0 引言

沥青路面性能优良，在世界上被广泛应用^[1]。但是沥青路面是黑色路面，易于吸收太阳辐射，在夏季时太阳辐射较强，沥青路面温度可以达到60 ℃以上，易造成沥青路面产生车辙等病害问题，影响沥青路面的寿命，同时也会加剧城市“热岛效应”^[2]。为缓解沥青路面温度过高导致的病害和“热岛效应”，国内外对蒸发式、热阻式、热反射式以及相变调温路面进行研究^[3-5]。其中，热反射式降温法具有较好的降温效果，热反射式降温方法是将太阳光中波长400~750 nm的可见光吸收和较低的能量反射出去，将750~2 500 nm的不可见光大部分反射回去，有效反射率可达70%~90%，从而达到降温目的^[6]。

目前，国内外人员对于铺装主要通过制备热反射涂料铺筑在沥青路面来降低路面温度^[7-10]。通常采用二氧化钛(TiO₂)^[11]、中空玻璃微珠^[12-15]等热反射材料。热反射涂层的降温效果可以达到8~12 ℃^[14-17]。热反射涂层有优异的遮热、降温效果，在降低沥青路面储热能力的同时对城市“热岛效应”有一定缓解，但是其在施工时对天气条件和原路面要求较高，并且随着时间推移, 在行车荷载作用下，涂层与沥青界面的黏结性降低，易发生涂层剥落现象，同时其路面抗滑性能也大幅度下降，需要掺加较多添加剂改善性能，从而导致增加投入成本。当前热反射式降温法主要以路面热反射涂层为主，对用于路面养护中的热反射封层研究较少。

热反射封层则是通过热反射降温技术与封层技术相结合实现。热反射降温技术可以降低路面温度，减少车辙，延缓路面使用寿命^[18-21]; 而封层技术可以复原或延缓表层沥青材料的老化, 重新建立路面抗滑阻力, 通过密封表面的微小裂缝，防止水从表面渗入路面结构层；防止集料从表面脱落、崩散等, 具有预防性养护功能^[22-26]。因此，热反射封层在拥有良好的降温效果的同时还有较高的强度，较好的防水、抗磨、抗滑、适用性广、经济造价低等优点。

本研究选取低导热、热反射率高的中空陶瓷微珠和中空玻璃微珠为热反射材料，研究其微观形貌及化学成分，并以结合雾封层和稀浆封层的形式铺筑在沥青混合料表层。采取室内和室外试验方法，对其降温效果进行评价，并进一步解析热反射封层降温机理。

1 原材料及试验方法 1.1 乳化沥青

乳化沥青为阳离子慢裂快凝型乳化沥青，其主要技术指标如表 1所示。

1.2 热反射材料

(1) 中空陶瓷微珠

中空陶瓷微珠(Hollow Ceramic Bead, HCB)是一种极细小的粉末状集料。颜色呈灰白色，轻质，密度小，是一种非金属多功能材料。其平均粒径为18.4 μm，外观为球形且外壳坚硬。

(2) 中空玻璃微珠

中空玻璃微珠(Hollow Glass Bead, HGB)是一种微小、中空的圆球状粉末，粒径在30~100 μm之间，具有高分散流动性好等特点。

1.3 封层配合比设计

(1) 雾封层配合比设计

本研究采用HGB和HCB两种热反射材料和乳化沥青等材料配置有热反射作用的雾封层，其配合比设计如表 2所示。

首先在搅拌机中加入乳化沥青，再缓慢且分批次加入天然砂、HGB或HCB，拌和均匀后，立即用羊毛刷将热反射雾封层材料均匀涂布在塑料泡沫板上，然后放置在干燥的地方，等待形成一定强度后得到热反射雾封层，其中4^#作为对比组，未掺加热反射材料。

(2) 稀浆封层配合比设计

本研究按ES-2型稀浆封层拌和5 mm厚度的热反射稀浆封层。试验选用C325水泥代替部分0.075 mm以下的矿粉，占集料总量的1%。起到功能性作用的HGB和HCB粒径很小，作为集料级配的一部分，代替部分0.075 mm以下的矿粉，为了探究不同掺量的中空微珠的降温效果，分别采用占集料总量5%(替代50%填料)和8%(替代80%填料)，填料的替代量如表 3所示。

为减少试验误差，试件全部采用AC-13型车辙板。为验证HGB和HCB珠的降温性能，设置了不掺热反射材料的稀浆封层作为对照组，以及未稀浆封层铺筑的沥青混合车辙板。车辙板尺寸为300 mm× 300 mm×50 mm，共6块。

在室内温度24.4 ℃的条件下拌和稀浆封层混合料时，首先按粒径大小，加入各档骨料以及C235水泥和热反射材料；然后用搅拌棒搅拌均匀后，加入适量的水，再次搅拌均匀；最后加入乳化沥青，用搅拌棒以同一个方向，按每分钟70~80次的速率搅拌140~150 s后，摊铺在对应编号的车辙板上。为了确保稀浆封层厚度为5 mm，采用截面为5 mm×5 mm的长木条做成300 mm×300 mm的框架，放在车辙板上用刮刀抹平稀浆封层，得到稀浆封层试样，其中6^#为未稀浆封层铺筑的沥青混合车辙板。

1.4 试验方法

(1) 扫描电子显微镜试验(Scanning Electron Microscopy, SEM)

SEM测试利用S-3400N型扫描电子显微镜。

(2) X射线衍射(X-Ray Diffraction，XRD)

采用XRD-7000型X射线衍射仪。

(3) 室内降温试验

室内温度测试采用金属支架自行搭建室内测试平台。两侧支架距离70 cm，试件下层再垫上一定数量的泡沫板以防止温度传导到地面而散发掉。为了模拟日光照射，采用碘钨灯(500 W)作为光照源进行试验，同时为防止照射不均匀，灯泡正中央对准试件正中央，灯丝距离试件表面60 cm。

测试方法为，用非接触式红外测温枪对准试件中心，读取并记录温度数值。雾封层试件较薄，升温速度快，为了测试温度变化趋势，本试验每10 min测试并记录一次温度数据。当温度上升很缓慢或者停止上升时，则停止试验，本试验最终取1 h以内的数据为有效时间数据；而稀浆封层较厚，温度提升较慢。因此本试验每半小时测试并记录一次温度数据，测试总时间为4 h。

(4) 室外降温试验

为获得更为准确有效的试验数据，在天气晴朗少云温和的日子来观测并记录数据。由于实际道路有不同程度的磨损，若以雾封层的形式涂布在道路表面，难以涂布均匀，试验效果较差。所以本试验用室内试验所用的配合比，在实际道路上同样摊铺面积300 mm×300 mm，厚度5 mm的稀浆封层试样共5组。测试时间为10 : 00—14 : 00，每隔半小时采集一次数据。

2 试验结果与分析 2.1 微观形貌分析

为了进一步了解热反射材料，利用S-3400N型扫描电子显微镜，对热反射材料的微观形态进行观察和研究。热反射材料SEM图，如图 1所示。

从图 1(a)~(b)中可以看出HCB呈球形，粒径大小为200 μm左右，微粒表面较为光滑，且无破碎现象。从图 1(c)~(f)中可以看出HGB呈现不规则块状，其粒径大小100 μm左右，其表面存在较多细长的凹槽，这有助于增加HGB和乳化沥青之间的黏结效果，且无破碎现象。HCB和HGB微观结构使得反射光的面积增大，具有很好的反射效果，从而达到优异的降温效果。

2.2 XRD分析

从图 2中可以发现HCB是复合材料，含有较多的峰，其中主要含有TiO₂，SiO₂和Al₂O₃。SiO₂在15°~30°呈现大包峰，为SiO₂的非晶弥散衍射峰，峰强度较大。而TiO₂和Al₂O₃呈现尖锐的峰型，说明结晶度强。HCB中的SiO₂具有导热性差，而Al₂O₃有较好的隔热性能，TiO₂可以增强其折射率，因此HCB具有较好的隔热效果。

从图 3中可以发现HGB中主要含有SiO₂和Al₂O₃，SiO₂同样在15°~30°呈现大包峰无定型的非晶弥散衍射峰，峰强度相对较小。Al₂O₃为尖锐的尖峰衍射峰，且峰相对较宽，说明微结晶较大。HGB中的SiO₂和Al₂O₃使得其导热率低，隔热效果显著。

2.3 室内降温效果分析

室内测量雾封层的温度变化如图 4所示，6组试件分别1 h内每隔10 min测一次。

从图 4中不难发现，雾封层温度在短时间内升温较快，随着时间推移升温速率逐渐降低，到50 min时趋于平稳。只含天然砂的雾封层和纯乳化沥青的雾封层温度最高，分别达到了52.6 ℃和52.5 ℃。含50%中空陶瓷微珠的试件和含50%HGB的试件可以降低温度0.5 ℃左右。而含100%HCB和100%HGB的雾封层降低温度可达1 ℃左右。添加热反射材料对降温效果有一定提升，但提升能力有限，在雾封层中掺加100%HCB和100%HGB效果最佳。

6组试件分别在4 h内每半小时测量一次，得到温度数据。室内测量热反射稀浆封层的温度变化如图 5所示，起初摊铺稀浆封层温度与地表温差不明显，当经过1 h以后温度出现明显变化，当达到4 h时温度变化最明显。通过未摊铺稀浆封层与摊铺稀浆封层的温度变化来看，摊铺稀浆封层可以降低路面温度，但是降低幅度不明显。通过图 6热反射稀浆封层降温幅度变化图可以发现，相对于普通稀浆封层，热反射稀浆封层具有更好的降温效果，随着时间增加热反射稀浆封层降温幅度逐渐增加。对比不同热反射材料的稀浆封的温度变化可以发现，掺加HGB降温效果要优于掺加HCB。在同种热反射材料时，掺量8%比掺量5%的降温效果更好，其中添加8%HGB的热反射稀浆封层在第4 h时降温效果最明显，可以降低路面温度2.6 ℃。因此，在稀浆封层中掺加热反射材料有较好的降温效果，并且掺加8%的HGB时，降温效果最佳。

2.4 室外降温效果分析

由于室内试验中的光源和室外太阳光源有一定差距，因此室外试验选择在一个晴朗炎热的中午测量并得到6组温度数据，如图 7所示。从图 7中不难发现，所有稀浆封层的试件温度变化趋势相近。在上午10：00时，环境气温为24.7 ℃，地表及稀浆封层试件均比环境气温低。随着气温不断升高，沥青路面中温度积聚，导致沥青路面温度明显高于气温。经过1 h后，地表温度上升幅度加大，当时间到14 : 00左右时，气温达到了35 ℃左右，而地表温度达到55 ℃左右，说明沥青路面吸热能力非常强，此时车辙病害极易发生。可以发现普通稀浆封层的温度最高，可达56.8 ℃，比原有沥青路面高出将近2 ℃左右。分析原因是原有路面有一定程度的损耗，表层沥青胶结料减少，颜色变浅，导致吸热能力下降，比刚铺筑的沥青路面温度要低。

通过图 8可以发现，与路表温度相比，摊铺热反射稀浆封层后随着时间变化幅度先升高后降低，说明两种热反射材料均有明显的降温效果，但是随着温度增加其降低温度的幅度并不显著，这是由于随着地热反射稀浆封层覆盖面积有限，地表周围温度向铺设稀浆封层的地方扩散。含HCB的试件温度比路表温度低1 ℃以上，含HGB的试件降温效果更优，可以达到3.3 ℃。对比相同热反射材料，含量8%的降温效果比含量5%的降温效果更佳，这是因为掺量增加热发射材料在稀浆封层中的排列更密集使热反射材料发挥更好的热反射作用，这与室内降温试验得到结论一致。HGB热反射稀浆封与普通稀浆封层相比，温度可降低5.3 ℃，可大幅度降低沥青路面高温病害的发生^[27]。

2.5 热反射机理分析

沥青路面在服役阶段，长期暴露于自然环境之中，承受着复杂多变的自然环境影响，其中太阳热辐射是造成沥青路面温度升高的重要原因之一^[28]。太阳辐射通常在沥青路面上以吸收、透射、反射的3种形式相互作用，其吸收率(σ)、透射率(ρ)和反射率(τ)之间有如下的关系^[29]：

(1)

由于稀浆封层和雾封层不透明，因此透射率ρ近似为0，所以提高反射率τ，可以使沥青路面吸收率δ降低，减少路面吸收较多的太阳热辐射达到降低沥青路面温度的目的。

热反射型路面是通过添加HGB与HCB两种热反射材料，通过热反射材料将太阳光中的红外辐射反射到外部空间。由于HGB与HCB的壳结构本身具有较低的导热性，其中空结构和近似圆形的表观也提高了热反射效果，使其有效降低了太阳热辐射对沥青路面的温度。这种结构使其具有优良热反射效果。

热反射雾封层由于在沥青路面上洒布量为0.3~0.5 kg/m²，相对稀浆封层厚度较小，因此空心微珠的排布相对密实与整齐，而且雾封层本身也可以反射一定热辐射，但是雾封层厚度薄也导致雾封层本身对太阳热辐射的反射效果大大降低，最终温度降低的幅度较小。

稀浆封层本身厚度为5 mm左右，稀浆封层本身具有一定的隔热效果，但是效果甚微，与涂层和雾封层相比较厚，其中的骨料也增加了隔热的效果。并且热反射稀浆封层中空心微珠由于掺量较小，因此排布不密实、整齐，会导致反射隔热效果降低，空心微珠掺量越高，排布越密实、越整齐，反射隔热效果越明显，这也是掺量随空心微珠掺量增加降温效果越显著的原因之一。

3 结论

(1) 对试验所用的热反射材料进行微观形貌与化学结构表征。这两种材料是极细小的粉末，从SEM可以发现其微观结构，反射面积大，易于降温；从XRD试验发现，HGB和HCB的化学组成使其有利于降低路面温度。

(2) 通过室内降温试验可以发现，热反射稀浆封层比热反射雾封层具有更好的降温效果，证明了其降温作用的可行性。增加热反射材料掺量可增大热反射面积与密实度，从而在沥青路面中提高其热反射效果。

(3) 室外降温试验发现，掺加8%的HCB热反射稀浆封层降温效果在2 ℃以上，掺加8%HGB的降温效果在3.3 ℃左右，而与普通稀浆封层相比HGB的降温效果可以达到5.3 ℃。热反射稀浆封层具有一定降温效果，未来需要进一步针对其抗滑性能、耐久性能等路用性能展开研究。