陶瓷減速標(biāo)線設(shè)計(jì)及性能分析

向富強(qiáng)，趙新飛，唐 運(yùn)

(湖南省交通科學(xué)研究院，湖南長沙 410015)

0 引言

減速標(biāo)線在國內(nèi)外城市道路及高速公路中被廣泛使用。近年來，減速標(biāo)線作為一種預(yù)防性安全設(shè)施被大量應(yīng)用到高速公路上，其形式各異，種類繁多。有些設(shè)置合理，有些設(shè)置不盡合理。為了改善這一狀況，使減速標(biāo)線的作用發(fā)揮到最大化，我們從人、車、路及環(huán)境等因素與安全的相互關(guān)系方面出發(fā)進(jìn)行研究，使高速公路減速標(biāo)線的設(shè)計(jì)與應(yīng)用能真正有益于交通安全。

目前國內(nèi)外常見的道路標(biāo)線有熱熔型道路標(biāo)線，水性道路標(biāo)線，加熱溶劑型道路標(biāo)線等等，我們所研究的陶瓷減速標(biāo)線形式新穎性能優(yōu)良，不僅耐磨耐耗，具有優(yōu)異的高化學(xué)穩(wěn)定性，同時(shí)還具有其它類型減速標(biāo)線所不具備的反光效果。因此陶瓷減速標(biāo)線性能及理論研究具有重要意義和廣闊的推廣應(yīng)用前景。

1 陶瓷減速標(biāo)線設(shè)計(jì)分析

陶瓷的主要成分的化學(xué)式是SiO2，在高溫下，陶瓷生坯固體顆粒的相互鍵聯(lián)，其總體積收縮，密度增加，晶粒長大，空隙(氣孔)和晶界漸趨減少，通過物質(zhì)的傳遞，最后成為具有某種顯微結(jié)構(gòu)的致密多晶燒結(jié)體，這種現(xiàn)象稱為燒結(jié)。這個(gè)過程中包含有物理變化和化學(xué)變化。

1.1 陶瓷標(biāo)線設(shè)計(jì)思路

對要鑒定的陶瓷的化學(xué)組成、顯微結(jié)構(gòu)、物理性能以及燒制工藝等方面進(jìn)行研究，綜合顯微結(jié)構(gòu)、物理性能以及燒制工藝等方面的信息就可對陶瓷作出鑒定。陶瓷是由石英、粘土及長石等天然礦物原料按不同配方配制，經(jīng)加工、成型及燒成而得，其化學(xué)組成取決于所用天然原料及配方，不同地區(qū)不同窯口的古陶瓷由于所用原料的不同，配方的不同以及燒制工藝的不同，其胎釉化學(xué)組成、顯微結(jié)構(gòu)及物理性能就會有各自的特點(diǎn)。收集陶瓷標(biāo)本進(jìn)行系統(tǒng)研究，把積累的數(shù)據(jù)資料建立數(shù)據(jù)庫，并用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行處理，找出具有特征意義的規(guī)律。這對研發(fā)陶瓷減速標(biāo)線的反光和耐磨性能有重要意義［1］。

1.2 陶瓷標(biāo)線材料選擇

由于陶瓷標(biāo)線路面材料用量大，成本控制要求高，我們在選用配方上盡量做到簡單適用化，根據(jù)原輔材料的構(gòu)成和無機(jī)顏料發(fā)色的要求，材質(zhì)定為長石質(zhì)瓷，長石:K2OAl2O36SiO2［K2Al2Si6O16］是鉀、鈉、鈣、鋇等堿金屬或堿土金屬的鋁硅酸鹽礦物，晶體結(jié)構(gòu)屬架狀結(jié)構(gòu)。它存在于晶粒與晶粒之間，起著膠黏作用。陶瓷坯體中的一部分組成高溫下會形成熔體(液態(tài))，冷卻過程中原子、離子或分子被“凍結(jié)”成非晶態(tài)固體即玻璃相。其主要成份為SiO2、Al2O3、K2O、Na2O、CaO等。長石族礦物在地殼中分布最廣，約占地殼總重量的50%。它們是一種普遍存在的造巖礦物，其中60%賦存在巖漿中，30%分布在變質(zhì)巖中，10%存在于沉積巖主要是碎屑巖中，但只有在相當(dāng)富集時(shí)長石才可能成為工業(yè)礦物。陶瓷顯微結(jié)構(gòu)由非晶態(tài)固體構(gòu)成的部分。玻璃相在陶瓷體中的分布可以是間斷的，也可以是連續(xù)的。陶瓷配料中微量添加物或雜質(zhì)的存在，在高溫下有助于玻璃相的形成。其作用是多種多樣的，如有時(shí)希望玻璃相能在較低溫度下形成，促進(jìn)傳質(zhì)，有助于降低燒成溫度，使制品致密;有時(shí)希望出現(xiàn)高溫熔體，可抑制晶粒長大或在適當(dāng)溫度下保溫，促進(jìn)晶粒長大或形成第二晶相。研究添加物的種類，數(shù)量，控制玻璃相的數(shù)量及分布是很有意義的［2］。

利用對陶瓷原料選型，采用大劑量的低融點(diǎn)的熔劑原料，使陶瓷粒在低溫?zé)芍心苓_(dá)到高的硬度和抗壓強(qiáng)度。

2 陶瓷標(biāo)線性能分析

陶瓷標(biāo)線主要應(yīng)用于交通量較大的高速路上，受到自然環(huán)境和人為因素的雙重作用，工作環(huán)境比較惡劣。自然環(huán)境中太陽光、熱，空氣中的臭氧和氧氣，雨、雪以及化學(xué)物質(zhì)的作用和人為因素，對其性能和使用效果有很大影響。制造減速標(biāo)線的材料對以上因素的承受能力就決定了減速標(biāo)線的使用壽命以及性能和效果。我們設(shè)計(jì)的陶瓷標(biāo)線骨料陶瓷顆粒經(jīng)過檢測機(jī)構(gòu)檢驗(yàn)得到以下數(shù)據(jù)(表1)。

表1 陶瓷骨料技術(shù)指標(biāo)

為使減速標(biāo)線有更長的使用壽命，材料需要有優(yōu)良的耐磨性和抗老化性;為適應(yīng)高速路上的溫差變化，材料需有較強(qiáng)的耐熱性;為保證路面的行車安全，材料需有高防滑性。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看出，對標(biāo)線設(shè)計(jì)所采用的骨料完全符合國家相關(guān)減速標(biāo)線的性能指標(biāo)。

2.1 優(yōu)良的耐磨性和抗老化性

陶瓷減速標(biāo)線在使用的過程中不能避免面臨巨大的磨損，磨損后會導(dǎo)致標(biāo)線粗糙，反光度降低，甚至喪失使用價(jià)值。高分子材料發(fā)生老化后，外觀會產(chǎn)生變化，物理化學(xué)性能如導(dǎo)熱系數(shù)，比重，熔融指數(shù)，折光率，溶解度，透光率;同樣，材料的機(jī)械性能，如拉伸強(qiáng)度，伸長率，剪切強(qiáng)度，疲勞強(qiáng)度，彈性，耐磨強(qiáng)度等也會發(fā)生變化，其他象電性能，如絕緣性能，介質(zhì)損耗也會發(fā)生變化。高分子材料老化原因:高分子材料的老化不外乎兩個(gè)方面的原因。一個(gè)是高分子材料的內(nèi)因:構(gòu)成高分子材料的基本成分，高聚物本身的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和高分子材料個(gè)組分的性質(zhì)、比例等。另外一個(gè)是高分子材料的外因:如物理因素、化學(xué)因素和生物因素等等，高分子材料老化的外因往往是多方面的，其中光、熱、氧、電對高分子材料的作用是引起老化的主要外因。

陶瓷顆粒的硬度根據(jù)其質(zhì)地在5～8之間(表2)。

表2 陶瓷顆粒莫氏硬度

可以看出，陶瓷顆粒的硬度較高，相較于其他材料，耐磨性好，非常適合做路面標(biāo)線材料。

陶瓷材料在高溫下不易氧化，并對酸、堿、鹽具有良好的抗腐蝕能力。陶瓷的高化學(xué)穩(wěn)定性這一特性大大彌補(bǔ)了標(biāo)線材料在路面長時(shí)間高溫暴曬和風(fēng)化導(dǎo)致的軟化、變形，加強(qiáng)了標(biāo)線路面的使用壽命和安全系數(shù)。

2.2 耐熱性

道路標(biāo)線在戶外工作，完全在日光下暴曬，特別是在炎熱的夏天，表面可能達(dá)到60℃。在這樣的溫度下，減速標(biāo)線要能不發(fā)生軟化變形，保證使用性能。同時(shí)陶瓷的線膨脹系數(shù)比金屬低，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，陶瓷具有良好的尺寸穩(wěn)定性。因?yàn)樘沾刹牧暇w結(jié)構(gòu)的原子間結(jié)合力強(qiáng)，原子的熱震動穩(wěn)定，因此，晶體結(jié)構(gòu)能維持到很高的溫度。陶瓷材料一般具有高的熔點(diǎn)(大多在2000℃以上)，且在高溫下具有極好的化學(xué)穩(wěn)定性;陶瓷的導(dǎo)熱性低于金屬材料，陶瓷還是良好的隔熱材料。耐高溫陶瓷涂層材料種類繁多，最為常見的是無機(jī)非金屬表面的耐高溫陶瓷涂層材料。我們發(fā)現(xiàn)通過增加納米鎳微粒，涂層在高溫時(shí)的抗氧化性能得到改善，同時(shí)納米鎳微粒能提高其結(jié)合力和抗氧化性。

2.3 高防滑性

減速標(biāo)線設(shè)置在道路上，作為道路的一部分，要求其在冰、雪、雨天氣下具有高防滑性，據(jù)調(diào)查，高速路上1/3的交通事故與車速有關(guān)，為保證行車安全，促使車輛能順利降下車速是一項(xiàng)必要手段，這就要求減速標(biāo)線要有高防滑性，在減速過程中提供足夠的制動力。陶瓷與陶瓷材料配對的摩擦副，其粘著傾向很小;金屬與陶瓷的摩擦副比金屬配對的摩擦副粘著作用也小。實(shí)驗(yàn)表明，不同填料的種類、粒徑、含量、涂料基料的種類、配比對涂層的耐磨性能影響較大。利用掃描電鏡圖對涂料的耐磨過程及機(jī)理進(jìn)行了探討，證明在涂層磨損過程中，有選擇性磨損的現(xiàn)象出現(xiàn)。

陶瓷材料的這種優(yōu)良耐磨性能，使其在要求極小磨損率的機(jī)件上得到了廣泛應(yīng)用。由于陶瓷標(biāo)線優(yōu)良的耐磨性能，其耐久耐磨性完全超出標(biāo)線使用時(shí)間的期望值。

2.4 依托工程實(shí)施情況

以衡桂高速公路常寧服務(wù)區(qū)收費(fèi)站為項(xiàng)目依托工程實(shí)施標(biāo)線施工。

1)施工步驟如下:

布膠帶造型?配膠?涂膠?上骨料?初凝?撕膠帶?終凝?骨料回收?完工清場?正在施工中的標(biāo)線效果。

2)使用效果分析。

從圖1中可以看出這種錯(cuò)層式陶瓷減速標(biāo)線的形式工整，又具有一定的三維視覺效果，既不會給司乘人員造成“突?！钡母杏X，又可通過其溫和的三維外觀視覺效果達(dá)到減速的目的，緩解了司機(jī)踩急剎的可能。此減速標(biāo)線厚度為5mm，車輛通過時(shí)有輕微震動感，無突然跳起感，行車舒適，減速效果好。圖案簡單明了，便于施工。使司乘人員從容的減速，有序的通行。

彩色陶瓷減速標(biāo)線是在路面設(shè)計(jì)中與路面融為一體，耐用耐磨。在路面施工過程中，克服了現(xiàn)有減速帶對路面有一定損壞，易磨損，車輛通過時(shí)顛簸劇烈的不足，它的研制給路面用材增添了新的材料，更能豐富路面多彩的效果，更具有使用價(jià)值和競爭力。

圖1 施工后的陶瓷標(biāo)線

3 結(jié)語

通過對陶瓷物理化學(xué)性能的探究，研發(fā)的新型陶瓷減速標(biāo)線性能良好，其超強(qiáng)的耐壓、耐腐蝕、、防滑、高化學(xué)穩(wěn)定性等眾多優(yōu)異性能提高了減速標(biāo)線的使用壽命和防滑性能效果，為高速公路預(yù)防突發(fā)交通事故提供了重要的保障和支持，保證了高速公路交通運(yùn)輸運(yùn)營機(jī)制的通暢性和穩(wěn)定性，這對高速公路行業(yè)和諧發(fā)展起到了重要意義。

陶瓷減速標(biāo)線卓越的性能成為該研發(fā)項(xiàng)目的一大特色亮點(diǎn)，其本身具備的優(yōu)點(diǎn)使其在高速公路、省道和國道等收費(fèi)站改造和建設(shè)中具有廣闊的推廣前景。

［1］李海波，傅爾力，趙新飛.陶瓷減速標(biāo)線的研發(fā)和應(yīng)用［J］.公路工程，2012(5).

［2］趙新飛，李海波，傅爾力.彩色陶瓷減速標(biāo)線技術(shù)研究及應(yīng)用［J］.公路工程，2013(3).