水性道路标线性能衰减规律研究.pdf

第 39 卷 第 4 期2023 年 7 月森 林 工 程FOREST ENGINEERINGVol.39 No.4Jul.,2023doi:10.3969/j.issn.1006-8023.2023.04.018水性道路标线性能衰减规律研究吴闻秀1,张明真4,骆晓凌1,邹晓勇1,卢建洪2,刘倞3,司晶晶4(1.金华市公路与运输管理中心,浙江 金华 321000;2.武义县公路与运输管理中心,浙江 金华 321299;3.东阳市公路与运输管理中心,浙江 金华 322199;4.河海大学 土木与交通学院,南京 210098)摘 要:道路标线是保障道路交通安全不可或缺的部分。为明确水性道路标线的性能衰减规律,通过室内模拟老化条件及对试验段进行跟踪监测,分析不同老化周期及不同荷载对水性标线磨耗值的影响,拟合检测的逆反射亮度系数值,探究水性道路标线的磨耗性能和逆反射亮度系数的衰减规律。结果表明,水性标线在紫外老化的作用下主要发生氧化反应和水损害,老化周期在 20 周期之前,水性标线的磨耗值为 0.95.8 mg,变化较小;老化 20 周期之后,随着老化时间的增加,水性标线的磨耗值增加速度变快,40 周期磨耗值达到 21.5 mg。水性道路标线的逆反射亮度系数随着标线使用时间持续衰减,且在初始阶段衰减速度较慢,随着服役时间的延长,衰减速度变快,与室内模拟老化过程中磨耗性能的衰减规律一致。关键词:水性道路标线;性能衰减规律;磨耗性能;逆反射亮度系数;紫外老化中图分类号:U491.5+23 文献标识码:A 文章编号:1006-8023(2023)04-0155-05Attenuation Law of Water-borne Road Marking PerformanceWU Wenxiu1,ZHANG Mingzhen4,LUO Xiaoling1,ZOU Xiaoyong1,LU Jianhong2,LIU Jing3,SI Jingjing4(1.Jinhua Highway and Transportation Management Center,Jinhua 321000,China;2.Wuyi Highway and Transportation Management Center,Jinhua 321299,China;3.Dongyang Highway and Transportation Management Center,Jinhua 322199,China;4.College of Civil and Transportation Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China)Abstract:Road marking is an indispensable part of road traffic safety.In order to clarify the performance attenuation law of the water-borne road marking,indoor simulated aging conditions and substantial project tracking monitoring were conducted to analyze the influence of different aging cycles and different loads on the abrasion value of water-borne markings,and the coefficient of retroreflect-ed luminance were fitted to study the performance attenuation behavior of water-borne road marking abrasion resistance and coefficient of retroreflected luminance.The result showed that oxidation and water damage mainly occurred in water-borne road marking under ul-traviolet aging.When the aging cycle was from 0 to 20 cycles,the abrasion value of the water-borne marking changed little,ranging from 0.9 to 5.8 mg.After 20 cycles,with the increase of the aging cycle,the increase of the abrasion value of the water-borne mark-ing gradually became faster,and the abrasion value reached 21.5 mg at 40 cycles.The coefficient of retroreflected luminance of the water-borne marking decreased continuously with the extension of service time.The decrease rate of the coefficient of retroreflected lu-minance was slow in the initial stage and became faster with the extension of service time,and it was consistent with the decay law of abrasion resistance in indoor simulated aging process.Keywords:Water-borne road marking;attenuation law of performance;abrasion resistance;coefficient of retroreflected lumi-nance;UV aging收稿日期:2022-09-29基金项目:国家自然科学基金青年基金(52008156);金华市科技计划项目(2022-3-057)第一作者简介:吴闻秀,硕士,工程师。研究方向为公路建设与养护管理。E-mail:277182929 通信作者:司晶晶,博士,副教授。研究方向为新型路面结构与材料、钢桥面铺装技术和材料。E-mail:引文格式:吴闻秀,张明真,骆晓凌,等.水性道路标线性能衰减规律研究J.森林工程,2023,39(4):155-159.WU W X,ZHANG M Z,LUO X L,et al.Attenuation law of water-borne road marking performanceJ.Forest Engineering,2023,39(4):155-159.0 引言道路标线因其具有逆反射功能而反光,已成为保障道路交通安全不可或缺的部分1。国内道路标线主要分为 4 类:热熔型道路标线、溶剂型道路标线、双组分道路标线和水性道路标线2。目前在我国热熔型道路标线和溶剂型道路标线的应用较多,但二者存在耐磨性差、环保效益不足、光度性能差、修复困难等缺陷3。双组分道路标线因其比热熔标线的耐磨性且附着性好,经过聚合反应生成的网状分子结构拥有强附着且高耐磨等优异性能,逐渐受到关注。水性道路标线因其环保性和快速复涂特性,在养护工程中的应用越来越广泛6-9。水性道路标线(以下称水性标线)的主要优点是生产和应用过程中安全环保。如何获得性能更优异的水性标线涂料成为国内外研究的热点问题10-11。20 世纪 90 年代,美国陶氏化学公司开发的 FASTRACK 3427A 丙烯酸聚合物乳液,具有干燥森 林 工 程第 39 卷快、耐磨和耐候性好的特点,与玻璃珠优异的黏结力为夜间和雨天标线提供良好的可视性12。国内学者对水性标线的性能优化也进行了积极的探索。梁乃杰等13通过熔融缩聚合成了偏苯三酸酐型水性涂料用聚酯树脂,制备的水性聚酯涂料具有涂层耐水性优、储存稳定性好等优点。梁哲14采用一种碱溶型固体丙烯酸树脂溶于氨水作为乳化剂,配制纯丙烯酸树脂乳液,并对水性丙烯酸树脂分子的亲水基(羧基)做特殊处理,最终制得的水性标线涂料的附着力和耐水性等指标可以达到常规溶剂型丙烯酸树脂涂料的标准。于国玲等15用水性羟基聚丙烯 酸 酯 分 散 体、亲 水 性 多 异 氰 酸 酯 固 化 剂3 598T、消泡剂 TEGOFoamex810、润湿剂 BYK-104E和流平剂 KST-203 等原料调制出一种性能优良的双组分水性聚氨酯漆。吴明江等16用预聚体法制备了固含量为 40%的水性聚氨酯树脂,以此制备的水性标线涂料附着力优异、不黏轮时间短,各项指标均满足道路标线涂料技术标准。Bi 等17研发了一种由含有自制改性发光粉和各种添加剂的丙烯酸共聚物乳液制成的水性标线,该标线室温下的发光性能、耐磨性、附着力和耐水性能满足路面的基本要求。相比于双组分道路标线,水性标线的使用寿命较短,其逆反射亮度系数衰减较快,致使其推广应用受限。为明确水性标线的性能衰减规律,提升水性标线的耐久性,通过室内模拟老化条件和试验段跟踪监测,对水性标线进行性能衰减模拟,探究其磨耗性能和逆反射亮度系数的衰减规律,并从微观角度分析衰减机理。1 试验1.1 原材料水性标线涂料使用的树脂乳液是水性丙烯酸树脂乳液,选用的填料为石英砂和重质碳酸钙粉,颜料为金红石型钛白粉,玻璃珠选用 1 号玻璃珠,其粒径分布参照路面标线用玻璃珠(GB/T 247222009)。1.2 标线材料制备1.2.1 水性标线涂料制备水性标线的制备过程如下。首先,按照配方分别称重各组成成分。其次,将树脂乳液和去离子水加入反应器中,在 300 500 r/min 条件下搅拌10 min。然后,加入钛白粉和重钙粉,缓慢将搅拌速率提高到 1 0001 200 r/min,搅拌 1 h。充分混合反应后,降低搅拌速率至 600 800 r/min,加入乙醇、成膜助剂和消泡剂,搅拌 15 min。最后,加入增稠剂,以 1 200 r/min 的速率搅拌 2030 min,获得水性标线涂料。1.2.2 老化标线样品制备将制备完成的水性标线样品放入紫外线老化箱进行老化。一个老化周期的定义为:紫外线老化烘箱的温度设置为 60,湿度为 92%,光强设置为100 lx,将样品在此环境下暴露 12 h 为一个周期。对样品分别进行 0、10、20、30、40 周期的紫外老化,并分别进行磨耗性能、逆反射亮度系数和傅里叶变换红外光谱(Fourier Translation Infrared spectrosco-py,FTIR)分析测试。1.3 分析与表征1.3.1 微观结构采用FTIR 的全反射(Attenuated Total Reflection,ATR)附件表征不同紫外老化周期的样品分子结构变化。测试的波数范围为 4 000400 cm-1。1.3.2 耐磨性能将水性标线涂料喷涂于玻璃圆盘模具上,固化后获得磨耗试验的试样,每个测试样品制备 3 块试板。在室温下用磨耗仪进行耐磨性能测试。通过测试带有荷载的橡胶砂轮循环后的质量损失来表征涂层的耐磨性,砂轮循环 200 r,每 50 r 记录一次数据。质量损失越少,耐磨性能越好。在另外 2 块试板上重复上述操作。最后对每 1 块试样,用减量法计算经商定的转数后的质量损耗。计算 3 块试板的平均质量损耗为该试样的磨耗值,精确到 1 mg。对不同老化周期的样品采用 750 g 荷载进行磨耗试验。同时,为了模拟不同荷载对标线磨耗的影响,对老化 0 周期和 40 周期的标线试样加测 500 g 和1 000 g 2 种荷载。磨耗试验试样如图 1 所示。图 1 磨耗试验试样Fig.1 Abrasion test samples651第 4 期吴闻秀,等:水性道路标线性能衰减规律研究1.3.3 逆反射亮度系数为了研究水性标线逆反射亮度系数的衰减规律,在宁靖盐高速施划水性标线试验段。于标线施工完成 1、3、6、18 个月后分别测量标线的逆反射亮度系数。2 结果与分析2.1 化学结构不同老化周期的水性标线的 FTIR 谱图如图 2所示。随着老化的进行,水性标线 3 548 cm-1和3 396 cm-1处出现 2 个峰,分别对应OH 伸缩振动和NH 伸缩振动。可能是因为随着老化的进行,水性标线中的树脂与水反应,生成了OH。2 917 cm-1处出现新的峰对应CH 伸缩振动,可能是因为紫外老化破坏了树脂中的不饱和结构,导致CH 含量增多。紫外老化后,1 143 cm-1处出现新的峰,对应SO 伸缩振动,可能是因为水性标线涂料中的含硫基团与空气中的氧气发生氧化反应。因此,水性标线紫外老化过程中主要发生水损害和氧化2 种破坏。4?000?3?500?3?000?2?500?2?000?1?500?1?000?500波数/cm-1Wave?number透过率/（a.u.）Transmittance3?5483?396 2?9171?14340 周期30 周期20 周期10 周期0 周期图 2 不同老化周期水性标线的官能团变化Fig.2 Changes of functional groups of water-borne markings in different aging cycles2.2 磨耗性能不同老化周期的水性标线的磨耗结果如图 3 所示。由图 3 可知,老化周期为 020 周期时,水性标线的磨耗值的变化在 0.95.8 mg,说明 20 周期之前老化周期对于水性标线磨耗值的影响较小。20周期之后,随着老化周期的增加,水性标线磨耗值呈现明显上升趋势,且磨耗值的增加速度呈现逐渐变快的趋势,老化 40 周期时,磨耗值达到了 21.5 mg,约为老化 30 周期时磨耗值的 2 倍。可能是因为树脂老化变脆,使得标线涂料的力学性能降低。0?10?20?30?40老化周期Aging?cycle磨耗值/mgAbrasion?value5.80.91.610.121.525201510500图 3 不同老化周期水性标线磨耗值的变化Fig.3 Changes of abrasion value of water-borne markings in different aging cycles为了模拟不同荷载对水性标线磨耗性能的影响,对老化 0 周期和 40 周期的水性标线试样分别加载 500、750、1 000 g 3 种荷载进行磨耗试验,结果如图 4 所示。由图 4 可知,对于相同老化周期的样品,磨耗值随着荷载量的增加而增大,表明重载作用下,水性标线的磨耗性能变差。0 周期即未老化时,水性标线在 1 000 g 荷载下的磨耗值约是 500 g 荷载下磨耗值的 2 倍。老化 40 周期时水性标线在1 000 g 荷载的磨耗值是 500 g 荷载磨耗值的 1.5倍。这表明重载作用对新建水性标线的磨耗较大,并且随着老化的进行这种负面影响逐渐降低。500?750?1?000试验荷载/gTest?load磨耗值/mgAbrasion?value0.5160.925201510501.21.00.80.60.40.20.0磨耗值/mgAbrasion?value21.51.1240 周期40 周期图 4 不同荷载作用下水性标线磨耗值的变化Fig.4 Changes of abrasion value of water-borne markings under different loads2.3 逆反射亮度系数对宁靖盐高速施划的水性标线的逆反射亮度系数进行跟踪测试,结果如图 5 所示。水性标线的初始逆反射亮度系数较高,均在 400 mcd/(m21x)以上,达到公路工程质量检验评定标准级标线涂料等751森 林 工 程第 39 卷级。前 6 个月水性标线的逆反射亮度系数衰减速度较慢,使用 6 个月的标线逆反射亮度系数大于300 mcd/(m21x),为初始值的 75%以上,仍保持较好的反光性能。6 个月后,水性标线的逆反射亮度系数衰减较快,18 个月时一车道虚线和二车道实线的逆反射亮度系数分别为 110 mcd/(m21x)和121 mcd/(m21x),衰减至 6 个月时的 33%和37%。一车道虚线的逆反射亮度衰减速度整体上快于二车道实线的衰减速度,主要因为一车道虚线受客车和货车的综合作用,而二车道实线靠近路侧,车辆行驶时对其碾压作用较小。此外,对逆反射亮度系数跟踪检测的数据进行拟合,如图 5 所示,一车道虚线和二车道实线的拟合公式分别为式(1)和式(2)。Y=177.468arctan(-0.139 1x+1.279 4)+256.096 4。(1)Y=187.458arctan(-0.122 9x+1.070 8)+268.414 3。(2)式中:x 为标线投入使用的时间,月;Y 为标线的逆反射亮度系数。根据拟合公式计算水性标线逆反射亮度系数下降至 80 mcd/(m21x)时的时间,即标准规定的白色标线使用期间的最低逆反射亮度系数,预测水性标线在高速公路上的使用寿命。结果表明,一车道虚线的寿命预测为 20 个月,二车道实线的寿命预测为 21 个月。在实际使用中,一般 18 个月左右会进行重新施划,可以看出上述拟合公式对于水性标线使用寿命的预测具有一定参考价值。逆反射亮度系数/（mcd m-2 1x-1）Coefficient?of?retror?eflected?luminance5?10?15?20?25?30?35?40时间/月Time45040035030025020015010050一车道虚线二车道实线0图 5 宁靖盐高速水性标线逆反射亮度系数随时间的变化曲线Fig.5 Curve of coefficient of retroreflected luminance of Ningjingyan expressway water-borne marking with time通过建立水性标线试验段的逆反射亮度系数衰减与室内模拟老化试验磨耗性能衰减之间的关系,室内模拟预测其使用寿命。对比水性标线逆反射亮度系数随时间的变化曲线(图 5)和不同老化周期水性标线磨耗值的变化曲线(图 3)发现,逆反射亮度系数的衰减和磨耗性能的衰减趋势一致,逆反射亮度系数在 6 个月之后衰减速度加快,12 个月时一车道虚线和二车道实线的逆反射亮度系数衰减至 6 个月时的 60%,磨耗性能在紫外老化 20 个周期之后衰减速度加快,老化 40 周期时,磨耗值超过老化 6 个周期的 10 倍。基于此,得出初步结论,高速公路水性标线在室内模拟紫外老化 10 个周期,相当于实际使用过程中 3 个月的寿命。4 结论本研究针对水性标线的性能衰减规律和机理,得出主要结论如下。1)水性标线在紫外老化下主要发生了水损害和氧化 2 种破坏。2)老化周期为 020 周期时,水性标线的磨耗值的变化较小,位于 0.95.8 mg;20 周期之后,随着老化周期的增加,水性标线的磨耗值呈现逐渐变快的趋势,40 周期磨耗值达到 21.5 mg。3)随着水性标线投入使用时间变长,其逆反射亮度系数持续衰减,06 个月的衰减速度较慢,使用6 个月的标线逆反射亮度系数为初始值的75%以上;6 个月之后衰减速度加快,18 个月时衰减至 6 个月时的 33%37%。【参 考 文 献】1 XU L,CHEN Z X,LI X R,et al.Performance,environ-mental impact and cost analysis of marking materials in pavement engineering,the-state-of-artJ.Journal of Cleaner Production,2021,294(44-46):126302.2 交通运输部公路科学研究所,交通运输部交通工程监理检测中心.路面标线涂料:JT/T2802022S.北京:人民交通出版社,2022.China Academy of Transportation Science,Traffic Engi-neering Supervision Test Center.Pavement marking paint:JT/T 2802022 S.Beijing:China Communications Press,2022.3 李捷飞.热熔型涂料性能持久性及路用性能研究D.重庆:重庆交通大学,2018.LI J F.Study on performance persistence and road 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