路用热反射涂层工艺性能与施工工艺研究

2022-06-07张韶华蒋应军王华涛

黑龙江交通科技 2022年4期

张韶华，蒋应军，王华涛

(1.驻马店市公路工程开发有限公司，河南驻马店 463000；2.长安大学公路学院，陕西西安 710064)

0 引言

热反射材料指将具有高反射率的功能填料加入成膜物中，固化后形成对太阳辐射中可见波段和近红外波段的反射率较高的材料，使用该材料可降低路面温度，从而主动地解决沥青路面车辙病害[1-2]。沥青路面热反射材料由于其反射率高、降温效果显著、颜色亮丽且兼具良好的经济性成为彩色路面技术发展热点[3]。国内外的学者们也对热反射材料进行了一些研究，最大降温效果高达14 ℃，极端气温下，热反射材料隔热性能更佳，可以极大地缓解路面车辙[4-6]，并且热反射材料作为一种喷洒材料不仅可用在新、改建路面，还可用于已有路面。

梁满杰等通过分析沥青路面热物环境以及太阳热反射涂层降温机理，论证出太阳热反射涂层具有显著的降温效果，并对热反射涂层路面性能做了评价，结果表明，热反射涂层路面性能满足预期效果[7]。2008年，北京工业大学程明通过分析热反射涂层作用机理，优选出热反射涂层颜填料的折光系数、用量、粒径以及成膜物质的种类，开发了深色系高反射涂层，并通过试验对涂料的老化性、褪色性做了检测，结果表明，该深色系高反射涂层均满足路用性能要求[8]。2013年，长安大学郑木莲等通过分析热反射涂层工作原理，研发了不同颜色的热反射涂层，并用检测设备研究了不同颜色热反射涂层的降温效果，结果表明，白色热反射涂层降温幅度可达18～25 ℃，灰色涂层可降低路面温度12 ℃左右[9]。2014年，重庆交通大学唐伯明等对热反射涂层的老化机理及规律进行了研究，结果表明，热反射涂层老化的原因是碳碳双键的断裂，进而引起成膜物质透光率的降低，最后导致涂层热反射率的降低[10]。

2010年，Uemoto等人将颜色深浅不一的热反射材料用于沥青路面上，发现热反射材料反射率随颜色变深而降低，说明浅色热反射材料具有更好地隔热性能，但在浅色路面上眩光问题可能影响到行车安全[11]。2012年，Gabriele等人将热反射材料分别应用于不同路面，并分析其对路面温度和城市热岛效应的影响[12]。2013～2014年，Anak等人研究了反射率对热反射材料隔热性能的影响，并基于室内试验验证[13-14]。

除了隔热性能，国外学者还研究了热反射路面的其他路用性能。2010年，Cao等人研究了热反射路面抗滑性能、渗水性能和耐磨性能，研究表明：热反射路面抗滑性能能满足规范要求，渗水性能优良，耐磨性能优于市面上热反射材料[15]。2015年，Zheng等人开发了一种抗滑热反射材料[16]。2016年，Hu等人基于隔热性能、黏度和光泽度开发热反射材料，并分析其耐磨性能和抗滑性能[17]。

然而，工程应用中也暴露了热反射材料的一些问题，对热反射材料工艺性能研究较少，而热反射材料的工艺性能随温度和时间变化较大，导致热反射材料施工技术不成熟。因而，研究热反射涂层工艺性能，并通过对其工艺性能的研究，优化施工工艺。

1 热反射涂层反射机理

1.1 太阳辐射光谱

太阳是温度约为5 800 K的电磁波辐射源，以辐射的形式向地球输送能量。太阳辐射波长范围很广，分为红外线区、可见光区、紫外线区，如图1所示。在全部辐射能中，大约95%的能量来源于可见光区与红外光区，高能紫外光只占太阳辐射能量的5%。有研究表明，虽然任何物体都可以辐射红外线，但不同物体所辐射红外线的量不同，这与物体的温度有关。日常生活中几十至几千℃热辐射主要集中在红外区域。因此，为降低物体表面温度，最有效的方法是研制对红外光有高反射性的特种涂料。

图1 太阳辐射光谱

1.2 热反射涂层反射机理

热反射涂层是一种可以增加光照反射率、降低热能吸收并起到隔热降温效果的新型涂料。将这种新型涂料涂刷在物体表面，在太阳光持续照射下，物体表面温度上升的速率比较低，在相同的光照时间内，涂刷热反射涂层物体表面温度明显比未涂刷热反射涂层的低，并且光照越强烈，物体表面降温效果越明显[18]。功能性填料是影响热反射涂层隔热性能的关键材料，功能性填料反射率越高，热反射涂料隔热效果就越好。此外，太阳热反射涂料的成膜物质也具有一定的反射率，太阳热反射涂料能对400～2 500 nm的紫外线以及太阳红外线进行高反射，可防止热能在物体表面累积，即使在阴天或多云天气也能辐射热量，起到隔热降温的效果。其工作原理见图2。

图2 热反射涂层路面工作原理示意图

2 热反射涂层工艺性能

2.1 黏度

(1)温度

环氧树脂黏度受温度影响显著，在评价热反射材料黏度时不能脱离温度单独提及。为了明确热反射材料黏度随温度变化规律，测定不同温度下不同固化时间的热反射材料黏度，试验结果见图3。

图3 温度对热反射材料黏度影响

由图3可知，热反射材料黏度随温度增加而降低，这是因为温度的提升降低了基料黏度，从而表现为热反射材料黏度的降低。而随时间的增长，温度较高的热反射材料黏度高于低温是的黏度，这是由于高温的环境下热反射材料逐渐发生凝胶作用，黏度发生陡增现象，15 min后50 ℃黏度升高就是由于热反射材料发生了凝胶作用。

(2)时间

热反射材料固化反应过程中黏度也随之变化，当热反射材料达到凝胶后，黏度陡然增加，为研究固化过程中黏度变化规律，分别在20、30、40、50 ℃环境下固化，并每隔5 min测试黏度，试验结果见表1。

表1 时间对热反射材料黏度影响

由表1可知，固化温度小于50 ℃时，黏度随时间增长先降低后增加，而固化温度大于50 ℃时，黏度随时间增长持续增长；黏度变化存在突变，固化温度越高，突变发生越快，这是由于热反射材料达到凝胶状态，在20、30、40、50 ℃环境下凝胶时间分别为110 min、40 min、25 min、15 min。推荐施工温度小于40 ℃，施工时间15 min。

2.2 固化时间

温度决定了热反射材料固化反应速率，本文将热反射材料试件置于20、30、40、50 ℃温度下，测量其固化时间的变化。实验结果见表2。

由表2所示温度对固化时间的影响可知，20 ℃以上的热反射材料表干时间降低明显，而30 ℃以上的热反射材料实干时间和不粘胎固化时间降低明显，30 ℃时不粘胎固化时间为145 min，因此，热反射材料施工时建议气温在30 ℃以上施工。

表2 不同温度下热反射材料固化时间

3 热反射涂层施工工艺

3.1 施工环境控制

对热反射材料工艺性能的研究可知，不同环境下施工热反射材料最大施工时间和开放交通时间均不同，且通过调整稀释剂掺量均能使热反射材料黏度控制在适宜喷洒的黏度区间见表3。

表3 施工控制时间

由表3可知，在气温30～35 ℃施工，最大施工时间为0.32～0.35 h，开放交通时间为2.0～2.4 h，保证了足够的施工时间，确保工程质量，且具备快速开放交通的条件，对施工路段交通影响较小。

3.2 施工用量控制

热反射材料用量对性能影响显著，在优选热反射材料用量时应综合考虑各性能综合优选见表4。

由表4可知，热反射材料用量为0.55 kg/m2可保证热反射材料隔热性能、粘结强度、抗滑性能和固化时间，仅耐磨性能略低，考虑到热反射用量超过0.55 kg/m2后抗滑性能无法满足要求，为了道路安全考虑，优选热反射材料用量为0.55 kg/m2。

表4 热反射材料用量控制

3.3 施工流程

(1)施工前准备

①封闭交通。热反射材料施工工期较短，不需长期封闭交通，但施工准备阶段、施工阶段和养生期间需完全隔绝交通，车辆通行不仅会阻碍施工进程和延缓施工速率还可能导致热反射材料未固化完全被破坏，影响热反射材料隔热性能和使用寿命。施工准备阶段前应联系当地交通管理部门，在施工区域前后100 m设置相应警示标志及防护，进行交通管制，直至热反射材料达到不粘胎固化时间方可开放交通。

②清扫路面。由于路面上的杂质、油污等会影响热反射材料与沥青路面的粘结强度，为提高热反射材料使用质量保证热反射材料使用寿命需进行路面清扫工作。对于新建道路与旧路面应进行不同清扫工作。新建路面本就封闭交通，路面上杂质较少，但路表沥青膜厚度会影响热反射材料与路面粘结强度，故对于沥青膜厚度较大的新建路面需打磨路表并清扫打磨后杂质；旧路面由于开放交通后车辆与行人通行，路面已被打磨比较光滑，但油污、尘土、试剂等杂质较多，可采用高压气流鼓风机清理尘土、砂砾等固体杂质，采用高压水枪洒水清理油污等液体杂质。对于存在裂缝、车辙等病害的路面需先修补旧路面再喷洒热反射材料。

③配制涂料。清扫路面的同时应组织人员配制涂料，将除固化剂外其他原料按配方比例加入搅拌桶内，用专用搅拌设备搅拌均匀并密封放置待用。应注意填料由于吸收了水分可能出现结团现象，在称取填料前应用与填料粒径对应筛孔的筛子将结团的填料剔除，防止其堵塞油泵和喷头；助剂用量较小，应精确其用量，建议采用精度小于0.1 g的称称取；稀释剂易挥发，涂料配制好后应立即密封待用。

④封边。对已有标线和单向施工的路面应该做好封边。对道路标线，用专用胶带密封标线区域，并将超出标线范围的胶带切除，对道路周边区域应采用塑料膜覆盖并用胶带固定，防止施工过程中污染周围区域。

(2)热反射材料施工

热反射材料施工过程分为仪器调试、热反射材料喷洒及边角处理三部分。

①调试仪器。将热反射材料喷洒车开入施工区域，称取每桶热反射材料对应质量的固化剂，添加入热反射材料并用专业搅拌设备搅拌均匀，将搅拌好的涂料倒入热反射材料喷洒车料桶内，并放入导管和排气管，启动油泵，待排气管内充满涂料后，启动喷头，测试喷头是否堵塞。

②喷洒。待一切准备就绪，启动热反射材料喷洒车，依据喷洒量控制车速、发动机转速及油泵压强等参数，控制方向盘沿行车道向前行走并喷洒热反射材料，根据喷洒遍数调整喷洒方向。若涂料喷洒殆尽，需尽快配制涂料倒入料桶内；为防止涂料在导管和喷头处堵塞，每30 min清洗热反射材料喷洒车油泵和喷头；在喷洒过程中应及时计算喷洒量，若与施工要求不符尽快调整。

③边角处理。对于转向道路和道路加宽处，热反射材料喷洒车可能喷洒不到或不均匀，需人工拿着手持喷洒装置进行边角处理，保证整体喷洒均匀性。

(3)热反射材料养生与开放交通

热反射材料喷洒后应该进行养生，待养生完成后开放交通。

①养生。热反射材料喷洒完成后，继续封闭交通，禁止行人及车辆通行，直至热反射材料达到不粘胎固化时间后，用小刀将道路标线附近热反射材料切割开，撕下专用胶带，并在标线与热反射材料接口处封水；揭下道路四周固定的塑胶薄膜，清理施工垃圾。

②开放交通。由于温度的不同，热反射材料固化速率不同，因此，温度不同热反射材料固化时间也不一样，待热反射材料达到不粘胎固化后可将施工器械运出并开放交通。