蓄能发光涂层应急照明试验测试及其在桥涵通道工程中的应用前景分析

2024-06-30 21:29:32冒卫星
科技创新与应用 2024年19期
关键词:隧道工程桥涵

摘  要:试验测试蓄能发光涂料涂层的亮度余辉,分析其涂层厚度与亮度关系,结果显示,多功能蓄能发光涂料涂层在厚度为0.35 mm时,余辉时间为13.5 h,蓄能发光涂层亮度随厚度先增加后达到饱和状态,负离子释放量超过1 500个/cm3,在桥涵隧道工程中具有较好的应用前景。

关键词:蓄能发光;应急照明;桥涵;试验材料;隧道工程

中图分类号:V261.93+3      文献标志码:A          文章编号:2095-2945(2024)19-0060-04

Abstract: The brightness afterglow of the energy storage luminous coating was tested, and the relationship between the coating thickness and brightness was analyzed. The results show that when the thickness of the multi-functional energy storage luminous coating is 0.35 mm, the afterglow time is 13.5 h, the brightness of the energy storage luminous coating increases at first and then reaches saturation with the thickness, and the amount of negative ions released is more than 1 500/cm3, which has a good application prospect in bridge and culvert tunnel engineering.

Keywords: energy storage luminescence; emergency lighting; bridges and culverts; test materials; tunnel engineering

多功能蓄能发光材料因具有延时发光、余辉时间久、释放负离子等主要功能,近年来在公路隧道壁面装饰工程中广泛使用,在隧道照明节能和壁面养护方面取得了良好的应用效果[1-4]。冯守中等[5]为定量分析蓄能发光涂料的辅助隧道照明效果,研究测试蓄能发光涂料在不同色温光源下的增光率、显色指数及环境色温。试验结果表明,蓄能发光涂料辅助隧道照明的增光率至少大于25%,显色指数提高317,光波色温均有不同程度的偏移降低,有利于提高隧道内小物体的可视距离。程劲钊等[6]介绍了蓄能发光涂料的种类、特点、发光机理及制备工艺等,提出了蓄能发光涂料在农村公路上的应用形式及应用前景,并对预期的经济效益和社会效益进行了分析。周永言等[7]针对当前电力输送设施覆盖面广、延伸范围大、线路错综复杂,其电力警示设备耐候性差、耗能高等实际问题,通过以透明度高、附着力强、耐水耐热性优异的氟碳清漆为主要成膜物,选用合适的添加剂以及高亮度、长余辉、稳定性好的稀土发光颜料(SrAl2O4:Eu2+,Dy3+),制备了一种耐水耐热的蓄能发光涂料(CF-SrAl2O4)。经各种性能测试证实,该涂料可用于电力设施涂装,起到警示作用。曾俊翔等[8]调研了3种不同类型的蓄能发光涂料,包括硫化物、碱土金属铝酸盐和硅酸盐系列,依据蓄能发光涂料的性能指标以及国内外公路隧道内饰材料选择要求,探讨了蓄能发光涂料在辅助公路隧道安全运营方面的功效,分析得出蓄能发光涂料在公路隧道内壁应用中具有较好的节能和诱导作用。根据中华人民共和国交通运输部《2022年交通运输行业发展统计公报》显示,截至2022年底,全国公路总里程535.48万公里,比上年末增加7.41万公里。随着国家交通路网的发展和完善,为了方面人们的出行,大量的立交、公路桥涵通道被建设,非机动车、人贯穿高速公路或立交下涵洞通道成为常态,但目前几乎大部分的桥涵通道,尤其是偏远乡村公路都未设置照明,自2020年以来,就有媒体报道,不少广大市民反映铁路、高速公路涵洞无照明设施给出行造成安全隐患,一些城市桥涵通道虽设置了照明,但由于人、车流量较小,考虑运营维护成本,照明灯具也基本处于关闭状态,公路涵洞通道照明安全成为热点问题。此外,公路通道基本属于厢式结构,与隧道相同,属于半封闭空间,行人、机动非机动车来往都会产生烟尘等污染物,时间久了就会污染壁面。张国栋等将多功能蓄能发光涂料涂装在模型隧道壁面上试验了其释放的负离子与汽车发动机尾气产生的PM2.5浓度关系。研究表明,多功能蓄能发光涂料释放的负离子会对 PM2.5具有很好的降解效果[9-12]。目前,公路桥涵通道大都壁面采用混凝土饰面,也有少数采用瓷砖装饰。瓷砖的烧制温度在1 100~1 300 ℃,属于高能耗产业,过程中排碳很高,因自重问题也会脱落造成安全事故。此外,普通的涂料和装饰板也容易被污染,养护困难且成本高。

1  室内试验

1.1  试验材料及仪器

试验用到的蓄能发光涂料采用市购的多功能蓄能发光涂料,测试仪器设备见表1。

1.2  余辉亮度

为了测试蓄能发光涂料涂层余辉亮度,我们在室内建立模型,在四个墙面和顶面及地面均喷涂蓄能发光涂料,涂层厚度为0.35 mm,采用常规LED(照明)2 h后,关闭灯具,用瞄点式亮度计每隔一段时间测试亮度并记录数据,结果如图1所示。

因人肉眼可见最低亮度为0.003 2 cd/m2,由图1可知,喷涂蓄能发光涂料的空间内余辉时间超过12 h,且在60 min内衰减较快,60~120 min衰减较慢,趋于平缓。这意味着,在涂层没有光照后,黑暗条件下60 min内亮度较高,但衰减较快,但仍高于人肉眼看见亮度。

1.2  亮度与涂层厚度关系

在实际工程中,因为其涉及材料的成本问题,发光涂料的喷涂工艺一直是待研究和解决的关键问题之一。蓄能发光涂料与普通涂料相比,其黏稠度较大,喷涂难度也加大,选取合适的厚度成为影响发光和施工进度之间的关键控制因素。

本试验选取相同大小的水泥石板为基材,将其表面处理干净后烘干待用。配置相同比例的涂料,以此喷涂厚度为0.35、0.55、1.0、1.2、1.5和2.0 mm。在室温下固化晾干后,测试每块板子的余辉亮度值。

不同厚度蓄能发光涂层的余辉亮度曲线如图2(a)所示,为了更清楚观察分析,进一步选取0~15 min内的数据,作图如图2(b)所示,由图可知,随着蓄能发光涂料涂层厚度的增加,在相同时间内,涂层厚度越厚,其余辉亮度值越高,但最终衰减的趋势没有改变。在实际施工过程中,考虑到成本和施工便利性,蓄能发光涂料发光层厚度一般不超过1 mm。

1.3  负离子释放量

众所周知,负氧离子具有净化空气环境的作用。根据世界卫生组织数据可知,空气中的负离子(负氧离子)浓度达到1 500个/cm3以上时,便是健康的空气。清华大学林金明教授等[3]研究显示,不同浓度负离子浓度对应不同人体健康关系,当负离子浓度维持在 1 000~2 000个/cm3时,才能维持人体健康基本需求。也有试验研究表明,负氧离子浓度超过5 000个/cm3时,对PM2.5的降解率可达到80%以上[14]。负离子浓度与人体健康关系详见表2。

将4块固定表面积的蓄能发光涂料(厚度为0.35 mm)试样板放入体积为1 m3的测试仓内,测量测试仓内负离子的体积浓度(个/cm3)。试样的表面积不同,释放负离子数量不同,用KEC-900HR型空气负离子测试仪测试仓内负离子浓度也会发生变化,即通过计算单位表面积试样在测试仓内负离子的体积浓度来反映产品释放负离子能力。检测区域应封闭,防止空气流通。如使用建筑通用型蓄能发光涂料需开灯密闭不少于4 h再进行检测,其余类型的蓄能发光多功能涂料无需开灯检测,测试结果如图3所示。

由图3可知,厚度为0.35 mm的蓄能发光涂料涂层负离子释放量1 500~2 100个/cm3,并且随着时间变化,2 h内其浓度值变化不大,负离子释放源源不断,呈现动态平衡趋势。

为进一步探究涂层释放负离子浓度与PM2.5浓度关系,试验选取在封闭的空间内进行测试,空间大小为5 m×3 m×3 m的房间内,除了地面,其余各面按先后顺序一次喷涂厚度0.35、1.0、1.5和2.0 mm的蓄能发光涂料,测试每种厚度涂层时空间内负离子浓度,并在相同初始PM2.5浓度下,检测空间内PM2.5浓度变化。

由图4可知,不同厚度涂层空间内的负离子浓度均呈现上下波动状态,但幅度不大,维持在一个水平范围内。表3为不同厚度壁面空间内PM2.5浓度随时间变化值,图5为不同厚度壁面空间内PM2.5浓度随时间变化曲线。

由图5对比可知,在空间初始PM2.5浓度相当时,随着涂层厚度从0.35 mm增加至2.0 mm时,空间内的PM2.5浓度随着时间增长整体呈降低趋于平稳状态,各个涂层厚度在前20 min内降幅较大,涂层厚度达到1.5 mm后降幅不明显。

2  工程应用前景分析

公路桥涵通道,类似于公路隧道,属于半封闭空间结构,人行车往,汽车尾气和灰尘较大,壁面极易被污染,养护清洗较困难。建议可在桥涵接近进出洞口或者全断面设置蓄能发光涂料,尤其是人车共行的桥涵通道,如图6所示,不再设置灯具,在白天可以利用自然光照射,涂层吸收光能,储存起来,夜间没有灯具照明时余辉自发光,可引导指示照明。涂层释放负氧离子,使其表面不易沾污,即使有沾污也容易水清洗。将蓄能发光涂料应用于公路桥涵通道,可明显提高夜间通道的照明效果,同时提高壁面耐沾污,降低养护成本,实现低碳运营目的。

3  结束语

综上所述,蓄能发光涂料因具有超过13 h的余晖自发光,释放负离子浓度高于1 500个/cm3,有望在公路桥涵通道中应用,代替常规照明灯具,辅助引导照明和起到安全应急指示作用,为桥涵通道照明节能和安全运维提供了一种新材料、新思路。

参考文献:

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[2] 于丽,夏鹏曦,王明年,等.仅使用汽车灯光照明结合蓄能发光涂料的隧道应急照明研究[J].现代隧道技术,2019,56(S2):184-188.

[3] 赵奇,何利万,皮红.蓄能型发光涂料的研究进展[J].涂料工业,2017,47(8):70-75.

[4] 张伟,李洁.蓄能发光涂料在富龙高速平耶3号隧道中的辅助照明应用研究[J].公路交通科技(应用技术版),2017,13(3):165-166.

[5] 冯守中,高巍,王军.蓄能发光多功能涂料辅助隧道照明试验研究[J].现代隧道技术,2016,53(4):189-194.

[6] 程劲钊,杜素军.蓄能发光涂料在农村公路应用的现状与前景[J].中国涂料,2020,35(12):15-18.

[7] 周永言,刘博,孙东伟,等.电力设施用长余辉蓄能型发光涂料的研制[J].电镀与涂饰,2022,41(18):1317-1322.

[8] 曾俊翔,梁波,潘国兵,等.蓄能发光涂料应用于公路隧道内壁的探讨[C]//中国公路学会隧道工程分会,重庆市交通委员会.2013年全国公路隧道学术会议论文集.重庆大学出版社,2013:5.

[9] 陈柏霖,陈挺,冒卫星,等.储能式发光涂料在长石岭隧道中的应用[J].山东交通科技,2020(2):110-111,114.

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[13] 林金明,宋冠群,赵利霞.环境、健康与负氧离子[M].北京:化学工业出版社,2006.

[14] 张国栋,冯守中.多功能蓄能发光涂料降解公路隧道壁面污染的模型试验研究[J].公路交通科技(应用技术版),2018,14(8):143-145.

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