沥青路面太阳热反射涂层路用性能及评价方法研究

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  摘要:为全面深入地研究沥青路面太阳热反射涂层的路用性能及评价方法,通过室内模拟降温试验、室外降温试验、抗滑性测试、耐久性和施工和易性测试,得出试验结果:a.室内试验最大降温温差达11.5℃,室外试验最大降温温差在8℃左右;b.对室外沥青路面抗滑性能的影响并不大,涂装涂层沥青路面的摆式值平均仅下降12BPN;c.耐久性基本满足要求;d.施工和易性满足施工工艺和施工环境的要求。并在上述试验的基础上提出一套全面、准确的路用性能评价方法。
  关键词:道路工程;沥青路面;太阳热反射涂层;路用性能;评价方法
  中图分类号: U448 文献标识码: A
  
  0引言
  沥青是一种吸热材料,它对太阳光辐射的吸收率很高,达到0.85~0.95,在夏季会造成沥青路面温度远远高于气温,有资料表明,我国部分地区夏季的最高气温能达到38~43℃,而沥青路面的温度要比气温高25℃左右,达到63~68℃,由此引发严重的沥青路面车辙危害,同时也加剧城市的“热岛效应”。沥青路面太阳热反射涂层的应用可以从根本上解决高温引发的车辙危害,并一定程度缓解城市的“热岛效应”。
  沥青路面太阳热反射涂层(Solar Heat-reflective Coatings of Asphalt Pavement)是指涂裝于沥青路面表面的节能型功能性涂层材料,其对太阳辐射中的可见光区(0.4~0.76)和近红外区(0.76~2.5)具有高反射率,同时将吸收的中远红外区(>2.5)辐射到外部空间,在不消耗能量的情况下抑制涂层表面温度的上升从而降低被涂装沥青路面内部和周围的温度[1]。涂层直接接受车辆轮胎和大气因素的作用,为了保证涂层能提供稳定、耐久的服务,涂层必须具备良好的路用性能:降温性能、抗滑性能、耐久性和施工和易性。其中涂层的降温性能是最基本的路用性能,涂装涂层后沥青路面的抗滑性是路用性能的关键性能,而耐久性和施工和易性是重要的路用性能。
  然而国内外学者并未全面深入地研究沥青路面太阳热反射涂层的路用性能及评价方法[2-6],严重制约其大面积推广应用。首先应用自制的室内降温试验系统对涂层的降温性能进行分析研究,然后分别进行涂装涂层后沥青路面抗滑性能测试试验、涂层耐久性测试试验和涂层施工和易性测试试验,并在此基础上提出一套全面、准确的路用性能评价方法,及成功申请并获发明专利(专利号:ZL 201110083913.0)。
  1涂层降温性能及评价方法研究
  1.1涂层降温性能研究
  首先研究沥青路面太阳热反射涂层的最基本路用性能——降温性能,分别进行室内模拟降温试验和室外降温试验。
  1.1.1室内模拟降温试验
  涂层室内模拟降温试验首先将制备的涂层涂装在车辙板试件上(如图1和图2),测试其降温性能,其具体试验过程如下:(1)将车辙板试件安放在载物台上,打开碘钨灯的开关,对车辙板试件进行辐射加热。每半小时记录车辙板试件表面25个数据采集点的温度,持续进行3小时;(2)将涂层均匀地刷涂在刚测试完的车辙板试件表面,待其充分固化;(3)将涂装涂层的车辙板试件安放在载物台上,第二天在相同时间段重复(1)试验步骤。
  
  图1白色和灰色太阳热反射涂层图2白色和红色太阳热反射涂层
  将车辙板试件3小时内25个数据采集点的温度和涂装涂层后车辙板试件3小时内25个数据采集点的温度进行对比分析:每半小时温度平均值,具体数值见表1和图3,从试验结果可以看出:涂层降温温差在150分钟到180分钟时达到最大值,最大温差在11.5℃左右,且在180分钟内随辐射时间的增加,温差逐渐增大。
  表1室内温度平均值相对应温差
  
  
  
  图3室内温度平均值和温差
  1.1.2室外降温试验
  在室内模拟降温试验测试完后,在室外沥青路面铺设了一小块试验块,以观测涂层的室外降温性能,如图4。在涂装的涂层充分固化后,于2011年8月18日对室外试验块进行了降温试验测试。本试验内容为:自中午12点每半小时分别收集沥青路面和涂装涂层沥青路面10个不同位置的温度数据,持续进行3个小时。
  数据处理方式同上,测试结果见表2和图5,试验结果表明:(1)涂层室外降温温差的最大值为8℃左右,出现在下午14点左右,直接与太阳总辐射能量的大小有关;(2)涂层的室外降温试验比室内降温试验稍差,是因为室内模拟降温试验是在理想环境条件下,不存在风速、湿度等自然环境的影响。
  
  图4室外太阳热反射涂层试验块
  表2室外温度平均值相对应温差
  
  
  
  图5室外太阳热反射涂层降温性能
  1.2涂层降温性能评价方法研究
  涂装涂层对沥青路面高温稳定性影响的评价,可用Shami于1997年提出的车辙预估模型来计算[7]:,同时假定沥青混合料符合Miner疲劳损伤累积定律,并根据西安的气候特点假设夏天时间为3个月,一天中沥青路面表面温度达到40℃以上的时间是4小时,==15mm,=65℃,=57℃,取中交通量1×106次,分别代入上式便可求得=3.47×106次。根据上述计算和分析可知,涂层可显著减少沥青路面车辙危害,至少延长沥青路面使用寿命1.10倍。
  因此,涂装涂层前后沥青路面的温差可作为判定涂层降温性能优劣的标准,同时考虑涂层的经济性,给出降温性能的评价方法是:在夏天最高气温下涂装沥青路面太阳热反射涂层前后沥青路面的温差必须≥8℃。
  2涂装涂层沥青路面抗滑性能及评价方法研究
  2.1涂装涂层沥青路面抗滑性能研究
  本试验选用摆式仪法测定涂装涂层沥青路面的抗滑性能,经测试室外沥青路面和涂装涂层沥青路面的摆式值见表3,从表3可以看出,涂层对室外沥青路面抗滑性能的影响并不大,涂装涂层沥青路面的摆式值平均仅下降12BPN。
  表3室外沥青路面摆式值
  
  
  
  图6室外沥青路面摆式值测试
  2.2涂装涂层沥青路面的抗滑性能评价方法研究
  涂装沥青路面太阳热反射涂层后,沥青路面改变了原有的表面构造,这势必会降低沥青路面的抗滑性能,因此必须要考虑涂装涂层后沥青路面的抗滑性能是否能保证行车安全。参考JTG E60-2008《公路路基路面现场测试规程》中的相关规定,给出涂装涂层后沥青路面抗滑性能的评价方法:涂装太阳热反射涂层后沥青路面的摆式值必须≥45BPN。
  3涂层耐久性及评价方法研究
  3.1涂层耐久性研究
  3.1.1耐磨性
  涂层的耐磨性测试选在室外已运营沥青路面上,这样能最真实的反映车辆荷载作用对涂层的磨损过程,测试过程中涂装涂层沥青路面磨损状况见图7、图8、图9和图10。
  
  图77天后图8一个月后
  
  图9三个月后图10十八个月后
  从图7、图8、图9和图10可以看出经18个月车辆轮胎的不断磨损后,涂层面积还保留80%以上,说明涂层的耐磨性满足预期的要求。
  3.1.2耐水性
  涂层的耐水性的测试选在室内,参照GB/T 1733-1993《漆膜耐水性测定法中的常温浸水法》,将涂装涂层的车辙板试件浸泡在水中,观察其是否有发白、失光、起泡、脱落等现象,测试完后涂装涂层车辙板试件的状况见图11和图12。
  
  图11车辙板试件在水中浸泡7天后 图12车辙板试件在水中浸泡7天后
  从图11和图12可以看出涂层在水中浸泡7天后,并无发白、失光、起泡、脱落等现象发生,说明涂层的耐水性满足预期的要求。
  3.1.3耐化学试剂性
  涂层的耐化学试剂性的测试选在室内,参考GB/T 1763-1989《漆膜耐化学试剂性测定法》和GB/T 9274-1988《色漆和清漆耐液体介质的测定》,将涂装涂层的车辙板试件浸泡在化学药品中,观察其受介质侵蚀的情况,测试完后涂装涂层车辙板试件的状况见图14。
  
   图13PH试纸图14车辙板试件在酸中浸泡7天后
  从图14可以看出涂层在酸中浸泡7天后,并无受介质侵蚀的情况发生,如起泡、脱落等,说明涂层的耐化学试剂性满足预期的要求。
  3.2涂层耐久性评价方法研究
  涂层在各种环境下的耐久性应包括涂层的耐磨性、耐水性、耐化学试剂性和耐石油制品性等,这些性能才能全面反应涂层在实际运营状况下的耐久性。
  3.2.1耐磨性
  耐磨性是涂層耐久性的一项关键性能,但是目前国内外对此并无统一的评价方法,GB/T 1768-2006《色漆和清漆耐磨性的测定》和T 0752-1993《乳化沥青稀浆封层混合料湿轮磨耗试验》并不适合用来测定该涂层的耐磨性。综合分析各种资料及试验的优缺点后,提出该涂层耐磨性的评价方法:涂层在车辆荷载作用四个月的大气暴露试验后,如果涂层磨损面积小于总面积的20%,且磨损程度较轻,则为合格。涂装涂层的三处试验点中至少应有两处的试验符合上述评价规定则视此涂层的耐磨性为合格。
  3.2.2耐水性
  涂层耐水性的评测方法参照GB/T 1733-1993《漆膜耐水性测定法中的常温浸水法》,且综合考虑上述试验结果,给出该涂层耐水性的评价方法:涂层经常温浸水法试验后,如果涂层没有剥落、起泡、起皱,则为合格。涂装涂层的三块车辙板试件中至少应有两块试件符合上述评价规定则视此涂层的耐水性为合格。
  3.2.3耐化学试剂性
  涂层的耐化学试剂性评测方法参照GB/T 1763-1989《漆膜耐化学试剂性测定法》和GB/T 9274-1988《色漆和清漆耐液体介质的测定》,且综合考虑上述试验结果,给出该涂层耐化学试剂性的评价方法:涂层经相关试验后,如果涂层无明显变化,则为合格。涂装涂层的三块车辙板试件中至少应有两块试件符合上述评价规定则视此涂层的耐化学试剂性为合格。
  3.2.4耐石油制品性
  涂层的耐石油制品性评测方法参照GB/T 1734-1993《漆膜耐汽油性测定法》和HG/T 3343-1985《漆膜耐油性测定法》,且综合考虑上述试验结果,给出该涂层耐石油制品性的评价方法:涂层经相关试验后,如果涂层无明显变化,则为合格。涂装涂层的三块车辙板试件中至少应有两块试件符合上述评价规定则视此涂层的耐石油制品性为合格。
  4涂层施工和易性及评价方法研究
  4.1涂层施工和易性研究
  由于涂层施工和易性测试选在室内,采用刷涂的方式,对涂层的黏度范围要求较宽,而此次试验结果表明:当丙酮与成膜物的质量比在0.05~0.15:1的范围时,涂层的黏度符合工艺的要求,而其具体质量比视施工工艺和施工环境的要求而定。
  4.2涂层施工和易性评价方法研究
  涂层在外力作用下流动和变形,黏度是其抗拒流动内部阻力的量度[8],黏度对其路用性能的影响至关重要,是施工和易性的决定性影响因素。
  黏度作为影响涂层施工和易性的最重要因素,应作为涂层施工和易性的评价指标。涂层的施工黏度只有在涂层的长期施工经验中才能总结出来,参考JT/T 280-2004《路面标线涂料》的相关规定,同时根据相关试验值,提出该涂层施工黏度的推荐值即涂层施工和易性的评价方法,并转换为流出时间:
  刷涂:150s≥≥60s
  辊涂:150s≥≥60s
  喷涂: 60s≥≥15s
  5结语
  (1)针对沥青路面太阳热反射涂层的降温性能、涂装涂层沥青路面的抗滑性能、涂层的耐久性和施工和易性进行了测试研究,得出以下主要结论:a.室内模拟降温的最大降温温差达11.5℃,室外降温的最大降温温差在8℃左右;b.对室外沥青路面抗滑性能的影响并不大,涂装涂层沥青路面的摆式值平均仅下降12BPN;c.耐磨性、耐水性和耐化学试剂性等耐久性基本满足要求;d.施工和易性满足施工工艺和施工环境的要求。
  (2)根据沥青路面太阳热反射涂层路用性能的要求和试验结果提出了一套真实、全面、准确的评价方法。
  
  
  参考文献:
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