范永根， 邱文靜， 朱春東， 顧興宇， 梁曉龍

(1.浙江省嘉興市公路管理局， 浙江 嘉興 314000； 2.浙江省公路與運(yùn)輸管理中心， 浙江 杭州 310009；3.東南大學(xué)，江蘇 南京 211189)

0 引言

近年來瀝青路面在我國公路與城市道路建設(shè)中大量應(yīng)用，但瀝青路面特有的黑色表面具有高吸熱性，夏季高溫時(shí)，瀝青路面路表溫度達(dá)60℃以上[1]。一方面高溫車轍病害影響行車舒適性與安全性；另一方面城市道路的高溫容易導(dǎo)致行人和居民產(chǎn)生熱焦灼等身體、心理不適，同時(shí)加劇了城市的“熱島效應(yīng)”[2]。

國內(nèi)外研究人員針對(duì)瀝青路面高溫危害開展了相關(guān)研究，并提出了相應(yīng)的防治技術(shù)措施，以降低路面溫度[3-4]?，F(xiàn)稱為“冷路面”的路面降溫措施包括使用彩色薄層瀝青混凝土、相變材料、多孔瀝青混凝土和路面太陽能采集器等。多孔瀝青混凝土通過孔隙內(nèi)水分蒸發(fā)降低瀝青路面溫度，但多孔瀝青混合料的飛散和耐久性問題還有待解決[5]；在瀝青混凝土內(nèi)加入相變材料可以改變?yōu)r青路面的熱物理特性，提高路面導(dǎo)熱率和比熱容從而降低路面的最高溫度，但同時(shí)會(huì)提高夜間的平均溫度[6]。路面太陽能采集器就是在路面埋設(shè)液體導(dǎo)熱管道，轉(zhuǎn)移路面能量，不僅增加了瀝青路面施工的復(fù)雜性，還導(dǎo)致路面壓實(shí)不足，容易發(fā)生車轍現(xiàn)象[7]。

熱反射涂層作為一種能夠有效反射太陽光的涂層材料，廣泛應(yīng)用于建筑物、儲(chǔ)油罐、船舶、飛行器甲板等[8]。日本研究人員首次將熱反射涂層應(yīng)用于路面降溫，并開展了大量研究，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于日本的人行道和停車場等地[9]。

本文研發(fā)了一種新型瀝青路面熱反射涂層，通過在涂層中添加云母粉，提高涂層的熱輻射能力。針對(duì)現(xiàn)有涂層室內(nèi)試驗(yàn)方法存在的缺陷，提出了一種改進(jìn)的室內(nèi)試驗(yàn)方法。使用此試驗(yàn)方法測試熱反射涂層的降溫效果，結(jié)合有限元模擬，驗(yàn)證試驗(yàn)方法的有效性。同時(shí)，通過在浙江金華修建的一條試驗(yàn)路，測試了熱反射涂層的室外降溫效果。

1 室內(nèi)降溫試驗(yàn)

1.1 降溫機(jī)理

太陽光中有55%的能量以紅外線形式釋放出去，剩余約40%為可見光和其他不可見光。如圖1所示，熱反射涂層中的反射填料可以將大部分的紅外線光區(qū)(0.76～2.5μm)和部分可見光區(qū)(0.4～0.76μm)的輻射以同樣的波長反射出去，使其不被路面吸收，實(shí)現(xiàn)降溫；同時(shí)將部分吸收的能量以特定的波長輻射至外部環(huán)境而不被空氣所吸收，達(dá)到降低路面和環(huán)境溫度的效果。

圖1 熱反射涂層降溫機(jī)理

1.2 涂層材料

如表1所示，本文研發(fā)的熱反射涂層主要由粘結(jié)劑、高反射填料、顏填料、熱輻射填料和其他添加劑組成。

表1 熱反射涂層材料組成粘結(jié)劑填料和顏填料熱輻射填料其他添加劑硅丙乳液TiO2,Fe2O3云母粉消泡劑/分散劑/成膜助劑,空心玻璃微珠/增稠劑

熱反射涂層中，硅丙乳液是主要的粘結(jié)劑，二氧化鈦?zhàn)鳛楹诵臒岱瓷涮盍?，具有極高的反射率。與普通熱反射涂料不同，此涂層中加入了云母粉，可以提高瀝青路面的輻射率，增強(qiáng)路面向外部環(huán)境釋放長波輻射的能力?？招牟Ａ⒅樘赜械目招目紫督Y(jié)構(gòu)，不但可以提高熱反射涂層的隔熱能力，還對(duì)太陽光線保持良好的反射能力。三氧化二鐵作為主要的著色填料，也具有較高的反射率。一般情況下，涂料的顏色越接近白色，其反射能力越好。但是，由于道路運(yùn)輸?shù)奶厥庑裕咨苛蠒?huì)弱化交通標(biāo)線的可視性，引起“炫目”現(xiàn)象，影響交通安全。加入三氧化二鐵使得路面涂層顯現(xiàn)鐵紅色，既保持了路面良好的視覺效果，又能使涂料保持較高的反射率。

1.3 試件準(zhǔn)備

傳統(tǒng)的室內(nèi)涂料試驗(yàn)采用車轍板表面涂覆反射涂料的方法來測試路面涂料的降溫效果。此方法存在一定的局限性：車轍板的厚度只有5cm，不能反應(yīng)瀝青面層全厚度范圍內(nèi)的溫度分布情況和降溫效果；車轍板的側(cè)面和底面的熱力學(xué)邊界條件是不受控制的，可能受到外界環(huán)境影響。

為了改進(jìn)傳統(tǒng)室內(nèi)涂料車轍板試驗(yàn)的不足，本文考慮采用一種新的試驗(yàn)方法。本試驗(yàn)采用直徑150mm、高度180mm的圓柱形試件,試件分為3層，分別是4cm的AC-13、6cm的AC-20和8cm的AC-25，混合料的油石比分別為5.5%、 5.0%和4.8%。此路面結(jié)構(gòu)是浙江省高速公路的典型路面結(jié)構(gòu)，各層瀝青混合料的級(jí)配見表2。

3種瀝青混合料成型之后首先切割至預(yù)定的高度，各層間通過乳化瀝青粘結(jié)成整體。成型后，在試件不同高度處鉆孔，鉆空位置分別距表面2、5、8、11cm，并在孔徑內(nèi)埋設(shè)熱電偶溫度傳感器，如圖2所示。然后在試件側(cè)面和底面涂覆1層厚1cm的ZS1型保溫隔熱材料，最后在試件側(cè)面和底部包裹1層巖棉，如圖3所示。這樣做的目的是保證試件側(cè)面和底部處于絕熱狀態(tài)，使熱量只沿試件豎向傳導(dǎo)。

表2 室內(nèi)試驗(yàn)試件級(jí)配表混合料種類通過下列篩孔(mm)的百分率/%31.526.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075AC-13100.094.069.941.430.522.714.911.89.56.1AC-2010096.983.671.558.135.524.517.411.58.36.85.1AC-2510010098.784.072.664.556.338.028.418.611.49.67.0

圖2 試件內(nèi)傳感器布置圖

圖3 試件準(zhǔn)備及傳感器埋設(shè)

1.4 試驗(yàn)過程

將試件分為2組，其中1組涂布熱反射涂層，另1組作為對(duì)照組。室內(nèi)試驗(yàn)開始時(shí)，將2組試件同時(shí)放置在功率500W的碘鎢燈下加熱5h，然后自然冷卻降溫3h。碘鎢燈距離試件表面50cm，如圖4所示。試驗(yàn)過程中，溫度記錄儀每隔10min記錄并保存溫度傳感器的讀數(shù)。

圖4 室內(nèi)試驗(yàn)示意圖

2 室內(nèi)試驗(yàn)有限元模擬

通過溫度場有限元軟件Comsol Multiphysics計(jì)算試件內(nèi)的溫度分布情況[10]。試件表面的反射及輻射特性均采用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法ASTM E903進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表3。瀝青混合料的熱物理特性見表4。

表3 試件表面反射與輻射特性參數(shù)材料反射率/%輻射率/%無涂層表面0.050.81熱反射涂層表面0.270.93

表4 有限元計(jì)算瀝青混合料熱物理特性路面材料密度 /(kg·m-3)導(dǎo)熱系數(shù)/ (W·m-1·℃-1)熱容量/ (J·kg-1·℃-1)AC-132 1001.561 168AC-202 4001.25894AC-252 6001.16921

在有限元計(jì)算中，將碘鎢燈簡化為功率500W的熱源?？紤]到試驗(yàn)發(fā)生在室內(nèi)，試件表面的邊界條件為自然熱對(duì)流，側(cè)面和底面均為熱絕緣邊界條件，試件內(nèi)部為自由熱傳導(dǎo)。試件初始溫度場為實(shí)驗(yàn)室實(shí)測數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)路測試

為驗(yàn)證熱反射涂層的現(xiàn)場降溫效果，在浙江金華一道路交叉口附近鋪設(shè)了試驗(yàn)路。試驗(yàn)區(qū)域面積約50m2。試驗(yàn)路路面結(jié)構(gòu)中瀝青層材料結(jié)構(gòu)與室內(nèi)試驗(yàn)相同，基層為40cm的水泥穩(wěn)定碎石，底基層為20cm的低劑量水泥穩(wěn)定碎石。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

無涂層、有涂層試驗(yàn)室內(nèi)試驗(yàn)與有限元模擬溫度變化曲線分別見圖5、圖6。有、無涂層試件室內(nèi)試驗(yàn)溫度對(duì)比如圖7所示。

圖5 無涂層試件室內(nèi)試驗(yàn)與有限元模擬的溫度變化曲線

圖6 有涂層試件室內(nèi)試驗(yàn)與有限元模擬的溫度變化曲線

圖7 有、無涂層試件室內(nèi)試驗(yàn)溫度對(duì)比

由圖5和圖6可知，試件表面的溫度曲線與有限元模擬結(jié)果幾乎重合，但下層的溫度曲線與有限元模擬結(jié)果存在一定的偏離。具體表現(xiàn)為：當(dāng)實(shí)驗(yàn)室實(shí)測的下層材料溫度開始下降時(shí)，有限元模擬的溫度值仍在繼續(xù)上升。這主要是因?yàn)橛邢拊M與試件邊界條件不完全相同,但有限元模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室的實(shí)測結(jié)果總體上具有較好的一致性。說明改進(jìn)的室內(nèi)試驗(yàn)方法是有效的，能夠真實(shí)反映路面的溫度變化。

由圖7可知，相較于有涂層的試件，無涂層的試件溫度上升速度較快，最終達(dá)到的最高溫度也比較高，有涂層試件的最高表面溫度比無涂層試件的最高表面溫度低10℃；隨著試件深度的增加，有、無涂層試件最大溫差逐漸減小，路面2 cm處的最大溫差為6℃，而11cm處的最大溫差僅有3.2℃。隨試件深度的增加溫度曲線存在一定的滯后現(xiàn)象，深度越大，材料達(dá)到最高溫度需要的時(shí)間也越長。當(dāng)撤去碘鎢燈時(shí)，即使表面的溫度開始下降，試件內(nèi)部的溫度仍在繼續(xù)上升。

圖8為試驗(yàn)路現(xiàn)場2 d的跟蹤實(shí)測數(shù)據(jù)。由圖可知，有涂層路面日間的最高溫度為52℃，比普通瀝青混凝土路面降低了8℃。降溫效果明顯，說明熱反射涂層有助于緩解城市熱島效應(yīng)。

圖8 試驗(yàn)路有、無涂層路面實(shí)測溫度對(duì)比

5 結(jié)論

結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)、有限元模擬以及試驗(yàn)路現(xiàn)場實(shí)測的路面溫度數(shù)據(jù)，可以得到如下3點(diǎn)結(jié)論：

1) 相比原有的室內(nèi)涂料試驗(yàn)方法，改進(jìn)后的室內(nèi)試驗(yàn)方法嚴(yán)格限制了試件的側(cè)面和底部邊界條件，能夠更合理地反映路面深度方向上真實(shí)的溫度分布狀況。

2) 室內(nèi)試驗(yàn)與有限元模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)路實(shí)測的溫度變化均有較好的一致性，表明改進(jìn)后的室內(nèi)試驗(yàn)方法可以有效評(píng)價(jià)熱反射涂層的降溫效果。

3) 本文提出的熱反射涂層降溫效果明顯，有助于緩解城市熱島效應(yīng)。