水性道路標線性能衰減規律研究

吳聞秀 張明真 駱曉凌 鄒曉勇 盧建洪 劉倞 司晶晶

摘 要：道路標線是保障道路交通安全不可或缺的部分。為明確水性道路標線的性能衰減規律，通過室內模擬老化條件及對試驗段進行跟蹤監測，分析不同老化周期及不同荷載對水性標線磨耗值的影響，擬合檢測的逆反射亮度系數值，探究水性道路標線的磨耗性能和逆反射亮度系數的衰減規律。結果表明，水性標線在紫外老化的作用下主要發生氧化反應和水損害，老化周期在20周期之前，水性標線的磨耗值為0.9～5.8 mg，變化較??；老化20周期之后，隨著老化時間的增加，水性標線的磨耗值增加速度變快，40周期磨耗值達到21.5 mg。水性道路標線的逆反射亮度系數隨著標線使用時間持續衰減，且在初始階段衰減速度較慢，隨著服役時間的延長，衰減速度變快，與室內模擬老化過程中磨耗性能的衰減規律一致。

關鍵詞：水性道路標線；性能衰減規律；磨耗性能；逆反射亮度系數；紫外老化

中圖分類號：U491.5+23??? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1006-8023（2023）04-0155-05

Attenuation Law of Water-borne Road Marking Performance

WU 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 retroreflected 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 ultraviolet 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 marking 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 luminance 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 luminance; UV aging

收稿日期：2022-09-29

基金項目：國家自然科學基金青年基金（52008156）;金華市科技計劃項目（2022-3-057）

第一作者簡介：吳聞秀，碩士，工程師。研究方向為公路建設與養護管理。E-mail： 277182929@qq.com

通信作者：司晶晶，博士，副教授。研究方向為新型路面結構與材料、鋼橋面鋪裝技術和材料。E-mail： sijingjing@hhu.edu.cn

引文格式：吳聞秀，張明真，駱曉凌，等. 水性道路標線性能衰減規律研究[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 performance[J]. Forest Engineering， 2023， 39（4）：155-159.

0 引言

道路標線因其具有逆反射功能而反光，已成為保障道路交通安全不可或缺的部分[1]。國內道路標線主要分為4類：熱熔型道路標線、溶劑型道路標線、雙組分道路標線和水性道路標線[2]。目前在我國熱熔型道路標線和溶劑型道路標線的應用較多，但二者存在耐磨性差、環保效益不足、光度性能差、修復困難等缺陷[3]。雙組分道路標線因其比熱熔標線的耐磨性且附著性好，經過聚合反應生成的網狀分子結構擁有強附著且高耐磨等優異性能，逐漸受到關注。水性道路標線因其環保性和快速復涂特性，在養護工程中的應用越來越廣泛[6-9]。

水性道路標線（以下稱水性標線）的主要優點是生產和應用過程中安全環保。如何獲得性能更優異的水性標線涂料成為國內外研究的熱點問題[10-11]。20世紀90年代，美國陶氏化學公司開發的FASTRACK 3427A丙烯酸聚合物乳液，具有干燥快、耐磨和耐候性好的特點，與玻璃珠優異的黏結力為夜間和雨天標線提供良好的可視性[12]。國內學者對水性標線的性能優化也進行了積極的探索。梁乃杰等[13]通過熔融縮聚合成了偏苯三酸酐型水性涂料用聚酯樹脂，制備的水性聚酯涂料具有涂層耐水性優、儲存穩定性好等優點。梁哲[14]采用一種堿溶型固體丙烯酸樹脂溶于氨水作為乳化劑，配制純丙烯酸樹脂乳液，并對水性丙烯酸樹脂分子的親水基（羧基）做特殊處理，最終制得的水性標線涂料的附著力和耐水性等指標可以達到常規溶劑型丙烯酸樹脂涂料的標準。于國玲等[15]用水性羥基聚丙烯酸酯分散體、親水性多異氰酸酯固化劑3 598T、消泡劑TEGOFoamex810、潤濕劑BYK-104E和流平劑KST-203等原料調制出一種性能優良的雙組分水性聚氨酯漆。吳明江等[16]用預聚體法制備了固含量為40%的水性聚氨酯樹脂，以此制備的水性標線涂料附著力優異、不黏輪時間短，各項指標均滿足道路標線涂料技術標準。Bi等[17]研發了一種由含有自制改性發光粉和各種添加劑的丙烯酸共聚物乳液制成的水性標線，該標線室溫下的發光性能、耐磨性、附著力和耐水性能滿足路面的基本要求。

相比于雙組分道路標線，水性標線的使用壽命較短，其逆反射亮度系數衰減較快，致使其推廣應用受限。為明確水性標線的性能衰減規律，提升水性標線的耐久性，通過室內模擬老化條件和試驗段跟蹤監測，對水性標線進行性能衰減模擬，探究其磨耗性能和逆反射亮度系數的衰減規律，并從微觀角度分析衰減機理。

1 試驗

1.1 原材料

水性標線涂料使用的樹脂乳液是水性丙烯酸樹脂乳液，選用的填料為石英砂和重質碳酸鈣粉，顏料為金紅石型鈦白粉，玻璃珠選用1號玻璃珠，其粒徑分布參照《路面標線用玻璃珠》（GB/T 24722—2009）。

1.2 標線材料制備

1.2.1 水性標線涂料制備

水性標線的制備過程如下。首先，按照配方分別稱重各組成成分。其次，將樹脂乳液和去離子水加入反應器中，在300～500 r/min條件下攪拌10 min。然后，加入鈦白粉和重鈣粉，緩慢將攪拌速率提高到1 000～1 200 r/min，攪拌1 h。充分混合反應后，降低攪拌速率至600～800 r/min，加入乙醇、成膜助劑和消泡劑，攪拌15 min。最后，加入增稠劑，以1 200 r/min的速率攪拌20～30 min，獲得水性標線涂料。

1.2.2 老化標線樣品制備

將制備完成的水性標線樣品放入紫外線老化箱進行老化。一個老化周期的定義為：紫外線老化烘箱的溫度設置為60 ℃，濕度為92%，光強設置為100 lx，將樣品在此環境下暴露12 h為一個周期。對樣品分別進行0、10、20、30、40周期的紫外老化，并分別進行磨耗性能、逆反射亮度系數和傅里葉變換紅外光譜（Fourier Translation Infrared spectroscopy，FTIR）分析測試。

1.3 分析與表征

1.3.1 微觀結構

采用FTIR的全反射（Attenuated Total Reflection，ATR）附件表征不同紫外老化周期的樣品分子結構變化。測試的波數范圍為4 000～400 cm-1。

1.3.2 耐磨性能

將水性標線涂料噴涂于玻璃圓盤模具上，固化后獲得磨耗試驗的試樣，每個測試樣品制備3塊試板。在室溫下用磨耗儀進行耐磨性能測試。通過測試帶有荷載的橡膠砂輪循環后的質量損失來表征涂層的耐磨性，砂輪循環200 r，每50 r記錄一次數據。質量損失越少，耐磨性能越好。在另外2塊試板上重復上述操作。最后對每1塊試樣，用減量法計算經商定的轉數后的質量損耗。計算3塊試板的平均質量損耗為該試樣的磨耗值，精確到1 mg。對不同老化周期的樣品采用750 g荷載進行磨耗試驗。同時，為了模擬不同荷載對標線磨耗的影響，對老化0周期和40周期的標線試樣加測500 g和1 000 g 2種荷載。磨耗試驗試樣如圖1所示。

1.3.3 逆反射亮度系數

為了研究水性標線逆反射亮度系數的衰減規律，在寧靖鹽高速施劃水性標線試驗段。于標線施工完成1、3、6、18個月后分別測量標線的逆反射亮度系數。

2 結果與分析

2.1 化學結構

不同老化周期的水性標線的FTIR譜圖如圖2所示。隨著老化的進行，水性標線3 548 cm-1和3 396 cm-1處出現2個峰，分別對應OH伸縮振動和NH伸縮振動?？赡苁且驗殡S著老化的進行，水性標線中的樹脂與水反應，生成了OH。2 917 cm-1處出現新的峰對應CH伸縮振動，可能是因為紫外老化破壞了樹脂中的不飽和結構，導致CH含量增多。紫外老化后，1 143 cm-1處出現新的峰，對應SO伸縮振動，可能是因為水性標線涂料中的含硫基團與空氣中的氧氣發生氧化反應。因此，水性標線紫外老化過程中主要發生水損害和氧化2種破壞。

2.2 磨耗性能

不同老化周期的水性標線的磨耗結果如圖3所示。由圖3可知，老化周期為0～20周期時，水性標線的磨耗值的變化在0.9～5.8 mg，說明20周期之前老化周期對于水性標線磨耗值的影響較小。20周期之后，隨著老化周期的增加，水性標線磨耗值呈現明顯上升趨勢，且磨耗值的增加速度呈現逐漸變快的趨勢，老化40周期時，磨耗值達到了21.5 mg，約為老化30周期時磨耗值的2倍。可能是因為樹脂老化變脆，使得標線涂料的力學性能降低。

為了模擬不同荷載對水性標線磨耗性能的影響，對老化0周期和40周期的水性標線試樣分別加載500、750、1 000 g 3種荷載進行磨耗試驗，結果如圖4所示。由圖4可知，對于相同老化周期的樣品，磨耗值隨著荷載量的增加而增大，表明重載作用下，水性標線的磨耗性能變差。0周期即未老化時，水性標線在1 000 g荷載下的磨耗值約是500 g荷載下磨耗值的2倍。老化40周期時水性標線在1 000 g荷載的磨耗值是500 g荷載磨耗值的1.5倍。這表明重載作用對新建水性標線的磨耗較大，并且隨著老化的進行這種負面影響逐漸降低。

2.3 逆反射亮度系數

對寧靖鹽高速施劃的水性標線的逆反射亮度系數進行跟蹤測試，結果如圖5所示。水性標線的初始逆反射亮度系數較高，均在400 mcd/（m2·1x）以上，達到公路工程質量檢驗評定標準Ⅲ級標線涂料等級。前6個月水性標線的逆反射亮度系數衰減速度較慢，使用6個月的標線逆反射亮度系數大于300 mcd/（m2·1x），為初始值的75%以上，仍保持較好的反光性能。6個月后，水性標線的逆反射亮度系數衰減較快，18個月時一車道虛線和二車道實線的逆反射亮度系數分別為110 mcd/（m2·1x）和121 mcd/（m2·1x），衰減至6個月時的33%和37%。一車道虛線的逆反射亮度衰減速度整體上快于二車道實線的衰減速度，主要因為一車道虛線受客車和貨車的綜合作用，而二車道實線靠近路側，車輛行駛時對其碾壓作用較小。

此外，對逆反射亮度系數跟蹤檢測的數據進行擬合，如圖5所示，一車道虛線和二車道實線的擬合公式分別為式（1）和式（2）。

Y=177.468×arctan（-0.139 1×x+1.279 4）+256.096 4。（1）

Y=187.458×arctan（-0.122 9×x+1.070 8）+268.414 3 。 （2）

式中：x為標線投入使用的時間，月；Y為標線的逆反射亮度系數。

根據擬合公式計算水性標線逆反射亮度系數下降至80 mcd/（m2·1x）時的時間，即標準規定的白色標線使用期間的最低逆反射亮度系數，預測水性標線在高速公路上的使用壽命。結果表明，一車道虛線的壽命預測為20個月，二車道實線的壽命預測為21個月。在實際使用中，一般18個月左右會進行重新施劃，可以看出上述擬合公式對于水性標線使用壽命的預測具有一定參考價值。

通過建立水性標線試驗段的逆反射亮度系數衰減與室內模擬老化試驗磨耗性能衰減之間的關系，室內模擬預測其使用壽命。對比水性標線逆反射亮度系數隨時間的變化曲線（圖5）和不同老化周期水性標線磨耗值的變化曲線（圖3）發現，逆反射亮度系數的衰減和磨耗性能的衰減趨勢一致，逆反射亮度系數在6個月之后衰減速度加快，12個月時一車道虛線和二車道實線的逆反射亮度系數衰減至6個月時的60%，磨耗性能在紫外老化20個周期之后衰減速度加快，老化40周期時，磨耗值超過老化6個周期的10倍?；诖?，得出初步結論，高速公路水性標線在室內模擬紫外老化10個周期，相當于實際使用過程中3個月的壽命。

4 結論

本研究針對水性標線的性能衰減規律和機理，得出主要結論如下。

1）水性標線在紫外老化下主要發生了水損害和氧化2種破壞。

2）老化周期為0～20周期時，水性標線的磨耗值的變化較小，位于0.9～5.8 mg；20周期之后，隨著老化周期的增加，水性標線的磨耗值呈現逐漸變快的趨勢，40周期磨耗值達到21.5 mg。

3）隨著水性標線投入使用時間變長，其逆反射亮度系數持續衰減，0～6個月的衰減速度較慢，使用6個月的標線逆反射亮度系數為初始值的75%以上；6個月之后衰減速度加快，18個月時衰減至6個月時的33%～37%。

【參 考 文 獻】

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