水性道路標(biāo)線性能衰減規(guī)律研究

吳聞秀 張明真 駱曉凌 鄒曉勇 盧建洪 劉倞 司晶晶

摘 要：道路標(biāo)線是保障道路交通安全不可或缺的部分。為明確水性道路標(biāo)線的性能衰減規(guī)律，通過室內(nèi)模擬老化條件及對試驗(yàn)段進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，分析不同老化周期及不同荷載對水性標(biāo)線磨耗值的影響，擬合檢測的逆反射亮度系數(shù)值，探究水性道路標(biāo)線的磨耗性能和逆反射亮度系數(shù)的衰減規(guī)律。結(jié)果表明，水性標(biāo)線在紫外老化的作用下主要發(fā)生氧化反應(yīng)和水損害，老化周期在20周期之前，水性標(biāo)線的磨耗值為0.9～5.8 mg，變化較??；老化20周期之后，隨著老化時(shí)間的增加，水性標(biāo)線的磨耗值增加速度變快，40周期磨耗值達(dá)到21.5 mg。水性道路標(biāo)線的逆反射亮度系數(shù)隨著標(biāo)線使用時(shí)間持續(xù)衰減，且在初始階段衰減速度較慢，隨著服役時(shí)間的延長，衰減速度變快，與室內(nèi)模擬老化過程中磨耗性能的衰減規(guī)律一致。

關(guān)鍵詞：水性道路標(biāo)線；性能衰減規(guī)律；磨耗性能；逆反射亮度系數(shù)；紫外老化

中圖分類號：U491.5+23??? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?? 文章編號：1006-8023（2023）04-0155-05

Attenuation Law of Water-borne Road Marking Performance

WU Wenxiu1， ZHANG Mingzhen4， LUO Xiaoling1， ZOU Xiaoyong1， LU Jianhong2， LIU Jing3， SI Jingjing4*

（1.Jinhua Highway and Transportation Management Center， Jinhua 321000， China; 2.Wuyi Highway and Transportation

Management Center， Jinhua 321299， China; 3.Dongyang Highway and Transportation Management Center， Jinhua

322199， China; 4.College of Civil and Transportation Engineering， Hohai University， Nanjing 210098， China）

Abstract： Road marking is an indispensable part of road traffic safety. In order to clarify the performance attenuation law of the water-borne road marking， indoor simulated aging conditions and substantial project tracking monitoring were conducted to analyze the influence of different aging cycles and different loads on the abrasion value of water-borne markings， and the coefficient of retroreflected luminance were fitted to study the performance attenuation behavior of water-borne road marking abrasion resistance and coefficient of retroreflected luminance. The result showed that oxidation and water damage mainly occurred in water-borne road marking under ultraviolet aging. When the aging cycle was from 0 to 20 cycles， the abrasion value of the water-borne marking changed little， ranging from 0.9 to 5.8 mg. After 20 cycles， with the increase of the aging cycle， the increase of the abrasion value of the water-borne marking gradually became faster， and the abrasion value reached 21.5 mg at 40 cycles. The coefficient of retroreflected luminance of the water-borne marking decreased continuously with the extension of service time. The decrease rate of the coefficient of retroreflected luminance was slow in the initial stage and became faster with the extension of service time， and it was consistent with the decay law of abrasion resistance in indoor simulated aging process.

Keywords：Water-borne road marking; attenuation law of performance; abrasion resistance; coefficient of retroreflected luminance; UV aging

收稿日期：2022-09-29

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金青年基金（52008156）;金華市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2022-3-057）

第一作者簡介：吳聞秀，碩士，工程師。研究方向?yàn)楣方ㄔO(shè)與養(yǎng)護(hù)管理。E-mail： 277182929@qq.com

通信作者：司晶晶，博士，副教授。研究方向?yàn)樾滦吐访娼Y(jié)構(gòu)與材料、鋼橋面鋪裝技術(shù)和材料。E-mail： sijingjing@hhu.edu.cn

引文格式：吳聞秀，張明真，駱曉凌，等. 水性道路標(biāo)線性能衰減規(guī)律研究[J].森林工程，2023，39（4）：155-159.

WU W X， ZHANG M Z， LUO X L， et al. Attenuation law of water-borne road marking performance[J]. Forest Engineering， 2023， 39（4）：155-159.

0 引言

道路標(biāo)線因其具有逆反射功能而反光，已成為保障道路交通安全不可或缺的部分[1]。國內(nèi)道路標(biāo)線主要分為4類：熱熔型道路標(biāo)線、溶劑型道路標(biāo)線、雙組分道路標(biāo)線和水性道路標(biāo)線[2]。目前在我國熱熔型道路標(biāo)線和溶劑型道路標(biāo)線的應(yīng)用較多，但二者存在耐磨性差、環(huán)保效益不足、光度性能差、修復(fù)困難等缺陷[3]。雙組分道路標(biāo)線因其比熱熔標(biāo)線的耐磨性且附著性好，經(jīng)過聚合反應(yīng)生成的網(wǎng)狀分子結(jié)構(gòu)擁有強(qiáng)附著且高耐磨等優(yōu)異性能，逐漸受到關(guān)注。水性道路標(biāo)線因其環(huán)保性和快速復(fù)涂特性，在養(yǎng)護(hù)工程中的應(yīng)用越來越廣泛[6-9]。

水性道路標(biāo)線（以下稱水性標(biāo)線）的主要優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)和應(yīng)用過程中安全環(huán)保。如何獲得性能更優(yōu)異的水性標(biāo)線涂料成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問題[10-11]。20世紀(jì)90年代，美國陶氏化學(xué)公司開發(fā)的FASTRACK 3427A丙烯酸聚合物乳液，具有干燥快、耐磨和耐候性好的特點(diǎn)，與玻璃珠優(yōu)異的黏結(jié)力為夜間和雨天標(biāo)線提供良好的可視性[12]。國內(nèi)學(xué)者對水性標(biāo)線的性能優(yōu)化也進(jìn)行了積極的探索。梁乃杰等[13]通過熔融縮聚合成了偏苯三酸酐型水性涂料用聚酯樹脂，制備的水性聚酯涂料具有涂層耐水性優(yōu)、儲存穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。梁哲[14]采用一種堿溶型固體丙烯酸樹脂溶于氨水作為乳化劑，配制純丙烯酸樹脂乳液，并對水性丙烯酸樹脂分子的親水基（羧基）做特殊處理，最終制得的水性標(biāo)線涂料的附著力和耐水性等指標(biāo)可以達(dá)到常規(guī)溶劑型丙烯酸樹脂涂料的標(biāo)準(zhǔn)。于國玲等[15]用水性羥基聚丙烯酸酯分散體、親水性多異氰酸酯固化劑3 598T、消泡劑TEGOFoamex810、潤濕劑BYK-104E和流平劑KST-203等原料調(diào)制出一種性能優(yōu)良的雙組分水性聚氨酯漆。吳明江等[16]用預(yù)聚體法制備了固含量為40%的水性聚氨酯樹脂，以此制備的水性標(biāo)線涂料附著力優(yōu)異、不黏輪時(shí)間短，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足道路標(biāo)線涂料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。Bi等[17]研發(fā)了一種由含有自制改性發(fā)光粉和各種添加劑的丙烯酸共聚物乳液制成的水性標(biāo)線，該標(biāo)線室溫下的發(fā)光性能、耐磨性、附著力和耐水性能滿足路面的基本要求。

相比于雙組分道路標(biāo)線，水性標(biāo)線的使用壽命較短，其逆反射亮度系數(shù)衰減較快，致使其推廣應(yīng)用受限。為明確水性標(biāo)線的性能衰減規(guī)律，提升水性標(biāo)線的耐久性，通過室內(nèi)模擬老化條件和試驗(yàn)段跟蹤監(jiān)測，對水性標(biāo)線進(jìn)行性能衰減模擬，探究其磨耗性能和逆反射亮度系數(shù)的衰減規(guī)律，并從微觀角度分析衰減機(jī)理。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水性標(biāo)線涂料使用的樹脂乳液是水性丙烯酸樹脂乳液，選用的填料為石英砂和重質(zhì)碳酸鈣粉，顏料為金紅石型鈦白粉，玻璃珠選用1號玻璃珠，其粒徑分布參照《路面標(biāo)線用玻璃珠》（GB/T 24722—2009）。

1.2 標(biāo)線材料制備

1.2.1 水性標(biāo)線涂料制備

水性標(biāo)線的制備過程如下。首先，按照配方分別稱重各組成成分。其次，將樹脂乳液和去離子水加入反應(yīng)器中，在300～500 r/min條件下攪拌10 min。然后，加入鈦白粉和重鈣粉，緩慢將攪拌速率提高到1 000～1 200 r/min，攪拌1 h。充分混合反應(yīng)后，降低攪拌速率至600～800 r/min，加入乙醇、成膜助劑和消泡劑，攪拌15 min。最后，加入增稠劑，以1 200 r/min的速率攪拌20～30 min，獲得水性標(biāo)線涂料。

1.2.2 老化標(biāo)線樣品制備

將制備完成的水性標(biāo)線樣品放入紫外線老化箱進(jìn)行老化。一個(gè)老化周期的定義為：紫外線老化烘箱的溫度設(shè)置為60 ℃，濕度為92%，光強(qiáng)設(shè)置為100 lx，將樣品在此環(huán)境下暴露12 h為一個(gè)周期。對樣品分別進(jìn)行0、10、20、30、40周期的紫外老化，并分別進(jìn)行磨耗性能、逆反射亮度系數(shù)和傅里葉變換紅外光譜（Fourier Translation Infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR）分析測試。

1.3 分析與表征

1.3.1 微觀結(jié)構(gòu)

采用FTIR的全反射（Attenuated Total Reflection，ATR）附件表征不同紫外老化周期的樣品分子結(jié)構(gòu)變化。測試的波數(shù)范圍為4 000～400 cm-1。

1.3.2 耐磨性能

將水性標(biāo)線涂料噴涂于玻璃圓盤模具上，固化后獲得磨耗試驗(yàn)的試樣，每個(gè)測試樣品制備3塊試板。在室溫下用磨耗儀進(jìn)行耐磨性能測試。通過測試帶有荷載的橡膠砂輪循環(huán)后的質(zhì)量損失來表征涂層的耐磨性，砂輪循環(huán)200 r，每50 r記錄一次數(shù)據(jù)。質(zhì)量損失越少，耐磨性能越好。在另外2塊試板上重復(fù)上述操作。最后對每1塊試樣，用減量法計(jì)算經(jīng)商定的轉(zhuǎn)數(shù)后的質(zhì)量損耗。計(jì)算3塊試板的平均質(zhì)量損耗為該試樣的磨耗值，精確到1 mg。對不同老化周期的樣品采用750 g荷載進(jìn)行磨耗試驗(yàn)。同時(shí)，為了模擬不同荷載對標(biāo)線磨耗的影響，對老化0周期和40周期的標(biāo)線試樣加測500 g和1 000 g 2種荷載。磨耗試驗(yàn)試樣如圖1所示。

1.3.3 逆反射亮度系數(shù)

為了研究水性標(biāo)線逆反射亮度系數(shù)的衰減規(guī)律，在寧靖鹽高速施劃水性標(biāo)線試驗(yàn)段。于標(biāo)線施工完成1、3、6、18個(gè)月后分別測量標(biāo)線的逆反射亮度系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 化學(xué)結(jié)構(gòu)

不同老化周期的水性標(biāo)線的FTIR譜圖如圖2所示。隨著老化的進(jìn)行，水性標(biāo)線3 548 cm-1和3 396 cm-1處出現(xiàn)2個(gè)峰，分別對應(yīng)OH伸縮振動和NH伸縮振動?？赡苁且?yàn)殡S著老化的進(jìn)行，水性標(biāo)線中的樹脂與水反應(yīng)，生成了OH。2 917 cm-1處出現(xiàn)新的峰對應(yīng)CH伸縮振動，可能是因?yàn)樽贤饫匣茐牧藰渲械牟伙柡徒Y(jié)構(gòu)，導(dǎo)致CH含量增多。紫外老化后，1 143 cm-1處出現(xiàn)新的峰，對應(yīng)SO伸縮振動，可能是因?yàn)樗詷?biāo)線涂料中的含硫基團(tuán)與空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)。因此，水性標(biāo)線紫外老化過程中主要發(fā)生水損害和氧化2種破壞。

2.2 磨耗性能

不同老化周期的水性標(biāo)線的磨耗結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，老化周期為0～20周期時(shí)，水性標(biāo)線的磨耗值的變化在0.9～5.8 mg，說明20周期之前老化周期對于水性標(biāo)線磨耗值的影響較小。20周期之后，隨著老化周期的增加，水性標(biāo)線磨耗值呈現(xiàn)明顯上升趨勢，且磨耗值的增加速度呈現(xiàn)逐漸變快的趨勢，老化40周期時(shí)，磨耗值達(dá)到了21.5 mg，約為老化30周期時(shí)磨耗值的2倍。可能是因?yàn)闃渲匣兇?，使得?biāo)線涂料的力學(xué)性能降低。

為了模擬不同荷載對水性標(biāo)線磨耗性能的影響，對老化0周期和40周期的水性標(biāo)線試樣分別加載500、750、1 000 g 3種荷載進(jìn)行磨耗試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，對于相同老化周期的樣品，磨耗值隨著荷載量的增加而增大，表明重載作用下，水性標(biāo)線的磨耗性能變差。0周期即未老化時(shí)，水性標(biāo)線在1 000 g荷載下的磨耗值約是500 g荷載下磨耗值的2倍。老化40周期時(shí)水性標(biāo)線在1 000 g荷載的磨耗值是500 g荷載磨耗值的1.5倍。這表明重載作用對新建水性標(biāo)線的磨耗較大，并且隨著老化的進(jìn)行這種負(fù)面影響逐漸降低。

2.3 逆反射亮度系數(shù)

對寧靖鹽高速施劃的水性標(biāo)線的逆反射亮度系數(shù)進(jìn)行跟蹤測試，結(jié)果如圖5所示。水性標(biāo)線的初始逆反射亮度系數(shù)較高，均在400 mcd/（m2·1x）以上，達(dá)到公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ級標(biāo)線涂料等級。前6個(gè)月水性標(biāo)線的逆反射亮度系數(shù)衰減速度較慢，使用6個(gè)月的標(biāo)線逆反射亮度系數(shù)大于300 mcd/（m2·1x），為初始值的75%以上，仍保持較好的反光性能。6個(gè)月后，水性標(biāo)線的逆反射亮度系數(shù)衰減較快，18個(gè)月時(shí)一車道虛線和二車道實(shí)線的逆反射亮度系數(shù)分別為110 mcd/（m2·1x）和121 mcd/（m2·1x），衰減至6個(gè)月時(shí)的33%和37%。一車道虛線的逆反射亮度衰減速度整體上快于二車道實(shí)線的衰減速度，主要因?yàn)橐卉嚨捞摼€受客車和貨車的綜合作用，而二車道實(shí)線靠近路側(cè)，車輛行駛時(shí)對其碾壓作用較小。

此外，對逆反射亮度系數(shù)跟蹤檢測的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，如圖5所示，一車道虛線和二車道實(shí)線的擬合公式分別為式（1）和式（2）。

Y=177.468×arctan（-0.139 1×x+1.279 4）+256.096 4。（1）

Y=187.458×arctan（-0.122 9×x+1.070 8）+268.414 3 。 （2）

式中：x為標(biāo)線投入使用的時(shí)間，月；Y為標(biāo)線的逆反射亮度系數(shù)。

根據(jù)擬合公式計(jì)算水性標(biāo)線逆反射亮度系數(shù)下降至80 mcd/（m2·1x）時(shí)的時(shí)間，即標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的白色標(biāo)線使用期間的最低逆反射亮度系數(shù)，預(yù)測水性標(biāo)線在高速公路上的使用壽命。結(jié)果表明，一車道虛線的壽命預(yù)測為20個(gè)月，二車道實(shí)線的壽命預(yù)測為21個(gè)月。在實(shí)際使用中，一般18個(gè)月左右會進(jìn)行重新施劃，可以看出上述擬合公式對于水性標(biāo)線使用壽命的預(yù)測具有一定參考價(jià)值。

通過建立水性標(biāo)線試驗(yàn)段的逆反射亮度系數(shù)衰減與室內(nèi)模擬老化試驗(yàn)?zāi)ズ男阅芩p之間的關(guān)系，室內(nèi)模擬預(yù)測其使用壽命。對比水性標(biāo)線逆反射亮度系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線（圖5）和不同老化周期水性標(biāo)線磨耗值的變化曲線（圖3）發(fā)現(xiàn)，逆反射亮度系數(shù)的衰減和磨耗性能的衰減趨勢一致，逆反射亮度系數(shù)在6個(gè)月之后衰減速度加快，12個(gè)月時(shí)一車道虛線和二車道實(shí)線的逆反射亮度系數(shù)衰減至6個(gè)月時(shí)的60%，磨耗性能在紫外老化20個(gè)周期之后衰減速度加快，老化40周期時(shí)，磨耗值超過老化6個(gè)周期的10倍。基于此，得出初步結(jié)論，高速公路水性標(biāo)線在室內(nèi)模擬紫外老化10個(gè)周期，相當(dāng)于實(shí)際使用過程中3個(gè)月的壽命。

4 結(jié)論

本研究針對水性標(biāo)線的性能衰減規(guī)律和機(jī)理，得出主要結(jié)論如下。

1）水性標(biāo)線在紫外老化下主要發(fā)生了水損害和氧化2種破壞。

2）老化周期為0～20周期時(shí)，水性標(biāo)線的磨耗值的變化較小，位于0.9～5.8 mg；20周期之后，隨著老化周期的增加，水性標(biāo)線的磨耗值呈現(xiàn)逐漸變快的趨勢，40周期磨耗值達(dá)到21.5 mg。

3）隨著水性標(biāo)線投入使用時(shí)間變長，其逆反射亮度系數(shù)持續(xù)衰減，0～6個(gè)月的衰減速度較慢，使用6個(gè)月的標(biāo)線逆反射亮度系數(shù)為初始值的75%以上；6個(gè)月之后衰減速度加快，18個(gè)月時(shí)衰減至6個(gè)月時(shí)的33%～37%。

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