沥青路面热反射涂料研究进展

达瓦扎西，陈先勇，战琦琦,2，张 瑜,2，杜娇娇，谢 磊

(1.重交再生资源开发股份有限公司，重庆 401121；2.重庆市沥青路面再生工程技术研究中心，重庆 401121)

据估计，太阳辐射每秒到达地球的太阳能为1.765×1017J[1]，这些能量给地球提供热量，促进地球表面植物光合作用，但是也会带来一些危害。沥青路面由于施工周期短、易于养护等优点被广泛应用于城市道路，但沥青具有吸热的特性，对太阳辐射的吸收率高达85%～95%，导致沥青路面温度在夏季高达60 ℃以上；并且由于沥青属于一种热塑性材料，吸热后会发软、发黏，在车辆荷载长期作用下，会出现车辙、拥包、开裂等问题，不仅影响沥青路面的正常使用，而且加剧“城市热岛效应”[2-3]。

热反射涂料利用填料的高折光率对太阳辐射进行有效反射，从而降低物质吸收的热量。沥青路面热反射涂料因具有不改变路面原有结构、仅依靠提高路表反射率降低路面温度的优势而受到广泛关注。早在20世纪90年代，日本就成功研制了沥青路面热反射涂料，其主要以丙烯酸树脂和二氧化钛制备而成，并于2002年进行了实验路铺装[4-5]。随后，国外对反射隔热涂料进行了大量研究，提出了降温机理[6-8]，并在实际工程中运用[9-10]。我国对沥青路面热反射涂料的研究起步于2006年，主要集中在对热反射涂料的研发，实际应用较少[11-15]。哈尔滨工业大学[16-18]首先对沥青路面热反射涂料降温机理进行了研究，并开发了多种热反射涂料；随后，长安大学[19-22]开发了多种适用于高海拔路面的热反射涂料，并对涂料的抗压性能进行了深入研究；重庆交通大学[23-26]以不饱和聚酯、丙烯酸和环氧树脂等为基料，开发了多种路面热反射涂料，并对其耐候性能进行了大量研究，发现所有涂料的耐沾污性能较差，一旦涂层被灰尘、油渍和碎屑等污染，其降温性能就大幅下降；同济大学[27-28]通过研究不同填料对不同波段太阳光的反射率，着重研究了热反射涂料的降温性能。国内外对沥青路面热反射涂料虽已有大量研究，但还存在一些问题，如涂层的耐磨、耐沾污和耐候性能等。

鉴于此，作者对沥青路面热反射涂料的降温机理、组成及路用性能(降温性能、粘接性能及抗滑性能)进行综述，并提出热反射涂料在沥青路面应用存在的问题和解决措施，以期为沥青路面热反射涂料性能的提高和更广泛的应用提供帮助。

1 热反射涂料的降温机理

太阳辐射的波段主要分布在0.2～4.0 μm，其中0.2～0.4 μm为紫外光，占辐射总能量的5%，紫外光穿透能力强，能够被反射的能量不足1%；0.4～0.76 μm为可见光，占辐射总能量的50%；0.76～2.5 μm为红外光，占辐射总能量的43%，红外光辐射至物体表面后转化成热量的速度是最快的；2.5～4.0 μm为黑体辐射波段，其占比较小，因此研究较少。太阳辐射强度分布如图1所示。

图1 太阳辐射强度分布Fig.1 Distribution of solar radiation intensity

热反射涂料主要是对可见光区和红外光区辐射进行反射。太阳辐射照射至物体表面会产生2种光学现象(反射和折射)和3种能量转换(反射、透过和吸收)。假设能量为1的太阳辐射照射至物体，其中透过物体的能量占总能量的比例称为透过率，被反射的能量所占比例称为反射率，而被吸收的能量所占比例称为吸收率，根据能量守恒定律，三者之和为1。由于热反射涂料是完全不透明的涂层，故透过率为零，入射涂层表面的能量只能被反射和被吸收，因此，要降低物体表面的温度，热反射涂料必须具有高的反射率和低的吸收率，这样可以将占太阳总辐射能量95%的可见光区(0.4～0.76 μm)和红外光区(0.76～2.5 μm)的辐射以同样的波长反射出去，从而不被沥青路面吸收，实现降温。但是热反射涂料的反射率不可能达到1，仍会有部分太阳辐射被涂层吸收，吸收的能量会以热传递的方式传递至沥青路面，并向外界产生热辐射。

根据大气对红外辐射的吸收特性，更为理想的路用热反射涂料是能将吸收的能量以8～14 μm波长的能量反射出去，这个波段的能量被大气吸收少，可以更好地实现沥青路面持续降温，缓解“城市热岛效应”。如以二氧化钛和二氧化硅为填料的热反射涂料，当太阳光照射到涂层表面时，大部分能量被涂层反射出去，只有少部分是被吸收的，这样涂层表面吸收的能量就大大下降，表面温度也会相应下降，如图2所示。

图2 热反射涂料的降温机理Fig.2 Cooling principle of heat-reflective coating

2 热反射涂料的组成

热反射涂料主要由成膜物质、填料、助剂组成。根据其组成成分的不同，分为单组分溶剂挥发成膜与多组分反应成膜。

2.1 成膜物质

热反射涂料的成膜物质一般为树脂，但树脂的品种很多，表现出来的性能也有所不同，一般选择透明度高(≥80%)、对太阳能的吸收率低[29]的树脂作为成膜物质。不同树脂的折光率相差不大，一般在1.4～1.6之间，沥青在1.6～1.7之间。

2.1.1 聚氨酯树脂

聚氨酯树脂主要以异氰酸酯和聚醚、聚酯反应得到。异氰酸酯含有高度缺电子的不饱和基团，能够与带有活泼氢的羟基、胺基等反应，将其氢原子剥离并进行重排，生成具有重复单元的氨基甲酸酯结构。由于氨基甲酸酯结构为刚性链段，聚醚、聚酯链段为柔性链段，因此，聚氨酯树脂表现出良好的柔韧性能；加之，聚氨酯树脂合成单体多，配方调整空间大；可以与丙烯酸、环氧、有机硅和有机氟单体进行改性，性能调试空间大；被广泛应用于建筑、家具、化工储罐、船舶等领域。但由于其生产成本昂贵，并未在道路中应用。

2.1.2 环氧树脂

环氧树脂根据其环氧值大小分为环氧E12、环氧E20、环氧E44、环氧E51等。环氧树脂具有价格低、粘接性能优、强度高、使用范围广等特点。常用胺类物质或酸酐类物质对环氧树脂进行固化，前者在室温下就可固化，而后者需在高温下固化。由于环氧树脂结构中存在大量苯环、环氧基团，导致其耐老化性能差，尤其是抗紫外老化性能，因此，环氧树脂不适用于西藏、昆明等紫外线照射较强的地区。李瑞娇[30]使用油性环氧树脂与热反射填料制备了环氧热反射涂料，将其涂布于沥青混凝土试件上，发现与未涂布热反射涂料的沥青混凝土相比，温度下降7.8 ℃，该热反射涂料在重庆地区进行了应用。曹雪娟等[26]采用相反转法制备了一种水性环氧树脂乳液，用该乳液制得的热反射涂料性能良好，掺入1%紫外线吸收剂UV-531与受阻胺光稳定剂GW-480的复合稳定剂后，水性环氧树脂的耐老化性能显著改善。

2.1.3 丙烯酸树脂

丙烯酸树脂是一个大家族，包括氟丙树脂、醋丙树脂、叔丙树脂、纯丙树脂、硅丙树脂、苯丙树脂等，应根据所需要涂料的性能选择合适的丙烯酸树脂。广岛道路株式会社、日本油漆公司和日本LINER公司联合开发了分别用于行车道和人行道的油性丙烯酸热反射涂料和水性丙烯酸热反射涂料[5]。Nemoto等[31]发明的一种路用丙烯酸树脂热反射涂料具有固化快、降温效果好等优点，涂料颜色有黑色和灰色两种，能使沥青路面温度分别降低10 ℃和17 ℃ 。

2.1.4 复合树脂

单一树脂性能有限，如聚氨酯树脂性能可根据使用条件进行调控，但与路面的粘接性能略差；丙烯酸树脂价格低，但气味极重，大面积施工时挥发性有机物(VOC)释放量较高，并且其玻璃化转变温度较低，材料损耗因子高，耐磨性差；环氧树脂与路面具有较好的粘接性能、耐磨性能，然而材料耐紫外老化性能差，容易产生大面积脱落。而复合树脂可将单一树脂的优势进行互补，明显改善性能。李少香[32]采用连续种子乳液聚合技术合成了水性环氧-丙烯酸酯杂化乳液，具有吸水率低、耐盐水性佳、附着力强、柔韧性好的特点；曹雪娟[23]在不饱和树脂中加入甲基丙烯酸甲酯(MMA)和丙烯酸丁酯(BA)进行改性，改善了其耐候性能，涂料不仅具有良好的降温性能还能满足路用要求；罗婷倚等[33]以甲基丙烯酸十二氟庚酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯为主要原料，采用预乳液-种子乳液聚合技术合成了核壳型含氟丙烯酸酯乳液，不仅具有良好的疏水性能，而且提高了乳胶膜的耐沾污性能。

2.2 填料

热反射涂料的填料包括着色功能颜料和反射功能填料。着色功能颜料改变涂料颜色，使道路更加美观，在交通枢纽、长下坡、收费站等特殊路段可以起到警示作用；反射功能填料决定了路面热反射涂料的冷却性能，填料的折光率越大，对光线的反射率越高、吸收率越低，涂料的冷却性能就越好。研究发现，热反射涂料的填料粒径也会影响反射波长，因此在选择填料时应进行实验验证。常见填料的折光率列于表1。

表1 常见填料的折光率

近年来，多重降温功能填料成为研究热点，如辐射降温填料、隔热降温填料等。中空玻璃微珠由于具有质轻、隔音、隔热等特点，经常与反射功能填料共同使用制备热反射涂料；二氧化钛作为一种高折光率物质也常应用于涂料中。董晶亮等[34]对粒径为0.05 mm的中空玻璃微珠的表面进行了特殊处理，使其表现出更高的折光率，兼具反射与隔热的功能；于献等[35]研制了一种经偶联剂KH570改性的高折光率钛白粉，以其制备的热反射涂料具有较好的机械性能和反射作用；薛来齐等[36]制备了一种球形二氧化钛粉体材料，其对0.4～2.5 μm波长的光具有较高的反射率；张静[37]以中空玻璃微珠和金红石型二氧化钛为填料、硅丙乳液为基料制备了具有良好冷却性能的路面热反射涂料。

2.3 助剂

热反射涂料中的助剂用量虽然很少，仅占百分之几，却能明显改善涂料的使用性能，提高热反射涂料的路用性能。油性热反射涂料和水性热反射涂料中的助剂种类与用量均有所差异：油性热反射涂料主要使用消泡剂、分散剂和降黏剂等调节涂料使用性能；水性热反射涂料与沥青路面存在较大的表面张力差，使用时还需考虑因界面产生的涂层缺陷，因此使用助剂种类较多，如成膜助剂、消泡剂、分散剂、增稠剂、防沉剂、湿润剂和流平剂等，助剂用量也较多。

3 热反射涂料的路用性能

将热反射涂料应用于沥青路面，涂料需要满足路面材料的相关使用性能要求，例如降温、粘接、抗滑等性能。

3.1 降温性能

研究沥青路面热反射涂料的降温性能一般分为室内模拟实验和室外试验两种，主要通过比较涂布与未涂布热反射涂料的试件内部温度差来评价降温性能。目前，我国还没有路面热反射涂料降温性能测试的相关规范及指南，降温性能测试设备也不尽相同，一些高校开发的降温测试设备的测试条件及测试方式均有所不同，制备的热反射涂料在材料及用量方面也具有较大差异。表2为重庆交通大学研制的3种热反射涂料的降温性能。

表2 不同热反射涂料的降温性能

由表2可知，在填料相同的情况下，不同树脂制得的热反射涂料的降温值相差并不大，但室外试验的降温值均低于室内模拟实验的。可能是由于，在室外测试时，试件升温速率较慢，导致热量传递充分；而室内测试一般为1～2 h，升温速率快，热量传递慢，导致温差较大。上述3种热反射涂料的室外降温值均可达到7.5～7.8 ℃，将其应用于实际路面能够起到路面降温的作用。

3.2 粘接性能

车辆在行驶过程中会对沥青路面产生一个向后的摩擦力、一个向下的压力，摩擦力和压力会产生一个向下的复合力，损坏热反射涂料。目前，普遍采用拉拔仪测试热反射涂料与沥青路面的粘接强度来表征热反射涂料的粘接性能。表3为重庆交通大学研制的3种热反射涂料的粘接性能。

表3 不同热反射涂料的粘接性能

热反射涂料涂布在新修沥青路面表面后，其表面涂层结构为涂料-沥青-基底。从表3可知，3种热反射涂料的粘接强度均较低，且拉拔过程中均属于粘附破坏(图3)，而沥青与基底间的剪切强度仅为0.156 MPa(25 ℃)，说明沥青与基底间的粘接强度也不大。

图3 油性环氧热反射涂料拉拔测试破坏界面Fig.3 Failure interface of oil-based epoxy heat-reflective coating in drawing test

3.3 抗滑性能

沥青路面原本具有良好的抗滑性能，在涂布热反射涂料后会改变原有的路表纹理并减小表面构造深度，降低了沥青路面的抗滑稳定性。因此，通常在涂料中增加一层防滑颗粒，使热反射涂料具有较好的构造深度，以满足路面使用要求。防滑颗粒的种类较多，其粒径和用量是影响涂料使用的最主要因素。

4 展望

热反射涂料是一种新型的节能材料，能够有效降低物体吸收的热量，减少高温带来的危害，对缓解“城市热岛效应”具有至关重要的作用。但在应用过程中还存在着一些问题，如热反射涂料的施工、使用寿命、效率、多功能化[38-40]等。

(1)目前大多数热反射涂料为溶剂型，在使用过程中存在有机溶剂易挥发的问题，不仅会污染环境还会对人体健康造成危害。尽管研制了环保型的水性涂料，但与溶剂型涂料相比，水性涂料的一些性质有待改进。因此，热反射涂料的发展方向应是水性化或无溶剂化。

(2)溶剂型热反射涂料和水性热反射涂料的耐久性均不理想。在长期的太阳光照射下，树脂会老化，颜填料会从中剥离，最终导致涂层被破坏。因此，延长热反射涂料的使用寿命，提高其耐候性能也是今后的研究方向。

(3)在使用过程中，空气中的粉尘会使涂层表面变脏，涂层受到沾污后其热反射性能会受到影响。目前已有热反射涂料受污后性能下降的研究，但还需要进一步的研究。有关超疏水表面和超亲水表面的研究还不够深入，将其运用到涂料上的技术也有待研究。

(4)目前对沥青路面热反射涂料的评价方法并不统一，主要由于评价方法和手段主要根据自制测试设备建立，未广泛应用。因此，推进其测试方法与评价标准规范的建立，是目前亟需解决的问题。