沥青路面热反射涂层的降温性能研究综述

孙斌祥， 黄尹泰， 沈 航， 姜 奕， 童玉英

(1.绍兴文理学院土木工程学院， 绍兴 312000； 2.绍兴文理学院元培学院， 绍兴 312000)

随着中国综合国力不断增强，沥青道路修建数量逐年增多，大量的地面被沥青路面所代替，导致路面释放的显热增加，加剧了城市热岛效应的发展，造成环境质量下降，居民身体健康受到影响[1]。不仅如此，在夏季高温条件下使用沥青路面会引起严重的车辙危害[2-3]。由于沥青路面吸热能力强，吸收率高达0.85～0.95，且本身具有热塑性特点，在夏季太阳辐射的照射下，大量的热量被吸收并储存在沥青路面内，使沥青路面易变软产生塑性流动，在交通荷载作用下容易产生严重的车辙现象[4]。

中外道路工作者针对沥青路面高温危害开展了相关冷路面技术的研究，并在21世纪初提出了一种可涂装在沥青路面表面的太阳热反射材料，该材料可以有效降低沥青路面的温度。道路的反射率与降低空气温度和建筑温度密切相关[5-6]，在沥青路面上铺设热反射涂层后能够提高其反射率，因此可以作为减少沥青路面车辙病害和减缓城市热岛效应的措施[7]。近年来，中国对沥青热反射涂层的研究集中在部分高校中，沥青热反射涂层技术虽有一定成果，但尚未成熟，依然有诸多问题亟待解决。现对沥青路面热反射涂层降温机理和研究方法进行阐述，对热反射涂层降温性能的影响因素进行研究，分析现有研究中存在的问题和提出展望，为热反射涂层技术在道路工程的应用提供参考。

1 沥青热反射涂层的降温机理

通过对沥青路面光热效应的研究，分析沥青路面造成高温的原因和提出降温的方法；再结合热反射涂层的降温机理进行研究，分析其作用在沥青路面上的降温有效性。

1.1 沥青路面光热效应

沥青路面传热的方式包括热传导，热对流和热辐射。热传导指的是沥青面层与下部结构层和土层之间热量的相互交换，热量由高温处向低温处转换的现象。热对流指的是沥青路面与上方空气之间发生相对位移时所产生的热量转移的现象。热辐射指的是沥青路面不仅吸收了太阳辐射，同时又向大气环境发送长波辐射。沥青路面的热辐射满足斯蒂芬-玻尔兹曼定律，路面温度越高其辐射能力越强。沥青路面传热过程如图1所示。从图1可以看出，沥青路面的光热环境主要包括两方面，分别为投射到路面的热辐射以及路面对这种辐射的响应。投射的热辐射可划分为太阳直射，散射、大气逆辐射等部分；对应的热辐射响应主要有反射、吸收、辐射等。投射的太阳辐射大部分被路面吸收，其余的被反射，吸收率和反射率之和为1[8]。由于沥青路面对太阳辐射的吸收率高达85%，从而吸收大量热辐射使得自身温度的升高，路面温度升高以后，便会通过热传导、热对流和热辐射向四周传递热量，使得沥青路面四周环境温度升高。当沥青路面吸收的所有辐射热与向外发散的热量达到相同水平，沥青路面处于热平衡状态。

图1 沥青路面的光热环境Fig.1 Light and heat environment of asphalt pavement

冯德成等[9]对沥青路面光热效应机理进行了研究，基于路面热平衡方程计算了在不同辐射强度下沥青路面的平衡温度。所得结果发现，在光辐射强度一致情况下，沥青吸收率和平衡温度存在正相关关系，沥青路面吸收率下降后，对应的平衡温度也会下降。Qin[10]在研究过程中引入了一维瞬时热传导模型进行分析，且在一定简化假设基础上，推导出理论条件下路面最高温度Tsmax为

(1)

式(1)中：Γ为常数(热传导吸收百分比)；r为反射率；I0为太阳最大辐射量；P为路面热惯性；ω为角频率，ω=2π/(24×3 600)；T0为回归常数。

通过式(1)可以看出路面温度与太阳辐射和路面材料相关，对于实际环境中，太阳辐射等自然因素都是客观存在且不以人的意志所决定的。在相同的自然条件下，沥青路面温度取决于自身的热特性，Gui等[11]利用一维温度模型计算了导热率、比热容、反射率和发射率等热物理参数对路表温度影响，结果表明反射率对路面温度的影响最为显著。冯德成等[12]通过有限元分析热物理参数对路面高温情况的影响规律，也得到类似结论。Qin[10]对反射率降温的有效性进行验证，结果表明，反射率每提高10%，路面温度可以降低3～4 ℃。文献[13]研究表明，路面反射率的升高也可以降低面层向结构层的热传导，沥青路面反射率提高0.32，其热传导的热量可降低4%。

通过以上分析，提高路面反射率、抑制热传导、增加热对流来降低路面温度相对有效。Qin等[14]对不同反射率和不同热惯性的路面进行模拟，发现大部分热辐射被路面吸收后以感热和长波发射的形式排放，而少量热量以热传导的形式向下传热，仅占吸收的热辐射5%；此外，降低路面热惯性虽然会降低日间的感热，但会增加夜间的感热。而热对流主要与风速有关，属于自然因素尚不能人为控制。提高路面的发射率可以有效降低路面温度，但其作用小于反射率。因此通过提高沥青路面材料的反射率可以作为降低沥青路面温度的理想方式。

1.2 热反射涂层降温机理

太阳热反射涂层属于一种常见的功能涂层，由于涂层内添加了特殊的反射填料，因此对光的散射能力较强，可以高效地反射太阳辐射，使得太阳辐射与涂层下的涂覆物隔绝，从而对涂覆物表面升温起到抑制作用，同时内部温度也能控制在一定范围内[15]。太阳辐射热能绝大部分处于可见光和近红外区(0.4～2.5 μm)，在该波长范围内，热反射涂层反射率越高，其降温效果越好。

现有的热反射涂层往往基于一种或多种降温机理来实现对涂覆物降温，在热反射涂层中添加隔热材料和辐射材料，除了可以对太阳辐射进行反射外，还能对太阳辐射进行隔热和辐射。添加的隔热材料，由于其导热系数低或其内部填充懒性气体，从而获得良好的隔热效果，进一步降低热量向基体下部传递。添加的辐射材料，其通过热辐射形式把吸收的热量发射到大气中，增强了涂层的辐射能力，由于大气对3～5 μm和8～13.5 μm波段的辐射吸收率较小，透过率较强，而辐射材料在这两波段范围内具有高发射率，可以把吸收的热量尽可能辐射到外层空间去，实现持续的降温。理想的热反射涂层在3～5 μm和8～13.5 μm波段范围内具有较高的发射率，在其他波段范围内具有较高的反射率。

通过上述分析，提高沥青路面的反射率是降低其温度的理想方式，在沥青路面上铺设热反射涂层可以提高其反射性能，减少沥青路面对热辐射的吸收，对沥青表面升温起到抑制作用，同时也使得进入沥青路面结构的热量减少，控制沥青内部温度在一定范围内。

2 热反射涂层降温性能研究方法

2.1 降温效果研究方法

目前沥青热反射涂层性能研究方法没有国标及行业标准，中国降温效果研究方法主要参考美国军标MIL-E-46136提供的标准。早期梁满杰[16]自制了一套室内降温模拟试验箱，可以模拟热反射涂层在太阳辐射单因素影响下的降温效果。实验箱为无封闭状态，在每个实验台上方固定4个碘钨灯作为光源模拟太阳辐射，使辐射强度为某定值并假设试样表面辐射强度是均匀的，测量和记录有无太阳热反射涂层的沥青试件温度。试样直接置于无封闭状态下，容易受周围空气的影响，且同一型号、功率的碘钨灯强度也会存在一定差异，影响实验精度。针对此问题，曹雪娟[17]对降温模拟箱进行了改进，在实验台上安装一个碘钨灯并利用电机带动其处于旋转状态，从而保证照射的均匀性。采用一个黑体箱将碘钨灯封闭其中，使试件表面反射的光不易发生二次反射，消除了实验过程中环境和人为因素对试验结果造成的影响，提高了试验精度，所测得的沥青温度能较好地反映涂层的降温性能。

国外对沥青热反射涂层降温效果研究大多在室外进行，研究方法主要是在现场路面上直接涂刷热反射涂层或将试样放置室外通风处，对其温度进行长时间监控。室外研究方法可以有效研究涂层在白天和晚上的降温效果，对比分析涂层在不同季节下的降温效果，并且还可研究各种自然因素对涂层降温效果的影响。实际工程环境下太阳辐射强度随时间呈正弦规律变化，室外降温效果与室内降温实验存在差异，Zheng等[18]对室内降温实验方法和室外降温实验方法的关系展开了研究，发现室外降温研究所得的结果均比室内的差。

2.2 反射率研究方法

反射率是热反射涂层降温性能的重要指标，目前常采用ASTM规范中提出的标准方法研究路面反射率，具体如表1所示。对于表面光滑且均匀的试件，其反射率可以采用ASTM E 903或ASTM C 1549测量得出，其中应用紫外-可见-近红外分光光度计受环境影响小且精确度高。通过测量涂层光谱数据，再通过加权平均计算可以求出涂层在紫外光区、可见光区、近红外光区各范围内的反射率。因此，大部分反射率研究均采用ASTM E 903研究方法[19-23]。

表1 ASTM中相关反射率的主要研究方法

对于室外不规则曲面热反射涂层的反射率，其研究方法主要采用ASTM E 1918测量得出，通过测量模型的入射光强度和反射光强度，两者比值即为目标反射率。但该方法要求实验模型的尺寸至少为4 m × 4 m，且模型内的辐射强度必须相同，如此大的模型尺寸可能均无法满足要求。针对此问题，Akbari等[24]研制了一种利用黑、白色控板测量目标反射率的方法，实验模型尺寸只需1 m×1 m，但该方法只采用一个日射强度计，通过翻转日射强度计错峰对入射光强度和反射光强度进行测量，测量中存在时间差且结果容易受自然因素的影响。对此，Qin等[25]提出了一种简化的方法，在模型上方设置背靠背的两个日射强度计，上下两个日射强度计可以同时间测量入射光强度和反射光强度，提高实验精确度。

3 沥青热反射涂层降温性能的影响因素

3.1 填料的光学性能

涂层中反射填料对光的反射主要以散射为主，为了减少太阳辐射在涂层的透过，应该尽可能增强其散射太阳光的能力，而涂层对太阳辐射的散射能力取决于填料和树脂的折光系数，散射比定义为填料与树脂折光系数的比值[8]，即

m=np/nr

(2)

式(2)中：m为填料散射能力；np为颜料的折光指数；nr为树脂的折光指数，一般取1.45～1.50。

当填料的折光指数和基料的折光指数相等时，涂层是透明的，填料的折光指数大于基料的条件下，涂层就具有一定遮盖力。涂层遮盖力越大，其反射率越大，并且涂层反射率F大小也取决于填料和成膜物质折光系数之差[8]，即

(3)

由式(2)和式(3)可知，填料折光系数与树脂折光系数相差越大，涂层对光的反射能力越强。因此反射填料的折光系数越大越好。文献[26]对常见几种填料的折光系数进行了总结，其中二氧化钛的折光系数最高，高达2.8。王赫[27]对常见的几种填料制得的涂层进行了反射率的研究。结果表明，与其他填料相比二氧化钛由于折光系数大，所制得的热反射涂层反射率最高。

3.2 填料的粒径

涂层的降温性能也和填料的粒径和用量存在密切关系。填料粒径与反射入射光的波长有关，对应于最大反射的颗粒直径，计算公式为

d=0.9λ(m2+2)/npπ(m2-1)

(4)

式(4)中：d为填料粒径；λ为入射光波长。

当填料粒径与入射光波长比d/λ=0.1～10时，表现为菲涅耳型反射，对温控有利；当d/λ<0.1时，表现为瑞利散射，对温控无效。根据上述分析，填料粒径不应小于0.2 μm，填料粒径越大可以更好地反射光辐射。但粒径过大会导致制得的涂层表面粗糙、孔隙多、易沾污，反而降低了其反射性能[26]。因此，存在一个合适的粒径范围使得涂层的反射能力良好。

郭清泉等[28]研究了涂层反射能力与反射填料粒径的关系，发现对单一填料体系来说，由于太阳辐射能量主要分布集中在可见光区和近红外光区，反射填料在0.2～1.0 μm粒径范围内质量分数和反射能力呈正相关。对复合填料体系来说，体系中反射填料的分散并不充分，填料聚集状态居多，在0.2～1.0 μm粒径范围内质量分数就会降低，从而影响太阳热反射能力，若想提高涂层的太阳热反射率，应选择合适的反射填料、分散剂，使体系中的反射填料以适宜粒径形态分布。Cao等[29]通过两种分布在不同粒径范围的TiO2进行降温研究，也证实了当TiO2的粒径集中在0.2～1.0 μm时，反射涂层可以获得较好的降温效果。

3.3 填料的体积浓度

填料在成膜物质中所占的体积浓度(PVC)是判断涂层降温性能的重要依据。孙威[30]在沥青热反射涂层组成设计中研究了填料体积浓度对其降温性能的影响。通过二氧化钛为反射填料进行降温性能对比实验。结果表明，涂层中反射填料浓度的增加，其降温效果也随之增加，添加二氧化钛质量比10%、15%、20%的反射涂层与对照组的最大温差分别达到了5.6、9.2、10.8 ℃。

Cao等[31]以二氧化钛和二氧化硅为反射填料对热反射涂层的体积浓度进行研究。结果发现，当反射填料体积浓度达到14%时，涂层降温效果达到最大，随着体积浓度继续增大降温效果有所下降。表明只有在一定范围内，填料体积浓度和涂层降温性能才存在正相关关系。当反射填料在涂层中含量较少时，随着PVC的增加，反射填料数量增多，反射填料在成膜物质内间隔不断缩小，能更有效地防止光辐射的穿透并将其反射出去，故涂层降温效果更佳；但当反射填料PVC超过某值时，随PVC的增加，反射填料的聚集使散射的比表面积减小，散射效率降低，涂层降温效果反而会下降。陈玉静等[32]对反射填料和隔热填料体积浓度对反射涂层降温性能的影响进行了研究。结果表明，反射填料体积浓度达到15%时降温性能达到最大，提升到20%时降温性能反而下降；隔热填料体积浓度由0提高到10%时隔热效果显著增加，这是因为隔热填料排列紧密并形成致密的热缓冲层；体积浓度到达15%时隔热效果几乎不变，增加到20%时降温性能有所降低，这是因为隔热填料的排列方式发生改变，导致热缓冲层的隔热性能下降。因此，在研究沥青热反射涂层时需找到填料的最佳体积浓度值。

3.4 涂层颜色

当前所用反射填料大多为白色，直接用作降温材料会使路面产生眩光问题，白线可见性也会降低，影响行车安全。因此需要加入着色填料制得彩色的热反射涂层以满足道路使用要求，不同色调的涂层对太阳热辐射有着不同的吸收和反射能力。

Levinson等[33-34]对广泛的着色颜料进行光学性能的研究，通过确定参数散射系数S和吸收系数K作为太阳光谱300～2 500 nm波长的模型，对各种颜料透射率和反射率进行表征。结果表明，二氧化钛在可见光区和近红外光区的反射率达到最高，浅色涂层由于反射率在可见光区比深色涂层的要高，所以深色的热反射涂层与白色的热反射涂层相比，降温效果会有所下降，且随着颜色加深，降温性能逐渐下降。而对于一些复杂的无机颜料，在可见光区的吸收率较高，但在近红外光区的反射率高，You等[35]采用纳米CuO制得了一种黑色近红外反射涂层，即使热反射涂层颜色较深，但其降温效果也较高，在夏季可降低沥青表面温度12.62 ℃。

彩色涂层的降温性能不同的原因在于可见光区和近红外光区的反射率不同，尤其是在可见光区。张争奇等[36]研发了彩色反射式沥青路面涂层。实验表明，每种颜料均比沥青路面的路面温度要低。Tukiran等[37]采用市面上常用的五种颜色的反射涂层研究沥青彩色涂层的热性能，通过对降温效果和反射率的测量分析，发现全部彩色涂层都可以使得沥青路面的降温性能有所提升，其中白色涂层降温性能最好，反射率和降温效果最高，达到 0.61 ℃ 和17 ℃，绿色涂层最低只有0.14 ℃和1.26 ℃。Synnefa等[38]通过添加着色填料制得多种彩色热反射涂层，统计分析发现颜料的加入使得涂层降温效果有所降低，灰色涂层是仅次于白色的降温性能，其反射率最高达到0.55，降温效果达12 ℃，而其他深色涂层在可见光区反射率较低，因此降温性能也相比略低。此外，同种颜色的涂层由于所添加的颜料不同降温性能也会存在差异，曹雪娟[17]采用炭黑、黑色素、铁红加铁绿分别制得灰色反射涂层。结果表明，铁红和铁绿的光学性能较高，制得的灰色反射涂层降温效果达到16 ℃；而黑色素和炭黑的只有8 ℃和2 ℃。

3.5 涂层厚度

热反射涂层厚度对其降温性能影响很大。Guo等[39]研究了涂层厚度与其反射率的关系，发现涂层厚度在一定范围内反射率处于峰值，进一步增加后反射率不会改变。对其原因进行分析可知，涂层厚度较薄情况下其作用较小，太阳辐射就有可能透过涂层照射到沥青面上；厚度超过一定水平后光线并不能照射到沥青上，此时涂层的反射性能只和表面的反射率相关，厚度进一步增加，反射率无明显变化。郭宇等[40]对涂层厚度和对比率对其反射率的影响进行了研究，分别对涂层的湿膜厚度、干膜厚度、对比率和反射率进行了测试。研究结果表明，涂层对比率较差情况下，反射率随厚度增加而增加；涂层对比率较高情况下，厚度增加到一定值后，反射率不受影响；涂层涂刷在白底上反射率比涂在黑底上明显要高，但随着厚度的增加，反射率的差别缩小，意味着热反射涂层涂刷在沥青路面和混凝土路面上，随着涂层厚度的增加可以减少两者之间的反射率差。

郑木莲等[41]选取了三组热反射涂层不同厚度的涂刷量对其降温效果进行研究，结果表明，三种热反射涂层路面温度的变化曲线大致相同，其中涂刷量0.6 kg/m2比0.9 kg/m2的路面温度较低，表面降温效果并非随厚度增加而增强。文献[42]也得到类似结论，表明热反射涂层降温性能随用量呈抛物线变化规律，原因在于涂层厚度超过一定值，太阳辐射在涂层内部的散射光程会增长，加大涂层对能量的吸收，反而不利于热反射涂层对沥青路面的降温效果。刘文涛等[43]研究了不同降温机理的降温涂层厚度对降温性能的影响，结果表明，反射型和辐射型降温涂层厚度的最佳值为300 μm，厚度进一步增加后，对应的表面温度不会受到明显的影响，两者降温性能基本只与涂层表面的功能填料有关；而隔热性的涂层的隔热降温效果随厚度的增加而均匀增加，并不止和表面的填料有关。这是由于隔热填料的导热系数小，涂层厚度越大内部的隔热填料越多，可以延长热量流入路径，减缓涂层向下热传递，增强了隔热降温效果。

3.6 涂层结构

现有沥青热反射涂层大多是将不同作用的填料混合而成的，受单层结构的限制其降温性能发展面临着持续的挑战，因此对于热反射涂层结构的研究应运而生。

程承[44]进行了涂层结构对其降温性能的研究。单层复合热反射涂层由着色颜料和反射填料共同组成，改变涂层的结构，将着色颜料设计在面层中，反射填料设计在下层中，如图2所示。结果表明，多层涂层在反射过程中，面层将太阳辐射进行第一次反射，次层再将透射进来的辐射进行第二次反射，涂层的反射效率得到提高，多层结构涂层比单层结构复合涂层降温效果提高了1 ℃。Chen等[45]认为单层热反射涂层在使用中一些反射填料可能被其他不透明材料所覆盖，从而使其光学反射功能达不到预期。因此将反射、辐射、隔热三种不同降温原理的功能性填料设计在不同的层里来进行降温性能研究。结果表明，多层结构涂层的改变可以增加各种填料的体积浓度，从而充分发挥填料的降温性能，与单层反射涂层相比，增加辐射层可以将降温效果提高约3 ℃，再增加隔热层可以将降温效果提高约5 ℃。

图2 改变涂层结构后太阳辐射反射对比示意图Fig.2 Comparison diagram of solar radiation reflection after changing the coating structure

将现有结构对沥青热反射涂层降温性能影响的研究进行了总结，具体如表2所示。可以发现，改变涂层结构的形式有两种：一种是在原涂层的基础上直接增添新的功能层，另一种是将单层复合涂层里的功能性填料分别设计在不同层面中，提高各填料的作用。与单层结构反射涂层相比，多层结构涂层的降温效果更佳，并且三层结构涂层比两层结构涂层降温幅度更大。结构的改变能够提高热反射涂层的降温性能。

表2 涂层结构对其降温效果的影响

3.7 路面类型

热反射涂层运用在不同类型的路面上，降温效果也不同。Tukiran等[37]将热反射涂层分别铺设在沥青路面和混凝土路面上，通过降温性能研究发现，铺设涂层后沥青路面和混凝土的反射率升幅相差不大，但由于无涂层混凝土路面比无涂层沥青路面的温度低，添加热反射涂层后沥青的温度降幅效果相对会更大，两者最大可相差7 ℃。

Cao等[23]、曹雪娟等[47]通过在密级配沥青(AC)、间断级配沥青(SMA)和开级配沥青(OGFC)试件上铺设热反射涂层，将沥青试件放置室外进行了不同类型的沥青路面降温性能研究。结果表明，涂层用量相同下AC沥青表面的降温效果最佳，其次是SMA沥青，OGFC沥青表面的降温效果最差。原因在于OGFC沥青具有高的空隙率和部分涂层将渗透到孔隙中，因此较少的涂层可用于表面降低温度。SMA沥青与AC沥青相比，混合料具有更高的纹理深度，造成涂层的冷却效果降低。粗糙路面表面通常需要比光滑表面更高涂刷量以产生相同的反照率[48]。而对于沥青内部，相同用量下OGFC沥青内部温度可降低约10 ℃，而SMA沥青降低 8.7 ℃。这是由于OGFC沥青与SMA沥青相比，其空隙率较大，层与层之间的接触面积比相对较少，加上OGFC沥青的导热系数小，向下传导热量效果较差，因此OGFC沥青的内部降温效果较好。通过上述分析，热反射涂层铺设在不同类型沥青路面上降温效果不同，其中AC沥青表面降温效果最好，OGFC沥青内部降温效果最好。

3.8 环境因素

热反射涂层运用在路面上，要受到阳光、空气和风力等自然因素影响，Sha等[49]证明了在紫外线照射下，无机材料可以保持大部分的稳定性，但有机材料会老化，而大多热反射涂层的成膜物质为有机材料，因此热涂层会随阳光的照射会产生发黄、变脆等老化的现象。Cao等[50]对热反射涂层室内和室外老化行为进行了研究，分析了涂层在老化期间表面形貌、红外光谱、冷却值和反射率的变化。结果表明，在太阳辐射的积累下涂层里的羰基含量逐渐增加，羰基容易吸收可见光和红外线，导致树脂的透光率下降，在一年期限的老化过程中，涂层的反射率和降温效果呈先慢后快的下降，分别下降了22.18%和6.2 ℃。

沥青热反射涂层也会受到交通工具的长期摩擦推移，导致涂层表面部分逐渐脱落而降低了其降温性能。王赫[27]对热反射涂层磨耗前后的温度变化情况进行实验分析，结果发现，涂层磨耗后反射填料减少，其表面和内部降温效果分别下降5 ℃和11 ℃；此外，为了提高涂层抗滑性和耐磨性，往往会在涂层中加入防滑颗粒，但防滑颗粒的加入会略降低涂层降温性能。

路面上大量的污染物会对热反射涂层进行覆盖，不仅会降低涂层的反射率，还会吸收太阳辐射增加热量。唐伯明等[51]对污染物对沥青热反射降温效果的影响进行了研究。结果发现，涂层降温效果受不同污染物影响下均出现不同程度的下降。尘土等不透光污染物对热反射路面降温性能的影响随污染物密度的升高而增大，随沥青构造深度的增加而减小；油料等透光污染物对热反射路面降温性能的影响随污染物透光率的降低而升高，随污染物厚度的升高而增大。张正一等[52]在此基础上加上化学污染物对涂层降温性能的研究。结果表明，尘土污染影响最小降幅在0.4～1.3 ℃，化学腐蚀污染次之降幅在2.3～2.4 ℃，油料污染影响最为严重降幅在1.2～3.1 ℃。对此，曹雪娟等[53]通过改性的方法制得了一种耐污性能强的热反射涂层，研究发现该涂层的反射率受污染物影响较小。

从上分析可知，沥青热反射涂层与运用在其他领域上的热反射涂层相比，除了受涂层内部因素和自然天气的影响之外，还受到车辆荷载、污染物等一些路面因素的影响，具体如表3所示。因此在研究沥青热反射涂层降温性能时需全面考虑。

4 沥青热反射涂层对热环境的影响

在夏季随着太阳辐射的增加，沥青路面吸收大量热量，导致其温度增加并与空气发生对流换热，对室外热环境造成影响。Lin等[5]研究了路面温度、全球温度、太阳辐射和风速等因素对室外热环境的影响。结果发现路面温度与空气温度的相关性最为密切。Santamouris等[54]研究了反射路面对环境温度的影响，对路面温度，环境温度、风速和污染物浓度进行了测量，通过计算流体动力学(computation fluid dynamic，CFD)技术建立了该地区的热模型，并采用测量的边界条件进行了模拟，计算得到反射涂路面的热影响。结果表明，使用反射路面可使路面温度下降了12 ℃，此时环境温度降低 1.9 ℃。Georgakis等[55]研究了热反射涂层对城市峡谷内空气温度的影响，发现热反射涂层可以降低路面温度7～8 ℃，峡谷内的空气温度可以下降1 ℃。Carnielo等[56]也在一项模拟实验中发现类似气温下降的现象。以实验数据为输入，用ENVI-met软件模拟了罗马一个人口密集地区的热环境，评估路用热反射涂层对温度空气的影响。结果表明，空气温度的显著降低与路面对太阳反射率密切相关。当使用路用热反射涂层提高路面反射率时，路面温度可以降低20 ℃，空气温度可以降低5.5 ℃。然而一些模拟结果表明，街道峡谷中路面温度的降低对当地空气温度的影响很小。Mills[57]建立街道峡谷模型，该模型能够模拟峡谷气候的许多方面，包括峡谷表面和最高能量预算以及路面和空气温度。结果表明，峡谷内的空气温度主要与城市的几何形状即峡谷高宽比相关，峡谷内路面温度的影响较小。Yaghoobian[58]的模拟结果发现，深浅色的路面温度相差15.8 ℃时，峡谷内空气温度只相差0.4 ℃。为了更好地理解路面温度与城市空气温度之间的相关性，需要进一步完善模型和实验。

另外，沥青热反射涂层可能会提高附近建筑物的表面温度。 Yaghoobian[58]利用室内外建筑能量模拟器研究了城市峡谷内路面反射率变化对建筑物热负荷的影响，对窗墙比47%的四层办公楼为例进行了研究。结果表明，将路面太阳反射率从0.1增加到0.5，建筑物年降温需求增加了11%，对年采暖需求的影响较小。Qin[59]利用数值模拟对城市峡谷内路面反射率进行了研究。模拟实验发现，峡谷中的反射路面向附近建筑反射了相当大的额外漫反射，当峡谷高宽比小于1时，反射路面产生的漫反射才能到达城市峡谷外，这样减缓城市热岛效应的作用才更大。Carnielo等[56]利用TRNSYS动态仿真工具对典型意大利住宅区的降温需求进行研究。当使用路用热反射涂层提高路面反射率后，建筑物降温需求却减少了近19%，这可能是该住宅区的峡谷高宽比较小。

Li[60]通过路面材料的相关性能建立局部小气候模型，并应用该模型评价不同冷路面技术对室外环境的热影响。结果表明，路面反射率提高后增加了平均辐射温度，到达人体的反射辐射有一定提高，路面反射率增加情况下，人体的热舒适性会受到明显的影响，因而应该进行适当控制。Schrijvers等[61]通过数值模拟研究了各种高反射率路面对气温、平均辐射温度和通用温度气候指数的影响。结果表明，由于平均辐射温度对峡谷的阴影敏感性，使得通用温度气候指数的增加，峡谷内高反射率的路面产生了更多的热应力。

上述分析可见，热反射涂层运用在路面上可提高路面反射率，有效降低城市的空气温度，有助于减缓城市热岛效应。此外，当城市高宽比大于1或建筑物的窗墙比较大时，路面反射率的提高会增加附近建筑物的降温负荷和行人的热应力，沥青热反射涂层应用于高密度地区时应特别注意。

5 沥青热反射涂层降温性能研究展望

自世纪初太阳热反射涂层在沥青路面应用以来，沥青热反射涂层得到迅速发展。但研究中仍存在一些问题，今后还需进一步深入研究。

(1)目前沥青热反射涂层性能研究的方法尚无统一规范标准，对其降温性能进行研究时一般以测定路面温差为准。有学者认为还需测定大气温差，更能反映热反射涂层降温性能和缓解热岛效应效果，因此应该联合路面降温和大气温差来对涂层降温性能进行研究；此外，沥青热反射涂层的性能研究大多集中在宏观研究上，微观结构的研究相对较少，今后还需加强对热反射涂层光热理论的研究，并制定出一套全面、准确研究热反射涂层降温性能的标准和测试方法。

(2)功能填料是决定热反射涂层降温性能的关键组分，今后应该对各种填料的光学性能进行分析，充分发挥反射、隔热、辐射不同机理填料的降温性能，实现各种降温填料协同降温的目的。通过改性等方法研发出高性能新型复合热反射涂层，更好地满足降温应用要求。另外，为了防止眩光带来的不利影响，往往需要加入着色颜料制得深色涂层，但会降低其降温性能，如何制得深色高反射率的热反射涂层也是我们应研究的课题。

(3)在太阳辐射的照射、交通荷载的磨损、污染物的覆盖的影响下，热反射涂层的降温性能会受到影响，而其他环境因素对其影响的报导较少，缺乏系统的研究，是否会对其造成影响今后还需进行证实。同时还需加强对高性能成膜物质的开发，研制出抗老化性、耐磨性、耐污性等路用性能良好的热反射涂层，减少环境因素对其降温性能的影响。

(4)沥青热反射涂层的运用如何缓解城市热岛效应要进一步地研究。路面温度的降低可以使得城市峡谷的空气温度降低，但有学者认为路面温度的降低对当地空气温度的影响很小，为了更好地理解路面温度与城市空气温度之间的相关性，需要进一步完善模型和实验。此外，沥青热反射涂层的应用在满足路面降温效果的同时，应权衡其与附近建筑物降温需求和人体舒适度的关系，沥青热反射涂层应用于高密度地区时应特别注意。

6 结论

研究对沥青热反射涂层的降温机理、降温性能的研究方法进行了分析，具体研究了热反射涂层内在因素和外在因素对其降温性能的影响，最后分析了沥青热反射涂层对热环境的影响。研究内容具体如下。

(1)对热反射涂层降温机理进行分析。降低沥青路面温度最合适方法是提高路面的反射率，而热反射涂层由于具有反射填料可对光辐射进行高效反射，将其运用在沥青路面上能高效降低路面温度。接着对沥青热反射涂层的降温性能研究方法进行了分析。根据降温效果研究方法的分析，发现通过自制的降温实验系统模拟和室外对涂层长时间温度监控，可以更好地反映出涂层在太阳辐射单因素影响和实际工程下的降温效果；根据反射率研究方法的分析，紫外-可见-近红外分光光度计可以测得涂层在各波段内的反射率，并且实验精度高，因此大多数涂层反射率研究采用此方法。

(2)上述沥青热反射涂层降温性能的影响因素研究表明，降温性能受填料的光学性能、粒径形状、体积浓度、涂层的厚度、颜色和结构等内在因素的影响外，还受到太阳辐射、车辆荷载、污染物和路面类型等外在因素的影响。填料折光系数与树脂折光系数相差越大，涂层对光的反射能力越强；填料的粒径、体积浓度和涂层的厚度均存在一定最佳范围，在该范围内越大涂层降温性能越好。涂层结构的改变可以充分发挥填料的作用，使其降温性能得到提高。此外，由于着色填料对太阳辐射吸收程度不同，涂层中添加着色填料改变颜色会影响其降温性能。在环境因素影响方面，热反射涂层在长期使用中会出现老化、磨损等问题，降温性能也随之降低，提高涂层的路用性能可以减少环境因素对其降温性能的影响。

(3)通过分析沥青热反射涂层对热环境的影响，发现热反射涂层运用在沥青路面上提高了路面反射率，减少路面向空气热对流和热辐射，进而有效降低城市的空气温度。但路面反射率的提高会使其向附近建筑反射额外的漫反射和提高了平均辐射温度，增加建筑物的降温负荷和行人的热应力，沥青热反射涂层应用于高密度地区时应特别注意。