路用热反射涂料的研究进展

曹雪娟，刘攀，李瑞娇，刘誉贵

（1.重庆交通大学材料科学与工程学院，重庆 400074；2.重庆交通大学交通土建工程材料国家地方联合工程实验室，重庆 400074）

【涂料】

路用热反射涂料的研究进展

曹雪娟1,2,*，刘攀1，李瑞娇1，刘誉贵1

（1.重庆交通大学材料科学与工程学院，重庆 400074；2.重庆交通大学交通土建工程材料国家地方联合工程实验室，重庆 400074）

阐述了路用热反射涂料的基本降温原理，介绍了路用热反射涂料的组分(包括基料树脂、功能填料、助剂和溶剂)，综述了路用热反射涂料的研究现状，并指出了路用热反射涂料存在的问题，展望了其发展趋势。

热反射涂料；沥青路面；降温性能；原理

First-author's address: School of Materials Science and Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China

太阳辐射是地球能量的主要来源，粗略计算，太阳辐射到地球的太阳能总功率高达1.73 × 1017W，巨大的能量给万物的生长、人类的生产生活提供了必要条件。但强烈的太阳辐射会使物体表面温度不断升高，增加能耗，给人类生产生活带来诸多不便[1]。例如，在炎炎夏季里，暴露在室外的储油罐、石油管道会因表面温度的升高而产生安全隐患；建筑物的室内温度也将升高数度，增加了降温致冷设备的能耗。因此，热反射涂料应运而生，它是指涂覆于物体表面，能有效反射太阳光的辐射能量，从而降低涂覆物内部和周围温度的功能性涂层材料[2]，被广泛应用于建筑、储油罐、船舶、飞行器甲板等方面[3-10]。

随着我国城镇化进程加快，道路设施的建设水平较以往有很大的改善。相对于水泥混凝土路面维修成本高、养护麻烦，沥青路面维修方便，施工周期短，易养护，因此被越来越广泛地应用于新建或改造道路。截至2015年底，我国公路总里程已达456万9 000千米；高速公路通车里程已达12万5 000千米；农村公路通车里程达396万千米，其中绝大部分都是采用沥青路面。沥青是一种吸热材料，它对太阳光辐射的吸收率很高，达0.85 ～0.95，在夏季会造成路面温度远远高于气温，由此引发严重的车辙危害，同时也加剧城市的热岛效应[11]。不仅如此，高温路面还会释放出一些小分子挥发物，影响环境。如能采取一些方法有效阻止或缓解外界热量向沥青路面传递，从而降低其温度，或许可以解决沥青路面热稳性损害以及缓解城市热岛效应。在沥青路面涂布一层热反射率高的物质，能有效提高路面的反射率，并降低吸收率。热量在进入路面之前被辐射掉，就可有效降低沥青路面的温度。但由于路面受到行车荷载的作用，对材料使用条件要求苛刻，直至21世纪，热反射材料才首次应用在路面中。近年来日本以及我国部分高校相继研发了可降低路面温度的热反射涂层，并铺装了试验路。

1 路面热反射涂料的基本原理

对于沥青路面来说，温度的升高主要来源于太阳光中可见光照射、红外线辐射和空气对流，热量在路面内部以热传导的方式传递。太阳总辐射、大气逆辐射、气温、风速、湿度、纬度等外在影响因素都是客观存在的。在外在影响因素相同的状况下，沥青路面温度的高低仅取决于其内在影响因素。一般物体对入射能量的响应分为反射、吸收和透过。设反射率为ρ，吸收率为ε，透过率为τ，则ρ + ε + τ = 1。大部分物体(包括路用热反射涂层)是不透明的，即τ = 0，则可简化为ρ + ε = 1[12]。可见热反射涂料应具有高反射率ρ和低吸收率ε。反射能力强可以将占太阳总辐射能量95%的可见光区(波长0.40 ～ 0.72 μm)和近红外区(波长0.72 ～ 2.50 μm)的辐射以同样的波长反射出去而不被路面吸收，实现降温。只是涂料的反射率不可能达到1，仍会有部分太阳光被吸收，向外界产生热辐射。根据大气对红外辐射的吸收特性，理想的路用热反射涂料是可以将吸收的能量以8.00 ～ 14.00 μm的波长辐射出去，这样的能量被大气吸收得少，可以更好地实现沥青路面持续降温。

2 路用热反射涂料的组分

2. 1 基料树脂

路用热反射涂料直接受到太阳光的暴晒，不仅要求树脂具有耐紫外线破坏等性能，而且要求其对可见光和近红外光的吸收越小越好，即透明度高，结构中尽量少含C─O─C─、O═C─、─OH等吸能基团[13]。丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、有机硅树脂、环氧树脂等不仅透明度高，且折光指数一般都在1.45 ～ 1.50之间，能够满足路用热反射涂料的应用要求。基料种类尽管对降温效果影响较小[14]，却是影响涂层硬度、柔韧性、耐磨性、耐水性、耐候性及其他物理化学性能的重要因素。

2. 2 功能填料

功能填料包含颜填料和着色填料，其中颜填料是决定路用热反射涂层降温性能的关键组分，其折光指数越大，吸收率越小，涂层的降温效果越好。表1列出了几种常见颜填料的折光指数[15-17]。

表1 常见颜填料的折光系数Table 1 Refraction coefficient of common pigments and fillers

当前所用颜填料大多为白色，直接用作降温材料会使路面产生眩光，不但降低司乘人员的视觉舒适度，甚至会因眩光强烈而导致交通事故。因此需要加入着色填料(铁红、铬绿、铁黄等)以调节色彩，既起到美观作用，又能提供良好的视觉感受，缓解驾驶员疲劳。另外，功能填料还能增强涂层的耐久性和附着力，调整流动性和其他性能。

颜填料的粒径和用量也是决定涂层降温能力的关键因素[18]。通常，颜填料粒径大对反射太阳热辐射有利，但颜填料粒径过大时所得涂膜表面粗糙、孔隙多、易沾污，反射能力反而下降。因此，存在一个合适的粒径，使涂层获得较好的反射能力。试验证明，若颜填料粒径在0.2 ～ 1.0 μm之间分布得越多，涂层的热反射能力就越强[17]。一定范围内，颜填料含量越大，涂层降温效果越好，超过某一值时，降温趋于平缓。

目前用于路用热反射涂料的主要为单一颜料体系，今后应开发高性能的复合颜填料，进一步提高其降温效果。

2. 3 助剂

助剂是路用热反射涂料的基本组分之一，主要是多种无机物和有机物，包括成膜助剂、消泡剂、分散剂、光稳定剂、增稠剂、湿润剂、消光剂等，用量一般很少，仅占百分之几，却能明显改进涂料或涂膜的性能。如增稠剂能提高涂料黏度，降低其流动性；分散剂能防止颜填料沉降或漂浮，利于其分散均匀；光稳定剂能抑制涂料的光老化过程，延长其使用寿命。在成膜物相同的情况下，添加助剂可提高涂层的质量，改善施工条件。

2. 4 溶剂

溶剂型涂料通常需要加入有机溶剂，而对于水性涂料而言，水则是必不可少的成分。它们的主要作用是分散成膜基料，调节黏度，改善其流动性，有助于施工和改善涂膜的某些性能。

3 沥青路面热反射材料的研究现状

3. 1 国外发展概述

日本是最早开始路用热反射涂料研究的国家。2002年，长岛特殊涂料公司和日本铺道公司一起研发出一种能够使路面温度不会剧烈升高的新型路面铺装材料，称为“凉顶”(cooltop)。它由热反射颜填料和微小陶瓷粒子组成，其中一种微小粒子可以反射紫外线[19]。沥青路面在夏季高温天气一般高达60 °C，铺上“凉顶”后，能够降低路面温度10 °C左右。2004年，日本交通省下属的土木研究所和长岛特殊涂料公司又开发出一种新型混合物热反射铺装路面，该铺装不易剥落，且降温效果优良。随后，广岛道路株式会社、日本油漆公司和日本LINER公司联合开发了几种基于丙烯酸树脂、聚氨酯树脂或水性丙烯酸树脂的沥青路面热反射材料，其中丙烯酸树脂和水性丙烯酸树脂分别用于行车道和人行道，聚氨酯树脂则可同时用于行车道和人行道；颜填料采用W型和M型，主要包括陶瓷类物质和一些特殊光热反射涂层[20]。木内豪等[21]采用计算气候的一些通用模型，算出铺装热反射涂层的沥青路面在中心地段处可以降低气温0.77 °C；将其绿化面积由23%升至40%时，可降温0.64 °C。西冈真稔等[22]的测试结果表明，相比普通沥青路面，采用黑色、灰色和白色3种热反射涂料的路面均有不同程度的降温。北园芳人等[23]研究了热反射涂层的降温性能，结果表明热反射涂层透水性路面能降温4 ～ 5 °C。桥本喜正、上野慎一郎、西冈祐介、峰岸順一等评估了路用热反射涂层的抗滑性能、抗剥落性能、耐久性能等，取得了一定的成果[24-27]。Iwama等[28-29]证实了热反射路面能有效地降低路表温度，限制车辙危害，缓解城市热岛效应，同时可能在减轻冻土退化方面发挥重要作用。Nemoto的一项美国专利[30]公开了一种路用丙烯酸酯热反射涂层，具有固化快、降温效果好等优点，该黑色涂层和灰色涂层能分别降低沥青路面温度10 °C和17 °C。目前日本很多行政区采用了热发射涂层铺装，大部分集中在东京的部分繁华地段或一些特殊工程。

美国劳伦斯伯克利国家实验室[31]提出将降温材料应用于路面，通过铺装热反射涂层，路面的反射率可达50%，能显著降低路面温度。Synnefa等[32]介绍了5种不同颜色的沥青路面热反射涂层，试验表明任何颜色的涂层的反射率(0.27 ～ 0.55)均高于普通沥青路面，最大降温可达12 °C。同时，通过流体动力学模拟分析可知，当风速较小时，可降低气温5 °C。Wan等[33]研发了一种新型冷色路面，具有高反射率、低热导率和高发射率，可降低传统沥青路面温度17 °C，传统水泥路面温度5 °C，采用该路面可延长道路的整体寿命，并降低维护成本。Carnielo等[34]发现热反射涂层能有效降低沥青路面温度，减轻城市热岛效应。

3. 2 国内发展概述

国内对路用热反射材料研究较少，主要集中在哈尔滨工业大学、重庆交通大学、长安大学等高校，并取得了一定的成果。

哈尔滨工业大学的冯德成等根据沥青路面的热环境建立了沥青路面的热平衡方程，尝试将路用热反射材料应用于沥青路面，并对其降温进行了可行性分析[35]。他们采用硅丙乳液为成膜物质，添加中空微珠、TiO2、轻质碳酸钙、滑石粉等材料制备热反射材料，对其降温效果、抗滑性能和经济性进行分析评价。取得了如下结论：该热反射涂层降温效果较好，最大降温为11.4 °C；应用该热反射涂层后，路面的抗滑性能略有降低，但仍满足路用要求；该热反射材料的成本较低，可以作为一种预防性养护措施[36-37]。随后，他们成功将此热反射涂层应用于国内某高速公路，然而新涂装涂层的路面存在逆反射系数较高、使用寿命较短、抗滑性较差等缺点。同时硅丙乳液的耐化学腐蚀和耐沾污性尚满足不了要求。王赫等分析了热反射涂料中的功能填料的种类和掺量，根据不同功能填料对热反射涂层降温效果和性能的影响，论证了丙烯酸/TiO2体系的热反射涂料是一种潜在的路面降温材料[38]，通过铺筑济南试验路，进一步验证了热反射涂层的降温效果和抗滑性能[39]。张静等[40]以硅丙乳液为基料，空心微珠和金红石型TiO2为主要颜填料，合成了一种降温效果优良的路用热反射涂料，并指出采用喷涂工艺能有效提高热反射涂层路面的抗滑性能。

重庆交通大学唐伯明研究团队以不饱和聚酯为基料树脂，通过添加 TiO2、SiO2、中空微珠等功能填料，制备了不饱和聚酯热反射材料[41-42]。该热反射涂层降温性能优良，路用性能较好，但路面上灰尘等污染物会降低涂层的降温效果[43]。采用该材料在江西永武高速公路上铺筑一段试验路，首次实现了热反射材料在国内排水性沥青混凝土路面上的应用[44]，经过一段时间观察，发现涂层的降温效果下降，且外观有剥落、变色等现象。为了解决热反射涂层耐沾污差、耐久性不足以及施工中有易挥发物等缺点，项目组采用种子乳液聚合法将含氟单体引入丙烯酸酯乳液中的壳层，合成含氟乳液，并导入TiO2、SiO2构造凹凸粗糙疏水结构，制备出降温效果良好、耐水性和耐沾污性能优良的含氟热反射涂料[45]，然而其粘附性和耐磨性较差且易剥落。王良艳对比了热反射涂料、浅色碎石和多孔集料对沥青混凝土的降温效果，发现多孔集料几乎没有降温效果，浅色碎石有一定的降温效果，热反射涂料的降温效果最好。同时研究指出，该热反射涂料的粘结性和耐磨性较差，不宜直接喷涂在铺装面层上使用，撒布浅色耐磨碎石能提高涂层的抗滑性和耐磨性[46-47]。热反射涂层中的高分子材料在使用中存在老化现象，将引起涂层发黄、变脆，导致其路用性能及降温效果下降，因此研究热反射涂层的老化行为具有重要意义。唐伯明等[48]研究发现太阳辐照量是引起涂层老化的重要因素之一，老化过程中形成的碳氧双键导致涂层反射率的下降，使涂层降温效果变差。掺加光稳定剂是一种简单有效的光稳定化措施，在一定程度上能延缓涂层的老化，但光稳定剂的种类和掺量需根据不同的热反射涂层来确定。

长安大学的沙爱民等[49]分析了热反射路面的工作原理及降温效果，发现增加路面的反射率可以有效降低路面温度。随后，路俊杰[50]用A树脂、TiO2、碳黑配制热反射涂料，并评价了其工作性质、降温效果和抗滑性能，发现该涂料性能符合规范要求，降温幅度可达7 °C，通过添加陶瓷颗粒还能提高其抗滑性能，但他并未深入研究各路用性能的影响因素、试验方法及评价方法。郑木莲等指出提高路表反射率可以从根本上降低路面温度，他采用改性双酚A型环氧树脂为基料，金红石型钛白粉为颜填料制备了热反射涂料，室内降温可达18 ～ 25 °C。同时发现，增加涂层厚度在一定范围内有利于提高热反射涂层的降温效果，但会降低抗滑性能，撒布防滑颗粒则可以增强其抗滑性能[51-53]。随后他们分别在西安市环山线和陕北榆绥高速铺筑了一段试验路，系统评价了热反射涂层路面的降温效果、抗滑性能和耐久性能[54]。邓琰荣[55]以环氧树脂为基料制备沥青路面热反射涂料，室内试验表明红色热反射涂层的降温性能最佳，室外试验表明该热反射涂料具有优良的耐磨性能。然而他未分析涂料的耐候性，环氧树脂热反射涂料经过长时间运营后其降温效果能否保持原有水平仍未可知。王朝辉等[56]制备了一种新型路用降温涂层，确定了涂层的最佳涂抹量为0.8 kg/m2，涂层的各项基本性能良好，降温性能优良。刘立斌等的研究也有类似的结论[57]，并指出涂层的干燥时间能够满足开放交通的要求，且环境温度在20 °C左右时有利于路用降温涂层开放交通[58]。刘相儒等[59]制备了4种路用降温涂层材料，测试了降温性能，系统分析了耐温变性能、耐磨性能和抗滑性能。结果揭示了不同类型路用降温涂层的降温性能、耐温变性能及耐磨性能均良好，撒布抗滑粒料后，抗滑性满足了路用要求。

东南大学的钟勇强等[60]对比分析了设与不设热反射涂层2种方案的路表温度检测结果，并根据有限元模型、数值分析等反算出主要的热辐射特性参数，表明热反射涂层对辐射能的吸收显著减少。河北省滦平县交通运输局的赵春红等[61]探析了沥青路面热反射涂层的施工工艺，提出了施工对路面、气温、施工人员及交通开放时间的要求，指出了试验阶段和施工阶段的注意事项。

4 存在的问题与展望

在沥青路面应用热反射涂料是解决沥青路面车辙损害及缓解城市热岛效应的有效方法，在公路建设上有巨大的应用空间。自路用热反射涂料问世以来，日本已形成了相应的规范，并成功应用于实际路面。国内研究者也取得了一定的成果，但依然有诸多问题亟待解决。

(1) 目前用于路用热反射涂料的基料树脂大部分为溶剂型，施工时VOC排放量高，污染环境和危害人体健康。树脂水性化能有效解决VOC排放等问题，但研究中发现基于水性树脂制备的热反射涂料存在粘结力较差、强度不够等缺点。因此，如何提高水性热反射涂料的性能是今后研究中必须考虑的问题。对树脂进行化学改性和水性化必将是路用热反射涂料的新出路。

(2) 热反射涂层在面对车辆轮胎摩擦时，可能出现脱落或部分脱落，主要是涂层的耐磨性能不足。例如，丙烯酸树脂、不饱和聚酯树脂等用于热反射涂料时，通常耐磨性能可以达到路用标准，而环氧树脂虽然具有极强的粘结力，能有效抵御车辆的磨损，但易老化且脆性较大，难以直接用于路用热反射材料。通过对环氧树脂进行化学改性能解决这些问题，但具体的效果还需今后的研究证明。

(3) 路面污染物会污染热反射涂层，不仅影响路面的美观，而且会导致涂层热反射性能下降，因此必须提高涂料的耐污性。一方面研究如何降低涂层对尘土的吸附能力，另一方面希望制备一种超亲水性的涂层，使雨水或清洁车能够比较容易除去积聚在涂层上的污物。引进低表面能的氟元素或硅元素也许是提高涂层耐沾污性能的一大办法。

(4) 热反射涂料降温标准的评价方法尚不明确，国内主要以测定路面降温为准，而大气温差更能反映热反射涂层对城市热岛效应的缓解作用。因此，测定热反射涂层路面的大气温差具有重要意义，研究中应以路面降温和大气温差综合评价热反射涂层的功效。

(5) 路用热反射涂层路面必须具备良好的抗滑性能，添加防滑粒料等能增大涂层的抗滑性能。研究彩色热反射路面将是未来的一大方向，其降温性能有待进一步验证。研究者应跟踪调查路用热反射涂层的实体工程，对其长期的降温效果及耐久性进行综合评估。

(6) 日本主要对热反射涂层的降温效果进行分析，对材料的物性、微观结构、降温原理及相关路用性能的研究较少。日本的路面结构主要为大孔隙排水性路面，国内的路面多为密级配沥青混合料和沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)，因此，需结合国内路面结构的实际情况进行深入研究才能真正实现该技术的应用与推广。

将热反射涂料用于降低路面降温具有光明的前景，因此，研发高性能且适合我国道路实情的热反射涂料是研究者面临的机遇与挑战。

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[ 编辑：杜娟娟 ]

Research progress on heat-reflective coatings applied to asphalt pavement

CAO Xue-juan*, LIU Pan, LI Rui-jiao,

LIU Yu-gui

The basic cooling principles of heat-reflective coatings applied to asphalt pavement were summarized. The coating components including binder resin, functional filler, additive and solvent were introduced. The current research status of heat-reflective coatings on asphalt pavement was reviewed and its existing problems and development trend were pointed out.

heat-reflective coating; asphalt pavement; cooling effect; principle

TQ630.7

B

1004 - 227X (2016) 18 - 0943 - 06

2016-04-07

2016-05-26

国家自然科学基金（51408088），重庆交通大学研究生教育创新基金项目（20150103）。

曹雪娟（1979-），四川邻水人，博士，副教授，主要从事路面材料研究。

作者联系方式：(E-mail) 787461693@qq.com。