全天候雨夜道路反光標(biāo)線材料研究進(jìn)展

摘要：文章總結(jié)了國內(nèi)外雨夜反光標(biāo)線的類型及優(yōu)缺點(diǎn)，歸納了國內(nèi)外關(guān)于雨夜反光標(biāo)線逆反射性能的技術(shù)指標(biāo)，探討了雨夜反光標(biāo)線逆反射性能的影響因素。結(jié)果表明：（1）目前有4種類型的標(biāo)線符合雨夜反光標(biāo)線理念，反光機(jī)理在于結(jié)構(gòu)形式改變和材料優(yōu)化設(shè)計(jì)；（2）國內(nèi)外主要采用逆反射光度系數(shù)對(duì)標(biāo)線夜間視認(rèn)能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，并根據(jù)環(huán)境、標(biāo)線顏色對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行劃分，但國內(nèi)規(guī)范并未考慮路面顏色、車流量和視距等因素；（3）可從材料和結(jié)構(gòu)兩方面入手提高雨線的逆反射性能，在材料方面可提高涂料白度和玻璃珠質(zhì)量，在結(jié)構(gòu)方面可設(shè)法增強(qiáng)玻璃珠與涂料的結(jié)合能力，并增大結(jié)構(gòu)突起部分立面面積。建議在未來研究過程中重視施工設(shè)備和施工工藝相關(guān)研究。

關(guān)鍵詞：道路工程；標(biāo)線；雨夜；玻璃微珠；逆反射系數(shù)

中圖分類號(hào)：U491.5+23 A 52 171 4

0 引言

道路交通標(biāo)線作為重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施，具有疏導(dǎo)、分散交通流的功能，在保證人車安全方面發(fā)揮著不可替代的作用［1］。道路標(biāo)線在白天和夜間均應(yīng)具有良好的視認(rèn)性。白天的視認(rèn)性是指漫反射條件下標(biāo)線的亮度和白度，而夜間的視認(rèn)性在于標(biāo)線在車燈照射下的逆反射能力。在潮濕或連續(xù)降雨條件下，標(biāo)線易被水膜覆蓋，導(dǎo)致標(biāo)線模糊不清，這會(huì)給駕駛者帶來極大的安全隱患。據(jù)國際照明委員會(huì)（CIE）統(tǒng)計(jì)，夜間行車的事故發(fā)生率是白天的3倍［2］。因此，提高道路標(biāo)線的全天候視認(rèn)性對(duì)于道路交通安全十分重要。

一些研究人員針對(duì)性地提出了有效的解決辦法，即應(yīng)用全天候雨夜道路反光標(biāo)線（簡稱雨線）。雨線可以極大程度提升車輛行駛安全性、減少交通事故。隨著我國公路建設(shè)迎來高質(zhì)量發(fā)展需求，雨線正逐漸替代原有標(biāo)線類型成為道路標(biāo)線的主要發(fā)展趨勢?；诖?，本文從雨線材料研究進(jìn)展、國內(nèi)外雨線逆反射性能相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和雨線逆反射性能影響因素三方面進(jìn)行綜述，以期為雨線材料的發(fā)展和推廣提供參考。

1 全天候雨夜道路反光標(biāo)線材料研究進(jìn)展

《道路交通標(biāo)線質(zhì)量要求和檢測方法》（GB/T 16311-2009）對(duì)雨夜標(biāo)線做了規(guī)定，認(rèn)為其應(yīng)具備潮濕狀態(tài)下的逆反射性能，在雨夜具有良好的視認(rèn)效果［3］。目前，國內(nèi)外雨夜標(biāo)線主要包括以下4類：振動(dòng)標(biāo)線、陶瓷珠雨夜道路標(biāo)線、水性涂料反光標(biāo)線和雙組分雨夜反光標(biāo)線［4］。

1.1 振動(dòng)標(biāo)線

振動(dòng)標(biāo)線是20世紀(jì)90年代初由日本最先提出的概念，最初目的是降低雨天環(huán)境標(biāo)線可視度下降帶來的安全隱患［5］。振動(dòng)標(biāo)線表面有突起部分，如圖1所示。當(dāng)駕駛員偏離行駛軌跡壓到標(biāo)線時(shí)，車身會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)并發(fā)出噪聲，從而在視覺、聽覺和觸覺多方面給予駕駛員警示。另外，振動(dòng)標(biāo)線的突起部分較高，降雨時(shí)突起部分裸露于雨水之上，保留部分逆反射功能。振動(dòng)標(biāo)線成本較低，安全效果好，是提高道路交通安全性的有效途徑，因此廣泛用于危險(xiǎn)路段、禁止超車道、轉(zhuǎn)彎處等。但由于其規(guī)整的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，司機(jī)經(jīng)過彎道處時(shí)由于回歸反射的定向效果，光線無法返回司機(jī)視野內(nèi)，最終導(dǎo)致標(biāo)線反光作用失效。

圖1 振動(dòng)標(biāo)線雨夜逆反射示意圖

1.2 陶瓷珠雨夜道路標(biāo)線

陶瓷珠雨夜道路標(biāo)線是使用陶瓷珠替代傳統(tǒng)的普通玻璃微珠的一種新型標(biāo)線形式，目前，在涂料中摻加反光增強(qiáng)作用的玻璃微珠已成為業(yè)內(nèi)常用做法。玻璃微珠是利用回歸反射原理，當(dāng)夜晚車輛光源照射微珠表面時(shí)，由于折射作用光路聚集在玻璃微珠焦點(diǎn)的特殊反射層上，反射光線沿與光源方向平行反射回司機(jī)視野，實(shí)現(xiàn)夜間視認(rèn)目的［6］。由于陶瓷珠與普通玻璃微珠的反光原理不同，陶瓷珠雨夜道路標(biāo)線可達(dá)到100 m以上的反光距離，保證駕駛員具有足夠的反應(yīng)距離［7］。結(jié)合陶瓷珠與玻璃珠的優(yōu)點(diǎn)，美國3M公司研發(fā)了一種折射率為2.4的新型玻璃微珠，具有比普通玻璃珠更大的折射率，因而可以增加覆蓋水膜時(shí)的反射光，但這種玻璃微珠同時(shí)具有明顯缺點(diǎn)，即只有在潮濕環(huán)境下才會(huì)反光，在干燥條件下不反光，施工時(shí)需要高、低折射率的玻璃微珠混合使用［8］。京臺(tái)高速公路改擴(kuò)建德州至齊河段晏城立交匝道為我國首條長效雨夜標(biāo)線段，其通過提高玻璃珠摻量，級(jí)配范圍從0.3～0.85 mm變?yōu)?.3～1.4 mm，并在面撒玻璃珠及預(yù)混玻璃珠中均摻加了折射率為1.7的陶瓷珠，保證標(biāo)線在干燥、潮濕和連續(xù)降雨條件下具備較好的反光能力［9］。路面標(biāo)線的玻璃微珠應(yīng)保證50%的面積暴露在表面，以達(dá)到最佳反光能力。玻璃微珠埋入太深或太淺都會(huì)影響反光能力。此外，在雨夜條件下，玻璃微珠表面由于覆蓋水膜，入射光會(huì)在水膜發(fā)生鏡面反射，導(dǎo)致進(jìn)入玻璃微珠的光線減少。

1.3 水性涂料反光標(biāo)線

當(dāng)前，以石油樹脂為主的熱熔涂料和以丙烯酸樹脂為主的溶劑型涂料仍然占據(jù)我國較大的市場份額，但由于成本高、對(duì)人體及環(huán)境有害的弊端，不符合環(huán)境友好理念，特別是2020年出臺(tái)的國家標(biāo)準(zhǔn)《路面標(biāo)線材料有害物質(zhì)限量》（JT/T 1326-2020），對(duì)道路標(biāo)線材料揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）和重金屬含量進(jìn)行限量規(guī)定［10］。因而，無毒無污染的水性涂料成為雨線涂料理想的發(fā)展方向。另外，由于水性涂料和玻璃珠具有超強(qiáng)的粘結(jié)力，可以使用尺寸更大的玻璃珠，進(jìn)而保證了道路標(biāo)線的反光性和耐久性。我國水性標(biāo)線涂料研究工作起步較晚，在使用后期暴露出耐候性差、易粘臟和干燥時(shí)間長等問題。隨著環(huán)保理念漸漸深入人心，我國開始重視、研發(fā)、推廣水性標(biāo)線涂料。董立志等［11］選用快干純丙乳液混合氟碳乳液制備水性反光道路標(biāo)線涂料，改善了涂膜的耐污性和耐候性，通過加入石英砂和納米二氧化硅，改善了耐磨性和抗壓強(qiáng)度。雍濤等［12］從提高水性涂料的快干性、耐久性和粘附性等性能出發(fā)，以水性丙烯酸乳液為基料制備水性道路標(biāo)線涂料，滿足了國家標(biāo)準(zhǔn)《路面標(biāo)線涂料》（JT/T 280-2004）［13］規(guī)定的各項(xiàng)要求，并根據(jù)玻璃微珠的尺寸控制涂膜厚度，從而實(shí)現(xiàn)道路標(biāo)線夜間可見性。謝邦柱等［14］建議水性涂料除在快干性、粘附性、耐候性、耐久性等方面需要深入研究外，還需進(jìn)一步提高水性標(biāo)線涂料非清潔環(huán)境的施工性能。

全天候雨夜道路反光標(biāo)線材料研究進(jìn)展/韋旋馨

1.4 雙組分雨夜反光標(biāo)線

雙組分雨夜反光標(biāo)線（簡稱雙組分雨線）是基于高防滑、全方位及全天候反光性提出的一種標(biāo)線概念。施工前需要施工人員將兩種不同組分按比例調(diào)配，經(jīng)由化學(xué)聚合反應(yīng)形成涂膜，但實(shí)際上組分可能為三種或三種以上［15］。這種標(biāo)線一般為凸起點(diǎn)狀或不規(guī)則形狀，可以保證車輛光源任意角度入射時(shí)均可獲得理想的反光效果。另外，由于雙組分雨線的高度比熱熔反光標(biāo)線高，降雨時(shí)可以保證較多面積暴露在雨水外，達(dá)到反光的效果。結(jié)構(gòu)示意及反光原理見圖2。與連續(xù)平整標(biāo)線比較，雙組分雨線單位面積承受了更大的車輛荷載，因此對(duì)標(biāo)線的強(qiáng)度、抗沖擊性和粘附力提出了更高的要求。我國國家標(biāo)準(zhǔn)《路面標(biāo)線涂料》（JT/T 280-2004）規(guī)定，1 000 g雙組分涂料在200轉(zhuǎn)磨耗后減重應(yīng)＜40%。受到?jīng)_擊后除沖擊部位外應(yīng)無明顯裂痕、皺紋及脫落［16-17］。我國早在20世紀(jì)70年代就開發(fā)以環(huán)氧型為涂料組分的雙組分雨線涂料，固化劑采用胺類物質(zhì)［18］。發(fā)展至今，雙組分雨線涂料主要分為環(huán)氧型、聚氨酯型、聚脲型和丙烯酸酯型4類，其中活性丙烯酸樹脂以其快速的干結(jié)速率、良好的柔韌性、出色的粘附力、良好的耐候性和環(huán)保特性在國內(nèi)道路標(biāo)線得到了廣泛應(yīng)用［19］。

圖2 雨夜環(huán)境雙組分雨線示意及回歸反射圖

2 雨夜道路反光標(biāo)線的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)

無論是哪種標(biāo)線形式，表征夜間視認(rèn)能力的逆反射系數(shù)為國內(nèi)外規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。歐洲標(biāo)準(zhǔn)化組織CEN/TC226技術(shù)委員會(huì)在2003年對(duì)歐洲標(biāo)準(zhǔn)《道路標(biāo)線材料道路標(biāo)線性能》進(jìn)行了部分修訂，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)代碼為EN 1436：1997/A1：2003。采用逆反射亮度系數(shù)對(duì)夜間無照明條件道路標(biāo)線的光學(xué)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，潮濕及降雨條件下逆反射系數(shù)見表1。除此以外，美國ASTM E2177也考慮了在潮濕環(huán)境道路標(biāo)線的逆反射性能，其中白色反光標(biāo)線逆反射亮度系數(shù)應(yīng)≥200 mcd·m-2·lx-1，黃色反光標(biāo)線的逆反射亮度系數(shù)應(yīng)≥175 mcd·m-2·lx-1［20］。

借鑒歐美道路標(biāo)線檢驗(yàn)和施工驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)規(guī)定，我國標(biāo)準(zhǔn)《道路交通標(biāo)線質(zhì)量要求和檢測方法》（GB/T 16311-2009）規(guī)定白色反光標(biāo)線逆反射亮度系數(shù)≥80 mcd·m-2·lx-1，黃色反光標(biāo)線數(shù)值≥50 mcd·m-2·lx-1，建議雨線在雨夜需具備良好視認(rèn)效果，但沒有給出具體的定量數(shù)值要求。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定方法》（JTG F80/1-2017）增加了雨線逆反射亮度系數(shù)的限制，如表2所示。但相較EN 1436：1997/A1：2003，我國規(guī)范劃分逆反射系數(shù)等級(jí)并未考慮不同路面類型（瀝青路面或水泥混凝土路面）和不同使用需求。

綜上，國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范均采用逆反射亮度系數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)線的反光能力，在測試時(shí)考慮了潮濕及降水條件、標(biāo)線顏色對(duì)逆反射性能的影響?？傮w來看，美國ASTM E2177規(guī)范對(duì)逆反射反光系數(shù)的要求最高，歐洲標(biāo)準(zhǔn)1436：1997/A1：2003和我國標(biāo)準(zhǔn)JTG F80/1-2017要求相當(dāng)，但我國標(biāo)準(zhǔn)未考慮路面類型和使用需求的差異，經(jīng)驗(yàn)性認(rèn)為深色瀝青路面標(biāo)線的視認(rèn)能力要略優(yōu)于淺色水泥混凝土路面標(biāo)線，建議國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)兩種路面標(biāo)線的逆反射亮度系數(shù)技術(shù)要求進(jìn)行適當(dāng)區(qū)分。

3 雨線逆反射性能提高方法

如前文所述，通過對(duì)國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的比對(duì)，發(fā)現(xiàn)歐洲、美國和我國均對(duì)道路標(biāo)線在潮濕以及連續(xù)降雨條件的逆反射亮度系數(shù)做出了等級(jí)要求。道路標(biāo)線的逆反射亮度系數(shù)與交通事故發(fā)生率密切相關(guān)［21］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，逆反射系數(shù)每提高10～100 mcd，交通事故發(fā)生概率會(huì)降低0.9%～8.6%［22］。因此，提高道路標(biāo)線逆反射性能對(duì)于降低交通事故至關(guān)重要。

雨線的逆反射性能受結(jié)構(gòu)、材料或二者共同影響。從材料角度來說：

（1）標(biāo)線涂料自身性能顯著影響著標(biāo)線的逆反射性能。研究表明，涂料的白度越高，車輛光源入射后損失越小，逆反射系數(shù)越高［23］。加入鈦白粉是提高涂料白度的有效途徑。王清華［24］比較不同鈦白粉含量的色譜坐標(biāo)，發(fā)現(xiàn)摻量為10 phr時(shí)對(duì)涂料亮度因子具有很大的提升作用。在鈦白粉用量相同時(shí)，以甲基丙烯酸十六酯（HMA）為單體的合成樹脂比熱熔標(biāo)線具有更加優(yōu)異的白度。另外，更加細(xì)膩的填料也有利于增強(qiáng)白度，進(jìn)而提高涂料逆反射能力［25］。

（2）涂料中摻入的反光增強(qiáng)材料尤其是玻璃微珠是標(biāo)線逆反射能力的關(guān)鍵因素，這其中玻璃珠的折射率、粒徑、級(jí)配和折射率均顯著影響到標(biāo)線的逆反射性能。祁曉靜等［25］探討了玻璃珠成圓率與反光能力的關(guān)系，認(rèn)為車輛光源經(jīng)成圓不理想的玻璃珠反射后光路會(huì)偏離駕駛員視線，建議玻璃珠的成圓率＞90%。同時(shí)，為了避免出現(xiàn)小玻璃珠被大玻璃珠遮擋的情況，玻璃珠的粒徑分布應(yīng)盡量均勻，范圍在20～60目。另外，研究表明玻璃珠的折射率n越大，回歸反射的光路會(huì)趨于集中，回歸反射的效果越好［6］，但成本會(huì)顯著提高，因此，有必要選用高折射率玻璃珠時(shí)混摻低折射率玻璃珠使用。

結(jié)構(gòu)方面，振動(dòng)標(biāo)線和雙組分雨線可以部分暴露在雨水外，依靠獨(dú)特結(jié)構(gòu)保證反光性能。我國標(biāo)準(zhǔn)《道路交通標(biāo)線質(zhì)量要求和檢測方法》（GB/T 16311-2009）規(guī)定突起振動(dòng)標(biāo)線的突起部分高度為3～7 mm，若設(shè)置基線，基線厚度為1～2 mm［3］；雙組分涂料標(biāo)線厚度范圍為0.4～2.5 mm。玻璃珠與涂料結(jié)合力越強(qiáng)，服役過程中不易脫落，則標(biāo)線的反光壽命越久。在實(shí)際應(yīng)用中，由于振動(dòng)標(biāo)線突起的結(jié)構(gòu)，其表面裸露的玻璃微珠極易脫落，導(dǎo)致服役初期振動(dòng)標(biāo)線逆反射能力下降較快。薛曉東［26］分析認(rèn)為施工因素顯著地影響著道路標(biāo)線的反光效果。玻璃珠撒布較少時(shí)逆反射亮度較低，但撒布較多也會(huì)出現(xiàn)標(biāo)線發(fā)暗現(xiàn)象，這是由于光線反復(fù)折射導(dǎo)致的。玻璃微珠的嵌入深度與反光能力具有一定關(guān)系，研究表明嵌入深度達(dá)自身粒徑的55%～67%時(shí)入射光線可以發(fā)生完全回歸。此外，采用兩次撒布工藝以提高玻璃珠用量也是提高標(biāo)線反光能力的有效方法。徐翔等［27］總結(jié)了振動(dòng)標(biāo)線在寧杭高速公路的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)標(biāo)線視認(rèn)效果受突起部分立面面積影響，面積越大反光性能越好。相比之下，雙組分雨線的突起部分高度更小，但數(shù)量密集且分布均勻，因而在施工時(shí)還需配備專用的施工設(shè)備和熟練的操作人員。

4 結(jié)語

本文對(duì)雨線類型及其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，歸納了國內(nèi)外現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的指標(biāo)要求，探討了雨線逆反射性能的影響因素，主要結(jié)論如下：

（1）現(xiàn)階段有4種類型的標(biāo)線符合雨夜反光標(biāo)線的理念，反光機(jī)理在于結(jié)構(gòu)形式改變和材料優(yōu)化。在各種雨線中，水性涂料雨線以其與玻璃珠的結(jié)合能力好、綠色環(huán)保的特點(diǎn)具有優(yōu)良的應(yīng)用前景。

（2）針對(duì)雨線反光性能，國內(nèi)外主要采用逆反射光度系數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并根據(jù)環(huán)境、標(biāo)線顏色對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了劃分，但我國標(biāo)準(zhǔn)并未考慮路面顏色、車流量、視距和公路自身復(fù)雜情況等因素，建議修訂時(shí)對(duì)反射亮度進(jìn)行適當(dāng)區(qū)分。

（3）為提高雨線的逆反射性能，可從材料和結(jié)構(gòu)兩方面入手。從材料角度出發(fā)，提高涂料的白度和玻璃珠的質(zhì)量是有效途徑；在結(jié)構(gòu)方面，增強(qiáng)玻璃珠與涂料的結(jié)合能力、有效增大突起部分立面面積可以提升振動(dòng)標(biāo)線和雙組分標(biāo)線的逆反射性能。

（4）材料和結(jié)構(gòu)是未來雨線研究的主流方向，而目前關(guān)于雨線施工的研究較少，在未來研究過程中亟須補(bǔ)充對(duì)施工設(shè)備和施工工藝的研究。

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收稿日期：2022-11-30