热反射技术及其在多年冻土区道路热保护中的应(3)

2.1.2 功能填料性能

功能填料自身的反射率、发射率、粒径与用量是决定路用热反射涂层降温性能的主要因素，而其与基料之间的折射比和相容性是影响涂层反射效果和成膜性质的其他重要因素［45］。因此，确定合适的功能填料及材料配比是研发路用热反射涂层材料首先考虑的问题。

颜填料的折光指数是反映其太阳光反射性能的主要指标之一。金红石型TiO2是最常见的高遮盖力填料，其折光系数可达2.80［13］，与常见基料间的折射比也较高。因此，早期的路用热反射涂层多采用白色TiO2和其他浅色颜填料。为了提高寒区机场道路的稳定性和安全性，提出了许多解决方案，如采用保温隔热板、提高道路等级、开挖富冰土、更换路基填料、修补路面、提高道路表面反射率等，其中浅色热反射涂层路面是较为简单有效的方法［46］。20世纪50年代，美国首次采用白色热反射涂料来减缓图勒（Thule）机场道路下部富冰多年冻土的退化，研究发现，新建涂层路面的反射率约为0.84，其下部冻土最大融化深度与传统深色路面相比减少了约0.7 m，降温效果显著。然而，经过一年的风化和磨损，路面反射率降低至0.58，路面涂层还降低了道路原本的制动性能，并增加了维护成本，这些都限制了该项技术在机场道面上的推广和应用［47］。为了研究浅色热反射涂层对多年冻土路基降温效果的影响，美国在费尔班克斯（Fair-banks）公路和阿拉斯加机场高速修建了浅色涂层试验断面，结果表明，涂层可降低路面平均温度约1℃［48］，融化深度较传统路面（约为3.8 m）减少了30%［49］，该类涂层在使用防滑颗粒后仍存在制动问题［50］，但这些研究成果为后续工作的开展提供了宝贵的数据资料。Bjella［51］根据图勒机场的监测数据提出了路面反射率与融深间的经验公式，并建议用隔热板和超挖富冰冻土的方法代替热反射涂层方案，然而这些方法施工量较大且不易实现。Molmann等［46］对挪威斯瓦尔巴（Svalbard）机场下部多年冻土的融深进行了监测，结果表明，白色涂层路面有效减少融深约0.4 m。该研究还指出，仅依靠热反射涂层并不能彻底解决该地区多年冻土的冻胀融沉问题，但可以大幅减缓冻土的融化速度，因为该区域冻土的含冰量较大，冻融病害明显，需要采取综合保护措施。

高折光指数的颜填料多为白色或浅色，在太阳辐射强烈的地区（如青藏高原多年冻土区）使用时，路面会产生强烈的眩光问题，因此需要加入一定的着色颜料或冷颜料以缓解驾驶员的视觉疲劳。美国干粉颜料制造商协会按照颜料的化学成分和晶体结构将冷颜料分为14种，使用冷颜料不仅能提高路用热反射涂层的舒适度和美观性，还可增强涂层材料的耐候性和附着力，进而提高其使用寿命。Gonome等［45，52］利用无机纳米CuO颜料研制出高性能深色热反射涂层材料，此类无机热反射颜料具有较高的近红外反射率，使沥青路面在保持深色的前提下依然拥有较高的热反射性能，同时可以解决浅色颜料在不同太阳光谱下反射率差异较大的问题。对于部分深色有机颜料而言，其涂层组成结构和反射原理与无机颜料有所不同，涂层整体反射率取决于底层涂层或基层材料的反射率、涂层厚度以及通过涂层的光线在某波长范围内被悬浮颜料颗粒吸收（转化为热）和反向反射的程度［15］。这些有机颜料并不具备高近红外反射性能，而是对近红外波段的辐射呈现出近乎透明的特性，即绝大部分近红外辐射可以在这类物质中透射，如有机苝黑，常应用于热反射涂层的顶层，当使用高近红外反射颜料（如TiO2）作为底涂层时［53］，涂层整体的热反射系数可达0.45，然而这类材料的价格偏高，不适用于路面涂层材料的制备。

颜料的粒径、体积浓度、晶体结构、涂层结构以及厚度等对涂层的反射效果也至关重要，严格控制这些因素可实现对涂层热反射性能及多年冻土路基降温的精确调控［45］。当颜料粒径达到微纳米级别时，其性能会发生本质变化，杜磊［54］对微米和纳米级TiO2的光谱反射率进行了研究，发现锐钛型TiO2和金红石型TiO2最佳反射率对应的粒径分别为0.29～0.59 μm和0.35～1.13 μm。由于晶体结构的不同，金红石型比锐钛型表现出更好的降温效果［39］，不同晶型和不同粒径的微粒按照一定比例混合可进一步提高涂层的反射率［55］。Gonome等［52］对粒径分别为0.05 μm、0.89 μm和3.0 μm的CuO颜料的反射性能进行了分析，发现粒径为0.89 μm时反射率最高，试验测得的反射率与射线发射模型中辐射单元法的计算结果相比偏低。因此，可以利用辐射单元法初步确定反射率最高的功能型材料粒径范围，研发和生产对应粒径的微纳米功能材料，最后通过试验测试确定最优的材料方案。空心微珠等作为功能填料的另一重要组分，其应用不仅减少了颜填料的用料，还可提高涂层的隔热能力，因此，研发复合型功能颜填料是路用涂层材料的一个重要研究方向［56］。

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