路面標線反光性能影響因素分析

祁曉靜，關(guān)臘生，張 超

（山西長達交通設施有限公司，山西 太原 030006）

路面標線作為一種基礎(chǔ)的交通設施，在車輛行駛過程中，提供誘導、分流、提示或限制等作用，是交通管理中非常重要的環(huán)節(jié)。通常路面標線需要具備完整清晰、鮮明美觀的特性。尤其是高速路，不僅要求標線白天標識明顯，夜間也需要提供有效的可視性來保證交通安全。影響路面標線夜間可視性的因素很多，包括反光玻璃珠的特性、施工適宜程度、標線的種類、玻璃珠鍍膜與標線種類的配套情況等[1-3]。本文將對這些因素進行簡單的分析。

1 玻璃珠對標線夜間反光的影響

1.1 玻璃珠成圓率和粒徑對標線夜間反光的影響

如圖1a所示，只有接近理想球體的玻璃珠才可以使車燈射入到標線表層玻璃珠的光線經(jīng)折射—反射—折射進入到司機的眼中。成圓不理想的玻璃珠會使光線在玻璃珠內(nèi)部發(fā)生多次反射，最后透過玻璃珠折射返回的光線會偏離司機的視野，如圖1b。

圖1 玻璃珠成圓率對標線夜間可視性的影響

因此，在標線施工過程中需優(yōu)選玻璃珠，通常要求成圓率大于等于90%，從而保證光線的逆反射方向。另外，標線的厚度通常較小，因此玻璃珠的粒徑需控制在一定的范圍，若玻璃珠較大，其在標線內(nèi)的嵌入較淺，容易在外力作用下脫落；若玻璃珠較小，則容易全部沒入標線內(nèi)部；若玻璃珠粒徑不均勻，其沒入標線涂膜的程度也不均勻，較小的玻璃珠容易被大玻璃珠遮擋，無法收到車燈射來的光，或者形成有效的回歸反射，這些都會影響標線的夜間可視性，通常玻璃珠的粒徑范圍應為20～60目。

1.2 玻璃珠的折射率對標線夜間反光的影響

玻璃珠在夜間行車過程中所起到的作用是提供集中的回歸反射光線，即將由光源照射到玻璃珠上的大部分光能集中在一個狹小的光錐內(nèi)返回到司機的視野中。通常來講，回歸反射光束的強弱通常由回歸反射的張角（光線射出玻璃珠的方向與光軸線反向之間的夾角）決定，當張角越大時，光束發(fā)散越厲害，形成的視覺效果越差。通常情況下張角D2按式1計算：

D2在時取得極大值。當n值確定時，就可以計算出不同折射率的玻璃珠形成的回歸反射張角。通常情況下玻璃珠的折射率n＜2，通過計算可以知道在此范圍內(nèi)，隨著n的增大，回歸反射的張角D2越小，形成的光束越集中[4]，人眼對其的識別能力越強。也就是說玻璃珠的折射率越大，形成回歸反射的效果越好。但考慮到造價，路面標線通常采用折射率n≥1.7的玻璃珠即可。

2 玻璃珠施工適宜程度對標線夜間反光效果的影響

2.1 玻璃珠撒布時間對標線夜間反光的影響

玻璃珠的撒布時間會影響其在標線涂膜中的嵌入程度，而玻璃珠在標線涂膜中的嵌入程度會嚴重影響標線的逆反射亮度系數(shù)。如圖2所示，玻璃珠嵌入過淺或者過深，都會影響標線的夜間可視性。

圖2 玻璃珠嵌入程度對標線夜間可視性的影響

通常，玻璃珠在涂膜中的陷入程度與玻璃珠的撒布時間、涂料的黏度以及玻璃珠的比重有密切的關(guān)系。因此根據(jù)涂料的黏度，選擇比重合適的玻璃珠，并確定撒布時間尤為重要。當涂料黏度較大，玻璃珠比重較小時，或者撒布時間較晚，玻璃珠嵌入涂膜淺，車頭燈光會透過玻璃珠，射向遠方，如圖2a，同時部分玻璃珠成為浮珠，在外力作用下極易脫落，標線的逆反射亮度系數(shù)下降較快，標線有效壽命嚴重短縮；而涂料黏度較小，玻璃珠比重較大時，玻璃珠嵌入涂膜深，光線在玻璃珠內(nèi)發(fā)生多次反射，最終折不回來，如圖2c。只有比重合適的玻璃珠才能形成有效的回歸反射，如圖2b。對于道路標線而言，玻璃微珠嵌入涂膜的位置一般以露出40%～50%是反光效果最好，而玻璃珠比重為2.4～2.6 g/cm3較合適。

2.2 玻璃珠撒布量對標線夜間反光的影響

玻璃珠撒布量過少時，無法對入射光源形成集中的回歸反射，反光量不足；珠量過多，容易產(chǎn)生過密的折射，使反射光偏離入射方向，而且存在玻璃珠黏結(jié)不牢容易脫落的問題，同時也會造成成本的增加。通常，玻璃珠撒布量在0.37～0.45 kg/m3之間時效果最佳。玻璃珠量過多時的光路示意圖如圖3所示。

圖3 玻璃珠撒布量過多時對標線夜間可視性的影響

3 標線種類對標線夜間反光效果的影響

3.1 標線種類對標線夜間反光的影響

為考察標線種類對標線初始逆反射亮度系數(shù)的影響，實驗將熱熔和MMA高亮反光標線做了對比。

表1 樹脂種類對標線逆反射亮度系數(shù)的影響

由表1可見，相較于常見的熱熔標線，MMA道路標線具有更優(yōu)良的色度性能和逆反射亮度系數(shù)。光線在照射到物體表面時，會有部分能量被吸收，被吸收的能量越多，反射回的光線越弱，人眼對其的感知能力越差。玻璃珠在形成回歸反射過程中，主要的能量損耗發(fā)生玻璃珠靠近涂料面的在鏡面反射時，也就是部分能量并不形成回歸反射，而是透過玻璃珠被標線吸收。通常我們認為，絕對黑體的反射率為0，純白物體的反射率為1，也就是說當物體越白時對光線的吸收越小，反射率越高。以MMA為單體的合成樹脂中有優(yōu)良的透明性、化學穩(wěn)定性和耐候性[5]，使得MMA道路標線在相同鈦白粉用量條件下具有更優(yōu)異的白度，并且在長期的使用中不泛黃。同時采用更細膩的填料，也使標線的白度更出眾。更好的白度使得標線對光線的吸收更弱，從而保證夜間玻璃珠提供更優(yōu)異的逆反射亮度系數(shù)。

3.2 標線種類對標線夜間持久反光能力的影響

為考察各類標線夜間可視性的持久性，2010年10月在綏牡高速公路K14+200—K19+200北幅做熱熔噴涂、熱熔刮涂、MMA噴涂、MMA刮涂平面、MMA刮涂凹形等多種標線，標線位置包括內(nèi)側(cè)邊緣線、分界線、外側(cè)邊緣線。2011年7月時，再次對其逆反射亮度系數(shù)進行測試比較，結(jié)果如表2。

表2 夜間可視性持久能力對比（綏牡高速公路試驗段）

由表2可見，與熱熔標線相比較，MMA標線的夜間可視性保持時間更久，有效壽命更長。原因可能有兩點：一是相較與石油樹脂MMA樹脂的耐溫變性能更好，不會像熱熔標線一樣，夏季高溫變軟，將灰塵、玻璃珠類的糅合到標線內(nèi)，或者使玻璃珠浮出標線表面，從而脫落，降低其逆反射亮度系數(shù)。二是MMA樹脂在成膜過程中形成了交聯(lián)的大分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將玻璃珠以及其他組分緊密地包裹于其中，同時優(yōu)良的耐磨性也保證了玻璃珠在使用過程中不在外力作用下脫落，保證其逆反射亮度系數(shù)緩慢下降，極大延長了標線夜間可視性的保持時間。

4 玻璃珠與標線的配合問題—玻璃珠的鍍膜

常見的面撒玻璃珠均會進行鍍膜處理，以增加其與涂料的黏接能力，同時增強其在涂料中的懸浮性。常見的鍍膜處理用鍍硅油和鍍硅烷偶聯(lián)劑。鍍硅油玻璃珠其表面的硅油容易溶解到涂料中，不能有效提高玻璃珠與涂料的黏接能力；而鍍硅烷偶聯(lián)劑則有親水和親油2個基團，親水基一端與玻璃珠結(jié)合，親油基一端與涂料結(jié)合，能更好地實現(xiàn)有機與無機的結(jié)合，增強涂膜與玻璃珠間的黏接能力。

硅烷偶聯(lián)劑的作用原理如下：

常見的硅烷偶聯(lián)劑在酸性或者堿性條件下發(fā)生水解，形成帶有羥基的末端，如式2。

式中：X 可以為 -Cl、-Br、-I、-CH3、-R 等。玻璃珠的表面富含大量的硅端羥基，這些硅端羥基可以與水解后硅烷偶聯(lián)劑的羥基發(fā)生水解反應，使玻璃珠與硅烷偶聯(lián)劑結(jié)合。反應如式3。

圖4 利用活性基團來錨釘玻璃微珠

而硅烷偶聯(lián)劑與涂料的黏結(jié)強度主要取決于中R1基團與樹脂的作用。反應型道路標線涂料利用活性基團錨釘玻璃珠的作用如圖4。并非所有的硅烷偶聯(lián)劑都適合任意類型道路標線涂料，因此，在道路標線的開發(fā)過程中需針對不同的路面標線篩選不同鍍膜的玻璃珠，從而保證硅烷偶聯(lián)劑的R1基團中含有可以與道路標線發(fā)生反應的基團，從而更好地保證標線的持久夜間反光亮度。

5 結(jié)束語

本文對影響標線夜間可視性的多個因素進行分析，為高亮型路面標線的開發(fā)提供了理論指導，隨著我國交通發(fā)展速度的放緩，標線的施工頻率必然減少，人們對行車安全性越來越重視，因此開發(fā)具有更高效更持久的夜間可視路面標線具有極其重要的社會意義。