随着国家公路建设步伐的不断加快, 荒漠戈壁地区公路日益增多。由最初的陕西榆靖高速公路发展至宁夏、甘肃、新疆、内蒙古等省及自治区也在陆续建设。关于该地区特殊自然环境引起的交通安全问题也越来越引人关注, 诸如:风沙流运动对标志视认的影响。据测算, 汽车在戈壁上行走1h, 车牌照即可被风沙粒打得数字模糊。但由于缺乏针对性的系统研究, 如何合理选取适应恶劣环境特征的交通标志反光材料成为亟需解决的问题。基于此, 本文立足于反光膜的破坏机理, 对交通标志反光膜的结构选型进行分析, 以为设计、管理提供参考。

《道路交通反光膜》 (GB/T 18833-2012) 按照反光性能、结构形式和用途, 将反光膜分为7种类型。其中1~3类为玻璃微珠结构, 4、5类为微棱镜型结构, 均可用于永久性交通标志设施。不同结构类型的组成如图1所示。

通过对典型的荒漠戈壁地区———内蒙古自治区阿拉善地区现有公路交通标志反光膜调查发现, 该地区常用反光膜为玻璃微珠型。在风沙流作用下, 该类反光膜破坏分为以下3个阶段:

(1) 反光膜面层材料龟裂、剥离;

(2) 面层脱落, 裸露出玻璃微珠与填料层;

(3) 玻璃微珠与填料层脱落, 形成冲蚀坑, 露出金属反光层, 反光膜失效。

不同破坏形态的出现与风沙侵蚀角度有关。小角度侵蚀时, 交通标志反光材料受力主要表现为平行分力, 即剪切应力, 由于沙粒硬度远高于反光材料的硬度, 剪切应力越大, 切削作用越强, 最终导致表面出现波纹状或顺风沙流方向的犁耕状沟槽及鱼鳞状剥落坑的形貌。随着风蚀角度的增大, 反光材料受水平作用力逐渐减小, 而垂直作用力逐渐增大, 使得由切削作用产生的磨损分量逐渐减弱。切削作用产生的切削沟槽痕迹己不明显, 当风沙流的冲蚀角度增至90°时, 水平作用力减小为零, 切削作用消失, 作用力全部为垂直正压应力, 材料表面损坏形态为蜂窝状冲蚀楔入坑, 四周材料出现挤压突出。如图2、图3。

风沙运动作为荒漠戈壁地区典型的气候环境特征, 是交通标志反光材料结构选型的关键影响因素。为了能够确定合适的结构类型, 本节采用室内加速试验以及类似区域类比分析的方法, 对玻璃微珠与微棱镜型的适用性进行分析。

为了能够准确掌握反光膜不同结构类型、等级、颜色等指标对风沙侵蚀的敏感性, 本文利用在典型荒漠戈壁地区现场调研采集的砂土样本, 开展室内反光膜加速风蚀试验。具体试验方案如下。

(1) 首先进行粒径筛选, 找出荒漠戈壁地区砂砾级配情况, 同时对选好的反光膜样本进行初始参数测试。

(2) 其次将不同类型反光膜 (国外高强反光膜4个, 国产膜3个) 粘贴于密闭玻璃箱的立面上, 在另一立面上按照一定的距离开3个孔, 用风压枪模拟风环境, 平均每天吹2h;一周后将玻璃箱内反光膜取出进行各项参数的检测。重复上述方案, 直至反光膜破坏。如图4。

从图5可以看出:反光膜等级相同情况下, 不同反光膜结构类型的抗风沙侵蚀能力不同。微棱镜型反光膜侵蚀前后逆反射系数单位小时内平均下降幅度为0.9%;玻璃微珠型则下降幅度较大为2.3%。换言之, 在荒漠戈壁风蚀地区, 微棱镜型反光膜较玻璃微珠型适用性强。

试验对象均为微棱镜型反光膜, 变换其反光等级, 分别选用一级、二级反光膜进行吹沙试验。结果显示:相同结构形式下, 等级越高, 侵蚀前后逆反射系数降低越低。如图6。

反光膜等级与结构类型确定的情况下, 不同颜色对风沙侵蚀的敏感程度也不同, 下降较快的为白色。如图7。

综合上述分析, 微棱镜型反光膜较玻璃微珠型在荒漠戈壁地区有较强的适用性, 且反光等级越高, 抗风蚀能力越强。这与微棱镜型晶体特殊排列结构以及采用高强度、耐磨的聚碳酸酯材料或亚克力材料作为保护层有着密切的关系。

为进一步验证微棱镜型反光膜在荒漠戈壁地区的适用性, 本文借鉴了美国亚利桑那州菲尼克斯以及我国新疆地区的室外曝晒试验结果。

菲尼克斯以西30km的巴克艾镇, 作为典型的沙漠区域, 为大型的反光膜室外曝晒基地。该区域所处纬度与我国阿拉善荒漠戈壁区接近, 气候环境也有极大相似性。其室外试验结果显示:无论是潮湿还是干燥环境下, 微棱镜型反光膜逆反射系数变化比较平缓, 耐候性好。

新疆地区同样是强风蚀地区的代表, 依据其对微棱镜与玻璃微珠反光膜的室外暴露试验来看:无论是白天还是夜间, 微棱镜型反光膜都具有较强的优势。

针对荒漠戈壁地区公路建设运营中暴露出的风沙侵蚀交通标志反光材料的问题, 本文在调查分析其破坏机理的基础上, 通过采用室内加速试验与类似区域类比的分析方法, 验证了微棱镜型反光膜的适用性。研究结论可为荒漠戈壁地区公路安全设施设计与管理提供理论依据与应用参考。