張爭奇, 張世豪, 郭大同, 李柳林

(1. 長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710064; 2. 中國民航機(jī)場建設(shè)集團(tuán)公司西北分公司, 陜西 西安 710075; 3. 河北省唐山市交通運(yùn)輸局, 河北 唐山 063000)

瀝青路面色澤黑,吸熱性強(qiáng),應(yīng)用面積大,其對太陽短波輻射的吸收率達(dá)到80%～95%[1].瀝青路面結(jié)構(gòu)可吸收存儲(chǔ)大量的太陽能,造成路面溫度遠(yuǎn)高于近地大氣溫度,最高可達(dá)70 ℃.瀝青路面溫度過高將會(huì)引起車轍、熱島效應(yīng)和凍土路基的凍融循環(huán)等病害.目前為防治瀝青路面車轍病害,主要采用改性瀝青和摻加纖維穩(wěn)定劑、使用骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)及性能優(yōu)良的集料、合理控制瀝青用量等方法.為緩解熱島效應(yīng),多采用遮熱式、熱阻式和保水式路面等方法.為保護(hù)凍土路基免受凍融循環(huán)的破壞，主要采用遮陽棚、拋石路堤和通風(fēng)管路堤等方式改善凍土環(huán)境.以上措施多為被動(dòng)式治理,工程量巨大,成本高,且治理效果不理想.由于瀝青路面對太陽輻射的吸收率和反射率對路表溫度影響較大,吸收率每降低或者反射率每升高10%,路表溫度可以降低約4 ℃[2].

熱反射路面通過提高路表面熱反射率將太陽熱輻射反射至外部環(huán)境,從而降低道路表面及其內(nèi)部溫度[3].文獻(xiàn)[4]以聚丙乙基樹脂為成膜基質(zhì)、以二氧化鈦和炭黑為輔助成膜物質(zhì)制備太陽熱反射涂層,研究表明路表面溫度最大降幅可達(dá)12.5 ℃,推薦了太陽熱反射涂層配比，即TiO2和C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為15.0%和0.5%.文獻(xiàn)[5]采用改性雙酚A型環(huán)氧樹脂作為涂層基底、金紅石型TiO2作為反射填料所制備的熱反射涂層,室內(nèi)模擬表面降溫可達(dá)18～25 ℃,基于造價(jià)和降溫效果推薦涂層最佳用量為0.6 kg·m-2.文獻(xiàn)[6]利用環(huán)氧樹脂和粉碎后的廢棄砂石料制成熱反射涂層,可以降低瀝青路表面溫度4.4 ℃.文獻(xiàn)[7]研究發(fā)現(xiàn),在OGFC路面大空隙中灌入水泥膠漿所形成的淺色路面,可降低路表面溫度約14 ℃.

以上反射式降溫路面的研究多是測試其在室內(nèi)模擬光照環(huán)境下的降溫幅度,然后根據(jù)降溫幅度間接預(yù)估其抗車轍和緩解熱島效應(yīng)的路用效果,并未對降溫路面在變溫條件下的降溫效果進(jìn)行量化研究分析,其間接評價(jià)結(jié)果缺乏說服力.再者,現(xiàn)今大部分反射填料主要是靠自身白色起到反射可見光的效果,但是如果直接將白色涂層大面積涂覆于道路表面會(huì)造成嚴(yán)重的眩光現(xiàn)象,極易使駕駛?cè)藛T產(chǎn)生視覺疲勞而導(dǎo)致交通事故[8].另外,研發(fā)的反射式涂層大多降低了路面的抗滑性能,且涂層不抗磨耗,耐久性差.

基于此,以彩色反射式瀝青路面涂層為研究對象,首先通過試驗(yàn)比選得出反射填料和顏色填料的最佳摻量,然后利用擺式摩擦儀和四輪磨耗儀對抗滑和抗磨耗性能進(jìn)行測試,最后基于路面功能需求,提出彩色反射式瀝青路面涂層的精細(xì)化設(shè)計(jì)思想與方案.

1 材料與制備工藝

1.1 反射式涂層材料組成

彩色反射式路面涂層主要由成膜基料、反射填料、顏色填料、體質(zhì)填料和涂料助劑等5個(gè)部分配制而成.

1) 成膜基料.它是構(gòu)成反射式涂層的主要化學(xué)物質(zhì),形成涂層的骨架結(jié)構(gòu),承受路面荷載的壓力和摩擦力.路面涂層的成膜基料主要由環(huán)氧樹脂、丙烯酸樹脂、酚醛樹脂等樹脂組成.本研究中采用BS-104-2型丙烯酸樹脂作為成膜基料，為無色至淺黃色透明液體,其技術(shù)指標(biāo)如下:密度為1.4 g·m-3,固體成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%,玻璃化溫度為70 ℃,pH=3～7.

2) 反射填料.它主要是提高涂層覆蓋物的反射率,反射填料的折光性和粒徑尺寸對涂層反射性能有直接影響[9].本研究中采用金紅石型二氧化鈦,為白色固體,其技術(shù)指標(biāo)如下:密度為4.2 g·m-3,熔點(diǎn)為1 832～1 850 ℃,粒徑為200～1 000 nm.

3) 顏色填料.城市道路系統(tǒng)常使用紅色、綠色和黃色作為彩色路面顏色[10],本研究中采用氧化鐵無機(jī)顏料作為顏色填料,技術(shù)指標(biāo)如表1所示,其中的最低鐵含量指的是Fe2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù).

表1 顏色填料技術(shù)指標(biāo)

4) 體質(zhì)填料.其主要作用是增強(qiáng)涂層材料的力學(xué)性能、耐候性、施工和易性以及路用性能[10].體質(zhì)填料大多為價(jià)格低廉的工業(yè)副產(chǎn)品,可以起到降低涂層材料成本的作用.本研究中使用輕質(zhì)碳酸鈣和機(jī)制砂作為體質(zhì)填料.

5) 涂料助劑.其主要作用是改善涂層的路用性能,包括平整度、均一性等,也可以改善涂層的施工和易性.涂料助劑只占涂層總質(zhì)量的百分之十幾,但對涂層的施工和易性、存儲(chǔ)穩(wěn)定性及成品品質(zhì)有著顯著的影響[11].本研究中采用的助劑主要包括潤濕分散劑、稀釋劑、流平劑等.涂料助劑的技術(shù)指標(biāo)如表2所示.

表2 涂料助劑技術(shù)指標(biāo)

1.2 反射式涂層制備工藝

涂層制備過程中,溫度應(yīng)控制在100 ℃左右,并使用攪拌器進(jìn)行攪拌.首先將反射填料與成膜基料進(jìn)行混合攪拌5 min,隨之加入顏色填料混合攪拌10 min,然后加入各類助劑繼續(xù)混合攪拌5 min,最后加入輕質(zhì)碳酸鈣混合攪拌5 min,整個(gè)制備過程共需25 min.制備完成后,利用玻璃棒引流進(jìn)行一次涂刷,涂布量為0.40 kg·m-2,然后均勻撒布0.48～0.52 kg·m-2機(jī)制砂,再進(jìn)行二次涂刷,涂布量為0.40 kg·m-2,常溫下自然固化12 h左右[12-13].

2 反射式室內(nèi)降溫試驗(yàn)

采用自主設(shè)計(jì)開發(fā)的室內(nèi)光照模擬試驗(yàn)系統(tǒng),評價(jià)不同反射涂層對路面降溫效果的影響.采用輪碾法成型板式試件,尺寸為30 cm×30 cm×5 cm,成型后置于試驗(yàn)裝置內(nèi),如圖1所示.

圖1 光照模擬系統(tǒng)裝置

試驗(yàn)裝置由光照系統(tǒng)(氙氣燈和線支架)、溫度采集系統(tǒng)(溫度傳感器、溫度自動(dòng)記錄儀和電腦)以及透明玻璃箱(上部開口)組成,光照系統(tǒng)輻射強(qiáng)度參照路面現(xiàn)場全天太陽輻射強(qiáng)度進(jìn)行等效換算為788 W·m-2.溫度傳感器分別布設(shè)在試件表面和底面,平面位置位于試件中心處.溫度測試采用多通道溫度自動(dòng)記錄儀記錄,精度為0.1 ℃,測試頻率為30 min.試驗(yàn)時(shí)光照時(shí)間不少于5 h,平行試驗(yàn)不少于2次.

2.1 最佳反射填料的確定

根據(jù)TiO2密度與試驗(yàn)所用丙烯酸樹脂密度比值,初步確定反射填料與成膜基料體積比分別為0，1%,2%,3%和4%，試驗(yàn)中以體積比為0的正常路面作參照物.涂層厚度初步定為0.2 mm,以普通熱拌瀝青混合料板式試件為涂層基底,按照1.2節(jié)制備工藝,制作反射式路面涂層板式試件,經(jīng)過12 h固化養(yǎng)護(hù)后,進(jìn)行室內(nèi)降溫試驗(yàn).通過測定不同反射填料與成膜基料體積比時(shí)的降溫性能,確定反射式路面涂層中反射填料的用量范圍.圖2為無顏色添加涂層表面最高溫度及最大降溫溫差隨反射填料體積比變化曲線.

圖2 涂層最高表面溫度及溫差隨填料體積比變化曲線

由圖2可知:最大降溫溫差由大至小的填料體積比排列順序依次為3%,2%,4%和1%.當(dāng)TiO2與成膜基料的體積比小于3%時(shí),隨著摻量增大,涂層降溫效果愈加明顯;當(dāng)TiO2與成膜基料的體積比為3%時(shí),路表最大降溫值達(dá)到10.8 ℃,而當(dāng)體積比大于3%時(shí),最大降溫值下降至7.0 ℃.試驗(yàn)結(jié)果顯示反射填料摻加量存在臨界值,當(dāng)大于臨界值時(shí),由于反射填料與成膜基料不能很好地相容分散,不能充分發(fā)揮其反射熱輻射能力,反而造成材料的浪費(fèi).基于室內(nèi)降溫試驗(yàn)結(jié)果的分析,反射式路面涂層中反射填料TiO2與成膜基料的體積比初步定為2.8%,反射填料與成膜基料體積比在該值附近,涂層降溫效果可達(dá)到最優(yōu).

2.2 涂層室內(nèi)降溫試驗(yàn)

無顏色添加的反射式涂層呈現(xiàn)白色.雖降溫效果明顯,但由于其呈現(xiàn)白色,容易產(chǎn)生眩光、耀眼現(xiàn)象,從而導(dǎo)致不安全的行車環(huán)境,故對彩色反射式路面涂層的降溫效果進(jìn)行研究.

基于圖2試驗(yàn)結(jié)果,反射填料TiO2摻加比例仍確定為2.8%,并初步確定顏色填料與成膜基料體積比為0，1%,2%,3%和4%,涂層厚度初步定為0.2 mm,以此分別制備紅色、綠色和黃色反射式路面涂層,并涂布于板式試件上,然后進(jìn)行室內(nèi)降溫試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，其中φ為體積比.

圖3 反射式路面涂層的溫度變化規(guī)律

由圖3可知: ① 彩色涂層表面溫度在光照開始1 h以內(nèi)快速上升,1 h以后呈平穩(wěn)趨勢.白色、紅色和綠色反射式涂層最大降溫溫差由大至小的體積比排列順序依次為3%,2%,4%和1%,黃色反射式涂層最大溫差的排列順序依次為3%,4%,2%和1%.② 由結(jié)論① 可知,一定范圍內(nèi)隨著顏色填料摻量增加,降溫效果有所增強(qiáng);但是并非顏色填料摻量越大,降溫效果越好,而是存在臨界值,當(dāng)顏色填料體積比超過臨界值,降溫效果不升反降.故每種填料的用量均存在一定的范圍,才能保證材料利用率達(dá)到最大化,使得涂層降溫效果和經(jīng)濟(jì)成本達(dá)到平衡.③ 當(dāng)反射填料TiO2體積比為2.8%時(shí),紅色、綠色和黃色反射式涂層路表最大降溫值分別達(dá)到8.1,5.8和6.0 ℃.基于室內(nèi)降溫試驗(yàn)可知,紅色、綠色和黃色顏料的體積比分別擬定為2.7%,2.6%和3.2%時(shí),涂層降溫效果達(dá)到最優(yōu).④ 各顏色涂層上表面的升溫和降溫速度都是先快后慢,不同顏色反射式路面涂層的降溫值由低到高的排序依次為黃色、綠色、紅色和白色,但是黃色和綠色涂層降溫效果差別不明顯,原因可能是氧化鐵黃和氧化鐵綠的折射率較為接近,并且二者都只是反射可見光中的單色光,故反射效果較為接近.

3 涂層對路表面功能的影響

3.1 抗滑性能

瀝青路面抗滑性能與其表面構(gòu)造深度存在密切關(guān)系,瀝青路面表面鋪覆反射式路面涂層后,路面材料的開口空隙由于被填充,造成表面構(gòu)造深度降低.本研究中利用擺式摩擦儀采集試件鋪覆涂層前后的抗滑擺值BPN,研究鋪覆反射涂層對瀝青路面抗滑性能的影響程度.

1) 試驗(yàn).影響防滑性能的因素主要是涂層膜厚度,筆者將其分別設(shè)置為0，0.2,0.4和0.6 mm,通過涂層膜厚度和面積計(jì)算涂層材料用量,其對應(yīng)涂料的撒布量分別為0,0.252 0,0.584 0和0.077 6 kg·m-2,制作反射式路面涂層試件,進(jìn)行擺式試驗(yàn),測試結(jié)果如圖4所示.

由圖4可知: ① 鋪覆涂層后,BPN降低幅度較大,隨著涂層厚度的增大,降低幅度逐漸降低.這是因?yàn)橥繉釉阡伕矔r(shí)呈低黏度流體狀態(tài),再加上刷涂的力學(xué)作用,涂層流體很容易將瀝青混合料表面的開口空隙填充,且涂層厚度越大,對開口孔隙的填充效果越明顯,降低其表面構(gòu)造深度.涂層材料固化凝結(jié)后交聯(lián)密度大,表面形成致密光滑的樹脂膜,造成路面對橡膠輪胎附著力下降.涂層厚度為0.2 mm時(shí),路面BPN已接近T 0964—2008《擺式儀測定路面摩擦系數(shù)試驗(yàn)方法》規(guī)定的最小值,此時(shí)降幅為31.3%;當(dāng)涂層厚度為0.6 mm時(shí),BPN降幅最高達(dá)到52.2%;隨著涂層厚度增大,BPN下降幅度減小,主要是因?yàn)閯傞_始鋪覆時(shí),路面開口空隙未達(dá)到飽和狀態(tài),構(gòu)造深度下降較快,抗滑能力下降迅速,開孔空隙都被填充以后,涂層平面已經(jīng)形成,厚度繼續(xù)增加對抗滑性能影響變小.② 涂層厚度較大時(shí),會(huì)影響混合料表面的宏觀構(gòu)造,抗滑性能下降較明顯;涂層厚度較小時(shí),僅影響混合料表面微觀構(gòu)造,抗滑性能影響較小,然而較小的鋪覆厚度會(huì)造成降溫性能下降,因此在確定涂層厚度時(shí)需綜合考慮,選擇合適的涂層厚度,也可以采取一定措施彌補(bǔ)涂層鋪覆造成的抗滑性能損失.

圖4 鋪覆涂層前后擺值變化曲線

2) 改善措施.為了彌補(bǔ)由于鋪覆反射式路面涂層后瀝青路面抗滑性能的損失,研究中在涂層材料中添加防滑顆粒作為體質(zhì)填料,根據(jù)材料化學(xué)性質(zhì),目前常用的防滑顆?？梢苑譃楹铣捎袡C(jī)和無機(jī)兩類.合成有機(jī)抗滑顆粒主要有橡膠顆粒、聚乙烯等高分子聚合物的塑料顆粒,無機(jī)抗滑顆粒主要包括天然或人工的無機(jī)材料,如石英砂、陶瓷顆粒和機(jī)制砂等.本研究中使用0.3～0.6 mm機(jī)制砂作為體質(zhì)填料.先在路面鋪覆第1層涂層,然后均勻撒布體質(zhì)填料,然后再鋪覆一層涂層將填料裹覆,控制涂層厚度為0.6 mm,體質(zhì)填料撒布量分別取值0.10,0.30,0.50和0.70 kg·m-2,制備改善抗滑性能后的涂層試件,測試結(jié)果如圖5所示.

由圖5可知: ① 填料撒布量小于0.50 kg·m-2時(shí),BPN隨著填料撒布量增加而逐漸增大,大于0.50 kg·m-2時(shí),隨著撒布量的繼續(xù)增加而降低.分析原因?yàn)楫?dāng)填料撒布量小于0.50 kg·m-2時(shí),隨著撒布量的增大,涂層表面突起顆粒增多,與擺式儀橡膠塊的摩擦力變大,所以BPN呈上升趨勢.但當(dāng)填料撒布量大于0.50 kg·m-2時(shí),成膜基料不足以裹覆全部體質(zhì)填料,致使其成松散狀,不能牢固黏附于涂層表面而發(fā)揮作用,故BPN又逐漸下降.② 根據(jù)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果顯示,當(dāng)機(jī)制砂撒布量0.48～0.50 kg·m-2時(shí),涂層抗滑性能可以達(dá)到最佳.

圖5 不同填料撒布量抗滑性能測定

3.2 耐磨耗性能

反射式涂層承受路面輪載的反復(fù)摩擦推移作用,長期使用會(huì)造成一定程度的磨耗,因此對涂層的耐磨耗性能進(jìn)行測試很有必要,對磨耗前后的抗滑指數(shù)進(jìn)行測量,用以評價(jià)路面涂層耐磨耗性能.

1) 試驗(yàn)方法.利用自行研發(fā)的四輪磨耗儀[10]對路面涂層耐磨耗性能進(jìn)行測試.將添加有體質(zhì)填料的白色涂層、紅色涂層、無體質(zhì)填料白色涂層和無涂層的4個(gè)試件一起進(jìn)行四輪磨耗試驗(yàn).以試驗(yàn)前后的BPN作為評價(jià)涂層抗磨耗性能的指標(biāo).

2)結(jié)果分析.經(jīng)試驗(yàn)確定,涂層試件最多磨耗101 000次,其表面BPN變化不明顯,可以停止試驗(yàn).磨耗前后各試件表面抗滑擺值BPN及前后抗滑擺值差ΔBPN如圖6所示.

圖6 磨耗前后各試件表面BPN及其差值

由圖6可知: ① 加入填料的涂層抗滑性能較無填料涂層有明顯提升,機(jī)制砂可以提高涂層表面抗滑性能,而輕質(zhì)碳酸鈣粉末可以提高涂層材料與原路面的黏附力,從而改善涂層的耐磨耗性能.② 不同類型路面經(jīng)磨耗之后,BPN均出現(xiàn)下降,且下降幅度由大至小的順序依次為白色加填料、紅色加填料、無涂層和白色無填料.長期磨耗過程使路表面材料發(fā)生剝落,由于剝落物質(zhì)的填充作用,導(dǎo)致路表面宏觀和微觀構(gòu)造衰減，從而導(dǎo)致抗滑性能下降.加入填料的涂層BPN下降幅度較大,這是由于磨耗作用導(dǎo)致涂層的黏結(jié)力下降,從而導(dǎo)致體質(zhì)填料發(fā)生脫落,進(jìn)而BPN下降更明顯.無填料涂層BPN下降幅度最小,是因?yàn)闊o填料涂層本身表面光滑,磨耗作用使涂層剝落而露出原瀝青路面,導(dǎo)致路表面抗滑性能下降不明顯.因此,施工過程中建議在不影響抗滑性能的前提下,盡量使填料被涂層膜體完全覆蓋,有助于提高涂層耐磨耗性能.

4 結(jié) 論

1) 基于室內(nèi)降溫試驗(yàn),自主研發(fā)了彩色反射式瀝青路面涂層,推薦涂層中反射填料TiO2與成膜基料體積比為2.8%;紅色、綠色和黃色填料與成膜基料體積比分別為2.7%,2.6%和3.2%,在此比例附近,涂層降溫效果達(dá)到最優(yōu).不同顏色路面涂層降溫性能由小到大依次為黃色、綠色和紅色;紅色、黃色和綠色的最大降溫幅度分別為8.1,6.0和5.8 ℃.

2) 通過對路面抗滑和抗磨耗的研究發(fā)現(xiàn),路面涂層的抗滑特性隨厚度增大而降低,當(dāng)涂層厚度為0.6 mm時(shí),BPN僅為31.當(dāng)添加撒布量為0.48～0.50 kg·m-2的機(jī)制砂時(shí),BPN可以達(dá)到65左右.從經(jīng)濟(jì)和路用性能方面綜合考慮,推薦機(jī)制砂撒布量為0.48～0.50 kg·m-2,涂料中輕質(zhì)碳酸鈣填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的30%.