强辐射高原区建筑防护涂层反射性能研究

张伟超,张磊,王磊,董自运,古松

（1.中铁建工集团有限公司，北京 100160；2.中铁建工集团北方工程有限公司，天津 300450；3.西南科技大学土木工程与建筑学院，四川 绵阳 621000）

0 引言

西藏地区属于我国高原高海拔地区，该地区空气稀薄，云层稀少，紫外线强辐射为该地区典型气候特点，因此该地区建筑结构在长时间太阳强辐照下的隔热保温需求，一直是困扰高原建筑节能发展的关键问题。长期以来，建筑结构，尤其是钢结构涂装在应对强太阳辐照方面的技术短板，对高原地区建筑结构节能减排与绿色建筑政策的贯彻实施带来了严峻考验，同时还增加了绿色施工技术在高原地区的发展推广难度，据统计[1-3]，西藏地区人均每年因强辐照造成的建筑能耗约为全国平均水平的7.8 倍。因此，高原地区钢结构隔热保温技术的成熟与发展迫在眉睫。

近年来，随着西部大开发战略的不断深入，大量基础设施在高原高海拔地区不断营造，这些基础设施绝大多数设置了宽幅大面积钢屋面结构。太阳强辐照作用下，西藏地区基础设施所拥有的大面积钢屋面结构通常因热工效率差和低太阳辐照反射率增加了大量建筑能耗。而对于高原地区，强辐照因素是导致建筑能耗增加的关键因素。文献[4]通过调研，分析了青藏高原地区太阳辐照的年平均分布状况，发现高原地区年平均辐照强度约为内陆平原地区的5～8 倍。文献[5]则通过平流层气候特征进一步说明了西藏地区强辐照效应的产生原因以及发展规律。文献[6]利用大气探测技术研究了大气成分对高原地区辐照强度演化的影响，并给出了西藏各地区全年太阳辐照强度分布统计结果。太阳辐照作为建筑能耗变化的重要诱因，已成为当前建筑节能的重要调控因素。

钢结构由于施工方便、工艺多样以及成本优势，被广泛推广于高原地区的大宗基础设施工程领域。钢屋面作为高原地区建筑结构重要的遮蔽构造，不但承担防护雨雪风等自然因素，还兼备阻隔太阳辐照。而其隔热保温缺陷则恰恰成了遮蔽构造的建筑缺陷。为弥补钢结构屋面强辐照条件下隔热保温短板，多种构造措施被开发并利用。其中表面涂装方法因操作方法，利于施工，已成为改善强太阳辐照的有效反射效率的重要措施。建筑钢屋面利用涂装方法不但能够实现对太阳辐射的有效反射，还可以避免厚重隔热体系带来的结构荷载，同时简单的涂装工艺还可显著提高施工效率[7-8]。目前，用于建筑领域反射紫外线的涂装材料较多，其中金属涂料以廉价、优效等突出优势，被大量应用于建筑结构的各个受辐射部位。因此不少学者开展了关于不同强度太阳辐射下金属涂料的反射性能研究。文献[1-3]及文献[7]通过不同类型金属颜料反射率比的对比分析，明确了添加铝粉改性防辐射涂料反射性能的提升优势。在此基础上，文献[3-6]将铝粉添加含量作为控制参数，分析了其与涂层反射效率之间的关系。然而，对用于建筑工程低反射率涂层而言，外添金属组剂形状、尺寸以及分布形式均与其红外发射率关系显著，而太阳辐射热效应绝大多数来源于红外光谱射线，因此不同铝粉的形状、尺寸以及分布形式，也会引起其反射效率的明显差异[9]。然而，目前针对铝粉性状（形状、尺寸与分布形态）对涂层反射性能的影响的研究尚未见报道，但其恰恰与高原地区强太阳辐射下建筑节能关系密切[10-13]，因此亟需开展相关研究。

基于此，本文采用试验手段，通过对比不同铝粉粉末性状参数下改性涂料的辐射试验结果，分析各性状参数与涂层反射率比之间的关系，提出一套适用于高原地区的反射太阳辐射涂料添加组剂设计参数，达到强太阳辐射下大型建筑结构屋面体系建筑物理节能的要求。

1 室内辐射加速实验

1.1 试验准备

为避免涂层基底材料反射红外线引起实验误差，本次辐射实验基底材料选用高透明亚克力板（红外穿透系数0.98）。结构外表面涂装反射涂料选用聚氨酯水溶性基料。金属掺合料为铝粉，其按照三类粉剂进行掺入。各类铝粉性状参数与设计添加量见表1。

表1 金属铝粉组剂性状设计参数

实验在工程材料振动与冲击四川省重点实验室进行，选用Devices&Services Company-AEl 型辐射率仪完成所有辐射试验。该设备具有辐照频幅宽，加载速度快，光敏调控精确等优点。考虑本文涉及涂层厚度均在0.5mm以内，辐照峰值需在3s内加载完成，辐照宽度选用常规紫外线。另外，为避免加载过程对试验精度的影响，本次试验光敏传感器应在辐照加载稳定后读取数据，即试验开始3s 后读取数据。最后，涂层反射效果采用UV-3600 型紫外可见光谱仪和HYPERION2000 红外光谱仪共同完成。

1.2 试件制备及辐射实验

试件表面涂装反射涂层前，先称取一定金属粉末（按配方称取），置于水溶性基料中，充分搅拌。再将混合溶液加入纯丙弹溶剂（固含量65%，提高塑化时间），然后加入成膜剂，此时应注意成膜剂需在复合溶剂完全塑化前加入。

将完全塑化制备涂料均匀涂置亚力克板上表面，厚度控制为100（±5）μm，形成10cm×10cm 方形测试平面。最后将制备好的试样统一置于养护箱内标准养护72h（T=25（±2）℃；HR=（50±5）%）。

待试样样化完毕后，放于黑色背景测试平台上，测试光谱选用可见光及近红外光，波长约为230～2 550nm。试验测试如图1 所示。

图1 涂层薄膜反射率测试系统

为避免涂装厚度离散引起的测量误差，本次测量范围均位于试件中部区域，且每个试件测量点个数为10 个，呈等间距随机分布状态。同时，考虑涂层在太阳辐照下的老化问题，正式辐照试验开始前，所有试件需在实验等同辐照环境进行预处理，每周取出进行辐照效果测试，当连续两次辐照反射率偏差小于5%时，正式开始反射率测试。待单个试件所有测点测试完毕后，取平均值作为本试件辐照测量结果。

2 室内辐射加速实验

太阳辐照能量作用于金属屋面板后，其能量形式转化为两部分：吸收能与反射能。屋面板吸收部分太阳辐照能量后，引起自身与室内温度升高；另一部分能量则经屋面板反射进入自然环境中。在总太阳辐照能量不变的前提下，增加反射能，降低吸收能可有效控制建筑结构室内温度。本文利用涂装溶剂添加铝粉掺料来调控金属屋面板对太阳辐照反射效率。

据前文所述，铝粉掺入料性状分为三类。通过对比涂料添加铝粉各性状参数下的涂层反射率变化，可直接确定强辐射改性涂料金属组份设计参数。

2.1 粉末性状对涂层反射率的影响

本文考虑铝粉掺入料形状含片状与颗粒。片状由于体表面积较大，很难在涂装层中均匀分布，存在一定聚拢现象。而颗粒则能够很好地悬浮分散于涂装层构造中。两种分散特征对其反射效率的影响十分显著。

众所周知，涂料反射水平通常采用其反射率来定量描述，可通过式（1）进行计算。

式（2）中，Ω 为光谱仪测量值cd/m2；S 为试样表面积，单位cm2。

为分析金属粉末尺寸与对应涂层反射效率的关系，本文对相同尺寸的不同形状金属粉末改性涂料的反射率进行对比，结果如图2 所示。为避免掺入量对试验结果的影响，此处金属粉末两类形状的掺合量在同一条件下取等值。

图2 不同形状铝粉下涂料反射率随铝粉尺寸的变化

由图2 可以看出，相同含量条件下，片状铝粉对涂料反射率比的影响较颗粒状显著得多，随着金属粉末含量增加，试件涂装反射率逐渐提高，但增加幅度逐渐减小。当金属粉末含量达到17.8%时，两种性状铝粉涂层反射率均达到稳定值。同时，随着铝粉掺入量的改变，两类性状掺料涂层造成的反射效果差异亦发生改变。当掺 入料含量较低时，两类铝粉掺料涂层反射率基本相同，但随着掺入料含量增加，两者偏差逐渐增大，当掺入料达到17.8%时，偏差达到峰值，随后又逐渐减小。由此可见，涂装掺入料应优先选用片状铝粉，其掺入量应控制在17.8%，以达到最优涂装反射效果。

2.2 粉末尺寸对涂层反射率的影响

金属粉末尺寸对改性涂层反射能力具有一定作用，但性能提升幅度有限。已有研究表明，金属粉末尺寸不同，改性涂层反射效率也不同。因此，本文分析了最优掺入量条件下不同铝粉尺寸涂层的反射率变化情况，如图3 所示。

图3 不同铝粉尺寸条件下涂料反射率比变化曲线

根据流体力学基本理论，粉末尺寸越小，表面张力越大，其在溶液中内聚力亦越大，悬浮离散性越差。当金属粉末在涂层构造中分散性不足时，其对辐照反射效率就越低。反之，当金属粉末尺寸越大，其分散性则越好，但对涂层基体流质分散性亦越大。虽然金属粉末分散状态增加了涂层反射率，但涂层基体流质的分散行为则对其反射效果造成一定抑制作用。因此金属粉末的尺寸水平应控制在一定范围内才能确保涂层构造具有十分突出的辐照反射能力。

由图3 可见，随着片状铝粉尺寸增加，改性涂层反射率比逐渐增强。当铝粉含量介于10～20μm 间时，涂层反射率增强速率迅速，但在含量较低与较高阶段，反射率增强幅度随铝粉尺寸增加的速率十分有限。由此可见，对于同形状铝粉外加剂，当尺寸达到约20μm 时，强辐射条件下的涂层反射率比最高，即此尺寸水平为片状铝粉改性涂层的最优特征尺寸。

2.3 粉末形态分布对涂层反射率的影响

金属外添加剂在结构涂装施工时主要以两种形态分布，表层涂刷和悬浮分布，且不同分布状态对涂层的抗辐射能力与辐射反射效果影响很大。图4 给出了采用不同铝粉添加比例下改性涂层的辐照测试试验结果。

图4 不同铝粉添加剂分布状态下涂层反射率比变化曲线

由图4 可以看出，随着铝粉含量的增加，其不同分布状态下的涂层反射率均逐渐增强，且悬浮状态的增强程度明显高于表面涂刷状态。另外，通过对比发现，不同分布状态铝粉涂层也存在最优含量，约为18.4%。

3 工程应用

根据前文研究结果，以西藏自治区医院为依托，通过现场测试的方法，分析本文所优化配方的改性涂料在高原强辐射下的反射效果。在相同施工条件下，对比未进行涂料改性的涂层辐照测试结果，对探究高原地区强辐照条件下防辐射涂层改性效果具有十分显著的工程意义，且研究结果具有突出的应用价值。

现场测试涂层采用片状铝粉，分别按照0%、16%、18%、20%和22%五个含量梯度均匀掺入水溶性涂料，利用上述方法制作试片，并养护。现场利用采用光谱仪对其反射效果进行测试，结果见图5。

图5 铝粉改性涂层反射率现场试验结果

由图5 可见，含铝粉涂层较未含铝粉涂层的反射能力显著增强，当含量达到18.9%时，两者差异最为显著，能够很好地与室内实验结果吻合。由此可见，本文所提涂层改性配方能较好地用于高原地区的太阳强辐射防护条件。

4 结论

为探究金属颜料对防辐射涂层反射率的影响，本文分别对比了铝粉形状、尺寸以及含量等形状参数与改性涂层反射率比之间的关系。并基于研究成果确定了适用于西藏地区强辐射下的大型金属屋面反射涂层配方，研究成果可为该地区绿色建筑的进一步发展提供技术支持。主要研究成果如下：

（1）相同含量条件下，片状铝粉对涂料反射率比的影响较颗粒状显著得多。且当含量达到17.8%时，不同形状铝粉所引起涂层反射率的差异最大。

（2）随着片状铝粉增加，改性涂层反射率比逐渐增强。对于同形状铝粉外加剂，当含量达到20%左右时，强辐射条件下的涂层反射率比最高，即此含量为片状铝粉改性涂层的最优配比。

（3）随着铝粉含量增加，其不同分布状态下的涂层反射率均逐渐增强，且悬浮状态的增强程度明显高于表面涂刷状态。