楊三強(qiáng)， 李鵬飛， 孫爽， 閻紅霞， 彭興芝

(河北省土木工程監(jiān)測(cè)與評(píng)估技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 保定 071002)

針對(duì)現(xiàn)階段熱熔型標(biāo)線涂料開(kāi)裂問(wèn)題嚴(yán)重[1]，抗裂、抗壓等主要性能指標(biāo)不達(dá)標(biāo)的熱點(diǎn)問(wèn)題，該文提出以粉末丁腈橡膠作為增韌抗裂劑，以蓖麻油作為增塑劑的一種新型熱熔標(biāo)線材料，以滿足中國(guó)交通對(duì)高質(zhì)量標(biāo)線涂料的需求。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)熱熔標(biāo)線材料的研究頗多[2-6]，王鳳對(duì)熱熔標(biāo)線的破壞現(xiàn)象進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)磨耗和開(kāi)裂是影響標(biāo)線性能的重要原因[7]；徐安花通過(guò)在熱熔標(biāo)線中添加廢舊陶瓷顆粒，改善了標(biāo)線的高溫穩(wěn)定性及抗磨耗性能[8]；美國(guó)研究人員對(duì)熱熔標(biāo)線長(zhǎng)期跟蹤研究，開(kāi)發(fā)了一種標(biāo)線壽命預(yù)測(cè)模型，優(yōu)化了道路標(biāo)線的維護(hù)工作[9]。該文依托“摻加粉末丁腈橡膠的環(huán)保熱熔型標(biāo)線材料研究”科技項(xiàng)目，采用室內(nèi)試驗(yàn)和灰色理論結(jié)合的方式，對(duì)摻加丁腈橡膠的復(fù)合改性標(biāo)線材料的性能進(jìn)行研究。試驗(yàn)依據(jù)該研究的基礎(chǔ)配方，選用流動(dòng)度及抗壓強(qiáng)度作為材料性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)[10]，通過(guò)改變?cè)细鹘M分的配比，分析各組分對(duì)涂料性能的影響規(guī)律，研究及開(kāi)發(fā)摻加丁腈橡膠的新型熱熔標(biāo)線材料，不僅對(duì)提高道路標(biāo)線的抗裂性能和行車(chē)安全具有重要意義，同時(shí)可為中國(guó)交通現(xiàn)代化提供重要的技術(shù)支撐。

1 原材料組分與試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 原材料組分

傳統(tǒng)熱熔標(biāo)線材料抗裂能力不足，加之增塑劑采用鄰苯二甲酸酯類(lèi)的化學(xué)制劑，其對(duì)環(huán)境和人體都會(huì)造成嚴(yán)重危害[11]。針對(duì)這些情況，因丁腈橡膠有良好的抗沖擊性能和抗剝落性能，該文以丁腈橡膠作為增韌抗裂劑，以蓖麻油代替鄰苯二甲酸酯類(lèi)化學(xué)制劑作為增塑劑，提出一種摻加丁腈橡膠的熱熔環(huán)保型標(biāo)線材料，標(biāo)線材料的組分和作用如表1所示。

表1 原料種類(lèi)和占比

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

此次試驗(yàn)固定反光材料E用量為21%，顏料用量為6%；由于填料用量最大且主要起填充作用，其對(duì)標(biāo)線材料的性能影響最小，所以其他用料比例改變時(shí)，同時(shí)改變填料用量，使各方案組分比例之和達(dá)到100%平衡。試驗(yàn)方案詳情見(jiàn)表2。其中方案1～4填料配比均為1∶1，方案5中填料在占總量55%的前提下改變用量配比，對(duì)應(yīng)5次試驗(yàn)的重鈣B和石英砂C具體含量為：① 41%，14%;② 36%，19%；③ 27%，28%；④ 19%，36%；⑤ 14%，41%，與表2比例對(duì)應(yīng)。

表2 試驗(yàn)方案詳情

對(duì)上述方案進(jìn)行試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)材料的主要性能中除抗壓強(qiáng)度與流動(dòng)度外，其他性能指標(biāo)變化較小并均滿足JT/T 280—2004《路面標(biāo)線涂料》規(guī)范要求，且抗壓強(qiáng)度與流動(dòng)度對(duì)標(biāo)線涂料的施工與路用性能有較大影響，所以將抗壓強(qiáng)度與流動(dòng)度作為重要指標(biāo)，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)涂料的流動(dòng)度及抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律進(jìn)行分析對(duì)比。

2 不同組分對(duì)標(biāo)線性能指標(biāo)影響分析

2.1 成膜物A對(duì)標(biāo)線性能指標(biāo)影響分析

成膜物A選用加氫類(lèi)改性樹(shù)脂，為了研究成膜物A的含量對(duì)涂料抗壓強(qiáng)度和流動(dòng)性的影響，方案固定其他組分的含量不變，成膜物A的量改變則同時(shí)改變填料的加入量，其中顏料添加6%，重鈣與石英砂的質(zhì)量比為1∶1，成膜物A含量每次增加1%，流動(dòng)度隨成膜物A含量的變化規(guī)律見(jiàn)圖1，抗壓強(qiáng)度隨成膜物A含量的變化規(guī)律見(jiàn)圖2。

圖2 抗壓強(qiáng)度隨成膜物A含量的變化趨勢(shì)

從圖1、2可知：成膜物A的含量越多，材料的流動(dòng)度越好，這在數(shù)值上表現(xiàn)為成膜物A的含量從11%增加到15%，流動(dòng)度下降了52 s，且變化幅度比較均勻；抗壓強(qiáng)度也隨成膜物A的含量增大而下降，成膜物A的含量從11%增加到15%，抗壓強(qiáng)度下降了4.05 MPa，變化幅度也比較均勻，這是由于成膜物A對(duì)溶劑、油脂類(lèi)具有良好溶解性，成膜物A含量增加對(duì)其他組分的溶解度也在增加，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度和流動(dòng)性的下降。

圖1 流動(dòng)度隨成膜物A含量的變化

2.2 添加劑對(duì)標(biāo)線性能指標(biāo)影響分析

試驗(yàn)選用3種添加劑，分別為蓖麻油、PE蠟和丁腈橡膠，添加劑的含量每次均增加1%，固定其他條件不變，得到流動(dòng)度及抗壓強(qiáng)度隨添加劑摻量的變化規(guī)律分別如圖3～7所示。

圖3 流動(dòng)度隨蓖麻油含量的變化

圖4 抗壓強(qiáng)度隨蓖麻油含量的變化

圖5 流動(dòng)度隨PE蠟含量的變化

圖6 抗壓強(qiáng)度隨PE蠟含量的變化趨勢(shì)

由圖3、4可知：蓖麻油的含量越多，涂料的流動(dòng)性越好，蓖麻油含量從1%增加到5%，涂料的流動(dòng)度下降了72 s，且變化幅度較為均勻；抗壓強(qiáng)度也隨著蓖麻油含量的增加而減小，當(dāng)蓖麻油含量從1%增加到2%時(shí)對(duì)涂料的抗壓強(qiáng)度影響最大，抗壓強(qiáng)度下降了6 MPa，之后變化幅度趨于均勻。由圖5、6可知：PE蠟的含量增加，涂料的流動(dòng)度和抗壓強(qiáng)度減小，PE蠟含量從1%增加到5%，涂料的流動(dòng)度下降了54 s，抗壓強(qiáng)度減小了9.8 MPa。由圖7可以得出：丁腈橡膠的含量越多，涂料的抗壓強(qiáng)度下降，丁腈橡膠含量從1%增加到3%，涂料的抗壓強(qiáng)度下降了2.03 MPa，同時(shí)，涂料流動(dòng)度增加了60 s，說(shuō)明流動(dòng)度受丁腈橡膠含量影響較大，不能大量添加，所以添加1%的丁腈橡膠對(duì)于流動(dòng)度較為合適。JT/T 280—2004標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定3次低溫循環(huán)試驗(yàn)后材料無(wú)裂縫，表明熱熔標(biāo)線材料符合規(guī)范要求。

圖7 丁腈橡膠含量對(duì)涂料性能的影響結(jié)果

圖8為加入1%丁腈橡膠的熱熔標(biāo)線材料，通過(guò)6次低溫循環(huán)試驗(yàn)的情況，可以看出試驗(yàn)前后涂料無(wú)明顯區(qū)別，說(shuō)明加入1%的丁腈橡膠可以明顯提升涂料的抗裂性，這是由于丁腈橡膠在-50 ℃下仍有較好的可撓性，可使涂料在低溫下具有良好的柔軟性與彈性。

圖8 低溫循環(huán)前后對(duì)比圖

2.3 填料配比對(duì)標(biāo)線性能指標(biāo)影響分析

為了研究填料配比對(duì)涂料抗壓強(qiáng)度和流動(dòng)性的影響，方案固定其他條件不變，填料比例從3∶1(重鈣∶石英砂)開(kāi)始，逐漸提升石英砂的含量，同時(shí)降低重鈣的含量，使填料比例到達(dá)1∶3，流動(dòng)度及抗壓強(qiáng)度隨填料比例的變化分別見(jiàn)圖9、10。

圖9 流動(dòng)度隨填料比例的變化

由圖9可知：流動(dòng)度隨石英砂含量的增加成二次曲線變化，當(dāng)石英砂在填料中的配比小于50%時(shí)，涂料的流動(dòng)度隨石英砂的占比增加而下降，當(dāng)石英砂在填料中的配比大于50%時(shí)，涂料的流動(dòng)度隨石英砂的占比增加而上升。這由于重鈣顆粒比石英砂更細(xì)，其能填充在石英砂的空隙中，適量添加可改善涂料的流動(dòng)性能，隨著填料配比的改變，涂料已經(jīng)不能很好地密實(shí)，導(dǎo)致涂料的流動(dòng)性能下降，所以涂料的流動(dòng)性呈二次拋物線。當(dāng)重鈣∶石英砂質(zhì)量比為1∶1時(shí)，涂料的強(qiáng)度適中，且具有較好的流動(dòng)性。由圖10可知：隨著石英砂在填料中占比的增加，材料的抗壓強(qiáng)度持續(xù)下降，石英砂含量從14%增加到41%，抗壓強(qiáng)度下降了3.75 MPa，這是由于摻加重鈣可以改善涂料的微孔結(jié)構(gòu)，有利于界面黏結(jié)，隨著重鈣摻量的減少，導(dǎo)致材料的抗壓強(qiáng)度呈遞減趨勢(shì)。根據(jù)上述試驗(yàn)，分析得出一個(gè)綜合性能最優(yōu)的涂料組分為：成膜物A占13%、重鈣27%、石英砂28%、蓖麻油2%、PE蠟2%、丁腈橡膠1%。

圖10 抗壓強(qiáng)度隨填料比例的變化趨勢(shì)

3 灰色關(guān)聯(lián)理論分析和材料性能驗(yàn)證

灰色關(guān)聯(lián)理論是一種多因素分析方法，其以各因素的樣本數(shù)據(jù)為依據(jù)，用關(guān)聯(lián)度來(lái)描述因素間的關(guān)系，若數(shù)據(jù)反映出某一因素變化和發(fā)展態(tài)勢(shì)基本一致，則它們之間的關(guān)聯(lián)度較大[12]。根據(jù)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，標(biāo)線涂料的抗壓強(qiáng)度隨著各組分的添加，既有下降的確定性，又有隨機(jī)變化的不確定性，可以視為灰色系統(tǒng)的應(yīng)用范疇，選擇鄧氏關(guān)聯(lián)度方法計(jì)算分析。

3.1 鄧氏關(guān)聯(lián)度

首先選擇參考數(shù)列：X0={X0(k)|k=1,2,…,n}={X0(1),X0(2),X0(3),…,X0(n)}

比較數(shù)列Xi={Xi(k)|k=1,2,…,n}={Xi(1),Xi(2),Xi(3),…,Xi(n)}

其次對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理，分辨系數(shù)取0.5，計(jì)算比較數(shù)列Xi對(duì)參考數(shù)列X0的關(guān)聯(lián)系數(shù)，計(jì)算過(guò)程如下：

ρi(k)=

(i=1,2,…,6)

(1)

計(jì)算比較數(shù)列Xi對(duì)參考數(shù)列X0的關(guān)聯(lián)度，計(jì)算公式為：

(2)

最后依據(jù)關(guān)聯(lián)度，計(jì)算各組分權(quán)重：

(3)

3.2 各組分權(quán)重計(jì)算分析

由于標(biāo)線涂料的性能主要由抗壓強(qiáng)度保證，所以選擇涂料的抗壓強(qiáng)度為參考數(shù)列(X0)、各組分含量百分比為比較數(shù)列(Xi)，為避免誤差相差較大，數(shù)據(jù)利用均值化算子進(jìn)行處理，求得不同組分的含量百分比(Xi)與抗壓強(qiáng)度(X0)的關(guān)聯(lián)度Ri和各組分的權(quán)重Wi見(jiàn)表3。

表3 關(guān)聯(lián)度和權(quán)重

由關(guān)聯(lián)度及權(quán)重排序可知：各組分對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響程度為：PE蠟>蓖麻油>成膜物A>丁腈橡膠>石英砂>重鈣，計(jì)算出各組分的權(quán)重：PE蠟18.43%，蓖麻油17.64%，成膜物A占17.30%，丁腈橡膠16.74%，石英砂15.05%，重鈣14.84%，這說(shuō)明對(duì)于該文開(kāi)發(fā)的熱熔型標(biāo)線材料來(lái)說(shuō)，PE蠟對(duì)標(biāo)線涂料的抗壓強(qiáng)度影響程度最大，重鈣對(duì)抗壓強(qiáng)度影響最小，蓖麻油、成膜物A、丁腈橡膠和石英砂對(duì)涂料抗壓強(qiáng)度影響權(quán)重為15%～18%，所以在制備標(biāo)線涂料時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制PE蠟、蓖麻油、成膜物A和丁腈橡膠等原料的配比。

3.3 材料性能驗(yàn)證

為了驗(yàn)證材料的綜合性能，參照歐盟EN 1871—2000標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)熱熔標(biāo)線材料的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)以及應(yīng)用范圍進(jìn)行研究，由于歐盟EN 1871—2000標(biāo)準(zhǔn)對(duì)道路熱熔標(biāo)線的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行了不同分級(jí)，該文按照實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得出了對(duì)應(yīng)的指標(biāo)等級(jí)；參照J(rèn)T/T 280—2004標(biāo)準(zhǔn)對(duì)涂料進(jìn)行性能測(cè)試(表4)，測(cè)試結(jié)果均滿足規(guī)范要求。試驗(yàn)均按照相應(yīng)規(guī)范進(jìn)行了3次測(cè)試，最終結(jié)果為3次試驗(yàn)結(jié)果的平均值。

表4 性能驗(yàn)證

由表4可知：依據(jù)歐盟EN 1871—2000標(biāo)準(zhǔn)，該文對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足次標(biāo)準(zhǔn)，由于歐盟對(duì)于不同等級(jí)標(biāo)線材料應(yīng)用于不同等級(jí)道路，且該文開(kāi)發(fā)的標(biāo)線材料對(duì)應(yīng)指標(biāo)等級(jí)均為中級(jí)和高級(jí)，說(shuō)明該文開(kāi)發(fā)的新型熱熔標(biāo)線可應(yīng)用于歐盟的中級(jí)路面。參照中國(guó)JT/T 280—2004標(biāo)準(zhǔn)，所測(cè)結(jié)果均滿足中國(guó)規(guī)范，且實(shí)測(cè)結(jié)果處于規(guī)范推薦中值附近，表明新型熱熔標(biāo)線性能優(yōu)異，可以在中國(guó)道路應(yīng)用。

4 結(jié)論

依據(jù)熱熔型標(biāo)線涂料的基礎(chǔ)配方，提出用粉末丁腈橡膠作增韌抗裂劑，以蓖麻油代替鄰苯二甲酸酯類(lèi)等化學(xué)制劑做增塑劑，通過(guò)調(diào)節(jié)其他用料的配比來(lái)探究各組分對(duì)涂料的流動(dòng)度及抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

(1) 由流動(dòng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：材料的流動(dòng)度隨成膜物A、蓖麻油和PE蠟的含量增加而下降，其含量每增加4%，涂料流動(dòng)度分別減小52、54、72 s，而丁腈橡膠含量增加會(huì)顯著增加涂料的流動(dòng)性；填料的配比對(duì)涂料的流動(dòng)度呈二次曲線影響，當(dāng)配比(重鈣∶石英砂)為1∶1時(shí)，流動(dòng)性最好。

(2) 通過(guò)對(duì)抗壓強(qiáng)度分析：成膜物A、石英砂、PE蠟、蓖麻油含量的增加都會(huì)降低涂料的抗壓強(qiáng)度，其含量每增加4%，涂料抗壓強(qiáng)度分別降低4.05、3.75、9.8、7.8 MPa；丁腈橡膠含量從1%增加到3%，涂料的抗壓強(qiáng)度下降了2.03 MPa。

(3) 根據(jù)凍融循環(huán)試驗(yàn)可知：原料中加入1%的粉末丁腈橡膠可明顯提升涂料的抗裂性能，試驗(yàn)得到最佳配方為：成膜物A占13%、重鈣27%、石英砂28%、PE蠟2%、丁腈橡膠1%、蓖麻油2%、顏料6%、反光材料E占21%。

(4) 根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)理論，得到各組分對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響權(quán)重：PE蠟18.43%，蓖麻油17.64%，成膜物A占17.30%，丁腈橡膠16.74%，石英砂15.05%，重鈣14.84%，其中PE蠟對(duì)涂料抗壓強(qiáng)度影響最顯著，制備涂料時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制質(zhì)量配比；通過(guò)與國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了材料的綜合性能，表明該標(biāo)線材料可以在國(guó)內(nèi)外進(jìn)行推廣應(yīng)用。