热熔型道路交通标线的性能及发展研究现状

郭 强 尚巧燕 高晋彪 王世平

(1.山西省高速公路集团有限责任公司 太原 030031;2.长安大学材料科学与工程学院 西安 710064;3.山西大成高速公路有限公司 太原 030012)

0 引言

道路交通标线是交通信号系统中最重要的部分之一,它处于驾驶者视野的中心位置,驾驶者无须将注意力从路面转移到其他交通标志。道路标线的主要作用是向驾驶员传达交通状况,引导并管制交通,减少交通事故发生。没有道路标线会导致交通混乱甚至事故,特别是在车流量大的道路上。因此,道路交通标线是交通信号系统的必要组成部分,也是交通安全的必要保障,目前无法用其他方式取代。

国内外对道路交通标线在引导交通,减少交通事故方面的重要性都有很高的认识。在能见度较差的情况下,道路交通标线更为重要。夜间发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标志对于减少交通事故数量非常有利,尤其是在夜晚、下雨或大雾等能见度低的条件下。据报道,生产质量高、辨识度好的交通标线可以避免50%的夜间交通事故,约28%的夜间交通死亡[1]。高质量的交通标线系统可以提高交通安全,方便驾驶员引导,提高驾驶舒适度和交通流量。因此,应尽量避免因交通标线不足、维护不善可能引发的交通事故。

在道路交通标线的发展过程中,不断发展和改进,以达到交通控制的目的和满足环境要求。美国俄亥俄州于1924年首次使用标志漆来规范交通秩序。20世纪70年代我国开始研制道路交通标线涂料[2]。热熔型道路标线是目前使用最广泛的标线材料。施工时,它被加热至180～220℃涂覆在路面上,待冷却固化后粘附在路面上,内混或面撒的玻璃珠会提供良好的可视性[3]。热塑性道路标线包含预混玻璃珠,当标线表面磨损时,预混玻璃珠会暴露出来,从而在其大部分使用寿命中产生逆反射。热熔型道路标线因其质量好、成本低,被广泛应用于车流量大的道路、人行道、停车场等。市售的标线涂料仍旧存在品质差异大、施工队伍水平参差不齐等现象,导致路面标线逆反射系数不足、开裂、耐久性差等问题,影响车辆和行人出行安全。

目前我国使用量最多的是热熔标线涂料,针对热熔型道路交通标线的分类、成分组成、影响因素及发展方向进行了综述。

1 热熔型道路交通标线的分类及组成

1.1 热熔型道路交通标线的分类

现有的道路交通标线过多且难以准确分类,所以道路交通标线没有统一的分类方法。虽然所有的交通道路标线有相同的用途,以清晰地标记路面,但它们在成分和性能方面存在很大差异。通常,道路标线的分类主要根据标线的施工方式、功能和材料类型。热熔型道路交通标线按功能划分,包括三种类型:普通型、反射型和突出型,根据材料类型分为热熔型、溶剂型、双组分和水性。根据施工方法分类,有四种类型:喷涂型、挤压型、刮涂型和预制型,如下所述。

1.1.1 喷涂型热熔标线

喷涂热塑性塑料通过移动施工设备涂覆,涂覆速度快,很快干燥[4-5],极大缩短了封闭道路交通的时间,便利交通,减少出行时间延误。喷涂型热熔标线施工速度快,形成的标线表面均匀,边缘整齐,外形美观。喷涂型热熔标线的最小厚度在不同的国家地区通常是不同的,在大多数欧洲国家,最小喷涂厚度为1.5mm,而在美国是2.0mm。在中国,喷涂型热熔标线的厚度为0.8～1.5mm[6]。

1.1.2 挤压型热熔标线

挤压型热熔标线也可通过移动设备应用,但材料的混合比例设计不同,粘度也高于喷涂型热熔标线,需要的干燥时间更长。

1.1.3 刮涂型热熔标线

刮涂型热熔标线是通过手动手推设备涂覆的,用于小型交通标线,如箭头、横向路面标线、符号和文字。对于小标记,通常使用刮涂法,厚度控制在2.0mm。刮涂型热熔标线常被使用在高速公路等车流量大的道路上,由于其标线涂层较厚,经久耐用,适用于对标线磨损量较大的道路[7]。

1.1.4 预制成型标线带

通常将600～900mm的预制成型热熔型标线切割成所需尺寸,以便在应用前进行路面标记。预制成型标线带的施工方式与其他三种不同,一般有两种方式。

(1)在清洁路面后,将切割好的预制成型标线带置于其在路面上的位置,并用喷枪火焰加热至150℃至180℃,通常被制造成3mm的厚度,在涂敷到路面上之后,3min内冷却成型,干膜厚度约为2mm;

(2)在沥青充分固化之前,将预制成型标线带压实嵌入沥青路面内。由于制造的板材尺寸,更利于将预制成型热塑料用作路面标记箭头和符号。预制成型标线带的施工时间短,无VOC排放,对沿线居民生活环境的污染少,性能优异,是一种理想的标线带[8-9]。

1.2 热塑性道路交通标线的材料组成

热塑性道路标线材料是玻璃珠、粘合剂、颜料和填料的混合物。干燥的热塑性化合物通常在恒温控制的预热器或锅炉中加热至220℃的温度,并持续搅拌,直到形成均匀的液状混合体,再将其转移至施工车辆之前。将热的熔融液体涂敷在路面上,并在表面撒入玻璃珠,以产生道路标线规范中规定的初始反光亮度系数[10]。

1.2.1 玻璃珠

道路标线材料的夜间可视性是通过光线反射实现的,最常用的标线材料反射介质是玻璃珠,其效率取决于粒径、折射率、成圆率和嵌入度。当60%的玻璃珠嵌入标记中,40%暴露在标记上方时,可以提供最佳的反射效果[2]。路面标线用玻璃珠可分为表面撒玻璃珠和预混玻璃珠。Ⅱ级及以上热熔型涂料反光标线面撒玻璃珠中粒径600μm以上的4号玻璃珠含量应大于玻璃珠总量的50%。在道路标线使用过程中,面撒玻璃珠会脱落,而标线材料中的混合玻璃珠会随着时间的推移而暴露出来。选择玻璃珠需要遵循两点,玻璃珠与树脂有较好的结合力,保持夜间的持续反光效果;改善标线的机械强度,合理选择玻璃珠的粒径,可以改善标线的耐磨性、抗滑性和抗压强度。

1.2.2 树脂

热熔型道路标线涂料路用性能主要取决于树脂的性能。树脂为热塑性树脂,常温下呈粉末状,使用最多的树脂是石油树脂或改性松香树脂。不同树脂的物理化学性质不同,可以使用一种或多种树脂以不同比例混合使用,提高涂料性能。合理选择树脂不仅能改善涂料的性能,而且能降低成本。

1.2.3 颜料

颜料是一种细粉末,主要用于为涂料提供着色力和遮盖力。二氧化钛(TiO2)是白色道路标线中常用的颜料,通过添加适量的TiO2可以实现更高的逆反射系数。黄色道路标线中使用过多的TiO2会导致道路标线呈现较浅的黄色。颜料选择主要要求遮盖力强、着色力好、耐高温性能强和分散性能好。需注意,一般颜料中都会含有重金属元素,对环境和人体有害。

1.2.4 填料

填料是为了帮助颜料分散而添加的粉末,从而使整个涂料体系颜色均匀。填料由碳酸钙、石英砂和其他无机材料的混合物组成,在热熔型涂料中占比较大。填料不仅可以提高热熔型标线涂料的机械强度,增加耐磨性,还可以对流动度起重要作用,从而提高热熔型标线涂料的耐热性、软化点和粘结强度。填料也是确保实现逆反射性以及道路标线外观的重要组成部分。

1.2.5 助剂

在热熔型标线涂料中加入适当的助剂可以提高涂料的可塑性和柔韧性。常用的助剂有乙烯—醋酸乙烯共聚物(EVA)、苯乙烯类嵌段共聚物(SIS)、邻苯二甲酸二辛酯(DOP)和聚乙烯蜡(PE wax)等。EVA和SIS可以增加涂料涂层的柔韧性和粘结力,防止涂料龟裂。DOP能够改善涂料涂层的脆性,提高抗冲击性。虽然助剂在涂料中的所占比例最小,但其发挥的作用极大,正确选择助剂极其重要。

2 热熔型道路交通标线的性能特点及影响因素

2.1 反光性

2.1.1 反光机理

尽管夜间交通量低于白天,但交通事故极其严重,程度明显更高。统计分析表明:能见度高的人行横道将减少高达37%的行人与车辆碰撞[11]。道路标线的反光原理有两种:一种是逆反射,光线照射到玻璃珠时,入射光将按原入射角方向形成一束反射光,如图1所示;另一种是光线在标线表面形成镜面反射,但不能返回到车辆方向,这种情况对车辆和行人都是不利的。

图1 玻璃珠反光机理[12]

2.1.2 影响反光性的因素

针对特定的天气条件,为提高能见度、降低事故发生率,改善公共交通,玻璃珠被应用于交通标线。玻璃珠的粒径、折射率、成圆率、嵌入度极大影响了标线的反光性能。玻璃珠一般采用回收的废旧玻璃加工制作,并通过化学方法对表面进行改性。玻璃珠的粒径变化多样,在施工过程中面撒玻璃珠数量多且粒径分布范围大。玻璃珠粒径小则在涂料中不易沉降,提高涂料的密度,缩短干燥时间。使用折射率越高的玻璃珠,标线反光效果越好,其可视性越高。玻璃珠的成圆率是指玻璃珠与理想球体接近程度的度量。成圆率直接影响标线的反射能力,成圆率越高的玻璃珠,其反射能力也越强。相同的施工环境和相同数量的玻璃珠,成圆率越高,标线的逆反射系数越高,反射亮度越强。玻璃珠的嵌入度影响回复反射效果,嵌入度过深或过浅,光线会发生折射逃逸。当嵌入度合适时,玻璃珠才能发生镜面反射。玻璃珠的嵌入程度不仅会影响标线的反射效果,而且还会影响玻璃珠在涂膜中的附着强度。根据有关技术人员在收集检测多条高速公路历年标线逆反射值发现[4],热熔型路面标线涂料的逆反射亮度系数在一般使用过程中,在6～10个月时间内可能下降初始值的2/3以上,个别检测值低到20～30mcd·m-2·lx-1,12个月左右由于内混玻璃珠暴露,逆反射系数相对增加,但仍小于初始值。基本上在6个月左右的时间,逆反射亮度系数就衰减至1/2左右,基本不具备夜间反光功能。

热熔道路交通标线会因标线表面积水导致反光效果降低,交通事故频发,普通反光道路标线已经不足以提供亮度。设计结构型标线用于在夜间,特别是在潮湿条件下,提高逆反射系数[13]。如图2所示,雨水将从团聚体或结构标线的顶部自由排出,嵌入标记中玻璃珠清晰可见,可反射来自车辆的入射光。

图2 结构型标线反光机理[6]

2.2 快干性

2.2.1 成膜机理

标线涂料的表干时间即不沾胎时间或交通不开放时间,是衡量标线涂料的标准之一。如果一种标线涂料的表干时间长,在施工中就需要采用障碍物或交通导向来隔离交通,可能造成交通堵塞,给出行者带来不便。热熔型道路标线的成膜机理是将树脂加热到融化温度以上,树脂分子会相互融合、分散、缠绕,形成一张完整连续的膜[14]。热熔型标线涂料与其他反应型涂料不同,非反应型的涂料中原料中不含有挥发成分,施工时加热将粉状涂料融化,用专门的施工设备涂覆在道路表面,冷凝后形成路面标线[15]。其具有优良的快干性,通常施工后3min内便会干燥。虽然热熔型涂料的干燥速度比其他涂料快,但涂料涂层干燥速度还应该控制在合适的范围内。涂层干燥速度过快或过慢都会对玻璃珠的嵌入度产生影响,从而影响标线的反光性。

2.2.2 影响快干性的因素

影响热熔型标线涂料冷却成膜的因素有施工时的环境温度、风速、路面性质、施工设备、加热温度和涂料配方等。施工过程中风力过大或环境温度过低时,熔融涂料温度降低过快,涂料干燥速度快,相反气温过高时,涂料的干燥速度慢。施工涂料加热温度过高,涂料降温干燥的时间也会更长[16]。只有合理选择施工过程中环境温度和加热温度,才能保证合适的干燥速度。

2.3 粘附性

2.3.1 粘附机理

粘附力是指分开涂料与路面的粘连界面所做的功,是衡量标线的重要标准。热熔型标线涂料的附着机理分为物理附着和化学附着,物理粘附力取决于底材的性质和涂膜的强度,化学粘附力取决于涂膜和底材之间的作用力[17-18]。标线与路面之间有很强的粘附力,不会因车辆碾压、发动或制止而快速脱落。即使涂层表面有脱落,也会显现出内混玻璃珠,防止反光性因涂层磨损而降低。

2.3.2 影响粘附性的因素

涂料粘附力主要取决于涂料原料、路面种类、施工工艺。涂料中树脂一般要选择较低分子量的树脂,在涂料交联后具有优异的粘附力,并且分子量低的树脂比分子量高的树脂更容易渗透到缝隙中。热熔标线涂料需自然冷却3～5min,以保证粘附性。涂料施工的路面一般分为沥青路面和刚性路面(水泥路面)两种路面。水泥路面是碱性的,在选择树脂时应该选择具有耐碱性的树脂,否则标线性能优异但与路面的粘附性弱,也只是徒劳。因水泥路面上刻痕较多,存在水分,热熔标线涂覆后易蒸发产生气泡,破坏涂层表面[19]。在施工过程中的清扫路面与喷涂下涂剂对标线粘附力也很关键。路面的灰尘、砂砾、水分都会影响标线的粘附力,所以保持路面与涂料接触面干净是二者结合牢固的关键[20]。热熔标线施工涂覆的下涂剂也称底油,是一种挥发性较强的树脂,具有较强的亲和力,有助于热熔涂料与底面的粘接[21]。

2.4 耐久性

2.4.1 耐久性

热熔型道路交通标线的耐久性,在德国《道路标线补充技术规程和规范(ZTV—M84)》中规定:标线必须与底面有较好的粘结性、耐老化性和耐盐性及对预计的交通负荷有足够的耐磨性[22]。耐久性是对标线综合性能的评估,通常是通过对标线涂料的耐水性、耐碱性、耐老化性、抗裂性、耐磨性和耐候性等性能的测试来评定。路面标线的耐久性在6个月至5a不等,具体取决于不同的实际条件。识别路面标线的耐久性可以更好地预测维护预算,并制定更具针对性的计划。

2.4.2 影响耐久性的因素

选用理想的树脂是决定涂料标线品质的关键。树脂的含量影响整个涂料体系的软化点和抗压强度,含量增加软化点会降低,抗压强度增加,但会造成成本增加和耐磨性能降低。因此,应该综合考虑树脂的含量。“三分标线,七分施工。”施工工序的规范化、标准化管理,优化施工工艺,是保证热熔型道路标线成品质量的关键[23]。施工过程中经常会出现变色、裂纹、微孔、气泡、厚度不一和起皮脱落等问题。微孔和气泡会影响涂料的涂层附着力,降低涂料的耐水性和耐老化性。起皮脱落会导致涂料抗裂性能、耐磨性和耐候性降低[24]。

热熔型道路交通标线具有成膜时间短、反光效果好、粘附力强、耐久性好等特点,并且生产时间短,成本小,在我国被广泛使用。

3 热熔型道路交通标线的发展方向

热熔型道路交通标线还存在容易开裂、施工复杂且污染大等问题。针对这些问题,公路研究者通过对树脂改性或添加掺合料等方法,不断探索改善施工工艺,有望研究出高性能、低成本、环境友好的路面标线涂料[25]。

3.1 生物基树脂改性标线

热熔型标线涂料中使用的树脂主要是石油树脂,石油是非可再生资源且国家储备量越来越少,因此,改性树脂是未来热熔标线可持续发展的必然方向。生物基高分子材料是通过生物和化学手段合成的可再生的高分子材料。生物基材料来源广泛、无毒和环境友好,是理想的石油基代替资源。范文东等[26]用生物基高分子材料改性C5石油树脂作为成膜物质,制备了一种热熔型道路标线,与传统热熔型道路标线相比,该涂料粘附性提高,同时抗压强度和耐磨性得到改善。尹彦广[27]以生物基树脂为主要材料,加入颜料、填料、助剂及反光材料研制出生物基热熔标线涂料,其具有良好的快干性、反光性、耐久性和抗滑性,性能指标符合行业标准。生物基改性热熔标线是一种新型环保标线,已经成为今后热熔标线的发展趋势。

3.2 预成型标线带

预成型标线带是将反光材料、树脂、颜填料等通过工厂加工成成品标线带,再通过常规运输途径运输到现场,粘贴即可。预成型标线带由上至下,一般可视为三层组合层状结构,即玻璃微珠层、底片层及粘接层,其中,玻璃微珠层中的玻璃微珠通过粘接剂粘接在底片层上,为标线带提供一定的反光性和耐磨抗滑性;底片层是整个标线带中最重要的结构层,需满足强度及耐久性要求,并根据需求定制颜色;粘接层为标线带与路面联结的关键构造层,是标线带发挥各项性能的必要保障,选材具有较高的标准[28]。预成型标线带优势独特,解决了需要二次成型和标线涂料固有的问题。反光玻璃珠以理想的方式粘结在标线带上,其反光性能可以达到涂料标线的三倍以上[29]。预制标线带不仅在反光性、柔韧性、抗滑性、视觉效果和施工性能等方面上优于道路标线涂料,并且其在施工过程中,没有任何VOC的排放,对工作人员及环境也没有危害。内嵌式预制标线带具有超长耐久性,中途不需要多次重复划线,具有很好的应用前景[30]。

4 结论与展望

在综述热熔型道路标线涂料的分类和组成成分之后,从机理上分析了热熔标线的性能特点及其影响因素,并对热熔标线的未来发展方向给出展望。

(1)热熔型道路标线的分类方式有很多,按照施工方式可分为:喷涂型、挤压型、刮涂型和预成型标线带。热熔标线的原料组成主要包括玻璃珠、树脂、颜料、填料和助剂。不同组分有不同的选择要求。

(2)热熔型道路交通标线具有反光性、快干性、粘附性和耐久性。原料的性能特点和施工工艺决定热熔标线的品质。在确定热熔标线的施工地域、气候条件后,热熔标线的原料配比和施工方式都要有相应的调整。在严格控制质量的同时也要控制成本。

关于热熔型道路标线涂料的研究目前只局限于原料和施工方式,对于热熔标线的微观性能及环境友好的标线研究有待进一步开展。