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Determinación de los coeficientes de fricción de pavimentos helados bajo diferentes cantidades de nieve

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DOI:

10.3791/63769

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6 de enero de 2023

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1Highway Academy, Chang’an University, 2School of Modern Posts (Logistics School) & Institute of Posts, Xi’an University of Posts and Telecommunications

En este artículo

Resumen

Aquí, presentamos un método para determinar el coeficiente de fricción de pavimentos con diferentes espesores de hielo en interiores. El procedimiento completo incluye la preparación del equipo, el cálculo y análisis de la nevada, la calibración del equipo, la determinación del coeficiente de fricción y el análisis de datos.

Resumen

El hielo en las superficies de las carreteras puede conducir a una disminución significativa en el coeficiente de fricción, poniendo así en peligro la seguridad de la conducción. Sin embargo, todavía no hay estudios que proporcionen valores exactos de coeficiente de fricción para pavimentos cubiertos de hielo, lo que es perjudicial tanto para el diseño de carreteras como para la selección de medidas de mantenimiento de carreteras invernales. Por lo tanto, este artículo presenta un método experimental para determinar el coeficiente de fricción de las superficies de carreteras heladas en el invierno. Para el experimento se empleó un probador portátil británico (BPT), también conocido como medidor de coeficiente de fricción de péndulo. El experimento se dividió en los siguientes cinco pasos: la preparación del equipo, el cálculo y análisis de la nevada, la calibración del equipo, la determinación del coeficiente de fricción y el análisis de datos. La precisión del experimento final se ve directamente afectada por la precisión del equipo, que se describe en detalle. Además, este artículo sugiere un método para calcular el espesor del hielo para las cantidades correspondientes de nevadas. Los resultados ilustran que incluso el hielo irregular formado por nevadas muy ligeras puede conducir a una disminución significativa en el coeficiente de fricción del pavimento, poniendo así en peligro la seguridad de conducción. Además, el coeficiente de fricción está en su punto máximo cuando el espesor del hielo alcanza los 5 mm, lo que significa que se deben tomar medidas de protección para evitar la formación de dicho hielo.

Introducción

La fricción del pavimento se define como el agarre entre los neumáticos del vehículo y la superficie subyacente de la carretera1. El índice más comúnmente asociado con la fricción del pavimento en el diseño de carreteras es el coeficiente de fricción del pavimento. La fricción es uno de los factores más importantes en el diseño de carreteras y solo es superada por la durabilidad. Existe una fuerte y clara correlación entre el rendimiento de fricción del pavimento y el riesgo de accidente2. Por ejemplo, existe una correlación negativa significativa entre las tasas de accidentes de tráfico y la resistencia al deslizamiento del pavimento 3,4,5. Varios factores pueden contribuir a una disminución de la fricción del pavimento, y uno de los más directos e influyentes de estos factores es la nevada6. Específicamente, las nevadas hacen que se forme hielo en el pavimento, lo que resulta en una reducción significativa en el coeficiente de fricción de la carretera 7,8. Un estudio centrado en los factores que influyen en las tasas de accidentes de tráfico en el sur de Finlandia señaló que las tasas de accidentes suelen alcanzar su punto máximo en días con fuertes nevadas y que más de 10 cm de nieve pueden conducir a una duplicación de la tasa de accidentes9. Resultados similares han sido encontrados en estudios realizados tanto en Suecia como en Canadá10,11. Por lo tanto, estudiar las propiedades de fricción de los pavimentos congelados por nieve es crucial para mejorar la seguridad vial.

La determinación del coeficiente de fricción de los pavimentos helados es un proceso complejo porque el coeficiente de fricción puede variar bajo diferentes niveles de nevadas y espesores de hielo del pavimento. Además, las temperaturas variables y las características de los neumáticos también pueden afectar el coeficiente de fricción. En el pasado, se han realizado numerosos experimentos para estudiar las características de fricción de los neumáticos sobre hielo12. Sin embargo, debido a las diferencias en los entornos individuales y las características de los neumáticos, no se pueden obtener resultados consistentes y utilizarlos como base para estudios teóricos. Por lo tanto, muchos investigadores han intentado desarrollar modelos teóricos para analizar la fricción de los neumáticos en el hielo. Hayhoe y Sahpley13 sugirieron el concepto de intercambio de calor por fricción húmeda en la interfaz entre neumáticos y hielo, mientras que Peng et al.14 propusieron un modelo de datos avanzado para predecir la fricción basado en el concepto anterior. Además, Klapproth presentó un modelo matemático innovador para describir la fricción del caucho áspero sobre hielo liso15. Sin embargo, se ha demostrado que los modelos anteriores tienen errores significativos, principalmente debido a su incapacidad para caracterizar con precisión y eficiencia las propiedades de fricción de los neumáticos sobre hielo16.

Para reducir los errores de los modelos teóricos, se necesita una gran cantidad de datos experimentales. La Agencia Meteorológica Finlandesa desarrolló un modelo de fricción para predecir la fricción del pavimento helado, y la fórmula para ese modelo se basó principalmente en datos obtenidos de estaciones meteorológicas de carretera y a través de análisis estadísticos17. Además, Ivanović et al. reunieron una cantidad significativa de datos experimentales mediante el análisis de las características de fricción de los neumáticos sobre hielo y calcularon el coeficiente de fricción del hielo mediante análisis de regresión18. Gao et al. también propusieron un nuevo modelo de predicción de la tracción neumático-caucho-hielo combinando el algoritmo de optimización Levenberg-Marquardt (LM) con una red neuronal para obtener la fórmula para el coeficiente de fricción en hielo19. Todos los modelos anteriores han sido validados o aplicados en la práctica y, por lo tanto, se consideran factibles.

Además de los métodos teóricos, se han desarrollado muchos métodos prácticos para medir el coeficiente de fricción de los pavimentos en áreas nevadas y congeladas. Debido a las particularidades del clima, estos métodos han sido ampliamente utilizados en países nórdicos como Suecia, Noruega y Finlandia20. En Suecia, se utilizan los siguientes tres tipos principales de dispositivos de medición de fricción: BV11, SFT y BV14. El BV14, un comprobador de fricción dual desarrollado específicamente para evaluaciones de mantenimiento invernal, está conectado directamente al vehículo de medición y mide la fricción seca en ambas trayectorias de rueda simultáneamente20. En Finlandia, el vehículo de medición de fricción (TIE 475) se utiliza para las evaluaciones de mantenimiento de carreteras invernales, mientras que en Noruega, el dispositivo de medición de fricción ROAR (sin agua) es un equipo de uso común2. La mayoría de las mediciones de fricción invernal realizadas en Suecia, Noruega y Finlandia se han realizado utilizando turismos ordinarios con ABS e instrumentos que miden la deceleración al frenar 2,20. La ventaja de este método es que es simple y relativamente barato, y la principal desventaja es que la precisión del método es muy baja.

Los estudios descritos anteriormente proporcionan métodos para predecir y detectar coeficientes de fricción en el hielo. Sin embargo, todavía no se ha proporcionado un método uniforme y un valor específico para guiar a los diseñadores de carreteras. Además, para las carreteras de invierno, el coeficiente de fricción entre los neumáticos y el hielo puede variar con respecto a los diferentes espesores de hielo, y también se deben implementar diferentes medidas de eliminación21. Por lo tanto, este documento tiene como objetivo determinar el coeficiente de fricción de las carreteras heladas bajo diferentes cantidades de nevadas.

A nivel internacional, el probador portátil británico (BPT) y el probador de fricción portátil del Instituto Sueco de Investigación de Carreteras y Transporte (VTI PFT) son actualmente los instrumentos más utilizados para medir el coeficiente de fricción22,23. El PFT es un comprobador de fricción portátil desarrollado por VTI, y permite al operador tomar medidas en posición vertical y guardar los datos en la computadora22. El PFT puede medir la mayoría de las marcas viales contorneadas, pero el número de instrumentos disponibles actualmente es aún muy pequeño2. El BPT es un probador de coeficiente de fricción de péndulo que fue desarrollado por el British Road Research Laboratory (RRL, ahora TRL). El instrumento es un probador dinámico de impacto de péndulo utilizado para medir la pérdida de energía en los casos en que un borde deslizante de goma se propulsa sobre una superficie de prueba. Los resultados son reportados como Números de Péndulo Británico (BPN) para enfatizar que son específicos de este probador y no directamente equivalentes a los de otros dispositivos24. El instrumento ha demostrado ser útil para la determinación de coeficientes de fricción en el campo experimental del pavimento23. Este experimento utiliza el BPT para la determinación de coeficientes de fricción.

El presente estudio describe el procedimiento experimental para medir el coeficiente de fricción de pavimentos helados correspondiente a diferentes cantidades de nieve en interiores. Los problemas que deben tenerse en cuenta en los experimentos, como la calibración experimental, la implementación experimental y los métodos de análisis de datos, se explican en detalle. Los procedimientos experimentales actuales se pueden resumir en los siguientes cinco pasos: 1) la preparación del equipo, 2) el cálculo y análisis de la nevada, 3) la calibración del equipo, 4) la determinación del coeficiente de fricción y 5) el análisis de datos.

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Protocolo

1. Preparación del equipo

  1. BPT
    1. Asegúrese de que el BPT (Figura 1) esté dentro de su vida útil y que la superficie esté limpia y sin daños.
      NOTA: Los componentes del BPT son la base, la espiral de nivelación, la burbuja de nivelación, el puntero, el péndulo, la espiral de elevación, la espiral de sujeción, el mango y el dial.
  2. Losas asfálticas
    1. Asegúrese de que el tamaño de la muestra de mezcla asfáltica utilizada para el experimento sea de 30 cm x 30 cm x 5 cm.
  3. Equipos de congelación
    1. Asegúrese de que el equipo de congelación utilizado pueda regular libremente la temperatura entre -20 °C y 0 °C.
  4. Prepare otros equipos utilizados en el experimento: un trípode, un cilindro de medición, una lámina de goma, un termómetro de pavimento, una regla de longitud deslizante y un cepillo.
    NOTA: El tamaño de la lámina de caucho utilizada en el experimento fue de 6,35 mm x 25,4 mm x 76,2 mm, y debe cumplir con los requisitos de calidad que figuran en la Tabla 124.
    1. Asegúrese de que la lámina de goma no tenga ninguno de los siguientes defectos: 1) manchas de aceite; 2) desgaste del borde de anchos superior a 3,2 mm; o 3) desgaste longitudinal superior a 1,6 mm.
    2. Antes de usar una lámina de goma nueva, asegúrese de que la lámina de goma se mida 10 veces usando un BPT en una superficie seca antes de usarla para pruebas oficiales.

2. Cálculo y análisis de la nevada

NOTA: La Tabla 2 proporciona la clasificación de la clase de nevadas. Considerando casos extremos, el equipo requiere 24 h de nevadas para realizar el estudio.

  1. Para garantizar la facilidad del experimento, realice el cálculo y análisis correspondientes utilizando el límite superior para cada nivel de nevada.
    NOTA: Los diferentes niveles de profundidad de las nevadas y el volumen de agua correspondiente de las muestras después del cálculo se proporcionan en la Tabla 3. El experimento no consideró la influencia de tormentas de nieve extraordinarias, y las categorías de nieve muy ligera a grandes ventiscas se numeraron del 1 al 6.

3. Calibración del equipo

  1. Nivelación y ajuste cero
    1. Coloque el BPT en una posición adecuada.
      NOTA: Una posición adecuada significa que el suelo es plano y libre de baches.
    2. Gire la espiral de nivelación en la base del BPT para asegurarse de que la burbuja de nivelación permanezca en la posición media.
    3. Afloje la espiral de sujeción, gire la espiral de elevación para hacer que el péndulo se levante y oscile libremente, y luego apriete la espiral de sujeción.
    4. Coloque el brazo de péndulo en el voladizo derecho de la mesa de péndulo, manteniendo el brazo en posición horizontal mientras gira el puntero hacia el lado derecho al ras del brazo.
    5. Presione el botón de liberación para permitir que el brazo del péndulo se balancee libremente. Cuando el péndulo cruce el punto más bajo para alcanzar el punto más alto, sosténgalo con la mano.
      NOTA: Si es preciso, el puntero debe indicar cero en este momento.
    6. Si el puntero no muestra el punto cero, afloje o apriete la tuerca de puesta a cero y repita los pasos 3.1.4 y 3.1.5 hasta que el puntero indique el punto cero.
  2. Calibración de la longitud de deslizamiento
    1. Coloque la losa de asfalto directamente debajo del péndulo mientras afloja la espiral de sujeción para que el borde más bajo de la lámina de goma toque la superficie de la losa de asfalto.
    2. Prepare la regla de longitud deslizante y colóquela a la lámina de goma.
    3. Levante el asa de transporte de modo que la marca de escala izquierda de la regla de longitud deslizante quede al ras con el borde más bajo de la lámina de goma.
    4. Levante el asa de transporte y mueva el péndulo hacia la derecha para que el borde más bajo de la lámina de goma toque la superficie de la losa de asfalto.
    5. Observe si la regla de longitud deslizante está nivelada con el borde de la lámina de goma. Si es así, la longitud de deslizamiento cumple con el requisito de 126 mm. De lo contrario, continúe con las siguientes operaciones.
    6. Gire la espiral de elevación para ajustar la altura del péndulo y repita los pasos 3.2.3-3.2.5 para ajustar la longitud de deslizamiento de modo que cumpla con los requisitos.
    7. Cuando se necesite un ajuste fino, gire la espiral de nivelación en la base.
      NOTA: La burbuja de nivelación debe permanecer en el centro durante el ajuste.

4. Determinación del coeficiente de fricción

  1. Seleccione siete piezas de losa de asfalto, límpielas con un cepillo y séquelas naturalmente a temperatura ambiente.
  2. Numere las losas de asfalto en el orden del 1 al 7.
  3. Coloque las losas de asfalto en moldes, y simultáneamente enfríelas y congélelas con una capa de agua.
    NOTA: En este experimento, las siete muestras se colocaron en el congelador a una temperatura controlada de -10 °C durante 24 h. Las diferentes muestras con los volúmenes de agua correspondientes se muestran en la Figura 2.
    1. Muestra 1: Para simular nieve muy ligera, vierta 9 cm3 de agua sobre la muestra de asfalto. Llene el vacío de la superficie de la losa de asfalto con agua y nivele la parte elevada. No se espera que la capa de hielo cubra completamente las partículas asfálticas de la superficie de la muestra. Por lo tanto, algunas partículas estarán expuestas, y este fenómeno se conoce como hielo irregular.
    2. Muestra 2: Para simular nieve ligera, vierta 216cm3 de agua sobre la muestra de asfalto utilizando un cilindro de medición. El espesor de formación de hielo esperado es de 2,17 mm. En este caso, la capa de agua cubre completamente la superficie de la muestra. Debe congelarse completamente después de la formación de hielo.
    3. Ejemplo 3: Para simular nieve media, vierta 441cm3 de agua sobre la muestra de asfalto utilizando un cilindro de medición. El espesor de hielo esperado es de 5,4 mm.
    4. Ejemplo 4: Para simular nieve intensa, vierta 891cm3 de agua sobre la muestra de asfalto utilizando un cilindro de medición. El espesor de hielo esperado es de 11 mm.
    5. Ejemplo 5: Para simular una ventisca, vierta 1.791cm3 de agua sobre la muestra de asfalto utilizando un cilindro de medición. El espesor de hielo esperado es de 22,1 mm.
    6. Ejemplo 6: Para simular una gran ventisca, vierta 2.691cm3 de agua sobre la muestra de asfalto utilizando un cilindro de medición. El espesor de hielo esperado es de 33,2 mm.
    7. Muestra 7: Coloque directamente la muestra en el congelador para enfriarla sin agregar agua como una muestra seca congelada para comparar.
  4. Después de la congelación, retire las muestras del congelador; a su vez, retire los moldes y colóquelos en los centros BPT, que previamente fueron nivelados y puestos a cero.
  5. Utilice el termómetro de pavimento para medir la temperatura superficial de la muestra y registrarla.
  6. Realice una calibración de la longitud de deslizamiento para garantizar una distancia de deslizamiento de 126 mm.
  7. Presione el interruptor de liberación del brazo de péndulo. Cuando el brazo del péndulo cruce el punto más bajo y oscile hacia el más alto, sosténgalo con la mano y lea y registre el resultado.
  8. Restaure tanto el brazo del péndulo como el puntero a las posiciones cero y horizontal, respectivamente.
    NOTA: La longitud de deslizamiento debe recalibrarse cada vez que se prueba una nueva muestra.
  9. Repita los pasos un total de 10 veces y mida siete muestras en secuencia.
    NOTA: Cada muestra tiene 10 lecturas de medición, y tanto la diferencia de valor mínima como la máxima deben ser inferiores a 3.

5. Análisis de datos

  1. Registre los datos de la Figura 3 en una tabla y promedie los resultados de la medición para obtener el resultado final (Tabla 4).
  2. Corrección de temperatura para valores de péndulo
    1. Introduzca las mediciones del valor de temperatura en la siguiente ecuación para obtener el valor BPN compensado por temperatura:
      figure-protocol-1
      NOTA: La unidad de temperatura utilizada en la ecuación original es el Kelvin, mientras que las temperaturas experimentales están todas en grados centígrados, por lo que se debe realizar una conversión de temperatura. Las dos unidades de temperatura se convierten de la siguiente manera:
      T (K) = 273.15 + T (oC)
    2. Reste el valor de BPN compensado del valor promedio de BPN en la Tabla 4 para obtener el valor final de BPN compensado por temperatura.
    3. Trazar los valores finales de BPN en la Tabla 4 como un gráfico de barras para obtener resultados más intuitivos (Figura 4).

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Resultados

La muestra 7 en la Tabla 4 es el grupo de control de muestra seca, mientras que las muestras restantes 1-6 corresponden a espesores de hielo que van desde nieve muy ligera hasta una gran ventisca.

Al comparar la muestra 7 y los otros seis grupos, se observó que la formación de hielo reduce significativamente el coeficiente de fricción del pavimento. Además, el coeficiente de fricción del pavimento disminuyó con el aumento del espesor del hielo, y el espesor del hielo tendió a ...

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Discusión

El presente trabajo examina el procedimiento para probar el coeficiente de fricción del pavimento helado utilizando un BPT. Varios puntos deben analizarse exhaustivamente y se discuten en detalle aquí. Primero, en términos de la preparación de las muestras de mezcla asfáltica, uno debe tratar de usar asfalto de petróleo de carretera para preparar las muestras, pero esto no es un requisito. La preparación de las muestras de mezcla asfáltica debe realizarse en estricta conformidad con los protocolos experimentales ASTM (D6...

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Divulgaciones

Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

Los autores desean reconocer el Programa de Investigación Científica financiado por el Departamento de Educación Provincial de Shaanxi (Programa No. 21JK0908).

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
CepilloShenzhen Huarui Brush Industry Co., LTDL-31
Equipo de congelaciónHaier GroupBC/BD-251HD
Cilindro de mediciónZhaoqing High-tech Zone Qianghong Plastic Mould Co., LTDlb1
Termómetro de pavimento Fluke Electronic Insrtument CompanyF62MAX
Medidor de cuerda de fricción de pénduloMuyang County Highway Instrument Co., LTD/
Lámina de cauchoJiangsu Muyang Xinchen Highway Instrument Co., LTD785120123500
Regla de longitud deslizante Jiangsu Muyang Xinchen Highway Instrument Co., Ltd785120123500
TrípodeHangzhou Ruiqi Trading Co., LtdTRGC1169

Referencias

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