Determinação dos coeficientes de atrito de pavimentos gelados sob diferentes quantidades de queda de neve

Resumo

Aqui, apresentamos um método para determinar o coeficiente de atrito de pavimentos com diferentes espessuras de gelo em ambientes fechados. O procedimento completo inclui a preparação do equipamento, o cálculo e análise da queda de neve, calibração do equipamento, determinação do coeficiente de atrito e análise de dados.

Resumo

O gelo nas superfícies das estradas pode levar a uma diminuição significativa do coeficiente de atrito, pondo assim em risco a segurança de condução. No entanto, ainda não existem estudos que forneçam valores exatos de coeficiente de atrito para pavimentos cobertos de gelo, o que é prejudicial tanto para o projeto da estrada quanto para a seleção de medidas de manutenção de estradas no inverno. Portanto, este artigo apresenta um método experimental para determinar o coeficiente de atrito de superfícies de estradas geladas no inverno. Um testador portátil britânico (BPT), também conhecido como medidor de coeficiente de atrito do pêndulo, foi empregado para o experimento. O experimento foi dividido nas seguintes cinco etapas: preparação do equipamento, cálculo e análise da queda de neve, calibração do equipamento, determinação do coeficiente de atrito e análise dos dados. A precisão do experimento final é diretamente afetada pela precisão do equipamento, que é descrita em detalhes. Além disso, este artigo sugere um método para calcular a espessura do gelo para quantidades correspondentes de queda de neve. Os resultados ilustram que mesmo o gelo irregular formado por uma queda de neve muito leve pode levar a uma diminuição significativa no coeficiente de atrito do pavimento, colocando em risco a segurança de condução. Além disso, o coeficiente de atrito está no seu pico quando a espessura do gelo atinge 5 mm, o que significa que medidas de proteção devem ser tomadas para evitar a formação de tal gelo.

Introdução

O atrito do pavimento é definido como a aderência entre os pneus do veículo e a superfície subjacente da estrada¹. O índice mais comumente associado ao atrito do pavimento no projeto da estrada é o coeficiente de atrito do pavimento. O atrito é um dos fatores mais importantes no projeto da estrada e perde apenas para a durabilidade. Existe uma correlação forte e clara entre o desempenho do atrito do pavimento e o risco de acidente². Por exemplo, há uma correlação negativa significativa entre as taxas de acidentes rodoviários e a resistência à derrapagem do pavimento ^3,4,5. Vários fatores podem contribuir para a diminuição do atrito do pavimento, sendo que um dos mais diretos e influentes desses fatores é a queda de neve⁶. Especificamente, a queda de neve faz com que o gelo se forme no pavimento, resultando em uma redução significativa no coeficiente de atrito da estrada ^7,8. Um estudo com foco nos fatores que influenciam as taxas de acidentes de trânsito no sul da Finlândia observou que as taxas de acidentes geralmente atingem o pico em dias com forte queda de neve e que mais de 10 cm de neve podem levar a uma duplicação da taxa de acidentes⁹. Resultados semelhantes foram encontrados em estudos realizados tanto na Suécia quanto no Canadá^10,11. Portanto, estudar as propriedades de atrito de pavimentos congelados pela neve é crucial para melhorar a segurança rodoviária.

Determinar o coeficiente de atrito de pavimentos gelados é um processo complexo porque o coeficiente de atrito pode variar sob diferentes níveis de queda de neve e espessuras de gelo do pavimento. Além disso, a variação de temperaturas e características dos pneus também pode afetar o coeficiente de atrito. No passado, numerosos experimentos foram realizados para estudar as características de atrito de pneus no gelo¹². No entanto, devido às diferenças em ambientes individuais e características dos pneus, resultados consistentes não podem ser obtidos e utilizados como base para estudos teóricos. Por isso, muitos pesquisadores têm tentado desenvolver modelos teóricos para analisar o atrito dos pneus no gelo. Hayhoe e Sahpley¹³ sugeriram o conceito de troca de calor por atrito úmido na interface entre pneus e gelo, enquanto Peng et ^al.14 propuseram um modelo de dados avançado para prever o atrito com base no conceito acima. Além disso, Klapproth apresentou um modelo matemático inovador para descrever o atrito da borracha áspera sobre gelo liso¹⁵. No entanto, os modelos acima demonstraram apresentar erros significativos, principalmente devido à sua incapacidade de caracterizar com precisão e eficiência as propriedades de atrito de pneus sobre gelo¹⁶.

Para reduzir os erros dos modelos teóricos, é necessária uma grande quantidade de dados experimentais. A Agência Meteorológica Finlandesa desenvolveu um modelo de atrito para prever o atrito do pavimento gelado, e a fórmula para esse modelo foi baseada principalmente em dados obtidos de estações meteorológicas rodoviárias e por meio de análise estatística¹⁷. Além disso, Ivanović et al. reuniram uma quantidade significativa de dados experimentais analisando as características de atrito de pneus sobre gelo e calculando o coeficiente de atrito do gelo por análise de regressão¹⁸. Gao et al. também propuseram um novo modelo de predição da tração pneu-borracha-gelo combinando o algoritmo de otimização de Levenberg-Marquardt (LM) com uma rede neural para obter a fórmula para o coeficiente de atrito no gelo¹⁹. Todos os modelos acima foram validados ou aplicados na prática e são, portanto, considerados viáveis.

Além de métodos teóricos, muitos métodos práticos foram desenvolvidos para medir o coeficiente de atrito de pavimentos em áreas nevadas e congeladas. Devido às particularidades do clima, esses métodos têm sido amplamente utilizados em países nórdicos como Suécia, Noruega e Finlândia²⁰. Na Suécia, os seguintes três tipos principais de dispositivos de medição de atrito são usados: o BV11, SFT e BV14. O BV14, um testador de atrito duplo desenvolvido especificamente para avaliações de manutenção de inverno, está diretamente conectado ao veículo de medição e mede o atrito seco em ambos os caminhos das rodas simultaneamente²⁰. Na Finlândia, o veículo de medição de atrito (TIE 475) é usado para avaliações de manutenção de estradas de inverno, enquanto na Noruega, o dispositivo de medição de atrito ROAR (sem água) é um equipamento comumente usado². A maioria das medições de atrito de inverno realizadas na Suécia, Noruega e Finlândia foi realizada usando carros de passageiros comuns com ABS e instrumentos que medem a desaceleração sob frenagem ^2,20. A vantagem deste método é que é simples e relativamente barato, e a principal desvantagem é que a precisão do método é muito baixa.

Os estudos descritos acima fornecem métodos para prever e detectar coeficientes de atrito no gelo. No entanto, ainda não foi fornecido um método uniforme e um valor específico para orientar os projetistas de estradas. Além disso, para as estradas de inverno, o coeficiente de atrito entre os pneus e o gelo pode variar em relação a diferentes espessuras de gelo, e diferentes medidas de descarte também devem ser implementadas²¹. Portanto, este trabalho tem como objetivo determinar o coeficiente de atrito de estradas geladas sob diferentes quantidades de queda de neve.

Internacionalmente, o testador portátil britânico (BPT) e o testador de atrito portátil do Swedish Road and Transport Research Institute (VTI PFT) são atualmente os instrumentos mais utilizados para medir o coeficiente de atrito^22,23. O PFT é um testador de atrito portátil desenvolvido pela VTI, e permite que o operador faça medições na posição vertical e salve os dados no computador²². O PFT pode medir a maioria das marcações rodoviárias contornadas, mas o número de instrumentos atualmente disponíveis ainda é muito pequeno². O BPT é um testador de coeficiente de atrito do pêndulo que foi desenvolvido pelo British Road Research Laboratory (RRL, agora TRL). O instrumento é um testador de impacto de pêndulo dinâmico usado para medir a perda de energia nos casos em que uma borda deslizante de borracha é impulsionada sobre uma superfície de teste. Os resultados são relatados como British Pendulum Numbers (BPNs) para enfatizar que são específicos desse testador e não diretamente equivalentes aos de outros dispositivos²⁴. O instrumento mostrou-se útil para a determinação de coeficientes de atrito no campo experimental do pavimento²³. Este experimento utiliza o BPT para a determinação de coeficientes de atrito.

O presente estudo descreve o procedimento experimental para mensuração do coeficiente de atrito de pavimentos gelados correspondentes a diferentes quantidades de queda de neve em ambientes fechados. Os problemas a serem observados nos experimentos, como calibração experimental, implementação experimental e os métodos de análise de dados, são explicados em detalhes. Os procedimentos experimentais atuais podem ser resumidos pelas seguintes cinco etapas: 1) a preparação do equipamento, 2) o cálculo e análise da queda de neve, 3) calibração do equipamento, 4) determinação do coeficiente de atrito e 5) análise dos dados.

Protocolo

1. Preparação do equipamento

1. BPT
   1. Certifique-se de que o BPT (Figura 1) esteja dentro de sua vida útil e que a superfície esteja limpa e intacta.
      NOTA: Os componentes do BPT são a base, a espiral de nivelamento, a bolha de nivelamento, o ponteiro, o pêndulo, a espiral de elevação, a espiral de fixação, a alça e o mostrador.
2. Lajes de asfalto
   1. Certifique-se de que o tamanho da amostra de mistura asfáltica usada para o experimento seja de 30 cm x 30 cm x 5 cm.
3. Equipamento de congelação
   1. Certifique-se de que o equipamento de congelação utilizado pode regular livremente a temperatura entre -20 °C e 0 °C.
4. Prepare outros equipamentos usados no experimento: um tripé, um cilindro de medição, uma folha de borracha, um termômetro de pavimento, uma régua de comprimento deslizante e uma escova.
   NOTA: O tamanho da folha de borracha utilizada no experimento foi de 6,35 mm x 25,4 mm x 76,2 mm, e deve atender aos requisitos de qualidade apresentados na Tabela 1²⁴.
   1. Certifique-se de que a folha de borracha não tenha nenhum dos seguintes defeitos: 1) manchas de óleo; 2) desgaste da borda da largura maior que 3,2 mm; ou 3) desgaste longitudinal maior que 1,6 mm.
   2. Antes de usar uma nova folha de borracha, certifique-se de que a folha de borracha seja medida 10 vezes usando um BPT em uma superfície seca antes de usá-la para testes oficiais.

2. Cálculo e análise da queda de neve

NOTA: A Tabela 2 fornece a classificação da classe de queda de neve. Considerando casos extremos, o equipamento requer 24 horas de queda de neve para realizar o estudo.

1. Para garantir a facilidade do experimento, realize o cálculo e a análise correspondentes usando o limite superior para cada nível de queda de neve.
   NOTA: Os diferentes níveis da profundidade da queda de neve e o volume de água correspondente das amostras após o cálculo são apresentados no quadro 3. O experimento não considerou a influência de tempestades de neve extraordinárias, e as categorias de neve muito leve a grandes nevascas foram numeradas de 1 a 6.

3. Calibração do equipamento

1. Nivelamento e ajuste zero
   1. Coloque o BPT em uma posição adequada.
      NOTA: Uma posição adequada significa que o solo é plano e livre de buracos.
   2. Gire a espiral de nivelamento na base do BPT para garantir que a bolha de nivelamento permaneça na posição intermediária.
   3. Solte a espiral de fixação, gire a espiral de elevação para fazer o pêndulo levantar e balançar livremente e, em seguida, aperte a espiral de fixação.
   4. Coloque o braço do pêndulo no cantilever direito da mesa do pêndulo, mantendo o braço na posição horizontal enquanto gira o ponteiro para o lado direito nivelado com o braço.
   5. Pressione o botão de liberação para deixar o braço do pêndulo balançar livremente. Quando o pêndulo cruzar o ponto mais baixo para atingir o ponto mais alto, segure-o com a mão.
      Observação : se for preciso, o ponteiro deve indicar zero neste momento.
   6. Se o ponteiro não mostrar o ponto zero, solte ou aperte a porca de zeragem e repita as etapas 3.1.4 e 3.1.5 até que o ponteiro indique o ponto zero.
2. Calibração do comprimento deslizante
   1. Coloque a laje asfáltica diretamente sob o pêndulo, soltando a espiral de fixação para que a borda mais baixa da folha de borracha toque a superfície da laje asfáltica.
   2. Prepare a régua de comprimento deslizante e aproxime-a da folha de borracha.
   3. Levante a alça de transporte de modo que a marca da escala esquerda da régua de comprimento deslizante seja nivelada com a borda mais baixa da folha de borracha.
   4. Levante a alça de transporte e mova o pêndulo para a direita para que a borda mais baixa da folha de borracha toque apenas a superfície da laje de asfalto.
   5. Observe se a régua de comprimento deslizante está nivelada com a borda da folha de borracha. Se for, o comprimento deslizante atende ao requisito de 126 mm. Caso contrário, continue as seguintes operações.
   6. Gire a espiral de elevação para ajustar a altura do pêndulo e repita as etapas 3.2.3-3.2.5 para ajustar o comprimento deslizante de modo que ele atenda aos requisitos.
   7. Quando for necessário um ajuste fino, torça a espiral de nivelamento na base.
      NOTA: A bolha de nivelamento precisa permanecer no centro durante o ajuste.

4. Determinação do coeficiente de atrito

1. Selecione sete peças de laje de asfalto, limpe-as com uma escova e seque-as naturalmente à temperatura ambiente.
2. Numere as lajes de asfalto na ordem de 1-7.
3. Coloque as lajes de asfalto em moldes e, simultaneamente, resfrie-as e congele-as com uma camada de água.
   NOTA: Neste experimento, as sete amostras foram colocadas no freezer a uma temperatura controlada de -10 °C por 24 h. As diferentes amostras com os volumes de água correspondentes são mostradas na Figura 2.
   1. Amostra 1: Para simular neve muito leve, despeje 9 cm³ de água sobre a amostra de asfalto. Preencha o vazio da superfície da laje asfáltica com água e nivele a parte levantada. Não se espera que a camada de gelo cubra completamente as partículas de asfalto da superfície da amostra. Portanto, algumas partículas serão expostas, e esse fenômeno é conhecido como gelo irregular.
   2. Amostra 2: Para simular neve leve, despeje 216 cm³ de água sobre a amostra de asfalto usando um cilindro de medição. A espessura de gelo esperada é de 2,17 mm. Neste caso, a camada de água cobre completamente a superfície da amostra. Deve ser completamente congelado após o gelo.
   3. Amostra 3: Para simular neve média, despeje 441 cm³ de água sobre a amostra de asfalto usando um cilindro de medição. A espessura de gelo esperada é de 5,4 mm.
   4. Amostra 4: Para simular neve pesada, despeje 891 cm³ de água sobre a amostra de asfalto usando um cilindro de medição. A espessura de gelo esperada é de 11 mm.
   5. Amostra 5: Para simular uma nevasca, despeje 1.791 cm³ de água sobre a amostra de asfalto usando um cilindro de medição. A espessura de gelo esperada é de 22,1 mm.
   6. Amostra 6: Para simular uma grande nevasca, despeje 2.691 cm³ de água sobre a amostra de asfalto usando um cilindro de medição. A espessura de gelo esperada é de 33,2 mm.
   7. Amostra 7: Coloque diretamente a amostra no congelador para arrefecimento sem adicionar água como uma amostra congelada seca para comparação.
4. Após a congelação, retire as amostras do congelador; por sua vez, remova os moldes e coloque-os nos centros BPT, que foram previamente nivelados e zerados.
5. Use o termômetro de pavimento para medir a temperatura da superfície da amostra e registrá-la.
6. Execute a calibração do comprimento deslizante para garantir uma distância de deslizamento de 126 mm.
7. Pressione o interruptor de liberação do braço do pêndulo. Quando o braço do pêndulo cruzar o ponto mais baixo e balançar para o mais alto, segure-o à mão e leia e registre o resultado.
8. Restaure o braço do pêndulo e o ponteiro para as posições zero e horizontal, respectivamente.
   NOTA: O comprimento deslizante deve ser recalibrado cada vez que uma nova amostra é testada.
9. Repita as etapas um total de 10 vezes e meça sete amostras em sequência.
   NOTA: Cada amostra tem 10 leituras de medição, e as diferenças de valor mínimo e máximo devem ser menores que 3.

5. Análise dos dados

1. Registre os dados da Figura 3 em uma tabela e faça a média dos resultados da medição para obter o resultado final (Tabela 4).
2. Correção de temperatura para valores de pêndulo
   1. Insira as medições do valor de temperatura na equação a seguir para obter o valor BPN compensado pela temperatura:
      
      NOTA: A unidade de temperatura usada na equação original é a Kelvin, enquanto as temperaturas experimentais são todas em centígrado, de modo que uma conversão de temperatura deve ser realizada. As duas unidades de temperatura são convertidas da seguinte forma:
      T (K) = 273,15 + T (^oC)
   2. Subtraia o valor do BPN compensado do valor médio do BPN na Tabela 4 para obter o valor final do BPN compensado pela temperatura.
   3. Plote os valores finais de BPN na Tabela 4 como um gráfico de barras para resultados mais intuitivos (Figura 4).

Resultados

A amostra 7 da Tabela 4 é o grupo controle da amostra seca, enquanto as amostras restantes 1-6 correspondem a espessuras de gelo que variam de neve muito leve a uma grande nevasca.

Ao comparar a amostra 7 e os outros seis grupos, observou-se que a formação de gelo reduziu significativamente o coeficiente de atrito do pavimento. Além disso, o coeficiente de atrito do pavimento diminuiu com o aumento da espessura do gelo, e a espessura do gelo tendeu a se estabilizar em 5 mm, o ...

Discussão

O presente trabalho examina o procedimento para testar o coeficiente de atrito de pavimento gelado utilizando um BPT. Vários pontos precisam ser analisados de forma abrangente e são discutidos em detalhes aqui. Primeiro, em termos de preparação das amostras de mistura asfáltica, deve-se tentar usar o asfalto de petróleo rodoviário para preparar as amostras, mas isso não é um requisito. O preparo das amostras da mistura asfáltica deve ser realizado em estrita conformidade com os protocolos experimentais da ASTM (D6926-20)...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Escova	Shenzhen Huarui Brush Industry Co., LTD	L-31
Equipamento de congelamento	Haier Group	BC/BD-251HD
Cilindro de medição	Zhaoqing High-tech Zone Qianghong Plastic Mould Co., LTD	lb1
Termômetro de pavimento	F62MAX		da Fluke Electronic Insrtument Company
	Muyang County Highway Instrument Co., LTD	/
Folha de borracha	Jiangsu Muyang Xinchen Highway Instrument Co., LTD	785120123500
Régua de comprimento deslizante	Jiangsu Muyang Xinchen Highway Instrument Co., LTD	785120123500
Tripé	Hangzhou Ruiqi Trading Co., LTD	TRGC1169