路面标线反光性能影响因素分析

祁晓静，关腊生，张 超

（山西长达交通设施有限公司，山西 太原 030006）

路面标线作为一种基础的交通设施，在车辆行驶过程中，提供诱导、分流、提示或限制等作用，是交通管理中非常重要的环节。通常路面标线需要具备完整清晰、鲜明美观的特性。尤其是高速路，不仅要求标线白天标识明显，夜间也需要提供有效的可视性来保证交通安全。影响路面标线夜间可视性的因素很多，包括反光玻璃珠的特性、施工适宜程度、标线的种类、玻璃珠镀膜与标线种类的配套情况等[1-3]。本文将对这些因素进行简单的分析。

1 玻璃珠对标线夜间反光的影响

1.1 玻璃珠成圆率和粒径对标线夜间反光的影响

如图1a所示，只有接近理想球体的玻璃珠才可以使车灯射入到标线表层玻璃珠的光线经折射—反射—折射进入到司机的眼中。成圆不理想的玻璃珠会使光线在玻璃珠内部发生多次反射，最后透过玻璃珠折射返回的光线会偏离司机的视野，如图1b。

图1 玻璃珠成圆率对标线夜间可视性的影响

因此，在标线施工过程中需优选玻璃珠，通常要求成圆率大于等于90%，从而保证光线的逆反射方向。另外，标线的厚度通常较小，因此玻璃珠的粒径需控制在一定的范围，若玻璃珠较大，其在标线内的嵌入较浅，容易在外力作用下脱落；若玻璃珠较小，则容易全部没入标线内部；若玻璃珠粒径不均匀，其没入标线涂膜的程度也不均匀，较小的玻璃珠容易被大玻璃珠遮挡，无法收到车灯射来的光，或者形成有效的回归反射，这些都会影响标线的夜间可视性，通常玻璃珠的粒径范围应为20～60目。

1.2 玻璃珠的折射率对标线夜间反光的影响

玻璃珠在夜间行车过程中所起到的作用是提供集中的回归反射光线，即将由光源照射到玻璃珠上的大部分光能集中在一个狭小的光锥内返回到司机的视野中。通常来讲，回归反射光束的强弱通常由回归反射的张角（光线射出玻璃珠的方向与光轴线反向之间的夹角）决定，当张角越大时，光束发散越厉害，形成的视觉效果越差。通常情况下张角D2按式1计算：

D2在时取得极大值。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，通过计算可以知道在此范围内，随着n的增大，回归反射的张角D2越小，形成的光束越集中[4]，人眼对其的识别能力越强。也就是说玻璃珠的折射率越大，形成回归反射的效果越好。但考虑到造价，路面标线通常采用折射率n≥1.7的玻璃珠即可。

2 玻璃珠施工适宜程度对标线夜间反光效果的影响

2.1 玻璃珠撒布时间对标线夜间反光的影响

玻璃珠的撒布时间会影响其在标线涂膜中的嵌入程度，而玻璃珠在标线涂膜中的嵌入程度会严重影响标线的逆反射亮度系数。如图2所示，玻璃珠嵌入过浅或者过深，都会影响标线的夜间可视性。

图2 玻璃珠嵌入程度对标线夜间可视性的影响

通常，玻璃珠在涂膜中的陷入程度与玻璃珠的撒布时间、涂料的黏度以及玻璃珠的比重有密切的关系。因此根据涂料的黏度，选择比重合适的玻璃珠，并确定撒布时间尤为重要。当涂料黏度较大，玻璃珠比重较小时，或者撒布时间较晚，玻璃珠嵌入涂膜浅，车头灯光会透过玻璃珠，射向远方，如图2a，同时部分玻璃珠成为浮珠，在外力作用下极易脱落，标线的逆反射亮度系数下降较快，标线有效寿命严重短缩；而涂料黏度较小，玻璃珠比重较大时，玻璃珠嵌入涂膜深，光线在玻璃珠内发生多次反射，最终折不回来，如图2c。只有比重合适的玻璃珠才能形成有效的回归反射，如图2b。对于道路标线而言，玻璃微珠嵌入涂膜的位置一般以露出40%～50%是反光效果最好，而玻璃珠比重为2.4～2.6 g/cm3较合适。

2.2 玻璃珠撒布量对标线夜间反光的影响

玻璃珠撒布量过少时，无法对入射光源形成集中的回归反射，反光量不足；珠量过多，容易产生过密的折射，使反射光偏离入射方向，而且存在玻璃珠黏结不牢容易脱落的问题，同时也会造成成本的增加。通常，玻璃珠撒布量在0.37～0.45 kg/m3之间时效果最佳。玻璃珠量过多时的光路示意图如图3所示。

图3 玻璃珠撒布量过多时对标线夜间可视性的影响

3 标线种类对标线夜间反光效果的影响

3.1 标线种类对标线夜间反光的影响

为考察标线种类对标线初始逆反射亮度系数的影响，实验将热熔和MMA高亮反光标线做了对比。

表1 树脂种类对标线逆反射亮度系数的影响

由表1可见，相较于常见的热熔标线，MMA道路标线具有更优良的色度性能和逆反射亮度系数。光线在照射到物体表面时，会有部分能量被吸收，被吸收的能量越多，反射回的光线越弱，人眼对其的感知能力越差。玻璃珠在形成回归反射过程中，主要的能量损耗发生玻璃珠靠近涂料面的在镜面反射时，也就是部分能量并不形成回归反射，而是透过玻璃珠被标线吸收。通常我们认为，绝对黑体的反射率为0，纯白物体的反射率为1，也就是说当物体越白时对光线的吸收越小，反射率越高。以MMA为单体的合成树脂中有优良的透明性、化学稳定性和耐候性[5]，使得MMA道路标线在相同钛白粉用量条件下具有更优异的白度，并且在长期的使用中不泛黄。同时采用更细腻的填料，也使标线的白度更出众。更好的白度使得标线对光线的吸收更弱，从而保证夜间玻璃珠提供更优异的逆反射亮度系数。

3.2 标线种类对标线夜间持久反光能力的影响

为考察各类标线夜间可视性的持久性，2010年10月在绥牡高速公路K14+200—K19+200北幅做热熔喷涂、热熔刮涂、MMA喷涂、MMA刮涂平面、MMA刮涂凹形等多种标线，标线位置包括内侧边缘线、分界线、外侧边缘线。2011年7月时，再次对其逆反射亮度系数进行测试比较，结果如表2。

表2 夜间可视性持久能力对比（绥牡高速公路试验段）

由表2可见，与热熔标线相比较，MMA标线的夜间可视性保持时间更久，有效寿命更长。原因可能有两点：一是相较与石油树脂MMA树脂的耐温变性能更好，不会像热熔标线一样，夏季高温变软，将灰尘、玻璃珠类的糅合到标线内，或者使玻璃珠浮出标线表面，从而脱落，降低其逆反射亮度系数。二是MMA树脂在成膜过程中形成了交联的大分子网状结构，将玻璃珠以及其他组分紧密地包裹于其中，同时优良的耐磨性也保证了玻璃珠在使用过程中不在外力作用下脱落，保证其逆反射亮度系数缓慢下降，极大延长了标线夜间可视性的保持时间。

4 玻璃珠与标线的配合问题—玻璃珠的镀膜

常见的面撒玻璃珠均会进行镀膜处理，以增加其与涂料的黏接能力，同时增强其在涂料中的悬浮性。常见的镀膜处理用镀硅油和镀硅烷偶联剂。镀硅油玻璃珠其表面的硅油容易溶解到涂料中，不能有效提高玻璃珠与涂料的黏接能力；而镀硅烷偶联剂则有亲水和亲油2个基团，亲水基一端与玻璃珠结合，亲油基一端与涂料结合，能更好地实现有机与无机的结合，增强涂膜与玻璃珠间的黏接能力。

硅烷偶联剂的作用原理如下：

常见的硅烷偶联剂在酸性或者碱性条件下发生水解，形成带有羟基的末端，如式2。

式中：X 可以为 -Cl、-Br、-I、-CH3、-R 等。玻璃珠的表面富含大量的硅端羟基，这些硅端羟基可以与水解后硅烷偶联剂的羟基发生水解反应，使玻璃珠与硅烷偶联剂结合。反应如式3。

图4 利用活性基团来锚钉玻璃微珠

而硅烷偶联剂与涂料的黏结强度主要取决于中R1基团与树脂的作用。反应型道路标线涂料利用活性基团锚钉玻璃珠的作用如图4。并非所有的硅烷偶联剂都适合任意类型道路标线涂料，因此，在道路标线的开发过程中需针对不同的路面标线筛选不同镀膜的玻璃珠，从而保证硅烷偶联剂的R1基团中含有可以与道路标线发生反应的基团，从而更好地保证标线的持久夜间反光亮度。

5 结束语

本文对影响标线夜间可视性的多个因素进行分析，为高亮型路面标线的开发提供了理论指导，随着我国交通发展速度的放缓，标线的施工频率必然减少，人们对行车安全性越来越重视，因此开发具有更高效更持久的夜间可视路面标线具有极其重要的社会意义。