熱熔型道路交通標線的性能及發展研究現狀

郭 強 尚巧燕 高晉彪 王世平

(1.山西省高速公路集團有限責任公司 太原 030031;2.長安大學材料科學與工程學院 西安 710064;3.山西大成高速公路有限公司 太原 030012)

0 引言

道路交通標線是交通信號系統中最重要的部分之一,它處于駕駛者視野的中心位置,駕駛者無須將注意力從路面轉移到其他交通標志。道路標線的主要作用是向駕駛員傳達交通狀況,引導并管制交通,減少交通事故發生。沒有道路標線會導致交通混亂甚至事故,特別是在車流量大的道路上。因此,道路交通標線是交通信號系統的必要組成部分,也是交通安全的必要保障,目前無法用其他方式取代。

國內外對道路交通標線在引導交通,減少交通事故方面的重要性都有很高的認識。在能見度較差的情況下,道路交通標線更為重要。夜間發生的交通事故在所有交通事故中占的比例最高,因此,具有反光特性的交通標志對于減少交通事故數量非常有利,尤其是在夜晚、下雨或大霧等能見度低的條件下。據報道,生產質量高、辨識度好的交通標線可以避免50%的夜間交通事故,約28%的夜間交通死亡[1]。高質量的交通標線系統可以提高交通安全,方便駕駛員引導,提高駕駛舒適度和交通流量。因此,應盡量避免因交通標線不足、維護不善可能引發的交通事故。

在道路交通標線的發展過程中,不斷發展和改進,以達到交通控制的目的和滿足環境要求。美國俄亥俄州于1924年首次使用標志漆來規范交通秩序。20世紀70年代我國開始研制道路交通標線涂料[2]。熱熔型道路標線是目前使用最廣泛的標線材料。施工時,它被加熱至180～220℃涂覆在路面上,待冷卻固化后粘附在路面上,內混或面撒的玻璃珠會提供良好的可視性[3]。熱塑性道路標線包含預混玻璃珠,當標線表面磨損時,預混玻璃珠會暴露出來,從而在其大部分使用壽命中產生逆反射。熱熔型道路標線因其質量好、成本低,被廣泛應用于車流量大的道路、人行道、停車場等。市售的標線涂料仍舊存在品質差異大、施工隊伍水平參差不齊等現象,導致路面標線逆反射系數不足、開裂、耐久性差等問題,影響車輛和行人出行安全。

目前我國使用量最多的是熱熔標線涂料,針對熱熔型道路交通標線的分類、成分組成、影響因素及發展方向進行了綜述。

1 熱熔型道路交通標線的分類及組成

1.1 熱熔型道路交通標線的分類

現有的道路交通標線過多且難以準確分類,所以道路交通標線沒有統一的分類方法。雖然所有的交通道路標線有相同的用途,以清晰地標記路面,但它們在成分和性能方面存在很大差異。通常,道路標線的分類主要根據標線的施工方式、功能和材料類型。熱熔型道路交通標線按功能劃分,包括三種類型:普通型、反射型和突出型,根據材料類型分為熱熔型、溶劑型、雙組分和水性。根據施工方法分類,有四種類型:噴涂型、擠壓型、刮涂型和預制型,如下所述。

1.1.1 噴涂型熱熔標線

噴涂熱塑性塑料通過移動施工設備涂覆,涂覆速度快,很快干燥[4-5],極大縮短了封閉道路交通的時間,便利交通,減少出行時間延誤。噴涂型熱熔標線施工速度快,形成的標線表面均勻,邊緣整齊,外形美觀。噴涂型熱熔標線的最小厚度在不同的國家地區通常是不同的,在大多數歐洲國家,最小噴涂厚度為1.5mm,而在美國是2.0mm。在中國,噴涂型熱熔標線的厚度為0.8～1.5mm[6]。

1.1.2 擠壓型熱熔標線

擠壓型熱熔標線也可通過移動設備應用,但材料的混合比例設計不同,粘度也高于噴涂型熱熔標線,需要的干燥時間更長。

1.1.3 刮涂型熱熔標線

刮涂型熱熔標線是通過手動手推設備涂覆的,用于小型交通標線,如箭頭、橫向路面標線、符號和文字。對于小標記,通常使用刮涂法,厚度控制在2.0mm。刮涂型熱熔標線常被使用在高速公路等車流量大的道路上,由于其標線涂層較厚,經久耐用,適用于對標線磨損量較大的道路[7]。

1.1.4 預制成型標線帶

通常將600～900mm的預制成型熱熔型標線切割成所需尺寸,以便在應用前進行路面標記。預制成型標線帶的施工方式與其他三種不同,一般有兩種方式。

(1)在清潔路面后,將切割好的預制成型標線帶置于其在路面上的位置,并用噴槍火焰加熱至150℃至180℃,通常被制造成3mm的厚度,在涂敷到路面上之后,3min內冷卻成型,干膜厚度約為2mm;

(2)在瀝青充分固化之前,將預制成型標線帶壓實嵌入瀝青路面內。由于制造的板材尺寸,更利于將預制成型熱塑料用作路面標記箭頭和符號。預制成型標線帶的施工時間短,無VOC排放,對沿線居民生活環境的污染少,性能優異,是一種理想的標線帶[8-9]。

1.2 熱塑性道路交通標線的材料組成

熱塑性道路標線材料是玻璃珠、粘合劑、顏料和填料的混合物。干燥的熱塑性化合物通常在恒溫控制的預熱器或鍋爐中加熱至220℃的溫度,并持續攪拌,直到形成均勻的液狀混合體,再將其轉移至施工車輛之前。將熱的熔融液體涂敷在路面上,并在表面撒入玻璃珠,以產生道路標線規范中規定的初始反光亮度系數[10]。

1.2.1 玻璃珠

道路標線材料的夜間可視性是通過光線反射實現的,最常用的標線材料反射介質是玻璃珠,其效率取決于粒徑、折射率、成圓率和嵌入度。當60%的玻璃珠嵌入標記中,40%暴露在標記上方時,可以提供最佳的反射效果[2]。路面標線用玻璃珠可分為表面撒玻璃珠和預混玻璃珠。Ⅱ級及以上熱熔型涂料反光標線面撒玻璃珠中粒徑600μm以上的4號玻璃珠含量應大于玻璃珠總量的50%。在道路標線使用過程中,面撒玻璃珠會脫落,而標線材料中的混合玻璃珠會隨著時間的推移而暴露出來。選擇玻璃珠需要遵循兩點,玻璃珠與樹脂有較好的結合力,保持夜間的持續反光效果;改善標線的機械強度,合理選擇玻璃珠的粒徑,可以改善標線的耐磨性、抗滑性和抗壓強度。

1.2.2 樹脂

熱熔型道路標線涂料路用性能主要取決于樹脂的性能。樹脂為熱塑性樹脂,常溫下呈粉末狀,使用最多的樹脂是石油樹脂或改性松香樹脂。不同樹脂的物理化學性質不同,可以使用一種或多種樹脂以不同比例混合使用,提高涂料性能。合理選擇樹脂不僅能改善涂料的性能,而且能降低成本。

1.2.3 顏料

顏料是一種細粉末,主要用于為涂料提供著色力和遮蓋力。二氧化鈦(TiO2)是白色道路標線中常用的顏料,通過添加適量的TiO2可以實現更高的逆反射系數。黃色道路標線中使用過多的TiO2會導致道路標線呈現較淺的黃色。顏料選擇主要要求遮蓋力強、著色力好、耐高溫性能強和分散性能好。需注意,一般顏料中都會含有重金屬元素,對環境和人體有害。

1.2.4 填料

填料是為了幫助顏料分散而添加的粉末,從而使整個涂料體系顏色均勻。填料由碳酸鈣、石英砂和其他無機材料的混合物組成,在熱熔型涂料中占比較大。填料不僅可以提高熱熔型標線涂料的機械強度,增加耐磨性,還可以對流動度起重要作用,從而提高熱熔型標線涂料的耐熱性、軟化點和粘結強度。填料也是確保實現逆反射性以及道路標線外觀的重要組成部分。

1.2.5 助劑

在熱熔型標線涂料中加入適當的助劑可以提高涂料的可塑性和柔韌性。常用的助劑有乙烯—醋酸乙烯共聚物(EVA)、苯乙烯類嵌段共聚物(SIS)、鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)和聚乙烯蠟(PE wax)等。EVA和SIS可以增加涂料涂層的柔韌性和粘結力,防止涂料龜裂。DOP能夠改善涂料涂層的脆性,提高抗沖擊性。雖然助劑在涂料中的所占比例最小,但其發揮的作用極大,正確選擇助劑極其重要。

2 熱熔型道路交通標線的性能特點及影響因素

2.1 反光性

2.1.1 反光機理

盡管夜間交通量低于白天,但交通事故極其嚴重,程度明顯更高。統計分析表明:能見度高的人行橫道將減少高達37%的行人與車輛碰撞[11]。道路標線的反光原理有兩種:一種是逆反射,光線照射到玻璃珠時,入射光將按原入射角方向形成一束反射光,如圖1所示;另一種是光線在標線表面形成鏡面反射,但不能返回到車輛方向,這種情況對車輛和行人都是不利的。

圖1 玻璃珠反光機理[12]

2.1.2 影響反光性的因素

針對特定的天氣條件,為提高能見度、降低事故發生率,改善公共交通,玻璃珠被應用于交通標線。玻璃珠的粒徑、折射率、成圓率、嵌入度極大影響了標線的反光性能。玻璃珠一般采用回收的廢舊玻璃加工制作,并通過化學方法對表面進行改性。玻璃珠的粒徑變化多樣,在施工過程中面撒玻璃珠數量多且粒徑分布范圍大。玻璃珠粒徑小則在涂料中不易沉降,提高涂料的密度,縮短干燥時間。使用折射率越高的玻璃珠,標線反光效果越好,其可視性越高。玻璃珠的成圓率是指玻璃珠與理想球體接近程度的度量。成圓率直接影響標線的反射能力,成圓率越高的玻璃珠,其反射能力也越強。相同的施工環境和相同數量的玻璃珠,成圓率越高,標線的逆反射系數越高,反射亮度越強。玻璃珠的嵌入度影響回復反射效果,嵌入度過深或過淺,光線會發生折射逃逸。當嵌入度合適時,玻璃珠才能發生鏡面反射。玻璃珠的嵌入程度不僅會影響標線的反射效果,而且還會影響玻璃珠在涂膜中的附著強度。根據有關技術人員在收集檢測多條高速公路歷年標線逆反射值發現[4],熱熔型路面標線涂料的逆反射亮度系數在一般使用過程中,在6～10個月時間內可能下降初始值的2/3以上,個別檢測值低到20～30mcd·m-2·lx-1,12個月左右由于內混玻璃珠暴露,逆反射系數相對增加,但仍小于初始值?；旧显?個月左右的時間,逆反射亮度系數就衰減至1/2左右,基本不具備夜間反光功能。

熱熔道路交通標線會因標線表面積水導致反光效果降低,交通事故頻發,普通反光道路標線已經不足以提供亮度。設計結構型標線用于在夜間,特別是在潮濕條件下,提高逆反射系數[13]。如圖2所示,雨水將從團聚體或結構標線的頂部自由排出,嵌入標記中玻璃珠清晰可見,可反射來自車輛的入射光。

圖2 結構型標線反光機理[6]

2.2 快干性

2.2.1 成膜機理

標線涂料的表干時間即不沾胎時間或交通不開放時間,是衡量標線涂料的標準之一。如果一種標線涂料的表干時間長,在施工中就需要采用障礙物或交通導向來隔離交通,可能造成交通堵塞,給出行者帶來不便。熱熔型道路標線的成膜機理是將樹脂加熱到融化溫度以上,樹脂分子會相互融合、分散、纏繞,形成一張完整連續的膜[14]。熱熔型標線涂料與其他反應型涂料不同,非反應型的涂料中原料中不含有揮發成分,施工時加熱將粉狀涂料融化,用專門的施工設備涂覆在道路表面,冷凝后形成路面標線[15]。其具有優良的快干性,通常施工后3min內便會干燥。雖然熱熔型涂料的干燥速度比其他涂料快,但涂料涂層干燥速度還應該控制在合適的范圍內。涂層干燥速度過快或過慢都會對玻璃珠的嵌入度產生影響,從而影響標線的反光性。

2.2.2 影響快干性的因素

影響熱熔型標線涂料冷卻成膜的因素有施工時的環境溫度、風速、路面性質、施工設備、加熱溫度和涂料配方等。施工過程中風力過大或環境溫度過低時,熔融涂料溫度降低過快,涂料干燥速度快,相反氣溫過高時,涂料的干燥速度慢。施工涂料加熱溫度過高,涂料降溫干燥的時間也會更長[16]。只有合理選擇施工過程中環境溫度和加熱溫度,才能保證合適的干燥速度。

2.3 粘附性

2.3.1 粘附機理

粘附力是指分開涂料與路面的粘連界面所做的功,是衡量標線的重要標準。熱熔型標線涂料的附著機理分為物理附著和化學附著,物理粘附力取決于底材的性質和涂膜的強度,化學粘附力取決于涂膜和底材之間的作用力[17-18]。標線與路面之間有很強的粘附力,不會因車輛碾壓、發動或制止而快速脫落。即使涂層表面有脫落,也會顯現出內混玻璃珠,防止反光性因涂層磨損而降低。

2.3.2 影響粘附性的因素

涂料粘附力主要取決于涂料原料、路面種類、施工工藝。涂料中樹脂一般要選擇較低分子量的樹脂,在涂料交聯后具有優異的粘附力,并且分子量低的樹脂比分子量高的樹脂更容易滲透到縫隙中。熱熔標線涂料需自然冷卻3～5min,以保證粘附性。涂料施工的路面一般分為瀝青路面和剛性路面(水泥路面)兩種路面。水泥路面是堿性的,在選擇樹脂時應該選擇具有耐堿性的樹脂,否則標線性能優異但與路面的粘附性弱,也只是徒勞。因水泥路面上刻痕較多,存在水分,熱熔標線涂覆后易蒸發產生氣泡,破壞涂層表面[19]。在施工過程中的清掃路面與噴涂下涂劑對標線粘附力也很關鍵。路面的灰塵、砂礫、水分都會影響標線的粘附力,所以保持路面與涂料接觸面干凈是二者結合牢固的關鍵[20]。熱熔標線施工涂覆的下涂劑也稱底油,是一種揮發性較強的樹脂,具有較強的親和力,有助于熱熔涂料與底面的粘接[21]。

2.4 耐久性

2.4.1 耐久性

熱熔型道路交通標線的耐久性,在德國《道路標線補充技術規程和規范(ZTV—M84)》中規定:標線必須與底面有較好的粘結性、耐老化性和耐鹽性及對預計的交通負荷有足夠的耐磨性[22]。耐久性是對標線綜合性能的評估,通常是通過對標線涂料的耐水性、耐堿性、耐老化性、抗裂性、耐磨性和耐候性等性能的測試來評定。路面標線的耐久性在6個月至5a不等,具體取決于不同的實際條件。識別路面標線的耐久性可以更好地預測維護預算,并制定更具針對性的計劃。

2.4.2 影響耐久性的因素

選用理想的樹脂是決定涂料標線品質的關鍵。樹脂的含量影響整個涂料體系的軟化點和抗壓強度,含量增加軟化點會降低,抗壓強度增加,但會造成成本增加和耐磨性能降低。因此,應該綜合考慮樹脂的含量?！叭謽司€,七分施工?！笔┕すば虻囊幏痘?、標準化管理,優化施工工藝,是保證熱熔型道路標線成品質量的關鍵[23]。施工過程中經常會出現變色、裂紋、微孔、氣泡、厚度不一和起皮脫落等問題。微孔和氣泡會影響涂料的涂層附著力,降低涂料的耐水性和耐老化性。起皮脫落會導致涂料抗裂性能、耐磨性和耐候性降低[24]。

熱熔型道路交通標線具有成膜時間短、反光效果好、粘附力強、耐久性好等特點,并且生產時間短,成本小,在我國被廣泛使用。

3 熱熔型道路交通標線的發展方向

熱熔型道路交通標線還存在容易開裂、施工復雜且污染大等問題。針對這些問題,公路研究者通過對樹脂改性或添加摻合料等方法,不斷探索改善施工工藝,有望研究出高性能、低成本、環境友好的路面標線涂料[25]。

3.1 生物基樹脂改性標線

熱熔型標線涂料中使用的樹脂主要是石油樹脂,石油是非可再生資源且國家儲備量越來越少,因此,改性樹脂是未來熱熔標線可持續發展的必然方向。生物基高分子材料是通過生物和化學手段合成的可再生的高分子材料。生物基材料來源廣泛、無毒和環境友好,是理想的石油基代替資源。范文東等[26]用生物基高分子材料改性C5石油樹脂作為成膜物質,制備了一種熱熔型道路標線,與傳統熱熔型道路標線相比,該涂料粘附性提高,同時抗壓強度和耐磨性得到改善。尹彥廣[27]以生物基樹脂為主要材料,加入顏料、填料、助劑及反光材料研制出生物基熱熔標線涂料,其具有良好的快干性、反光性、耐久性和抗滑性,性能指標符合行業標準。生物基改性熱熔標線是一種新型環保標線,已經成為今后熱熔標線的發展趨勢。

3.2 預成型標線帶

預成型標線帶是將反光材料、樹脂、顏填料等通過工廠加工成成品標線帶,再通過常規運輸途徑運輸到現場,粘貼即可。預成型標線帶由上至下,一般可視為三層組合層狀結構,即玻璃微珠層、底片層及粘接層,其中,玻璃微珠層中的玻璃微珠通過粘接劑粘接在底片層上,為標線帶提供一定的反光性和耐磨抗滑性;底片層是整個標線帶中最重要的結構層,需滿足強度及耐久性要求,并根據需求定制顏色;粘接層為標線帶與路面聯結的關鍵構造層,是標線帶發揮各項性能的必要保障,選材具有較高的標準[28]。預成型標線帶優勢獨特,解決了需要二次成型和標線涂料固有的問題。反光玻璃珠以理想的方式粘結在標線帶上,其反光性能可以達到涂料標線的三倍以上[29]。預制標線帶不僅在反光性、柔韌性、抗滑性、視覺效果和施工性能等方面上優于道路標線涂料,并且其在施工過程中,沒有任何VOC的排放,對工作人員及環境也沒有危害。內嵌式預制標線帶具有超長耐久性,中途不需要多次重復劃線,具有很好的應用前景[30]。

4 結論與展望

在綜述熱熔型道路標線涂料的分類和組成成分之后,從機理上分析了熱熔標線的性能特點及其影響因素,并對熱熔標線的未來發展方向給出展望。

(1)熱熔型道路標線的分類方式有很多,按照施工方式可分為:噴涂型、擠壓型、刮涂型和預成型標線帶。熱熔標線的原料組成主要包括玻璃珠、樹脂、顏料、填料和助劑。不同組分有不同的選擇要求。

(2)熱熔型道路交通標線具有反光性、快干性、粘附性和耐久性。原料的性能特點和施工工藝決定熱熔標線的品質。在確定熱熔標線的施工地域、氣候條件后,熱熔標線的原料配比和施工方式都要有相應的調整。在嚴格控制質量的同時也要控制成本。

關于熱熔型道路標線涂料的研究目前只局限于原料和施工方式,對于熱熔標線的微觀性能及環境友好的標線研究有待進一步開展。