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沥青路面太阳热反射涂层材料
作者：周蕾 李昊隆 刘文昌
来源：《中国科技博览》2017年第07期
[摘 要]分析了热反射涂层的降温机理，介绍了热反射涂层的材料组成，综述了热反射涂层的发展历程和国内外研究现状。
[关键词]沥青路面，太阳辐射，热反射，涂层材料
中图分类号：U414 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）07-0167-02 1 引言
近几十年来，我国公路建设高速发展，因沥青路面具有良好的平整度，行车舒适度，降噪等优越性能而被广泛应用于各种高等级路面中。但是沥青材料是一种吸热材料并且对太阳辐射光波长吸收范围很广，大量的热量积累在沥青面层中，夏季高温时期能达到65℃。[1]这种高温环境容易导致城市“热岛效应”从而严重影响大气温度。20世纪末期，西方一些科技发展迅速的国家相继研究出一种太阳热反射涂层材料，是解决沥青路面太阳热辐射问题的转折点。R.Neil采用马来酸二丁酯-乙酸乙烯共聚物作为成膜物质，加入陶瓷珠光隔热剂制成隔热性能较好的水性隔热材料[2]；日本的武居二郎在建筑物的热反射上进行了研究[3]。国内对太阳热反射涂层的研究从20世纪末开始，多数研究都是直接将填料掺入涂层涂料中，然后测试涂覆了热反射涂层的沥青路面路用性能，并且尚无具体实施工程。因此，关于太阳热反射涂层还需结合国内路面实际结构情况来进行深入研究。 2 热反射涂层的降温机理
沥青路面吸收太阳热辐射的外在因素包括：太阳总辐射、气温、风速、大气逆辐射、湿度等；内在因素则是路面的热传导和热辐射。对于已经投入使用的沥青路面，外在因素是客观存在的，无法改变，只能改变沥青路面的内在因素。而内在因素的改变方式有两种方式：一是被动降温，例如降温性能好的改性沥青或者采用透水性路面从而加快热量的传导和散发；二是主动降温，就是将一种具有吸收太阳高能量波长的材料掺入涂料中，将涂料涂覆在沥青路面上，形成热反射涂层从而可以将太阳热辐射的能量辐射出去达到降温效果。
目前国际上已经对两种降温方式进行了深入研究，得知通过改变沥青自身性能或沥青混合料性能的方式虽然延长了路面使用寿命但是由于沥青本身性质决定，这种措施仍不能从根本上解决高温病害等问题。但是主动降温的方式不仅效果显著，而且经济性好可以节约大量能源和资金。[4]
3 热反射涂层材料组成
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太阳热反射隔热涂层是一种对近红外辐射具有显著反射作用的功能型涂层，主要包括基体、填料、颜料和助剂。太阳热反射涂层示意图1如下： 3.1 基体
基体包括树脂和与之相配的固化剂。1992年，SANGYOYUGEN公司就用多种高分子聚合物对丙烯酸树脂进行改性，制备成共聚丙烯酸树脂乳液，将其作为主要成膜物质，与含有硅酸盐的隔热材料混合，制备出了一种热反射涂料，其隔热反射性能良好[6]。由于树脂对涂层热反射性能没有太大影响，考虑到涂层的耐久性和附着性，尽量选择耐磨性较好并且与沥青路面粘结性较好的树脂。 3.2 填料
填料是决定涂层热反射性能的重要组成部分。根据光散射理论，光波遇到不均匀结构产生与主波方向不一致的次级波，与主波合成出现干涉现象，使光波偏离原来的方向，从而引起散射。颜料颗粒分散在树脂中所形成的涂层体系便构成了一个典型的散射系统。散射质点的折射率与基体的折射率相差越大，将产生更为严重的散射。[7]利用辐射制冷原理在涂料中添加红外波段高发射率材料可以有效提高涂层的辐射能力，从而实现降低基体温度。为了达到涂层辐射可以穿越大气窗口而不被大气所吸收，所以需要所添加的材料辐射波段在3～5m和8～13.5m波段内有高的发射率。[8]
目前填料中使用较多的是二氧化钛，在太阳热反射涂层中很少用纳米二氧化钛，一般都用微米或亚微米二氧化钛。但是仅仅使用二氧化钛并不能满足现有的对道路的要求，所以有研究对二氧化钛进行了改性。中国地质大学熊君山等对二氧化钛的改性进行了研究，改性剂为硅烷偶联剂WD-20，综合改性剂用量、pH值、温度等因素对改性效果的影响，将改性后的二氧化钛加入热反射涂层中，经检测该种涂层的反射率得到了较大提高，且降温效果也得到了提高，试件背面的温度较改性之前低7℃[9]。 3.3 颜料
由于填料自身性能决定其颜色大多是白色，将填料用于路面会造成炫光现象，降低司机的舒适度并且长时间会造成视觉疲劳容易引发事故。因此，在路用热反射涂料制备过程中需要引入颜料增加涂料色彩性，不但美观，更重要的是能够提高视觉舒适度，增强路用性能。颜料主要是对路面上色，但也会影响涂料的施工及涂层的机械性质。对于太阳热反射涂料颜料不但要具备普通涂料中所应具备的性质，还应具有特殊的红外吸收特性。 3.4 助剂
树脂的性质决定将涂层用于沥青路面后会对沥青路面的抗滑性能以及耐久性产生不利影响，所以基料中会适当加入部分助剂来提高涂层材料的性能。
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哈尔滨工业大学的梁满杰自制了一套室内降温试验模拟系统，这套系统可以对太阳热反射涂层的降温效果进行评价，同时，对涂覆涂层后沥青路面的抗滑性进行了测试，结果表明，涂后路面的抗滑值有所下降；然后通过在涂层表面撒布标准砂的方法对路面的抗滑性进行了改善，试验结果表明，改善后路面的抗滑性可恢复到原有路面的抗滑水平[10]。 4 沥青路面热反射涂层实际应用
从20世纪末开始，美国，欧洲等西方国家相继研制了太阳热反射涂层，从此太阳热反射涂层迅速发展。2002年，长岛特殊涂料公司和日本铺道公司联合开发出“凉顶”，“凉顶”是一种可以抑制路面温度增长的材料。随后，日本许多家企业纷纷开始了热反射涂料研究，研制了多种适用于不同建筑物的热反射涂层材料，除行车道和人行横道外，还在广场、游泳池旁等特殊工程中得到应用[11]。我国从20世纪末才逐渐开始接触太阳热反射涂层并开始深入研究[12]。2002—2003年，中国沥青路面的热反射涂层铺装施工面积超过5万㎡[12]。合适的材料和合理的结构设计可以使涂覆了太阳热反射涂层的路面降温效果越好，并且广泛应用于城市道路可以有效的缓解城市“热岛效应”[13]。
涂层涂布在沥青路面上要不断经受行车载荷和自然环境的影响。施工中对环境的影响，施工后热反射涂层能否在路面上得以应用，实际的降温效果以及其耐久性如何，是研究中必须考虑的问题。太阳热反射涂层在实际应用中，虽然对减轻沥青路面的热岛效应有良好的效果，在国内外已有一些实例，但在其研究中仍存在以下问题需要突破：
（1）成本偏高。热反射涂层铺装的直接施工费用是普通铺装的4倍多（热反射涂层的造价较高，达到300～400元/㎡），高昂的建设成本能否被社会广泛接受尚不明确。因此，热反射涂层铺装的建设成本是急需解决的问题之一。[14]
（2）容易遭受污染磨损，车辆行驶易导致涂膜污损、脱落。车辆行驶（车胎摩擦等）可能造成路面中热反射涂层材料出现部分脱落或污损，降低了降温效果。
（3）现今研究出的热反射涂层存在耐久性差，耐磨性不足的问题。实际的寿命基本维持一年左右，后期的养护修复存在有很大的问题。
（4）我国的沥青路面时设计过程中有许多不足。如当涂覆热反射涂层后，实际路用时路面的抗滑性与不透水性难以兼顾。 参考文献
[1] 弗兰克P.英克鲁佩勒，大卫P德维特，狄奥多尔L.伯格曼等传热和传质基本原理[M]北京：化学工业出版社
[2] R.Neil Nelson. Water-based Thermal Paint[P]. UP5445754.1995.08.29.