道路標線視認性提升技術研究進展

解瑞松 魯孝松 張 偉 何 銳*

(陜西交通控股集團有限公司1) 西安 710065) (長安大學材料科學與工程學院2) 西安 710064)

0 引 言

道路標線是公路交通安全的重要保證手段,起著引導車流、規范路線和傳遞信息的作用.隨著我國城市道路、城鄉公路尤其是高速公路網絡的大規模建設,改善道路標線視認性對提高交通效率、保障行車安全具有關鍵性的作用.同時,隨著節能減排、綠色環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需求增大,人們對道路標線提出了更加節能、環保及智能的要求.開發新型道路標線材料,提高道路標線的視認性與耐久性,具有重要的社會、經濟和生態意義.

為了改善道路標線的視認性,學者們提出了各種解決方案[1]:撒布玻璃珠、增大標線涂布面積、使用丙烯酸類樹脂(MMA)/預聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)涂料、LED自發光標線和熒光標線等,目前國內最常用的標線是熱熔標線和雙組份標線.熱熔標線主要由成膜物(一般為C5樹脂)、顏料、玻璃珠、填料和助劑組成,其中成膜物是影響標線涂料耐久性的關鍵原料[2].但石油樹脂親油、易軟化、不耐污的特點使得熱熔標線涂料無法滿足耐久性和環保的要求.因此,高性能、高固含量的雙組份涂料正逐步取代傳統的熱熔標線涂料.該類涂料固化時間可控,亮度因數高,耐磨性、耐候性強,可減少標線反復施劃的次數.同時,新型標線材料如LED技術應用于電致發光標記和標線,可與太陽能電池和自維護系統結合,實現自發光、免維護的效果[3-5].熒光/磷光材料可吸收外界光能在夜間釋放,是極具發展潛力的標線材料.

文中對目前常用的兩類道路標線材料進行了梳理,綜合評價了不同標線材料的實際性能及其優缺點.從基體材料與施工工藝的角度闡述了影響道路標線視認性的主要因素及相關的改進措施.

1 道路標線材料體系

1.1 被動式反光標線

早期的道路標線多使用油漆或水性涂料施劃,以提升車輛行駛的安全性和規范性[6].油漆類道路標線最突出的問題是耐久性不高,且無法提供夜間的可視性.隨著交通運輸業的不斷發展,道路車流量急劇增大,對標記材料的經濟性和耐久性提出了更高的要求.熱熔型標線以其適當的耐久性,以及使用廉價的玻璃微珠即可得到適當的逆向反射性的特點,迅速取代了高交通量道路上的低耐久性交通標線涂料,被廣泛應用在城市道路和高速公路[7].圖1為熱熔標線的反光原理.玻璃珠可以通過逆向反射車前燈的光到光源方向實現增強道路標線視認性的目的.這類標線為被動反光型標線,玻璃珠為其提供主要的夜間反光作用.

圖1 玻璃珠逆反射光線原理

影響含玻璃珠反光標線逆反射性能的主要因素包括施劃標線的涂料類型、標線的表面狀況、標線上撒布的玻璃微珠的質量和分布及其嵌入度和成圓率.被動式反光標線突出的優點在于原料成本較低,施工簡便,但玻璃微珠的性能變化很大,再加上涂料類型和路表狀況等變量,標線性能差異性會發生的更大變化.

1.2 主動式發光標線

1.2.1LED自發光標線

LED標線可以根據需要改變顏色,具有視認性好、不受雨雪天氣影響、燈珠發光壽命長、耗電量低等優點,常用于城市減速標線帶和交叉口,用于引導車輛減速、排隊,以及指引行人通過斑馬線[8].其缺點是需要配套安裝電源和線纜設備,成本較高.

1.2.2熒光/磷光標線

圖2為熒光發光的原理,這個過程發生在納秒到微秒的時間尺度上,可快速對車燈發射的光線做出反應,但熒光材料的輻射壽命一般小于10～4 s在沒有光線激發的情況下不具備夜間視認性,因此難以應用于道路標線.

圖2 熒光激發原理[9]

磷光與熒光相似,只是釋放光的時間尺度是從幾微秒到數小時不等.大多數磷光應用都使用硫化鋅,與目前研究的銪,鏑摻雜鋁酸鍶(SrAl2O4:Eu2+,Dy3+)相比,發光能力較弱.隨著這一相對較新的磷光材料的發展,已有道路標線涂料使用該材料進行設計、施工與應用[10].

1.3 常用道路標線材料性能總結

綜合對標線材料的研究可以看出,在目前主流的幾類交通標線材料中,水性涂料標線施工簡便,綠色環保,但涂料干結時間長,不耐雨水沖刷,國內應用較少;溶劑型涂料含有大量有機溶劑,污染環境,已逐步停止使用;熱熔標線雖然施工會消耗大量能源,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;雙組份標線性能優異,耐磨性和耐候性極佳,亮度因數高,由于成本較高目前還處于推廣和擴大使用范圍階段;LED標線由于鋪設成本高,仍處于試驗階段;類似地,熒光/磷光標線也處于小范圍試驗階段,實現大范圍應用仍需進一步發展.

2 影響道路標線視認性的因素

2.1 道路標線材料對視認性的影響

道路標線的視認性首先取決于其標線涂料的性質.早期的水性標線主要由純丙乳液制備,但是水性涂料突出的問題是干結緩慢,易受雨水沖刷.含揮發性有機化合物(VOC)的丙烯酸涂料會導致空氣污染和危害人類健康[11-12];非揮發型丙烯酸涂料可通常發黏且缺乏足夠的硬度[13].熱熔標線在夏季高溫和高行車荷載的情況下會發生“流淌型”變形,同時,熱熔標線抗拉強度低,在外加載荷或者環境變化導致的內應力作用下容易發生開裂,見圖3.

圖3 道路標線開裂

道路標線在使用過程中(在行車荷載作用下)也會發生視認性衰減.道路標線視認性的衰減是伴隨標線的磨損和污染產生的.圖4為新劃標線的玻璃珠撒布狀態和磨損后玻璃珠脫落情況.此外,機油、灰塵、輪胎碎屑等標線涂料的污染也會造成標線視認性的降低.

圖4 新劃標線玻璃珠狀態與標線磨損后玻璃珠脫落

選擇成膜物質、顏料、填料和增塑劑作為關鍵因素,使用混合物實驗設計(MED)對熱熔型標線涂料的配方模型進行優化,可增強熱熔標線涂料的相容性,改善其路用性能[14].也可使用有機硅烷對石油樹脂進行改性,促進其與熱熔涂料中有機官能團的反應,使涂料的黏結性能更佳[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].上述方法均通過改善涂料基體材料的性能,達到增強道路標線使用性能的目的.

除了基體材料本身的性質,道路標線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性能不好,因為熱熔涂料粘度大,涂料的滲透性差,水泥路面構造深度較小,錨固作用不足,在施工過后容易發生標線的脫落[18].為了進一步改善道路標線的耐久性,雙組份涂料也被應用于標線的施劃.常見的雙組份涂料有環氧型和MMA型,由涂料基材、填料等和固化劑組成.環氧型雙組份道路標線涂料具有良好的潤濕性和固化強度,環氧涂料與之間路表形成氫鍵,具有很強的粘附力.MMA型雙組份道路標線主要成分為甲基丙烯酸甲酯,是冷塑性、無溶劑的標線材料.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,增大地面與標線的附著力.固化后的雙組份涂料結構穩定,耐候性好,可以承受車輪荷載不發生變形.

2.2 道路標線施工工藝對視認性的影響

改善標線的視認性包括材料和施工工藝兩方面,對標線涂料的改性提高了標線的耐久性和亮度因數,提升了道路標線的視認性,而施工工藝決定了道路標線的實際使用質量.

對于被動式反光標線,玻璃珠是逆反射光線的主要材料,其撒布決定了標線實際的逆反射系數和標線前期的視認性衰減速率.嵌入度即玻璃珠在涂料基體中嵌入部分與整體的比值,可用來表征玻璃珠的撒布情況.當撒布的玻璃珠嵌入度過低時,玻璃珠有大部分露在空氣中,當光線以小角度入射時,大部分光線直接透過玻璃珠而無法在玻璃珠與涂料基體的界面處完成逆反射,此時標線的逆反射系數較低或出現“虛高”的現象,即通車后玻璃珠很快在輪胎摩擦作用下脫落,造成逆反射系數急劇下降;當撒布的玻璃珠嵌入度過大時,玻璃珠大部分被涂料基體裹附,入射光線無法從玻璃珠內部折回,造成初始逆反射系數低或無逆反射性.玻璃珠的嵌入度是評價施工質量的關鍵因素,但目前沒有關于玻璃珠嵌入度表征的系統性研究.一方面,可借助圖像處理和顯微技術,使用體視學顯微鏡或追蹤玻璃珠嵌入的經時變化得到嵌入度.同時,對于初始逆反射系數可能存在虛高的情況,應考慮初始逆反和長期逆反射性能的平衡點,研究標線逆反射性能衰減趨勢與初始逆反射系數的關系,以此調整標線施工工藝.

推廣LED主動發光式標線則需解決其安裝鋪設問題,凸起的路面標線容易在行車荷載作用下脫落,寒冷地區鏟雪車會對凸起的路面標線及標志造成損傷.相關的解決方案包括設置保護坡道,控制除雪鏟的高度避免損壞LED,或將LED埋設到低于路面的位置,即在路面鋪設的同時埋布管線或鋪設特殊的混凝土面層.朱本成等[19]提出了一種透光混凝土LED主動發光交通標線并給出了施工方法,將透光混凝土引入公路領域,結合發光二極管設置主動發光交通標線.

蓄能發光型標線的核心是熒光粉,大部分熒光粉面臨熒光強度低,發光時間短,熒光粉易水解等問題,因此熒光/磷光材料需被基材完全裹附,以防止熒光粉水解,同時基材成本較高,多涂層形式施工,工藝復雜.尋找發光效率高的熒光粉以及合適的基材是解決問題的關鍵.使用SrAl2O4:Eu2+,Dy3+作為磷光發光材料,以正硅酸乙酯為硅源對磷光材料進行包覆,避免其水解及分解老化,增加其余暉亮度和余暉時間[20].吳謹等[21]優選了熒光粉膠結基料,利用改性劑AGE對油性環氧和水性環氧進行試驗,制備的熒光涂料不沾胎時間短,耐磨、耐水性和抗老化性能優異.董元帥等[22]針對道路標線中專用的蓄能發光材料進行制備,并進行了基于單因素及正交試驗的配伍性研究、路用安全性研究.

提升道理標線的整體質量還應加強施工隊伍建設.國內現有的施工設備自動化程度低,玻璃微珠撒布仍主要依賴施工人員經驗,改進現有的施工設備,規范交通標線設計施工標準,對于提升交通標線整體質量具有重要意義.

3 道路標線材料發展趨勢

隨著節能減排、綠色環保的理念深入人心,標線涂料對環境的影響也愈發受到關注[23-25].溶劑型涂料VOC含量高可達30%～40%,且含有易產生光化學煙霧的有機溶劑,因此在生產和施工中受到越來越多的管制.熱熔涂料施工需要加熱到200℃以上,會消耗大量能源,同時產生的煙氣還會污染環境,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線涂料的應用順應了當下綠色環保的發展理念[26].使用低(無)VOC含量的雙組份和水性涂料替代熱熔涂料和溶劑型涂料,可以減少標線材料對環境的影響[27].任予峽等人改進了具有核殼結構的環丙乳液,使用環氧樹脂、復合乳化劑和其他填料與助劑合成了快干低VOC的水性標線涂料.此外,還可使用礦物填料增強以改善涂膜硬度,但礦物資源不可再生且污染環境;也可使用植物基再生硬化填料——纖維素納米晶體(CNC)進行填充.通過該方法,可使不含VOC的涂料配方獲得接近含VOC硬質丙烯酸涂料的性能.

此外,在夜間環境及雨、霧等惡劣天氣條件下仍然能夠提供足夠的視認性也是道路標線材料的發展趨勢.環境因素會直接影響標線的性能發揮.當雨水覆蓋玻璃珠表面時,玻璃珠的反光性會降低,造成標線逆反射性能下降[28].對此,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境下獲得更好的視認性.在實際工程中就需要混合使用低折射率和高折射率玻璃珠,從而提高了道路標線的成本,并且逆反射系數低于單一種類玻璃珠.另一方面,從涂料自身因素考慮,水性標線干燥時間長,無法在潮濕或低溫環境下施工.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,可以提升標線的耐候性和耐磨性,提升標線的逆反射能力.

4 結 束 語

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線面臨的耐久性和環保問題的主流解決方案.同時,改變玻璃珠的材質,使用中折射率(約1.7)的玻璃珠并拓寬玻璃珠的級配范圍,可改善潮濕環境下的逆反射性能.該方案可提升被動式發光標線的視認性,改善標線的耐久性和粘附性,減緩標線表面玻璃珠的脫落,提供長久的服役功能.從長遠的發展來看,主動式發光標線擁有更廣闊的前景,可應對更惡劣的環境并提供良好的視認性.蓄能自發光型材料具有較大發展潛力,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用該材料亟需解決的問題.降低自發光LED標線的成本,使用耐磨耐沖擊的基材包裹LED發光體,簡化施工工藝將是LED標線技術進入新的發展階段.此外,LED標線可與傳感及控制設備相結合,感知交通狀況,智慧調整標線傳遞的交通引導信息,有助于改善城市道路交通擁堵狀況,全面提升公路交通安全.

未來道路標線的發展應是全面地、系統地,大力發展標線新技術與智慧交通的融合,同時因地制宜采用不同道路標線材料,使其性能最優化,不斷向優質耐久、綠色環保的方向發展.