热反射技术及其在多年冻土区道路热保护中的应

0 引言

随着《国家高速公路网规划》［1］的逐步实施，以及冻土区经济的不断发展和寒区工程的建设，寒区公路高等级化已势在必行，路面材料将以沥青路面为主。然而，沥青路面存在明显的吸热、聚热和储热效应，其表面温度远高于气温，这会增加路面车辙、路基沉降和其他路基病害的程度和发生频率。在全球气候变暖和工程扰动的背景下，多年冻土及冻土路基的稳定性受到影响［2-4］。以在建中的青藏高速公路为例，其具有“宽、黑、厚”等特点，面临高等级公路黑色沥青路面温度高、路基宽度大、对沉降和不均匀变形要求高等问题，现有技术可能无法确保路基的稳定性［5-6］。此外，机场道面作为寒区交通工程的重要组成部分，其下部多年冻土也存在不同程度的退化和不均匀沉降问题。因此，如何强化道路和道面冷却效果，提高整体及其下部多年冻土稳定性，成为当前亟待解决的新难题［7］。

总结近年来热反射涂层技术在降温方面的研究成果发现，该技术在建筑物表面降温方面的研究成果较多［8］，在冷路面方面的研究也取得了长足发展［9］，而对寒区道路和道面降温方面的研究仍处于初步探索阶段［10］。一方面是因为冻土路基长期受到车辆荷载和极端气候环境的作用，对材料的性能要求非常苛刻；另一方面是因为路用涂层材料对颜色和使用性能的要求异于其他领域，涂层材料的选择受到极大制约。

热反射涂层技术的理论研究与试验结果表明，随着材料性能的提升和完善，该技术可作为一种实用手段用于冻土区道路和道面的降温。在这样的背景下，本文主要介绍了路用热反射涂层的基本反射原理、降温性能、材料性能和路用性能，分析了其在冻土区道路、道面和路基边坡中应用的研究现状和不足，并在此基础上提出了热反射涂层技术在冻土区道路热保护中应用的研究重点，并对今后的研究工作进行了展望。

1 热反射涂层的基本原理

1.1 热反射涂层的组成及其传热机理

热反射涂层材料是指能够涂覆在物体外表面，对太阳短波辐射具有选择性吸收和高反射率，自身具有高红外发射率，可以降低物体表面及内部温度的一种功能型材料［11］。近年来，为了提高涂层的降温效果和综合性能，隔热型、辐射型与反射型涂层材料的结合已成为路用热反射涂层材料研发的主流趋势［12］。这种材料主要由基料树脂、功能填料（颜填料及功能型填料）和助剂［13］等组成，而且根据服役环境和被涂覆物体表面材料的不同存在较大差异。

太阳辐射到达地球表面的光谱范围为0.25～2.5 μm，属于短波辐射，在光学大气质量为1.5时，可见光区（波长0.38～0.76 μm）和近红外区（波长0.76～2.5 μm）辐射分别占太阳辐射总能量的43%和52%，是太阳光能量的主要组成部分［14］。热反射涂层在太阳辐射某波长范围内的平均反射率可由下式进行计算。

式中：λ0和λ1为太阳光谱的波长范围；r（λ）为涂层的光谱反射率；i（λ）为太阳光谱辐照度（单位面积单位波长的太阳辐射功率）。

根据式（1）可以计算涂层对不同太阳波段的反射率，实现涂层在保持深色的前提下仍具备高反射率。此外，紫外线辐射（波长0.25～0.38 μm）约占太阳辐射总能量的5%，式（1）的计算结果也可用于评价涂层的抗紫外线能力，进而可改善涂层的耐候性能。

路用热反射涂层的基本组成及降温机理如图1所示，其热反射性能不仅与材料组成有关，而且受被涂覆材料表面结构、反射率、透明度等因素的影响较大。图1（b）为沥青混合料上的热反射涂层特写。对于密实型的沥青混合料，涂层一般只粘附于混合料表层，但对于骨架空隙型的混合料而言，涂层还会从混合料间的空隙渗入结构内部，这不仅增加了涂层成本，还会影响原有结构的部分性能，比如渗水性能、蒸发换热性能等。因此，在沥青路面上使用热反射涂层前，应对沥青混合料的表面结构特性进行分析。图1（a）为图1（b）中热反射涂层的局部放大图。沥青路面为不透明材料，所以一般采用单层热反射涂层方案，即所有功能型粒子与基料混合成为单一涂层；当涂层厚度不能满足工程需求，或者涂层降温效果不能满足预定要求时，可采用双层或多层的涂层方案来提升涂层性能［15］。涂层内部材料的功能各不相同，其中的微纳米颜填料能够有效地将太阳短波辐射以相同的波长反射出去，空心微珠等材料可以有效地减少热量向道路内部传递，而二氧化硅等具有高发射率的材料可以将道路表面的热量以红外长波辐射的形式向外发射，进一步实现降温。

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