陶瓷减速标线设计及性能分析

向富强，赵新飞，唐 运

(湖南省交通科学研究院，湖南长沙 410015)

0 引言

减速标线在国内外城市道路及高速公路中被广泛使用。近年来，减速标线作为一种预防性安全设施被大量应用到高速公路上，其形式各异，种类繁多。有些设置合理，有些设置不尽合理。为了改善这一状况，使减速标线的作用发挥到最大化，我们从人、车、路及环境等因素与安全的相互关系方面出发进行研究，使高速公路减速标线的设计与应用能真正有益于交通安全。

目前国内外常见的道路标线有热熔型道路标线，水性道路标线，加热溶剂型道路标线等等，我们所研究的陶瓷减速标线形式新颖性能优良，不仅耐磨耐耗，具有优异的高化学稳定性，同时还具有其它类型减速标线所不具备的反光效果。因此陶瓷减速标线性能及理论研究具有重要意义和广阔的推广应用前景。

1 陶瓷减速标线设计分析

陶瓷的主要成分的化学式是SiO2，在高温下，陶瓷生坯固体颗粒的相互键联，其总体积收缩，密度增加，晶粒长大，空隙(气孔)和晶界渐趋减少，通过物质的传递，最后成为具有某种显微结构的致密多晶烧结体，这种现象称为烧结。这个过程中包含有物理变化和化学变化。

1.1 陶瓷标线设计思路

对要鉴定的陶瓷的化学组成、显微结构、物理性能以及烧制工艺等方面进行研究，综合显微结构、物理性能以及烧制工艺等方面的信息就可对陶瓷作出鉴定。陶瓷是由石英、粘土及长石等天然矿物原料按不同配方配制，经加工、成型及烧成而得，其化学组成取决于所用天然原料及配方，不同地区不同窑口的古陶瓷由于所用原料的不同，配方的不同以及烧制工艺的不同，其胎釉化学组成、显微结构及物理性能就会有各自的特点。收集陶瓷标本进行系统研究，把积累的数据资料建立数据库，并用适当的方法进行处理，找出具有特征意义的规律。这对研发陶瓷减速标线的反光和耐磨性能有重要意义［1］。

1.2 陶瓷标线材料选择

由于陶瓷标线路面材料用量大，成本控制要求高，我们在选用配方上尽量做到简单适用化，根据原辅材料的构成和无机颜料发色的要求，材质定为长石质瓷，长石:K2OAl2O36SiO2［K2Al2Si6O16］是钾、钠、钙、钡等碱金属或碱土金属的铝硅酸盐矿物，晶体结构属架状结构。它存在于晶粒与晶粒之间，起着胶黏作用。陶瓷坯体中的一部分组成高温下会形成熔体(液态)，冷却过程中原子、离子或分子被“冻结”成非晶态固体即玻璃相。其主要成份为SiO2、Al2O3、K2O、Na2O、CaO等。长石族矿物在地壳中分布最广，约占地壳总重量的50%。它们是一种普遍存在的造岩矿物，其中60%赋存在岩浆中，30%分布在变质岩中，10%存在于沉积岩主要是碎屑岩中，但只有在相当富集时长石才可能成为工业矿物。陶瓷显微结构由非晶态固体构成的部分。玻璃相在陶瓷体中的分布可以是间断的，也可以是连续的。陶瓷配料中微量添加物或杂质的存在，在高温下有助于玻璃相的形成。其作用是多种多样的，如有时希望玻璃相能在较低温度下形成，促进传质，有助于降低烧成温度，使制品致密;有时希望出现高温熔体，可抑制晶粒长大或在适当温度下保温，促进晶粒长大或形成第二晶相。研究添加物的种类，数量，控制玻璃相的数量及分布是很有意义的［2］。

利用对陶瓷原料选型，采用大剂量的低融点的熔剂原料，使陶瓷粒在低温烧成中能达到高的硬度和抗压强度。

2 陶瓷标线性能分析

陶瓷标线主要应用于交通量较大的高速路上，受到自然环境和人为因素的双重作用，工作环境比较恶劣。自然环境中太阳光、热，空气中的臭氧和氧气，雨、雪以及化学物质的作用和人为因素，对其性能和使用效果有很大影响。制造减速标线的材料对以上因素的承受能力就决定了减速标线的使用寿命以及性能和效果。我们设计的陶瓷标线骨料陶瓷颗粒经过检测机构检验得到以下数据(表1)。

表1 陶瓷骨料技术指标

为使减速标线有更长的使用寿命，材料需要有优良的耐磨性和抗老化性;为适应高速路上的温差变化，材料需有较强的耐热性;为保证路面的行车安全，材料需有高防滑性。经过实验数据看出，对标线设计所采用的骨料完全符合国家相关减速标线的性能指标。

2.1 优良的耐磨性和抗老化性

陶瓷减速标线在使用的过程中不能避免面临巨大的磨损，磨损后会导致标线粗糙，反光度降低，甚至丧失使用价值。高分子材料发生老化后，外观会产生变化，物理化学性能如导热系数，比重，熔融指数，折光率，溶解度，透光率;同样，材料的机械性能，如拉伸强度，伸长率，剪切强度，疲劳强度，弹性，耐磨强度等也会发生变化，其他象电性能，如绝缘性能，介质损耗也会发生变化。高分子材料老化原因:高分子材料的老化不外乎两个方面的原因。一个是高分子材料的内因:构成高分子材料的基本成分，高聚物本身的结构状态和高分子材料个组分的性质、比例等。另外一个是高分子材料的外因:如物理因素、化学因素和生物因素等等，高分子材料老化的外因往往是多方面的，其中光、热、氧、电对高分子材料的作用是引起老化的主要外因。

陶瓷颗粒的硬度根据其质地在5～8之间(表2)。

表2 陶瓷颗粒莫氏硬度

可以看出，陶瓷颗粒的硬度较高，相较于其他材料，耐磨性好，非常适合做路面标线材料。

陶瓷材料在高温下不易氧化，并对酸、碱、盐具有良好的抗腐蚀能力。陶瓷的高化学稳定性这一特性大大弥补了标线材料在路面长时间高温暴晒和风化导致的软化、变形，加强了标线路面的使用寿命和安全系数。

2.2 耐热性

道路标线在户外工作，完全在日光下暴晒，特别是在炎热的夏天，表面可能达到60℃。在这样的温度下，减速标线要能不发生软化变形，保证使用性能。同时陶瓷的线膨胀系数比金属低，当温度发生变化时，陶瓷具有良好的尺寸稳定性。因为陶瓷材料晶体结构的原子间结合力强，原子的热震动稳定，因此，晶体结构能维持到很高的温度。陶瓷材料一般具有高的熔点(大多在2000℃以上)，且在高温下具有极好的化学稳定性;陶瓷的导热性低于金属材料，陶瓷还是良好的隔热材料。耐高温陶瓷涂层材料种类繁多，最为常见的是无机非金属表面的耐高温陶瓷涂层材料。我们发现通过增加纳米镍微粒，涂层在高温时的抗氧化性能得到改善，同时纳米镍微粒能提高其结合力和抗氧化性。

2.3 高防滑性

减速标线设置在道路上，作为道路的一部分，要求其在冰、雪、雨天气下具有高防滑性，据调查，高速路上1/3的交通事故与车速有关，为保证行车安全，促使车辆能顺利降下车速是一项必要手段，这就要求减速标线要有高防滑性，在减速过程中提供足够的制动力。陶瓷与陶瓷材料配对的摩擦副，其粘着倾向很小;金属与陶瓷的摩擦副比金属配对的摩擦副粘着作用也小。实验表明，不同填料的种类、粒径、含量、涂料基料的种类、配比对涂层的耐磨性能影响较大。利用扫描电镜图对涂料的耐磨过程及机理进行了探讨，证明在涂层磨损过程中，有选择性磨损的现象出现。

陶瓷材料的这种优良耐磨性能，使其在要求极小磨损率的机件上得到了广泛应用。由于陶瓷标线优良的耐磨性能，其耐久耐磨性完全超出标线使用时间的期望值。

2.4 依托工程实施情况

以衡桂高速公路常宁服务区收费站为项目依托工程实施标线施工。

1)施工步骤如下:

布胶带造型⇨配胶⇨涂胶⇨上骨料⇨初凝⇨撕胶带⇨终凝⇨骨料回收⇨完工清场⇨正在施工中的标线效果。

2)使用效果分析。

从图1中可以看出这种错层式陶瓷减速标线的形式工整，又具有一定的三维视觉效果，既不会给司乘人员造成“突兀”的感觉，又可通过其温和的三维外观视觉效果达到减速的目的，缓解了司机踩急刹的可能。此减速标线厚度为5mm，车辆通过时有轻微震动感，无突然跳起感，行车舒适，减速效果好。图案简单明了，便于施工。使司乘人员从容的减速，有序的通行。

彩色陶瓷减速标线是在路面设计中与路面融为一体，耐用耐磨。在路面施工过程中，克服了现有减速带对路面有一定损坏，易磨损，车辆通过时颠簸剧烈的不足，它的研制给路面用材增添了新的材料，更能丰富路面多彩的效果，更具有使用价值和竞争力。

图1 施工后的陶瓷标线

3 结语

通过对陶瓷物理化学性能的探究，研发的新型陶瓷减速标线性能良好，其超强的耐压、耐腐蚀、、防滑、高化学稳定性等众多优异性能提高了减速标线的使用寿命和防滑性能效果，为高速公路预防突发交通事故提供了重要的保障和支持，保证了高速公路交通运输运营机制的通畅性和稳定性，这对高速公路行业和谐发展起到了重要意义。

陶瓷减速标线卓越的性能成为该研发项目的一大特色亮点，其本身具备的优点使其在高速公路、省道和国道等收费站改造和建设中具有广阔的推广前景。

［1］李海波，傅尔力，赵新飞.陶瓷减速标线的研发和应用［J］.公路工程，2012(5).

［2］赵新飞，李海波，傅尔力.彩色陶瓷减速标线技术研究及应用［J］.公路工程，2013(3).