瀝青路面熱反射涂料老化規(guī)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(xué) 交通土建工程材料國家地方聯(lián)合工程實驗室，重慶 400074; 2.重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，重慶 400074)

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瀝青路面熱反射涂料老化規(guī)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(xué) 交通土建工程材料國家地方聯(lián)合工程實驗室，重慶 400074; 2.重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，重慶 400074)

針對瀝青路面熱反射涂層在使用中出現(xiàn)老化并導(dǎo)致降溫效果下降的問題，探討了涂層的老化規(guī)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(jié)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(fā)生了碳碳雙鍵的斷裂，其中碳氧雙鍵所構(gòu)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(dǎo)致涂層反射率的下降；反射率與降溫效果具有一定的相關(guān)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(guī)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(chǎn)生車轍病害及加劇城市熱島效應(yīng)而研發(fā)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(nèi)學(xué)者關(guān)注。梁滿杰[2]對瀝青路面光熱效應(yīng)機理及熱反射涂料的相關(guān)技術(shù)進行了研究，其研究表明只有大幅度的改變?yōu)r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(fā)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(zhì)，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(dá)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(jié)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(yīng)用環(huán)境中水、空氣、污染物以及太陽輻射的綜合作用，易發(fā)生老化并導(dǎo)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(fù)合涂料、卷材涂料及常用外墻涂料上[8-9]，通常采用典型環(huán)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(jié)構(gòu)、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(guān)系，探討熱反射涂料老化規(guī)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(xué)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(zhì)，納米TiO2與SiO2為填料，過氧化甲乙酮(MEKPO)/環(huán)烷酸鈷體系為固化體系，色調(diào)為酞青蘭，其基本技術(shù)指標(biāo)如表1。

表1 熱反射涂料技術(shù)指標(biāo)

1.2 實驗方法

1.2.1 自然光化實驗

選用AC-13級配成型數(shù)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(qū)4 000～400 cm-1(2.5～25 μm)的紅外光譜，分辨率為4，掃描次數(shù)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(nèi)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(cè)，調(diào)節(jié)室內(nèi)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(nèi)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(zhì)，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(xué)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(shù)據(jù)采集儀進行涂層反射率測試。

2 實驗結(jié)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(jīng)歷了秋、冬、春、夏4個季節(jié)。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(dǎo)致涂層在老化270d時有明顯泛白現(xiàn)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(dǎo)致涂層加速老化并出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。這是由于紫外線的高能量會使大分子鏈發(fā)生斷裂形成自由基，這些自由基又形成新的分子鏈，導(dǎo)致涂層中樹脂的化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變并產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力達(dá)到一定程度，涂層表面便出現(xiàn)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(lián)固化過程中會產(chǎn)生如下化學(xué)反應(yīng)：

其中：X是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的延續(xù)。

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(fā)現(xiàn)，老化前后產(chǎn)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(xiàn)提出3個評價指標(biāo)，分別為羰基指數(shù)(CI)、羥基指數(shù)(QI)及烯烴基指數(shù)(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(jié)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(fā)生斷裂。一方面，在光氧作用下，大分子烷基自由基與氧結(jié)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(nèi))生成氫過氧化物，氫過氧化物分解生成烷基自由基，后者發(fā)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(lián)固化為主，分子中還含有未參與反應(yīng)的烯烴，當(dāng)老化90d后，交聯(lián)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(biāo)，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(shù)據(jù)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(jié)一天中08:30—17:30時的平均輻射變化曲線。

圖4 不同季節(jié)太陽輻射值

從圖4可知不同季節(jié)一天中太陽輻射值變化趨勢基本相同，近似呈正態(tài)分布，其中，秋、冬、春這3個季節(jié)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(dá)到800 W/m2。一天中，10:00—16:00太陽輻射值相對較大，正午時達(dá)到峰值，是熱反射涂層發(fā)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(jié)下熱反射涂層反射率在該時段的變化。

圖5 不同季節(jié)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(wěn)，而夏季反射率明顯低于其他3個季節(jié)，主要由于夏季太陽輻照量增加，導(dǎo)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(guān)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(jié)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(shù)據(jù)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(fā)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(jīng)歷夏季老化后的熱反射涂層反射率值下降幅度是經(jīng)歷秋、冬、春這3個季節(jié)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(fēng)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(jié)合實驗數(shù)據(jù)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(guān)系式：y=26.034x+0.200 2。擬合結(jié)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(guān)系式可知：當(dāng)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(guān)系擬合曲線

3 結(jié) 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(jié)果得出如下結(jié)論：

1)涂層在老化過程中，有機顏料分解，內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)變化并產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致涂層表面出現(xiàn)泛白、開裂及剝落等現(xiàn)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(dǎo)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(jié)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(xué),2011. Cao Xuejuan.Preparation and Performance Evaluation Of Unsaturated Polyester Heat-Reflective Coating for Asphalt Pavement[D].Chongqing:Chongqing Jiaotong University,2011.

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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(xué)交通土建工程材料國家地方聯(lián)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(dǎo)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