一种涂层降温效果评价方法与流程

本发明属于道路工程技术领域，尤其是涉及一种涂层降温效果评价方法。

背景技术：

沥青路面具有行车舒适度高、开放交通较早、容易维修养护等优点，广泛用于中等以及高等级公路中，但其颜色较黑，对太阳光辐射吸收率超过90％，从而导致沥青路面温度升高。特别是在青藏地区，其太阳辐射年总量高达7000-9000mj.m^-2，比同纬度的东部地区高出2000-3000mj.m^-2，如此大的辐射量使沥青路面吸收大量热量并向路基传递。但是青藏地区的沥青路面修筑在大面积的多年冻土之上，积聚在沥青路面内部的热量向下传递进而导致下伏冻土发生热稳定性破坏并加重了冻土融化问题。

目前，为了缓解青藏地区冻融问题，国内外学者主要通过埋设通风传热管道、铺设保温层等措施维持路基的低温状态，但这些措施造价非常高且适用性差。另外，部分学者通过改变沥青路面的孔隙率来抑制热量传递，但采用大孔隙沥青混合料在夏季高温季节会带来严重的车辙问题。以上措施都没有考虑到黑色沥青路面本身对于太阳辐射的强吸收作用，在夏季不能从根本上抑制热量进入道路内部。为了应对由夏季太阳高强度辐射作用以及城市热岛效应引起的沥青路面车辙问题，遮热涂层在城市环境中应运而生，起到了较好的降温性能，而遮热涂层在青藏地区的应用研究鲜有报道。因此，研发一种适合于青藏地区沥青路面的遮热涂层方法，对于缓解冻土融化问题意义重大。

当今国内路面遮热涂层的降温效果评价方法大多忽略了空气温度、湿度、风速、辐射强度、辐射时间等环境条件对试验结果的影响，只考虑升温阶段涂层的降温效果，并没有考虑到温度稳定阶段以及降温阶段涂层的降温效果，且只考虑涂层在沥青路面模拟结构表面的降温效果，并没有涉及到涂层对沥青路面模拟结构内部温度场的影响。当今的试验方法数据不准确不全面，费时费力，效率不高。而青藏地区环境条件和平原地区差异很大，针对青藏地区的环境特点，考虑环境因素对遮热涂层降温效果的影响非常有必要，且深入研究涂层对沥青路面内部温度场的影响对研究青藏地区冻融问题意义重大。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种涂层降温效果评价方法，能够用于青藏地区遮热涂层降温效果的评价。

本发明的技术方案是：

一种涂层降温效果评价方法，所述的方法包括如下步骤：

(1)对工作环境参数进行设计，包括空气温度、湿度和风速的设计、等效辐射时间的设计、辐射强度的设计以及平行光的设计；

(2)道路模拟结构的制备，包括沥青路面模拟结构，在沥青路面模拟结构的不同深度位置的布设温度数据采集装置，采用未铺设遮热涂层的沥青路面模拟结构以及铺设遮热涂层的沥青路面模拟结构作为参照组和试验组进行平行试验；

(3)并通过三阶段试验法获得沥青路面模拟结构的表面以及内部温度变化曲线，以及沥青路面模拟结构表面或者侧面的红外热像图；

(4)结束试验，获得沥青路面模拟结构各点的温度变化曲线、沥青路面模拟结构温度达到稳定状态时的红外热像图；

(5)通过相关软件(infrecanalyzer以及origin软件)进行统计分析遮热涂层的降温效果，包括沥青路面模拟结构表面热平衡分析、沥青路面模拟结构变温过程分析和沥青路面模拟结构表面及内部温度场分析。

进一步，所述的空气温度、湿度和风速的设计依据青藏地区沥青路面的工作环境参数进行设计，等效辐射时间的设计和辐射强度的设计利用等效辐射热原理进行设计，平行光的设计利用平行光模拟装置进行设计。

进一步，所述的沥青路面模拟结构为沥青路面常用结构层次，包括面层、基层和路基。

进一步，所述的面层包括sbs改性沥青及以玄武岩为集料成型的车辙板试件，基层为骨架密实型水稳碎石，路基为加固土。

进一步，所述的布设温度数据采集装置的深度分别为沥青路面模拟结构的表面、深度5cm以及10cm处，每一深度位置测量五组数据并取其平均值作为该深度的温度代表值。

进一步，所述的三阶段试验法为升温阶段，通过温度数据采集装置以及数据采集仪记录每一深度处的温度；稳定阶段，通过红外热像仪获得沥青路面模拟结构表面以及侧面的红外热像图，获得整个断面所有点的温度数据；降温阶段，结束平行光的照射，道路模拟结构进入降温阶段。

进一步，所述的温度数据采集装置为端面温度探头。

进一步，遮热涂层具体制备步骤如下：

(a)涂层材料准备：选择具有一定紫外抵抗力的聚丙乙烯基树脂作为主要成膜物质，金红石型二氧化钛(tio2)作为反射功能型材料，碳黑作为调色颜料，陶瓷颗粒作为抗滑颗粒，分散润滑剂以及固化剂等作为助剂；

(b)搅拌均匀：按照规定的分量的金红石型tio2、碳黑和少量分散润湿剂添加到聚丙乙烯基树脂之中，采用磁力搅拌器以2000r/min的速度搅拌上述混合物20min；

(c)有效混合：采用超声波分散仪超声分散15min；

(d)过滤：按照400目将混合物通过过滤网；

(e)添加助剂：把固化剂、消泡剂加入(d)中所述的混合物，并采用磁力搅拌器以2000r/min的速度搅拌5min，使之混合均匀；

(f)铺设涂层：采用每层涂刷量0.4kg/m²以及双层涂刷的方式将遮热涂层喷涂于沥青路面模拟结构表面。

本发明所述技术方案，具有如下有益技术效果：

(1)本发明填补了路用遮热涂层装置在青藏地区应用的技术难题，考虑了环境条件对遮热涂层评价效果的影响，包括温度、湿度、风速、辐射强度、辐射时间，同时能够分析不同影响因素作用对涂层降温效果的影响，理论充足，严谨可靠。

(2)本发明所述路用遮热涂层降温效果评价方法不仅仅考虑了升温阶段涂层的降温效果，且考虑了温度稳定阶段以及降温阶段涂层的降温效果。相对于传统试验方法，通过三阶段试验法更加全面地分析了涂层的降温效果，试验结果更加有说服力。

(3)本发明不仅仅研究了涂层在沥青路表的降温效果，而且研究了涂层对于沥青路面内部温度场的影响，这对于研究青藏地区冻土融化问题意义重大。

附图说明

图1主要城市年总辐射量；

图2青藏地区历年每月气温；

图3青藏地区历年八月份气温；

图4不同掺量的功能型材料(金红石型tio2)对沥青路面模拟结构温度影响的过程图；该图能够分析不同材料组成对涂层降温性能影响的过程图。

图5不同掺量的功能型材料(金红石型tio2)对沥青路面模拟结构温度影响的结果图；该图能够分析不同材料组成对涂层降温性能影响的结果图，图4和图5从影响过程和影响结果两个方面来全面分析某种材料组成对涂层降温性能的影响。

图6不同辐射强度对沥青路面模拟结构温度影响的分布图；该图能够帮助分析辐射强度的不同对涂层降温性能的影响。

图7涂层在光循环作用下的实施例；该图能够帮助分析涂层在昼夜交替作用下降温性能的影响。

图8未铺设涂层的沥青路面模拟结构表面温度场；

图9铺设涂层的沥青路面模拟结构表面温度场；该图和图8的对比，能够帮助分析铺设涂层对试件表面任何一点的降温效果。

图10未铺设涂层的沥青路面模拟结构表面数据均匀性分析；该图能够从统计学的角度帮助分析图8中整个试件表面的温度代表值，从而提高试验数据的精度。

图11铺设涂层的沥青路面模拟结构表面数据均匀性分析；该图能够从统计学的角度帮助分析图9中整个试件表面的温度代表值，同时图10和图11的对比能够帮助分析涂层在整个试件表面的降温效果。

图12未铺设涂层的沥青路面模拟结构内部温度场；

图13铺设涂层的沥青路面模拟结构内部温度场；

图14涂层对沥青路面模拟结构内部温度场的影响规律；该图和图12、图13能够帮助分析试件内部温度场，从而研究涂层对试件内部的降温效果，有助于帮助分析涂层对于改善青藏地区冻融问题。

具体实施方式

如图1至图14所示，一种涂层降温效果评价方法，所述的方法包括如下步骤：

(1)对工作环境参数进行设计，包括空气温度、湿度和风速的设计、等效辐射时间的设计、辐射强度的设计以及平行光的设计；所述的空气温度、湿度和风速的设计依据青藏地区沥青路面的工作环境参数进行设计，其中温度设计为20℃，湿度设计为50％rh，风速设计为0m/s；

辐射时间的设计和辐射强度的设计利用等效辐射热原理进行设计，具体设计步骤如下：

(1.1)辐射时间的设计

由于室内试验辐射强度未固定值，而室外太阳辐射随时间的变化而变化，试验过程中根据等效辐射热原理：

w1＝w2公式1

w1:室内在恒定辐射强度下投射产生的累积热量；

w2:室外在太阳辐射下沥青路面达到热平衡时吸收的热量。

(1.1.1)w1的计算

假设室外太阳辐射强度呈余弦变化，以中午作为时间t的原点，太阳辐射热es的计算公式为：

当时，

当时，es＝0

es:一天内任意时刻的太阳辐射强度；

ps：一天内日照时间；

as：一天内太阳辐射强度最高值。

假设一天内沥青路面在t1时刻达到室外热平衡状态，此时太阳辐射强度值eb的计算公式为：

eb：太阳辐射强度值

t1：沥青路面达到室外热平衡状态的时刻

即

即

太阳总辐射能量可以通过对公式2或者公式3进行积分，w1的计算公式为：

(1.1.2)w2的计算

w2＝eht2公式5

eh:室内试验模拟光源的辐射强度

t2：室内试验光源的等效辐射时间

(1.1.3)等效辐射时间的确定

在计算过程中，做出以下假设：

假设本试验采用的辐射强度与室外沥青路面表面达到热平衡时刻的太阳辐射强度相等；

室外沥青路面达到热平衡的时刻为下午14时；

日照延续时间取14h。

可以得到eb＝eh,t1＝2，带入公式1、公式3和公式4，得到

当室内试验中试件表面达到室外等效热平衡温度时，室内辐射时间为5h。

(1.2)辐射强度的设计

设计原则：模拟光源辐射强度控制值应尽量接近与室外下午1314时的太阳辐射强度。如果某个纬度的太阳辐射热平均值为ea，对公式2进行积分，则

由公式7可得：

公式2可以变为：

利用太阳辐射的年总辐射量可以计算出一天不同时刻太阳辐射强度的月平均值。以格尔木、那曲、拉萨三个城市作为代表城市，分别在8月份辐射强度达到最大，均值变化范围为600-900w/m²，辐射强度的监测通过太阳辐射测试装置进行测量监控，以增加试验的精确度；

平行光的设计：自然界中太阳与地球之间的距离非常远，因此太阳光近似于一种平行光，在实验过程中，需要采用平行光模拟装置来模拟太阳光对道路表面的影响作用，所述的平行光模拟装置包括辐射强度调节滑轮，辐射强度调节滑轮上绕设有辐射强度升降索，辐射强度升降索下端吊装有平行光灯罩，平行光灯罩顶部设置有平行光调节滑轮，平行光调节滑轮上绕设有平行光调节升降索，平行光调节升降索下端连接有光源，本实施例中的光源为溴钨灯点光源，光源下方设置有平行光发射装置，本实施例中的平行光发射装置为凸透镜，平行光发射装置固定在平行光灯罩上。

(2)道路模拟结构的制备，包括沥青路面模拟结构，在沥青路面模拟结构的不同深度位置的布设温度数据采集装置，采用未铺设遮热涂层的沥青路面模拟结构以及铺设遮热涂层的沥青路面模拟结构作为参照组和试验组进行平行试验；

沥青路面模拟结构为沥青路面常用结构层次，包括面层、基层和路基。

所述的面层包括sbs改性沥青及以玄武岩为集料成型的车辙板试件，车辙板试件的级配为ac-13，厚度为5-15cm，优选的为10cm，基层为骨架密实型水稳碎石，基层厚度为10-30cm，优选的为20cm，路基为加固土，加固土厚度为5-15cm，优选的为10cm，为了提高试验过程中沥青层间热传导效率，避免热量集中在中间或下部试件，试验中采用热传导效率较高的导热硅胶对试件层间粘结；

所述的布设温度数据采集装置的深度分别为沥青路面模拟结构的表面、深度5cm以及10cm处，每一深度位置测量五组数据并取其平均值作为该深度的温度代表值，深度5cm以及10cm处通过电钻钻孔后插入温度数据采集装置，再用导热硅胶密封；所述的温度数据采集装置为端面温度探头，端面温度探头为现有设备。

(3)并通过三阶段试验法获得沥青路面模拟结构的表面以及内部温度变化曲线，以及沥青路面模拟结构表面或者侧面的红外热像图；所述的三阶段试验法分为：

升温阶段：在模拟太阳光的照射下，参照组和试验组分别进入升温阶段。在此阶段，通过端面温度探头以及数据采集仪(dt80)记录每一深度处的温度，数据采集仪为现有设备；

稳定阶段：当辐射时间到达5h,参照组和试验组表面以及内部数据进入稳定阶段；此时，通过红外热像仪获得试件表面以及侧面的红外热像图，从而获得整个断面所有点的温度数据，红外热像仪为现有设备。

降温阶段：当通过红外热像仪获取红外图像后，结束平行光的照射，道路模拟结构进入降温阶段。

(4)结束试验，当沥青路面模拟结构表面的温度降到室温时，关闭所有装置电源按钮结束试验，获得沥青路面模拟结构各点的温度变化曲线、沥青路面模拟结构温度达到稳定状态时的红外热像图；

(5)通过相关软件(infrecanalyzer以及origin软件)进行统计分析遮热涂层的降温效果，包括沥青路面模拟结构表面热平衡分析、沥青路面模拟结构变温过程分析和沥青路面模拟结构表面及内部温度场分析。

(5.1)沥青路面模拟结构表面热平衡分析

试件表面的热平衡方程如下:

q'＝α(gs+gsky)-gsur-gh公式9

q′——试件表面的净热流密度，w/m²；

α——试件表面对太阳辐射的吸收率；

gs——太阳的总辐射强度，w/m²；

gsky——大气辐射热，w/m²；

gsur——大地辐射热，w/m²；

ghgh——对流换热，w/m²。

当道路模拟结构温度达到稳定阶段时，q′＝0，其所吸收的热量等同于向外散出的热量，则道路模拟结构处于动态热平衡状态。

遮热涂层降温功能的原理是通过涂层中的高红外反射材料降低α，从而降低试件表面的温度。遮热涂层的降温效果可以通过与未铺设涂层道路模拟结构在稳定阶段的温度之差来表示。

(5.2)沥青路面模拟结构变温过程分析

通过端面温度传感器以及数据采集仪记录升温阶段、稳定阶段、降温阶段的温度变化曲线，研究涂层在不同阶段的降温效果。

(5.3)沥青路面模拟结构表面及内部温度场分析

(5.3.1)沥青路面模拟结构表面温度场

利用红外热像仪拍摄的图像提取断面每个点的温度，通过origin软件进行分析，基于qc质量控制图进行数据统计分析。将试件表面全部划分为88×88个数据并沿横向位置划分为88组数据，统计各组以及整个平面的平均值(cl)、数据范围(range)以及标准差(σ)进行qc质量控制分析。根据统计分析的结果判断试件表面温度的离散程度以及试验采用光源的均匀性。在温度数据均匀性良好的基础上，分析涂层的降温效果。

(5.3.2)沥青路面模拟结构内部温度场

为了研究试件内部温度变化规律，以铺设涂层以及未铺设涂层的车辙板试件为研究对象，在同等光辐射强度的试验条件下，采用便携式红外热像仪对试件侧面进行数据采集，通过相关数据分析软件分析并绘制试件侧面的温度场，分析温度在试件内部的变化规律。

进一步，遮热涂层具体制备步骤如下：

(a)涂层材料准备：选择具有一定紫外抵抗力的聚丙乙烯基树脂作为主要成膜物质，金红石型二氧化钛(tio2)作为反射功能型材料，碳黑作为调色颜料，陶瓷颗粒作为抗滑颗粒，分散润滑剂以及固化剂等作为助剂；

(b)搅拌均匀：按照规定的分量的金红石型tio2、碳黑和少量分散润湿剂添加到聚丙乙烯基树脂之中，采用磁力搅拌器以2000r/min的速度搅拌上述混合物20min；

(c)有效混合：采用超声波分散仪超声分散15min；

(d)过滤：按照400目将混合物通过过滤网；

(e)添加助剂：把固化剂、消泡剂加入(d)中所述的混合物，并采用磁力搅拌器以2000r/min的速度搅拌5min，使之混合均匀；

(f)铺设涂层：采用每层涂刷量0.4kg/m²以及双层涂刷的方式将遮热涂层喷涂于沥青路面模拟结构表面；

金红石型二氧化钛(tio2)的体积浓度用pvc来表征，其计算公式是：

式中：

vp：金红石型二氧化钛的体积；

vb：主要成膜物质的体积。

如图5所示，按照金红石型tio2掺量5％、10％、15％、20％的体积浓度研制涂层，并采取喷涂的方式喷射在试件表面，在试件表面辐射强度为700w/m²，初始温度为20℃，相对湿度为50％的条件下测试涂层的降温效果，所得结果见图5。

如图6所示，在600w/m²、700w/m²、800w/m²的不同光辐射条件下，以未铺设以及铺设涂层的沥青路面模拟结构为试验对象，分别进行涂层的降温效果评价试验来测试涂层的降温效果，所得结果见6。

如图7所示，为了测定涂层在光循环作用下的降温效果，以铺设涂层的沥青路面模拟结构以及未铺设涂层的沥青路面模拟结构为研究对象，通过三次光循环试验测定涂层的降温性能的稳定性。对涂层三次光循环试验数据进行统计分析，所得结果如图7。