彩色熱反射噴涂材料路用性能

蔣應(yīng)軍，上官宇浩，李啟龍，易 勇

(長安大學(xué)，特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，西安 710064)

0 引 言

夏季瀝青路面溫度高，熱島效應(yīng)以及路面車轍等問題長時間得不到有效解決，多年來，國內(nèi)外道路工作者也對夏季瀝青路面降溫技術(shù)開展了大量研究。熱反射材料是一種對太陽熱輻射具有高反射率的材料[1]。近年來比較熱門的課題之一是借助涂層材料中的功能性粒子將太陽的熱輻射反射，或者將路面吸收的熱量輻射到外部空間，降低瀝青路表面及內(nèi)部結(jié)構(gòu)層溫度[2]。Anting等[3]精選出一種瓷磚集料作為路面涂層材料，使路面紅外反射率增大；Toraldo等[4]將水泥膠漿灌入到大孔隙開級配排水式瀝青磨耗層中，形成一種類似涂層的淺色膠漿膜，可使路表溫度降低14 ℃左右；Sokolov等[5]介紹了幾種顏色較深的太陽熱反射率涂層，涂有這種熱反射涂層的建筑物可以減少能量損耗2%～43%；Sha等[6]研究設(shè)計了一種特殊的熱反射涂層，這種涂層最高可以使路面溫度降低10 ℃；鄭木蓮等[7]開發(fā)了一種新型熱反射涂層，并通過試驗對涂層降溫效果進(jìn)行了測試，結(jié)果表明該涂層具有良好的隔熱效果；曹雪娟等[8]結(jié)合道路材料的特性，在瀝青路表面涂布一種熱反射涂層，該涂層可有效降低道路表面溫度5～10 ℃，且具有良好的耐磨性；馮德成等[9]研發(fā)了一種路面降溫?zé)岱瓷渫繉樱瑢岱瓷洳牧蠎?yīng)用到瀝青路面上可降低瀝青路表面溫度8.3～12.8 ℃。上述研究成果無疑對降低路面溫度、促進(jìn)熱反射涂層技術(shù)進(jìn)步具有重要意義，然而，上述研究成果大多單單聚焦于熱反射涂層對路面的降溫效果，而鮮見有對熱反射涂層路用性能的研究。

鑒于此，本文制備了一種彩色熱反射噴涂材料，并對其路用性能進(jìn)行評價。

1 彩色熱反射噴涂材料

基料對熱反射噴涂材料的強度、耐磨耗性、施工和易性起著重要作用。本文基料由A、B組成。

功能填料一般包括顏填料和著色顏料，它是決定熱反射噴涂材料降溫效果的關(guān)鍵成分[10]。顏填料為G、T。著色顏料為Z系列顏料(FL、FH、FS130、FS190、FB、FY、FO)，可配制成雞紅色，草綠色、橙色、深綠色、黃色、藍(lán)色6種顏色的熱反射噴涂材料。

助劑是熱反射噴涂材料的輔助成膜物質(zhì)，對施工和易性、材料離析、儲存穩(wěn)定性有明顯的影響[11]。助劑主要包含稀釋劑、潤濕分散劑、消泡劑、流平劑等[12-13]。稀釋劑為D，分散劑為H，消泡劑為N，流平劑為M。

彩色熱反射噴涂材料配方略。

2 彩色熱反射噴涂材料路用性能

2.1 阻熱性

阻熱性能試驗采用自主開發(fā)的光照模擬裝置見圖1，6種顏色噴涂材料阻熱效果見圖2。測試光照3 h后試件表面的溫度。按照規(guī)范級配中值制備AC-16車轍板試件[14-15]。

圖1 熱反射噴涂材料光照模擬裝置Fig.1 Illumination simulator for thermalreflective spraying materials

圖2 不同顏色不同噴涂材料用量試件與普通試件的溫差Fig.2 Temperature difference between the samples with different colors and different amounts of spraying materials andordinary samples

由圖2可知，當(dāng)模擬光照3 h后，噴涂材料隔熱效果隨噴涂材料用量的增加而提高，6種顏色噴涂材料中，隔熱效果最好的為雞紅色，最高阻熱溫度可達(dá)13.2 ℃，除耐溫變性能試驗，下文試驗皆選用雞紅色噴涂材料。其余熱反射噴涂材料阻熱溫度大小依次為草綠色(12.6 ℃)、橙色(12.3 ℃)、深綠色(12.2 ℃)、黃色(11.1 ℃)、藍(lán)色(9.6 ℃)。熱反射噴涂材料的阻熱效果隨用量的增加呈現(xiàn)上升趨勢。

2.2 抗滑性

熱反射噴涂材料噴灑量對路面抗滑性能的影響，試驗結(jié)果見圖3。由圖3可知，隨噴涂材料噴灑量的增加車轍板試件擺值不斷下降，且下降趨勢隨噴灑量的增加越來越明顯。由插值法可以推算出當(dāng)用量在0.73 kg/m2時，擺值為路用要求的45 BPN，所以噴涂材料用量應(yīng)該低于0.73 kg/m2，并且可以使用機制砂作為抗滑顆粒對噴涂材料的抗滑性加以改進(jìn)[16]。

2.3 長期性能

2.3.1 耐候性

(1)水穩(wěn)定性

圖3 噴涂材料不同噴灑量擺值試驗結(jié)果Fig.3 Pendulum test results of spraying materials with different spraying amounts

彩色熱反射噴涂材料的水穩(wěn)定性試驗結(jié)果見表1。用拉拔試驗儀測量恒溫60 ℃水煮72 h前后熱反射噴涂材料與車轍板試件瀝青面層的粘結(jié)強度，并觀察拉拔前后噴有噴涂材料試件的表面狀況。

由表1可知，0.35 kg/m2、0.55 kg/m2、0.75 kg/m2三種噴涂用量水煮前熱反射噴涂材料抗拉拔強度分別為0.80 MPa、0.79 MPa和0.78 MPa，水煮后熱反射噴涂材料抗拉拔強度分別為0.70 MPa、0.70 MPa和0.69 MPa，均滿足一般噴涂材料的抗拉拔強度要求(0.5～0.8 MPa)，且其水煮前后粘結(jié)強度比最低為87.5%，說明熱反射噴涂材料具有良好的抗水損害能力。

表1 熱反射噴涂材料水穩(wěn)定性測試結(jié)果Table 1 Water stability test results of thermal reflection spraying materials

(2)耐溫變性

彩色熱反射噴涂材料的耐溫變性試驗結(jié)果見圖4和表2。將0.55 kg/m2用量的熱反射噴涂材料噴灑在車轍板上，待其固化，自然環(huán)境中放置一周，將其置于-20 ℃的低溫控制箱中冷凍5 h，然后取出冷凍的試件立即置于60 ℃烘箱中保溫5 h，與留樣試件進(jìn)行對比分析。

圖4 凍融循環(huán)前后試件Fig.4 Specimens before and after freeze-thaw cycle

表2 不同顏色噴涂材料耐溫變性能試驗結(jié)果Table 2 Test results of temperature resistance of spraying materials with different colors

續(xù)表2

如圖4和表2所示，六種顏色試件經(jīng)一系列凍融循環(huán)、溫度變化試驗后，表面均沒有出現(xiàn)大幅度粉化、開裂、剝落、起泡和變色現(xiàn)象，說明彩色熱反射噴涂材料在經(jīng)受惡劣的自然環(huán)境后，仍能保持原有狀態(tài)，因此，彩色熱反射噴涂材料具有良好的耐溫變性能。

2.3.2 耐腐蝕性

彩色熱反射噴涂材料的耐腐蝕性試驗結(jié)果見表3。將噴涂材料分別浸泡在汽油、機油、50%HNO3溶液、20%NaOH溶液、20%NaCl溶液中，對比浸泡48 h前后材料的質(zhì)量變化、表觀變化。

表3 熱反射噴涂材料耐化學(xué)腐蝕性試驗結(jié)果Table 3 Test results of chemical corrosion resistance of thermal reflection spraying materials

由表3可知，噴涂材料經(jīng)過汽油、機油、50%HNO3溶液、20%NaOH溶液和20%NaCl溶液浸泡后，質(zhì)量損失很小，而瀝青在煤油中10 min之內(nèi)就可以完全溶解[17]，這表明噴涂材料有較好的化學(xué)穩(wěn)定性。噴涂材料經(jīng)有機溶劑和酸堿鹽溶液浸泡后，表面無變色、粉化、起泡等現(xiàn)象，說明噴涂材料與有機溶劑、強酸、強堿以及鹽溶液基本不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，再次驗證出熱反射噴涂材料具有較強的化學(xué)穩(wěn)定性。

2.3.3 耐磨耗性

彩色熱反射噴涂材料的耐磨耗性試驗結(jié)果表4。采用瀝青路面小型四輪加速磨耗儀進(jìn)行試驗[18]，該設(shè)備輪胎直徑為20 cm，寬4.5 cm，調(diào)整磨耗儀上方圓盤，設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)軸載0.7 MPa，設(shè)置轉(zhuǎn)速為5 000 r/h。

表4 噴涂材料磨耗前后試件質(zhì)量損失Table 4 Sample quality loss before and after abrasion of spraying materials

由表4可知，加速磨耗儀運行50 000轉(zhuǎn)后，不同噴涂材料用量試件均會損失一定的質(zhì)量損失，但都不超過1 g，磨耗損失率也低于1%，說明熱反射噴涂材料噴灑量不會影響噴涂材料件的耐磨性能；未噴灑噴涂材料試件的質(zhì)量損失要大于噴灑噴涂材料的試件，進(jìn)而可得出熱反射噴涂材料的耐磨性能要優(yōu)于瀝青混合料材料。

3 工程應(yīng)用效果

為驗證室內(nèi)試驗及理論分析成果，2018年7月5日在駐馬店市驛城區(qū)至焦桐省級公路K3+20～K3+140慢車道表面層鋪筑彩色熱反射噴灑材料試驗路，噴灑用量為0.55 kg/m2。

3.1 抗滑性

噴涂材料路面抗滑擺值測試結(jié)果見表5。

表5 噴涂材料抗滑性測試結(jié)果Table 5 Test results of resistance to sliding of spraying materials

由表5可知，試驗段不同位置處的擺值均在60 BPN左右，滿足路面行車要求。

3.2 阻熱性

為驗證彩色熱反射噴涂材料路面阻熱效果，分別于7月5日、8月5日、9月5日和10月5日對普通路面與熱反射噴涂路面進(jìn)行路表溫度測試，試驗結(jié)果見圖5。

圖5 試驗段路表面溫度隨時間變化規(guī)律Fig.5 Temperature changes of road surface with time in test section

由圖5可知，普通路表溫度與彩色熱反射噴涂材料路表溫度隨氣溫的變化而變化，且變化趨勢基本一致，路面表面溫度峰值均出現(xiàn)在15∶00左右。2018年7月5日，普通路表溫度峰值約為65.3 ℃，彩色熱反射噴涂材料路表溫度峰值約為58.7 ℃，噴涂材料路面阻熱約為7.5 ℃，2018年8月5日阻熱效果約為7.9 ℃，2018年9月5日阻熱為7.8 ℃，2018年10月5日噴涂材料路面阻熱為5.2 ℃。由溫度數(shù)據(jù)可知，噴涂材料路面鋪設(shè)2月后，隔熱效果依然得到保持，3月后噴涂材料阻熱效果略有降低，這是因為10月份氣溫有所下降，一天當(dāng)中，普通路表面溫度峰值約為60 ℃，故而彩色熱反射噴涂材料阻熱性能受到影響，但仍有約5 ℃的阻熱效果。

3.3 滲水性

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》的滲水試驗測試熱反射噴涂材料路面滲水性能，在彩色噴涂材料噴灑完成并干燥完畢后，分別選取了3個樁號位置進(jìn)行噴涂材料路面滲水性測試，并與普通路面滲水性作對比，滲水試驗見圖6，普通路面與熱反射噴涂材料路面滲水試驗結(jié)果對比見表6。

圖6 熱反射噴涂材料路面滲水性測試Fig.6 Thermal reflection coating material pavement water permeability test

表6 普通路面與噴涂材料路面滲水試驗結(jié)果Table 6 Seepage test results of ordinary pavement and spray material pavement

由表6可知，普通路面滲水系數(shù)平均在71 mL/min左右，噴涂完成當(dāng)天，熱反射噴涂材料路面滲水系數(shù)為0 mL/min，這是因為彩色熱反射噴涂材料在路面上形成了一層致密的膜，使得水分無法滲入路面，所以噴灑噴涂材料可顯著提高瀝青路面的抗?jié)B水能力。

3.4 耐久性

為驗證彩色熱反射噴涂材料路面的耐久性，試驗段完工后持續(xù)觀察試驗段彩色熱反射噴涂材料路面磨損和外觀變色情況。鋪筑完成時試驗路段的效果圖與鋪筑2個月后實驗路段的效果圖見圖7。

圖7 試驗段鋪筑效果圖Fig.7 Paving effect of test section

由圖7可以知，彩色熱反射噴涂材料路面經(jīng)過兩個月的行車荷載、風(fēng)吹日曬后，除少部分區(qū)域留有車輛輪胎印痕外，路面整體保持良好的外觀效果，并未發(fā)現(xiàn)開裂、剝落、粉化、變色、起泡等現(xiàn)象。由此說明，噴涂材料與瀝青路面材料表現(xiàn)出良好的變形協(xié)調(diào)性，彩色熱反射噴涂材料路面具有良好的耐久性能。

4 結(jié) 論

(1)研究了熱反射噴涂材料路用性能，研究表明：雞紅色，草綠色、橙色、深綠色、黃色、藍(lán)色六種顏色的彩色熱反射噴涂材料均具有一定的阻熱效果，噴涂材料的阻熱效果隨其用量的增加呈現(xiàn)上升趨勢且雞紅色噴涂材料阻熱效果最好，噴涂材料的耐腐蝕性能和耐溫變性能良好，在當(dāng)噴涂材料用量低于0.73 kg/m2時滿足路面抗滑要求，噴涂材料在加速磨耗儀運行50 000轉(zhuǎn)后磨耗損失率低于1%，其水煮前后均滿足抗拉拔強度要求，粘結(jié)強度比最低為87.5%。

(2)在河南省駐馬店市鋪筑的試驗段表明：噴有彩色熱反射噴涂材料的路面的平均擺值為60 BPN，其抗滑性滿足路用規(guī)范要求；噴涂材料在7～10月可以有效降低路面溫度5～8 ℃；試驗路鋪筑后兩個月仍能夠保持良好的狀態(tài)，表明彩色熱反射噴涂材料耐久性均符合路面使用要求；彩色熱反射噴涂材料可顯著提高路面的滲水性能。