太陽熱反射涂層試驗路鋪筑及性能評價

黃文紅，王 偉，劉 軍，羅婷倚，徐世田

(1.江西交通咨詢公司，江西 南昌330006，2.重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，重慶400041)

瀝青是對太陽熱輻射吸收率很高的吸熱材料。在夏季高溫時，瀝青路面吸收并且蓄積大量熱量，會引發(fā)一系列如高溫車轍、擁擠等熱穩(wěn)性病害。太陽熱反射涂層是一種通過增加太陽熱反射率來降低物體表面溫度的材料，將這種材料涂布于瀝青路面可有效地降低路面溫度，減少高溫車轍病害［1-2］。

從20世紀(jì)70年代開始，美歐、日本等學(xué)者相繼研制了太陽熱反射涂料，隨后得到快速發(fā)展，我國從20世紀(jì)90年代開始對太陽熱反射涂料進(jìn)行研究。由于路面受到行車荷載的作用，對材料使用條件要求苛刻，直至21世紀(jì)，太陽熱反射材料才首次應(yīng)用于路面中。日本公司研發(fā)了一種能夠降低公路路面溫度的新型鋪筑材料［2］。隨后，日本的相關(guān)學(xué)者還開發(fā)了幾種應(yīng)用于瀝青路面的熱反射型降溫材料，并對實體工程進(jìn)行了鋪筑［3］。在我國，梁滿杰［4］嘗試將熱反射涂層應(yīng)用于瀝青路面以降低路面溫度;王良艷［5］對應(yīng)用于鋼橋面鋪筑工程的太陽熱反射涂層進(jìn)行了探索，重點對其降溫效果及機(jī)理進(jìn)行了研究，但對涂層施工技術(shù)和耐磨耐久等性能評價較少。筆者針對瀝青路面熱反射瀝青涂層施工工藝，并結(jié)合試驗路的鋪筑，對瀝青路面熱反射涂層性能進(jìn)行了研究。

1 施工工藝研究

1.1 涂層固化進(jìn)程研究

太陽熱反射涂層材料是由一種樹脂類材料A和一種固化劑B組成的雙組分材料。當(dāng)A組分與B組分混合后會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成具有一定強(qiáng)度的涂層。環(huán)境溫度與路面溫度均會影響A、B組分反應(yīng)速度。溫度過低，涂層反應(yīng)速度慢，交通開放時間較長;溫度過高，導(dǎo)致涂層反應(yīng)速度快，不利于施工操作。因此，筆者通過研究溫度對材料黏度以及涂層不黏胎干燥時間的影響，結(jié)合兩者確定出涂層施工時適宜的大氣溫度和路面溫度。

1.1.1 溫度對涂料黏度的影響

熱反射涂料是一種雙組分樹脂材料，溫度對其黏度影響較大。涂料的黏度影響著施工操作及開放交通的時間，因此研究溫度對涂料黏度及涂層最大操作時間的影響對控制涂料施工溫度和使用質(zhì)量具有重要的意義。

參照黏度測定法規(guī)范［6］，采用一種便攜式涂4杯進(jìn)行涂料黏度測試。測試中，在一定溫度條件下，測量定量試樣從規(guī)定直徑的孔全部流出的時間，以S表示，然后將流出時間(S)換算成運(yùn)動黏度，mm2/s。

式中:t為流出時間，s;v為運(yùn)動黏度，mm2/s。

配制150 g A組分涂料，加入固化劑后，將涂料放置于設(shè)定有一定溫度的烘箱中保持一定時間。采用黏度儀每隔5min測試不同溫度下的涂料黏度值，如圖1。

圖1 溫度對涂料黏度的影響Fig.1 Effect of temperature on viscosity

由圖1可見，涂料黏度在不同溫度下的初始值較低，均在150～300mm2/s之間;在反應(yīng)初期黏度值基本穩(wěn)定，隨黏度逐漸增加，后期產(chǎn)生突變，最后出現(xiàn)凝膠現(xiàn)象。由圖1還可知，隨著溫度升高涂料初始黏度降低，同時溫度的提高會加快涂料反應(yīng)速率，縮短凝膠時間。

可以看到，當(dāng)溫度為20℃時，在0～20 min時，黏度值變化很小，在25～30 min時，黏度值逐漸增大，從30 min開始，黏度值變化幅度急劇增大，40 min時涂料產(chǎn)生凝膠;溫度為35℃時，前10 min，黏度值變化不明顯，但15 min時涂料產(chǎn)生凝膠，黏度值不再增大。

不同溫度下涂層的最大施工操作時間是指從混合雙組份涂料至完成涂布的時間。因此，針對涂料黏度受溫度變化影響較大及后期黏度會出現(xiàn)突變并迅速產(chǎn)生凝膠的情況，結(jié)合黏度試驗結(jié)果，測試了涂層在不同溫度下的最大施工操作時間，見圖2。

圖2 氣溫對涂層最大施工操作時間的影響Fig.2 Effect of temperature on maximum operating time

由圖2可以看出，氣溫變化對涂層最大施工操作時間的影響較大，當(dāng)大氣溫度高于30℃時，涂層最大施工操作時間不到15 min。不僅如此，路面溫度與氣溫往往也存在明顯差異，不同的路面溫度也會對涂層的固化速率及時間產(chǎn)生影響。因此，建議對熱反射涂層材料進(jìn)行施工時氣溫應(yīng)低于30℃，路面溫度應(yīng)低于40℃，否則不易控制涂層施工。

1.1.2 不黏胎干燥時間

熱反射涂層從凝膠到表干還有一段時間，涂層完全干燥后才能夠開放交通，保證其使用性能。因此還需進(jìn)一步研究溫度對涂層的固化時間即不黏胎干燥時間的影響，確定快速開放交通的時間。

熱反射涂層不黏胎干燥時間的測試方法參照《路面標(biāo)線涂料》中的測試方法:①預(yù)先備好一批規(guī)格為150 mm×150 mm×50 mm的瀝青混凝土試件和不黏胎時間測定儀;②在試件上均勻涂布太陽熱反射涂層，涂布量為0.4 kg/m2，待完成后立即記時;③將試件放置于設(shè)有一定溫度的恒溫烘箱中;③待涂料初凝，在涂覆有涂層試件面上滾動不黏胎時間測定儀，觀測是否有涂料黏附滾輪，若有，就用溶劑擦除并計時;④之后以1次/min按前述滾動，直至滾輪不黏附涂料計時即涂層不黏胎干燥時間。不同溫度下測試結(jié)果如表1。

表1 防滑粒料的性能技術(shù)指標(biāo)Table 1 Performance indexes of antiskid aggregates

圖3 溫度對涂層不黏胎干燥時間的影響溫度對涂料黏度的影響Fig.3 Effect of temperature on non-stick tire drying timeEffect of temperature on viscosity

由圖3可見，混凝土試件溫度對涂層不黏胎干燥時間的影響較大。當(dāng)混凝土試件溫度低于15℃，此時涂層不黏胎干燥時間超過160 min，時間過長，不利于實現(xiàn)交通快速開放;當(dāng)混凝土試件溫度升至20℃時，涂層不黏胎干燥時間已縮短至120 min內(nèi)。因此，建議在進(jìn)行熱反射涂層施工時，路面溫度不宜低于20℃。

從以上分析可得出，為保證熱反射涂層具有足夠施工時間并實現(xiàn)涂層施工后的快速開放交通，建議涂層施工時氣溫保持為15～30℃，瀝青路面溫度保持為20～40℃。

1.2 施工工藝流程

由涂層材料特性可知，氣候、路面溫度變化對施工產(chǎn)生的影響;除此之外，路面、交通等狀況都會影響施工進(jìn)程及涂層后期使用性能。因此，筆者結(jié)合實際對施工提出以下要求提出太陽熱反射涂層的施工工藝流程為。

1)瀝青路面預(yù)處理。熱反射材料要求原路面具有良好的平整度。因此，對于表面不夠平整的新舊路面，在使用熱反射涂層前需要進(jìn)行打磨處理，使路面具有一定的平整度。

2)路面清掃。采用掃帚、高壓氣流鼓風(fēng)機(jī)等工具將路面上的垃圾、灰塵等雜物清除干凈，確保在涂層施工前路面保持清潔。對該路段進(jìn)行嚴(yán)格交通管制，避免行人特別是車輛進(jìn)入施工地段。

3)涂布第1層涂層。預(yù)先將施工面積進(jìn)行分割，再以0.4 kg/m2的涂料涂布量采用人工滾涂或機(jī)械噴涂的方式進(jìn)行施工，盡量保證涂層用量均勻。

4)撒布第1層防滑粒料。采用人工或機(jī)械噴灑的方式進(jìn)行防滑粒料的撒布，撒布量為0.5 kg/m2。撒布完成后進(jìn)行30～60 min養(yǎng)生以確保防滑粒料固定于涂層。

5)涂布第2層涂料。待第1層涂料和防滑粒料施工完成，且養(yǎng)生結(jié)束后，以0.4 kg/m2的涂布量涂布第2層涂料。

6)撒布第2層防滑粒料(最后加工)。按照操作方式4)，以0.3 kg/m2撒布量撒布第2層防滑粒料，然后對路面進(jìn)行1～2 h的養(yǎng)生。

7)待兩層涂料和防滑粒料施工結(jié)束后，根據(jù)不同氣溫和路面溫度狀況決定開放交通時間，夏季開放交通時間為1 h，冬季為2 h。

2 熱反射涂層在試驗路的應(yīng)用情況

試驗路段選在重慶交通大學(xué)校園內(nèi)一條瀝青混凝土行車道上，車道常年交通量較小。路面結(jié)構(gòu)為:3 cm細(xì)粒式密級配瀝青混凝土AC-13上面層+5 cm中粒式密級配瀝青混凝土AC-16下面層+20 cm二灰級配碎石基層，瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)Fig.4 Pavement structure of asphalt concrete

由于試驗路面積較小，因此采用滾刷刷涂的人力施工方式。試驗設(shè)備有螺旋攪拌機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、涂料涂布設(shè)備、骨料撒布設(shè)備和掃帚、膠帶等。

實驗路鋪筑中，涂層鋪筑面積和相鄰路段對比試驗路段面積大致相同，約為100 m2。其中，涂層鋪筑路段中停車區(qū)部分依次鋪成紅、黃、綠和藍(lán)等4種顏色，另外半幅鋪成單一的灰色。

圖5是施工后試驗路全景和近景，可以發(fā)現(xiàn)涂布涂層后的路面外觀美觀，表面撒布防滑粒料后具有一定粗糙度。

圖5 路面施工完成后Fig.5 Completed Road

3 試驗路性能評價

試驗路鋪筑后，對太陽熱反射涂層的降溫效果、抗滑性進(jìn)行了綜合性評價。

3.1 試驗路降溫效果評價

3.1.1 鉆取芯樣

首先，用鉆芯機(jī)分別在太陽熱反射涂層試驗路段和對比的瀝青路段上鉆芯取樣，并在芯樣的2 cm和4 cm深處鉆取深度約為5 cm的孔;第2，在孔內(nèi)埋入溫度傳感器并用瀝青密封嚴(yán)實;第3，將芯樣放回原處，芯樣周圍空隙采用加熱的細(xì)粒式瀝青混合料經(jīng)振搗填補(bǔ)并壓實;最后，利用溫度測試系統(tǒng)，跟蹤記錄不同季節(jié)、不同時段下兩種路面的溫度。

3.1.2 夏季高溫季節(jié)溫度測試

圖6為夏季高溫季節(jié)太陽熱反射涂層路面和瀝青路面溫度對比關(guān)系。圖6中，8月30日為夏季晴天溫度數(shù)據(jù)，與瀝青混凝土路面相比，太陽熱反射涂層路面2 cm和4 cm處溫度都較低，白天最大降溫值約8.7℃，夜間最大降溫值約2℃，由此可見太陽熱反射涂層路面較瀝青路面具有明顯的降溫效果。8月31日是雨天的溫度測試結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)在雨天太陽熱反射涂層路面2 cm和4 cm處溫度仍比瀝青路面溫度低，降溫值約為2℃。這可能是由于在雨天時，路面仍會反射一部分近紅外線，因此溫度較瀝青路面略低。

圖6 夏季高溫下普通瀝青路面和涂層路面的溫度Fig.6 The temperature of asphalt pavement and coating pavement at high temperature in summer

3.1.3 冬季低溫季節(jié)溫度測試

12月11日—13日的溫度測試結(jié)果如圖7。

圖7 冬季低溫下普通瀝青路面和涂層路面的溫度Fig.7 Temperature of asphalt pavement and coating pavement at winter cold season

由圖7可見，12月11日—13日的溫度數(shù)據(jù)表明，冬季低溫時熱反射涂層路面2 cm和4 cm處溫度較普通瀝青路面溫度略低，僅1℃左右。該結(jié)果表明冬季時的涂層路面無明顯的降溫效果。

從以上分析可知，太陽熱反射涂層在高溫季節(jié)降溫效果明顯，最大降溫值約8.7℃;而在冬季低溫季節(jié)降溫幅度很小，涂層無明顯降溫效果。

3.2 抗滑性分析

太陽熱反射涂層涂布于瀝青路面，必然會改變原路面的表面特性，進(jìn)而改變了車輛輪胎的接觸狀態(tài)。參照公路路基相應(yīng)規(guī)程［7］規(guī)定的方法對實驗路路面摩擦系數(shù)進(jìn)行測試，采用擺式儀對涂布涂層前后路面的抗滑值進(jìn)行測量，每次選6個測試點，取平均值計算，見圖8。

圖8 摩擦系數(shù)測定儀Fig.8 The analyzer of friction coefficient

防滑粒料的添加大大提高了路面抗滑值，其行車安全性得到了有效保證。在試驗路段施工完成初期，抗滑值較原有路面增加了27%。試驗路完成施工半年后，由于車輛及行人的摩擦作用使其抗滑值有一定程度降低，但仍高于未涂布涂層的原瀝青路面，表明使用半年后涂層仍保持較好的抗滑性，見圖9。

圖9 防滑粒料對試驗路抗滑值的影響Fig.9 Effect of antiskid aggregates on BPN of the pavement

4 結(jié)論

1)通過研究溫度對涂料的黏度及涂層不黏胎干燥時間的影響，建議涂層施工時氣溫保持為15～30℃，瀝青路面溫度保持為20～40℃。

2)提出瀝青路面太陽熱反射涂層的施工工藝流程。實驗路的鋪筑表明熱反射涂層具有施工工藝簡便，施工操作便于控制，快速開放交通等優(yōu)點。熱反射涂層可以做成多種顏色，美化道路。

3)測試了熱反射涂層試驗路和瀝青路面的溫度。結(jié)果表明:涂層在夏季高溫時，可有效地降低路面溫度，最大降溫值為8.7℃;在低溫季節(jié)降溫效果很小。

4)撒布防滑粒料后的熱反射涂層路面抗滑性較原路面顯著提高;在校園試驗路交通量較小的情況下，使用半年后的涂層路面仍保持良好的抗滑性。

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