瀝青路面水性丙烯酸熱反射涂層優化設計與路用性能

申愛琴，孔 濤，郭寅川，錢 謠，李 鵬

(長安大學，特殊地區公路工程教育部重點實驗室，西安 710064)

0 引 言

瀝青對太陽輻射的吸收率較高，使得路面溫度大幅度升高，加劇城市熱島效應，以致出現嚴重的車轍病害[1]。傳統的瀝青路面車轍病害防治措施主要包括優化路面結構及改善材料性能等，但這些措施未能從根本上解決車轍病害的直接原因——路面高溫，因此，亟須一種“主動”降溫措施。目前降低瀝青路面溫度的“主動”措施是在路表涂布熱反射涂層[2]。熱反射涂層主要分為溶劑型和水溶性兩類，與溶劑型涂層相比，水溶性涂層在研制及施工過程中無有機化合物(volatile organic compound, VOC)的排放，更符合綠色道路建設理念[3-5]。水性丙烯酸熱反射涂層是一種新型水溶性涂層，因具有降溫效果顯著、耐久性高、安全環保以及成本低等優點而備受關注[6]。

國內外學者對水性丙烯酸熱反射涂層開展了大量的研究。盧斌等[7]研究表明水性丙烯酸熱反射涂層的透光率高達89%，具有良好的降溫隔熱效果。于國玲等[8]研究發現水性丙烯酸熱反射涂層光澤度較高，抗老化性能較好。Cheng等[9]研究發現水性丙烯酸涂層可以顯著降低路表溫度，增強耐水性，提高抗車轍能力。Vlad Cristea等[10]認為水性丙烯酸涂層能大幅度降低夏季瀝青路表溫度，相容性較好，但未對其與路面的粘附性能及抗滑性能進行分析。Rahman等[11]研究表明水性丙烯酸涂層具有良好的韌性及降溫性能，并對其配合比進行初步分析。胡向陽等[12]研究發現水性丙烯酸涂料無毒無害，儲運方便，耐腐蝕性較好。在現有研究中，尚未進行水性丙烯酸熱反射涂層的配合比優化設計，對水性丙烯酸熱反射涂層室內外降溫效果及其相關性的研究不夠深入，缺乏基于降溫功能的路用性能參數對比分析。

鑒于此，本文首先通過正交試驗對水性丙烯酸熱反射涂層的質量配合比進行優化設計，利用室內降溫裝置測試涂刷量和溫度對降溫效果的影響，測試涂層室外降溫性能，使用數學軟件分析室內外降溫效果的相關性，采用擺式儀法評價涂層的抗滑性能，采用拉拔試驗評價涂層的粘附性能。

1 實 驗

1.1 原材料

基料選用深圳市吉田化工有限公司生產的水性丙烯酸乳液，其主要技術指標如表1所示；功能填料選用金紅石型鈦白粉、石英粉、空心玻璃微珠；溶劑選用江蘇沭陽希之夢商貿有限公司生產的去離子水；助劑選用山東綠源化工有限公司生產的成膜助劑、分散劑度、消泡劑及流平劑。瀝青采用殼牌70#基質瀝青，其主要技術指標如表2所示；集料選用浙江衢州礦建材有限公司所生產的粗集料、細集料及礦粉，其中粗集料規格為5～10 mm和10～15 mm,細集料為0～3 mm機制砂。

表1 水性丙烯酸乳液的主要技術指標Table 1 Main technical indicators of waterborne acrylic emulsion

表2 70#瀝青的主要技術指標Table 2 Main technical indicators of 70# asphalt

1.2 樣品制備

涂料制備：首先按照預定的配合比進行稱料，然后將金紅石型鈦白粉及石英粉加入到水性丙烯酸乳液中混合，再添加成膜助劑、分散劑以及去離子水，利用集熱式恒溫加熱磁力攪拌器進行高速剪切分散攪拌，高速攪拌速率為1 800 r/min，攪拌時間為15 min。最后添加空心玻璃微珠、消泡劑及流平劑，并保持低速剪切分散攪拌，低速攪拌速率為1 000 r/min，攪拌時間為20 min，制備過程如圖1所示。此外，采用AC-13瀝青混合料級配組成(見表3)，車轍板試件成型尺寸為30 cm×30 cm×5 cm。

表3 瀝青混合料的級配組成Table 3 Aggregate gradation of asphalt mixture

圖1 涂料制備過程Fig.1 Coating preparation process

圖2 室內降溫裝置Fig.2 Indoor cooling device

1.3 試驗方法

1.3.1 正交試驗

采用四因素三水平的正交試驗設計進行涂料配合比優化，配合比均為質量配合比(下同)。初步擬定水性丙烯酸乳液用量為100 g，選取水性丙烯酸乳液固含量分別為35%、40%、47%，金紅石鈦白粉摻量分別為10%、12%、14%，石英粉摻量分別為3%、5%、7%，空心玻璃微珠摻量分別為2%、3%、4%(以上均為質量分數，下同)，正交試驗因素、水平選取如表4所示。參照《涂料粘度測定法》(GB/T 1723—93)，采用流出杯法測定粘度；參照《色漆和清漆不含金屬顏料的色漆漆膜的20°、60°和85°鏡面澤的測定》(GB/T 9754—2007)，采用60°角度測定光澤度，儀器為WGG60型光澤度計；采用自制的室內降溫裝置測定降溫值(見圖2)。

表4 水性丙烯酸熱反射涂料正交試驗因素、水平表Table 4 Orthogonal test factors and levels of waterborne acrylic heat reflective coating

1.3.2 降溫試驗

采用河南薪智機械有限公司生產的鉆機，在試件內部2.5 cm處埋設溫度傳感器。在試件表面涂布不同厚度的涂料，將其放置在自制的室內降溫裝置中，啟動電源，調節溫度至60 ℃，將涂層試件放置在移動載物臺上，開啟光源，調控輻射強度，照射60 min，記錄顯示屏中的試驗數據。將對比試件與涂層試件一同放置在太陽照射的室外，記錄7:00—22:00間的溫度變化。

1.3.3 抗滑性能試驗

參照《公路路基路面現場測試規程》(JTG 3450—2019)中的擺式儀法來評價涂層的抗滑性能，測試不同厚度涂層的擺值，試驗儀器為擺式摩擦儀。

1.3.4 粘附性能試驗

采用拉拔試驗法來評價涂層的粘附性能，其試驗原理是通過測試涂層與瀝青混合料表面層間的拉拔力，并將拉拔力按公式(1)換算成拉拔強度。在60 ℃下保溫5 h后，采用拉拔測試儀分別對不同厚度涂層的試件進行測試。

(1)

式中：σ為拉拔強度，MPa；F為拉拔力，kN；S為拉拔面積，m2；D為拉拔直徑，m。

2 結果與討論

2.1 配合比優化

表5為水性丙烯酸熱反射涂料正交試驗結果。表6為涂料粘度、光澤度及降溫值的正交分析。由表5和表6可知，石英粉質量摻量對粘度的影響最為顯著，粘度隨石英粉質量摻量的增加而增大，最優組合為A3B1C1D1。金紅石型鈦白粉質量摻量為光澤度和降溫值的主要影響因素，其中光澤度隨金紅石型鈦白粉質量摻量的增加而下降，對應的最優組合為A2B3C1D3；降溫值隨金紅石型鈦白粉質量摻量的增加而增大，這是因為金紅石鈦白粉的折光指數較高，其對光輻射具有較強的折射能力，對應的最優組合為A3B3C3D2。

表7為涂料配比中最佳因素、水平及決策表。由表7可知，水性丙烯酸乳液固含量為47%時，降溫值與粘度達到最佳；金紅石型鈦白粉質量摻量為14%時，降溫值與光澤度達到最佳；石英粉質量摻量為3%時，粘度與光澤度達到最佳?？紤]到降溫值為配合比設計的主要評價指標，因此涂料的最佳質量配比為：水性丙烯酸乳液固含量為47%，金紅石型鈦白粉質量摻量為14%，石英粉質量摻量為7%，空心玻璃微珠質量摻量為3%。

表5 水性丙烯酸熱反射涂料正交試驗結果Table 5 Orthogonal test results of waterborne acrylic heat reflective coating

表6 涂料粘度、光澤度及降溫值的正交分析Table 6 Orthogonal analysis of coating viscosity, glossiness and cooling value

表7 涂料配比中最佳因素、水平及決策表Table 7 Best factors, levels and decision-making tables in coating ratio

2.2 降溫性能

圖3 涂刷量對降溫效果的影響Fig.3 Coating dosage effect on cooling value

圖3為涂刷量對降溫效果的影響。由圖3可知，不同厚度涂層均具有良好的降溫功能，試件表面及內部2.5 cm處降溫效果均隨涂刷量的增加而增大。當涂刷量相同時，試件表面降溫效果始終優于內部2.5 cm處降溫效果。當涂刷量為0.2 kg/m2時，涂層對試件表面及內部的降溫效果均較低，其降溫值分別為3.1 ℃和6.1 ℃。這是因為涂層較薄，金紅石型鈦白粉含量少，折光能力不足，因而降溫幅度較小。當涂刷量為1.0 kg/m2時，試件表面及內部2.5 cm處的降溫幅度均到達峰值，分別為11.2 ℃和7.9 ℃，可認為1.0 kg/m2為最佳涂刷量。當涂刷量大于1.0 kg/m2時，涂層降溫效果趨于平穩，主要原因是涂層厚度增加到一定程度時，降溫填料金紅石型鈦白粉等分布率保持不變，折光效果較為穩定。

圖4為溫度對降溫效果的影響。由圖4可知，涂層試件表面溫度始終小于對比試件表面溫度，這表明涂層具有良好的降溫效果。對比試件表面溫度為40 ℃時，涂層降溫幅度為5.8 ℃；當對比試件表面溫度為70 ℃時，涂層降溫幅度為10.4 ℃。對比試件表面溫度由40 ℃上升到70 ℃，涂層對試件的降溫效果提高了79.3%，由此可知，涂層的降溫效果隨溫度的升高而增大。

圖5為室外試件表面溫度的變化曲線。由圖5可知，與對比試件相比，涂層對試件具有良好的降溫效果，且隨溫度的升高而增強。在14:30時，室外溫度到達最高，此時涂層降溫幅度達8.3 ℃。

圖4 溫度對降溫效果的影響Fig.4 Temperature effect on cooling value

圖5 室外試件表面溫度的變化曲線Fig.5 Variation curve of surface temperature of outdoor specimen

2.3 降溫效果的相關性

圖6為室內涂層試件表面溫度的關系。由圖6可知，涂層試件與對比試件相關性極高，其相關系數R2為0.98，總體呈現涂層試件表面溫度隨對比試件表面溫度的增大而增大的趨勢。因此，可利用對比試件溫度來分析涂層溫度的變化趨勢。

圖7為室內降溫值與室外降溫值的關系。由圖7可知，涂層室內降溫效果與室外降溫效果的相關性極高，其相關系數R2為0.99，呈正相關。這表明除熱輻射以外的其他環境因素對涂層降溫效果的影響極小。因此，在進行水性丙烯酸熱反射涂層工程應用推廣時，遇到惡劣天氣等戶外不利因素，可以采用室內降溫試驗來預測戶外瀝青路面降溫效果。

圖6 室內涂層試件表面溫度的關系Fig.6 Relationship between the surface temperature of the coated specimen

圖7 室內降溫值與室外降溫值的關系Fig.7 Relationship between indoor and outdoor cooling value

2.4 抗滑性能

圖8 涂刷量對擺值的影響Fig.8 Effect of coating dosage on BPN

圖8為涂刷量對擺值的影響。由圖8可知，試件擺值隨涂刷量的增加而減小，涂層會降低瀝青路面的抗滑性能。分析原因是路表空隙被涂料填充，進而導致路面的構造深度降低；此外，涂層表面形成的致密涂膜會導致路面與輪胎間的摩擦力下降，因而抗滑性能下降。當涂刷量為0.2 kg/m2時，試件擺值BPN為48，仍符合路面抗滑標準BPN≥45的規定，主要原因是涂層厚度較薄，不能對路表空隙充分填充，對構造深度影響較?。煌繉又械目招牟Ａе榈裙δ芴盍弦材芤欢ǔ潭忍岣咄繉颖砻娴哪Σ磷枇Α．斖克⒘砍^0.2 kg/m2時，試件擺值隨涂刷量的增加而下降，不符合路面抗滑標準中BPN≥45規定。

綜上可知，在瀝青路面涂布水性丙烯酸熱反射涂層后，會在一定程度上降低原有路面的抗滑性能?？够阅苁且豁椃浅Ｖ匾穆酚迷u判指標，與行車安全緊密相關[13]。因此，為確保涂層具有足夠的抗滑性，需要在不影響涂層降溫效果的前提下對其抗滑性能進行改善。已有研究表明在涂層中添加防滑粒料可提高抗滑性能[2]。選用標準砂作為防滑粒料，采用分層涂刷的撒布方式添加防滑顆粒。

圖9為防滑顆粒對擺值的影響。由圖9可知，與對比試件相比，在涂層中添加防滑顆粒能顯著提高抗滑性能。當防滑顆粒摻量為0.5 kg/m2時，試件擺值BPN到達最大為65，滿足路面抗滑標準中擺值BPN≥45的規定，滿足行車安全，推薦最佳摻量為0.5 kg/m2。當防滑顆粒摻量為0.1 kg/m2時，試件擺值BPN為40，不符合路面抗滑標準中的相關規定。主要原因是涂層表面凸出的防滑顆粒稀疏，致使涂層表面粗糙程度較低，摩擦力增加不明顯。當防滑顆粒摻量在0.1～0.5 kg/m2范圍內時，試件擺值隨防滑顆粒摻量的增加而增大，這是因為涂層表面凸起的防滑顆粒增多，提高了路表構造深度，增大了涂層粗糙程度，致使摩擦阻力變大。當防滑顆粒摻量在0.5～0.9 kg/m2范圍內時，試件擺值隨防滑顆粒摻量的增大而逐漸減小，這是因為當防滑顆粒的摻量過大時，成膜基料不能包裹全部填料，致使防滑顆粒在涂層表面呈松散狀態，牢固粘附差，進而導致摩擦阻力下降。因此，添加適量防滑顆?？梢蕴岣咄繉涌够阅埽瑵M足行車安全。

圖10為防滑顆粒對降溫效果的影響。由圖10可知，與未添加防滑顆粒涂層相比，添加防滑粒料后涂層的降溫效果略有下降，最大降溫幅度僅為0.9 ℃，變化極小，降溫效果依然顯著，故可認為防滑顆粒對降溫效果幾乎沒有影響。其降溫原因是部分防滑顆粒遮蓋在涂層表面，對涂層中的成膜基料及功能填料產生影響，導致涂層降溫效果略有降低。

圖9 防滑顆粒對擺值的影響Fig.9 Influence of anti-slip particle dosage on BPN

圖10 防滑顆粒對降溫效果的影響Fig.10 Influence of anti-slip particle on cooling

2.5 粘附性能

圖11為涂刷量對拉拔強度的影響。由圖11可知，當涂刷量為0.8～1.2 kg/m2時，未打磨和打磨試件的拉拔強度均隨涂刷量的增加而增大。已有研究表明[10]，涂層的拉拔強度值均高于0.6 MPa時，可認為該涂層粘附性能良好，故水性丙烯酸熱反射涂層具有較好的粘附性能。

圖11 涂刷量對拉拔強度的影響Fig.11 Effect of coating dosage on the tensile strength

當涂刷量相同時，與未打磨試件相比，打磨試件涂層的粘附性能更為顯著。主要原因是試件打磨后除去了其表面多余的瀝青膜，使得涂層與集料的接觸更加充分，進而使得集料表面的極性物質能更加緊密地與涂層中的極性基團相結合。因此，在瀝青路面涂布水性丙烯酸熱反射涂料前需要對其表面多余的瀝青薄膜進行打磨處理。

3 結 論

(1)石英粉摻量對水性丙烯酸涂層粘度的影響最為顯著，金紅石型鈦白粉摻量是光澤度和降溫效果的主要影響因素。涂料最佳質量配比為：水性丙烯酸乳液固含量為47%，金紅石型鈦白粉質量摻量為14%，石英粉質量摻量為7%，空心玻璃微珠質量摻量為3%。

(2)水性丙烯酸熱反射涂層對試件的降溫效果隨著涂層厚度的增大而增大，但到達一定程度后降溫效果趨于平穩，試件表面及內部2.5 cm處的最大降溫幅度為11.2 ℃、7.9 ℃，可認為最佳用量為1.0 kg/m2；涂層對試件的降溫效果隨溫度的升高而增大，室內外降溫效果相關性極強。

(3)水性丙烯酸熱反射涂層會降低瀝青路面的抗滑性，隨著涂刷量的增大，涂層的抗滑性能不斷降低；添加防滑顆粒能有效提高涂層的抗滑性能，且對降溫效果幾乎沒有影響，但防滑顆粒用量過多會導致抗滑性能下降，推薦防滑顆粒最佳摻量為0.5 kg/m2。

(4)水性丙烯酸熱反射涂層的粘附性能良好，且隨涂刷量的增加而增大；與未打磨試件相比，打磨試件涂層的粘附性能更強，因此，有必要在涂布前清理路表的瀝青膜。