Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Engineering

Bepaling van de wrijvingscoëfficiënten van ijzige trottoirs bij verschillende hoeveelheden sneeuwval

Published: January 6, 2023 doi: 10.3791/63769

Summary

Hier presenteren we een methode voor het bepalen van de wrijvingscoëfficiënt van verhardingen met verschillende ijsdiktes binnenshuis. De volledige procedure omvat de voorbereiding van de apparatuur, de berekening en analyse van de sneeuwval, kalibratie van de apparatuur, bepaling van de wrijvingscoëfficiënt en gegevensanalyse.

Abstract

IJs op wegdek kan leiden tot een aanzienlijke verlaging van de wrijvingscoëfficiënt, waardoor de rijveiligheid in gevaar komt. Er zijn echter nog steeds geen studies die exacte wrijvingscoëfficiëntwaarden bieden voor verhardingen bedekt met ijs, wat schadelijk is voor zowel het wegontwerp als de selectie van winterse wegenonderhoudsmaatregelen. Daarom presenteert dit artikel een experimentele methode om de wrijvingscoëfficiënt van ijzig wegdek in de winter te bepalen. Een Britse draagbare tester (BPT), ook bekend als een slingerwrijvingscoëfficiëntmeter, werd gebruikt voor het experiment. Het experiment was verdeeld in de volgende vijf stappen: de voorbereiding van de apparatuur, de berekening en analyse van de sneeuwval, kalibratie van de apparatuur, bepaling van de wrijvingscoëfficiënt en gegevensanalyse. De nauwkeurigheid van het uiteindelijke experiment wordt direct beïnvloed door de nauwkeurigheid van de apparatuur, die in detail wordt beschreven. Bovendien suggereert dit artikel een methode voor het berekenen van de ijsdikte voor overeenkomstige hoeveelheden sneeuwval. De resultaten illustreren dat zelfs fragmentarisch ijs gevormd door zeer lichte sneeuwval kan leiden tot een aanzienlijke afname van de wrijvingscoëfficiënt van het wegdek, waardoor de rijveiligheid in gevaar komt. Bovendien is de wrijvingscoëfficiënt op zijn hoogtepunt wanneer de ijsdikte 5 mm bereikt, wat betekent dat beschermingsmaatregelen moeten worden genomen om de vorming van dergelijk ijs te voorkomen.

Introduction

Wegdekwrijving wordt gedefinieerd als de grip tussen de banden van het voertuig en het onderliggende wegdek1. De index die het meest wordt geassocieerd met stoepwrijving in het wegontwerp is de wrijvingscoëfficiënt van het wegdek. Wrijving is een van de belangrijkste factoren in het wegontwerp en is de tweede alleen voor duurzaamheid. Er is een sterke en duidelijke correlatie tussen de wrijvingsprestaties van het wegdek en het ongevalsrisico2. Er is bijvoorbeeld een significante negatieve correlatie tussen het aantal verkeersongevallen en de weerstand tegen trottoirs 3,4,5. Verschillende factoren kunnen bijdragen aan een afname van de wrijving van het wegdek, en een van de meest directe en invloedrijke van deze factoren is sneeuwval6. In het bijzonder zorgt sneeuwval ervoor dat er ijs op de stoep ontstaat, wat resulteert in een aanzienlijke vermindering van de wrijvingscoëfficiënt 7,8. Een studie gericht op de factoren die van invloed zijn op de verkeersongevallen in Zuid-Finland merkte op dat het aantal ongevallen vaak piekt op dagen met zware sneeuwval en dat meer dan 10 cm sneeuw kan leiden tot een verdubbeling van het aantal ongevallen9. Vergelijkbare resultaten zijn gevonden in studies uitgevoerd in zowel Zweden als Canada10,11. Daarom is het bestuderen van de wrijvingseigenschappen van besneeuwde trottoirs cruciaal voor het verbeteren van de verkeersveiligheid.

Het bepalen van de wrijvingscoëfficiënt van ijzige verhardingen is een complex proces omdat de wrijvingscoëfficiënt kan variëren onder verschillende sneeuwvalniveaus en verhardingsijsdiktes. Bovendien kunnen verschillende temperaturen en bandeneigenschappen ook van invloed zijn op de wrijvingscoëfficiënt. In het verleden zijn talloze experimenten uitgevoerd om de wrijvingskarakteristieken van banden op ijste bestuderen 12. Vanwege de verschillen in individuele omgevingen en bandenkenmerken kunnen consistente resultaten echter niet worden verkregen en gebruikt als basis voor theoretische studies. Daarom hebben veel onderzoekers geprobeerd theoretische modellen te ontwikkelen om de wrijving van banden op ijs te analyseren. Hayhoe en Sahpley13 suggereerden het concept van natte wrijvingswarmte-uitwisseling op het grensvlak tussen banden en ijs, terwijl Peng et al.14 een geavanceerd gegevensmodel voorstelden om wrijving te voorspellen op basis van het bovenstaande concept. Daarnaast presenteerde Klapproth een innovatief wiskundig model voor het beschrijven van de wrijving van ruw rubber op glad ijs15. Van de bovenstaande modellen is echter aangetoond dat ze aanzienlijke fouten bevatten, voornamelijk vanwege hun onvermogen om de wrijvingseigenschappen van banden op ijs nauwkeurig en efficiënt te karakteriseren16.

Om de fouten van theoretische modellen te verminderen, is een grote hoeveelheid experimentele gegevens nodig. Het Finse meteorologische agentschap ontwikkelde een wrijvingsmodel voor het voorspellen van ijzige verhardingswrijving, en de formule voor dat model was voornamelijk gebaseerd op gegevens verkregen van weerstations op de weg en door statistische analyse17. Bovendien verzamelden Ivanović et al. een aanzienlijke hoeveelheid experimentele gegevens door de wrijvingskarakteristieken van banden op ijs te analyseren en de wrijvingscoëfficiënt van ijs te berekenen door regressieanalyse18. Gao et al. stelden ook een nieuw voorspellingsmodel voor van banden-rubber-ijstractie door het Levenberg-Marquardt (LM) optimalisatiealgoritme te combineren met een neuraal netwerk om de formule voor de wrijvingscoëfficiënt op ijs19 te verkrijgen. Alle bovenstaande modellen zijn gevalideerd of in de praktijk toegepast en worden dus haalbaar geacht.

Naast theoretische methoden zijn er veel praktische methoden ontwikkeld voor het meten van de wrijvingscoëfficiënt van verhardingen in besneeuwde en bevroren gebieden. Vanwege de bijzonderheden van het weer zijn deze methoden op grote schaal gebruikt in Scandinavische landen zoals Zweden, Noorwegen en Finland20. In Zweden worden de volgende drie hoofdtypen wrijvingsmeetapparatuur gebruikt: de BV11, SFT en BV14. De BV14, een dubbele wrijvingstester die speciaal is ontwikkeld voor winteronderhoudsbeoordelingen, is direct verbonden met het meetvoertuig en meet tegelijkertijd de droge wrijving op beide wielpaden20. In Finland wordt het wrijvingsmeetvoertuig (TIE 475) gebruikt voor beoordelingen van het onderhoud van wegen in de winter, terwijl in Noorwegen het ROAR-wrijvingsmeetapparaat (zonder water) een veelgebruikt apparaat is2. De meeste winterwrijvingsmetingen die in Zweden, Noorwegen en Finland zijn uitgevoerd, zijn uitgevoerd met gewone personenauto's met ABS en instrumenten die de vertraging meten bij het remmen 2,20. Het voordeel van deze methode is dat het eenvoudig en relatief goedkoop is, en het grootste nadeel is dat de nauwkeurigheid van de methode erg laag is.

De hierboven beschreven studies bieden methoden voor het voorspellen en detecteren van wrijvingscoëfficiënten op ijs. Een uniforme methode en een specifieke waarde om wegontwerpers te begeleiden zijn echter nog steeds niet verstrekt. Bovendien kan voor winterwegen de wrijvingscoëfficiënt tussen de banden en het ijs variëren met betrekking tot verschillende ijsdiktes, en moeten ook verschillende verwijderingsmaatregelen worden geïmplementeerd21. Daarom is dit artikel bedoeld om de wrijvingscoëfficiënt van ijzige wegen onder verschillende hoeveelheden sneeuwval te bepalen.

Internationaal zijn de Britse draagbare tester (BPT) en de Zweedse Road and Transport Research Institute portable friction tester (VTI PFT) momenteel de meest gebruikte instrumenten voor het meten van de wrijvingscoëfficiënt22,23. De PFT is een draagbare wrijvingstester ontwikkeld door VTI en stelt de operator in staat om metingen rechtop uit te voeren en de gegevens op de computer op te slaan22. De PFT kan de meeste voorgevormde wegmarkeringen meten, maar het aantal instrumenten dat momenteel beschikbaar is, is nog steeds erg klein2. De BPT is een slingerwrijvingscoëfficiënttester die is ontwikkeld door het British Road Research Laboratory (RRL, nu TRL). Het instrument is een dynamische slingerslag-type tester die wordt gebruikt om het energieverlies te meten in gevallen waarin een rubberen schuifrand over een testoppervlak wordt voortgestuwd. De resultaten worden gerapporteerd als British Pendulum Numbers (BPN's) om te benadrukken dat ze specifiek zijn voor deze tester en niet direct gelijkwaardig aan die van andere apparaten24. Het instrument is nuttig gebleken voor de bepaling van wrijvingscoëfficiënten in het experimentele verhardingsveld23. Dit experiment gebruikt de BPT voor het bepalen van wrijvingscoëfficiënten.

De huidige studie beschrijft de experimentele procedure voor het meten van de wrijvingscoëfficiënt van ijzige verhardingen die overeenkomen met verschillende sneeuwvalhoeveelheden binnenshuis. De problemen die in de experimenten moeten worden opgemerkt, zoals experimentele kalibratie, experimentele implementatie en de methoden van gegevensanalyse, worden in detail uitgelegd. De huidige experimentele procedures kunnen worden samengevat in de volgende vijf stappen: 1) de voorbereiding van de apparatuur, 2) de berekening en analyse van de sneeuwval, 3) kalibratie van de apparatuur, 4) bepaling van de wrijvingscoëfficiënt en 5) gegevensanalyse.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Voorbereiding van de apparatuur

  1. BPT
    1. Zorg ervoor dat de BPT (figuur 1) binnen zijn levensduur is en dat het oppervlak schoon en onbeschadigd is.
      OPMERKING: De componenten van de BPT zijn de basis, nivelleringsspiraal, nivelleringsbel, aanwijzer, slinger, hefspiraal, bevestigingsspiraal, handvat en wijzerplaat.
  2. Asfaltplaten
    1. Zorg ervoor dat de monstergrootte van het asfaltmengsel die voor het experiment wordt gebruikt, 30 cm x 30 cm x 5 cm is.
  3. Vriesapparatuur
    1. Zorg ervoor dat de gebruikte vriesapparatuur de temperatuur tussen -20 °C en 0 °C vrij kan regelen.
  4. Bereid andere apparatuur voor die in het experiment wordt gebruikt: een statief, een meetcilinder, een rubberen plaat, een stoeptegelthermometer, een glijdende lengteliniaal en een borstel.
    OPMERKING: De grootte van de rubberplaat die in het experiment werd gebruikt, was 6,35 mm x 25,4 mm x 76,2 mm en moet voldoen aan de kwaliteitseisen in tabel 124.
    1. Zorg ervoor dat de rubberen plaat geen van de volgende defecten heeft: 1) olievlekken; 2) breedteverschillen rand slijtage groter dan 3,2 mm; of 3) slijtage in de lengte meer dan 1,6 mm.
    2. Voordat u een nieuwe rubberen plaat gebruikt, moet u ervoor zorgen dat de rubberen plaat 10 keer wordt gemeten met behulp van een BPT op een droog oppervlak voordat u deze gebruikt voor officiële tests.

2. Berekening en analyse van de sneeuwval

OPMERKING: Tabel 2 geeft de classificatie van de sneeuwvalklasse. Rekening houdend met extreme gevallen, vereist de apparatuur 24 uur sneeuwval om het onderzoek uit te voeren.

  1. Om het gemak van het experiment te garanderen, voert u de bijbehorende berekening en analyse uit met behulp van de bovengrens voor elk niveau van sneeuwval.
    OPMERKING: De verschillende niveaus van de sneeuwvaldiepte en het overeenkomstige watervolume van de monsters na berekening zijn weergegeven in tabel 3. Het experiment hield geen rekening met de invloed van buitengewone sneeuwstormen en de categorieën van zeer lichte sneeuw tot grote sneeuwstormen werden genummerd van 1 tot 6.

3. Kalibratie van apparatuur

  1. Nivellering en nulaanpassing
    1. Plaats de BPT op een geschikte positie.
      OPMERKING: Een geschikte positie betekent dat de grond vlak en vrij van kuilen is.
    2. Draai de nivelleringsspiraal op de basis van de BPT om ervoor te zorgen dat de nivelleringsbel in de middelste positie blijft.
    3. Maak de bevestigingsspiraal los, draai de hefspiraal om de slinger op te tillen en vrij te laten zwaaien en draai vervolgens de bevestigingsspiraal aan.
    4. Plaats de slingerarm op de rechter cantilever van de slingertafel en houd de arm in de horizontale positie terwijl u de aanwijzer naar de rechterkant gelijk met de arm draait.
    5. Druk op de ontspanknop om de slingerarm vrij te laten zwaaien. Wanneer de slinger het laagste punt passeert om het hoogste punt te bereiken, houdt u deze met de hand vast.
      OPMERKING: Als het nauwkeurig is, moet de aanwijzer op dit moment nul aangeven.
    6. Als de aanwijzer het nulpunt niet weergeeft, maakt u de nulpunt los of spant u deze aan en herhaalt u stap 3.1.4 en stap 3.1.5 totdat de aanwijzer het nulpunt aangeeft.
  2. Kalibratie van de glijlengte
    1. Plaats de asfaltplaat direct onder de slinger terwijl u de bevestigingsspiraal losmaakt, zodat de onderste rand van de rubberplaat het oppervlak van de asfaltplaat raakt.
    2. Bereid de glijdende lengteliniaal voor en breng deze dicht bij de rubberen plaat.
    3. Til de draaggreep op zodat de linkerschaalmarkering van de glijdende lengteliniaal gelijk is met de onderste rand van de rubberen plaat.
    4. Til de draaggreep op en verplaats de slinger naar rechts, zodat de onderste rand van de rubberen plaat net het oppervlak van de asfaltplaat raakt.
    5. Let op of de glijdende lengteliniaal is geëgaliseerd met de rand van de rubberen plaat. Als dat het geval is, voldoet de schuiflengte aan de eis van 126 mm. Ga anders verder met de volgende bewerkingen.
    6. Draai aan de hefspiraal om de hoogte van de slinger aan te passen en herhaal stap 3.2.3-3.2.5 om de glijlengte aan te passen zodat deze aan de vereisten voldoet.
    7. Wanneer fijnafstelling nodig is, draai dan de nivelleringsspiraal op de basis.
      OPMERKING: De nivelleringsbubbel moet tijdens de aanpassing in het midden blijven.

4. Bepaling van de wrijvingscoëfficiënt

  1. Selecteer zeven asfaltplaatstukken, maak ze schoon met een borstel en droog ze op natuurlijke wijze op kamertemperatuur.
  2. Nummer de asfaltplaten in de orde van 1-7.
  3. Plaats de asfaltplaten in mallen en koel en vries ze tegelijkertijd in met een waterlaag.
    OPMERKING: In dit experiment werden de zeven monsters gedurende 24 uur bij een gecontroleerde temperatuur van -10 °C in de vriezer geplaatst. De verschillende monsters met de bijbehorende watervolumes zijn weergegeven in figuur 2.
    1. Monster 1: Om zeer lichte sneeuw te simuleren, giet 9 cm3 water op het asfaltmonster. Vul de oppervlakteholte van de asfaltplaat met water en egaliseer het verhoogde deel. De ijslaag zal naar verwachting de asfaltdeeltjes van het monsteroppervlak niet volledig bedekken. Daarom zullen sommige deeltjes worden blootgesteld en dit fenomeen staat bekend als fragmentarisch ijs.
    2. Monster 2: Om lichte sneeuw te simuleren, giet 216 cm3 water op het asfaltmonster met behulp van een maatcilinder. De verwachte ijsdikte is 2,17 mm. In dit geval bedekt de waterlaag het oppervlak van het monster volledig. Het moet volledig worden bevroren na het glazuur.
    3. Monster 3: Om middelmatige sneeuw te simuleren, giet u 441 cm3 water op het asfaltmonster met behulp van een meetcilinder. De verwachte ijsdikte is 5,4 mm.
    4. Monster 4: Om zware sneeuwval te simuleren, giet 891 cm3 water op het asfaltmonster met behulp van een maatcilinder. De verwachte ijsdikte is 11 mm.
    5. Monster 5: Om een sneeuwstorm te simuleren, giet u 1.791 cm3 water op het asfaltmonster met behulp van een meetcilinder. De verwachte ijsdikte is 22,1 mm.
    6. Monster 6: Om een grote sneeuwstorm te simuleren, giet u 2.691 cm3 water op het asfaltmonster met behulp van een meetcilinder. De verwachte ijsdikte is 33,2 mm.
    7. Monster 7: Plaats het monster direct in de vriezer om af te koelen zonder water toe te voegen als een droog bevroren monster ter vergelijking.
  4. Haal na het invriezen de monsters uit de vriezer; verwijder op hun beurt de mallen en plaats ze op de BPT-centra, die eerder waren geëgaliseerd en op nul waren gezet.
  5. Gebruik de stoepthermometer om de oppervlaktetemperatuur van het monster te meten en vast te leggen.
  6. Voer glijdende lengtekalibratie uit om een glijafstand van 126 mm te garanderen.
  7. Druk op de ontspanschakelaar van de slingerarm. Wanneer de slingerarm het laagste punt kruist en naar het hoogste punt zwaait, houd het dan met de hand vast en lees en noteer het resultaat.
  8. Herstel zowel de slingerarm als de aanwijzer naar respectievelijk de nul- en horizontale positie.
    OPMERKING: De glijlengte moet telkens opnieuw worden gekalibreerd wanneer een nieuw monster wordt getest.
  9. Herhaal de stappen in totaal 10 keer en meet zeven monsters achter elkaar.
    OPMERKING: Elk monster heeft 10 meetuitlezingen en zowel de minimale als de maximale waardeverschillen moeten kleiner zijn dan 3.

5. Data-analyse

  1. Noteer de gegevens in figuur 3 in een tabel en gemiddelde van de meetresultaten om het eindresultaat te verkrijgen (tabel 4).
  2. Temperatuurcorrectie voor slingerwaarden
    1. Voer de temperatuurwaardemetingen in de volgende vergelijking in om de temperatuurgecompenseerde BPN-waarde te verkrijgen:
      Equation 1
      OPMERKING: De temperatuureenheid die in de oorspronkelijke vergelijking wordt gebruikt, is de Kelvin, terwijl de experimentele temperaturen allemaal in Celsius zijn, dus een temperatuurconversie moet worden uitgevoerd. De twee temperatuureenheden worden als volgt geconverteerd:
      T (K) = 273,15 + T (oC)
    2. Trek de gecompenseerde BPN-waarde af van de gemiddelde BPN-waarde in tabel 4 om de uiteindelijke temperatuurgecompenseerde BPN-waarde te verkrijgen.
    3. Plot de uiteindelijke BPN-waarden in tabel 4 als een staafdiagram voor meer intuïtieve resultaten (figuur 4).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Monster 7 in tabel 4 is de controlegroep voor droge monsters, terwijl de resterende monsters 1-6 overeenkomen met ijsdiktes variërend van zeer lichte sneeuw tot een grote sneeuwstorm.

Bij het vergelijken van monster 7 en de andere zes groepen werd ijsvorming waargenomen om de wrijvingscoëfficiënt van het wegdek aanzienlijk te verminderen. Bovendien nam de wrijvingscoëfficiënt van het wegdek af met toenemende ijsdikte en de ijsdikte had de neiging zich te stabiliseren op 5 mm, wat overeenkomt met middelgrote sneeuw. De uiteindelijke ijswrijvingscoëfficiënt was ongeveer 25% van de oppervlaktewrijvingscoëfficiënt van de droge en natte monsters.

Op basis van monster 1 werd opgemerkt dat zeer lichte sneeuwval een sterke invloed had op de wrijvingscoëfficiënt op de weg. Bovendien heeft het ijsvorming van het wegdek, veroorzaakt door sporensneeuwval, zelfs met een zeer dunne ijslaag, de wrijvingscoëfficiënt van de weg nog steeds met ongeveer 50% verminderd in vergelijking met het controlemonster 7. Voor monster 4, monster 5 en steekproef 6 waren de uiteindelijke gemiddelde BPN-waarden identiek. Dit geeft aan dat de wegwrijvingscoëfficiënt van de ijslaag de neiging heeft te stabiliseren en dat het meten van een dikkere ijslaag niet nodig is.

Met betrekking tot monster 2, monster 3 en monster 4 werd waargenomen dat de oppervlaktewrijvingscoëfficiënt geleidelijk afnam. De bovenstaande monsters komen overeen met ijsdiktes van respectievelijk 2 mm, 5 mm en 11 mm. In theorie zou de wrijvingscoëfficiënt van deze monsters consistent moeten zijn, terwijl de werkelijke meting van de wrijvingscoëfficiënt groter was voor de ijslaag van 2 mm. De analyse suggereert hiervoor twee redenen. Ten eerste heeft bij een ijsdikte van 2 mm de microstructuur van de monsteroppervlakdeeltjes in de ijslaag een bepaalde impact. Zelfs als het ijsoppervlak van het monster horizontaal wordt geplaatst, met natuurlijk glazuur, is het niet glad op microscopisch niveau. Ten tweede maakt de slingerarm tijdens het experiment contact met het ijs. Het ijs wordt verdicht en vervormd door de wrijving van de slingerarm als gevolg van de dunheid van het ijs en de druk die erop wordt uitgeoefend. Het rubberblokwrijvingsproces golft de oppervlaktedeeltjes van het proefstuk, wat resulteert in een grotere wrijvingscoëfficiënt.

Zoals te zien is in figuur 4, had de ijswrijvingscoëfficiënt de neiging om snel af te nemen naarmate zowel de sneeuwval als de dikte van de ijslaag toenamen. Bovendien had het de neiging om te stabiliseren wanneer de ijsdikte die overeenkomt met middelgrote sneeuw werd bereikt. Monster 1 vertegenwoordigt zeer lichte sneeuw die na het glazuur aan het wegdek is gehecht; dit resulteerde in een vermindering van de wrijvingscoëfficiënt van het wegdek en de BPN-waarde daalde met ongeveer 43% in vergelijking met het droge monster. Monster 2, monster 3 en monster 4 komen overeen met respectievelijk lichte, middelzware en zware sneeuwval, en de ijslaagdiktes van de drie monsters waren verschillend na ijsvorming. Onder hen was de BPN-waarde van de middelste sneeuw slechts de helft van die van de lichte sneeuw, omdat de dikte van de ijslaag die overeenkomt met weinig sneeuw slechts 2 mm was. Daarom heeft de microstructuur van het monsteroppervlak nog steeds invloed op de wrijvingscoëfficiëntwaarde. Wanneer de ijslaag de middelzware en zware sneeuwdikte bereikte, had de microstructuur van het monster geen invloed meer op de wrijvingscoëfficiënt. Het kleine verschil tussen de twee BPN's is te wijten aan de verschillende extrusie van de rubberen plaat op de verschillende ijsdiktes, wat leidt tot ijsvervorming. De BPN's van de zware sneeuw-, sneeuwstorm- en grote sneeuwstormmonsters waren hetzelfde, wat betekent dat wanneer de ijsdikte 11 mm bereikte, de rubberen plaat de ijslaag niet langer vervormde door deze te verdichten en de BPN's en wrijvingscoëfficiëntwaarden ongewijzigd bleven.

Temperatuur Omgevingstemperatuur (°C)
0 10 20 30 40
Flexibiliteit 43-49 58-65 66-73 71-77 74-79
Hardheid 55 ± 5

Tabel 1: Technische indexeisen voor de rubberplaat. Dit heeft met name betrekking op natuurrubber.

Niveau 12u sneeuwval 24 uur sneeuwval
Zeer lichte sneeuw < 0,1 < 0,1
Weinig sneeuw 0.1 – 0.9 0.1 – 2.4
Middelmatige sneeuw 1.0 – 2.9 2.5 – 4.9
Zware sneeuwval 3.0 – 5.9 5.0 – 9.9
Blizzard 6.0 – 9.9 10.0 – 19.9
Grote Blizzard 10.0 – 14.9 20.0 – 29.9
Buitengewone sneeuwstorm ≥15,0 ≥30,0

Tabel 2: Indeling sneeuwvalniveau. De gegevenseenheid in de tabel is millimeters (mm).

Niveau 24 uur sneeuwval (mm) Sneeuwval diepte (mm) Overeenkomend met het volume water op het monster (cm3) Overeenkomend met de dikte van het ijs op het monster (mm)
Zeer lichte sneeuw < 0,1 < 0,8 < 9 0.1
Weinig sneeuw 2.4 19.2 216 2.6
Middelmatige sneeuw 4.9 39.2 441 5.4
Zware sneeuwval 9.9 79.2 891 10.9
Bilzzard 19.9 159.2 1791 21.9
Grote Bilzzard 29.9 239.2 2691 32.9
Buitengewone sneeuwstorm ≥30,0 ≥240 ≥2700 33

Tabel 3: Verschillende sneeuwvalniveaus die overeenkomen met het watervolume op het monster. De dichtheden van water en ijs zijn respectievelijk 1g/cm3 en 0,92g/cm3.

Voorbeeldnummer Slingerwaarde Temperatuur: -1°C Gemiddelde waarde Humeur-
ature gecorrigeerde slingerwaarde
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Equation 2 51 50 50 48 51 49 50 48 51 48 50 45
Equation 3 31 33 32 33 33 34 34 33 32 31 33 28
Equation 4 19 18 20 20 21 21 20 19 20 19 19 14
Equation 5 17 18 20 19 18 18 19 19 18 18 18 13
Equation 6 18 19 18 17 16 18 19 18 17 18 18 13
Equation 7 18 17 18 17 16 18 19 18 17 18 18 13
Equation 8 83 82 85 83 83 84 85 82 83 82 83 78

Tabel 4: Resultaten voor de wrijvingscoëfficiënten van de met ijs bedekte asfaltmonsters.

Figure 1
Figuur 1: De BPT die in het experiment is gebruikt. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 2
Figuur 2: Verschillende monsters met de bijbehorende watervolumes. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 3
Figuur 3: Experimentele opnameresultaten (BPN). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 4
Figuur 4: Wrijvingscoëfficiënten van verhardingsijs onder verschillende sneeuwvalniveaus. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Het onderhavige artikel onderzoekt de procedure voor het testen van de wrijvingscoëfficiënt van ijzige bestrating met behulp van een BPT. Verschillende punten moeten uitgebreid worden geanalyseerd en worden hier in detail besproken. Ten eerste, in termen van de voorbereiding van de asfaltmengselmonsters, moet men proberen om petroleumasfalt voor de weg te gebruiken om de monsters voor te bereiden, maar dit is geen vereiste. De bereiding van de asfaltmengselmonsters moet worden uitgevoerd in strikte overeenstemming met de astm (D6926-20) experimentele protocollen, omdat dit van invloed is op de nauwkeurigheid van de eindresultaten25. Indien de wrijvingscoëfficiënt van het eindmonster te groot of te klein is als gevolg van een slechte mengsortering, moet het monster opnieuw worden bereid en opnieuw worden getest. De voorbereide asfaltplaten moeten worden onderhouden in overeenstemming met de voorschriften.

Een andere cruciale stap is de berekening van de sneeuwval. Sneeuwophoping is een gevolg van neerslag. Volgens onderzoek uitgevoerd door het Meteorologisch Bureau van de Volksrepubliek China, kan sneeuwval worden gemeten met de volgende methode: een standaardcontainer wordt gebruikt om de sneeuw, verzameld in 12 uur of 24 uur, in water te smelten, en de waarde verkregen met een maatbeker wordt gemeten in millimeters (mm), waarbij 1 mm sneeuwval een sneeuwdiepte van ongeveer 8 mm26 vertegenwoordigt . De monstergrootte van het experimentele geprefabriceerde asfaltmengsel is 30 cm x 30 cm x 5 cm en 1 mm neerslag op de asfaltplaat heeft een watervolume van 30 cm x 30 x cm 0,1 cm = 90 cm3. Volgens deze berekeningsmethode kan het vereiste watervolume worden afgeleid van het overeenkomstige monster met een ijslaagdikte van 1,1 mm.

Verder is ook de bepaling van de vriestemperatuur en -tijd belangrijk. In het experiment wordt het temperatuurbereik ingesteld op −5 °C tot −10 °C. Alle monsters moeten ten minste 24 uur worden ingevroren. De tijd kan worden verkregen door de monsters vóór het experiment te bevriezen. Met name de tijd die wordt verkregen door verschillende apparatuur met verschillende vrieseffecten kan variëren.

Vervolgens moet bij het kalibreren van de glijlengte van de rubberplaat de onderste rand van de rubberplaat het oppervlak van de asfaltplaat raken. Het mag niet naar voren schuiven met de traagheid van de zwenkarm, omdat dit ertoe zou leiden dat de glijlengte afwijkt van de vereiste 126 mm.

Ten slotte moet een temperatuurcorrectiemethode worden gebruikt. Eerdere studies hebben aangetoond dat BPN's gerelateerd zijn aan zowel de temperatuur als het rubberen plaatmateriaal27. De ASTM (E303-93) specificatie vereist het gebruik van synthetisch rubber met een lage temperatuurgevoeligheid, wat betekent dat er geen temperatuurconversies betrokken zijn24,28. De meeste huidige experimenten gebruiken echter BPT voor de bepaling binnenshuis van de wrijvingscoëfficiënt voor natuurlijk rubber. De BPN's die uit deze experimenten bij verschillende temperaturen worden verkregen, moeten worden omgezet in waarden bij standaardtemperaturen29. Talrijke studies hebben een reeks methoden opgeleverd voor BPN-temperatuurconversie30. Het huidige artikel maakt gebruik van de methode van Bazlamit et al., omdat zij formules hebben verstrekt voor de omzetting van BPN's bij elke temperatuur naar waarden bij standaardtemperaturen31.

De toekomstige technische toepassingen van deze methode hebben voornamelijk betrekking op wegontwerp en winterwegonderhoud. Ten eerste moeten ontwerpers bij het ontwerpen van wegen in besneeuwde en bevroren gebieden het lokale sneeuwvalniveau begrijpen, rekening houden met de mogelijke ijsdikte tijdens het weggebruik en de meest gunstige wrijvingscoëfficiënt gebruiken voor het wegontwerp. De wrijvingscoëfficiënten die overeenkomen met verschillende ijsdiktes kunnen van invloed zijn op de dwarshellingwaarden en de superelevatiewaarden in het wegontwerp, wat op zijn beurt de straal van de cirkelvormige bocht van de weg kan beïnvloeden. Ten tweede kunnen onze experimenten helpen bij het verbeteren van de efficiëntie van het onderhoud van bestrating in de winter, omdat oplossingen voor het waarborgen van de juiste wrijvingscoëfficiënten van verhardingen bij verschillende ijsdiktes verder kunnen worden ontwikkeld. Volgens de resultaten van het artikel blijft de impact op het rijden van voertuigen hetzelfde zodra de ijsdikte op het wegdek groter wordt dan 5 mm. Dit werk biedt een referentie voor wegbeheer in de winter, wat suggereert dat bepaalde maatregelen moeten worden geïmplementeerd voordat de ijsdikte 5 mm bereikt. Bovendien toont de huidige studie aan dat de negatieve impact op de verkeersveiligheid aanzienlijk kan zijn, zelfs met sporenhoeveelheden lichte sneeuw, omdat dergelijke sneeuw eerder zal bevriezen en in een zeer korte periode een significante afname van de wrijvingscoëfficiënt voor de weg zal veroorzaken.

Verder heeft de methode die in de paper wordt gepresenteerd ook enkele beperkingen. Vervolgexperimenten moeten worden gecombineerd met feitelijke weggegevens om de experimentele resultaten te verifiëren. Bovendien moet het middelste sneeuwbereik verder worden verdeeld om de exacte waarde te bepalen wanneer de wrijvingscoëfficiënt niet langer afhankelijk is van de ijsdikte. De beperkingen van het protocol hebben voornamelijk betrekking op het onvermogen om uniforme ijsoppervlakken op de monsters te verkrijgen, wat in sommige gevallen leidt tot grote experimentele fouten.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

De auteurs willen graag het wetenschappelijk onderzoeksprogramma erkennen dat wordt gefinancierd door de Shaanxi Provincial Education Department (programma nr. 21JK0908).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Brush Shenzhen Huarui Brush Industry Co., LTD L-31
Freezing equipment Haier Group BC/BD-251HD
Measuring cylinder Zhaoqing High-tech Zone Qianghong Plastic Mould Co., LTD lb1
Pavement thermometer  Fluke Electronic Insrtument Company F62MAX
Pendulum Friction Cofficient Meter Muyang County Highway Instrument Co., LTD /
Rubber sheet Jiangsu Muyang Xinchen Highway Instrument Co., LTD 785120123500
Sliding length ruler  Jiangsu Muyang Xinchen Highway Instrument Co., LTD 785120123500
Tripod Hangzhou Ruiqi Trading Co., LTD TRGC1169

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Rajamani, R., Piyabongkarn, N., Lew, J., Yi, K., Phanomchoeng, G. Tire-road riction-coefficient estimation. IEEE Control Systems Magazine. 30 (4), 54-69 (2010).
  2. Wallman, C. -G., Åström, H. Friction measurement methods and the correlation between road friction and traffic safety: A literature review. Swedish National Road and Transport Research Institute. , Stockholm. (2001).
  3. Kuttesch, J. S. Quantifying the relationship between skid resistance and wet weather accidents for Virginia data. Virginia Tech. , Master's thesis (2004).
  4. Juga, I., Nurmi, P., Hippi, M. Statistical modelling of wintertime road surface friction. Meteorological Applications. 20 (3), 318-329 (2013).
  5. Zhang, Y. The optimum amount of road deicing salt in humid areas. Advances in Engineering Research. 153 (2017), 283-290 (2017).
  6. Haavasoja, T., Pilli-Sihvola, Y. Friction as a measure of slippery road surfaces. Proceedings of 15th International Road Weather Conference. SIRWEC. , Quebec, Canada. (2010).
  7. Norrman, J. Slipperiness on roads-an expert system classification. Meteorological Applications. 7 (1), 27-36 (2000).
  8. Mayora, J. M. P., Piña, R. J. An assessment of the skid resistance effect on traffic safety under wet-pavement conditions. Accident Analysis & Prevention. 41 (4), 881-886 (2009).
  9. Juga, I. The effect of snowfall and low temperature on road traffic accident rates in Souther. Proceedings of 16th International Road Weather Conference. SIRWEC. , Helsinki, Finland. (2012).
  10. Waluś, K. J., Olszewski, Z. Analysis of tire-road contact under winter conditions. Proceedings of the World Congress on Engineering. WFEO and UNESCO. , London, UK. (2011).
  11. Salimi, S., Nassiri, S., Bayat, A., Halliday, D. Lateral coefficient of friction for characterizing winter road conditions. Canadian Journal of Civil Engineering. 43 (1), 73-83 (2016).
  12. Hunter, J. E. Reconstructing collisions involving ice and slippery surfaces. SAE Transactions. 102, 1425-1436 (1993).
  13. Hayhoe, G., Shapley, C. Tire force generation on ice. Journal of Passenger Cars. 98 (6), 30-38 (1989).
  14. Peng, X., Xie, Y., Guo, K. A new method for determining tire traction on ice. SAE 2000 Automotive Dynamics & Stability Conference. , Detroit, Michigan. (2000).
  15. Klapproth, C., Kessel, T., Wiese, K., Wies, B. An advanced viscous model for rubber-ice-friction. Tribology International. 99, 169-181 (2016).
  16. Lahayne, O., et al. Rubber friction on ice: experiments and modeling. Tribology Letters. 62 (2), 17 (2016).
  17. Hippi, M., Juga, I., Nurmi, P. A statistical forecast model for road surface friction. Proceedings of 15th International Road Weather Conference. SIRWEC. , Quebec, Canada. (2010).
  18. Ivanović, V., et al. Experimental identification of dynamic tire friction potential on ice surfaces. Vehicle System Dynamics. 44 (1), 93-103 (2006).
  19. Gao, J., Zhang, Y., Du, Y., Li, Q. Optimization of the tire ice traction using combined Levenberg-Marquardt (LM) algorithm and neural network. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. 41, 40 (2019).
  20. Nordstroem, O. Development and validation of BV14, a new twin track fixed slip friction tested for winter road maintenance monitoring in Sweden. Proceedings of XTH PIARC International Winter Road Congress. Swedish National Road and Transport Research Institute (VTI). , Luleaa, Sweden. (1998).
  21. Norem, H. Selection of strategies for winter maintenance of roads based on climatic parameters. Journal of Cold Regions Engineering. 23 (4), 113-135 (2009).
  22. Bergström, A., Åström, H., Magnusson, R. Friction measurement on cycleways using a portable friction tester. Journal of Cold Regions Engineering. 17 (1), 37-57 (2003).
  23. Henry, J. J. Evaluation of pavement friction characteristics. Transportation Research Board. , Washington, DC. (2000).
  24. ASTM International. ASTM E303-93. Standard Test Method for Measuring Surface Frictional Properties Using the British Pendulum Tester. ASTM International. , West Conshohocken, PA. (2018).
  25. ASTM International. ASTM D6926-20. Standard Practice for Preparation of Asphalt Mixture Specimens Using Marshall Apparatus. ASTM International. , West Conshohocken, PA. (2020).
  26. China Meteorological Association. Snowfall formation conditions and classification. Meteorological Bureau of the People's Republic of China. , Available from: http://www.cma.gov.cn/2011xzt/kpbd/SnowStorm/2018050902/201811/t20181106_482641.html (2018).
  27. Oliver, J. W., Tredrea, P., Pratt, D. Seasonal variation of skid resistance in Australia. Special Report No 37. Australian Road Research Board. , (1988).
  28. Steven, B. Friction Testing of Pavement Preservation Treatments: Temperature Corrections and Operator/Machine Variability. University of California Pavement Research Center Davis and Berkely. , California, US. (2009).
  29. Transport Research Laboratory. BS 7976-2:2002. Pendulum testers - Method of operation. Transport Research Laboratory. , London, UK. (2002).
  30. Lu, Q. Friction testing of pavement preservation treatments: Literature review. UC Davis: University of California Pavement Research Center. , California, US. (2006).
  31. Bazlamit, S. M., Reza, F. Changes in asphalt pavement friction components and adjustment of skid number for temperature. Journal of Transportation Engineering. 131 (6), 470-476 (2005).

Tags

Engineering Wegwrijvingscoëfficiënt sneeuwval wegglazuur slingerwrijvingscoëfficiëntmeter British Pendulum Number (BPN)
Bepaling van de wrijvingscoëfficiënten van ijzige trottoirs bij verschillende hoeveelheden sneeuwval
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Pan, B., Chai, H., Lu, B., Shao, Y., More

Pan, B., Chai, H., Lu, B., Shao, Y., Liu, J., Zhang, R. Determination of the Friction Coefficients of Icy Pavements Under Different Amounts of Snowfall. J. Vis. Exp. (191), e63769, doi:10.3791/63769 (2023).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter