路用熱反射涂層工藝性能研究

蔣應軍，王華濤，易 勇，鮑豫豪，李兵兵

(長安大學 公路學院，陜西 西安 710064)

0 引言

瀝青路面具有較高的吸熱性能和溫度敏感性[1-2]，交通荷載反復作用下，高溫瀝青路面易出現車轍，影響行車舒適性與安全性。熱反射涂層具有極高的太陽輻射反射率，可降低路面溫度，延緩車轍病害的產生[3-5]。

國內外研究學者就熱反射涂層降溫性能進行了大量研究，發現熱反射涂層的降溫效果顯著。Cao，舒永法，Xie，Anting，Hu等[6-10]利用光照模擬箱模擬光照進行室內溫度場試驗，測試了熱反射涂層的降溫效果，發現降溫可達5～25 ℃。Zheng，Wang，Sha等[11-13]對噴涂熱反射涂層試驗段進行現場溫度試驗，測試熱反射涂層的降溫效果，發現可降溫達10～25 ℃。Jiang等[14]對熱反射涂層降溫效果、抗車轍性能和耐久性進行了評估，發現涂層的抗車轍性能隨空氣溫度的升高而增加。Rossi，Xie等[15-16]研究了熱反射涂層近紅外反射率對路面內部能量的影響，發現熱反射涂層可緩解城市熱島現象。也有學者對熱反射涂層的其他性能進行研究。馮錫榮、蔣應軍、曹雪娟、謝磊等[17-20]對熱反射涂層材料的路用性能進行了評價，結果表明熱反射涂層材料降溫效果、抗滑性、耐久性和滲水性良好。唐伯明、Cao等[21-22]研究了熱反射涂層的老化機理及規律，發現熱反射涂層老化的主要原因為太陽輻射導致涂層反射率的下降。Yi等[23]研究發現熱反射涂層的降溫性能與普通涂層基本相同，但黏合強度和耐磨性分別比普通涂層高20%和49%。

上述研究主要集中在熱反射涂層的降溫性能、路用性能和耐久性能等方面，但熱反射涂層是一種高分子聚合物材料，其黏度和固化時間等工藝性能對施工影響較大，而熱反射涂層的工藝性能研究鮮有報道，導致其施工應用技術發展緩慢，缺少理論依據。鑒于此，本研究對熱反射涂層的黏滯性與固化時間進行研究，分析黏滯性和固化時間對熱反射涂層的施工方式、施工時間、開放交通時間的影響，建立等溫黏度預測模型，在一定溫度和時間范圍內預估熱反射涂層黏度的變化情況，分析影響熱反射涂層工藝性能的溫度、時間、材料組成3個因素，用于指導施工。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

熱反射涂層由基料、功能填料、助劑組成。

基料又稱成膜物，由環氧樹脂、固化劑按一定比例組成，其技術性質見表1～2。

表1 環氧樹脂技術性質Tab.1 Technical properties of epoxy resin

表2 固化劑技術性質Tab.2 Technical properties of curing agent

功能填料又分為著色填料和顏填料。著色填料采用氧化鐵顏料；顏填料采用硅藻土、鈦白粉。其技術性質見表3。

表3 功能填料的技術性質Tab.3 Technical properties of functional filler

助劑為熱反射涂層的輔助成膜物質，如稀釋劑等。其技術性質見表4。

表4 助劑的技術性質Tab.4 Technical properties of additive

1.2 熱反射材料配比

各材料摻量如表5所示。

根據前期試驗研究，結合熱反射涂層降溫性能、抗滑性能、耐久性能，綜合考慮得出熱反射涂層用量為0.55 kg/m2，此用量的熱反射涂層可降低路面溫度12 ℃左右[24]。

1.3 熱反射涂層材料的制備及用量

(1)取36.42%環氧樹脂和18.21%稀釋劑置于容器中，采用恒速攪拌器以300 r/min攪拌速度均勻攪拌。

(2)加入功能填料中的顏填料和著色顏料，用量分別為21.12%和10.56%，攪拌均勻。

(3)加入消泡劑、流平劑、分散劑等其他助劑。

(4)最后加入固化劑12.75%，低速均勻攪拌，即制備得熱反射涂層材料，隨后即可施工。

(5)熱反射涂層用量為0.55 kg/m2，制備完成后采用噴灑或涂抹設備進行施工[24]。

1.4 試驗方案

1.4.1 黏滯性

(1)溫度及時間

為明確熱反射涂層黏度隨溫度變化規律，測定不同溫度下不同固化時間的熱反射涂層黏度，擬采用溫度為20，30，40，50，60 ℃，并每隔5 min測試黏度。

(2)稀釋劑用量

通過添加稀釋劑用量來改變熱反射涂層噴灑時的黏度，在已開發熱反射涂層配方的基礎上添加5%，10%，15%，20%，25%的稀釋劑用量，在不同溫度下研究稀釋劑用量對黏度的影響。

1.4.2 固化時間

(1)熱反射材料

為了研究熱反射材料組成對熱反射涂層固化時間的影響，稀釋劑摻量采用0，5%，10%，15%，20%，固化劑摻量采用25%，30%，35%，40%，45%，測試其表干時間、實干時間和不黏胎固化時間。

(2)溫度

溫度決定了熱反射涂層的固化反應速率，將熱反射涂層試件置于20，30，40，50，60 ℃溫度下，測量其固化時間的變化。

1.5 試驗方法

1.5.1 黏滯性

熱反射涂層的黏滯性由NDJ-8S旋轉式數值顯示黏度計測定。

試驗步驟如下[25]：

(1)將熱反射材料倒入燒杯或直筒容器中。

(2)將儀器保護架和轉子逆向旋入主機箱下的端子和連接頭。

(3)控制旋轉黏度儀升降旋鈕，使轉子緩慢浸入熱反射材料中，并調整儀器至水平泡居中。

(4)試驗過程保證環境溫度恒定，確保黏度儀數值穩定準確。

1.5.2 固化時間

固化時間分為表面固化時間、實際固化時間、不黏胎固化時間。

(1)表面固化時間

指固化劑與基料混合到熱反射涂層開始進入固態的時間。其測定方法為：

①制備1 cm3的脫脂棉球，在車轍板上成型熱反射材料試件。

②將脫脂棉球放到熱反射涂層試件上，吹動棉球，若試件上未留下棉絲，則達到表面固化，若有棉絲殘留，則每30 s重復1次試驗，直至達到表面固化。

(2)實際固化時間

指熱反射涂層達到固體狀態的時間，熱反射涂層全部厚度都固化結成漆膜時成為實際固化時間。測定采用QGS型測定器[26]。

測定方法為：將試件置入固化箱中固化，每隔一段時間在熱反射涂層表面放上棉球，將QGS型測定器放在棉球上，開動秒表，30 s后拿掉QGS型測定器和棉球，若熱反射涂層表面不遺留棉絲，則達到實際固化，此時為熱反射涂層實際固化時間。

(3)不黏胎固化時間

該時間是熱反射涂層在道路工程中應用的特有指標。本研究以該時間作為從涂層固化到在行車荷載作用下仍可保證結構完整，有充足強度抵抗荷載的時間。采用BZT不黏胎時間測定儀測定該時間[27]。其測定方法為：

①將試樣噴灑于車轍板上。

②按下秒表，10 min后，兩手持BZT不黏胎時間測定儀手柄勻速滾動1 s，立即查看輪胎上有無黏漆，清理輪胎并間隔30 s重復試驗直至輪胎不黏漆，停止秒表。

2 黏滯性

2.1 等溫黏度預測模型

測定熱反射涂層在20，30，40，50，60 ℃時的黏度，采用阿累尼烏斯方程(Dual-Arrhenius Equation)建立黏度與時間、溫度的等溫流變模型，用于評價黏度與時間、溫度的關系。根據該模型可計算出不同溫度和時間下熱反射涂層的黏度[28]。不同溫度下黏度隨時間的變化規律見表6。

表6 不同溫度下熱反射涂層黏度隨時間變化規律Tab.6 Viscosity of heat reflective coating varying with time at different temperatures

Roller半經驗模型被用于研究環氧樹脂體系的等溫固化體系的流變行為。在轉化率較低、時間為0、轉化率為0的條件下，假設轉化率與時間呈線性關系，得到Arrhenius模型：

η(t)=η0ekt，

(1)

轉換后可得：

η(t)/η0=AeBt，

(2)

式中，η(t)和η0為t時刻的熱反射涂層黏度、初始黏度；k為速率常數；A和B為與溫度相關的模型參數；t為時間。

式中η0，A，B均滿足阿累尼烏斯方程，即：

(3)

(4)

(5)

式中，C0，CA，CB，D0，DA，DB均為模型參數；T為溫度。

求解出模型參數值后可得到熱反射涂層等溫流變模型。根據實測不同溫度下熱反射涂層的初始黏度值對lnη0-1/T進行線性擬合，得到η0的表達式：

(6)

試驗數據擬合圖見圖1。

圖1 ln η0-1/T擬合曲線Fig.1 ln η0-1/T fitting curve

得到η0的表達式后，依據不同溫度下變化時間的黏度，建立各溫度下的η(t)/η0-t的擬合關系曲線，求得不同溫度下的模型參數C0和D0，見表7。

表7 不同溫度下模型參數C0和D0Tab.7 Model parameters C0 and D0 at different temperatures

分別將A-1/T和B-1/T進行擬合，求解參數CA，CB，DA和DB，擬合曲線見圖2，A和B的擬合方程見式(7)～(8)。

圖2 擬合曲線Fig.2 Fitting curves

(7)

(8)

由上述條件求得熱反射涂層等溫黏度預測模型：

(9)

簡化后可得：

(10)

選擇5個溫度和時間，運用模型計算黏度，并與實測值對比，見表8。

表8 黏度預測模型計算值與實測值對比Tab.8 Comparison of viscosity between model calculation value and measured value

由表8可知，黏度預測模型與實測值相差較小，最大相差7.2%，說明該預測模型能夠用于預測熱反射涂層隨時間和溫度變化的黏度，能夠更好地指導施工。

2.2 黏度影響因素

2.2.1 溫度

溫度對黏度的影響見圖3。

圖3 溫度對熱反射材料黏度影響Fig.3 Influence of temperature on viscosity of heat reflective materials

由圖3可知，熱反射涂層黏度隨溫度的增加而降低，這是因為溫度的提升降低了基料黏度，從而表現為熱反射涂層黏度的降低。在20 min時，熱反射涂層黏度在50 ℃時顯著高于20，30，40 ℃的黏度，這是由于高溫環境下熱反射涂層逐漸發生凝膠作用，黏度發生陡增現象，15 min后黏度升高就是由于熱反射涂層發生了凝膠作用。

2.2.2 時間

時間對黏度的影響見圖4。

圖4 時間對熱反射涂層黏度影響Fig.4 Influence of time on viscosity of heat reflective coating

由圖4可知，固化溫度小于50 ℃時，黏度隨時間的增長先降低后增加，而固化溫度大于50 ℃時，黏度隨時間增長持續增長。當熱反射涂層達到凝膠后，黏度變化存在突變，固化溫度越高，突變發生越快，這是由于熱反射涂層達到凝膠狀態，在20，30，40，50，60 ℃環境下凝膠時間分別為110，40，25，15，10 min。環境溫度大于50 ℃時，熱反射涂層施工時間應控制在15 min以內，推薦施工溫度小于40 ℃。

2.2.3 材料組成

試驗溫度為25 ℃時稀釋劑摻量對黏度的影響見圖5。

圖5 稀釋劑增量對熱反射涂層黏度影響Fig.5 Influence of thinner increment on viscosity of heat reflective coating

由圖5可知，稀釋劑的摻入可明顯降低熱反射涂層的黏度，溫度為25 ℃時黏度在不摻稀釋劑時可達1 170 mPa·s，黏度較大。稀釋劑摻量的提升會降低熱反射涂層的黏度，這是由于環氧樹脂在常溫下有結晶傾向，因此，常溫下環氧樹脂黏度較高，而稀釋劑的加入擾亂了樹脂中原有的有序結構，故熱反射涂層的黏度隨稀釋劑摻量的增加而降低。

為進一步明確在不同施工溫度下稀釋劑摻量對熱反射涂層黏度的影響，在20，25，30，35 ℃溫度下分別測試不同稀釋劑摻量下熱反射涂層黏度隨時間的變化規律，并繪制等溫線圖，見圖6。

圖6 熱反射涂層黏度等值線圖(單位：mPa·s)Fig.6 Isotherm diagrams of viscosity of heat reflective coating (unit：mPa·s)

由圖6(a)可知，在氣溫為20 ℃條件下施工，60 min以內均未達到凝膠狀態，而涂層黏度偏大，根據前期研究發現的適合噴灑黏度200～350 mPa·s可得：稀釋劑增量小于30%時黏度過大無法滿足噴灑要求，因此，在氣溫為20 ℃時最佳稀釋劑增量為30%，熱反射涂層最佳施工時間為0～60 min。氣溫為20，25，30，35 ℃時的最佳稀釋劑增量分別為30%，30%，20%，20%，低溫條件下施工需要更多的稀釋劑降低熱反射涂層黏度。

3 固化特性

3.1 固化時間

表面固化時間是熱反射涂層黏性和可塑性最好的階段，因此也是施工的最佳時期，決定了熱反射涂層的最大可施工時間。實際固化時間是在熱反射涂層具備一些強度的階段，化學反應接近尾聲，對于人行道、景觀道路等荷載不大的路段已可開放交通。熱反射涂層達到固態具備強度后，其強度仍可增強，且無法保證能夠抵抗荷載作用。達到不黏胎固化時間時，熱反射涂層固化到在行車荷載作用下仍可保證結構完整，有充足的強度抵抗荷載的時間，行車道及重載交通路段應在達到不黏胎固化時間后方可開放交通。熱反射涂層的固化時間決定于基料與固化劑的固化反應速度，固化反應劇烈則固化時間短，固化反應緩慢則固化時間長。

3.2 固化時間影響因素

3.2.1 材料組成

稀釋劑和固化劑對熱反射涂層固化時間的影響見圖7。由圖7(a)可知，稀釋劑的摻量增大會增加熱反射涂層固化時間。由于稀釋劑具有“緩凝”作用，可以減慢體系固化反應速度，從而增大固化時間，導致開放交通時間延長，不利于快速投入使用，而稀釋劑的摻量降低又會降低黏度，降低施工和易性，故選擇稀釋劑摻量時應綜合考慮黏度和固化時間的影響。稀釋劑摻量為15%時熱反射材料的表干時間、實干時間及不黏胎固化時間分別為39，140，187 min，這說明最大施工時間應控制在39 min 以內，非機動車道開放交通時間應大于140 min，機動車道開放交通時間應大于187 min。圖7(b)表明固化劑的摻量會縮減固化時間，因為固化劑的增加導致與環氧樹脂反應的基團增多，從而加劇固化反應速度，降低固化時間。前期研究中優選固化劑摻量為35%下熱反射材料的表干時間、實干時間及不黏胎固化時間分別為38，120，153 min。

圖7 熱反射涂層材料對固化時間的影響Fig.7 Influence of material of heat reflective coating on curing time

3.2.2 溫度

溫度對熱反射涂層固化時間的影響見圖8。

圖8 溫度對熱反射材料固化時間影響Fig.8 Influence of temperature on curing time of heat reflective materials

由圖8所示溫度對固化時間的影響可知，20 ℃ 以上的熱反射涂層表干時間降低明顯，而30 ℃以上的熱反射涂層實干時間和不黏胎固化時間降低明顯，30 ℃時不黏胎固化時間為145 min，因此，熱反射涂層施工時建議氣溫在30 ℃以上施工。

4 結論

(1)建立黏度與時間、溫度的等溫流變模型，根據該模型計算的熱反射涂層黏度計算值與實測值最大差值為7.2%，可預測熱反射涂層黏度。

(2)熱反射涂層稀釋劑摻量越大，熱反射涂層黏度越低，稀釋劑摻量為0%時黏度可達1 170 mPa·s，5%時黏度為800 mPa·s；熱反射涂層黏度隨溫度的升高而降低，高溫下熱反射材料發生凝膠作用時出現黏度陡增現象，在40 ℃以上時增加到100～200 mPa·s，建議熱反射涂層在氣溫30 ℃ 以上施工。

(3)熱反射涂層固化時間與溫度和熱反射涂層材料密切相關。固化時間與稀釋劑摻量成正比、與固化劑摻量成反比，在稀釋劑、固化劑最佳劑量下涂層表干時間在40 min以內；熱反射涂層施工時建議氣溫在30 ℃以上，施工時間在40 min內完成。