热反射技术及其在多年冻土区道路热保护中的应用

　　摘要：热反射技术是一项被广泛应用于建筑物及道路表面降温的主动冷却技术，国内外很少对此技术在多年冻土区道路热保护方面进行研究。本文针对多年冻土区气候及工程环境特点，综述了热反射技术在冻土区道路中的应用现状和研究成果，阐述了热反射涂层的基本成分、反射机理和测试方法，分析了路用热反射涂层的材料性能、反射效果和路用性能，简要介绍了热反射涂层在路基边坡应用方面的研究进展。

　　最后，指出在当前条件下利用热反射涂层保护多年冻土区道路所遇到的问题及可行的解决方案，并在此基础上提出了今后的研究重点：从材料选择、理论分析和试验方法入手，对路用热反射涂层的颜色、反射性能、路用性能和区域适用性进行改进和研究，加强对多年冻土区道路热反射涂层的野外试验和分析，深入对复杂气候和工程环境下热反射涂层性能方面的研究。

　　关键词：热反射涂层;辐射;多年冻土区道路;沥青路面;路基边坡

　　0引言

　　随着我国《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，冻土及多年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，面对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]，而对于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与试验表明，随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性材料[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(颜填料及功能性填料)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0.25~2.5μm，属于短波辐射，在大气质量为1.5时，可见光区(波长0.38~0.76μm)和近红外区(波长0.76~2.5μm)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]。为单层热反射涂层方案，由于沥青路面采用不透明材料，当涂层厚度不足或需提高热反射性能时，可采用双层或多层涂层方案[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。

　　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。根据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ASTMC1371-15[31]和ASTME903-12[32]。

　　2热反射技术在寒区路面中应用的研究现状

　　2.1路用热反射涂层材料性能研究

　　2.1.1基料性能研究

　　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。根据青藏公路五道梁低温断面的监测数据可知，白色油漆路面的反射效果最好，其4m处的地温比沥青路面降低约1℃，冻土上限提升约1.5m，而无规聚丙烯路面提升约0.5m[36]。鉴于浅色路面取得的良好降温效果，在1985年，无规聚丙烯路面在青藏公路斜一五段铺筑并通车[37]。

　　这是青藏线以及全国第一次大规模铺筑热反射路面，然而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，根据多年冻土区哈阿高速公路试验路段的实测数据可知，降温效果达到12.8℃。王赫[40]发现丙烯酸树脂比环氧树脂的反射率高，根据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沾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，降低西安和陕西试验路面温度约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的输送，进而能提高冻土区道路的热稳定性和服役年限。

　　2.1.2功能填料性能研究

　　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，而其与基料间的折射比和相容性是分别影响涂层反射效果和成膜性质的次要因素[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，许多解决方案被提出，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方法，其中浅色热反射涂层路面是较为简单有效的方法[46]。19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约0.7m，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(Fairbanks)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3.8m)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0.4m。

　　该文章还指出，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使用时，如青藏高原多年冻土区，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，而是对近红外辐射表现近乎透明，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，不适用于路用涂层材料的制备。

　　2.1.3路面组成结构对涂层性能的影响

　　沥青混凝土路面不同的组成结构具有不同的粗糙程度和孔隙大小，这对涂层用量及反射效果有不同程度的影响[57]。相同条件下，孔隙小的沥青路面反射率较高[58-59]，而孔隙越大，达到相同降温效果所需的涂层材料越多，孔隙内的多重反射效应越明显，这会降低表面宏观反射率[60]和降温效果。Cao等[11]发现随涂料用量的增加，不同沥青混合料表面的降温效果均先急速增加后逐渐趋于稳定，降温温差从高至低依次为AC(密级配沥青混凝土混合料)、SMA(沥青玛蹄脂碎石混合料)以及OGFC(开级配沥青混合料)路面，不同结构的降温差异可达7℃。

　　涂层在粗糙路面上应用时，降温效果会降低，但其降温性能仍要优于传统路用材料和部分透水路面材料。此外，王良艳[61]对比了热反射涂料、浅色耐磨碎石和多孔集料对钢桥面层的降温效果后发现，热反射涂料的降温效果最佳。青藏高原多年冻土区高等级公路多采用AC型沥青混凝土[62]，上述研究表明，该类路面对涂层反射率和降温效果的影响较小，因此热反射涂层可以更好地发挥原有性能。

　　2.2路用热反射涂层降温效果研究

　　对于多年冻土区道路而言，沥青路面的吸热、储热和聚热效应会加剧路基病害的程度和发生频率，通过冷却路基和降低路表温度可有效缓解上述问题[63]，而提高路面和路基边坡反射率是重要的实现途径[64]。

　　新建沥青混凝土路面反射率约为0.05~0.10，在夏季其表面最高温度比气温高约40~50℃[65]，这增加了热量向路基内部的传输，虽然在使用五年后其平均反射率可提高0.12±0.03[66]，这并不能从根本上达到降温目的。铺筑浅色碎石封层[67]和薄层水泥面层[68]是提升沥青路面反射率的常见方法，虽然具有一定的降温效果和路用性能，但应用于多年冻土区道路仍存在许多不足之处[69]。

　　首先，浅色碎石封层路面要求集料拥有较高反射率和红外发射率，对于缺少该类型石料的地区而言，特别是青藏高原多年冻土区，这无疑提高了加工和运输成本。此外，碎石封层路面反射率受沥青和浅色集料共同影响，如何在保证路用性能的同时调控路面反射率成为一项难题。薄层水泥混凝土修补技术一般适用于底层沥青路面破损程度较小的轻载道路，对高等级公路而言并不适用[70]。

　　2.3路用热反射涂层路用性能研究

　　冻土区沥青路面在涂覆热反射涂层后，其表面的抗滑性、耐磨性、抗冻融循环性(抗温变性)、耐久性和抗老性等路用性能会发生改变。为了保证涂层的使用寿命、降温效果和安全性，应对涂层路用性能进行系统研究。冻土区路面常结冰结霜，且降雨后路面湿滑，为了保证交通工具的制动性和行驶安全，要求路面有较高的抗滑性能。研究表明[81]，随涂层用料的增加，沥青路面的构造深度将减小，抗滑性能会降低，在使用防滑颗粒后，路面摩擦系数会大幅增高并满足规范[82]要求。

　　路用涂层防滑材料主要由聚氨酯树脂颗粒等合成有机材料以及石英砂等无机材料组成[83-84]，其对涂层反射率和降温效果的影响较小[85]，而科学安排防滑颗粒的施工顺序可提高涂层耐久性[20]。此外，增加涂层表面的粗糙程度和构造深度也是提升抗滑性能的有效方法，具体措施有涂层表面刻槽和添加纤维物质等方法，但不能忽略表面粗糙度对反射率的影响。青藏高原多年冻土区道路交通量大，车辆载荷繁重，这会加速涂层的磨耗和脱落，进而影响涂层的反射性能和降温效果。

　　路用热反射涂层的耐磨耗性能可利用室内自制加速磨光仪[81]、室外自然磨耗试验[86]和室外加速磨耗试验[87]进行评估。为了减少涂层的开裂和剥落，Sha等[10]建议采用提高冻土区沥青路面刚度或者减少沥青与基料间的刚度差距来改善这一问题。

　　笔者认为，可以采用石油衍生物代替传统沥青，如沥青脱色得到的无色胶结料、改性沥青和彩色沥青芳烃油，并结合相应的粘结剂、改性剂、浅色集料以及高反射颜填料，来提高涂层的热反射和耐磨耗性能。此外，石油衍生物也可以替代传统基料树脂作为粘结剂，用于增强涂层的抗滑和耐磨耗性能以及涂层与沥青路面间的协同变形能力。

　　3热反射技术在冻土路基边坡中应用的研究现状

　　多年冻土路基受坡度、坡向、辐射等因素的影响，其两侧边坡的热边界条件存在较大差异，随路基高度的增加，这种差异会更加明显，从而加剧了阴阳坡效应[98]。为了缓解阴阳坡效应带来的不良影响，研究人员采用复合工程措施来改善传统单一措施对消除阴阳坡效应的不足[99-101]。

　　以上方法均取得了一定效果，为了完善多年冻土路基边坡降温方法和理论，Qin等[27]提出利用热反射涂层来缓解阴阳坡效应，并提出了一种测量多年冻土路基模型反射率的新方法，根据试验结果可知，路基比原地表要吸收更多的太阳辐射;边坡反射率与路基整体反射率间存在近似的线性关系，提高向阳面边坡反射率可提高路基整体反射率约0.2，提高低坡度路基边坡反射率将更有效地提高路基整体反射率[102]。

　　随后，Qin等[103]提出了一种考虑边坡与相邻地表间多重反射效应的路基辐射传输模型，该模型考虑了太阳方位、路基走向、地面及路基边坡反射率等因素对路基宏观反射率的影响，试验结果表明，正午时路基整体反射率最低，多重反射效应会增加路基对太阳辐射的吸收量，但与路基吸收的总太阳辐射相比该数值可忽略不计，这说明提高冻土路基反射率可有效减少其对太阳辐射的吸收[104]。

　　此外，提高遮阳板正面反射率并降低其背面发射率[105]以及提高块石路基边坡反射率[106]也是保护冻土路基稳定性的新方法。然而，使用涂层降温后应确保路基表面温度场分布不产生较大差异，根据Reckard[50]在阿拉斯加热反射试验断面的监测结果可知，由于路面与边坡温度场分布不均，路肩处产生“边缘效应”，降低了窄幅路基整体的降温效果，并造成了横向不均匀沉降和纵向裂缝等病害。

　　笔者认为，精确测量冻土路基边坡反射率是计算和调控边坡热平衡状态的前提，因此边坡反射率的测量理论和方法是今后研究的一个重点。同时，冻土路基边坡没有受到车辆的直接磨耗，可将涂层直接应用在水泥砂浆或水泥棉加固后的边坡上，并结合路基吸收的太阳辐射、能量平衡关系和其他冷却路基方案，实现对多年冻土路基精确控温和强化降温的目的。

　　4小结与展望

　　热反射涂层技术是降低路面温度、减少路面病害和缓解城市热岛效应的有效方法，许多国家已出台相应的规范，并将其成功应用在实际道路工程中。然而，该方法在多年冻土区道路热保护方面的研究较少，涂层材料的研发以及热反射技术的相关理论与试验多针对于高温和低纬度地区，以及城市的建筑和道路工程，涂层材料在不同服役环境下的性能是亟待研究的课题。

　　借鉴热反射技术在道路降温方面的成功经验，在多年冻土区道路工程中应用热反射技术具有可行性和广阔的发展空间。本文基于路用热反射涂层技术及其在多年冻土区道路中应用方面的研究现状和不足，提出了今后的研究重点：

　　(1)材料方面

　　研发高性能近红外反射颜填料，提高纳米技术和其他新技术的应用，增强路面热反射性能和耐久性，解决涂层路面眩光问题;针对冻土区特殊的气候环境和工程特性，开发抗温变、抗紫外和耐老化性能优异的基料树脂以及可替代沥青材料的石油衍生物;开展涂层抗滑技术及其添加材料方面的研究，进而提高路用涂层的实用性和安全性。

　　(2)理论方面

　　传统理论在精确计算路用热反射涂层性能方面具有一定的局限性，需引入新的理论方法来揭示路用热反射涂层的微观辐射理论，指导多年冻土区路用热反射涂层的研发和应用;完善多年冻土路基边坡反射率测量理论，对热反射涂层应用在多年冻土路基边坡，特别在块、碎石路基边坡中的降温效果和机理进行深入研究，为减缓冻土路基阴阳坡效应提供新的技术支持。

　　完善多年冻土路基光热效应机理，建立涂层微观辐射理论与路基宏观辐射理论间的联系，利用路用热反射涂层对冻土路基进行精细化控温;结合热反射技术与其他主动冷却路基结构，建立新型综合路基热保护技术，提高多年冻土区道路的整体热稳定性。

　　(3)试验方面

　　目前，路用热反射涂层性能方面的研究主要依据建筑热反射涂层材料的相关规范和标准，随着路用涂层在城市和冻土区道路中的应用和普及，需开发新的测试技术和规范标准对涂层的降温性能和路用性能进行系统评价。针对多年冻土区自然和工程环境特点，研发可模拟太阳辐射、温变、降水、风速、车辆荷载等要素的综合试验测试平台，以及专门测试路用热反射涂层耐磨耗、抗冲击、抗滑、耐老化、耐污、抗温变、抗开裂、抗剥落等性能的专业仪器设备，并开展涂层与道路表面间粘附性和变形协调性能方面的试验研究。

　　此外，应开展野外实地监测，将室内试验和野外试验结果进行对比和评价，建立两者间的联系。同时，增加多年冻土区道路热反射涂层的现场试验监测，对不同气候和复杂工程环境下路用热反射涂层的性能进行深入研究，为今后路用热反射涂层在多年冻土区道路工程中的应用及推广提供数据积累和理论支撑。

　　(4)工程应用方面

　　充分发挥热反射涂层技术的优势，进一步拓展其在寒区工程建设中的应用，如在寒区水库坝体上使用高性能涂层材料，用于减少混凝土构件因温变产生的裂缝，同时涂层的热保护和水保护性能还可以减缓冻融/干湿循环作用对水库坝体的破坏，并对高性能涂层在寒区特定工程和环境作用下的热保护机制进行深入研究。

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