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道路标线反光效果及影响因素分析
2022-01-07





   公路交通标线是由施划或安装于公路上的各种线条、箭头、文字、图案及突起路标、立面标记、实体标记等所构成的交通设施。标线的作用是向公路使用者传递有关公路交通的规则、警告、指引等信息,引导车辆和行人安全、高效、便捷通行。所有有效的相关标准中都提到交通标线应具有良好的视认性和耐久性,应提供清晰、明确、简洁的信息,并使其具有足够的发现、辨识和反应时间。这些要求都对标线在白天、晚上甚至降雨条件下标线的视认性提出明确要求,同时根据公路行业交验评标准F80/1相关条款要求,各级各类反光标线逆反射亮度系数应依据下图1要求,结合公路交通安全需要选定实施的等级要求,车行道分界线宜选用高值。

      图1   标线交工验收逆反射亮度系数要求(摘录JTG F80/1-2017)


1.1、光及光的反射

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1.1光

 光是人类眼睛可以看见的一种电磁波,也称“可见光谱”。在科学上的定义,光是指所有的电磁波谱。光可以在真空、空气、水等透明的物质中传播。对于可见光的范围没有一个明确的界限,一般人的眼睛所能接受的光的波长在380~760nm之间。人们看到的光来自于太阳或借助于产生光的设备,包括白炽灯泡、荧光灯管、激光器萤火虫等。人类肉眼所能看到的可见光只是整个电磁波谱的一部分。电磁波之可见光谱范围大约为390~760nm(1nm=10^-9m=0.000000001m),光分为人造光和自然光。


1.2 光的反射方式

1.2.1 镜面方式:镜面反射是指光线来到障碍物的表面,在入射点处发生反射时的入射角和反射角度相等,见图2所表示:

          


  

              图2:镜面反射示意图  


          



               图3:漫反射示意图 




1.2.2漫反射

  漫反射是指光线来到障碍物的表面时,反射光线和入射光线不在同一个平面,反射光线在入射点处向各个方向飞散,入射角与反射角不一定相等的光反射现象,见图3所示。

1.2.3回归反射

   光的回归反射是指光线在发生反射时,不是离开光源远去,而是回归到光源方向来的一种反射现象。其实回归反射不是前面介绍的单纯反射现象,现实生活中要形成回归反射必须要通过单纯反射中的漫反射或镜面反射中的一种或两种与折射相结合而成,见图4

             

      
  
4:道路标线依靠反光介质-玻璃珠的逆反射示意图


1.2.4折射率

标线的回归(逆)反射数据高低在标线行业中的对应表述参数为“逆反射亮度系数RL,这个亮度系数值的高低和标线料质量相关,也和涂料内混及面撒玻璃珠有关,玻璃珠标准GB/T24722标准中有一个对玻璃珠折射率的分级:

折射率的意思就是光在不同物体中的传播速度,其中光在空气中的传播速度是以1为准,折射率1.5就是说光在某种玻璃中的传播速度是1.5,目前全球道路标线行业使用的玻璃珠绝大部分都是折射率为1.5的玻璃珠,这是经过性价比对比选择出来的。折射率1.5的玻璃珠用目前的平板玻璃颗粒或二氧化硅都可以制作,粒径大小范围广泛,成本较低;而折射率1.7以上的珠子为钛钡玻璃珠,目前制作工艺合格率仅为80%左右,粒径超过1mm就不容易加工;折射率大于1.9的珠子颗粒很小,直接用不到道路标线中,目前是用在一些反光布制作中,同时可以作为组件式玻璃珠,比如雨夜玻璃珠的制作。





2.反光标线


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反光标线是指在公路上行驶的车灯光线照射到路面上施工的标线,标线能如玻璃反光一样清晰的显现出来,给驾驶员清楚地表示出车道位置等信息,保证驾驶员安全行驶的各种标线。由于现阶段公路上路面一般都较宽,车道较多,如没有有效的道路标线分隔车道,驾驶员无法靠自己的感官正确地确认自己的行驶轨迹,保证安全行驶,所以反光型道路标线已经成为公路上必须的安全设施。因此公路管理部门要求施工完的标线不论昼夜都能给过往驾驶员提供正确的车道指引,白天靠标线自身的颜色,比如白、黄等分隔车道,晚上靠标线反射车道光线来给驾驶员提供信息。这些措施的广泛推广和应用给公路安全提供了必不可少的作用,也成为各级管理部门的共识,比如热熔标线、双组分标线等,这些反光标线的反光功能并不是自己可以产生光源,都是基于回归反射现象把过往车辆射出的车灯光线通过玻璃珠折射回驾驶员眼中,形成标线反光的迹象(如图4所示)

在道路反光标线的发展过程中结合标线材料的更新换代,产生出了各种反光类标线,比如常规反光标线,雨夜反光标线,自发光道路标线,自排水标线,防裂防雪铲标线等。雨夜反光标线主要是解决雨夜环境条件下普通反光标线由于水膜覆盖无法实现车灯回归反射的缺陷而开发出来的标线产品,科学家们通过两个方面做了变动,第一种,通过改变标线外观形状,把一部分标线凸出水面,实现标线反光(见下图5);第二种,通过改变玻璃珠内在结构体系,实现玻璃珠在雨水下能折射回光线,实现雨水下标线反光回驾驶员眼中。

a)雨水中的喷涂或刮涂标线    


(b)雨水中的突起(振荡)标线


(c)干燥环境中喷涂或刮涂标线的回归反射图


(d)雨夜环境中平面标线的镜面反射图


(e)在雨夜环境中凸起标线的回归反射图


(f)平面标线雨水中不能形成回归反射,标线失去夜间反光意义


g)结构性标线在雨夜环境中凸起水面的回归反射图


h)结构性标线外观   


     5(a-h)标线轮廓改变后雨夜反光示意图


   图6 面撒雨夜玻璃珠实现雨夜反光


     图7 施工雨夜珠和普通玻璃珠的标线


 
上述从图5-7中的10张图片展现的是通过改变标线形状或改变玻璃珠内在构造后施工的标线实现雨夜反光的效果。


3.标线逆反射值的影响因素


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3.1 玻璃珠

3.1.1 玻璃珠的成圆率

   成圆率直接影响标线的回归反射能力,在其他条件相同时,玻璃珠的成圆率越高,标线反光效果越好,反之亦然。图8是成圆率好与成圆率差的两种玻璃微珠对逆反射效果差异比较,从图可以看出接近理想球体的玻璃珠能形成良好的回归反射,而不规则的玻璃珠可能造成光线的多次无方向折射后将很大一部分光线损失掉,无法形成良好的回归反射。

   

   


     图8  成圆好坏的玻璃珠对光线逆反射效果示意图


3.1.2 玻璃珠的折射率

在一定范围内玻璃珠折射率越高,反光效果越好。现阶段我国道路标线中使用的玻璃珠折射率随着配方变化可达1.5-2.5之间,目前绝大部分折射率在1.5左右,折射率1.5的玻璃珠颜色是白色或者青色。而折射率大于1.7的玻璃珠颜色一般泛黄褐色,实际使用中撒布折射率1.7以上的玻璃珠可以提高标线逆反射亮度系数,但应注意撒布量不要改变标线的色度值,比如撒布量过多时,标线表面颜色就泛黄褐色,反而影响标线白天的视认效果。同时也不是折射率越高也好,有研究表明,玻璃珠折射率大于1.95以后,对光线的折射效率反而会随着折射率的提高而降低。图9,图10展示的是对不同折射率的玻璃珠颜色、光线反射椎体效果

    图9美国三种玻璃珠对应折射率、颜色及能实现标线逆反射亮度值

      10 不同折射率的标线对光线逆反射的椎体效果


3.1.3 玻璃珠的透明度

玻璃珠的透明度越高,杂质越少,光线在射入玻璃珠折射回来损失的能量就越少,反光就越好。

3.1.4玻璃珠和涂料的结合力

    玻璃珠和涂料结合地越紧密,标线的持续反光就越好,反之,如果玻璃珠和涂料结合地不是太好,玻璃珠容易脱落时,虽然新施工的标线逆反射值能达到要求,但在使用一段时间后,逆反射数值衰减地特别快,造成标线反光不佳(不亮)。

3.2 反射界面(涂料性能

   影响标线逆反射亮度系数大小的另一个因素就是涂层反射界面,标线能实现反光的根本原因是光线在通过一些物体后在某一个界面通过玻璃球/珠被折射回去,这个反射界面在标线上就是玻璃珠和标线涂料的粘结面。这个粘结面越致密,色度越白,光线折射的几率就越大。图11中表明了玻璃珠的焦距和涂层反射界面的关系,焦距距反射界面越接近,光线逆反射效率越高。反射界面的影响因素有涂层色度性能、表面状况、界面致密性大小等因素。

            11 玻璃珠焦距和反射界面


3.2.1色度    

施工时如选用不同的涂料,而采用同一种玻璃珠时,标线涂料的白度越高,其逆反射值就越高,反之亦然。

3.2.2 标线表面状况

标线施工后如过于光亮,可能造成光线形成镜面反射,镜面反射的后果是白天在阳光照射下使标线显得极为刺眼,给驾驶员晃眼的感觉;晚上又使灯光在镜面反射后远离驾驶员,不能回到驾驶员视线中,让标线显得更暗。所以施工完的标线无论是反光或不反光标线,都不要形成太好的光泽。

3.2.3涂料成膜后的致密性

涂料成膜后如比较松散或涂料中有较多气泡、较大颗粒的颜填料等就会使光线的回归反射时在多种界面反复折射,造成部分光线损失降低回归反射效果;常规热熔道路标线反光亮度不及其他常温涂料就有此原因存在。

3.3 施工因素

3.3.1 玻璃珠的撒布量

玻璃珠的撒布量要适度,太少则反光点少标线反光亮度差;太多则不易形成回归反射,因玻璃珠撒布过多时就容易形成珠子摞珠子现象,造成光线在玻璃珠之间反复折射,从而使光线在几次折射后不能回到驾驶员眼中,出现标线发暗的现象。前一个问题好理解,后一个问题虽然在施工中经常遇上,但说起来还真有些不好理解,这里通过图例来加以分析说明。面撒玻璃珠的量太多,在局部易于形成图12中所示情况,即玻璃珠在涂膜中嵌入程度较小,进入玻璃珠的光线在“2”的位置不是玻璃珠-涂料界面,而是玻璃珠-空气界面,光线在这里会发生折射,而不是上述的反射,因而不能形成良好的回归反射。

     


      图12  玻璃珠的撒布量对标线反光亮度的影响


3.3.2 玻璃珠的嵌入程度

经研究,玻璃珠在嵌入标线55%-67%时,射入的光线几乎能完全发生回归反射。在某种程度上说,玻璃珠在涂膜中的嵌入程度与发生回归反射的强度具有一定的函数关系,实验表明,这种函数关系符合图13所示。

   

      图13:回归反射强度与玻璃珠的嵌入程度间的关系



3.3.3 标线撒布方式

   因为新的相关标准对标线初始逆反射亮度系数值要求为150-450mcd·m-2·lx-1,施工队伍为达到设计要求,实际施工中一是选用玻璃珠粒径在1.0mm-1.4mm的玻璃珠,二是提高撒布量。但1.0mm-1.4mm的玻璃珠因为颗粒较大,面撒时玻璃珠容易出现离析,出现大玻璃珠在标线两侧,小玻璃珠在标线中间现象,所以采用了两次撒布工艺,同时两次撒布工艺也提高了面撒玻璃珠的用量。笔者在这里提醒的是,虽然面撒大粒径的玻璃珠可以暂时提高标线初始逆反射亮度系数值,但在放行交通后大玻璃珠会很快脱落,标线逆反射值会快速下降,相关标准包括正在拟定的《道路标线通用施工规范》也提醒注意使用。提高撒布量和控制玻璃珠沉降度是正确施工方式。


4.如何提高标线逆反射系数 


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4.1  提高涂料内混玻璃珠比例

欧美国家涂料内混玻璃珠比例都较高,达25%以上,我国JT/T280-2004标准中反光涂料内混玻璃珠要求为18%-25%最新修订版标准计划把内混玻璃珠比例加大到30%

4.2  合理选择玻璃珠

修订标准JT/T280玻璃珠比例提高了,但要想切实提高标线自身逆反射,还应注意选择质量较高的内混和面撒玻璃珠,从成圆率、纯度、级配、折射率等方面考虑,同时应注意不同标线涂料对应的玻璃珠处理工艺应不一样、比如热熔涂料对应使用的玻璃珠镀膜工艺和水性漆、双组份标线涂料使用的玻璃珠镀膜工艺不一样。

4.3  合理选择玻璃珠粒径

热熔标线、水性漆、双组份标线漆等材料的施工,应该根据漆膜干结或固化时间、漆膜厚度合理选择玻璃珠粒径。

4.4  注意施工阶段玻璃珠的嵌入程度、撒布量等。

施工前应通过实验合理确定不同品种标线涂料玻璃珠的撒布量和嵌入程度,比如热熔反光标线面撒珠在350g/m2以上,双组份标线、水性漆标线需要500g/m2或更多的撒布量,力求取得最佳。

4.5 合理选择标线涂料

    结合不同的施工路段及施工要求,选择不同的涂料。



5.结语

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随着新的道路标线涂料及施工标准的颁布实施,我们要改变以前的重新建,轻养护,重土建,轻附属的思想,从标线设计阶段就考虑制定标线使用寿命年限,确定最低逆反射系数值,并依此最低值考核施工、监理及建设等单位,真正把这项关系到众多生命安全的实事办好,把道路标线真正变成老百姓说的道路生命安全线