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浅议改善标线反光性能的方法:主要针对在玻璃微珠选择的过程中,成圆率和直径范围、折射率对标线涂料反光性能的影响,中国建材网,cnprofit.com
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浅议改善标线反光性能的方法:主要针对在玻璃微珠选择的过程中,成圆率和直径范围、折射率对标线涂料反光性能的影响
2020年09月10日    阅读量:620    新闻来源:中国建材网 cnprofit.com  |  投稿

0 前 言

路面标线是在道路交通过程中作为一种警示的标线,主要对道路交通起着指示以及提醒等作用,是道路交通中一个非常重要的环节。


对于路面标线最重视的一点就是要求夜间甚至雨夜提供有效的反光性来保证交通安全,避免事故发生,所以路面标线的反光性能对道路行驶极其重要。


其中实现路面标线反光的核心元件是具有折射率的玻璃微珠,它们为道路系统提供了夜间反光性能,给夜间交通运输带来了行车方便和安全性,所以玻璃微珠的选择很关键中国建材网cnprofit.com


本文就影响路面标线反光的主要因素,从玻璃微珠的选择和施工工艺,以及标线种类进行了逐一分析,然后提出了几点改善标线反光性能的方法,并初步分析了标线反光的发展趋势。


1 影响标线反光性能的因素

1.1 玻璃微珠的选择

1.1.1 玻璃微珠的成圆率和直径

玻璃微珠的成圆率直接影响着标线的回归反射能力,成圆率越高,标线反光效果越好。只有成圆率大于90%的玻璃珠,才可以实现入射光线回归反射到司机的眼中,从而保证光线的逆反射方向,提高逆反射系数。而成圆率不高的玻璃微珠会使光线在玻璃微珠内部发生多次无规则折射,最后将大部分光线损失掉,无法形成较好的回归反射,使折射返回的光线偏离司机的视野,反光效果差,出现事故。


另一方面,玻璃珠在道路通勤时会有不同程度的磨损和脱落,为了保证道路标线涂料内混的玻璃珠黏结性能和反光持续性,玻璃珠的粒径必须级配,才可保证标线的反光性能最佳。若直径较大,则在标线内的嵌入程度较浅,容易在外力的作用下脱落;


而直径较小,则易全部没入标线内部,最终下沉,反光效果很差;若直径不均匀,则直径较小的玻璃微珠易被直径大的玻璃微珠遮挡,导致无法收到车灯射来的光线,而不能形成有效的回归反射。所以选择粒径合适的玻璃微珠对标线反光性能很关键。


韩君等针对折射率为1.93,观测角为0.2°和1°的逆反射系数数值进行了分析,从而分析了粒径对标线反光性能的影响,如图1所示。

玻璃微珠直径对逆反射系数的影响

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从图1可看出,当观测角为0.2°的时候,玻璃微珠直径增加,逆反射系数数值也增加。当观测角为1°的时候,玻璃微珠直径增加,逆反射系数数值则先减小后增加。


所以当路面标线反光性能不能满足反光要求时,可适当提高玻璃微珠的直径以提高路用反光性能。玻璃微珠直径增加,入射光通量会增大,反射光强度会增强。


但过分提高玻璃微珠直径,会导致在涂料内的嵌入程度过浅,逆反射系数反而降低。


因此,对于反光路面,玻璃微珠直径的选择应综合考虑反光效果和路用性能来确定,不宜过高也不宜过低。实际施工工艺中,由于单个的玻璃微珠的直径偏小,一般在50 μm左右,在与涂料粘结的时候容易被淹没甚至下沉,涂料中预混和标线上面撒的玻璃珠级配常常达不到反光要求,最终导致路面标线反光效果较差。


1.1.2 玻璃微珠的折射率

玻璃微珠的折射率对标线反光性能有着重要的影响。折射率不同,标线的逆反射系数也不同。在夜间甚至雨夜环境下,玻璃珠作为反光元件,可以提供回归反射光线,使逆反射系数提高,给驾驶员一种警示和提醒,避免事故发生。一般来说,逆反射系数是由回归反射的张角所决定的。


当张角越大时,光束发散程度越大,逆反射系数越小。假设平行于光轴的任意一条光线在距离主光轴一定高度h处入射到折射率为n的匀质微球表面,r为玻璃微珠的半径,则入射角θ=arcsin(h/r),张角D2=4arcsin(h/n)-arcsinh。


当n值确定时,就可以计算出不同折射率的玻璃珠形成的回归反射张角。通常情况下玻璃珠的折射率n<2,通过计算公式可知,随着n的增大,张角D2越小,形成的光束越集中,人眼对其的识别能力越强,形成回归反射的效果越好。但考虑到造价,路面标线涂料通常采用折射率n≥1.7的玻璃微珠即可,在n=1.93时反光性能最佳。


1.2 施工工艺对标线反光性能的影响

1.2.1 玻璃微珠的嵌入程度

玻璃微珠在标线涂膜中的嵌入程度亦影响标线的可视性和逆反射系数,可直接反映回归反射强度的大小,如图2所示。

玻璃微珠的嵌入程度与回归反射程度的关系

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从图2中可看出,当嵌入程度在40%~50%时,回归反射程度较差;嵌入程度在60%左右时,回归反射的效果最佳;嵌入程度在60%~80%时,回归反射程度下降。通常,玻璃珠的嵌入程度与玻璃珠的撒布时间、涂料的黏度以及玻璃珠的密度有很大的关系。


当涂料黏度大,玻璃珠密度小,撒布时间较晚时,则玻璃珠嵌入程度较浅,同时有部分玻璃珠成为浮珠,在外力作用下极易脱落,使标线的逆反射系数下降较快,反光标线的有效寿命缩短;


而涂料黏度小,玻璃珠密度大,撒播时间较早时,会使得玻璃珠嵌入程度过深,光线在玻璃珠内发生多次反射,最终折射不回来。因此只有涂料黏度、玻璃微珠密度和撒播时间合适的玻璃珠,才能使得玻璃微珠的嵌入程度合适,从而形成有效的回归反射。研究表明,当玻璃微珠的嵌入程度为55%~65%时,可以形成最佳的回归反射。


1.2.2 玻璃微珠的撒播量

与玻璃微珠的嵌入程度一样,玻璃珠撒布量对标线反光性能也有着极其重要的影响。玻璃珠的撒播量太少,入射光源无法形成集中的回归反射,则标线反光性能差;撒播量太多则容易形成过密的折射。


产生微珠堆积、重叠现象,使部分玻璃珠在涂膜中嵌入程度较小,造成光线在玻璃珠之间反复折射,从而使光线在几次折射后不能回到驾驶员眼中,标线反光性能亦差,出现标线发暗、玻璃珠易脱落等问题,同时会提高标线的造价。研究证明:最适宜的玻璃珠撒量为0.37~0.45 kg/m3。


1.3 不同种类的标线涂料对标线反光的影响

1.3.1 热熔标线涂料对标线反光的影响

道路标线涂料的种类对标线反光性能的耐久性也有着很重要的影响,就热熔型标线而言,将不同年份热熔标线的逆反射值进行了比较,如图3所示。

不同年份热熔标线逆反射值比较

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由图3可看出,2000年前施工的标线,标线逆反射值可保持在80 cd · lx-1 · m-2以上,具有很好的反光效果。但在2002-2004年间的逆反射系数有的下降到60cd · lx-1 · m-2左右。


因热熔标线表面的玻璃珠在经过一定时间后已经在很大程度上有了磨损,逆反射系数是由涂料内混的玻璃珠提供,而内混玻璃珠比例不足,成圆率较差,从而造成热熔标线的逆反射值随时间下降。


为了进一步研究热熔标线的反光耐久性,我们跟踪了某条高速公路,热熔标线逆反射系数随时间变化而变化的情况,如图4所示。

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热熔标线逆反射值随时间变化图

从图4中可看出,热熔标线最初的逆反射数值在150 cd · lx-1 · m-2以上,但在几个月后,逆反射数值就有了大幅度的降低,之后保持稳定。


因最初的逆反射值是由面撒玻璃珠提供,随着表面的玻璃珠磨损和脱落,逆反射系数急速下降,而涂料内混的玻璃珠还未起到很好的作用,在图中会出现一个最低点。


之后内混玻璃珠起作用,逆反射值有所稳定,而后跟随标线的磨损逐步下降。总之热熔标线对标线反光耐久性具有明显的影响,而且热熔标线的耐久性欠优,基本上1 a后,就须考虑铲掉旧标线重新涂覆。


1.3.2 双组分标线涂料对反光性能的影响

与热熔标线相较,双组分标线的逆反射系数较高。以聚甲基丙烯酸甲酯(MMA)为单体的合成树脂,透明性和耐候性均较好,使MMA双组分标线具有优异的白度,对光线吸收少,逆反射系数高,且在长期使用中不泛黄,使耐久性提高。根据某高速公路施工双组分标线后几次检测的逆反射值,粗略绘制标线逆反射值随着时间变化的趋势图,如图5所示

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MMA双组分标线逆反射值随时间变化

从图5中可看出,使用2 a后,MMA标线仍然具有很高的逆反射系数,表明MMA双组分标线的夜间可视性更久。原因有两点,第一是MMA树脂的耐温变性能好,不会像热熔树脂一样,夏季高温变软,黏附大量的脏污,使表面玻璃微珠下沉,导致标线逆反射系数下降。


第二是MMA树脂在成膜过程中形成交联的大分子网状结构,将玻璃微珠和其他组分紧密地包裹其中,同时优良的耐磨性也保证了玻璃微珠不在外力作用下脱落,使逆反射系数缓慢下降,极大延长了标线夜间可视性。所以双组分标线具有优良的反光耐久性。


2 改善标线反光性能的方法

2.1 采用高折射玻璃微珠

通常玻璃微珠的折射率越高,标线的反光性能越好。鉴于玻璃微珠折射率对标线反光的影响,应选择成圆率在90%以上的高折射率的玻璃微珠,才可以更好地实现标线的雨夜和夜间反光性能,提高标线夜间可视性。


2.2 采用新型标线涂料

2.2.1 双组分标线涂料

双组分道路标线涂料对水泥和沥青路面均有优良的附着力、干结迅速、有效寿命长,固化后具有较强的硬度和机械强度,对玻璃珠具有较强的黏结力,属于一种环境友好耐久性标线涂料。


我国曾大量使用环氧树脂作为基体树脂来制作道路标线涂料,但限于发展缓慢、设备简陋、施工工艺不是很成熟,最后暂时退出了标线涂料领域。德国公路研究所R. Keppler[5]教授做了很多试验,数据表明:双组分标线涂料是一种性能很好的涂料。


其中以丙烯酸类的双组分标线涂料发展较快,施工时无需加热,将基料与固化剂混合后,通过化学交联反应形成坚硬的涂膜,与路面和玻璃珠具有较强的黏结力,干结迅速,有效寿命长。由于双组分涂料的涂膜是交联型的,因此双组分标线耐久性好、二次重涂方便。但双组分标线涂料的价格偏高,施工规范严格,涂料要到现场现配现用[6]。


2.2.2 水性标线涂料

水性标线涂料采用水性树脂作基料,反光性能优良,施工效率高,干燥时间短,使用寿命长,施工成本低,对玻璃珠有良好的黏结力,并可做到雨夜反光,重涂性能好,具有较好的耐温变性能。最可取的是该涂料的VOC含量低于125 g/L,符合现在涂料市场的需求。


目前,由于我国水性道路标线涂料的技术仍然处在不断地开发和试用阶段,虽然水性标线涂料在我国已经推广很久,但是因为价格高和干结时间、耐水性能以及施工中存在泛黄等问题一直没有缓解,所以其应用有限。


相信随着人们环保意识的增强和在环保形势日益严峻的影响下,在未来几年,水性道路标线涂料必将成为道路标线涂料的主流。


2.3 采用新的施工工艺

无论是热熔型标线涂料、双组分标线涂料还是水性标线涂料,施工工艺主要采用刮涂式和喷涂式。喷涂式较刮涂式耐久性好、无裂纹,反光持续性强、防滑值较高,重涂性能较好,特别是近几年发展起来的高压无气喷涂技术及空气辅助高压无气喷涂技术,为高黏度涂料和适用期短的双组分涂料的施工创造了条件。


该工艺涂装效率高,喷涂次数少,涂膜质量好,涂料中甚至不需要添加稀释剂,减少了环境污染。


但该喷涂工艺消耗涂料多,操作工艺复杂,设备投资大。从无气喷涂技术应运而生以来,无气喷涂工艺与设备已有了很大的进步,随着我国科技的进步和国民经济的发展,无气喷涂技术将会有质的飞跃,因此无气喷涂技术的前景是十分绚丽的。


3 结 语

本文对影响标线反光性能的多个因素进行分析,提出了几点改善标线涂料反光的措施,可为路面反光标线涂料的开发提供参考。


道路标线涂料是与社会进展是与时俱进的,同时也与道路设施建设及涂料产业的发展息息相关的,在日后的发展中,道路标线涂料总是更注重环保效应、长效性能、经济性能。


以活性丙烯酸酯为基体的双组分标线涂料具有优异的耐久性、持续反光性、环境友好性以及对水泥路面优异适应性,必将在我国得到快速发展。


随着人们对行车安全性和环境保护越来越重视,道路标线涂料必将朝着环境友好、高固体分的耐久型涂料方向发展。有选择性地开发一些适应环境友好、耐久型涂料施工的先进设备及工艺,这对我国交通涂料行业乃至整个涂料工业都有着重要的现实意义。


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