating ratio

2.2 降温性能

图3 涂刷量对降温效果的影响Fig.3 Coating dosage effect on cooling value

图3为涂刷量对降温效果的影响。由图3可知，不同厚度涂层均具有良好的降温功能，试件表面及内部2.5 cm处降温效果均随涂刷量的增加而增大。当涂刷量相同时，试件表面降温效果始终优于内部2.5 cm处降温效果。当涂刷量为0.2 kg/m2时，涂层对试件表面及内部的降温效果均较低，其降温值分别为3.1 ℃和6.1 ℃。这是因为涂层较薄，金红石型钛白粉含量少，折光能力不足，因而降温幅度较小。当涂刷量为1.0 kg/m2时，试件表面及内部2.5 cm处的降温幅度均到达峰值，分别为11.2 ℃和7.9 ℃，可认为1.0 kg/m2为最佳涂刷量。当涂刷量大于1.0 kg/m2时，涂层降温效果趋于平稳，主要原因是涂层厚度增加到一定程度时，降温填料金红石型钛白粉等分布率保持不变，折光效果较为稳定。

图4为温度对降温效果的影响。由图4可知，涂层试件表面温度始终小于对比试件表面温度，这表明涂层具有良好的降温效果。对比试件表面温度为40 ℃时，涂层降温幅度为5.8 ℃；当对比试件表面温度为70 ℃时，涂层降温幅度为10.4 ℃。对比试件表面温度由40 ℃上升到70 ℃，涂层对试件的降温效果提高了79.3%，由此可知，涂层的降温效果随温度的升高而增大。

图5为室外试件表面温度的变化曲线。由图5可知，与对比试件相比，涂层对试件具有良好的降温效果，且随温度的升高而增强。在14:30时，室外温度到达最高，此时涂层降温幅度达8.3 ℃。

图4 温度对降温效果的影响Fig.4 Temperature effect on cooling value

图5 室外试件表面温度的变化曲线Fig.5 Variation curve of surface temperature of outdoor specimen

2.3 降温效果的相关性

图6为室内涂层试件表面温度的关系。由图6可知，涂层试件与对比试件相关性极高，其相关系数R2为0.98，总体呈现涂层试件表面温度随对比试件表面温度的增大而增大的趋势。因此，可利用对比试件温度来分析涂层温度的变化趋势。

图7为室内降温值与室外降温值的关系。由图7可知，涂层室内降温效果与室外降温效果的相关性极高，其相关系数R2为0.99，呈正相关。这表明除热辐射以外的其他环境因素对涂层降温效果的影响极小。因此，在进行水性丙烯酸热反射涂层工程应用推广时，遇到恶劣天气等户外不利因素，可以采用室内降温试验来预测户外沥青路面降温效果。

图6 室内涂层试件表面温度的关系Fig.6 Relationship between the surface temperature of the coated specimen

图7 室内降温值与室外降温值的关系Fig.7 Relationship between indoor and outdoor cooling value

2.4 抗滑性能

图8 涂刷量对摆值的影响Fig.8 Effect of coating dosage on BPN

图8为涂刷量对摆值的影响。由图8可知，试件摆值随涂刷量的增加而减小，涂层会降低沥青路面的抗滑性能。分析原因是路表空隙被涂料填充，进而导致路面的构造深度降低；此外，涂层表面形成的致密涂膜会导致路面与轮胎间的摩擦力下降，因而抗滑性能下降。当涂刷量为0.2 kg/m2时，试件摆值BPN为48，仍符合路面抗滑标准BPN≥45的规定，主要原因是涂层厚度较薄，不能对路表空隙充分填充，对构造深度影响较小；涂层中的空心玻璃珠等功能填料也能一定程度提高涂层表面的摩擦阻力。当涂刷量超过0.2 kg/m2时，试件摆值随涂刷量的增加而下降，不符合路面抗滑标准中BPN≥45规定。

综上可知，在沥青路面涂布水性丙烯酸热反射涂层后，会在一定程度上降低原有路面的抗滑性能。抗滑性能是一项非常重要的路用评判指标，与行车安全紧密相关[13]。因此，为确保涂层具有足够的抗滑性，需要在不影响涂层降温效果的前提下对其抗滑性能进行改善。已有研究表明在涂层中添加防滑粒料可提高抗滑性能[2]。选用标准砂作为防滑粒料，采用分层涂刷的撒布方式添加防滑颗粒。

图9为防滑颗粒对摆值的影响。由图9可知，与对比试件相比，在涂层中添加防滑颗粒能显著提高抗滑性能。当防滑颗粒掺量为0.5 kg/m2时，试件摆值BPN到达最大为65，满足路面抗滑标准中摆值BPN≥45的规定，满足行车安全，推荐最佳掺量为0.5 kg/m2。当防滑颗粒掺量为0.1 kg/m2时，试件摆值BPN为40，不符合路面抗滑标准中的相关规定。主要原因是涂层表面凸出的防滑颗粒稀疏，致使涂层表面粗糙程度较低，摩擦力增加不明显。当防滑颗粒掺量在0.1～0.5 kg/m2范围内时，试件摆值随防滑颗粒掺量的增加而增大，这是因为涂层表面凸起的防滑颗粒增多，提高了路表构造深度，增大了涂层粗糙程度，致使摩擦阻力变大。当防滑颗粒掺量在0.5～0.9 kg/m2范围内时，试件摆值随防滑颗粒掺量的增大而逐渐减小，这是因为当防滑颗粒的掺量过大时，成膜基料不能包裹全部填料，致使防滑颗粒在涂层表面呈松散状态，牢固粘附差，进而导致摩擦阻力下降。因此，添加适量防滑颗粒可以提高涂层抗滑性能，满足行车安全。

图10为防滑颗粒对降温效果的影响。由图10可知，与未添加防滑颗粒涂层相比，添加防滑粒料后涂层的降温效果略有下降，最大降温幅度仅为0.9 ℃，变化极小，降温效果依然显著，故可认为防滑颗粒对降温效果几乎没有影响。其降温原因是部分防滑颗粒遮盖在涂层表面，对涂层中的成膜基料及功能填料产生影响，导致涂层降温效果略有降低。