道路標(biāo)線(xiàn)視認(rèn)性提升技術(shù)研究進(jìn)展

解瑞松 魯孝松 張 偉 何 銳*

(陜西交通控股集團(tuán)有限公司1) 西安 710065) (長(zhǎng)安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2) 西安 710064)

0 引 言

道路標(biāo)線(xiàn)是公路交通安全的重要保證手段,起著引導(dǎo)車(chē)流、規(guī)范路線(xiàn)和傳遞信息的作用.隨著我國(guó)城市道路、城鄉(xiāng)公路尤其是高速公路網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模建設(shè),改善道路標(biāo)線(xiàn)視認(rèn)性對(duì)提高交通效率、保障行車(chē)安全具有關(guān)鍵性的作用.同時(shí),隨著節(jié)能減排、綠色環(huán)保的理念深入人心以及夜間或雨、霧等惡劣天氣條件下行車(chē)需求增大,人們對(duì)道路標(biāo)線(xiàn)提出了更加節(jié)能、環(huán)保及智能的要求.開(kāi)發(fā)新型道路標(biāo)線(xiàn)材料,提高道路標(biāo)線(xiàn)的視認(rèn)性與耐久性,具有重要的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)意義.

為了改善道路標(biāo)線(xiàn)的視認(rèn)性,學(xué)者們提出了各種解決方案[1]:撒布玻璃珠、增大標(biāo)線(xiàn)涂布面積、使用丙烯酸類(lèi)樹(shù)脂(MMA)/預(yù)聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)涂料、LED自發(fā)光標(biāo)線(xiàn)和熒光標(biāo)線(xiàn)等,目前國(guó)內(nèi)最常用的標(biāo)線(xiàn)是熱熔標(biāo)線(xiàn)和雙組份標(biāo)線(xiàn).熱熔標(biāo)線(xiàn)主要由成膜物(一般為C5樹(shù)脂)、顏料、玻璃珠、填料和助劑組成,其中成膜物是影響標(biāo)線(xiàn)涂料耐久性的關(guān)鍵原料[2].但石油樹(shù)脂親油、易軟化、不耐污的特點(diǎn)使得熱熔標(biāo)線(xiàn)涂料無(wú)法滿(mǎn)足耐久性和環(huán)保的要求.因此,高性能、高固含量的雙組份涂料正逐步取代傳統(tǒng)的熱熔標(biāo)線(xiàn)涂料.該類(lèi)涂料固化時(shí)間可控,亮度因數(shù)高,耐磨性、耐候性強(qiáng),可減少標(biāo)線(xiàn)反復(fù)施劃的次數(shù).同時(shí),新型標(biāo)線(xiàn)材料如LED技術(shù)應(yīng)用于電致發(fā)光標(biāo)記和標(biāo)線(xiàn),可與太陽(yáng)能電池和自維護(hù)系統(tǒng)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)自發(fā)光、免維護(hù)的效果[3-5].熒光/磷光材料可吸收外界光能在夜間釋放,是極具發(fā)展?jié)摿Φ臉?biāo)線(xiàn)材料.

文中對(duì)目前常用的兩類(lèi)道路標(biāo)線(xiàn)材料進(jìn)行了梳理,綜合評(píng)價(jià)了不同標(biāo)線(xiàn)材料的實(shí)際性能及其優(yōu)缺點(diǎn).從基體材料與施工工藝的角度闡述了影響道路標(biāo)線(xiàn)視認(rèn)性的主要因素及相關(guān)的改進(jìn)措施.

1 道路標(biāo)線(xiàn)材料體系

1.1 被動(dòng)式反光標(biāo)線(xiàn)

早期的道路標(biāo)線(xiàn)多使用油漆或水性涂料施劃,以提升車(chē)輛行駛的安全性和規(guī)范性[6].油漆類(lèi)道路標(biāo)線(xiàn)最突出的問(wèn)題是耐久性不高,且無(wú)法提供夜間的可視性.隨著交通運(yùn)輸業(yè)的不斷發(fā)展,道路車(chē)流量急劇增大,對(duì)標(biāo)記材料的經(jīng)濟(jì)性和耐久性提出了更高的要求.熱熔型標(biāo)線(xiàn)以其適當(dāng)?shù)哪途眯?以及使用廉價(jià)的玻璃微珠即可得到適當(dāng)?shù)哪嫦蚍瓷湫缘奶攸c(diǎn),迅速取代了高交通量道路上的低耐久性交通標(biāo)線(xiàn)涂料,被廣泛應(yīng)用在城市道路和高速公路[7].圖1為熱熔標(biāo)線(xiàn)的反光原理.玻璃珠可以通過(guò)逆向反射車(chē)前燈的光到光源方向?qū)崿F(xiàn)增強(qiáng)道路標(biāo)線(xiàn)視認(rèn)性的目的.這類(lèi)標(biāo)線(xiàn)為被動(dòng)反光型標(biāo)線(xiàn),玻璃珠為其提供主要的夜間反光作用.

圖1 玻璃珠逆反射光線(xiàn)原理

影響含玻璃珠反光標(biāo)線(xiàn)逆反射性能的主要因素包括施劃標(biāo)線(xiàn)的涂料類(lèi)型、標(biāo)線(xiàn)的表面狀況、標(biāo)線(xiàn)上撒布的玻璃微珠的質(zhì)量和分布及其嵌入度和成圓率.被動(dòng)式反光標(biāo)線(xiàn)突出的優(yōu)點(diǎn)在于原料成本較低,施工簡(jiǎn)便,但玻璃微珠的性能變化很大,再加上涂料類(lèi)型和路表狀況等變量,標(biāo)線(xiàn)性能差異性會(huì)發(fā)生的更大變化.

1.2 主動(dòng)式發(fā)光標(biāo)線(xiàn)

1.2.1LED自發(fā)光標(biāo)線(xiàn)

LED標(biāo)線(xiàn)可以根據(jù)需要改變顏色,具有視認(rèn)性好、不受雨雪天氣影響、燈珠發(fā)光壽命長(zhǎng)、耗電量低等優(yōu)點(diǎn),常用于城市減速標(biāo)線(xiàn)帶和交叉口,用于引導(dǎo)車(chē)輛減速、排隊(duì),以及指引行人通過(guò)斑馬線(xiàn)[8].其缺點(diǎn)是需要配套安裝電源和線(xiàn)纜設(shè)備,成本較高.

1.2.2熒光/磷光標(biāo)線(xiàn)

圖2為熒光發(fā)光的原理,這個(gè)過(guò)程發(fā)生在納秒到微秒的時(shí)間尺度上,可快速對(duì)車(chē)燈發(fā)射的光線(xiàn)做出反應(yīng),但熒光材料的輻射壽命一般小于10～4 s在沒(méi)有光線(xiàn)激發(fā)的情況下不具備夜間視認(rèn)性,因此難以應(yīng)用于道路標(biāo)線(xiàn).

圖2 熒光激發(fā)原理[9]

磷光與熒光相似,只是釋放光的時(shí)間尺度是從幾微秒到數(shù)小時(shí)不等.大多數(shù)磷光應(yīng)用都使用硫化鋅,與目前研究的銪,鏑摻雜鋁酸鍶(SrAl2O4:Eu2+,Dy3+)相比,發(fā)光能力較弱.隨著這一相對(duì)較新的磷光材料的發(fā)展,已有道路標(biāo)線(xiàn)涂料使用該材料進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工與應(yīng)用[10].

1.3 常用道路標(biāo)線(xiàn)材料性能總結(jié)

綜合對(duì)標(biāo)線(xiàn)材料的研究可以看出,在目前主流的幾類(lèi)交通標(biāo)線(xiàn)材料中,水性涂料標(biāo)線(xiàn)施工簡(jiǎn)便,綠色環(huán)保,但涂料干結(jié)時(shí)間長(zhǎng),不耐雨水沖刷,國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少;溶劑型涂料含有大量有機(jī)溶劑,污染環(huán)境,已逐步停止使用;熱熔標(biāo)線(xiàn)雖然施工會(huì)消耗大量能源,自身耐污性和抗變形能力較差,但其成本低,耐磨性好,使用最為廣泛;雙組份標(biāo)線(xiàn)性能優(yōu)異,耐磨性和耐候性極佳,亮度因數(shù)高,由于成本較高目前還處于推廣和擴(kuò)大使用范圍階段;LED標(biāo)線(xiàn)由于鋪設(shè)成本高,仍處于試驗(yàn)階段;類(lèi)似地,熒光/磷光標(biāo)線(xiàn)也處于小范圍試驗(yàn)階段,實(shí)現(xiàn)大范圍應(yīng)用仍需進(jìn)一步發(fā)展.

2 影響道路標(biāo)線(xiàn)視認(rèn)性的因素

2.1 道路標(biāo)線(xiàn)材料對(duì)視認(rèn)性的影響

道路標(biāo)線(xiàn)的視認(rèn)性首先取決于其標(biāo)線(xiàn)涂料的性質(zhì).早期的水性標(biāo)線(xiàn)主要由純丙乳液制備,但是水性涂料突出的問(wèn)題是干結(jié)緩慢,易受雨水沖刷.含揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)的丙烯酸涂料會(huì)導(dǎo)致空氣污染和危害人類(lèi)健康[11-12];非揮發(fā)型丙烯酸涂料可通常發(fā)黏且缺乏足夠的硬度[13].熱熔標(biāo)線(xiàn)在夏季高溫和高行車(chē)荷載的情況下會(huì)發(fā)生“流淌型”變形,同時(shí),熱熔標(biāo)線(xiàn)抗拉強(qiáng)度低,在外加載荷或者環(huán)境變化導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力作用下容易發(fā)生開(kāi)裂,見(jiàn)圖3.

圖3 道路標(biāo)線(xiàn)開(kāi)裂

道路標(biāo)線(xiàn)在使用過(guò)程中(在行車(chē)荷載作用下)也會(huì)發(fā)生視認(rèn)性衰減.道路標(biāo)線(xiàn)視認(rèn)性的衰減是伴隨標(biāo)線(xiàn)的磨損和污染產(chǎn)生的.圖4為新劃標(biāo)線(xiàn)的玻璃珠撒布狀態(tài)和磨損后玻璃珠脫落情況.此外,機(jī)油、灰塵、輪胎碎屑等標(biāo)線(xiàn)涂料的污染也會(huì)造成標(biāo)線(xiàn)視認(rèn)性的降低.

圖4 新劃標(biāo)線(xiàn)玻璃珠狀態(tài)與標(biāo)線(xiàn)磨損后玻璃珠脫落

選擇成膜物質(zhì)、顏料、填料和增塑劑作為關(guān)鍵因素,使用混合物實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(MED)對(duì)熱熔型標(biāo)線(xiàn)涂料的配方模型進(jìn)行優(yōu)化,可增強(qiáng)熱熔標(biāo)線(xiàn)涂料的相容性,改善其路用性能[14].也可使用有機(jī)硅烷對(duì)石油樹(shù)脂進(jìn)行改性,促進(jìn)其與熱熔涂料中有機(jī)官能團(tuán)的反應(yīng),使涂料的黏結(jié)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學(xué)性能,可提升水性涂料的抗污能力和抗滑能力[16-17].上述方法均通過(guò)改善涂料基體材料的性能,達(dá)到增強(qiáng)道路標(biāo)線(xiàn)使用性能的目的.

除了基體材料本身的性質(zhì),道路標(biāo)線(xiàn)的使用性能還受路面特性的影響.熱熔涂料與水泥路面的粘結(jié)性能不好,因?yàn)闊崛弁苛险扯却?涂料的滲透性差,水泥路面構(gòu)造深度較小,錨固作用不足,在施工過(guò)后容易發(fā)生標(biāo)線(xiàn)的脫落[18].為了進(jìn)一步改善道路標(biāo)線(xiàn)的耐久性,雙組份涂料也被應(yīng)用于標(biāo)線(xiàn)的施劃.常見(jiàn)的雙組份涂料有環(huán)氧型和MMA型,由涂料基材、填料等和固化劑組成.環(huán)氧型雙組份道路標(biāo)線(xiàn)涂料具有良好的潤(rùn)濕性和固化強(qiáng)度,環(huán)氧涂料與之間路表形成氫鍵,具有很強(qiáng)的粘附力.MMA型雙組份道路標(biāo)線(xiàn)主要成分為甲基丙烯酸甲酯,是冷塑性、無(wú)溶劑的標(biāo)線(xiàn)材料.固化前,涂料中小分子可以滲透到路面,固化后可起到良好的錨固作用,增大地面與標(biāo)線(xiàn)的附著力.固化后的雙組份涂料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,耐候性好,可以承受車(chē)輪荷載不發(fā)生變形.

2.2 道路標(biāo)線(xiàn)施工工藝對(duì)視認(rèn)性的影響

改善標(biāo)線(xiàn)的視認(rèn)性包括材料和施工工藝兩方面,對(duì)標(biāo)線(xiàn)涂料的改性提高了標(biāo)線(xiàn)的耐久性和亮度因數(shù),提升了道路標(biāo)線(xiàn)的視認(rèn)性,而施工工藝決定了道路標(biāo)線(xiàn)的實(shí)際使用質(zhì)量.

對(duì)于被動(dòng)式反光標(biāo)線(xiàn),玻璃珠是逆反射光線(xiàn)的主要材料,其撒布決定了標(biāo)線(xiàn)實(shí)際的逆反射系數(shù)和標(biāo)線(xiàn)前期的視認(rèn)性衰減速率.嵌入度即玻璃珠在涂料基體中嵌入部分與整體的比值,可用來(lái)表征玻璃珠的撒布情況.當(dāng)撒布的玻璃珠嵌入度過(guò)低時(shí),玻璃珠有大部分露在空氣中,當(dāng)光線(xiàn)以小角度入射時(shí),大部分光線(xiàn)直接透過(guò)玻璃珠而無(wú)法在玻璃珠與涂料基體的界面處完成逆反射,此時(shí)標(biāo)線(xiàn)的逆反射系數(shù)較低或出現(xiàn)“虛高”的現(xiàn)象,即通車(chē)后玻璃珠很快在輪胎摩擦作用下脫落,造成逆反射系數(shù)急劇下降;當(dāng)撒布的玻璃珠嵌入度過(guò)大時(shí),玻璃珠大部分被涂料基體裹附,入射光線(xiàn)無(wú)法從玻璃珠內(nèi)部折回,造成初始逆反射系數(shù)低或無(wú)逆反射性.玻璃珠的嵌入度是評(píng)價(jià)施工質(zhì)量的關(guān)鍵因素,但目前沒(méi)有關(guān)于玻璃珠嵌入度表征的系統(tǒng)性研究.一方面,可借助圖像處理和顯微技術(shù),使用體視學(xué)顯微鏡或追蹤玻璃珠嵌入的經(jīng)時(shí)變化得到嵌入度.同時(shí),對(duì)于初始逆反射系數(shù)可能存在虛高的情況,應(yīng)考慮初始逆反和長(zhǎng)期逆反射性能的平衡點(diǎn),研究標(biāo)線(xiàn)逆反射性能衰減趨勢(shì)與初始逆反射系數(shù)的關(guān)系,以此調(diào)整標(biāo)線(xiàn)施工工藝.

推廣LED主動(dòng)發(fā)光式標(biāo)線(xiàn)則需解決其安裝鋪設(shè)問(wèn)題,凸起的路面標(biāo)線(xiàn)容易在行車(chē)荷載作用下脫落,寒冷地區(qū)鏟雪車(chē)會(huì)對(duì)凸起的路面標(biāo)線(xiàn)及標(biāo)志造成損傷.相關(guān)的解決方案包括設(shè)置保護(hù)坡道,控制除雪鏟的高度避免損壞LED,或?qū)ED埋設(shè)到低于路面的位置,即在路面鋪設(shè)的同時(shí)埋布管線(xiàn)或鋪設(shè)特殊的混凝土面層.朱本成等[19]提出了一種透光混凝土LED主動(dòng)發(fā)光交通標(biāo)線(xiàn)并給出了施工方法,將透光混凝土引入公路領(lǐng)域,結(jié)合發(fā)光二極管設(shè)置主動(dòng)發(fā)光交通標(biāo)線(xiàn).

蓄能發(fā)光型標(biāo)線(xiàn)的核心是熒光粉,大部分熒光粉面臨熒光強(qiáng)度低,發(fā)光時(shí)間短,熒光粉易水解等問(wèn)題,因此熒光/磷光材料需被基材完全裹附,以防止熒光粉水解,同時(shí)基材成本較高,多涂層形式施工,工藝復(fù)雜.尋找發(fā)光效率高的熒光粉以及合適的基材是解決問(wèn)題的關(guān)鍵.使用SrAl2O4:Eu2+,Dy3+作為磷光發(fā)光材料,以正硅酸乙酯為硅源對(duì)磷光材料進(jìn)行包覆,避免其水解及分解老化,增加其余暉亮度和余暉時(shí)間[20].吳謹(jǐn)?shù)萚21]優(yōu)選了熒光粉膠結(jié)基料,利用改性劑AGE對(duì)油性環(huán)氧和水性環(huán)氧進(jìn)行試驗(yàn),制備的熒光涂料不沾胎時(shí)間短,耐磨、耐水性和抗老化性能優(yōu)異.董元帥等[22]針對(duì)道路標(biāo)線(xiàn)中專(zhuān)用的蓄能發(fā)光材料進(jìn)行制備,并進(jìn)行了基于單因素及正交試驗(yàn)的配伍性研究、路用安全性研究.

提升道理標(biāo)線(xiàn)的整體質(zhì)量還應(yīng)加強(qiáng)施工隊(duì)伍建設(shè).國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的施工設(shè)備自動(dòng)化程度低,玻璃微珠撒布仍主要依賴(lài)施工人員經(jīng)驗(yàn),改進(jìn)現(xiàn)有的施工設(shè)備,規(guī)范交通標(biāo)線(xiàn)設(shè)計(jì)施工標(biāo)準(zhǔn),對(duì)于提升交通標(biāo)線(xiàn)整體質(zhì)量具有重要意義.

3 道路標(biāo)線(xiàn)材料發(fā)展趨勢(shì)

隨著節(jié)能減排、綠色環(huán)保的理念深入人心,標(biāo)線(xiàn)涂料對(duì)環(huán)境的影響也愈發(fā)受到關(guān)注[23-25].溶劑型涂料VOC含量高可達(dá)30%～40%,且含有易產(chǎn)生光化學(xué)煙霧的有機(jī)溶劑,因此在生產(chǎn)和施工中受到越來(lái)越多的管制.熱熔涂料施工需要加熱到200℃以上,會(huì)消耗大量能源,同時(shí)產(chǎn)生的煙氣還會(huì)污染環(huán)境,危害施工人員身體健康,因此也受到了一定的限制.

水性涂料和其他冷塑性標(biāo)線(xiàn)涂料的應(yīng)用順應(yīng)了當(dāng)下綠色環(huán)保的發(fā)展理念[26].使用低(無(wú))VOC含量的雙組份和水性涂料替代熱熔涂料和溶劑型涂料,可以減少標(biāo)線(xiàn)材料對(duì)環(huán)境的影響[27].任予峽等人改進(jìn)了具有核殼結(jié)構(gòu)的環(huán)丙乳液,使用環(huán)氧樹(shù)脂、復(fù)合乳化劑和其他填料與助劑合成了快干低VOC的水性標(biāo)線(xiàn)涂料.此外,還可使用礦物填料增強(qiáng)以改善涂膜硬度,但礦物資源不可再生且污染環(huán)境;也可使用植物基再生硬化填料——纖維素納米晶體(CNC)進(jìn)行填充.通過(guò)該方法,可使不含VOC的涂料配方獲得接近含VOC硬質(zhì)丙烯酸涂料的性能.

此外,在夜間環(huán)境及雨、霧等惡劣天氣條件下仍然能夠提供足夠的視認(rèn)性也是道路標(biāo)線(xiàn)材料的發(fā)展趨勢(shì).環(huán)境因素會(huì)直接影響標(biāo)線(xiàn)的性能發(fā)揮.當(dāng)雨水覆蓋玻璃珠表面時(shí),玻璃珠的反光性會(huì)降低,造成標(biāo)線(xiàn)逆反射性能下降[28].對(duì)此,可以使用中折射率(1.7)的玻璃珠替代普通玻璃珠(1.5),并在小粒徑(<0.6 mm)玻璃珠中搭配使用較大粒徑(0.8～1.4 mm)的玻璃珠,從而在干燥及潮濕環(huán)境下獲得更好的視認(rèn)性.在實(shí)際工程中就需要混合使用低折射率和高折射率玻璃珠,從而提高了道路標(biāo)線(xiàn)的成本,并且逆反射系數(shù)低于單一種類(lèi)玻璃珠.另一方面,從涂料自身因素考慮,水性標(biāo)線(xiàn)干燥時(shí)間長(zhǎng),無(wú)法在潮濕或低溫環(huán)境下施工.使用雙組份和高固含量的新型水性涂料替代熱熔涂料和溶劑型涂料,可以提升標(biāo)線(xiàn)的耐候性和耐磨性,提升標(biāo)線(xiàn)的逆反射能力.

4 結(jié) 束 語(yǔ)

文中以MMA雙組份涂料為代表的高性能冷塑型涂料目前道路標(biāo)線(xiàn)面臨的耐久性和環(huán)保問(wèn)題的主流解決方案.同時(shí),改變玻璃珠的材質(zhì),使用中折射率(約1.7)的玻璃珠并拓寬玻璃珠的級(jí)配范圍,可改善潮濕環(huán)境下的逆反射性能.該方案可提升被動(dòng)式發(fā)光標(biāo)線(xiàn)的視認(rèn)性,改善標(biāo)線(xiàn)的耐久性和粘附性,減緩標(biāo)線(xiàn)表面玻璃珠的脫落,提供長(zhǎng)久的服役功能.從長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展來(lái)看,主動(dòng)式發(fā)光標(biāo)線(xiàn)擁有更廣闊的前景,可應(yīng)對(duì)更惡劣的環(huán)境并提供良好的視認(rèn)性.蓄能自發(fā)光型材料具有較大發(fā)展?jié)摿?尤其是銪,鏑摻雜鋁酸鍶(SrAl2O4:Eu2+,Dy3+),但如何使熒光粉在涂料中均勻分散和防止熒光粉水解是全面應(yīng)用該材料亟需解決的問(wèn)題.降低自發(fā)光LED標(biāo)線(xiàn)的成本,使用耐磨耐沖擊的基材包裹LED發(fā)光體,簡(jiǎn)化施工工藝將是LED標(biāo)線(xiàn)技術(shù)進(jìn)入新的發(fā)展階段.此外,LED標(biāo)線(xiàn)可與傳感及控制設(shè)備相結(jié)合,感知交通狀況,智慧調(diào)整標(biāo)線(xiàn)傳遞的交通引導(dǎo)信息,有助于改善城市道路交通擁堵?tīng)顩r,全面提升公路交通安全.

未來(lái)道路標(biāo)線(xiàn)的發(fā)展應(yīng)是全面地、系統(tǒng)地,大力發(fā)展標(biāo)線(xiàn)新技術(shù)與智慧交通的融合,同時(shí)因地制宜采用不同道路標(biāo)線(xiàn)材料,使其性能最優(yōu)化,不斷向優(yōu)質(zhì)耐久、綠色環(huán)保的方向發(fā)展.