解瑞松 鲁孝松 张 伟 何 锐*
(陕西交通控股集团有限公司1) 西安 710065) (长安大学材料科学与工程学院2) 西安 710064)
道路标线是公路交通安全的重要保证手段,起着引导车流、规范路线和传递信息的作用.随着我国城市道路、城乡公路尤其是高速公路网络的大规模建设,改善道路标线视认性对提高交通效率、保障行车安全具有关键性的作用.同时,随着节能减排、绿色环保的理念深入人心以及夜间或雨、雾等恶劣天气条件下行车需求增大,人们对道路标线提出了更加节能、环保及智能的要求.开发新型道路标线材料,提高道路标线的视认性与耐久性,具有重要的社会、经济和生态意义.
为了改善道路标线的视认性,学者们提出了各种解决方案[1]:撒布玻璃珠、增大标线涂布面积、使用丙烯酸类树脂(MMA)/预聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)涂料、LED自发光标线和荧光标线等,目前国内最常用的标线是热熔标线和双组份标线.热熔标线主要由成膜物(一般为C5树脂)、颜料、玻璃珠、填料和助剂组成,其中成膜物是影响标线涂料耐久性的关键原料[2].但石油树脂亲油、易软化、不耐污的特点使得热熔标线涂料无法满足耐久性和环保的要求.因此,高性能、高固含量的双组份涂料正逐步取代传统的热熔标线涂料.该类涂料固化时间可控,亮度因数高,耐磨性、耐候性强,可减少标线反复施划的次数.同时,新型标线材料如LED技术应用于电致发光标记和标线,可与太阳能电池和自维护系统结合,实现自发光、免维护的效果[3-5].荧光/磷光材料可吸收外界光能在夜间释放,是极具发展潜力的标线材料.
文中对目前常用的两类道路标线材料进行了梳理,综合评价了不同标线材料的实际性能及其优缺点.从基体材料与施工工艺的角度阐述了影响道路标线视认性的主要因素及相关的改进措施.
1.1 被动式反光标线
早期的道路标线多使用油漆或水性涂料施划,以提升车辆行驶的安全性和规范性[6].油漆类道路标线最突出的问题是耐久性不高,且无法提供夜间的可视性.随着交通运输业的不断发展,道路车流量急剧增大,对标记材料的经济性和耐久性提出了更高的要求.热熔型标线以其适当的耐久性,以及使用廉价的玻璃微珠即可得到适当的逆向反射性的特点,迅速取代了高交通量道路上的低耐久性交通标线涂料,被广泛应用在城市道路和高速公路[7].图1为热熔标线的反光原理.玻璃珠可以通过逆向反射车前灯的光到光源方向实现增强道路标线视认性的目的.这类标线为被动反光型标线,玻璃珠为其提供主要的夜间反光作用.
图1 玻璃珠逆反射光线原理
影响含玻璃珠反光标线逆反射性能的主要因素包括施划标线的涂料类型、标线的表面状况、标线上撒布的玻璃微珠的质量和分布及其嵌入度和成圆率.被动式反光标线突出的优点在于原料成本较低,施工简便,但玻璃微珠的性能变化很大,再加上涂料类型和路表状况等变量,标线性能差异性会发生的更大变化.
1.2 主动式发光标线
1.2.1LED自发光标线
LED标线可以根据需要改变颜色,具有视认性好、不受雨雪天气影响、灯珠发光寿命长、耗电量低等优点,常用于城市减速标线带和交叉口,用于引导车辆减速、排队,以及指引行人通过斑马线[8].其缺点是需要配套安装电源和线缆设备,成本较高.
1.2.2荧光/磷光标线
图2为荧光发光的原理,这个过程发生在纳秒到微秒的时间尺度上,可快速对车灯发射的光线做出反应,但荧光材料的辐射寿命一般小于10～4 s在没有光线激发的情况下不具备夜间视认性,因此难以应用于道路标线.
图2 荧光激发原理[9]
磷光与荧光相似,只是释放光的时间尺度是从几微秒到数小时不等.大多数磷光应用都使用硫化锌,与目前研究的铕,镝掺杂铝酸锶(SrAl2O4:Eu2+,Dy3+)相比,发光能力较弱.随着这一相对较新的磷光材料的发展,已有道路标线涂料使用该材料进行设计、施工与应用[10].
1.3 常用道路标线材料性能总结
综合对标线材料的研究可以看出,在目前主流的几类交通标线材料中,水性涂料标线施工简便,绿色环保,但涂料干结时间长,不耐雨水冲刷,国内应用较少;溶剂型涂料含有大量有机溶剂,污染环境,已逐步停止使用;热熔标线虽然施工会消耗大量能源,自身耐污性和抗变形能力较差,但其成本低,耐磨性好,使用最为广泛;双组份标线性能优异,耐磨性和耐候性极佳,亮度因数高,由于成本较高目前还处于推广和扩大使用范围阶段;LED标线由于铺设成本高,仍处于试验阶段;类似地,荧光/磷光标线也处于小范围试验阶段,实现大范围应用仍需进一步发展.
2.1 道路标线材料对视认性的影响
道路标线的视认性首先取决于其标线涂料的性质.早期的水性标线主要由纯丙乳液制备,但是水性涂料突出的问题是干结缓慢,易受雨水冲刷.含挥发性有机化合物(VOC)的丙烯酸涂料会导致空气污染和危害人类健康[11-12];非挥发型丙烯酸涂料可通常发黏且缺乏足够的硬度[13].热熔标线在夏季高温和高行车荷载的情况下会发生“流淌型”变形,同时,热熔标线抗拉强度低,在外加载荷或者环境变化导致的内应力作用下容易发生开裂,见图3.
图3 道路标线开裂
道路标线在使用过程中(在行车荷载作用下)也会发生视认性衰减.道路标线视认性的衰减是伴随标线的磨损和污染产生的.图4为新划标线的玻璃珠撒布状态和磨损后玻璃珠脱落情况.此外,机油、灰尘、轮胎碎屑等标线涂料的污染也会造成标线视认性的降低.
图4 新划标线玻璃珠状态与标线磨损后玻璃珠脱落
选择成膜物质、颜料、填料和增塑剂作为关键因素,使用混合物实验设计(MED)对热熔型标线涂料的配方模型进行优化,可增强热熔标线涂料的相容性,改善其路用性能[14].也可使用有机硅烷对石油树脂进行改性,促进其与热熔涂料中有机官能团的反应,使涂料的黏结性能更佳[15].提高水性涂料的固含量,使用氟碳乳液、聚氨酯等提升涂膜力学性能,可提升水性涂料的抗污能力和抗滑能力[16-17].上述方法均通过改善涂料基体材料的性能,达到增强道路标线使用性能的目的.
除了基体材料本身的性质,道路标线的使用性能还受路面特性的影响.热熔涂料与水泥路面的粘结性能不好,因为热熔涂料粘度大,涂料的渗透性差,水泥路面构造深度较小,锚固作用不足,在施工过后容易发生标线的脱落[18].为了进一步改善道路标线的耐久性,双组份涂料也被应用于标线的施划.常见的双组份涂料有环氧型和MMA型,由涂料基材、填料等和固化剂组成.环氧型双组份道路标线涂料具有良好的润湿性和固化强度,环氧涂料与之间路表形成氢键,具有很强的粘附力.MMA型双组份道路标线主要成分为甲基丙烯酸甲酯,是冷塑性、无溶剂的标线材料.固化前,涂料中小分子可以渗透到路面,固化后可起到良好的锚固作用,增大地面与标线的附着力.固化后的双组份涂料结构稳定,耐候性好,可以承受车轮荷载不发生变形.
2.2 道路标线施工工艺对视认性的影响
改善标线的视认性包括材料和施工工艺两方面,对标线涂料的改性提高了标线的耐久性和亮度因数,提升了道路标线的视认性,而施工工艺决定了道路标线的实际使用质量.
对于被动式反光标线,玻璃珠是逆反射光线的主要材料,其撒布决定了标线实际的逆反射系数和标线前期的视认性衰减速率.嵌入度即玻璃珠在涂料基体中嵌入部分与整体的比值,可用来表征玻璃珠的撒布情况.当撒布的玻璃珠嵌入度过低时,玻璃珠有大部分露在空气中,当光线以小角度入射时,大部分光线直接透过玻璃珠而无法在玻璃珠与涂料基体的界面处完成逆反射,此时标线的逆反射系数较低或出现“虚高”的现象,即通车后玻璃珠很快在轮胎摩擦作用下脱落,造成逆反射系数急剧下降;当撒布的玻璃珠嵌入度过大时,玻璃珠大部分被涂料基体裹附,入射光线无法从玻璃珠内部折回,造成初始逆反射系数低或无逆反射性.玻璃珠的嵌入度是评价施工质量的关键因素,但目前没有关于玻璃珠嵌入度表征的系统性研究.一方面,可借助图像处理和显微技术,使用体视学显微镜或追踪玻璃珠嵌入的经时变化得到嵌入度.同时,对于初始逆反射系数可能存在虚高的情况,应考虑初始逆反和长期逆反射性能的平衡点,研究标线逆反射性能衰减趋势与初始逆反射系数的关系,以此调整标线施工工艺.
推广LED主动发光式标线则需解决其安装铺设问题,凸起的路面标线容易在行车荷载作用下脱落,寒冷地区铲雪车会对凸起的路面标线及标志造成损伤.相关的解决方案包括设置保护坡道,控制除雪铲的高度避免损坏LED,或将LED埋设到低于路面的位置,即在路面铺设的同时埋布管线或铺设特殊的混凝土面层.朱本成等[19]提出了一种透光混凝土LED主动发光交通标线并给出了施工方法,将透光混凝土引入公路领域,结合发光二极管设置主动发光交通标线.
蓄能发光型标线的核心是荧光粉,大部分荧光粉面临荧光强度低,发光时间短,荧光粉易水解等问题,因此荧光/磷光材料需被基材完全裹附,以防止荧光粉水解,同时基材成本较高,多涂层形式施工,工艺复杂.寻找发光效率高的荧光粉以及合适的基材是解决问题的关键.使用SrAl2O4:Eu2+,Dy3+作为磷光发光材料,以正硅酸乙酯为硅源对磷光材料进行包覆,避免其水解及分解老化,增加其余晖亮度和余晖时间[20].吴谨等[21]优选了荧光粉胶结基料,利用改性剂AGE对油性环氧和水性环氧进行试验,制备的荧光涂料不沾胎时间短,耐磨、耐水性和抗老化性能优异.董元帅等[22]针对道路标线中专用的蓄能发光材料进行制备,并进行了基于单因素及正交试验的配伍性研究、路用安全性研究.
提升道理标线的整体质量还应加强施工队伍建设.国内现有的施工设备自动化程度低,玻璃微珠撒布仍主要依赖施工人员经验,改进现有的施工设备,规范交通标线设计施工标准,对于提升交通标线整体质量具有重要意义.
随着节能减排、绿色环保的理念深入人心,标线涂料对环境的影响也愈发受到关注[23-25].溶剂型涂料VOC含量高可达30%～40%,且含有易产生光化学烟雾的有机溶剂,因此在生产和施工中受到越来越多的管制.热熔涂料施工需要加热到200℃以上,会消耗大量能源,同时产生的烟气还会污染环境,危害施工人员身体健康,因此也受到了一定的限制.
水性涂料和其他冷塑性标线涂料的应用顺应了当下绿色环保的发展理念[26].使用低(无)VOC含量的双组份和水性涂料替代热熔涂料和溶剂型涂料,可以减少标线材料对环境的影响[27].任予峡等人改进了具有核壳结构的环丙乳液,使用环氧树脂、复合乳化剂和其他填料与助剂合成了快干低VOC的水性标线涂料.此外,还可使用矿物填料增强以改善涂膜硬度,但矿物资源不可再生且污染环境;也可使用植物基再生硬化填料——纤维素纳米晶体(CNC)进行填充.通过该方法,可使不含VOC的涂料配方获得接近含VOC硬质丙烯酸涂料的性能.
此外,在夜间环境及雨、雾等恶劣天气条件下仍然能够提供足够的视认性也是道路标线材料的发展趋势.环境因素会直接影响标线的性能发挥.当雨水覆盖玻璃珠表面时,玻璃珠的反光性会降低,造成标线逆反射性能下降[28].对此,可以使用中折射率(1.7)的玻璃珠替代普通玻璃珠(1.5),并在小粒径(<0.6 mm)玻璃珠中搭配使用较大粒径(0.8～1.4 mm)的玻璃珠,从而在干燥及潮湿环境下获得更好的视认性.在实际工程中就需要混合使用低折射率和高折射率玻璃珠,从而提高了道路标线的成本,并且逆反射系数低于单一种类玻璃珠.另一方面,从涂料自身因素考虑,水性标线干燥时间长,无法在潮湿或低温环境下施工.使用双组份和高固含量的新型水性涂料替代热熔涂料和溶剂型涂料,可以提升标线的耐候性和耐磨性,提升标线的逆反射能力.
文中以MMA双组份涂料为代表的高性能冷塑型涂料目前道路标线面临的耐久性和环保问题的主流解决方案.同时,改变玻璃珠的材质,使用中折射率(约1.7)的玻璃珠并拓宽玻璃珠的级配范围,可改善潮湿环境下的逆反射性能.该方案可提升被动式发光标线的视认性,改善标线的耐久性和粘附性,减缓标线表面玻璃珠的脱落,提供长久的服役功能.从长远的发展来看,主动式发光标线拥有更广阔的前景,可应对更恶劣的环境并提供良好的视认性.蓄能自发光型材料具有较大发展潜力,尤其是铕,镝掺杂铝酸锶(SrAl2O4:Eu2+,Dy3+),但如何使荧光粉在涂料中均匀分散和防止荧光粉水解是全面应用该材料亟需解决的问题.降低自发光LED标线的成本,使用耐磨耐冲击的基材包裹LED发光体,简化施工工艺将是LED标线技术进入新的发展阶段.此外,LED标线可与传感及控制设备相结合,感知交通状况,智慧调整标线传递的交通引导信息,有助于改善城市道路交通拥堵状况,全面提升公路交通安全.
未来道路标线的发展应是全面地、系统地,大力发展标线新技术与智慧交通的融合,同时因地制宜采用不同道路标线材料,使其性能最优化,不断向优质耐久、绿色环保的方向发展.
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