沥青路面用相变降温涂层的制备及降温效果研究

Preparation of phase change cooling coatings for asphalt pavement and study on its cooling effect

摘要

针对沥青路面夏季高温病害的问题，通过将相变颗粒与单组分聚脲复合制备了沥青路面用相变降温涂层，采用试验与数值模拟相结合的方法，研究了不同涂刷量涂层的降温效果及对沥青路面温度场的影响。试验结果表明，当涂层掺入相变颗粒后，其导热系数有所提升，在温度达到相变温度区间时，其比热容显著增大；随着涂刷量的增加，涂层降温效果逐渐增强，当涂刷量为1.2 kg/m²时，涂层的降温效果最优，室内最大降温效果可达3.7 ℃，室外则为3.3 ℃。模拟结果表明，涂层的降温效果随路面结构深度增加而逐渐减弱；随着环境温度的升高，涂层降温效果愈发显著，在15:00，当涂刷量为1.2 kg/m²时，涂层可在距路表2 mm处实现最大2.4 ℃的降温效果。

Abstract

To tackle the summer high-temperature problem of asphalt pavement, a phase change cooling coating for asphalt pavement was prepared by compounding phase change particles with single-component polyurea, and the cooling effect of the coating with different coating amount and the influence on the temperature field of asphalt pavement were investigated by combining the methods of testing and numerical simulation. The test results show that: when the coating is mixed with phase change particles, its thermal conductivity is improved, and its specific heat capacity increases significantly when the temperature reaches the phase change temperature range; with the increase of the coating amount, the cooling effect of the coating is gradually enhanced, and the cooling effect of the coating is optimal when the amount of the coating is 1.2 kg/m², the maximum cooling effect of the coating can be up to 3.7 ℃ indoors, while the outdoor cooling effect is 3.3 ℃. The simulation results indicate that the cooling effect of the coatings weakens with the increase of pavement structure depth. Moreover, with the rise of ambient temperature, the cooling effect of the coatings becomes more significant. At 15:00, when the application amount is 1.2 kg/m², the coating can achieve a maximum cooling effect of 2.4 ℃ at a distance of 2 mm from the road surface.

Graphical abstract

关键词

沥青路面 / 相变降温涂层 / 降温效果 / 数值分析 / ANSYS

Key words

asphalt pavement / phase change cooling coating / cooling effect / numerical analysis / ANSYS

沥青路面由于其优良的路用性能被广泛应用于城市道路及各等级公路，但传统的黑色沥青路面对太阳辐射的吸收率超过90%^[1]，温度过高时，沥青路面在车辆重复荷载作用下容易产生车辙、推移、拥包等病害^[2]，严重影响沥青路面的服役性能和使用寿命。同时，过高的沥青路面温度也会加剧城市热岛效应^[3]，对城市居民的热舒适感^[4]以及能源消耗^[5]等产生不利影响。

为了减轻沥青路面高温病害，缓解城市热岛效应，研究人员在21世纪初提出了路面降温涂层技术，即在普通沥青路面上加铺一层功能性热阻涂层，减少沥青路面吸收的热量，从而主动降低路面结构温度。目前，路面降温涂层以热反射涂层为主^[6-9]。然而当热反射涂层表面受到污染时，其降温效果会大大降低^[10]，此外，其过高的反射率也会加剧城市热岛效应^[11]。又有研究者提出了将相变材料应用到路面涂层中的相变降温涂层技术，该技术利用相变材料的潜热特性来减少沥青路面对热量的吸收，从而降低沥青路面峰值温度。Liu等^[12]制备了TiO₂-2DMts/SA新型相变降温涂层，并通过室内和室外试验表明，含有相变材料的涂层比单一热反射涂层具有更好的冷却效果。苗成成^[13]将相变聚氨酯与路面热反射技术相结合制备了路面相变-热反射协同降温涂层，在室内试验状态下，可使车辙板试件降温幅度达12 ℃，并在室外条件下仍可保持7 ℃的降温效果。相变降温涂层相较于纯涂层有更高的热容量，既能充分发挥相变材料的调温效果，又能避免相变材料对沥青路面结构的负面影响，可用于路面养护。然而，目前对于路面相变降温涂层技术的研究相对较少。

聚脲材料具有黏附性强，耐磨性好、硬度大、耐候性好、强度高、对太阳能吸收率低等优点^[14]，是优良的涂层基体材料。聚脲涂料根据施工方式可分为单组分和双组分。单组分聚脲因其施工操作简单、成本低，并具有优异的力学和耐磨性能而被广泛应用于建筑^[15-16]、水利工程^[17]等行业，在沥青路面涂层中具有较大的应用潜力。

城市风热环境是指城市内大气环境中的热量和风速分布状态，是城市内部的重要气候环境之一。而道路铺装作为城市环境的重要组成部分，对风热环境变化有着重要的影响。相较于实际测试易受到复杂环境限制，数值模拟技术可以模拟城市内部的气流、温度和湿度等参数，具有对比分析整体计算范围内任何相关变量影响的优势^[18-19]，已经被广泛应用于城市风热环境的研究中，并具有较高的可靠度^[11,20]。

鉴于此，本研究以单组分聚脲为基体，相变颗粒为功能填料制备相变降温涂层，通过试验与数值模拟相结合的方法对相变降温涂层的降温效果进行研究。

1 试验材料与研究方法

1.1 试验原材料

聚乙二醇(PEG)，购自南京古田化工有限公司；吸附材料为实验室自制材料；聚四氢呋喃醚二醇(PTMEG)，购自日本三菱化学株式会社；甲苯二异氰酸酯(TDI)，购自郑州巴斯夫公司；甲基异丁基酮(MIBK)、间苯二甲胺(MXDA)，购自上海麦克林生化科技有限公司；所有试剂均未进一步纯化。

1.2 单组分聚脲相变降温涂层的制备

相变颗粒的制备：采用PEG4000和吸附材料，通过物理吸附法制备相变颗粒。吸附材料本身由于具有多孔结构，解决了液体PEG4000的挥发和泄露问题。将PEG4000在80 ℃下完全熔融，并与干燥处理后的吸附材料按质量比为3∶1搅拌混合均匀，然后在70 ℃的真空烘箱中保持0.95 MPa的真空度30 min，即可得到相变颗粒。相变颗粒储热性能的测试结果如表1所示。

预聚体的制备：将聚四氢呋喃醚二醇(PTMEG)在120 ℃真空条件下脱水2 h，冷却至室温后加入三颈烧瓶中，然后加入定量甲苯二异氰酸酯(TDI)混合均匀，在85 ℃恒温条件下加热搅拌4 h。通过二正丁胺法测定样品的NCO%是否达到预期值。完成反应后，冷却至室温得到预聚体。

潜伏性固化剂的制备：以甲基异丁基酮(MIBK)与间苯二甲胺(MXDA)为原料制备酮亚胺潜伏性固化剂。将酮和胺按摩尔比5∶1加入装有油水分离器和球形冷凝管的圆底烧瓶中，在氮气保护下，以170 ℃反应4 h。反应完成后，将粗产物冷却至室温。随后，在90 ℃的旋蒸温度和0.095 MPa的真空度下进行0.5 h的减压蒸馏，得到淡黄色的酮亚胺固化剂。酮亚胺固化剂基本性能指标如表2所示。

将预聚体与酮亚胺潜伏性固化剂以1∶0.15的质量比混合，充分搅拌以形成单组分聚脲涂层，该涂层的基本性能指标见表3。进一步地，将20%质量分数的相变颗粒加入上述预聚体与固化剂混合物中，继续搅拌至均匀，即可制备出相变降温涂层。

1.3 试验方法

1.3.1 热物性参数测试

采用Hot Disk TPS 2500S热常数分析仪对相变降温涂层的导热系数进行测定。

采用DSC200F3型差示扫描量热仪对相变降温涂层的比热容进行测定。首先测试出各组成材料的比热容，再利用比热容的定义计算不同比例材料组成的聚脲涂层及相变降温涂层的比热容。比热容数学表达式为

c_{\rho i}=\frac{{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{m}_i{c}_{\rho j}}{{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{m}_i}(1)

式中：c_{\rho i}为不同涂层的比热容，J/(g⋅K)；m_i为各组分的质量，g；c_{\rho j}为各组分的比热容，J/(g⋅K)。

1.3.2 路用性能测试

试验采用的沥青为克拉玛依70^#基质沥青，集料为石灰岩，矿粉为磨细的石灰岩，并根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)中的AC-13中值级配组成制备沥青混合料，采用马歇尔试验确定沥青混合料的最佳油石比为4.7%。使用轮碾法制备标准尺寸的车辙板试件。

1) 拉拔试验

采用万能试验机研究不同涂刷量(0.8、1.0、1.2 kg/m²)和试件表面打磨状况对相变降温涂层黏附性能的影响，并设立未处理对照组。混合料试件尺寸为150 mm×150 mm×50 mm，涂覆涂层后，使用胶黏剂将拉拔头和涂层黏结，作用截面直径为10 mm，试验温度为25 ℃，拉拔速率为5 mm/min。

2) 抗滑试验

采用摆式摩擦系数测定仪研究不同涂刷量(0、0.8、1.0、1.2 kg/m²)和石英砂掺量(0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 kg/m²)对相变降温涂层抗滑性能的影响。混合料试件尺寸为30 cm×30 cm×5 cm。

3) 磨耗试验

采用磨耗仪研究不同涂刷量(0、0.8、1.0、1.2 kg/m²)对相变降温涂层耐磨性能的影响。混合料试件尺寸为30 cm×30 cm×5 cm。磨耗仪竖向荷载为0.7 MPa，轮宽为100 mm，转速为60 r/min，试验时间为8 h，记录试验前后试件质量的变化。

1.3.3 室内降温试验

采用自制室内模拟降温装置对相变降温涂层的降温效果进行测试，通过测温系统记录试件内部温度数据，如图1所示。在车辙板距离顶面20 mm处钻孔75 mm深，用以放置温度传感器。为了减少热量损失，将涂有不同涂层的车辙板试件四周用保温棉包裹。待涂层固化后，得到室内模拟降温试验试件。选择与太阳辐射强度和光谱相似的光源进行模拟，光源功率为1 000 W，测试持续5 h，试验组表面涂刷0.8、1.0、1.2 kg/m²的相变降温涂层以及1.2 kg/m²的单组分聚脲涂层，对照组表面不做处理。

1.3.4 室外降温试验

采用室外降温试验来研究相变降温涂层在室外真实环境下的降温效果，如图2所示。试件尺寸和测温方法均与室内降温试验相同，试验组表面涂覆1.2 kg/m²的相变降温涂层，对照组表面不作处理。

1.4 数值模拟

1.4.1 城市三维数值模型基本原理

1) 传热方式

热传递通过傅里叶定律进行描述，该定律将任何方向的热通量与该方向的温度梯度联系起来：

q_{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{n}\mathrm{d}}=-k\frac{\partial T}{\partial z}(2)

式中：q_{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{n}\mathrm{d}}为z方向上单位面积的导热系数；k为材料的导热系数；\partial T/\partial z为温度梯度。

热对流是指具有宏观体积的材料表面和运动的流体（即液体或气体）之间的热传递。描述单位接触面积对流传热速率(q_{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{n}\mathrm{v}})的方程式为

q_{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{n}\mathrm{v}}=h_{\mathrm{c}}(T_{\mathrm{s}}-T_{\mathrm{\infty }})(3)

式中：h_{\mathrm{c}}为对流传热系数；T_{\mathrm{s}}为表面温度；T_{\mathrm{\infty }}为环境温度。

2) 质量方程

对于空间中的一个固定位置的微小单元，其质量守恒方程可表示为

\frac{\partial \rho }{\partial t}+\frac{\partial (\rho u)}{\partial x}+\frac{\partial (\rho v)}{\partial y}+\frac{\partial (\rho w)}{\partial z}=\mathrm{0}(4)

式中：∂ρ/∂t为流体密度ρ随时间t的变化率；∂(ρu)/∂x、∂(ρv)/∂y、∂(ρw)/∂z为流体密度分别在x、y、z方向上的分布变化。

3) 能量方程

微体能量守恒方程为

\begin{array}{l}\frac{\partial (\rho h)}{\partial t}+\frac{\partial (\rho uh)}{\partial x}+\frac{\partial (\rho vh)}{\partial y}+\frac{\partial (\rho wh)}{\partial z}=\\ -p\mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{v}U+\mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{v}\left(k\mathrm{g}\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{d}T\right)+\varphi +S_{\mathrm{h}}\end{array}(5)

式中：∂(ρh)/∂t为流体单位体积的总能量随时间的变化率；∂(ρuh)/∂x、∂(ρvh)/∂y、∂(ρwh)/∂z分别为流体总能量在x、y、z方向上的分布变化；p为压力；divU为流体的压缩或膨胀率；k为导热系数；gradT为温度梯度；ϕ为黏性作用下机械能所转化的热能；S_h为流体的内热源。

4) 动量守恒

对于微体分别在x、y、z轴方向上应用牛顿第二定律在流动中的表现形式，方程表示为

\left\{\begin{array}{l}\frac{\partial (\rho u)}{\partial t}+\mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{v}\left(\rho uU\right)=\mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{v}(\eta \mathrm{g}\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{d}u)+S_u-\frac{\partial p}{\partial x}\\ \frac{\partial (\rho v)}{\partial t}+\mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{v}\left(\rho uU\right)=\mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{v}(\eta \mathrm{g}\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{d}v)+S_v-\frac{\partial p}{\partial y}\\ \frac{\partial (\rho w)}{\partial t}+\mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{v}\left(\rho uU\right)=\mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{v}(\eta \mathrm{g}\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{d}w)+S_w-\frac{\partial p}{\partial z}\end{array}\right.(6)

式中：div(ρuU)为流体密度ρ与速度向量U的乘积的散度，表示流体动量的对流项；div(ηgradu)、div(ηgradv)、div(ηgradw)为流体的黏性应力张量的散度，其中η是动力黏性系数；S_u 、S_v 和S_w 为动量方程的广义源项，对于黏性常数的不可压缩流体取值为0；∂p/∂x、∂p/∂y、∂p/∂z分别为压力p在x、y、z方向上的梯度。

1.4.2 城市三维模型的建立

主要根据街道布局和路面组合结构建立城市三维数值模型，如图3所示。图3(a)为城市模型示意图，其中设置了交叉十字路以及五座建筑，其余区域则为草地。在模型参数设定中，相变降温涂层的涂刷用量分别为1.0 kg/m²和1.2 kg/m²，根据试验数据以及现有城市环境模拟研究^[21-22]设定材料的热物性参数，详细参数如表4所示。路面厚度设定为18 cm，碎石基层及底基层厚度各为20 cm，路面辐射吸收率为90%，草地表面辐射率为67%，结构表面采用漫反射表面且不透明，发射率与吸收率相同。太阳辐射角度、强度以及大气温度基于2022年7月20日西安日变化设定，地面风速采用2 m/s。计算区域网格均采用六面体网格。图3(b)为数值模型合理性验证位置示意图。

2 结果分析与讨论

2.1 试验结果与分析

2.1.1 热物性参数

导热系数是相变涂层基本的热物性参数，且通常不受温度变化的显著影响。因此，假设相变降温涂层的导热系数在不同温度下保持恒定。室温状态下聚脲涂层及相变降温涂层导热系数测试结果如表5所示。由表5可知，两种涂层的导热系数整体较低。聚脲涂层导热率为0.148，而加入相变颗粒后，导热系数仅略微增长，为0.178，这表明虽然相变颗粒导热系数高于聚脲，但由于其含量较低，对相变降温涂层整体导热系数的增长影响有限。

相变降温涂层由聚脲、相变颗粒以及助剂三种材料组成。为简化分析，忽略混合材料间空隙和界面热阻对涂层比热容的影响。不同温度下各组成材料的比热容测试结果如图4所示。图4(a)为不同温度下各组成材料的比热容变化；利用比热容定义计算不同比例组成材料混合后的聚脲涂层及相变降温涂层的比热容，如图4(b)所示。由图可知，聚脲与助剂的比热容随温度升高略有线性增长，且聚脲的比热容高于助剂。相变降温涂层的比热容变化则呈现出明显的三阶段特征。在低温区域，相变颗粒中的PEG处于固态，相变降温涂层比热容随温度上升而线性增加，且与聚脲涂层相近。当温度上升至相变温度区间时，PEG发生固-液相变，涂层比热容因潜热效应迅速增加，这是由于相变材料在吸热过程中结构变化，从固态转变为液态，需要吸收大量潜热。在温度达到吸热相变温度峰值57.3 ℃时，涂层的比热容达到最大值，随后比热容开始下降。当相变核心PEG完成相变后，转变为液态，涂层比热容停止降低，随后随着温度的增加继续升高。

2.1.2 路用性能

1) 黏附性能

涂料涂刷量和试件表面打磨情况对试件拉拔强度的影响如图5(a)所示。研究表明^[23]，涂层的拉拔强度高于0.6 MPa时，可认为该涂层黏附性良好。由图5(a)可知，未打磨和打磨试件的拉拔强度均随涂刷量的增加而略微增大，且打磨后试件的拉拔强度均大于0.6 MPa。因此本研究所制备的相变降温涂层具有较好的黏附性能。

2) 抗滑性能

涂料涂刷量对涂层的抗滑性能的影响如图5(b)所示。路面抗滑标准规定摆值≥45^[24]，由图可知，涂层的摆值均符合路面抗滑标准的规定，因此，本研究所制备的相变降温涂层具有较好的抗滑性能。为进一步提高涂层的抗滑性，采用石英砂对摆值最小涂层（涂刷量为1.2 kg/m²）的抗滑性能进行改善，测试不同石英砂掺量下涂层的摆值，结果如图5(c)所示。由图可知，随着石英砂掺量的增加，涂层的摆值先增加后降低，石英砂的最佳掺量为0.5 kg/m²，此时涂层的摆值为68，相比于未撒布石英砂涂层（摆值为48.7）的抗滑性能提升了39.6%。因此，可以撒布0.5 kg/m²的石英砂来提高涂层的抗滑性能，保障行车安全。

3) 耐磨性能

涂层的涂刷量和是否撒布石英砂对涂层耐磨性能的影响如图5(d)所示，其中石英砂掺量为0.5 kg/m²。由图可知，撒布石英砂且涂料涂刷量为1.2 kg/m²的涂层质量损失最大，占车辙板总质量的0.045%，远小于传统热反射涂层的3%^[25]，表明本研究所制备的相变降温涂层具有较好的耐磨性能。此外，对比涂层在磨耗试验前后抗滑性能的变化，结果如图5(e)所示。由图可知，磨耗试验后各试件的抗滑性能出现下降。当涂料涂刷量为1.2 kg/m²时，涂层的摆值降至43，小于文献[24]中规定的45，不能满足抗滑性能的要求，撒布石英砂后，涂层的摆值增加至58，具有良好的抗滑性能。因此可以撒布0.5 kg/m²的石英砂来提高涂层磨耗后的抗滑性能，保障行车安全。

2.1.3 室内降温性能

1) 相变颗粒对涂层降温效果的影响

图6为涂刷量为1.2 kg/m²的不同试件温度变化曲线及其与对照组温差变化曲线。从图6(a)中可以看出，不含相变颗粒的单组分聚脲试件与对照组温度变化曲线几乎一致，最大温差仅为0.6 ℃，表明单组分聚脲涂层对试件的降温效果并不显著，而当相变颗粒掺入单组分聚脲涂层后，相变降温涂层试件的降温效果显著。以60 ℃为标准（此温度可代表我国绝大部分地区夏季沥青路面的温度峰值），对照组试件在190 min达到60 ℃，而相变降温涂层试件则在235 min达到60 ℃，相变降温涂层使试件达到60 ℃所需的时间推迟了45 min，且由图6(b)可知，相变降温涂层试件与对照组试件的最大温差为3.7 ℃。这些结果表明，相变降温涂层具有良好的降温效果。

2) 涂刷量对涂层降温效果的影响

涂刷量作为影响相变降温涂层降温效果的关键因素，决定了涂层中整体相变颗粒的数量和涂层的厚度，进而影响涂层的降温性能。图7为不同涂刷量(0.8、1.0、1.2 kg/m²)下相变降温涂层试件温度与对照组试件温差变化。从图7(a)中可以看出，随着光照时间的增加，各试件温度先逐渐升高后趋近于热平衡状态，且涂刷相变降温涂层试件的温度始终低于对照组。这是由于当温度达到相变温度区间时，相变颗粒PEG发生相变，其相变潜热特性会导致材料的比热容快速增加，使得试验组和对照组温差逐渐增大。图7(b)进一步表明，随着涂刷量的增加，降温效果也随之提升。涂料涂刷量为0.8、1.0、1.2 kg/m²的试件与对照组最大温差分别为2.5、3.3、3.7 ℃，每增加0.2 kg/m²的涂刷量，降温效果分别提升了32%、12%，这表明增加涂刷量可以改善降温效果，但提升效果逐渐减弱。这是因为随着涂刷量的增加，涂层变厚，相变颗粒数量增多，提高了路面的热容量和储热能力。然而，涂层增厚会使热传递路径延长，从而限制了相变颗粒对热量的吸收和储存，涂层底部的相变颗粒难以充分发挥调温性能，故降温效果提升幅度降低。

综合考虑，虽然增大相变降温涂层的涂刷量可以进一步提升路面的降温效果，但降温效果提升幅度会逐渐降低，同时成本也会增加。因此，建议选取相变涂层涂刷量为1.0 kg/m²或1.2 kg/m²，以实现成本效益和降温效果的最佳平衡。

2.1.4 室外降温性能

图8为温度巡检仪在室外条件下记录试件在6:00—23:00期间的温度及温差变化曲线。由图8(a)可知，在太阳辐射作用下，试件内部温度随着时间的增加呈现先升高后降低的趋势，由于室外环境中存在光照、风速等一系列不确定性因素，故测得的室外升温曲线波动程度较大。太阳升起前，两组试件的温度接近且温度变化较小，维持在26.5 ℃左右。太阳升起后，两组试件在太阳辐射作用下温度快速上升，当温度达到相变材料的相变温度后，相变材料发挥相变潜热作用，试验组升温速率低于对照组，延缓了试件温度的上升。在14:00左右，试件达到峰值温度，对照组的峰值温度为61.3 ℃，而试验组的峰值温度为58.2 ℃。随后试件的温度开始下降，试验组降温速率低于对照组，这是由于相变颗粒发生液-固相态转变释放热量，延缓了试件温度的降低，这与室内降温试验的结论一致。

由图8(b)可知，室外条件下，对照组与试验组的温差变化趋势与温度变化曲线类似。6:00—14:00期间，温差逐渐上升，并在14:00左右达到最高峰，约为3.3 ℃；随后温差开始下降，在20:30时温差降为0。综上，室外环境下相变降温涂层的降温效果明显，能够有效延缓沥青混合料的升降温速率，缩短高温作用时间，降低峰值温度，从而减轻沥青路面的高温病害问题。

2.2 数值模拟结果与分析

为了深入探究相变降温涂层对城市沥青路面的影响，基于有限元分析软件ANSYS建立城市三维数值模型，在验证模型的有效性基础上模拟分析了相变降温涂层对沥青路面温度场的影响。

2.2.1 模型可靠性验证分析

首先通过ANSYS计算出城市局部空间的温度分布情况，再将得到的模拟值与西安2022年7月20日实测数据进行对比，以此验证数值模拟模型的可靠度。图9为沥青路面温度变化模拟值与实测值对比，由图可知，对于沥青路面，温度的模拟计算值与环境实测值具有较好的相符性，最大温差为2.1 ℃，且所有数值均匀地分布在45°等值线的两侧，表明城市三维数值模型的模型设置、材料属性的选取、边界条件的施加与实际相符，模拟结果较为精确。

2.2.2 相变降温涂层对城市沥青路面温度场的影响

1) 相变降温涂层对不同路面结构深度的影响

在模型设置中，由于涂层相对整体模型的厚度较薄，可近似忽略不计，涂层被设置为薄层以求解穿过涂层的传热问题。图10为不同时刻下普通路面与涂有不同涂刷量相变降温涂层路面在不同结构深度（路表与距路表2 mm、10 cm、20 cm）的平均温度。

由图10(a)、图10(b)和表5可知，尽管相变降温涂层具有相变储能特性且其比热容大于沥青路面，但由于涂层导热系数较低，部分热量会在涂层表面积聚，因此不同时间点的涂层表面温度与沥青路面表面温度相近，白天最大温差仅0.3 ℃。由图10(c)~(h)可知，相变降温涂层路面与普通路面的温差随着路面结构深度的增加逐渐降低，表明涂层的降温效果随路面结构深度的增加逐渐减弱，这是由于热量在向路面内部传递的过程中会不断转化路面内部温度，使路面结构越深处在热传递过程中接收到的热量越少，路面结构温度上升幅度也越小，即涂层的调温效果越不明显。特别是在距路表20 cm深处涂层对其内部温度变化几乎无影响。

2) 不同时段下相变降温涂层对城市沥青路面温度场的影响

由图10(c)~(f)可知，在日间时段，在距路表20 cm深度内，随着环境温度的升高，涂层的降温效果逐渐增大，并在15:00时相变降温涂层路面与普通沥青路面的温差最大，达到2.4 ℃。这是由于在未达到相变材料相变区间时，相变降温涂层材料的比热容大于路面结构的比热容，且二者导热系数数值相差较小，所以在热量逐渐传递中，相变降温涂层路面结构与普通路面结构温差越来越大。当路面结构温度达到相变材料的吸热区间(50.6~58.7 ℃)时，涂层内部相变材料会逐渐由固态转为液态并吸收周围热量，这一过程不仅减少了热量向下方路面结构传递，同时涂层材料的比热容会迅速增加，从而延缓涂层下方路面结构温度的上升速率，进一步加大了相变降温涂层路面结构与普通路面结构温差，最终在15:00时，涂层的降温效果达到最优。22:00时，在距路表20 cm深度内，相变降温涂层路面温度都高于普通沥青路面温度，最大温差为0.5 ℃。这是因为夜晚涂层温度下降至相变放热区间(42.2~36.9 ℃)时，涂层内部相变材料会由液态转为固态并释放热量，从而导致相变降温涂层路面降温速率低于普通沥青路面，最终导致其路面温度高于普通沥青路面。

3) 不同涂刷量下相变降温涂层对城市沥青路面温度场的影响

由图10(d)、图10(f)和图10(h)可知，在路面结构中，涂刷量为1.0 kg/m²的相变降温涂层路面与普通沥青路面的温差低于涂刷量为1.2 kg/m²的相变降温涂层路面与普通路面的温差，并在15:00时，涂刷量为1.2 kg/m²的涂层在距路表2 mm处实现的最大降温幅度为2.4 ℃，涂刷量为1.0 kg/m²的涂层则为2.1 ℃。这表明随着涂刷量的增大，相变降温涂层的降温效果也会相应增强，但是达到一定涂刷量时，降温效果提升不明显，这也与室内降温试验结论一致。

4) 相变降温涂层对近地面空气温度的影响

图11为距路表一定高度（0.2 m处）的空气温度不同时刻分布图，从图中可以看出，相变降温涂层路面与普通沥青路面的近地面（0.2 m处）空气温差最大为0.2 ℃，这是由于路面与空气的热交换影响较小，空气作为热的不良导体，其热传导效率较低，因此，路面温度的变化对近地面空气温度的影响有限。此外，近地面空气的温度还受到其他因素的影响，如太阳辐射、风速、大气湿度等，这些因素可能导致空气温度的波动，从而掩盖了路面相变降温涂层对空气温度的直接影响。

3 结论

通过室内试验与数值模拟相结合的方法，对所制备相变降温涂层的性能及降温效果进行了研究，主要结论如下：

1) 相变颗粒掺入涂层后，涂层的导热系数有所增加；在温度达到相变温度区间时，涂层的比热容显著增大，表明该相变降温涂层具有良好的降温潜力。

2) 开发的相变降温涂层在路用性能测试中表现卓越，其黏附性优异，且在撒布石英砂后，展现出良好的抗滑性和耐磨性，证实了其作为路面材料的潜力。

3) 室内外降温试验结果表明，相变降温涂层降温效果与其涂刷量成正相关，但随着涂刷量的增加，效果提升的幅度逐渐降低。当涂刷量为1.2 kg/m²时，涂层降温效果最优，室内最大降温幅度达到3.7 ℃，室外则为3.3 ℃。

4) ANSYS数值模拟结果表明，路面结构的深度和环境温度对涂层的降温效果具有显著影响。涂层降温效果随路面结构深度增加而逐渐减弱，而在高温环境下降温效果更加明显。当涂刷量为1.2 kg/m²时，涂层能够在距路表2 mm处实现最大2.4 ℃的降温效果。

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基金资助

陕西省自然科学基础研究计划面上项目(2024JC-YBMS-259)