瀝青路面熱反射涂料老化規律及其機理探討

唐伯明，袁 穎，曹雪娟，田春玲,余 苗

(1.重慶交通大學 交通土建工程材料國家地方聯合工程實驗室，重慶 400074; 2.重慶交通大學 土木建筑學院，重慶 400074)

?

瀝青路面熱反射涂料老化規律及其機理探討

唐伯明1,2，袁 穎2，曹雪娟2，田春玲2,余 苗1

(1.重慶交通大學 交通土建工程材料國家地方聯合工程實驗室，重慶 400074; 2.重慶交通大學 土木建筑學院，重慶 400074)

針對瀝青路面熱反射涂層在使用中出現老化并導致降溫效果下降的問題，探討了涂層的老化規律及老化機理。在對涂層進行為期一年的自然老化試驗過程中，通過對其表面形貌的觀察，以及紅外光譜測試、反射率測試、降溫效果測試，得出以下結論：太陽輻照量是引起涂層老化的重要因素之一；涂層在老化過程中形成了碳氧雙鍵并發生了碳碳雙鍵的斷裂，其中碳氧雙鍵所構成羰基官能團易吸收可見光和近紅外光，引起涂層中樹脂透光率的下降，從而導致涂層反射率的下降；反射率與降溫效果具有一定的相關性，且均隨老化時間的增加而下降。

道路工程；熱反射涂料；太陽輻射；老化規律；反射率；降溫值

0 引 言

瀝青路面熱反射涂料是針對瀝青路面夏季易產生車轍病害及加劇城市熱島效應而研發的一種新型路面材料。日本自2002年開始在熱反射涂料上進行了研究，并實施了少量實體工程[1]。

近年來，由于熱反射涂料可有效降低瀝青混凝土路面溫度而受到國內學者關注。梁滿杰[2]對瀝青路面光熱效應機理及熱反射涂料的相關技術進行了研究，其研究表明只有大幅度的改變瀝青路面表面的熱吸收和輻射特性，才能有效的降低瀝青路面表面的熱平衡溫度。馮德成，等[3]開發了以硅丙乳液作為基料，空心玻璃微珠作為功能填料的路用熱反射涂料。徐永祥，等[4]對太陽熱反射涂料基本原理、測試方法以及原材料對性能的影響進行了分析。曹雪娟，等[5]及黃文紅，等[6]以不飽和聚酯為成膜物質，加入納米TiO2、SiO2等功能性填料，制備了聚酯類熱反射涂料，固化后的熱反射涂料可稱其為熱反射涂層，該熱反射涂層可有效降低路面溫度達10 ℃左右。陳肅明，等[7]采用ANSYS CFX建模分析了熱反射涂層路面、普通瀝青路面、水泥路面的溫度場，結果表明反射率越高，路面表面溫度越低。

然而熱反射涂層在使用過程中，受到應用環境中水、空氣、污染物以及太陽輻射的綜合作用，易發生老化并導致其降溫效果下降。目前，對于涂料老化的研究較少，主要集中在改性復合涂料、卷材涂料及常用外墻涂料上[8-9]，通常采用典型環境自然曝曬老化及人工加速老化的方法[10-11]，對其老化性能進行評價。

針對瀝青路面熱反射涂層老化問題，筆者對不同老化時間下熱反射涂層表面形貌、分子結構、反射率及降溫效果等方面進行研究，并建立反射率與降溫值的關系，探討熱反射涂料老化規律及老化機理。

1 老化實驗

1.1 實驗原料

研究對象為重慶交通大學研制的瀝青路面熱反射涂料，該涂料以不飽和聚酯樹脂為成膜物質，納米TiO2與SiO2為填料，過氧化甲乙酮(MEKPO)/環烷酸鈷體系為固化體系，色調為酞青蘭，其基本技術指標如表1。

表1 熱反射涂料技術指標

1.2 實驗方法

1.2.1 自然光化實驗

選用AC-13級配成型數塊150 mm×150 mm×50 mm的瀝青混凝土測試板，在試件表面涂布熱反射涂料，置于樓頂進行自然老化，每90 d對試件形貌進行觀測。

1.2.2 紅外分析

在自然老化過程中，每30 d對老化試件上的熱反射涂層進行取樣，采用Spectrum傅立葉變換紅外光譜測試涂料在中紅外區4 000～400 cm-1(2.5～25 μm)的紅外光譜，分辨率為4，掃描次數為20。

1.2.3 降溫效果測試

為了測試不同老化時間下熱反射涂層的降溫效果，每30 d進行瀝青混凝土試件內部降溫效果對比測試。將有熱反射涂層的試件和無熱反射涂層的試件分別放置于自制溫度測試箱兩側，調節室內氣溫值23±2 ℃。碘鎢燈距試件底部高度為30 cm，開啟碘鎢燈，測試并記錄兩塊試件內部距離表面2 cm處的溫度值。本實驗采用自制熱反射涂料溫度測試箱，實驗器材如圖1。

圖1 熱反射涂層降溫效果測試

1.2.4 反射率測試

反射率是物體表面的反射性質，其定義為物體表面的反射輻射值與總輻射值之比，反射率可用式(1)表示：

(1)

式中：αp為反射率；Lλ為反射輻射值，W/m2；Eλ為總輻射值，W/m2。

為分析熱反射涂層的老化機理，在重慶交通大學某實驗室樓頂涂布了一塊2m×2m的試驗段，在涂層自然老化過程中，以30d為周期，采用QTS-4全天數據采集儀進行涂層反射率測試。

2 實驗結果分析

2.1 表面形貌分析

試件的自然老化時間為2012年9月至2013年8月，依次經歷了秋、冬、春、夏4個季節。從圖2中可以看出，由于涂層在自然界受到光熱氧的作用，有機顏料分解，導致涂層在老化270d時有明顯泛白現象；此外，隨著夏季太陽輻照量增大，涂層中的樹脂加速粉化變脆，導致涂層加速老化并出現開裂現象。這是由于紫外線的高能量會使大分子鏈發生斷裂形成自由基，這些自由基又形成新的分子鏈，導致涂層中樹脂的化學結構發生了改變并產生內應力，當內應力達到一定程度，涂層表面便出現裂紋。

圖2 熱反射涂層形貌

2.2 紅外光譜測試及分析

熱反射涂層在交聯固化過程中會產生如下化學反應：

其中：X是網狀結構的延續。

圖3 熱反射涂層的紅外光譜分析

比較紅外光譜圖中的各個峰的峰位可以發現，老化前后產生的峰位基本一致，只是峰的吸收強度不同。為定量研究熱反射涂層各官能團隨老化時間的變化，現提出3個評價指標，分別為羰基指數(CI)、羥基指數(QI)及烯烴基指數(XI)，其計算式如下：

式中：A(C=O)為羰基吸收峰面積；A(-OH)為羥基吸收峰面積；A(C=C)為烯烴基吸收峰面積；A總為光譜總面積。

由計算結果可得，熱反射涂層材料在老化過程中，生成了羥基和羰基，碳碳雙鍵發生斷裂。一方面，在光氧作用下，大分子烷基自由基與氧結合生成過氧自由基，之后過氧自由基奪取氫原子(分子間或分子內)生成氫過氧化物，氫過氧化物分解生成烷基自由基，后者發生斷鏈生成大分子羧基自由基。同時，鏈增長過程中生成了醇類化合物；另一方面，熱反射涂層在老化前以交聯固化為主，分子中還含有未參與反應的烯烴，當老化90d后，交聯固化完成，因此雙鍵峰明顯減弱。

2.3 反射率與降溫值測試及綜合分析

反射率是評價熱反射涂層降溫效果最重要的指標，它反映了熱反射涂層反射太陽輻射的能力。采用QTS-4全天數據采集儀采集2012年9月至2013年8月每個季度的太陽反射輻射值和總輻射值。圖4為太陽在不同季節一天中08:30—17:30時的平均輻射變化曲線。

圖4 不同季節太陽輻射值

從圖4可知不同季節一天中太陽輻射值變化趨勢基本相同，近似呈正態分布，其中，秋、冬、春這3個季節太陽輻射值相差不大，最大輻射值為500 W/m2；夏季太陽總輻射值明顯增加，最大值達到800 W/m2。一天中，10:00—16:00太陽輻射值相對較大，正午時達到峰值，是熱反射涂層發揮降溫作用的主要時間段。因此，將10:00—16:00作為熱反射涂層反射率的重點分析時段。圖5為不同季節下熱反射涂層反射率在該時段的變化。

圖5 不同季節一天中反射率變化趨勢

由圖5可以看出，一天中熱反射涂層的反射率基本保持平穩，而夏季反射率明顯低于其他3個季節，主要由于夏季太陽輻照量增加，導致熱反射涂料加速老化，影響其反射率。

為探討涂層反射率與降溫值之間的關系， 2012年9月到2013年8月實驗期間每30 d測試熱反射涂層的反射率，測試結果取其平均值，太陽輻射值與反射率見表2。

表2 太陽輻射值與反射率

表2中的數據表明：反射率隨時間呈遞減趨勢，其變化趨勢如圖6。

圖6 反射率隨時間變化趨勢

從圖6可知，2012年9月至2013年4月，熱發射涂層反射率衰減速度緩慢，下降值為7.66%；2013年4月至8月，熱反射涂層反射率衰減速度加快，下降值為15.51%，即經歷夏季老化后的熱反射涂層反射率值下降幅度是經歷秋、冬、春這3個季節老化后的2倍。這是由于重慶位于中亞熱帶的四川盆地東部，屬于典型的中亞熱帶季風氣候，秋多陰雨，冬多云霧，日照時間相對較低。夏季累計的太陽輻照量占全年太陽總輻照量的40%左右。因此，結合實驗數據可知太陽輻照量可引起熱反射涂層老化，是影響涂層反射率的重要因素。

在相同照射條件下，通過對有、無熱反射涂層的混凝土試件進行溫度對比測試，熱反射涂層在不同老化時間下的降溫效果如圖7。

圖7 熱反射涂層降溫值隨時間的變化

對一年中每月所測熱反射涂層的反射率和降溫值進行擬合，得到圖8中的線性關系式：y=26.034x+0.200 2。擬合結果表明熱反射涂層的反射率每下降0.1，其降溫值約下降2.6 ℃。由熱反射涂層的反射率與降溫值的關系式可知：當熱反射涂層反射率為23.91%時，理論降溫值為6.4 ℃，與實際降溫值相近。

圖8 熱反射涂層反射率與降溫值關系擬合曲線

3 結 論

對瀝青路面不飽和聚酯熱反射涂層進行了一年的自然老化試驗，分析實驗結果得出如下結論：

1)涂層在老化過程中，有機顏料分解，內部分子結構變化并產生內應力，導致涂層表面出現泛白、開裂及剝落等現象。

2)紅外光譜測試表明，隨老化時間的延長，碳碳雙鍵峰減弱，羥基峰及羰基峰增強，羰基作為吸能基團易吸收可見光和近紅外光，引起不飽和聚酯樹脂透光率下降，從而增加熱反射涂層對太陽熱的吸收率，使其降溫效果降低。

3)夏季太陽輻照量增加會加快熱反射涂層的老化，導致反射率下降。

4)對熱反射涂層的降溫值與反射率進行線性擬合，擬合結果表明，反射率每下降10%，降溫值約下降2.6℃。

[1] 曹雪娟.瀝青路面不飽和聚酯熱反射涂料研制及性能評價[D].重慶:重慶交通大學,2011. Cao Xuejuan.Preparation and Performance Evaluation Of Unsaturated Polyester Heat-Reflective Coating for Asphalt Pavement[D].Chongqing:Chongqing Jiaotong University,2011.

[2] 梁滿杰.瀝青路面光熱效應機理及熱反射涂層技術研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2006. Liang Manjie.Asphalt Pavement Light Thermal Reaction Mechanism and Heat-Reflection Coating Engineering Research [D].Harbin:Harbin Institute of Technology,2006.

[3] 馮德成,張鑫.熱反射涂層開發及路用性能觀測研究[J].公路交通科技,2010,27 (10):17-20. Feng Decheng,Zhang Xin.Development of heat reflection coating and observation of its road performance[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development,2010,27 (10):17-20.

[4] 徐永祥,李運德,師華,等.太陽熱反射隔熱涂料研究進展[J].涂料工業,2010,40(1):70-73. Xu Yongxiang,Li Yunde,Shi Hua,et al.Present situation and progress of solar heat reflective thermal insulating coatings[J].Paint & Coatings Industry,2010,40(1):70-73.

[5] 曹雪娟,唐伯明,朱洪洲.降低瀝青路面溫度的熱反射涂層性能研究[J].重慶交通大學學報:自然科學版,2010,29(3):391-393. Cao Xuejuan,Tang Boming,Zhu Hongzhou.Study on performance of heat-reflective coat of lowering asphalt pavement temperature[J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2010,29(3):391-393.

[6] 黃文紅,王偉,劉軍,等.太陽熱反射涂層試驗路鋪筑及性能評價[J].重慶交通大學學報:自然科學版,2012,31(5):982-985. Huang Wenhong,Wang Wei,Liu Jun,et al.Construction and performance evaluation of solar heat-reflecting coating test road[J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2012,31(5):982-985.

[7] 陳肅明,黃文紅,羅婷倚,等.熱反射涂層路面溫度場模型建立與分析[J].重慶交通大學學報:自然科學版,2012,31(1):44-47. Chen Suming,Huang Wenhong,Luo Tingyi,et al.Establishment and analysis of temperature field model of heat-reflective coating pavement[J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2012,31(1):44-47.

[8] 邵會菊,胡智,薛斌,等.氟樹脂改性漆酚復合涂料的老化性能研究[J].化工新型材料,2010,38(4):156-159. Shao Huiju,Hu Zhi,Xue Bin,et al.Study on the anti-aging properties of urushiol/fluoro-siloxane resin[J].New Chemical Materials,2010,38(4):156-159.

[9] 王利群,吳奎錄,馮春苗,等.卷材涂料老化性能的影響因素[J].涂料工業,2010,4(4):25-28. Wang Liqun,Wu Kuilu,Feng Chunmiao,et al.Factors influencing weather resistant performance of coil coatings[J].Paint & Coatings Industry,2010,4(4):25-28.

[10] 盧言利.有機涂層高原環境影響參數分析及老化機理研究[J].涂料工業,2012,42(4):12-16. Lu Yanli.Ageing mechanisms and influencing factors for organic coatings used in plateau environment[J].Paint & Coatings Industry,2012,42(4):12-16.

[11] 顏景蓮.聚酯粉末涂料的老化[J].涂料工業,2008,38(2):58-60. Yan Jinglian.Weathering performance of polyester powder coating[J] Paint & Coatings Industry,2008,38(2):58-60.

Research on Ageing Process and Mechanism of Heat-Reflective Coating of Asphalt Pavement

Tang Boming1,2, Yuan Ying2, Cao Xuejuan2, Tian Chunling2, Yu Miao1

(1. National and Regional United Engineering Lab for Communications Construction Materials,Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China；2.School of Civil Engineering & Architecture,Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

The heat-reflective coating for asphalt pavement is subject to ageing processes which affect its cooling performance. The aging laws and mechanism of heat-reflective coating were surveyed. The methods used in the study are known as natural aging test, surface observation, FTIR , reflectivity measurement, cooling performance test. The results of the experiment indicate that one of the key factors on ageing is the quantity of solar irradiation. In addition, the heat-reflective coating aged with carbon-carbon double bond cleavage and carbon-oxygen double bond formation which can cause the reduction of reflectivity. Also, there are some correlation between reflectivity and cooling performance and both of them decreased with aging time.

road engineering; heat-reflective coating; solar radiation; ageing mechanism; reflectivity; cooling values

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.03.10

2014-01-07；

2014-04-18

交通運輸部科技項目(20113188141300)；重慶交通大學交通土建工程材料國家地方聯合工程實驗室開放基金項目(LHSYS-2012-006)

唐伯明(1962—)，男，江蘇東臺人，教授，博士，博士生導師，主要從事道路工程及路面材料方面的研究。E-mail: tbm@netease.com。

U414

A

1674-0696(2015)03-047-05