瀝青路面熱反射涂層的降溫性能研究綜述

孫斌祥， 黃尹泰， 沈 航， 姜 奕， 童玉英

(1.紹興文理學(xué)院土木工程學(xué)院， 紹興 312000； 2.紹興文理學(xué)院元培學(xué)院， 紹興 312000)

隨著中國綜合國力不斷增強，瀝青道路修建數(shù)量逐年增多，大量的地面被瀝青路面所代替，導(dǎo)致路面釋放的顯熱增加，加劇了城市熱島效應(yīng)的發(fā)展，造成環(huán)境質(zhì)量下降，居民身體健康受到影響[1]。不僅如此，在夏季高溫條件下使用瀝青路面會引起嚴重的車轍危害[2-3]。由于瀝青路面吸熱能力強，吸收率高達0.85～0.95，且本身具有熱塑性特點，在夏季太陽輻射的照射下，大量的熱量被吸收并儲存在瀝青路面內(nèi)，使瀝青路面易變軟產(chǎn)生塑性流動，在交通荷載作用下容易產(chǎn)生嚴重的車轍現(xiàn)象[4]。

中外道路工作者針對瀝青路面高溫危害開展了相關(guān)冷路面技術(shù)的研究，并在21世紀初提出了一種可涂裝在瀝青路面表面的太陽熱反射材料，該材料可以有效降低瀝青路面的溫度。道路的反射率與降低空氣溫度和建筑溫度密切相關(guān)[5-6]，在瀝青路面上鋪設(shè)熱反射涂層后能夠提高其反射率，因此可以作為減少瀝青路面車轍病害和減緩城市熱島效應(yīng)的措施[7]。近年來，中國對瀝青熱反射涂層的研究集中在部分高校中，瀝青熱反射涂層技術(shù)雖有一定成果，但尚未成熟，依然有諸多問題亟待解決。現(xiàn)對瀝青路面熱反射涂層降溫機理和研究方法進行闡述，對熱反射涂層降溫性能的影響因素進行研究，分析現(xiàn)有研究中存在的問題和提出展望，為熱反射涂層技術(shù)在道路工程的應(yīng)用提供參考。

1 瀝青熱反射涂層的降溫機理

通過對瀝青路面光熱效應(yīng)的研究，分析瀝青路面造成高溫的原因和提出降溫的方法；再結(jié)合熱反射涂層的降溫機理進行研究，分析其作用在瀝青路面上的降溫有效性。

1.1 瀝青路面光熱效應(yīng)

瀝青路面?zhèn)鳠岬姆绞桨醾鲗?dǎo)，熱對流和熱輻射。熱傳導(dǎo)指的是瀝青面層與下部結(jié)構(gòu)層和土層之間熱量的相互交換，熱量由高溫處向低溫處轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象。熱對流指的是瀝青路面與上方空氣之間發(fā)生相對位移時所產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。熱輻射指的是瀝青路面不僅吸收了太陽輻射，同時又向大氣環(huán)境發(fā)送長波輻射。瀝青路面的熱輻射滿足斯蒂芬-玻爾茲曼定律，路面溫度越高其輻射能力越強。瀝青路面?zhèn)鳠徇^程如圖1所示。從圖1可以看出，瀝青路面的光熱環(huán)境主要包括兩方面，分別為投射到路面的熱輻射以及路面對這種輻射的響應(yīng)。投射的熱輻射可劃分為太陽直射，散射、大氣逆輻射等部分；對應(yīng)的熱輻射響應(yīng)主要有反射、吸收、輻射等。投射的太陽輻射大部分被路面吸收，其余的被反射，吸收率和反射率之和為1[8]。由于瀝青路面對太陽輻射的吸收率高達85%，從而吸收大量熱輻射使得自身溫度的升高，路面溫度升高以后，便會通過熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射向四周傳遞熱量，使得瀝青路面四周環(huán)境溫度升高。當(dāng)瀝青路面吸收的所有輻射熱與向外發(fā)散的熱量達到相同水平，瀝青路面處于熱平衡狀態(tài)。

圖1 瀝青路面的光熱環(huán)境Fig.1 Light and heat environment of asphalt pavement

馮德成等[9]對瀝青路面光熱效應(yīng)機理進行了研究，基于路面熱平衡方程計算了在不同輻射強度下瀝青路面的平衡溫度。所得結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在光輻射強度一致情況下，瀝青吸收率和平衡溫度存在正相關(guān)關(guān)系，瀝青路面吸收率下降后，對應(yīng)的平衡溫度也會下降。Qin[10]在研究過程中引入了一維瞬時熱傳導(dǎo)模型進行分析，且在一定簡化假設(shè)基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出理論條件下路面最高溫度Tsmax為

(1)

式(1)中：Γ為常數(shù)(熱傳導(dǎo)吸收百分比)；r為反射率；I0為太陽最大輻射量；P為路面熱慣性；ω為角頻率，ω=2π/(24×3 600)；T0為回歸常數(shù)。

通過式(1)可以看出路面溫度與太陽輻射和路面材料相關(guān)，對于實際環(huán)境中，太陽輻射等自然因素都是客觀存在且不以人的意志所決定的。在相同的自然條件下，瀝青路面溫度取決于自身的熱特性，Gui等[11]利用一維溫度模型計算了導(dǎo)熱率、比熱容、反射率和發(fā)射率等熱物理參數(shù)對路表溫度影響，結(jié)果表明反射率對路面溫度的影響最為顯著。馮德成等[12]通過有限元分析熱物理參數(shù)對路面高溫情況的影響規(guī)律，也得到類似結(jié)論。Qin[10]對反射率降溫的有效性進行驗證，結(jié)果表明，反射率每提高10%，路面溫度可以降低3～4 ℃。文獻[13]研究表明，路面反射率的升高也可以降低面層向結(jié)構(gòu)層的熱傳導(dǎo)，瀝青路面反射率提高0.32，其熱傳導(dǎo)的熱量可降低4%。

通過以上分析，提高路面反射率、抑制熱傳導(dǎo)、增加熱對流來降低路面溫度相對有效。Qin等[14]對不同反射率和不同熱慣性的路面進行模擬，發(fā)現(xiàn)大部分熱輻射被路面吸收后以感熱和長波發(fā)射的形式排放，而少量熱量以熱傳導(dǎo)的形式向下傳熱，僅占吸收的熱輻射5%；此外，降低路面熱慣性雖然會降低日間的感熱，但會增加夜間的感熱。而熱對流主要與風(fēng)速有關(guān)，屬于自然因素尚不能人為控制。提高路面的發(fā)射率可以有效降低路面溫度，但其作用小于反射率。因此通過提高瀝青路面材料的反射率可以作為降低瀝青路面溫度的理想方式。

1.2 熱反射涂層降溫機理

太陽熱反射涂層屬于一種常見的功能涂層，由于涂層內(nèi)添加了特殊的反射填料，因此對光的散射能力較強，可以高效地反射太陽輻射，使得太陽輻射與涂層下的涂覆物隔絕，從而對涂覆物表面升溫起到抑制作用，同時內(nèi)部溫度也能控制在一定范圍內(nèi)[15]。太陽輻射熱能絕大部分處于可見光和近紅外區(qū)(0.4～2.5 μm)，在該波長范圍內(nèi)，熱反射涂層反射率越高，其降溫效果越好。

現(xiàn)有的熱反射涂層往往基于一種或多種降溫機理來實現(xiàn)對涂覆物降溫，在熱反射涂層中添加隔熱材料和輻射材料，除了可以對太陽輻射進行反射外，還能對太陽輻射進行隔熱和輻射。添加的隔熱材料，由于其導(dǎo)熱系數(shù)低或其內(nèi)部填充懶性氣體，從而獲得良好的隔熱效果，進一步降低熱量向基體下部傳遞。添加的輻射材料，其通過熱輻射形式把吸收的熱量發(fā)射到大氣中，增強了涂層的輻射能力，由于大氣對3～5 μm和8～13.5 μm波段的輻射吸收率較小，透過率較強，而輻射材料在這兩波段范圍內(nèi)具有高發(fā)射率，可以把吸收的熱量盡可能輻射到外層空間去，實現(xiàn)持續(xù)的降溫。理想的熱反射涂層在3～5 μm和8～13.5 μm波段范圍內(nèi)具有較高的發(fā)射率，在其他波段范圍內(nèi)具有較高的反射率。

通過上述分析，提高瀝青路面的反射率是降低其溫度的理想方式，在瀝青路面上鋪設(shè)熱反射涂層可以提高其反射性能，減少瀝青路面對熱輻射的吸收，對瀝青表面升溫起到抑制作用，同時也使得進入瀝青路面結(jié)構(gòu)的熱量減少，控制瀝青內(nèi)部溫度在一定范圍內(nèi)。

2 熱反射涂層降溫性能研究方法

2.1 降溫效果研究方法

目前瀝青熱反射涂層性能研究方法沒有國標(biāo)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，中國降溫效果研究方法主要參考美國軍標(biāo)MIL-E-46136提供的標(biāo)準(zhǔn)。早期梁滿杰[16]自制了一套室內(nèi)降溫模擬試驗箱，可以模擬熱反射涂層在太陽輻射單因素影響下的降溫效果。實驗箱為無封閉狀態(tài)，在每個實驗臺上方固定4個碘鎢燈作為光源模擬太陽輻射，使輻射強度為某定值并假設(shè)試樣表面輻射強度是均勻的，測量和記錄有無太陽熱反射涂層的瀝青試件溫度。試樣直接置于無封閉狀態(tài)下，容易受周圍空氣的影響，且同一型號、功率的碘鎢燈強度也會存在一定差異，影響實驗精度。針對此問題，曹雪娟[17]對降溫模擬箱進行了改進，在實驗臺上安裝一個碘鎢燈并利用電機帶動其處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，從而保證照射的均勻性。采用一個黑體箱將碘鎢燈封閉其中，使試件表面反射的光不易發(fā)生二次反射，消除了實驗過程中環(huán)境和人為因素對試驗結(jié)果造成的影響，提高了試驗精度，所測得的瀝青溫度能較好地反映涂層的降溫性能。

國外對瀝青熱反射涂層降溫效果研究大多在室外進行，研究方法主要是在現(xiàn)場路面上直接涂刷熱反射涂層或?qū)⒃嚇臃胖檬彝馔L(fēng)處，對其溫度進行長時間監(jiān)控。室外研究方法可以有效研究涂層在白天和晚上的降溫效果，對比分析涂層在不同季節(jié)下的降溫效果，并且還可研究各種自然因素對涂層降溫效果的影響。實際工程環(huán)境下太陽輻射強度隨時間呈正弦規(guī)律變化，室外降溫效果與室內(nèi)降溫實驗存在差異，Zheng等[18]對室內(nèi)降溫實驗方法和室外降溫實驗方法的關(guān)系展開了研究，發(fā)現(xiàn)室外降溫研究所得的結(jié)果均比室內(nèi)的差。

2.2 反射率研究方法

反射率是熱反射涂層降溫性能的重要指標(biāo)，目前常采用ASTM規(guī)范中提出的標(biāo)準(zhǔn)方法研究路面反射率，具體如表1所示。對于表面光滑且均勻的試件，其反射率可以采用ASTM E 903或ASTM C 1549測量得出，其中應(yīng)用紫外-可見-近紅外分光光度計受環(huán)境影響小且精確度高。通過測量涂層光譜數(shù)據(jù)，再通過加權(quán)平均計算可以求出涂層在紫外光區(qū)、可見光區(qū)、近紅外光區(qū)各范圍內(nèi)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中相關(guān)反射率的主要研究方法

對于室外不規(guī)則曲面熱反射涂層的反射率，其研究方法主要采用ASTM E 1918測量得出，通過測量模型的入射光強度和反射光強度，兩者比值即為目標(biāo)反射率。但該方法要求實驗?zāi)Ｐ偷某叽缰辽贋? m × 4 m，且模型內(nèi)的輻射強度必須相同，如此大的模型尺寸可能均無法滿足要求。針對此問題，Akbari等[24]研制了一種利用黑、白色控板測量目標(biāo)反射率的方法，實驗?zāi)Ｐ统叽缰恍? m×1 m，但該方法只采用一個日射強度計，通過翻轉(zhuǎn)日射強度計錯峰對入射光強度和反射光強度進行測量，測量中存在時間差且結(jié)果容易受自然因素的影響。對此，Qin等[25]提出了一種簡化的方法，在模型上方設(shè)置背靠背的兩個日射強度計，上下兩個日射強度計可以同時間測量入射光強度和反射光強度，提高實驗精確度。

3 瀝青熱反射涂層降溫性能的影響因素

3.1 填料的光學(xué)性能

涂層中反射填料對光的反射主要以散射為主，為了減少太陽輻射在涂層的透過，應(yīng)該盡可能增強其散射太陽光的能力，而涂層對太陽輻射的散射能力取決于填料和樹脂的折光系數(shù)，散射比定義為填料與樹脂折光系數(shù)的比值[8]，即

m=np/nr

(2)

式(2)中：m為填料散射能力；np為顏料的折光指數(shù)；nr為樹脂的折光指數(shù)，一般取1.45～1.50。

當(dāng)填料的折光指數(shù)和基料的折光指數(shù)相等時，涂層是透明的，填料的折光指數(shù)大于基料的條件下，涂層就具有一定遮蓋力。涂層遮蓋力越大，其反射率越大，并且涂層反射率F大小也取決于填料和成膜物質(zhì)折光系數(shù)之差[8]，即

(3)

由式(2)和式(3)可知，填料折光系數(shù)與樹脂折光系數(shù)相差越大，涂層對光的反射能力越強。因此反射填料的折光系數(shù)越大越好。文獻[26]對常見幾種填料的折光系數(shù)進行了總結(jié)，其中二氧化鈦的折光系數(shù)最高，高達2.8。王赫[27]對常見的幾種填料制得的涂層進行了反射率的研究。結(jié)果表明，與其他填料相比二氧化鈦由于折光系數(shù)大，所制得的熱反射涂層反射率最高。

3.2 填料的粒徑

涂層的降溫性能也和填料的粒徑和用量存在密切關(guān)系。填料粒徑與反射入射光的波長有關(guān)，對應(yīng)于最大反射的顆粒直徑，計算公式為

d=0.9λ(m2+2)/npπ(m2-1)

(4)

式(4)中：d為填料粒徑；λ為入射光波長。

當(dāng)填料粒徑與入射光波長比d/λ=0.1～10時，表現(xiàn)為菲涅耳型反射，對溫控有利；當(dāng)d/λ<0.1時，表現(xiàn)為瑞利散射，對溫控?zé)o效。根據(jù)上述分析，填料粒徑不應(yīng)小于0.2 μm，填料粒徑越大可以更好地反射光輻射。但粒徑過大會導(dǎo)致制得的涂層表面粗糙、孔隙多、易沾污，反而降低了其反射性能[26]。因此，存在一個合適的粒徑范圍使得涂層的反射能力良好。

郭清泉等[28]研究了涂層反射能力與反射填料粒徑的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)對單一填料體系來說，由于太陽輻射能量主要分布集中在可見光區(qū)和近紅外光區(qū)，反射填料在0.2～1.0 μm粒徑范圍內(nèi)質(zhì)量分數(shù)和反射能力呈正相關(guān)。對復(fù)合填料體系來說，體系中反射填料的分散并不充分，填料聚集狀態(tài)居多，在0.2～1.0 μm粒徑范圍內(nèi)質(zhì)量分數(shù)就會降低，從而影響太陽熱反射能力，若想提高涂層的太陽熱反射率，應(yīng)選擇合適的反射填料、分散劑，使體系中的反射填料以適宜粒徑形態(tài)分布。Cao等[29]通過兩種分布在不同粒徑范圍的TiO2進行降溫研究，也證實了當(dāng)TiO2的粒徑集中在0.2～1.0 μm時，反射涂層可以獲得較好的降溫效果。

3.3 填料的體積濃度

填料在成膜物質(zhì)中所占的體積濃度(PVC)是判斷涂層降溫性能的重要依據(jù)。孫威[30]在瀝青熱反射涂層組成設(shè)計中研究了填料體積濃度對其降溫性能的影響。通過二氧化鈦為反射填料進行降溫性能對比實驗。結(jié)果表明，涂層中反射填料濃度的增加，其降溫效果也隨之增加，添加二氧化鈦質(zhì)量比10%、15%、20%的反射涂層與對照組的最大溫差分別達到了5.6、9.2、10.8 ℃。

Cao等[31]以二氧化鈦和二氧化硅為反射填料對熱反射涂層的體積濃度進行研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)反射填料體積濃度達到14%時，涂層降溫效果達到最大，隨著體積濃度繼續(xù)增大降溫效果有所下降。表明只有在一定范圍內(nèi)，填料體積濃度和涂層降溫性能才存在正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)反射填料在涂層中含量較少時，隨著PVC的增加，反射填料數(shù)量增多，反射填料在成膜物質(zhì)內(nèi)間隔不斷縮小，能更有效地防止光輻射的穿透并將其反射出去，故涂層降溫效果更佳；但當(dāng)反射填料PVC超過某值時，隨PVC的增加，反射填料的聚集使散射的比表面積減小，散射效率降低，涂層降溫效果反而會下降。陳玉靜等[32]對反射填料和隔熱填料體積濃度對反射涂層降溫性能的影響進行了研究。結(jié)果表明，反射填料體積濃度達到15%時降溫性能達到最大，提升到20%時降溫性能反而下降；隔熱填料體積濃度由0提高到10%時隔熱效果顯著增加，這是因為隔熱填料排列緊密并形成致密的熱緩沖層；體積濃度到達15%時隔熱效果幾乎不變，增加到20%時降溫性能有所降低，這是因為隔熱填料的排列方式發(fā)生改變，導(dǎo)致熱緩沖層的隔熱性能下降。因此，在研究瀝青熱反射涂層時需找到填料的最佳體積濃度值。

3.4 涂層顏色

當(dāng)前所用反射填料大多為白色，直接用作降溫材料會使路面產(chǎn)生眩光問題，白線可見性也會降低，影響行車安全。因此需要加入著色填料制得彩色的熱反射涂層以滿足道路使用要求，不同色調(diào)的涂層對太陽熱輻射有著不同的吸收和反射能力。

Levinson等[33-34]對廣泛的著色顏料進行光學(xué)性能的研究，通過確定參數(shù)散射系數(shù)S和吸收系數(shù)K作為太陽光譜300～2 500 nm波長的模型，對各種顏料透射率和反射率進行表征。結(jié)果表明，二氧化鈦在可見光區(qū)和近紅外光區(qū)的反射率達到最高，淺色涂層由于反射率在可見光區(qū)比深色涂層的要高，所以深色的熱反射涂層與白色的熱反射涂層相比，降溫效果會有所下降，且隨著顏色加深，降溫性能逐漸下降。而對于一些復(fù)雜的無機顏料，在可見光區(qū)的吸收率較高，但在近紅外光區(qū)的反射率高，You等[35]采用納米CuO制得了一種黑色近紅外反射涂層，即使熱反射涂層顏色較深，但其降溫效果也較高，在夏季可降低瀝青表面溫度12.62 ℃。

彩色涂層的降溫性能不同的原因在于可見光區(qū)和近紅外光區(qū)的反射率不同，尤其是在可見光區(qū)。張爭奇等[36]研發(fā)了彩色反射式瀝青路面涂層。實驗表明，每種顏料均比瀝青路面的路面溫度要低。Tukiran等[37]采用市面上常用的五種顏色的反射涂層研究瀝青彩色涂層的熱性能，通過對降溫效果和反射率的測量分析，發(fā)現(xiàn)全部彩色涂層都可以使得瀝青路面的降溫性能有所提升，其中白色涂層降溫性能最好，反射率和降溫效果最高，達到 0.61 ℃ 和17 ℃，綠色涂層最低只有0.14 ℃和1.26 ℃。Synnefa等[38]通過添加著色填料制得多種彩色熱反射涂層，統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)顏料的加入使得涂層降溫效果有所降低，灰色涂層是僅次于白色的降溫性能，其反射率最高達到0.55，降溫效果達12 ℃，而其他深色涂層在可見光區(qū)反射率較低，因此降溫性能也相比略低。此外，同種顏色的涂層由于所添加的顏料不同降溫性能也會存在差異，曹雪娟[17]采用炭黑、黑色素、鐵紅加鐵綠分別制得灰色反射涂層。結(jié)果表明，鐵紅和鐵綠的光學(xué)性能較高，制得的灰色反射涂層降溫效果達到16 ℃；而黑色素和炭黑的只有8 ℃和2 ℃。

3.5 涂層厚度

熱反射涂層厚度對其降溫性能影響很大。Guo等[39]研究了涂層厚度與其反射率的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)涂層厚度在一定范圍內(nèi)反射率處于峰值，進一步增加后反射率不會改變。對其原因進行分析可知，涂層厚度較薄情況下其作用較小，太陽輻射就有可能透過涂層照射到瀝青面上；厚度超過一定水平后光線并不能照射到瀝青上，此時涂層的反射性能只和表面的反射率相關(guān)，厚度進一步增加，反射率無明顯變化。郭宇等[40]對涂層厚度和對比率對其反射率的影響進行了研究，分別對涂層的濕膜厚度、干膜厚度、對比率和反射率進行了測試。研究結(jié)果表明，涂層對比率較差情況下，反射率隨厚度增加而增加；涂層對比率較高情況下，厚度增加到一定值后，反射率不受影響；涂層涂刷在白底上反射率比涂在黑底上明顯要高，但隨著厚度的增加，反射率的差別縮小，意味著熱反射涂層涂刷在瀝青路面和混凝土路面上，隨著涂層厚度的增加可以減少兩者之間的反射率差。

鄭木蓮等[41]選取了三組熱反射涂層不同厚度的涂刷量對其降溫效果進行研究，結(jié)果表明，三種熱反射涂層路面溫度的變化曲線大致相同，其中涂刷量0.6 kg/m2比0.9 kg/m2的路面溫度較低，表面降溫效果并非隨厚度增加而增強。文獻[42]也得到類似結(jié)論，表明熱反射涂層降溫性能隨用量呈拋物線變化規(guī)律，原因在于涂層厚度超過一定值，太陽輻射在涂層內(nèi)部的散射光程會增長，加大涂層對能量的吸收，反而不利于熱反射涂層對瀝青路面的降溫效果。劉文濤等[43]研究了不同降溫機理的降溫涂層厚度對降溫性能的影響，結(jié)果表明，反射型和輻射型降溫涂層厚度的最佳值為300 μm，厚度進一步增加后，對應(yīng)的表面溫度不會受到明顯的影響，兩者降溫性能基本只與涂層表面的功能填料有關(guān)；而隔熱性的涂層的隔熱降溫效果隨厚度的增加而均勻增加，并不止和表面的填料有關(guān)。這是由于隔熱填料的導(dǎo)熱系數(shù)小，涂層厚度越大內(nèi)部的隔熱填料越多，可以延長熱量流入路徑，減緩?fù)繉酉蛳聼醾鬟f，增強了隔熱降溫效果。

3.6 涂層結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有瀝青熱反射涂層大多是將不同作用的填料混合而成的，受單層結(jié)構(gòu)的限制其降溫性能發(fā)展面臨著持續(xù)的挑戰(zhàn)，因此對于熱反射涂層結(jié)構(gòu)的研究應(yīng)運而生。

程承[44]進行了涂層結(jié)構(gòu)對其降溫性能的研究。單層復(fù)合熱反射涂層由著色顏料和反射填料共同組成，改變涂層的結(jié)構(gòu)，將著色顏料設(shè)計在面層中，反射填料設(shè)計在下層中，如圖2所示。結(jié)果表明，多層涂層在反射過程中，面層將太陽輻射進行第一次反射，次層再將透射進來的輻射進行第二次反射，涂層的反射效率得到提高，多層結(jié)構(gòu)涂層比單層結(jié)構(gòu)復(fù)合涂層降溫效果提高了1 ℃。Chen等[45]認為單層熱反射涂層在使用中一些反射填料可能被其他不透明材料所覆蓋，從而使其光學(xué)反射功能達不到預(yù)期。因此將反射、輻射、隔熱三種不同降溫原理的功能性填料設(shè)計在不同的層里來進行降溫性能研究。結(jié)果表明，多層結(jié)構(gòu)涂層的改變可以增加各種填料的體積濃度，從而充分發(fā)揮填料的降溫性能，與單層反射涂層相比，增加輻射層可以將降溫效果提高約3 ℃，再增加隔熱層可以將降溫效果提高約5 ℃。

圖2 改變涂層結(jié)構(gòu)后太陽輻射反射對比示意圖Fig.2 Comparison diagram of solar radiation reflection after changing the coating structure

將現(xiàn)有結(jié)構(gòu)對瀝青熱反射涂層降溫性能影響的研究進行了總結(jié)，具體如表2所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，改變涂層結(jié)構(gòu)的形式有兩種：一種是在原涂層的基礎(chǔ)上直接增添新的功能層，另一種是將單層復(fù)合涂層里的功能性填料分別設(shè)計在不同層面中，提高各填料的作用。與單層結(jié)構(gòu)反射涂層相比，多層結(jié)構(gòu)涂層的降溫效果更佳，并且三層結(jié)構(gòu)涂層比兩層結(jié)構(gòu)涂層降溫幅度更大。結(jié)構(gòu)的改變能夠提高熱反射涂層的降溫性能。

表2 涂層結(jié)構(gòu)對其降溫效果的影響

3.7 路面類型

熱反射涂層運用在不同類型的路面上，降溫效果也不同。Tukiran等[37]將熱反射涂層分別鋪設(shè)在瀝青路面和混凝土路面上，通過降溫性能研究發(fā)現(xiàn)，鋪設(shè)涂層后瀝青路面和混凝土的反射率升幅相差不大，但由于無涂層混凝土路面比無涂層瀝青路面的溫度低，添加熱反射涂層后瀝青的溫度降幅效果相對會更大，兩者最大可相差7 ℃。

Cao等[23]、曹雪娟等[47]通過在密級配瀝青(AC)、間斷級配瀝青(SMA)和開級配瀝青(OGFC)試件上鋪設(shè)熱反射涂層，將瀝青試件放置室外進行了不同類型的瀝青路面降溫性能研究。結(jié)果表明，涂層用量相同下AC瀝青表面的降溫效果最佳，其次是SMA瀝青，OGFC瀝青表面的降溫效果最差。原因在于OGFC瀝青具有高的空隙率和部分涂層將滲透到孔隙中，因此較少的涂層可用于表面降低溫度。SMA瀝青與AC瀝青相比，混合料具有更高的紋理深度，造成涂層的冷卻效果降低。粗糙路面表面通常需要比光滑表面更高涂刷量以產(chǎn)生相同的反照率[48]。而對于瀝青內(nèi)部，相同用量下OGFC瀝青內(nèi)部溫度可降低約10 ℃，而SMA瀝青降低 8.7 ℃。這是由于OGFC瀝青與SMA瀝青相比，其空隙率較大，層與層之間的接觸面積比相對較少，加上OGFC瀝青的導(dǎo)熱系數(shù)小，向下傳導(dǎo)熱量效果較差，因此OGFC瀝青的內(nèi)部降溫效果較好。通過上述分析，熱反射涂層鋪設(shè)在不同類型瀝青路面上降溫效果不同，其中AC瀝青表面降溫效果最好，OGFC瀝青內(nèi)部降溫效果最好。

3.8 環(huán)境因素

熱反射涂層運用在路面上，要受到陽光、空氣和風(fēng)力等自然因素影響，Sha等[49]證明了在紫外線照射下，無機材料可以保持大部分的穩(wěn)定性，但有機材料會老化，而大多熱反射涂層的成膜物質(zhì)為有機材料，因此熱涂層會隨陽光的照射會產(chǎn)生發(fā)黃、變脆等老化的現(xiàn)象。Cao等[50]對熱反射涂層室內(nèi)和室外老化行為進行了研究，分析了涂層在老化期間表面形貌、紅外光譜、冷卻值和反射率的變化。結(jié)果表明，在太陽輻射的積累下涂層里的羰基含量逐漸增加，羰基容易吸收可見光和紅外線，導(dǎo)致樹脂的透光率下降，在一年期限的老化過程中，涂層的反射率和降溫效果呈先慢后快的下降，分別下降了22.18%和6.2 ℃。

瀝青熱反射涂層也會受到交通工具的長期摩擦推移，導(dǎo)致涂層表面部分逐漸脫落而降低了其降溫性能。王赫[27]對熱反射涂層磨耗前后的溫度變化情況進行實驗分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，涂層磨耗后反射填料減少，其表面和內(nèi)部降溫效果分別下降5 ℃和11 ℃；此外，為了提高涂層抗滑性和耐磨性，往往會在涂層中加入防滑顆粒，但防滑顆粒的加入會略降低涂層降溫性能。

路面上大量的污染物會對熱反射涂層進行覆蓋，不僅會降低涂層的反射率，還會吸收太陽輻射增加熱量。唐伯明等[51]對污染物對瀝青熱反射降溫效果的影響進行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，涂層降溫效果受不同污染物影響下均出現(xiàn)不同程度的下降。塵土等不透光污染物對熱反射路面降溫性能的影響隨污染物密度的升高而增大，隨瀝青構(gòu)造深度的增加而減??；油料等透光污染物對熱反射路面降溫性能的影響隨污染物透光率的降低而升高，隨污染物厚度的升高而增大。張正一等[52]在此基礎(chǔ)上加上化學(xué)污染物對涂層降溫性能的研究。結(jié)果表明，塵土污染影響最小降幅在0.4～1.3 ℃，化學(xué)腐蝕污染次之降幅在2.3～2.4 ℃，油料污染影響最為嚴重降幅在1.2～3.1 ℃。對此，曹雪娟等[53]通過改性的方法制得了一種耐污性能強的熱反射涂層，研究發(fā)現(xiàn)該涂層的反射率受污染物影響較小。

從上分析可知，瀝青熱反射涂層與運用在其他領(lǐng)域上的熱反射涂層相比，除了受涂層內(nèi)部因素和自然天氣的影響之外，還受到車輛荷載、污染物等一些路面因素的影響，具體如表3所示。因此在研究瀝青熱反射涂層降溫性能時需全面考慮。

4 瀝青熱反射涂層對熱環(huán)境的影響

在夏季隨著太陽輻射的增加，瀝青路面吸收大量熱量，導(dǎo)致其溫度增加并與空氣發(fā)生對流換熱，對室外熱環(huán)境造成影響。Lin等[5]研究了路面溫度、全球溫度、太陽輻射和風(fēng)速等因素對室外熱環(huán)境的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)路面溫度與空氣溫度的相關(guān)性最為密切。Santamouris等[54]研究了反射路面對環(huán)境溫度的影響，對路面溫度，環(huán)境溫度、風(fēng)速和污染物濃度進行了測量，通過計算流體動力學(xué)(computation fluid dynamic，CFD)技術(shù)建立了該地區(qū)的熱模型，并采用測量的邊界條件進行了模擬，計算得到反射涂路面的熱影響。結(jié)果表明，使用反射路面可使路面溫度下降了12 ℃，此時環(huán)境溫度降低 1.9 ℃。Georgakis等[55]研究了熱反射涂層對城市峽谷內(nèi)空氣溫度的影響，發(fā)現(xiàn)熱反射涂層可以降低路面溫度7～8 ℃，峽谷內(nèi)的空氣溫度可以下降1 ℃。Carnielo等[56]也在一項模擬實驗中發(fā)現(xiàn)類似氣溫下降的現(xiàn)象。以實驗數(shù)據(jù)為輸入，用ENVI-met軟件模擬了羅馬一個人口密集地區(qū)的熱環(huán)境，評估路用熱反射涂層對溫度空氣的影響。結(jié)果表明，空氣溫度的顯著降低與路面對太陽反射率密切相關(guān)。當(dāng)使用路用熱反射涂層提高路面反射率時，路面溫度可以降低20 ℃，空氣溫度可以降低5.5 ℃。然而一些模擬結(jié)果表明，街道峽谷中路面溫度的降低對當(dāng)?shù)乜諝鉁囟鹊挠绊懞苄?。Mills[57]建立街道峽谷模型，該模型能夠模擬峽谷氣候的許多方面，包括峽谷表面和最高能量預(yù)算以及路面和空氣溫度。結(jié)果表明，峽谷內(nèi)的空氣溫度主要與城市的幾何形狀即峽谷高寬比相關(guān)，峽谷內(nèi)路面溫度的影響較小。Yaghoobian[58]的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，深淺色的路面溫度相差15.8 ℃時，峽谷內(nèi)空氣溫度只相差0.4 ℃。為了更好地理解路面溫度與城市空氣溫度之間的相關(guān)性，需要進一步完善模型和實驗。

另外，瀝青熱反射涂層可能會提高附近建筑物的表面溫度。 Yaghoobian[58]利用室內(nèi)外建筑能量模擬器研究了城市峽谷內(nèi)路面反射率變化對建筑物熱負荷的影響，對窗墻比47%的四層辦公樓為例進行了研究。結(jié)果表明，將路面太陽反射率從0.1增加到0.5，建筑物年降溫需求增加了11%，對年采暖需求的影響較小。Qin[59]利用數(shù)值模擬對城市峽谷內(nèi)路面反射率進行了研究。模擬實驗發(fā)現(xiàn)，峽谷中的反射路面向附近建筑反射了相當(dāng)大的額外漫反射，當(dāng)峽谷高寬比小于1時，反射路面產(chǎn)生的漫反射才能到達城市峽谷外，這樣減緩城市熱島效應(yīng)的作用才更大。Carnielo等[56]利用TRNSYS動態(tài)仿真工具對典型意大利住宅區(qū)的降溫需求進行研究。當(dāng)使用路用熱反射涂層提高路面反射率后，建筑物降溫需求卻減少了近19%，這可能是該住宅區(qū)的峽谷高寬比較小。

Li[60]通過路面材料的相關(guān)性能建立局部小氣候模型，并應(yīng)用該模型評價不同冷路面技術(shù)對室外環(huán)境的熱影響。結(jié)果表明，路面反射率提高后增加了平均輻射溫度，到達人體的反射輻射有一定提高，路面反射率增加情況下，人體的熱舒適性會受到明顯的影響，因而應(yīng)該進行適當(dāng)控制。Schrijvers等[61]通過數(shù)值模擬研究了各種高反射率路面對氣溫、平均輻射溫度和通用溫度氣候指數(shù)的影響。結(jié)果表明，由于平均輻射溫度對峽谷的陰影敏感性，使得通用溫度氣候指數(shù)的增加，峽谷內(nèi)高反射率的路面產(chǎn)生了更多的熱應(yīng)力。

上述分析可見，熱反射涂層運用在路面上可提高路面反射率，有效降低城市的空氣溫度，有助于減緩城市熱島效應(yīng)。此外，當(dāng)城市高寬比大于1或建筑物的窗墻比較大時，路面反射率的提高會增加附近建筑物的降溫負荷和行人的熱應(yīng)力，瀝青熱反射涂層應(yīng)用于高密度地區(qū)時應(yīng)特別注意。

5 瀝青熱反射涂層降溫性能研究展望

自世紀初太陽熱反射涂層在瀝青路面應(yīng)用以來，瀝青熱反射涂層得到迅速發(fā)展。但研究中仍存在一些問題，今后還需進一步深入研究。

(1)目前瀝青熱反射涂層性能研究的方法尚無統(tǒng)一規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，對其降溫性能進行研究時一般以測定路面溫差為準(zhǔn)。有學(xué)者認為還需測定大氣溫差，更能反映熱反射涂層降溫性能和緩解熱島效應(yīng)效果，因此應(yīng)該聯(lián)合路面降溫和大氣溫差來對涂層降溫性能進行研究；此外，瀝青熱反射涂層的性能研究大多集中在宏觀研究上，微觀結(jié)構(gòu)的研究相對較少，今后還需加強對熱反射涂層光熱理論的研究，并制定出一套全面、準(zhǔn)確研究熱反射涂層降溫性能的標(biāo)準(zhǔn)和測試方法。

(2)功能填料是決定熱反射涂層降溫性能的關(guān)鍵組分，今后應(yīng)該對各種填料的光學(xué)性能進行分析，充分發(fā)揮反射、隔熱、輻射不同機理填料的降溫性能，實現(xiàn)各種降溫填料協(xié)同降溫的目的。通過改性等方法研發(fā)出高性能新型復(fù)合熱反射涂層，更好地滿足降溫應(yīng)用要求。另外，為了防止眩光帶來的不利影響，往往需要加入著色顏料制得深色涂層，但會降低其降溫性能，如何制得深色高反射率的熱反射涂層也是我們應(yīng)研究的課題。

(3)在太陽輻射的照射、交通荷載的磨損、污染物的覆蓋的影響下，熱反射涂層的降溫性能會受到影響，而其他環(huán)境因素對其影響的報導(dǎo)較少，缺乏系統(tǒng)的研究，是否會對其造成影響今后還需進行證實。同時還需加強對高性能成膜物質(zhì)的開發(fā)，研制出抗老化性、耐磨性、耐污性等路用性能良好的熱反射涂層，減少環(huán)境因素對其降溫性能的影響。

(4)瀝青熱反射涂層的運用如何緩解城市熱島效應(yīng)要進一步地研究。路面溫度的降低可以使得城市峽谷的空氣溫度降低，但有學(xué)者認為路面溫度的降低對當(dāng)?shù)乜諝鉁囟鹊挠绊懞苄?，為了更好地理解路面溫度與城市空氣溫度之間的相關(guān)性，需要進一步完善模型和實驗。此外，瀝青熱反射涂層的應(yīng)用在滿足路面降溫效果的同時，應(yīng)權(quán)衡其與附近建筑物降溫需求和人體舒適度的關(guān)系，瀝青熱反射涂層應(yīng)用于高密度地區(qū)時應(yīng)特別注意。

6 結(jié)論

研究對瀝青熱反射涂層的降溫機理、降溫性能的研究方法進行了分析，具體研究了熱反射涂層內(nèi)在因素和外在因素對其降溫性能的影響，最后分析了瀝青熱反射涂層對熱環(huán)境的影響。研究內(nèi)容具體如下。

(1)對熱反射涂層降溫機理進行分析。降低瀝青路面溫度最合適方法是提高路面的反射率，而熱反射涂層由于具有反射填料可對光輻射進行高效反射，將其運用在瀝青路面上能高效降低路面溫度。接著對瀝青熱反射涂層的降溫性能研究方法進行了分析。根據(jù)降溫效果研究方法的分析，發(fā)現(xiàn)通過自制的降溫實驗系統(tǒng)模擬和室外對涂層長時間溫度監(jiān)控，可以更好地反映出涂層在太陽輻射單因素影響和實際工程下的降溫效果；根據(jù)反射率研究方法的分析，紫外-可見-近紅外分光光度計可以測得涂層在各波段內(nèi)的反射率，并且實驗精度高，因此大多數(shù)涂層反射率研究采用此方法。

(2)上述瀝青熱反射涂層降溫性能的影響因素研究表明，降溫性能受填料的光學(xué)性能、粒徑形狀、體積濃度、涂層的厚度、顏色和結(jié)構(gòu)等內(nèi)在因素的影響外，還受到太陽輻射、車輛荷載、污染物和路面類型等外在因素的影響。填料折光系數(shù)與樹脂折光系數(shù)相差越大，涂層對光的反射能力越強；填料的粒徑、體積濃度和涂層的厚度均存在一定最佳范圍，在該范圍內(nèi)越大涂層降溫性能越好。涂層結(jié)構(gòu)的改變可以充分發(fā)揮填料的作用，使其降溫性能得到提高。此外，由于著色填料對太陽輻射吸收程度不同，涂層中添加著色填料改變顏色會影響其降溫性能。在環(huán)境因素影響方面，熱反射涂層在長期使用中會出現(xiàn)老化、磨損等問題，降溫性能也隨之降低，提高涂層的路用性能可以減少環(huán)境因素對其降溫性能的影響。

(3)通過分析瀝青熱反射涂層對熱環(huán)境的影響，發(fā)現(xiàn)熱反射涂層運用在瀝青路面上提高了路面反射率，減少路面向空氣熱對流和熱輻射，進而有效降低城市的空氣溫度。但路面反射率的提高會使其向附近建筑反射額外的漫反射和提高了平均輻射溫度，增加建筑物的降溫負荷和行人的熱應(yīng)力，瀝青熱反射涂層應(yīng)用于高密度地區(qū)時應(yīng)特別注意。