沥青路面多层结构涂层的降温性能研究
2022-07-27孙斌祥黄尹泰
孙斌祥，黄尹泰，沈 航，姜 奕
(1.绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴 312000；2.绍兴文理学院 元培学院，浙江 绍兴 312000)
随着城市道路建设的快速发展，大量天然地面被沥青路面等所代替，可能导致地面渗水不畅并增加路面显热释放，加剧城市热岛效应。传统沥青路面吸热能力强，且本身具有热塑性的特点，在夏季高温条件下沥青路面会引发严重的车辙危害。针对传统沥青路面存在的高聚热现象，国内外研究者开展了能够减轻沥青路面吸热的冷路面技术研究，主要包括多孔透水沥青路面、热反射沥青路面和路面反射涂层等降温技术，其中，在沥青路面表面涂装热反射涂层是一种有效降低沥青路面温度的技术，通常作为减轻沥青路面车辙病害和减缓城市热岛效应的有效技术措施。
Anting等以废陶瓷制备出高反射率的沥青路面降温涂层，实测结果表明，其可使路面降温4.1～9.6 ℃。Cao等以二氧化钛、二氧化硅和中空微珠为原料制备出降温效果较好的热反射涂料，涂装路面后其反射率可达74.4%。姬彪等在二氧化钛和二氧化硅基础上添加硅藻土制备出一种新型沥青路面热反射涂层，其可使路面降温12～15 ℃。考虑绿色环保的需要，郭滕滕等基于多孔属性制备出一种环保型路面降温涂层，除能降低路面温度外也能净化汽车尾气。此外，陈玉静等提出了一种适合青藏高原寒旱环境特点的沥青路面隔热涂层；郑木莲等通过在热反射涂料中加入金红石型钛白粉颜填料研究了涂层不同颜色、厚度对沥青路面降温效果的影响；针对路面热反射涂层可能会降低路面抗滑能力，Zheng等研究了沥青路面热反射降温涂层掺入适量陶瓷颗粒和机制砂来改善路面抗滑能力；Guan等通过Grubbs法和线性回归数据优化方法分析了不同降温涂层的路面降温能力，并获得其最优降温效果的回归变量。
目前，路用热反射涂层的研究大多集中在材料的组成优化上，路面热反射涂层中反射填料和其他降温填料协同降温的研究以及对涂层的结构研究相对较少。另外，受单层涂层结构的限制，沥青路面热反射涂层降温性能的改进也面临着挑战，因此，对于路面热反射多层涂层结构的研究应运而生。为了充分发挥不同降温机理的涂层性能，更好地满足路面降温的应用要求，本文根据反射、辐射和隔热3种不同降温机理的功能性填料提出具有多层结构的沥青降温涂层，并对其降温性能进行试验研究，进而确定反射涂层、辐射涂层和隔热涂层中添加的功能性填料掺量、3种涂层的最佳厚度和组合方式，给出降温性能较好的多层结构沥青路面降温涂层，为多层结构降温涂层在沥青路面的应用起到指导作用。
1 涂层的降温机理
根据能量平衡，太阳照射下沥青路面与周围大气存在短波辐射平衡、长波辐射平衡、对流换热、热传导和水分蒸发散热等热交换过程，具体表达为：
I
为沥青路面太阳辐射入射量，ε和ε分别为路面和天空的发射系数，θ和θ分别为路面和附近空气的温度， ∇为Hamilton算子，n
为路面外法线单位矢量。由式（1）可知，通过改变路面材料或涂层材料，从而改善表面太阳辐射反射率、短波辐射、对流换热、热传导和蒸发散热等性能，最终可以改善路面温度等热状况。因此，沥青路面采用单层或多层结构涂层可以改变沥青路面太阳辐射反射率、短波辐射、长波辐射等性能，从而达到降底路面温度的目标。单层结构涂层根据降温机理不同可以分为反射型降温涂层、隔热型降温涂层和辐射型降温涂层3种类型，具体降温机理为：1）反射型涂层的降温机理是通过反射太阳辐射减少涂覆物对太阳辐射的吸收，有效降低辐射传热和对流传热。由于涂层内添加了特殊的反射填料，因此对光的散射能力较强，可以高效地反射太阳辐射，使得太阳辐射与涂层下的涂覆物隔绝，从而对涂层表面及内部温度起到控制作用。2）隔热型涂层的降温机理是通过涂层自身的高热阻性来实现隔热的一种涂层，涂层通过添加导热系数低的填料从而提高自身的热阻性，可以减少热量向涂覆物的传递。3）辐射型涂层的降温机理是在涂层中添加辐射率高的材料使其可以通过热辐射形式把吸收的热量发射到大气中从而实现降温。由于大气对3～5 μm和8.0～13.5 μm波段的辐射吸收率较小，而添加的辐射材料在这两波段内具有高发射率，可以把吸收的热量尽可能辐射到路表外面去而实现降温。
多层结构涂层是在沥青路面组合运用上述3种涂层材料，以充分发挥3种涂层各自的降温机理而增强其对沥青路面的综合降温效果。各种涂层材料的具体组合材料、顺序及掺量等都需要深入研究。
2 降温涂层的材料组成
常用降温涂层主要由成膜物质、功能填料、着色颜料、溶剂和助剂这5部分组成。本文采用苯丙乳液作为降温涂层的成膜物质，苯乙烯和丙烯酸酯单体通过乳液共聚反应生成苯丙乳液，其物理性状呈现乳白色液体，其中固体含量占比40%～50%，呈弱碱性，密度为1.03 g/cm，具有优良的耐水性、耐磨性和耐老化性。在本次研究中，主要应用的填料包括：
1）反射层的填料主要用金红石型钛白粉（二氧化钛）。其化学性质稳定，与大部分物质一般不发生反应。金红石型具有稳定的晶格，更优越的白度、着色力、遮盖力、耐候性、耐热性，且对环境较好。
2）隔热层的填料主要用中空玻璃微珠。中空玻璃微珠由于是一种中空密闭的正球形状，其具有重量轻、体积大、导热系数低、分散性、流动性、稳定性好的优点。在树脂中添加中空玻璃微珠能够提高隔热效果，同时也能提高涂层耐磨性。
3）辐射层的填料主要用中远红外陶瓷粉。中远红外陶瓷粉由多种物质混合经1 200～1 600 ℃高温煅烧而成，其不溶于水，耐热性强，可辐射出比正常物体更多的远红外线，在波长2～18 μm范围内远红外发射率达92%，可降低涂覆物温度。
上述3种功能性填料的性能参数如表1所示，外观如图1所示。颜料主要以氧化铁红、氧化铁绿为主，以及少量的氧化铁黄和炭黑。氧化铁常用于建筑涂料，其优异性能主要体现在耐候性、着色力、遮盖力、耐热性、水渗性，可以很好地在油性载体中进行分散，受热不易分解，耐高温、耐碱、耐污浊气体，是一种环境较好的无机颜料。另外溶剂选择去离子水，助剂有分散剂、消泡剂、防沉剂和流平剂等。试验中填料的用量通过成膜物质和各填料的密度确定涂层中填料的体积浓度，从而可确定各种成分的相对比例。
表1 功能性填料的性能参数
Tab. 1 Performances of functional materials
材料密度/(g.cm–3)粒径/μm酸碱度特点钛白粉 4.200～4.300 0.20～0.26 6.0～9.0 折光率高达2.8玻璃微珠 0.125～0.600 15.00～135.00 8.0～9.5导热系数低0.062～2.077 W/(m·K)陶瓷粉 1.200～2.000 1.00～5.00 6.0～8.0 发射率高达92%
图1 功能性填料的外观Fig. 1 Appearance of functional materials
3 试验方法
用70号沥青和石灰岩研磨的集料，据AC–13C级配制备300 mm×300 mm×40 mm的车辙板试件，再将上述车辙板沥青试件平均切割成4块150 mm×150 mm×40 mm的小试件，小试件具体形状如图2所示。
图2 车辙板试件Fig. 2 Rut plate specimen
为了保证沥青表面涂层厚度均匀性与一致性，在沥青小试件上涂刷降温涂层前将涂层搅拌均匀，在涂刷涂层时要采用试验电子秤控制涂层涂刷的用量，以保持涂层厚度的一致性。
将试件放置在自制的降温模拟试验装置上，进行室内降温试验，室内试验时保持无风状态。降温模拟试验装置由模拟光源和载物台组成的，以500 W碘钨灯作为模拟光源，为了确保沥青试件的温度变化仅是表面受到热量传输所引起的，沥青试件的四周和底部粘贴泡沫板，试验装置如图3所示。
图3 室内模拟降温实验装置Fig. 3 Indoor simulation cooling test setup
沥青涂层室内降温模拟试验的具体步骤为：1）调整碘钨灯水平和竖向位置，根据沥青试件表面温度在30 min左右时间可达到65 ℃为标准调整碘钨灯位置以控制辐射强度和均匀性，且试验台上每个位置接收的辐射强度也相近；2）在沥青试件表面和内部放置温度传感器，每1 min采集一次温度数据；3）以已涂刷涂层的沥青为试验试件、无涂刷涂层的沥青为对照试件，记录试验试件和对照试件的初始温度；4）打开光源，当对照组的表面温度达到65 ℃时停止试验，采集温度数据；5）比较试验试件与对照试件的温度差。
4 结果与分析
4.1 填料含量对涂层降温性能的影响
填料在成膜物质中所占的体积浓度对涂层的降温性能有较大的影响，本文初步研究了各种填料较为合适的添加量。
功能性填料的最佳体积浓度在10%～30%之间，因此，本文在成膜物质中分别添加体积浓度为10%、15%、20%和25%的功能性填料，相应的涂层用量控制在0.6 kg/m，并通过室内试验测得试件表面和内部的温度变化，用于分析填料用量对涂层降温性能的影响，具体3种功能性填料钛白粉、玻璃微珠及陶瓷粉的降温试验结果如图4～6所示。
图4 反射材料不同含量下的温度变化Fig. 4 Temperature variation at different contents of reflective material
由图4可以看出，钛白粉的加入能够有效降低沥青表面和内部的温度，当反射填料的含量为15%时，热反射涂层的降温幅度最大，试件表面和内部达到10.71和10.75 ℃。当反射材料的用量继续增大时，热反射涂层的降温效果（随其涂层厚度增加）反而下降。因为当反射填料在涂层中含量较少时反射填料的增加能逐渐填满树脂内的空隙，导致更多的光辐射被反射出去，这减少了光辐射穿透，涂层降温效果更好；但当反射填料用量超过15%时，如果反射填料用量继续增加，其不能有效分散，涂层降温效果反而会下降。为此，本文选择体积浓度15%为钛白粉的最佳含量。
由图5看出，中空玻璃微珠的加入能够降低试件表面的温度，中空玻璃微珠也具有一定的反射能力，虽然反射率不及钛白粉高，但在阻隔热量进入试件内部时表面也能起到一定的反射作用。随着中空玻璃微珠的含量增大，试件表面的降温幅度相差不大，中空玻璃微珠主要起到热阻的作用，有效阻隔热量进入试件内部。相比对照组，4组试验组的内部温差分别为5.26、7.48、8.44和9.77 ℃，中空玻璃微珠的加入能够降低试件内部的温度。考虑到中空玻璃微珠的密度小、体积大，含量过多会增加搅拌难度，涂层的成膜性较差，因此，选择中空玻璃微珠的体积为15%。
图5 隔热材料不同含量下的温度变化Fig. 5 Temperature variation at different contents of insulation material
从图6看出，辐射材料的加入能够降低试件表面的温度，辐射涂层将热量发射出外面以降低试件的温度，随着辐射材料的含量增加，降温效果也逐渐增加。当含量为20%时，表面最大降温幅度可达10.55 ℃，含量为20%和25%相差较小，原因可能是辐射涂层的降温效果只与其表面材料有关，当辐射材料含量为20%时其表面的辐射材料排列紧密，当含量继续增大时，对表面的辐射材料排列方式影响不大，因此，降温效果相差不大。与表面相比内部降温幅度相对较小，当辐射材料含量为20%时试件内部降温效果最佳，可达4.89 ℃。综合考虑，选取辐射材料的体积浓度为20%。
图6 辐射材料不同含量下的温度变化Fig. 6 Temperature variation at different contents of radiative material
4.2 涂层厚度对其降温性能的影响
沥青表面涂刷涂层由于增大了表面反射率能降低沥青路面温度，但涂刷太厚不会明显改善表面反射率，研究表明涂层厚度在一定范围内会使沥青表面反射率达到峰值，另外，涂层越厚工程造价也会越高。涂层涂刷量越大表示厚度越大，因此本文对热反射涂层的最佳用量进行研究。
试验中对4种涂刷量为0.3、0.6、0.9和1.2 kg/m的热反射涂层、隔热涂层和辐射涂层分别进行降温试验，按照前述试验步骤测得各试件表面和内部的温度变化，其中，热反射涂层、隔热涂层和辐射涂层试验结果如图7～9所示，下面分析涂层用量对沥青表面降温性能的影响。
图7 反射涂层不同涂刷量下的温度变化Fig. 7 Temperature variation of reflective coatings with different dosages
从图7可见：与对照组相比，不同涂刷量对试件表面和内部均有良好的降温效果，涂刷量0.3 kg/m与其他涂刷量的降温效果相差较大，最大差值约3 ℃，涂刷量0.6 kg/m的降温效果最佳；试件表面和内部最大温差能达到11.42和10.37 ℃，内部与表面相比区分度相对较大；涂层降温效果并不是随着涂刷量的增加而一直增加，表明涂层厚度达到一定程度后其反射率不再明显变化，因此，继续增大厚度反射率相差不大，但光辐射在涂层内部的散射光程会增长，涂层降温效果反而会降低。
由图8看出：与对照组相比，隔热涂层不同涂刷量对试件表面均有良好的降温效果，3种涂刷量之间区分度较小，降温幅度约为8.40 ℃，几乎相同，表面降温效果只与表面的中空玻璃微珠有关，涂层厚度的增加对其基本无影响；不同涂刷量对试件内部均有明显降温效果，且区分度较大，3种涂刷量的降温幅度分别达到6.86、8.36和10.61 ℃，隔热涂层的隔热降温效果随厚度的增加而增加，并不止和表面的填料有关。这是由于隔热填料的导热系数小，涂层用量越大内部的隔热填料越多，可以延长热量流入路径，减缓涂层向下热传递，增强了隔热降温效果。
图8 隔热涂层不同涂刷量下的温度变化Fig. 8 Temperature variation of insulation coatings with different dosages
由图9可知：相比试件对照组，辐射涂层不同涂刷量对试件均有良好的降温效果，3种涂刷量之间降温幅度在表面和内部分别在11.30 ℃和4.90 ℃左右，基本维持相等，涂层厚度的增加对其无影响；可取辐射涂层最佳用量为0.3 kg/m，此时降温效果几乎达到最大，用量进一步增加降温效果无明显影响，辐射涂层的降温性能只与涂层表面的辐射填料有关。
图9 辐射涂层不同涂刷量下的温度变化Fig. 9 Temperature variation of radiative coatings with different dosages
4.3 着色颜料对涂层降温性能的影响
选用氧化铁绿、氧化铁红和氧化铁黄原料配制出绿、红、黄色系的涂层。彩色涂层具有醒目、提示等功能，适用于路口交汇处、公交车道和小道等，但大面积用于主干道容易造成视觉疲劳。黑色或灰色在道路的使用较为普遍，高反射率的黑色涂层较难制备，因此，本文仅研究灰色涂层。试验中采用2种方法制得灰色涂层，灰色1为二氧化钛中加入炭黑制成，灰色2则利用氧化铁绿和氧化铁红在可见光区和近红外光区各自的反射特性再通过配色混合原理制成。在涂层制备时颜料和涂层用量均保持一致，本文采用颜料的用量为6.7%，以白色涂层试件表面温度为对照标准，不同颜色涂层表面温度变化的试验结果见图10。
图10 不同颜色涂层的温度变化Fig. 10 Temperature changes of different color coatings
从图10可以看出，与白色涂层温度基准比，降温差值由小到大的顺序为黄、红、灰2、绿和灰1，温差分别为3.20、4.10、4.44、5.41和7.85 ℃。由于各着色颜料在可见光区和近红外光区的反射率低于二氧化钛的反射率，因此，着色颜料的添加会降低涂层的降温效果。对比灰色涂层降温效果可以发现，相同用量下使用反射率高的氧化铁红和氧化铁绿制得的灰色涂层降温效果更佳，比使用反射率低的炭黑制得的灰色涂层温度降低了3.41 ℃。
4.4 涂层结构对其降温性能的影响
4.4.1 单层结构复合涂层的降温性能
现有沥青热反射涂层大多是将不同作用的填料混合而成，为了发挥不同降温机理填料的降温性能，本文将反射、隔热和辐射3种降温填料混合制得单层复合降温涂层和单层反射涂层进行降温比较，实验方案见表2。钛白粉、陶瓷粉和玻璃微珠的用量分别采用体积浓度15%、20%和15%，着色颜料由氧化铁红和氧化铁绿混合而成，用量为6.7%，实验结果如图11所示。
表2 单层结构降温涂层的实验方案
Tab. 2 Experimental scheme of one-layer structure cooling coating
方 案结构层组成填料1单层反射层钛白粉+着色颜料2单层复合降温涂层 钛白粉+陶瓷粉+玻璃微珠+着色颜料
图11 单层结构涂层不同组合形式的温度变化Fig. 11 Temperature variation of one-layer coatings with different combining forms
如图11所示，方案1的降温效果比方案2的表面降温效果要好，原因是涂层里的一些反射填料被辐射填料和隔热填料所覆盖，涂层反射性能下降；且隔热填料的密度小，更多的隔热填料会浮在涂层的表面上，从而使涂层的降温效果达不到预期效果。2种方案的内部降温幅度与表面降温幅度相比区分度较小，虽然方案2表面温度相比较高，存在热量更多，但由于添加了隔热填料和辐射填料，阻隔了部分向下传递的热量，因此，两种方案的内部降温幅度相差较小。
为了充分发挥反射、隔热和辐射不同机理填料的降温性能，实现各种降温填料协同降温的目的，可以通过改变涂层结构的方法，将3种不同原理的填料设计在不同的层里。
4.4.2 两层结构涂层的降温性能
将钛白粉、中空玻璃微珠和陶瓷粉3种填料分别设计在不同的层里来进行协同降温。两层涂层的厚度不能过大，否则会降低沥青的构造厚度，根据前述分析，综合考虑取反射涂层的用量为0.6 kg/m、隔热涂层和辐射涂层都为0.3 kg/m。
由于隔热涂层的降温作用主要是隔热，因此，将隔热涂层设计在底层，而反射涂层和辐射涂层的降温性能都只与表面的填料有关，两层降温涂层的组合形式需进行研究，初步设计方案如表3所示。以无涂刷涂层的沥青试件表面温度为对照标准，降温实验结果如图12所示。
表3 两层结构降温涂层的试验方案
Tab. 3 Experimental scheme of two-layer structure cooling coating
方 案结构层组成填料1反射层钛白粉+着色颜料2反射层钛白粉+着色颜料隔热层玻璃微珠3反射层钛白粉+着色颜料辐射层陶瓷粉4辐射层陶瓷粉+着色填料反射层钛白粉
图12 两层结构涂层不同组合的温度变化Fig. 12 Temperature variation of two-layer coatings with different combining forms
如图12所示，与无涂层沥青试件表面温度基准比，各方案均能有效降低试件温度，其中，方案3降温效果最佳，而方案2、1、4降温效果依次减弱。方案2与方案1相比，试件表面温度几乎相等，而内部温度能有效降低1.10 ℃，说明试件表面温度只和表层的反射层密切相关，而与底层的隔热层关系不大，表面反射层将部分辐射进行反射，同时，底层隔热层将向下传递的热量进行阻隔，因此，降温效果更佳。
方案3与方案1相比，表面温度和内部温度分别下降3.70 ℃和1.80 ℃，反射表层将部分太阳辐射进行反射，同时，底层的辐射层将内部吸收的辐射再发射到外部，因此方案3的降温效果得到增强；方案3与方案1相比，表面温度和内部温度分别增加0.80 ℃和0.70 ℃，方案4的降温效果主要由表层的辐射层发挥作用，底层的反射层也反射了部分辐射，但发挥作用较少，说明多层结构中反射层作为表层比辐射层作为表层的降温效果要更好，不同涂层结构位置改变可影响其降温性能。
4.4.3 3层结构涂层的降温性能
通过两层结构的降温涂层不同组合形式对其降温性能的影响因素分析，可以确定3层涂层结构的组合形式，试验方案如表4所示。
表4 3层结构降温涂层的试验方案
Tab. 4 Experimental scheme of three-layer structure cooling coating
方 案结构层组成填料1反射层钛白粉+着色颜料2反射层钛白粉+着色颜料辐射层陶瓷粉3反射层钛白粉+着色填料辐射层陶瓷粉隔热层玻璃微珠
首先，对添加相应降温涂层结构层后的试样表面反射率影响进行了研究，使用紫外可见近红外分光光度计测试了无添加着色颜料的3种方案在波谱范围220～2 000 nm的反射率。所测的结果如图13所示。
图13 3种方案在不同波段范围内的反射率Fig. 13 Reflectivity of three schemes in different spectral bands
从图13可看出，3种方案的反射率曲线趋势基本一致，方案1、2和3的反射率分别为70.09%、68.90%和71.19%，三者相差甚小，这说明了当表面反射涂层的厚度达到一定厚度后，在反射涂层下增加结构层并不会明显影响其反射率，多层结构降温涂层中反射涂层、辐射涂层和隔热涂层3种涂层各自发挥自身的降温机理，综合后达到协同降温的目的。3层结构涂层的降温效果实验结果如图14所示。
图14 3层结构涂层不同组合的温度变化Fig. 14 Temperature variation of three-layer coatings with different combining forms
由图14可知，与对照组相比，各方案均能有效降低试件温度，方案1、2、3的表面温度分别降为58.04、55.13和54.55 ℃，其中，方案2和方案3降温值几乎相同，说明在3层结构降温涂层中，对沥青表面发挥降温作用的主要是反射层和辐射层。而方案1、2、3的内部降温效果依次增加，降温效果分别为5.66、7.46、9.22 ℃，隔热涂层在反射涂层和辐射涂层的降温基础上增强对沥青内部的降温效果，表明3层结构降温涂层的降温效果更佳。
5 结 论
本文通过室内试验分析得出以下结论：
1）通过室内降温实验对钛白粉、中空玻璃微珠和远红外陶瓷粉的最佳掺量进行研究，得到有利沥青涂层降温效果的钛白粉、中远红外陶瓷粉和中空玻璃微珠的最佳含量分别为15%、20%和15%。
2）反射涂层、辐射涂层、隔热涂层3种涂层的最佳用量分别为0.6、1.2、0.3 kg/m；但考虑到多层降温涂层不能过厚的工程限制，多层结构降温涂层中反射涂层的用量取为0.6 kg/m、隔热涂层和辐射涂层均取为0.3 kg/m。
3）着色颜填料的添加会降低降温涂层的降温效果，当加入用量为6.7%的氧化铁红和氧化铁绿制得的灰色涂层降温效果要比白色涂层降温效果低4.44 ℃。
4）通过对降温涂层的结构组合形式的研究，发现涂层结构的改变可以明显影响其降温性能。将3种降温填料混合会使得一些反射填料被其他填料所覆盖，制备得到的单层结构复合涂层降温效果反而会减弱。将不同降温填料设计在多层结构涂层的不同层中，涂层降温效果得到增强，组合形式以反射层作为表面层、辐射层作为中间层、隔热层作为底层制得的3层结构涂层有着明显的降温效果，表面和内部降温幅度可达10.45和9.22 ℃。
