反光標(biāo)線材料及其逆反射性能影響因素研究進(jìn)展

孫曉龍，袁俊申，于華洋，覃 瀟，尹應(yīng)梅

（1. 廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2. 華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 5106413；3. 佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 交通與土木建筑學(xué)院，廣東 佛山 528225）

交通事故已成為我國人口死亡的主要原因[1]。根據(jù)統(tǒng)計(jì)夜間交通事故率較高，美國在2010年～2017年間發(fā)生于19:00～7:00之間的公路交通事故傷亡率是其他時(shí)間的1.5倍[2]，而在中國就有超過40%的交通事故死亡人數(shù)發(fā)生在夜間[3]，交通標(biāo)志的夜間視認(rèn)性低是造成夜間行車事故率高的主要誘因，在實(shí)際應(yīng)用中夜間交通的反光標(biāo)志主要有3M反光材料與道路標(biāo)線，對(duì)于行車路面而言，道路標(biāo)線是夜間行車的最主要引導(dǎo)，道路標(biāo)線與交通事故息息相關(guān)，據(jù)權(quán)威部門統(tǒng)計(jì)，道路標(biāo)線逆反射性能與交通事故的相關(guān)概率為70 %[4]，當(dāng)?shù)缆窐?biāo)線逆反射亮度系數(shù)每提高10～100 mcd，交通風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)降低0.9%～8.6%[5]，同時(shí)標(biāo)線逆反射性能的提高還能有效提高運(yùn)輸效率30 %以上[4]，因此提高道路標(biāo)線的逆反射性能對(duì)于有效降低夜間行車事故率具有重要意義[6]。

道路標(biāo)線的逆反射性能主要由標(biāo)線涂料本身性能及所摻加的反光材料所決定，其中主要影響因素包括鈦白粉及反光玻璃微珠。相關(guān)研究表明[7-8]，標(biāo)線的亮度因數(shù) (白度) 與鈦白粉的加入量基本呈正比關(guān)系，鈦白粉加入量越大，所測(cè)得的亮度因數(shù)值也越大，與此同時(shí)鈦白粉的加入量對(duì)光反射比影響顯著，隨著鈦白粉加入量的增加光反射比呈明顯上升趨勢(shì)，逆反射性能得到提高。另一方面，作為道路標(biāo)線逆反射性能核心影響因素，玻璃微珠直接決定著道路標(biāo)線逆反射性能的好壞，玻璃微珠通過自身的折射和反射等性能，實(shí)現(xiàn)對(duì)照射的光線進(jìn)行定向返回，這是最直接也是最有效的使標(biāo)線具有良好的逆反射性能的措施[9]。為保證道路標(biāo)線的逆反射性能，我國道路行業(yè)要求道路標(biāo)線必須摻加反光玻璃微珠，并對(duì)道路用玻璃微珠的應(yīng)用進(jìn)行了規(guī)范化要求。作為道路標(biāo)線的主要反光材料，鈦白粉與反光玻璃微珠都能夠有效提高道路標(biāo)線的逆反射性能和夜間辨識(shí)度，但二者在提高標(biāo)線逆反射性能的方式和機(jī)理上相異，其中，鈦白粉主要通過提高標(biāo)線的白度進(jìn)而改善標(biāo)線的光反射比，而反光玻璃微珠主要通過對(duì)照射光進(jìn)行反射和折射實(shí)現(xiàn)道路標(biāo)線的逆反射性能。而現(xiàn)有研究也印證了反光玻璃微珠的道路標(biāo)線逆反射性能改善效果優(yōu)于鈦白粉[10]。

作為道路標(biāo)線主要反光材料，鈦白粉與反光玻璃微珠雖都能有效提高道路標(biāo)線的逆反射性能，但同時(shí)也存在一定問題。白度對(duì)逆反射性能的影響是有限的，當(dāng)鈦白粉的摻量超過7%時(shí)，標(biāo)線的色度色差值達(dá)到最大值，再增加鈦白粉的用量對(duì)于亮度因數(shù)的影響非常小[7]，白度過高的標(biāo)線易受污染，這都會(huì)使標(biāo)線的逆反射性能大大降低，同時(shí)鈦白粉的造價(jià)較高，在實(shí)際標(biāo)線涂料中鈦白粉的含量一般在僅為3%～5%左右。對(duì)于反光玻璃微珠，我國在2009年11月頒布了國家標(biāo)準(zhǔn)《路面標(biāo)線用玻璃珠》(GB/T 24722—2009)[11]，相較國外的標(biāo)線用玻璃微珠規(guī)范，該規(guī)范所涉及的玻璃微珠使用粒徑范圍相對(duì)較小，而且配比類型較少，這在很大程度上限制了標(biāo)線的逆反射性能提升。同時(shí)，關(guān)于玻璃微珠在道路標(biāo)線逆反射性能改善方面的研究尚不完善，導(dǎo)致無法通過反光玻璃微珠粒徑范圍與配比類型的合理調(diào)控有效改善道路標(biāo)線的逆反射性能。

基于此，本文總結(jié)和分析了現(xiàn)有道路標(biāo)線的主要類型及特點(diǎn)，歸納了鈦白粉與玻璃微珠對(duì)標(biāo)線逆反射性能影響的相關(guān)研究成果，明確了標(biāo)線逆反射性能各影響因素的重要性，在此基礎(chǔ)上，調(diào)查和總結(jié)國內(nèi)外道路用玻璃微珠相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，明確現(xiàn)有道路標(biāo)線用玻璃微珠的主要技術(shù)指標(biāo)和評(píng)價(jià)體系，為道路標(biāo)線逆反射性能和夜間辨識(shí)度的改善和提高奠定基礎(chǔ)。

1 道路標(biāo)線材料主要類型及特點(diǎn)

現(xiàn)有道路交通標(biāo)線材料主要包括熱熔型標(biāo)線涂料、雙組份標(biāo)線涂料、溶劑型標(biāo)線涂料和水性標(biāo)線涂料[12]，其中熱熔型和雙組份標(biāo)線涂料作為主要標(biāo)線類型，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)有道路領(lǐng)域。

1.1 熱熔型標(biāo)線涂料

20世紀(jì)50年代中期熱熔型道路標(biāo)線涂料在歐洲研發(fā)成功，起初多用于市區(qū)繁忙路段。美國于1958年首次將熱熔型標(biāo)線涂料應(yīng)用于公路工程中，其應(yīng)用效果優(yōu)良。此后，諸多國家開始在公路鋪面工程中應(yīng)用該類涂料。但在應(yīng)用過程中，熱熔型標(biāo)線材料逐漸暴露出低溫易于脆裂和過流等問題?；诖?，研究人員開始從涂料配方出發(fā)改善熱熔型標(biāo)線涂料的耐久性及環(huán)境適應(yīng)性。Mirabedini等[13]通過混合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化標(biāo)線材料配方，顯著改善了熱熔型道路標(biāo)線材料的性能，為熱熔型標(biāo)線涂料的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。為提高耐磨性能，Togo等[14]以石油樹脂為成膜材料，配合加入質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為30%～60%的乙烯-醋酸乙烯共聚物 (Ethylene-Vinyl Acetate, EVA)顯著提高了熱熔型標(biāo)線材料的耐磨耗性能?？着迮宓萚15]研發(fā)了具有高分子內(nèi)聚力的聚氨酯及樹脂或聚對(duì)苯二甲酸樹脂，嵌入熱熔型標(biāo)線材料表面，從而賦予標(biāo)線材料高耐磨性能。

我國早期科研人員研制出以石油樹脂和植物礦物油為主要原料的熱塑型標(biāo)線涂料，該標(biāo)線涂料不僅能增加標(biāo)線的耐磨性，還能延長(zhǎng)道路標(biāo)線的使用壽命，結(jié)束了國內(nèi)標(biāo)線領(lǐng)域僅有溶劑型標(biāo)線涂料的歷史[15]。隨著化工行業(yè)的快速發(fā)展，丙烯酸的工業(yè)化以及丙烯酸單體改性合成耐候性優(yōu)異樹脂涂料技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，豐富了我國熱熔型道路標(biāo)線的應(yīng)用選擇[16]。與此同時(shí)，科研人員通過熱熔型涂料的改性工藝增強(qiáng)了道路標(biāo)線的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)和性能，其中，張薇等[17]利用熱塑性彈性體乙烯-醋酸乙烯共聚物 (Ethylene-Vinyl Acetate Copolymer，EVA) 來改性熱熔型道路標(biāo)線涂料，明確了熱熔型道路標(biāo)線涂料的配方和工藝對(duì)標(biāo)線涂料性能的影響；趙嬌嬌等[18]優(yōu)選改性松香樹脂、VA900型EVA樹脂與350-1醇酸樹脂作為標(biāo)線涂料成膜物，制備了熱熔型改性松香-醇酸樹脂路標(biāo)涂料，而研究結(jié)果表明該新型標(biāo)線涂料耐磨性能優(yōu)良、并具有良好的逆反射性能和干燥效率，顯著改善了熱熔型標(biāo)線材料的夜間辨識(shí)性和開放交通時(shí)間。

1.2 雙組份標(biāo)線涂料

雙組份標(biāo)線涂料主要通過2種不同組分材料在常溫下經(jīng)混合后以噴涂或刮涂方式涂覆于路面表面，而其與路面的粘結(jié)力主要源自于雙組份之間的化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)[19]。雙組份道路標(biāo)線涂料主要成分是甲基丙烯酸甲酯樹脂，作為一種冷塑性產(chǎn)品，具有良好的耐磨性能和抗滑性能，尤其具有良好的反光效果[20]。自20世紀(jì)80年代開始，雙組份標(biāo)線涂料以其性能優(yōu)良陸續(xù)在美國及歐洲各國展開應(yīng)用，但噴涂技術(shù)及設(shè)備交通工程研究水平相對(duì)滯后，在一定程度上限制了雙組份涂料在道路工程中的推廣和普及[21]。自2004年起，雙組份標(biāo)線材料在我國逐漸進(jìn)入推廣應(yīng)用階段，先后應(yīng)用在北京、上海、云南、廣東及湖北等省市的道路工程中。而針對(duì)固化時(shí)間問題，國內(nèi)外學(xué)者也展開了一定的研究，研發(fā)了相應(yīng)的快速固化標(biāo)線材料，但配方和相應(yīng)施工工藝尚未成熟，仍需進(jìn)一步研究完善[22-24]。

1.3 溶劑型標(biāo)線涂料

溶劑型標(biāo)線涂料主要分為丙烯酸型和氯化橡膠型兩種類型。溶劑型標(biāo)線涂料固體含量高，濕膜厚度較薄，可直接在舊有標(biāo)線表面上噴涂，而且溶劑型標(biāo)線涂料還具有施工方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但耐磨性較差、使用的壽命相對(duì)較短。同時(shí)，由于施工過程中存在有機(jī)溶劑揮發(fā)問題，對(duì)自然環(huán)境污染較為嚴(yán)重，還會(huì)危害施工人員的身體健康。隨著環(huán)保要求日益提高，溶劑型標(biāo)線涂料在生產(chǎn)和使用方面已受到較大限制，實(shí)際應(yīng)用量正在逐步降低，自20世紀(jì)90年代開始，傳統(tǒng)的溶劑型標(biāo)線涂料基本已在歐洲禁止使用[25]。

20世紀(jì)70年代以來，加熱溶劑型標(biāo)線涂料憑借其高固含、高黏度、涂層厚及節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)逐漸在我國普及使用[26]。但該涂料生產(chǎn)成本較高，施工過程中揮發(fā)散出大量有毒氣體(甲苯或二甲苯)，會(huì)對(duì)施工人員的健康以及周圍環(huán)境帶來不可逆?zhèn)?，無法滿足道路工程的施工安全要求。隨著環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)以及國家相關(guān)政策的鼓勵(lì)，溶劑型道路標(biāo)線涂料在道路工程中逐漸被其他環(huán)保型標(biāo)線材料替代[15]。

1.4 水性標(biāo)線涂料

作為溶劑型道路標(biāo)線涂料的替代品，水性道路標(biāo)線涂料優(yōu)點(diǎn)在于其以水為溶劑，可以實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)，符合環(huán)保發(fā)展要求。早在20世紀(jì)80年代，發(fā)達(dá)國家就開始使用純丙乳液制備水性標(biāo)線涂料進(jìn)行道路標(biāo)線的敷劃，但早期水性道路標(biāo)線涂料干結(jié)速度、耐水性等指標(biāo)較差[27]。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，以快干型丙烯酸作為粘結(jié)劑的水性涂料顯著改善了道路標(biāo)線涂料的附著力、耐水性等。隨后，水性道路標(biāo)線涂料在美國、德國、西班牙和瑞典等發(fā)達(dá)國家迅速發(fā)展[28]，其中德國PLASTIROUTE公司的水性標(biāo)線涂料憑借其防滑性、柔韌性及耐磨性等優(yōu)良性能、環(huán)保性及經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢(shì)，在現(xiàn)有水性標(biāo)線涂料市場(chǎng)占據(jù)了主要份額[15]。

雖然國內(nèi)水性道路交通標(biāo)線涂料已部分試驗(yàn)性的投入城市道路、高速公路和機(jī)場(chǎng)等交通基礎(chǔ)設(shè)施中，但后期逐漸暴露出使用壽命短、易腐蝕破壞、易粘臟、環(huán)境適應(yīng)性差及干燥耗時(shí)等應(yīng)用問題。為突破國內(nèi)水性道路標(biāo)線涂料在使用中遇到的一系列問題，國內(nèi)研究人員展開了一系列研究，如董立志等[29]將快干型純丙烯酸酯共聚物乳液和水性氟碳乳液復(fù)配，并在復(fù)合物中摻加納米填料，進(jìn)而制備出具有優(yōu)異附著力、耐候性、耐沾污性和耐磨性的水性道路標(biāo)線涂料；梁哲等[30]利用堿溶型固體丙烯酸樹脂易溶于氨水這一特性，對(duì)水性丙烯酸樹脂分子的羧基親水基團(tuán)進(jìn)行改性處理，制備出滿足相關(guān)標(biāo)線標(biāo)準(zhǔn)要求的水性道路標(biāo)線涂料；孫道興、肖龍等[31-32]利用硅烷偶聯(lián)劑制備出性能優(yōu)良的改性水性標(biāo)線涂料，具有良好的耐老化性能和耐磨耗性能，其磨耗質(zhì)量損失僅為13.5 mg，較市售同類產(chǎn)品的耐磨性能提高了約70%。國內(nèi)的相關(guān)研究成果為我國水性道路標(biāo)線材料在道路工程中的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

2 道路標(biāo)線逆反射性能影響因素

2.1 鈦白粉

2.1.1 鈦白粉分類及制備工藝

鈦白粉按結(jié)晶形態(tài)可分為板鈦型、銳鈦型和金紅石型。目前工業(yè)上實(shí)際應(yīng)用的主要有銳鈦型和金紅石型鈦白粉，二者均具有穩(wěn)定的晶格，是重要的白色顏料和瓷器釉料，與傳統(tǒng)的鉛白、鋅白、鋅鋇白等白色顏料相比具有白度好、折射率高、著色力和遮蓋力大及耐候性好等多種優(yōu)點(diǎn)[33]。金紅石型鈦白粉與銳鈦型晶體相比結(jié)構(gòu)更致密，折射率更高，因而在涂料工業(yè)中應(yīng)用更為廣泛。鈦白粉的主要制備工藝包括硫酸法和氯化法，此外還有鹽酸法、混合法以及硝酸法等，常見制備工藝的流程及優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 鈦白粉制備工藝流程及優(yōu)缺點(diǎn)Table 1 Advantages and disadvantages of titanium dioxide preparation process

2.1.2 鈦白粉對(duì)逆反射性能的影響

潔白鮮明的道路標(biāo)線具有良好的視認(rèn)性，同時(shí)也可保證穩(wěn)定的夜間反光性能。鈦白粉通過改善道路標(biāo)線白度實(shí)現(xiàn)其逆反射性能的提升。相關(guān)試驗(yàn)表明，道路標(biāo)線的亮度因數(shù) (白度) 與鈦白粉的摻量基本呈正比關(guān)系[8]。同時(shí)鈦白粉對(duì)光反射比影響顯著，其摻量的增加可明顯提高道路標(biāo)線的光反射比[7]。而鈦白粉對(duì)于道路標(biāo)線逆反射性能的改善效果存在極限，當(dāng)摻量高于標(biāo)線涂料質(zhì)量的7%時(shí)標(biāo)線的色差值、亮度因數(shù)及光反射比變化趨于穩(wěn)定[8]。基于此，市場(chǎng)上大多數(shù)標(biāo)線涂料的鈦白粉含量一般在標(biāo)線涂料質(zhì)量的3%～5%范圍內(nèi)。

綜上所述，鈦白粉主要通過其自身白度改善標(biāo)線材料的亮度因數(shù)及光反射比，從而實(shí)現(xiàn)標(biāo)線逆反射性能的提高，但其改善效果存在極限，且實(shí)際造價(jià)相對(duì)高昂，因此，僅依靠添加鈦白粉來提高標(biāo)線涂料的逆反射性能無法滿足道路標(biāo)線的實(shí)際需求。基于此，為滿足道路標(biāo)線逆反射性能的實(shí)際需求，還應(yīng)采用其他技術(shù)手段改善標(biāo)線的逆反射性能，而添加反光微珠是提高道路標(biāo)線涂料逆反射性能更為有效的技術(shù)手段。

2.2 反光玻璃微珠

2.2.1 反光微珠分類及技術(shù)性能

反光微珠主要由硼硅酸鹽原料經(jīng)加工而成的微細(xì)實(shí)心或空心的球狀玻璃顆粒，粒度范圍約為10～250 μm。反光微珠具有質(zhì)量輕、低導(dǎo)熱、強(qiáng)度高及化學(xué)穩(wěn)定性良好等優(yōu)點(diǎn)，表面經(jīng)特殊處理具有親油憎水性，成圓率一般在85%以上，易均勻分散于有機(jī)材料體系中。國家標(biāo)準(zhǔn)《路面標(biāo)線用玻璃珠》(GBT 24722—2016)[11]中，根據(jù)折射率的不同，將反光微珠分為低折射率玻璃微珠、中折射率玻璃微珠、高折射率玻璃微珠等3種類型，其折射率(Refractive Index，RI)范圍依次分為1.50≤RI＜1.70，1.70≤RI＜1.90，RI≥1.90，其中折射率越接近1.93，玻璃微珠的回歸折射效果越好。而根據(jù)表面處理與否，可分為鍍膜玻璃微珠和普通玻璃微珠，鍍膜后的玻璃微珠反射效果優(yōu)于普通微珠。路面標(biāo)線用玻璃微珠根據(jù)粒徑組成不同還可分為1號(hào)，2號(hào)，3號(hào)等3個(gè)型號(hào)，粒徑越大，玻璃微珠的逆反射效果越好。道路用反光玻璃微珠的技術(shù)性能要求如表2所示。

表2 道路標(biāo)線用反光玻璃微珠技術(shù)性能要求Table 2 Technical performance requirements of reflective glass beads for road marking

在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)生產(chǎn)工藝不同反光玻璃微珠還可分為普通玻璃微珠、鍍膜微珠、全天候雨夜反光微珠等。普通玻璃微珠折射率一般僅為1.5[34]，主要光學(xué)作用為漫反射，在干燥無污染的環(huán)境下將其應(yīng)用在道路標(biāo)線上可產(chǎn)生一定回歸反射的光學(xué)性能，但當(dāng)使用環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，如雨天或潮濕天氣，由于水膜的作用，將使其回歸反射性能大幅降低或基本消失。鍍膜玻璃微珠是在特定溫度條件下，將玻璃微珠表面鍍上特殊涂層，改善其流動(dòng)性及疏水性能，增強(qiáng)玻璃微珠的折射率(＞1.7)[35]。在雨夜或霧天等特定情況下，水滴不易粘附在玻璃微珠表面，從而保證標(biāo)線反光效果的發(fā)揮；同時(shí)鍍膜玻璃微珠本身具有自潔能力，可減少雨水、沙塵等對(duì)公路標(biāo)線的污染，在潮濕環(huán)境下不影響施工。

全天候雨夜反光微珠是一種在干燥、潮濕、水下等環(huán)境下均能反光的晶體微珠，其折射率＞1.9，即使在雨夜也能照常反光，可實(shí)現(xiàn)道路標(biāo)線的全天候反光效果。相對(duì)普通玻璃微珠，全天候雨夜反光玻璃微珠具有獨(dú)特的光學(xué)結(jié)構(gòu)，可確保晴天、雨天和潮濕氣候下保持良好的反光距離，反光性能不易衰減，適用于各種標(biāo)線涂料及劃線設(shè)備，無須對(duì)劃線設(shè)備做任何改動(dòng)，同時(shí)，針對(duì)白色和黃色標(biāo)線，全天候雨夜反光微珠均有相應(yīng)的專用珠，既不影響標(biāo)線本身的顏色，又能確保反射光線與標(biāo)線顏色相一致，使駕駛者更易辨別標(biāo)線的顏色，提高不同顏色標(biāo)線的警示度。

2.2.2 反光微珠對(duì)逆反射性能的影響

1) 反光微珠成圓率、粒徑及折射率

反光微珠的成圓率直接影響標(biāo)線的回歸反射能力，成圓率越高，標(biāo)線反光效果越好[4]。只有越接近理想球體(即成圓率大于90%)的反光微珠才能更好地使射入到標(biāo)線表層反光微珠的光線經(jīng)折射-反射-折射返回到駕駛員眼睛中，保證光線的逆反射方向，提高標(biāo)線的逆反射性能。而成圓率較低的反光微珠會(huì)使光線在其內(nèi)部發(fā)生多次不規(guī)則反射，導(dǎo)致最后透過反光微珠反射的光線偏離駕駛員視野，反光效果差，降低道路標(biāo)線的逆反射性能[10]。道路標(biāo)線厚度通常較小，當(dāng)粒徑較小時(shí)，反光微珠容易沉入標(biāo)線材料內(nèi)部，反光效果不佳，若粒徑較大，其嵌入標(biāo)線較淺，容易在外力作用下脫落；當(dāng)玻璃微珠粒徑組合不合理時(shí)，其沉入標(biāo)線涂膜的程度也不均勻，大粒徑反光微珠會(huì)形成對(duì)小粒徑反光微珠的遮擋效應(yīng)，無法形成有效的回歸反射，將會(huì)影響道路標(biāo)線的逆反射性能。因此，在實(shí)際應(yīng)用中反光微珠粒徑需控制在合理范圍內(nèi)。而相關(guān)研究人員研究發(fā)現(xiàn)，在不同觀測(cè)角條件下，適當(dāng)增大反光微珠的粒徑能夠提高入射光通量，增強(qiáng)反光微珠的逆反射性能，在一定程度上改善道路標(biāo)線的反光性能。基于此，在實(shí)際應(yīng)用中，反光微珠直徑的選擇應(yīng)綜合考慮反光效果和耐久性能確定[9]。

一般來說，逆反射系數(shù)是由回歸反射的張角所決定的。當(dāng)張角越大時(shí)，光束發(fā)散程度越大，逆反射系數(shù)越小。通常情況下，反光微珠的折射率n＜2，隨著n的增大，張角越小，形成的光束越集中，人眼對(duì)其的識(shí)別能力越強(qiáng)，形成回歸反射的效果越好[36]。但考慮到造價(jià)，路面標(biāo)線涂料通常采用折射率n≥1.7的反光微珠即可，在n=1.93時(shí)反光性能最佳。

2) 反光微珠撒布量及撒布工藝

反光微珠的撒布量及撒布工藝對(duì)標(biāo)線反光性能具有著重要影響。祁曉靜等[10]通過研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)反光微珠撒布量過少時(shí)，入射光源無法形成集中的回歸反射，光線無法返回到駕駛員的視野中，道路標(biāo)線較差的逆反射性能無法保證其夜間辨識(shí)度；當(dāng)撒布量過多時(shí)則形成過密的折射，產(chǎn)生微珠堆積、重疊等問題，降低反光微珠在標(biāo)線涂膜中嵌入程度，造成入射光線在反光微珠之間反復(fù)折射，從而大幅度降低入射光線的有效反射率。而部分學(xué)者提出，反光微珠最佳撒布量在0.37～0.45 kg/m3之間[10]。反光微珠的撒布工藝在一定程度上直接決定了道路標(biāo)線的施工質(zhì)量及后期應(yīng)用效果。鄧惠珠等[37]通過對(duì)比面撒反光微珠的雙撒和單撒工藝發(fā)現(xiàn)，雙撒工藝增加了大顆粒面撒350高亮珠數(shù)目，留置于涂料表層的大粒徑反光微珠含量有所增加，從而提高了初始逆反射系數(shù)；道路的標(biāo)線初始逆反射亮度系數(shù)與面撒玻璃微珠的工藝和現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量密切相關(guān)，因此要嚴(yán)格控制現(xiàn)場(chǎng)施工工藝和環(huán)境各要素；而控制成本合理增加的條件下，可在道路標(biāo)線撒布反光微珠時(shí)采用面層雙撒工藝進(jìn)行施工。

綜上所述，與鈦白粉相比，反光微珠直接決定著道路標(biāo)線的逆反射性能，反光微珠的成圓率、折射率及粒徑等技術(shù)指標(biāo)和其施工工藝對(duì)于道路標(biāo)線的逆反射性能具有重要影響。我國現(xiàn)有的相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)僅有《道路標(biāo)線用玻璃珠》(GB/T 24722—2009)，該標(biāo)準(zhǔn)參考了現(xiàn)有國外規(guī)范的相關(guān)要求，根據(jù)粒徑分布不同分為1號(hào)、2號(hào)及3號(hào)等3個(gè)型號(hào)的反光微珠，并進(jìn)行了相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的要求，但對(duì)于反光微珠的實(shí)際應(yīng)用方式及施工工藝并未作出細(xì)致和完善的要求。因此，針對(duì)反光微珠的技術(shù)要求、配合比及施工工藝的進(jìn)一步探索對(duì)于實(shí)現(xiàn)道路標(biāo)線的高反光性能具有至關(guān)重要的意義。

3 基于逆反射性能的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)及分析

目前為達(dá)到道路標(biāo)線反光標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)路面標(biāo)線反光的核心組分反光微珠，不同國家地區(qū)根據(jù)各國情況需求制定了不一樣的道路用玻璃微珠規(guī)范，如表3所示。對(duì)于不同規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)用于涂料中的玻璃微珠粒徑范圍要求和配比要求都有著較大的差異，因此根據(jù)各國不同的規(guī)范整理各國反光玻璃微珠的使用粒徑范圍及質(zhì)量配比對(duì)標(biāo)線涂料反光有著深刻的意義。

表3 道路用玻璃微珠相關(guān)規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Related specifications and standards for glass beads of road marking

3.1 反光微珠相應(yīng)的國外使用標(biāo)準(zhǔn)及分析

3.1.1 國外反光微珠粒徑分布情況

美國標(biāo)準(zhǔn)AASHTO M247—2011[38]規(guī)定了6種型號(hào)反光微珠，其中Type 0為均勻級(jí)配，Type1為標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配，Type2、3、4和5為修正級(jí)配，粒徑分布為最小粒徑0.15 mm，最大粒徑2.35 mm，即粒徑范圍在0.15～2.35 mm之間，具體如表4所示。其中Type 0級(jí)配組成中細(xì)玻璃微珠占有較大質(zhì)量百分比，粒徑分布范圍為0.18～0.425 mm，而主要組成顆粒粒徑集中于0.18～0.03 mm和0.3～0.425 mm兩個(gè)區(qū)間，而Type1和2則是在保留Type 0細(xì)微珠的基礎(chǔ)上適當(dāng)增加相鄰粒徑區(qū)間的微珠 (1～0.71 mm及小于0.15 mm)；而針對(duì)于修正級(jí)配Type 3，4和5，其級(jí)配組成選定Type 1和2的偏粗微珠作為最小粒徑微珠，然后逐漸擴(kuò)大較大粒徑微珠的含量，從而提高應(yīng)用標(biāo)線的逆反射亮度系數(shù)，而同時(shí)修正級(jí)配3～5的微珠配比也逐漸擴(kuò)大了配比中大粒徑微珠的含量和組成，這在一定程度上也反映了大粒徑微珠在改善標(biāo)線逆反射性能中的重要作用。

表4 AASHTO M247粒徑分布Table 4 Particle size distribution of glass beads in AASHTO M247

英國標(biāo)準(zhǔn)BS 6088—1981[39]基于玻璃微珠的應(yīng)用將其劃分A、B和C等3種類型，A級(jí)和B級(jí)玻璃微珠可用于道路標(biāo)線材料中，其中A類主要內(nèi)混用于熱塑性道路標(biāo)線材料中，B級(jí)則可通過內(nèi)混和面撒兩種方式用于熱塑性路面標(biāo)線中。對(duì)于粒徑分布，玻璃微珠最小粒徑0.18 mm，最大粒徑1.18 mm，粒徑范圍為0.18～1.18 mm。具體分布如表5所示。

表5 BS6088-1981粒徑分布Table 5 Particle size distribution of glass beads in BS6088—1981

韓國標(biāo)準(zhǔn)KS L2521—2017[40]按照粒度和性能將反光微珠劃分為A、B和C等3種型號(hào)，最小粒徑0.106 mm，最大粒徑1.7 mm，最小粒徑低于現(xiàn)有規(guī)范0.18 mm的基礎(chǔ)值。在3種配比中，A和C分別為細(xì)配比和粗配比，而B的配比組成則主要集中于0.3～0.6 mm范圍內(nèi)，基本屬于單級(jí)配類型，還配有少量的0.15～0.3 mm粒徑的玻璃微珠，B級(jí)配中玻璃微珠粒徑范圍包含于級(jí)配A范圍內(nèi)，也屬于偏細(xì)的配合比。珠粒徑及配比信息具體分布如表6所示。

表6 KS L252-2017粒徑分布Table 6 Particle size distribution of glass beads in KS L252—2017

日本標(biāo)準(zhǔn)JIS R3301[41]提供了3類反光微珠，而按照級(jí)配組成由粗到細(xì)，順序?yàn)?類、2類及3類，1類玻璃微珠組成偏粗，主要粒徑集中于0.3～0.6 mm，較大粒徑(0.6～0.85 mm)的玻璃微珠也作為骨架占有了一定的比例，而占有較大質(zhì)量百分比(10%～30%)玻璃微珠是由3檔粒徑的微珠組合而成，分別為0.15～0.212 mm，0.106～0.155 mm及0.09～0.106 mm。而2類配比則直接去掉0.6～0.85 mm粒徑的玻璃微珠，適當(dāng)擴(kuò)大了較細(xì)粒徑的玻璃微珠含量，3類則在2類的基礎(chǔ)上進(jìn)一步縮小玻璃微珠粒徑，粒徑均分布于0.09～0.212 mm范圍內(nèi)。3種類型配比中最小粒徑約為0.09 mm，最大粒徑0.85 mm，具體粒徑分布如表7所示。

表7 JIS R3301粒徑分布Table 7 Particle size distribution of glass beads in JIS R3301

澳洲標(biāo)準(zhǔn)AS/NZS 2009—2006[42]根據(jù)粒度和性能將反光微珠分為A、B、C和D 等4種類型，A型、C型及D型均可與標(biāo)線材料預(yù)混使用，C型主要用于熱熔型道路標(biāo)線，D型還可通過面撒應(yīng)用；B型主要通過面撒來應(yīng)用。玻璃微珠粒徑具體分布如表8所示。

表8 AS/NZS 2009-2006粒徑分布Table 8 Particle size distribution of glass beads in AS/NZS 2009—2006

3.1.2 國外反光微珠粒徑的數(shù)據(jù)分析

依據(jù)國外相關(guān)玻璃微珠標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)不同配比玻璃微珠的粒徑分布進(jìn)行歸納和分析，明確玻璃微珠粒徑分布范圍及特點(diǎn)。各國標(biāo)準(zhǔn)玻璃微珠配比類型主要如圖1所示。由圖1分析可知，不同國家標(biāo)準(zhǔn)中玻璃微珠配比的粒徑分布各具特點(diǎn)，美國AASHTO M247中各玻璃微珠配比的粒徑分布呈現(xiàn)出階梯上升態(tài)分布，微珠粒徑的上限由0.425 mm增大至1.7 mm，而1.7 mm也是所有標(biāo)準(zhǔn)中玻璃微珠粒徑的最大值。澳洲標(biāo)準(zhǔn)AS/NZS 2006涉及的玻璃微珠粒徑分布也呈現(xiàn)出階梯狀，粒徑變化范圍為0.075～1.4 mm，而0.075 mm是各國標(biāo)準(zhǔn)中玻璃微珠粒徑的最小值。其他3國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的粒徑分布則基本集中于0.3～0.85 mm區(qū)間內(nèi)，僅韓標(biāo)中C類配比范圍為0.85～1.4 mm。對(duì)不同國家標(biāo)準(zhǔn)中玻璃微珠級(jí)配進(jìn)行歸納和分類，對(duì)相似粒徑范圍級(jí)配粒徑分布進(jìn)行分類，主要分類結(jié)果如圖1所示。

圖1 國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)涉及玻璃微珠粒徑分布Fig.1 Size distribution limits of glass beads in specifications of different countries

由圖2分析可知，玻璃微珠粒徑范圍主要可分成0.6，0.85，1.4 mm等3檔，其中0.6 mm檔和0.85 mm分別包含了6種和5種類型級(jí)配，而1.4 mm檔則只包含了3種配比。對(duì)于0.6 mm檔 (圖2(a))，4種級(jí)配的粒徑分布范圍相同，均為0.3～0.6 mm，而另外兩種配比(澳A及日2)的粒徑下限分別為0.075 mm和0.15 mm，基于此，將0.6mm檔的共性級(jí)配粒徑范圍確定為0.3～0.6 mm。根據(jù)此法和各檔共性配比粒徑分布，可將0.85 mm檔和1.4 mm檔共性級(jí)配粒徑范圍確定為0.425～0.85 mm和1.0～1.4 mm。而3個(gè)共性級(jí)配粒徑范圍 (0.3 mm，0.6 mm)、(0.425 mm，0.85 mm)和(1.0 mm，1.4 mm)也是國外相關(guān)規(guī)范較為常見的道路標(biāo)線用玻璃微珠粒徑分布范圍，其中共性級(jí)配1和2的粒徑分布存在一定的交集，而與共性級(jí)配3無重合范圍。國外玻璃微珠共性級(jí)配范圍將為玻璃微珠最佳配合比的確定提供一定依據(jù)。

圖2 國外標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)玻璃微珠粒徑分配特征及共性級(jí)配Fig.2 Size distribution characteristics and common grading of glass beads in specifications of different countries

3.2 反光微珠相應(yīng)的中國使用標(biāo)準(zhǔn)及分析

3.2.1 中國反光微珠粒徑分布情況

國家標(biāo)準(zhǔn)《道路標(biāo)線用玻璃珠》(GB/T 24722)根據(jù)粒度與性能劃分3種型號(hào)的反光微珠，其中1號(hào)適用于熱熔型、雙組份和水性型標(biāo)線涂料的面撒玻璃微珠；2號(hào)適用于熱熔型、雙組份和水性型標(biāo)線涂料的預(yù)混玻璃微珠；3號(hào)適用于溶劑型標(biāo)線涂料的面撒玻璃微珠?！兜缆窐?biāo)線用玻璃珠》涉及的玻璃微珠粒徑分布及百分比與日本標(biāo)準(zhǔn)JIS R3301相似，其中，我國標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于1號(hào)玻璃微珠中600 μm ＜S≤850 μm和300 μm ＜S≤600 μm兩個(gè)粒徑范圍的質(zhì)量百分比由原標(biāo)準(zhǔn)的5%～30%及30%～80%調(diào)整為15%～30%及30%～75%，同時(shí)將原有規(guī)范中212 μm ＜S≤300 μm、150 μm ＜S≤212 μm及106 μm ＜S≤150 μm等3個(gè)粒徑范圍合并為106 μm ＜S≤300 μm一個(gè)粒徑范圍，而將粒徑范圍下限設(shè)定為106 μm，取代原有限值90 μm。

而將2號(hào)玻璃微珠中300 μm ＜S≤600 μm和150 μm ＜S≤300 μm的質(zhì)量百分比40%～90%和5%～60%調(diào)整為50%～90%和5%～50%，同時(shí)將原有標(biāo)準(zhǔn)中212 μm ＜S≤300 μm和150 μm ＜S≤212 μm等兩個(gè)粒徑范圍合并為150 μm ＜S≤300 μm一個(gè)粒徑范圍，而下限值也由90 μm調(diào)整為150 μm。而對(duì)3號(hào)玻璃微珠的相關(guān)指標(biāo)未作任何修正。我國標(biāo)準(zhǔn)在級(jí)配質(zhì)量百分比方面主要降低了小粒徑玻璃微珠的含量，適當(dāng)調(diào)高了大粒徑玻璃微珠的含量，這在一定程度上反映了大粒徑玻璃微珠對(duì)于逆反射性能的提升作用。國標(biāo)玻璃微珠配比及粒徑分布如表9所示。

表9 GB/T24722粒徑分布Table 9 Particle size distribution of glass beads in GB/T2472

中國臺(tái)灣地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)CNS 4342—1989[43]主要規(guī)定了3種型號(hào)的玻璃微珠及粒徑組合，粒徑分布區(qū)間設(shè)置與國標(biāo)GB/T 24722一致，但在不同粒徑范圍內(nèi)的玻璃微珠含量與日本標(biāo)準(zhǔn)JIS R3301一致。中國臺(tái)灣地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)玻璃微珠配比及粒徑分布如表10所示。

表10 CNS 4342—1989粒徑分布Table 10 Particle size distribution of glass beads in CNS 4342—1989

浙江企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/ZXT 001—2019[44]規(guī)定了熱熔型干濕態(tài)反光標(biāo)線涂料的內(nèi)混玻璃微珠級(jí)配Type C、Type D和Type E等3種類型，其中Type C和Type E配比分別參照美標(biāo)AASHTO M247標(biāo)準(zhǔn)中的Type2和Type4，而Type D則主要參照澳標(biāo)AS/NZS 2006中Type D。Q/ZXT 001—2019中玻璃微珠粒徑范圍及分布如表11所示。

表11 Q/ZXT 001—2019粒徑分布Table 11 Particle size distribution of glass beads in Q/ZXT 001—2019

安徽拓力企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/TORY 001—2019[45]根據(jù)粒徑、配比及適應(yīng)性將反光微珠劃分成6種類型，從A-LR型到F-HR型玻璃微珠逐漸增大，其中不同類型化玻璃微珠配比中微珠最大粒徑由0.85 mm增大到2.35 mm，而最小粒徑1.18 mm減小至0.18 mm。Q/TORY 001—2019企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中玻璃微珠配比及粒徑分布的劃分依據(jù)主要為道路標(biāo)線的實(shí)際膜厚，最大粒徑約為道路標(biāo)線厚度的0.78～2.1倍。而在6種玻璃微珠配比中，D-HR、E-HR及F-HR的不同粒徑玻璃微珠的質(zhì)量百分比完全相同，僅粒徑分布范圍存在差異；而對(duì)于6種玻璃微珠配比，玻璃微珠含量主要集中于第3、第4檔及第5檔，上下限質(zhì)量百分比范圍則統(tǒng)一為0%～5%。Q/TORY 001—2019標(biāo)準(zhǔn)涉及的玻璃微珠粒徑分布情況及用途如表12所示。

表12 Q/TORY 001—2019粒徑分布Table 12 Particle size distribution of glass beads in Q/TORY 001—2019

江西企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/OFSL002—2016[46]按照反光微珠的粒徑及性能可分為AWX-0608X、AWX-0812X、AWX-1014X和AWX-1417X 4種類型，4種玻璃微珠配比的粒徑分布基本無交集，但每檔粒徑的玻璃微珠含量完全相同，配比的差異性僅體現(xiàn)在玻璃微珠粒徑。Q/OFSL002—2016標(biāo)準(zhǔn)具體分布如表13所示。

表13 Q/OFSL002—2016粒徑分布Table 13 Particle size distribution of glass beads in Q/OFSL002—2016

3.2.2 中國反光微珠粒徑的數(shù)據(jù)分析

基于中國標(biāo)線用玻璃微珠標(biāo)準(zhǔn)，歸納分析標(biāo)準(zhǔn)涉及的粒徑范圍及分布特點(diǎn)，得出分析結(jié)果如圖3所示。由圖3分析可知，不同中國標(biāo)準(zhǔn)涉及的玻璃微珠粒徑分布范圍存在一定的交集，例如國標(biāo)《道路標(biāo)線用玻璃珠》(GB/T 24722)中的1號(hào)和2號(hào)玻璃微珠粒徑上限與中國臺(tái)灣地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)中的1號(hào)和2號(hào)標(biāo)準(zhǔn)基本一致，而0.85 mm的粒徑上限出現(xiàn)在了5種玻璃微珠類型中，其次是1.18，0.6，1.4 mm分別出現(xiàn)在3種類型玻璃微珠粒徑分布上限，而1.7 mm和1 mm則分別出現(xiàn)在2種和1種玻璃微珠粒徑上限。對(duì)于不同規(guī)范涉及玻璃微珠的粒徑分布下限，0.3 mm出現(xiàn)次數(shù)最多，約為6種類型玻璃微珠的粒徑分布下限。

圖3 中國國家及省級(jí)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)涉及玻璃微珠粒徑分布Fig.3 Size distribution limits of glass beads in specifications of national and provincial levels of China

根據(jù)圖4不同類型配比玻璃微珠的粒徑分布特征，可將中國規(guī)范涉及的玻璃微珠粒徑范圍大致分為4類：0.3～0.6 mm、0.3～0.85 mm、0.85～1.18 mm及1～1.4 mm。其中，0.3～0.85 mm出現(xiàn)頻率較高，相對(duì)較為常用，而4類共性配比范圍相互之間存在一定交集，例如共性配比1和共性配比2，共性配比3和共性配比4之間?；诖耍?種共性級(jí)配可以作為玻璃微珠類型及配比確定和選擇的相關(guān)依據(jù)。

圖4 中國國家及省級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)玻璃微珠粒徑分配特征及共性級(jí)配Fig.4 Size distribution characteristics and common grading of glass beads in specifications of national and provincial levels of China

3.3 國內(nèi)外玻璃微珠常用粒徑對(duì)比總結(jié)

由國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及圖5分析可知，國內(nèi)外用于普通內(nèi)混以及雨夜型標(biāo)線的反光微珠的主要粒徑一致，分別為0.3～0.6 mm，1～1.4 mm；對(duì)于普通面撒用反光微珠，國內(nèi)使用的粒徑范圍與國外存在一定差異，考慮到美標(biāo)Type 2、英標(biāo)A級(jí)、韓標(biāo)A級(jí)以及日標(biāo)1類等在普通面撒用反光微珠最大粒徑也達(dá)到0.85 mm，國內(nèi)外普通面撒用反光微珠粒徑取0.3～0.85 mm。綜上得出國內(nèi)外常用粒徑范圍，如表14所示。

圖5 國內(nèi)外玻璃微珠標(biāo)準(zhǔn)共性級(jí)配常用粒徑對(duì)比Fig.5 Comparison of commonly used particle sizes at home and abroad

我國標(biāo)準(zhǔn)《路面標(biāo)線用玻璃珠》使用粒徑范圍較小，基本分布于0.3～0.85 mm之間，而且僅對(duì)普遍標(biāo)線面撒內(nèi)混進(jìn)行要求，對(duì)雨夜高亮型標(biāo)線用反光微珠沒有進(jìn)行定性要求進(jìn)而形成標(biāo)準(zhǔn)，這較大程度地限制了反光微珠在標(biāo)線涂料中所能發(fā)揮的作用。因此，參照國外標(biāo)線用反光微珠標(biāo)準(zhǔn)以及國內(nèi)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的常用主要粒徑(表14)，擴(kuò)大我國標(biāo)線用反光微珠的粒徑范圍，比較摻加大粒徑反光微珠前后標(biāo)線逆反射性能的區(qū)別，能為道路標(biāo)線逆反射性能和夜間辨識(shí)度的改善和提高奠定基礎(chǔ)。

表14 國內(nèi)外玻璃微珠常用粒徑Table 14 Common particle size of glass beads at home and abroad

4 結(jié)語

道路交通反光標(biāo)線作為傳遞道路交通信息的重要載體，起到渠化交通、誘導(dǎo)線形，正確引導(dǎo)車輛通行，確保行車安全，尤其在夜間為路面提供了有效的可視性來保證交通安全。本文梳理了現(xiàn)有道路標(biāo)線的主要類型及特點(diǎn)，明確了標(biāo)線逆反射性能各影響因素的重要性，并總結(jié)了國內(nèi)外常用反光微珠的粒徑分布特點(diǎn)及共性配比。為更好地提高我國道路標(biāo)線逆反射性能，針對(duì)現(xiàn)有研究，本文對(duì)未來發(fā)展進(jìn)行了展望和建議：

(1) 繼續(xù)研發(fā)性能好、環(huán)保型和經(jīng)濟(jì)型的新型高反光標(biāo)線涂料。目前熱熔型道路標(biāo)線涂料仍是我國涂料市場(chǎng)的主力軍，而熱熔型道路標(biāo)線涂料相較其他新型標(biāo)線涂料性能存在差異，但其他新型高反光標(biāo)線涂料經(jīng)濟(jì)性低。

(2) 研發(fā)經(jīng)濟(jì)型、抗污染且能顯著提高標(biāo)線涂料白度的顏料。潔白鮮明的道路標(biāo)線具有良好的視認(rèn)性，目前國內(nèi)外最常用的顏料為鈦白粉，鈦白粉性能雖好，但提高標(biāo)線涂料白度有限且經(jīng)濟(jì)性低。

(3) 豐富我國道路標(biāo)線用反光微珠的粒徑范圍。粒徑分布是路面標(biāo)線用玻璃微珠型號(hào)劃分的重要依據(jù)，不同型號(hào)的反光微珠決定了反光微珠的用途。我國路面標(biāo)線用玻璃微珠標(biāo)準(zhǔn)的使用粒徑范圍較小，這較大程度限制了反光微珠在標(biāo)線涂料中所能發(fā)揮的作用。