瀝青路面功能梯度多層結(jié)構(gòu)涂層的制備及性能研究

王 偉

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

瀝青路面因其開放交通早、行車舒適、振動(dòng)小、耐磨等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于二級(jí)及二級(jí)以上公路。但瀝青路面在夏季高溫季節(jié)容易出現(xiàn)車轍，隨著城市熱島效應(yīng)加劇，給道路養(yǎng)護(hù)及城市居住環(huán)境帶來一定程度的影響，對(duì)此國內(nèi)外道路學(xué)者對(duì)遮熱涂層做了一系列研究。

曹雪娟[1]等人研制了一種新型遮熱反射材料，對(duì)有無涂覆涂層的試片溫差來進(jìn)行比較。陳玉靜[2]提出了一種新型適用于冰川凍土的反射涂層結(jié)構(gòu)。馮德成[3]以路用性能及經(jīng)濟(jì)性能為出發(fā)點(diǎn)開發(fā)熱反射涂層材料。國外[4]的一項(xiàng)專利介紹了深色反射涂層，該涂層一定程度上可降低路表溫度及防眩光。

上述國內(nèi)外研究成果對(duì)于緩解城市熱島效應(yīng)意義重大，然而因其降溫效果不突出，難以在實(shí)際中推廣。因此，本文以鐵鉻黑為顏料，二氧化鈦為反射型材料，中空玻璃微珠為功能型材料，研究材料類型及涂層結(jié)構(gòu)對(duì)涂層降溫性能的影響，并采用擺式摩擦儀評(píng)價(jià)涂層的路用性能，室內(nèi)磨耗儀測試涂層的磨耗能力，研究成果對(duì)于解決夏季高溫路面車轍問題及抑制城市溫度過高具有重要意義。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

1.1.1 瀝青混合料試件

試件瀝青混合料級(jí)配為AC-13，級(jí)配見表1。室內(nèi)模擬太陽光輻射試驗(yàn)的試件從標(biāo)準(zhǔn)車轍板上切成四等份，尺寸為150 mm×150 mm×50 mm；用于抗滑及耐磨試驗(yàn)的大型瀝青混合料試件尺寸為500 mm×500 mm×80 mm。

表1 AC-13級(jí)配

1.1.2 不同結(jié)構(gòu)層次的涂層制備

本文在參照文獻(xiàn)及調(diào)研的基礎(chǔ)上[5-10]，確定了涂層制作最佳的涂層用量為1 kg/m2。

1.1.2.1 單層制作方法

a）按初定的設(shè)計(jì)比例，在離子水中加入各類助劑（成膜助劑、分散劑、消泡劑、流平劑），恒溫?cái)嚢杵饕? 000 r/min的速度攪拌10 min。

b）加入二氧化鈦、中空玻璃微珠及鐵鉻黑顏料，以1 000 r/min的速度攪拌15 min。

c）加入改性丙烯酸乳液，以相同速度攪拌15 min，最終得到反射涂層。

1.1.2.2 多層制作方法

a）先制備底層。（a）按初定的設(shè)計(jì)比例，在離子水中加入各類助劑，恒溫?cái)嚢杵饕? 000 r/min的速度攪拌10 min。（b）加入二氧化鈦與中空玻璃微珠，恒溫?cái)嚢杵饕韵嗤俣葦嚢?5 min。（c）加入改性丙烯酸乳液，以相同速度攪拌15 min。

b）制作表面層。（a）按初定的設(shè)計(jì)比例，在離子水中加入各類助劑，恒溫?cái)嚢杵饕? 000 r/min的速度攪拌10 min。（b）加入鐵鉻黑顏料，繼續(xù)以1 000 r/min的速度攪拌15 min。（c）最后加入改性丙烯酸乳液，以相同速度攪拌15 min，得到表面層。

涂刷時(shí)，先在試件上涂刷二氧化鈦及中空玻璃微珠制成的下面層，再涂刷鐵鉻黑顏料制成的上面層，形成下表面層降溫，上表面層防眩光的整體效益。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 室內(nèi)輻射試驗(yàn)

本文旨在通過室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M自然光對(duì)瀝青路面的影響，探究自制涂層對(duì)瀝青路面升溫的抑制效果，采用500 W碘鎢燈為模擬光源，照射時(shí)間為150 min，采用溫度槍測其試件表面溫度，裝置見圖1。

圖1 室內(nèi)模擬自然光試驗(yàn)裝置

1.2.2 路用性能試驗(yàn)

利用擺值摩擦儀及室內(nèi)磨損機(jī)分別探究涂層的抗滑及耐磨性能，以探究瀝青路面遮熱反射涂層是否滿足瀝青路面路用性能要求，測試裝置見圖2所示。

圖2 路用性能試驗(yàn)相關(guān)儀器

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 單層結(jié)構(gòu)涂層降溫性能分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證單層涂層中顏料摻量、二氧化鈦、中空玻璃微珠摻量對(duì)試件降溫效果的影響，采用控制變量法對(duì)其進(jìn)行室內(nèi)模擬降溫試驗(yàn)。

2.1.1 鐵鉻黑摻量對(duì)涂層降溫性能的影響

為進(jìn)一步驗(yàn)證反射涂層中顏料摻量對(duì)涂層整體降溫效果，在控制其他變量相同，設(shè)置5%、10%、15%三個(gè)鐵鉻黑的摻量梯度，并設(shè)置未摻加鐵鉻黑的對(duì)照組進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)，以此進(jìn)行不同鐵鉻黑摻量梯度的涂層降溫效果分析，結(jié)果見圖3。

圖3 不同鐵鉻黑摻量下的涂層降溫示意圖

如圖3所示，試件中顏料摻量與其整體降溫效果呈正相關(guān)，當(dāng)鐵鉻黑摻量從0%～5%時(shí)，平均每個(gè)時(shí)刻下，摻量為5%試件表層溫度較對(duì)照組低2℃～3℃，涂層降溫效果不是十分明顯。其摻量進(jìn)一步提升至10%，涂層降溫效果提升明顯，該組降溫效果較前兩組降低5℃～10℃。當(dāng)鐵鉻黑濃度達(dá)到15%時(shí)，降溫效果雖有提升，但是增大幅度不明顯。綜合考慮降溫效果及經(jīng)濟(jì)性，鐵鉻黑濃度選定10%為宜。

2.1.2 反射型材料的摻量對(duì)涂層降溫性能影響

為進(jìn)一步探究試件中二氧化鈦對(duì)其冷卻效果的影響，配制了3%、8%、10%等3種濃度梯度的二氧化鈦涂層，并設(shè)置未摻加二氧化鈦的試件為對(duì)照組，以此進(jìn)行不同濃度梯度的試件降溫效果分析。不同摻量的二氧化鈦試件降溫效果見圖4所示。

圖4 不同二氧化鈦摻量下的試件降溫示意圖

如圖4所示，和圖3結(jié)果相似，二氧化鈦摻量的增加與涂層整體降溫效果亦呈正相關(guān)。其中當(dāng)二氧化鈦摻量從0%～3%時(shí)，其降溫效果不是十分顯著，3%摻量的試件表面溫度比對(duì)照組低2℃左右。當(dāng)二氧化鈦摻量繼續(xù)升高至8%，其降溫效率進(jìn)一步提高，降溫效果明顯，降低溫度可達(dá)5℃～8℃。當(dāng)其摻量繼續(xù)升高時(shí)，降溫效率基本趨于一定值。表明，當(dāng)二氧化鈦的摻量超過8%以后，增加的二氧化鈦的摻量不會(huì)顯著提高涂層的冷卻能力。綜合考慮降溫效果及經(jīng)濟(jì)性，二氧化鈦摻量選定為8%。

2.1.3 中空玻璃微珠的摻量對(duì)涂層降溫性能影響

為進(jìn)一步研究玻璃微珠摻量對(duì)涂層冷卻程度的作用，本文設(shè)置4個(gè)摻量的中空玻璃微珠，用量梯度為5%、10%、15%，并設(shè)置未摻加中空玻璃微珠的試件為對(duì)照組，并對(duì)該組涂層進(jìn)行降溫效果分析。不同摻量的中空玻璃微珠涂層降溫效果見圖5。

圖5 不同中空玻璃微珠摻量下的涂層降溫示意圖

如圖5所示，反射涂層試件降溫效果良好隨著反射涂層中中空玻璃微珠摻量的增加更顯著。其中當(dāng)其摻量從0%增加到5%時(shí)，試件降溫效果一般，升溫過程稍有起伏。但隨著其摻量達(dá)到15%時(shí)，試件的降溫效果雖有一定幅度上升但趨于穩(wěn)定。這可能是由于隨著中空微珠摻量的增加，導(dǎo)致其排列方式發(fā)生了改變，從而影響了試件的降溫效果。綜合降溫效果及經(jīng)濟(jì)性，選擇中空微珠的摻量為10%。

2.2 功能梯度多層結(jié)構(gòu)降溫性能分析

2.2.1 鐵鉻黑摻量對(duì)多層結(jié)構(gòu)涂層降溫性能的影響

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文開發(fā)的梯度多功能層中顏料摻量對(duì)復(fù)合式涂層整體降溫效果，本文在參考文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)置5%、10%、15%鐵鉻黑的摻量梯度，并設(shè)置未摻加鐵鉻黑的試件為對(duì)照組，以此進(jìn)行不同鐵鉻黑摻量梯度的復(fù)合式涂層降溫效果分析，結(jié)果見圖6。

圖6 不同鐵鉻黑摻量下的復(fù)合式涂層降溫示意圖

如圖6所示，復(fù)合式涂層其試件降溫效果和鐵鉻黑摻量亦呈正相關(guān)，各時(shí)刻下試件溫度均比單層涂層溫度低1℃～2℃。顏料摻量為5%時(shí)，試件降溫效果較良好，且隨著顏料摻量的提升，試件降溫性能雖有一定程度的提高，但變化幅度不大。這與單涂層中最佳顏料摻量略有不同，筆者認(rèn)為復(fù)合式涂層中，顏料與各功能型填料分開拌制，能各自充分發(fā)揮作用，不會(huì)相互干擾，顆粒分布均勻，能最大程度上冷卻路面結(jié)構(gòu)。考慮降溫效果及經(jīng)濟(jì)性，選擇摻量為5%的鐵鉻黑顏料配制復(fù)合式涂層。

2.2.2 二氧化鈦摻量對(duì)多層結(jié)構(gòu)涂層降溫性能的影響

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文開發(fā)的復(fù)合式涂層中二氧化鈦摻量的降溫效果，本文在參考文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，配制了3%、8%、10%摻量梯度的二氧化鈦涂層，并設(shè)置未摻加二氧化鈦的試件為對(duì)照組，以此進(jìn)行降溫效果分析，降溫效果分析見圖7。

圖7 不同二氧化鈦摻量下的復(fù)合式涂層降溫示意圖

如圖7所示，隨著二氧化鈦摻量的提升，試件的降溫效果逐步明顯，變化趨勢大體與相同摻量下的二氧化鈦單涂層溫度變化趨勢相同。對(duì)于復(fù)合式涂層來說，二氧化鈦摻量為8%時(shí)，涂層降溫效果最好。

2.2.3 中空玻璃微珠的摻量對(duì)多層結(jié)構(gòu)涂層降溫性能的影響

為進(jìn)一步研究玻璃微珠摻量對(duì)功能梯度多結(jié)構(gòu)層涂層冷卻程度的作用，本文設(shè)置4個(gè)摻量的中空玻璃微珠，用量梯度為5%、10%、15%，并設(shè)置未摻加中空玻璃微珠的試件為對(duì)照組，對(duì)其進(jìn)行降溫效果分析，結(jié)果見圖8。

圖8 不同中空玻璃微珠摻量下的復(fù)合式涂層降溫示意圖

如圖8所示，在一定范圍內(nèi)，中空玻璃微珠的摻量與梯度多層涂層降溫效果呈正相關(guān)。此處復(fù)合式涂層降溫效果與單層涂層有一定不同，觀察發(fā)現(xiàn)，在各溫度下，多層結(jié)構(gòu)的涂層降溫效果均比單層結(jié)構(gòu)效果好，其平均溫度比單涂層溫度低2℃～3℃。且中空玻璃微珠摻量為10%時(shí)效果最適宜，雖隨著其摻量提升，試件降溫效果會(huì)有一定程度的起伏，但是變化程度不大。綜合經(jīng)濟(jì)性及降溫效果，復(fù)合式涂層中中空玻璃微珠摻量為10%適宜。

3 涂層路用性能分析

3.1 單層結(jié)構(gòu)涂層路用性能分析

為進(jìn)一步探究所制成試件的抗滑性能，選取4種陶瓷顆粒撒布量（0 kg/m2、0.5 kg/m2、1 kg/m2、1.5 kg/m2）在常溫下測試試件的抗滑性。控制其他因素相同，每個(gè)陶瓷顆粒撒布量下制作3個(gè)平行試件，對(duì)其測試抗滑性能，取平均值作為擺錘值，結(jié)果顯示見圖9。為進(jìn)一步探究涂層的耐磨性能，用室內(nèi)磨損機(jī)對(duì)試件進(jìn)行評(píng)估探究，試件經(jīng)過磨損2 h后，計(jì)算其磨損前后質(zhì)量的損失來評(píng)價(jià)涂層的耐磨性能。具體試驗(yàn)結(jié)果亦見圖9所示。

圖9 不同陶瓷撒布量下的單層涂層擺值及磨損率

3.1.1 抗滑性能分析

由圖9可知，路表有涂層的試件，其擺值下降較為明顯。當(dāng)陶瓷顆粒為0～0.5 kg/m2，其試件表面擺值有一定程度增大，但增加效果不是十分明顯，當(dāng)撒布陶瓷顆粒繼續(xù)進(jìn)一步增加至1 kg/m2，其試件路表擺值顯著提高，但當(dāng)撒布量繼續(xù)增加時(shí)，其試件表面擺值反而減小。原因是陶瓷撒布量較大時(shí)可能會(huì)填補(bǔ)一些試件原有的孔隙等，導(dǎo)致路表構(gòu)造深度降低。綜上考慮路面的路用性及經(jīng)濟(jì)性，陶瓷撒布量為1 kg/m2較適宜。

3.1.2 耐磨性能分析

如圖9所示，所制備的涂層的耐磨性能隨著陶瓷顆粒的增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢。陶瓷用量從0 kg/m2升高至0.5 kg/m2，其試件磨損率增加，當(dāng)用量到1 kg/m2，其試件磨損程度加劇，試件整體損失率為1.6%，試件整體的耐磨性能仍較好，符合我國規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 功能梯度多層結(jié)構(gòu)涂層路用分析

為進(jìn)一步探究所制的功能梯度多層結(jié)構(gòu)抗滑性能及耐磨性能，選取4種陶瓷顆粒撒布量（0 kg/m2、0.5 kg/m2、1 kg/m2、1.5 kg/m2）在常溫下測試試件的抗滑性、耐磨性，制作及試驗(yàn)流程同上述單層結(jié)構(gòu)。具體試件擺值及質(zhì)量磨損率見圖10。

由圖10可知，雙層結(jié)構(gòu)涂層的擺值及試件磨損率的變化趨勢與單涂層變化大體相同，但可以發(fā)現(xiàn)復(fù)合式涂層，其擺值及耐磨性能均有一定程度的下降。當(dāng)陶瓷撒布量為1 kg/m2時(shí)，單涂層的擺值及質(zhì)量損失率分別為70 BPN、1.6%。梯度復(fù)合式涂層的擺值與質(zhì)量損失率分別為64 BPN、1.76%。對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，梯度多層結(jié)構(gòu)涂層，其路用性能下降了一定幅度，但仍滿足設(shè)計(jì)使用要求。

圖10 不同陶瓷撒布量下的復(fù)合式涂層擺值及磨損率

4 結(jié)論

a）本文所研制的梯度多層結(jié)構(gòu)涂層制備工藝簡單，相較于單層涂層結(jié)構(gòu)并無繁瑣的制作流程，涂層中鐵鉻黑、二氧化鈦、中空玻璃微珠摻量分別為5%、8%、10%時(shí)，梯度多層結(jié)構(gòu)涂層試件降溫效果最好。

b）本文研制的梯度多層結(jié)構(gòu)涂層試件降溫效果良好，比單層涂層結(jié)構(gòu)試件溫度低2℃～3℃，且其抗滑性能及耐磨性能仍滿足設(shè)計(jì)使用要求，研究結(jié)果對(duì)于冷卻夏季高溫天氣瀝青路面有積極的意義。