公路隧道MMA超薄彩色路面顏色變化規律研究

■王家主

（1.福建省交通科學技術研究所；2.福建省公路、水運工程重點實驗室，福州 350004）

1 前言

我國公路隧道數量大，截至2016年底，通車隧道總數達15181座，總里程14040公里。這些隧道的路面以水泥路面和瀝青路面為主，很少使用彩色路面，關于隧道內應用彩色路面的研究甚少。對駕乘人員而言，彩色路面在隧道內具有警示誘導、提升亮度的作用，但其在使用過程中的顏色變化對功能的持續性具有重要影響，耐久性好的彩色路面材料將在隧道內發揮重要的作用。目前流行的彩色路面材料主要有熱拌脫色瀝青混合料、彩色集料壓入式、各種有機膠黏劑混合骨料涂鋪的薄層結構，工藝最簡單的當屬膠黏薄層結構。而根據膠黏材料組分的不同又可分為聚氨酯、環氧樹脂、丙烯酸酯三大類。

為美化亮化隧道路面，提升駕駛安全和行車舒適性，更好地融入松毛嶺紅色旅游文化，G319國道龍巖段的松毛嶺隧道在2014年加鋪瀝青路面后于2015年加鋪了厚度僅3mm的MMA（Methyl methacrylate，甲基丙烯酸聚甲酯的簡稱）彩色薄層。這種鋪裝結構的材料主要包括膠黏劑、固化劑、金剛砂和顏料，刮涂作業時現場混合攪拌后涂鋪成型，可人工操作或機械噴涂，施工便捷，20min內固化形成堅固而內韌的交聯加成物，1h即可全面開放交通。

松毛嶺隧道路面MMA的鋪裝方案如圖1所示[1]。兩側洞口段紅藍相間各鋪50m，洞內兩側各鋪300m紅色，往里各鋪100m灰色，中間段保留原瀝青路面。

隨著車輛的碾壓和通車時間的延長，彩色薄層勢必遭受磨損和污染，引起顏色的變化，進而影響隧道路面的亮度。因此，研究MMA路面顏色的變化對于后期的維護具有重要指導意義。

圖1 松毛嶺隧道MMA鋪裝方案

2 色度圖

關于顏色的衰減可以從感官上直接感知，但難以量化，為此可以借助色度圖坐標，根據對象顏色分量坐標的變化一定程度上判定顏色的衰減。CIE1931色彩色差儀色度圖如圖2。

圖2 CIE1931色彩色差儀色度圖

國際照委會制定的CIE1931色彩色差儀色度圖中的弧形曲線上的各點是光譜上的各種顏色即光譜軌跡，是光譜各種顏色的色度坐標，所有的光譜色在色坐標上為一馬蹄形曲線。 在圖中紅（R）、綠（G）、藍（B）三基色的色度坐標點為頂點，圍成的三角形內的所有顏色可以由三基色按一定的量匹配而成。紅色波段在圖的右下部，綠色波段在左上角，藍紫色波段在圖的左下部。

圖中的顏色，包括了自然所能得到的顏色。這是個二維平面空間圖，由x-y直角標系統構成的平面，為了適應人們習慣于在平面坐標系中討論變量關系，而設計出來的。在設計出該圖的過程中，經過許多數學上的變換和演算。不管是光源色還是表面色，都可以用紅、綠、藍三種基色表示，并可以在色度圖上標識出。此圖的意義和作用，可以總結成兩句話：（1）表示顏色視覺的基本規律。（2）表示顏色混合與分解的一般規律。圖中坐標系的意義：x表示與紅色有關的相對量值；y表示與綠色有關的相對量值；z表示與藍色有關的相對量值；并且z=1-(x+y)，任何顏色確定兩種基色的比例后即可確定第三種基色的比例，色度坐標可采用色度儀測試得到。

3 松毛嶺隧道路面顏色變化

3.1 外觀

松毛嶺隧道實際路面的顏色如圖3～6，分別為剛施工完、通車后15個月、通車后30個月后洞內外的顏色外觀。可見，隨著通車時間的增長，路面顏色的光澤度逐漸降低，開始時降低較快，后期逐漸平穩，30個月和15個月后的外觀差異不明顯。同樣的紅色對比，洞外的相對洞內顏色保持更好，色澤變化更小。

圖3 剛施工完外觀

圖4 15個月后外觀

圖5 30個月后洞內外觀

圖6 30個月后洞外外觀

3.2 鋪后15個月色度檢測

在后期跟蹤觀測中，采用KONICA MINOLTA色度儀，對路面各區段各種顏色進行色度坐標測試，表1為15月后路面顏色色度的檢測結果，其中Y表示亮度因數。

室內制作MMA鋪裝材料的標準色板，檢測其色度用于后期路面顏色觀測的色度比對，如圖7。15個月后洞內MMA路面顏色的變化如表2所示。

表1 顏色色度坐標變化

表2 15個月后洞內MMA路面色度變化

圖7 室內色度測試

從表2可以看出，通車運營后隧道內的MMA鋪裝層的顏色有衰減現象，紅色路面的紅色部分的x值變化最大，降幅達21.18%，亮度因數降10.60%；而灰色路面的色度變化不大，x量值最大偏差僅2.88%，但亮度因數降46.92%。表面覆蓋有較多煙塵的紅色路面部分，色度坐標值x的變化幅度比其余部分還大，達31.74%。由此可見，煙塵污染對紅色有較大影響。從煙塵的分布來看，覆蓋量最多的位于行車道靠近路緣石的位置，中間行車道由于車輛的泵吸和風力作用，煙塵相對較少，從外觀上也可以看出，除了中間尾氣排放對應的位置，路面整體的紅色清晰可見，因此，車輛投影有經過的區域色度反而降低更少。洞內外的紅色路面外觀對比發現，洞外的較洞內更加鮮艷明亮，主要是由于洞外的煙塵不易殘留，容易被風帶走且有雨水的間斷性沖洗。由此可得出結論：一方面，汽車尾氣灰塵等對路面顏色尤其是紅色的色度衰減有較大影響，而對灰色影響不明顯；另一方面，洞外路面干凈鮮艷表明MMA超薄鋪裝易于清洗，如果能夠定期對路面的煙塵進行沖洗可以讓路面顏色保持更加持久。

3.3 鋪后30個月色度檢測

30個月后，在前次跟蹤檢測的相同樁號位置再次進行色度檢測，每個樁號斷面測四個點，分別為邊線旁煙塵覆蓋處、右輪輪跡帶、尾氣帶、左輪輪跡帶。兩次色度檢測的結果見表3～表6。

表3 洞內MMA路面色度兩次跟蹤檢測的結果

表4 洞外MMA路面色度跟蹤檢測的結果

表5 洞內MMA路面色度兩次跟蹤檢測與標準板的差值

表6 洞外MMA路面色度跟蹤檢測與標準板的差值

從上述檢測結果分析看，經過通車運營，紅色和藍色MMA的色度坐標變化較大，以紅色為甚，尤其是在通車后的第一年內衰減速度最快，后期衰減速度逐漸放緩，30個月與15個月的檢測結果相差很小，色度坐標分量差值基本＜5%，由此可以推測隨著通車時間的延長，MMA路面顏色將趨于穩定，呈雙曲線的遞減變化規律。此外，對同一顏色同一橫斷面不同縱向位置，由于車輪的泵吸作用，輪跡帶表面干凈未被煙塵覆蓋，因此色度坐標變化最小。

灰色是三種顏色中色度變化最小的，不論是輪跡帶還是尾氣帶和煙塵帶，色度坐標分量均不超過5%，即使是30個月后也未超過5%。

15個月后洞內不同顏色在三個帶的色度坐標變化幅度如下：

⑴紅色

紅色x值：邊線煙塵帶（-31.82%）＞尾氣帶（-22.19%）＞輪跡帶（18.02%）；

紅色 y值：邊線煙塵帶（-3.90%）＞輪跡帶（2.80%）＞尾氣帶（-2.77%）；

紅色 z值：邊線煙塵帶（106.03%）＞尾氣帶（74.04%）＞輪跡帶（61.35%）。

⑵灰色

灰色 x值：尾氣帶（3.13%）=輪跡帶（3.13%）＞邊線煙塵帶（1.63%）；

灰色 y值：尾氣帶（1.63%）＞輪跡帶（1.60%）＞邊線煙塵帶（1.25%）；

灰色 z值：尾氣帶（-4.51%）＞輪跡帶（-4.48%）＞邊線煙塵帶（-2.74%）。

30個月后洞內不同顏色在三個帶的色度坐標變化幅度如下：

⑴紅色

紅色x值：邊線煙塵帶（-31.37%）＞尾氣帶（-25.64%）＞輪跡帶（18.98%）；

紅色 y值：邊線煙塵帶（-3.78%）＞尾氣帶（-3.19%）＞輪跡帶（-3.11%）；

紅色 z值：邊線煙塵帶（104.40%）＞尾氣帶（85.54%）＞輪跡帶（64.99%）。

⑵灰色

灰色 x值：尾氣帶（2.69%）＞輪跡帶（2.38%）＞邊線煙塵帶（1.38%）；

灰色 y值：尾氣帶（1.28%）＞輪跡帶（1.07%）＞邊線煙塵帶（0.86%）；

灰色 z值：尾氣帶（-3.76%）＞輪跡帶（-3.26%）＞邊線煙塵帶（-2.13%）。

30個月后洞外不同顏色在三個帶的色度坐標變化幅度如下：

⑴紅色

紅色x值：尾氣帶（-29.83%）＞邊線煙塵帶（-28.45%）＞輪跡帶（22.04%）；

紅色 y值：尾氣帶（-5.17%）＞邊線煙塵帶（-4.24%）＞輪跡帶（-4.21%）；

紅色 z值：尾氣帶（102.77%）＞邊線煙塵帶（96.48%）＞輪跡帶（76.81%）。

⑵藍色

藍色 x值：邊線煙塵帶（60.35%）＞尾氣帶（55.58%）＞輪跡帶（25.35%）；

藍色 y值：邊線煙塵帶（50.23%）＞尾氣帶（46.26%）＞輪跡帶（24.26%）；

藍色z值：邊線煙塵帶（-37.84%）＞尾氣帶（-34.85%）＞輪跡帶（-17.05%）。

可見，三種顏色里，灰色受尾氣和煙塵污染導致的顏色坐標變化最小，對于紅色和藍色，受尾氣和煙塵污染比較明顯，輪跡帶顏色偏離最小。

亮度因數變化方面，對比情況如下：

⑴洞內15個月

紅色Y值：邊線煙塵帶（10.26%）＞輪跡帶（-5.82%）＞尾氣帶（-11.63%）；

灰色 Y值：邊線煙塵帶 （-42.95%）＞輪跡帶（-45.35%）＞尾氣帶（-46.87%）。

⑵洞內30個月

紅色Y值：邊線煙塵帶（13.91%）＞輪跡帶（4.22%）＞尾氣帶（-9.81%）；

灰色 Y值：輪跡帶 （-30.43%）＞邊線煙塵帶（-47.75%）＞尾氣帶（-52.05%）。

⑶洞外30個月

紅色Y值：邊線煙塵帶（3.99%）＞輪跡帶（-2.96%）＞尾氣帶（-5.47%）；

藍色 Y 值：輪跡帶（-21.92%）＞尾氣帶（-36.55%）＞邊線煙塵帶（-36.63%）。

由此可見，汽車尾氣對路面的污染會造成亮度因數的降低，灰色降低幅值最大，藍色次之，紅色最小。輪跡帶上紅色的亮度因數變化最小，藍色次之，灰色最大。煙塵覆蓋對紅色的亮度因數有所提升，對藍色和灰色有所降低，灰色降低最大。因此，路面通車運行后，灰色的亮度因數衰減最嚴重，藍色次之，紅色最好。

4 結論

對松毛嶺隧道MMA路面的顏色外觀和色度進行檢測，主要得出以下結論。

⑴MMA路面通車后的第一年內光澤和色度衰減速度最快，后期衰減速度逐漸放緩并趨于穩定。

⑵汽車尾氣和煙塵對色度影響大，三種顏色里，灰色受尾氣和煙塵污染導致的顏色坐標變化最小，對于紅色和藍色，受尾氣和煙塵污染比較明顯。

⑶汽車尾氣對路面的污染會造成亮度因數的降低，灰色降低幅值最大，藍色次之，紅色最小。輪跡帶上紅色的亮度因數變化最小，藍色次之，灰色最大。

⑷煙塵覆蓋對紅色的亮度因數有所提升，對藍色和灰色有所降低，灰色降低最大。