热反射技术及其在多年冻土区道路热保护中的应(2)

热反射涂层的光热效应机理可通过低斜率道路表面在稳态下的热平衡关系进行分析［16］。

(1-ρ)I=L+G+C+H+E （2）

式中：ρ为道路表面的反射率，取值范围为［0，1］；I为太阳辐照度；L为道路表面的净长波辐射量，受涂层材料发射率ε的影响；G为道路表面的热储存量，受涂层和道路材料性能的共同影响；C为热传导量；H为道路表面与空气间的对流换热量；E为道路表面的蒸发换热量。

涂层会减少沥青道路表面的孔隙数量以及表面与空气间的接触面积，从而降低蒸发换热量。由式（2）可知，在表面材料导热系数较小且对流换热不明显的情况下，路面平衡温度主要受表面反射率ρ和发射率ε的影响，热反射涂层的应用可以有效提高以上两个数值，进而降低路面温度和进入路基内部的热量。太阳辐射在一天正午时最强，涂层的反射性能起主导作用，降温效果最好；夜晚缺少太阳辐射，涂层的红外发射性能起主导作用，可将白天吸收的热量和道路内部多余的热量以热辐射的形式向外界输送。

ASTM标准提供了一个同时考虑涂层反射率和发射率的参数——太阳能反射指数（solar reflectance index，SRI）［17］，该指数通过比较待测涂层表面温度与标准黑色材料（ρ=0.05，ε=0.90）和标准白色材料（ρ=0.80，ε=0.90）间的差距，综合反映出涂层材料的吸热或降温效果。其表达式为

式中：Tblack、Twhite和Tsurface分别为相同条件下标准黑板、标准白板和待测涂层材料表面的稳态温度。

图1 路用热反射涂层的基本组成和降温机理及实例Fig.1 Basic composition and cooling mechanism of heat-reflective coating for road（a），and a close-up of the heat-reflecting coating on an asphalt mixture（b）

根据定义可知，高性能热反射涂层材料的SRI数值可能超过100，而传统深色涂层材料和吸热材料的SRI数值极低，甚至接近于0。冻土区道路的光热环境较为复杂，而道路建设又改变了原有地表的植被状况和热流平衡状态，因此SRI并不能完全描述热反射涂层材料的降温效果。相关试验和数值研究表明，涂层材料的降温效果不仅受其服役地区复杂气候环境的影响，如太阳辐射的光谱特性、环境温湿度和风速等，还受到影响涂层自身性能的因素影响，如紫外线强度、降水量、污染物成分、外界荷载、冻融循环、干湿循环和基层材料稳定性等［18-19］。此外，一些学者也对影响沥青路面热反射涂层平衡温度的内部因素［20-21］和外部因素［22］进行了研究。

1.2 涂层反射率与发射率的测试方法

太阳光反射率是评价涂层热反射性能和降温效果的重要参数，它被定义为物体表面反射辐射量与接收入射太阳总辐射量的比值。常见的反射率测试方法可分为实验室测量、实地测量和遥感测量等［23］。冻土区道路具有特殊的结构形式［24］，因此遥感测量方法并不能准确地描述路面和路基边坡反射率及其变化规律。实验室测量系统主要由积分球反射仪、半球反射仪、热腔反射仪和抛物镜反射仪等组成，以上仪器可以用于测量待测物体表面的光谱反射率，这有利于热反射涂层的组成成分优化和性能分析［25］。然而，实验室测量方法一般要求待测物体表面平整光滑，性质均一，对于表面粗糙以及待测面积较大的冻土区道路而言并不适用。Levinson等［26］对几种室内外测量太阳光反射率标准方法的测试原理和适用范围进行了总结。经过试验和研究发现，野外测量方法的精度受环境因素影响较大［27］。为了解决该问题，Sailor等［28］、Mei等［29］、Qin等［30］在理论和试验方法上进行了改进，提出了测量有限区域反射率的新方法。为了进一步提高野外测量精度，笔者认为应将理论方法和数值方法相结合，精确计算目标区域到达辐射接收器的视角因子，并对外加设备和目标区域阴影造成的误差进行分析。随着热反射涂层材料组成的不断优化，红外发射率成为评价涂层降温性能的另一个重要指标。它指物体辐射能力与相同温度下黑体辐射能力之比，热反射涂层的红外发射率越大，其将热量辐射出去的能力越强，通常的测量方法可参照标准 ASTM C1371-15［31］和 ASTM E903-12［32］。

2 热反射技术在寒区路面中的应用

2.1 路用热反射涂层材料性能

2.1.1 基料性能

对于寒区而言，特别是青藏高原多年冻土区，其气候环境多变，日平均气温较低，且日较差较大，太阳辐射尤其是紫外线辐射强烈［33］。基料树脂作为涂层的主要成膜物质，要求其具备高透明度、高折射比、太阳辐射吸收小以及耐候性能强等特点，因此组成结构中应避免使用含O=C—、—C—O—C—、—OH等吸能基团［34］和耐紫外线差的苯环［35］。20世纪80年代，青藏公路浅色路面研究组对无规聚丙烯混合料进行了室内和野外试验研究，发现该种材料的路用性能与沥青混合料没有太大差异，低温性能等甚至优于沥青，且具有较高的反射率，可代替沥青在低温下施工。由青藏公路五道梁低温断面的监测数据可知，涂覆白色油漆的沥青路面反射效果最好，路基下4 m处的地温比沥青路面下降低了约1℃，冻土上限提升了约1.5 m，无规聚丙烯混合料浅色路面的冻土上限提升了约0.5 m［36］。鉴于浅色路面取得的良好降温效果，在1985年，无规聚丙烯混合料浅色路面在青藏公路斜水河至五道梁路段铺筑并通车［37］。这是青藏线以及全国第一次大规模铺筑热反射路面，但当时的技术并不成熟，可用的高性能材料有限，导致了涂层耐久性差、道路眩光等问题，从而限制了其在多年冻土区道路工程中的应用。近年来，为了提高路用热反射涂层的降温效果和服役寿命，学者对涂层基料成分进行了大量研究。冯德成等［38］采用硅丙乳液制备的涂料成本较低，高速路面的降温效果较好，但耐污损和抗滑性能较差，使用寿命较短，适用于预防车辙病害的养护措施。张鑫［20］、张静［39］采用体质颜料来改善硅丙乳液的性能，根据冻土区哈阿高速公路试验路段的实测数据，当太阳辐射为980 W·m-2，气温为31.0℃时，热反射涂层沥青路面温度仅为37.1℃，比沥青路面低了约12.8℃。王赫［40］发现丙烯酸树脂比环氧树脂的反射率高，在北京季节冻土区试验路段的测试结果表明，与传统沥青路面相比涂层路面降温约5℃，而且在使用一年后该涂层仍能保持降温效果。李文珍［41］、Cao等［42］研发的不饱和聚酯涂料可降低夏季路面温度约10℃，然而涂层在使用一段时间后出现剥落、变色等现象，降温效果也有所下降。随后，Cao等［43］研制的含氟丙烯酸酯乳液涂层的耐污性和降温效果较好，然而其粘附性和耐磨性却较差。为了改善上述问题，Zheng等［44］研制了改性双酚A型环氧树脂涂层，其抗滑性能好，颜色种类较多，西安试验路面温度降低了约10℃。以上研究为多年冻土区道路热反射涂层基料的选择提供了理论依据和参考，而且基料性能的改善可以有效提高道路表面涂层的降温效果和使用寿命，减少热量向路基内部和道路下部输送，进而能提高冻土区道路的热稳定性和服役年限。

文章来源：《中国辐射卫生》 网址: http://www.zgfswszz.cn/qikandaodu/2021/0408/646.html