一种新型水位警示系统研究

李立青,张林辉,铁新纳

(1.河南工业大学 土木工程学院,河南 郑州 450001;2.郑州市城市隧道综合管理养护中心,河南 郑州 450000)

现有城市排水系统技术滞后,可能会造成市政道路积水、内涝等灾害[1-3]。下凹式桥涵洞、隧道等是容易发生洪涝灾害的区域[4],2013年8月8日郑州市突降暴雨,致使南阳路与北环路交叉口处涵洞积水超过1 m[5];2021年郑州“7·20”特大暴雨期间京广路隧道洞内积水深度高达3 m。由于下凹式桥涵洞、隧道等低洼处通常光线阴暗,现有的水位标识技术无法使司乘人员快速判断积水深度,不利于车辆的安全通行。为此,本文研发了一种基于水性交通涂料[6]的新型水位警示系统。该系统在采用特种材料改善混凝土基体力学性能与耐久性能的同时,采用了微型玻璃珠折射技术[7],能够准确反映积水深度,可为司乘人员的出行提供安全保障,也可帮助市政部门及时掌握积水深度、采取应急措施。

1 现有道路水位警示系统现状

通过现场调研和查阅文献,目前常用的传统水位警示装置的弊端主要体现在以下几个方面:

(1)传统水位警示线指示不明确。水位警示线设置过于简单,基本采用白底红字的油漆涂刷,光线不足时很难发挥警示作用。

(2)传统水位警示线不满足高度需求。2021年郑州“7·20”特大暴雨持续7 d,最大日降雨量达到993.1 mm[8],部分低洼区域积水深度超过3 m,而传统水位警示线高度普遍不超过1 m,无法满足指示需要。

(3)传统水位警示装备表面憎水性差、易污染。目前下凹式桥涵洞、隧道等低洼区域水位线普遍采用警示划线漆直接涂刷而成。雨水与施工基面直接接触,易附着于表面,污染标尺线,造成刻度字体变色、老化。

综上所述,传统水位警示装置已无法适应新的城市防洪减灾需求,下凹式桥涵洞、隧道等低洼区域的水位监测预警工作亟待优化。为此,结合郑州“7·20”特大暴雨灾后重建工作研发出一种新型水位警示系统。

2 新型水位警示系统设计

2.1 设计方案

新型水位警示系统需具有指示明确、经久耐用、反光效果良好、分级预警等功能。根据这些需求,设计了新型水位警示系统的制作实施流程(见图1)。

图1 新型水位警示系统涂装流程

(1)模具制作。结合低洼处构筑物的高度制作白色警示语、标尺线等模具。若在下凹式桥涵洞、隧道等低洼处安装时,模具高应不小于3.4 m,宽不小于0.6 m。

(2)基面处理及修补。采用高压水射流清理基面,去除混凝土表面松动的骨料、砂浆。待旧结构层处于湿润状态且表面无明水时,采用胶泥填充麻面、凹槽等破损部位,涂刷丙乳砂浆。

(3)新型反光涂料底涂。丙乳砂浆固结后进行多种颜色的反光涂料底涂,实施顺序如图2所示。先在左半部分涂刷蓝色反光涂料,待其硬化后,依次进行右半部分绿色、红色和橙色等反光涂料的底涂工作。其中绿色表示车辆可低速缓慢通过;橙色表示积水较深,存在潜在危险;红色表示禁止通行,积水水位深度已达到或高于车辆排气管的平均位置,车辆无法通行,需要选择其他路线绕行。为保护施工基面以外的墙体不受污染,需在反光涂料底涂之前于周围区域粘贴建筑胶带。

图2 不同颜色反光涂料涂刷流程图

(4)警示语涂刷。采用提前制作好的模具涂刷左侧的白色警示语——“涉水警示线”和右侧的标尺线反光涂料(见图2)。右侧的不同颜色及白色标尺线,可使司乘人员实时获取准确的积水深度,并评估积水路况。

(5)防护涂料面涂。涂刷自行研发的掺有微型高亮反光玻璃珠的高亮、自清洁及超疏水防护涂料。该面涂可有效提高外墙的耐污能力,兼具装饰与防护效果。

2.2 材料研究

2.2.1 基面修补材料

由于水位警示系统所处的环境大多阴暗潮湿,并时常遭受雨水冲刷、浸泡,基体所用的混凝土中碱性材料会发生中性化反应[9]。为提高基体的耐久性及经济性,需采用高性能材料对混凝土基面的裂缝、蜂窝麻面等进行修复。对常用砂浆的力学性能进行测试比较后,列出性能较好的丙乳砂浆和聚合物砂浆(见表1)。分析可知,相同水灰比下丙乳砂浆施工性能较好,且丙乳砂浆的抗压、抗折强度明显大于聚合物砂浆,两者均可与水泥砂浆黏结良好,丙乳砂浆的强度稍高。已有资料表明,丙乳砂浆抗渗等级≥1.5 MPa,即>P12[10],远大于规范规定的最大混凝土抗渗等级,能有效防止有害物质渗透。因此,新型水位警示系统的基面修补材料采用丙乳砂浆。

表1 砂浆性能对比

2.2.2 底涂材料

选用以氟碳树脂为主要成膜物质的反光涂料作为底涂材料,性能测试结果如表2所示。该涂料与基面的附着力强,同时具有良好的耐酸耐碱性和耐候性。该涂料将渗透型物质(如溶剂)与成膜型材料有机结合,一部分活性物质渗透入混凝土内部,与混凝土中的官能团反应形成1～3 mm的防护层,形成更牢固的涂层结构,一部分物质留在混凝土表面形成疏水透气的防护膜,以达到提高耐磨性、耐候性的目的。

表2 反光涂料性能

采用特殊超声波工艺,在该涂料中掺加足量的微型反光玻璃珠,以实现高亮效果。其工作原理如图3所示。由表2可知,该底涂材料的逆反射亮度系数为160 mcd·m-2·lx-1。当阴雨天气或夜间对视认性影响较大时,司机在车速90 km/h、距离50 m以上时可看到标线,将有足够的反应时间采取减速措施[11]。

图3 嵌入涂层上的玻璃珠逆反射

2.2.3 面涂材料

结合文献[12],研发出一种掺有微型玻璃珠的高含氟量水性防护涂料,可提高在夜间或低照明度条件下的反射效果,其性能测试结果如表3所示。该防护涂料以高含氟量聚合物乳液作为成膜物质,阻止了混凝土中氢氧化钙和氢氧化铝等化合物与二氧化碳的反应,降低了混凝土的碳化深度(碳化深度比≤20%),同时有效抑制了混凝土内氯离子的扩散(氯离子吸收降低率>85%)。该防护涂料作为保护层,延长了结构的使用寿命、提高了耐久性能。综上,该防护涂料具有出色的耐低温稳定性、耐酸雨性、抗碱性和耐人工气候老化性能(气泡密度等级为0,剥落面积等级为0[13])。

表3 面涂材料性能

3 新型水位警示系统优化分析

新型水位警示系统与传统水位警示装置相比,在警示效果、施作工序、主体材料研发等方面均做出较大改进:

(1)2020年西安地区暴雨、2021年郑州“7·20”特大暴雨期间积水深度均超过传统水位警示线的阈值,为此新型水位警示系统的刻度提升至3.4 m。与传统水位警示装置相比(见图4),新型水位警示系统辨识度更高,并形成了分级预警机制,可为司机提供更好的警示效果。

a 新型水位警示系统

(2)传统的水位标线由划线漆结合刻度线模具直接喷涂而成,基面破损部位未得到修复,易出现破损造成水位刻度缺失。新型水位警示系统经高压水射流清理后采用丙乳砂浆进行基面修复找平,显著提高了基面黏结力和基体的力学性能与耐久性能。

(3)新型水位警示系统采用的反光涂料底涂、防护涂料面涂均掺有微型反光玻璃珠,逆反射亮度系数可高达160 mcd·m-2·lx-1,标准显示距离不少于10 m,警示系统更加高亮、明显。

(4)新型水位警示系统面涂采用高含氟量水性涂料,具有疏水、疏油、耐尾气污染等耐污染能力和较强的耐化学性、耐腐蚀性、耐冲刷等耐久性能,可有效抵御污渍附着、减少维修保养频率。

4 结语与建议

该新型水位警示系统已应用于郑州市京广路隧道、金水路隧道等灾后重建工程,两年来遭受阴雨连绵天气、保洁冲刷等环境影响,未发现颜色脱落、刻度字体缺失等损坏情况。该新型水位警示系统采用不同颜色分级预警,可清晰直观反映实时积水深度,提醒司乘人员注意行车安全。为更好防范应对极端天气,可根据安全需求适当增加警示线高度。采用的自清洁超疏水、高反光涂料,力学性能优越,可降低周围环境的不利影响,一定程度上保障了司乘人员的安全通行。