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Engineering

Détermination des coefficients de frottement des chaussées glacées sous différentes quantités de neige

Published: January 6, 2023 doi: 10.3791/63769
Automatic Translation
1, 1, 1, 2, 1, 1
1Highway Academy, Chang’an University, 2School of Modern Posts (Logistics School) & Institute of Posts, Xi’an University of Posts and Telecommunications

Summary

Nous présentons ici une méthode pour déterminer le coefficient de frottement des chaussées avec différentes épaisseurs de glace à l’intérieur. La procédure complète comprend la préparation de l’équipement, le calcul et l’analyse des chutes de neige, l’étalonnage de l’équipement, la détermination du coefficient de frottement et l’analyse des données.

Abstract

La glace sur les surfaces routières peut entraîner une diminution significative du coefficient de frottement, mettant ainsi en danger la sécurité de la conduite. Cependant, il n’existe toujours pas d’études qui fournissent des valeurs exactes des coefficients de frottement pour les chaussées recouvertes de glace, ce qui nuit à la fois à la conception des routes et au choix des mesures d’entretien hivernal des routes. Par conséquent, cet article présente une méthode expérimentale pour déterminer le coefficient de frottement des surfaces de voirie glacées en hiver. Un testeur portable britannique (BPT), également connu sous le nom de compteur à coefficient de frottement pendulaire, a été utilisé pour l’expérience. L’expérience a été divisée en cinq étapes : la préparation de l’équipement, le calcul et l’analyse des chutes de neige, l’étalonnage de l’équipement, la détermination du coefficient de frottement et l’analyse des données. La précision de l’expérience finale est directement affectée par la précision de l’équipement, qui est décrite en détail. De plus, cet article suggère une méthode pour calculer l’épaisseur de la glace pour les quantités correspondantes de chutes de neige. Les résultats montrent que même la glace inégale formée par de très faibles chutes de neige peut entraîner une diminution significative du coefficient de frottement de la chaussée, mettant ainsi en danger la sécurité de la conduite. De plus, le coefficient de frottement est à son apogée lorsque l’épaisseur de la glace atteint 5 mm, ce qui signifie que des mesures de protection doivent être prises pour éviter la formation d’une telle glace.

Introduction

Le frottement de la chaussée est défini comme l’adhérence entre les pneus du véhicule et la surface de la route sous-jacente1. L’indice le plus souvent associé au frottement de la chaussée dans la conception des routes est le coefficient de frottement de la chaussée. Le frottement est l’un des facteurs les plus importants dans la conception des routes et n’est devancé que par la durabilité. Il existe une corrélation forte et claire entre la performance par frottement de la chaussée et le risque d’accident2. Par exemple, il existe une corrélation négative significative entre les taux d’accidents de la route et la résistance au dérapage de la chaussée 3,4,5. Plusieurs facteurs peuvent contribuer à une diminution de la friction de la chaussée, et l’un des facteurs les plus directs et les plus influents est la chute de neige6. Plus précisément, les chutes de neige provoquent la formation de glace sur la chaussée, ce qui entraîne une réduction significative du coefficient de frottement de la route 7,8. Une étude portant sur les facteurs qui influent sur les taux d’accidents de la circulation dans le sud de la Finlande a noté que les taux d’accidents culminent généralement les jours où il y a de fortes chutes de neige et que plus de 10 cm de neige peuvent entraîner un doublement du taux d’accidents9. Des résultats similaires ont été obtenus dans des études réalisées en Suède et au Canada10,11. Par conséquent, l’étude des propriétés de frottement des chaussées gelées est cruciale pour améliorer la sécurité routière.

La détermination du coefficient de frottement des chaussées glacées est un processus complexe, car le coefficient de frottement peut varier selon les niveaux de chutes de neige et les épaisseurs de glace de la chaussée. En outre, les variations de température et de caractéristiques des pneus peuvent également affecter le coefficient de frottement. Dans le passé, de nombreuses expériences ont été menées pour étudier les caractéristiques de frottement des pneus sur glace12. Cependant, en raison des différences dans les environnements individuels et les caractéristiques des pneus, des résultats cohérents ne peuvent pas être obtenus et utilisés comme base pour les études théoriques. Par conséquent, de nombreux chercheurs ont tenté de développer des modèles théoriques pour analyser le frottement des pneus sur la glace. Hayhoe et Sahpley13 ont suggéré le concept d’échange de chaleur par frottement humide à l’interface entre les pneus et la glace, tandis que Peng et coll.14 ont proposé un modèle de données avancé pour prédire le frottement basé sur le concept ci-dessus. En outre, Klapproth a présenté un modèle mathématique innovant pour décrire le frottement du caoutchouc rugueux sur la glace lisse15. Cependant, il a été démontré que les modèles ci-dessus comportent des erreurs importantes, principalement en raison de leur incapacité à caractériser avec précision et efficacité les propriétés de frottement des pneus sur glace16.

Pour réduire les erreurs des modèles théoriques, une grande quantité de données expérimentales est nécessaire. L’Agence météorologique finlandaise a mis au point un modèle de friction pour prédire le frottement de la chaussée glacée, et la formule de ce modèle était principalement basée sur des données obtenues à partir de stations de météorologie routière et par analyse statistique17. De plus, Ivanović et coll. ont recueilli une quantité importante de données expérimentales en analysant les caractéristiques de frottement des pneus sur la glace et en calculant le coefficient de frottement de la glace par analyse de régression18. Gao et al. ont également proposé un nouveau modèle de prédiction de la traction pneu-caoutchouc-glace en combinant l’algorithme d’optimisation de Levenberg-Marquardt (LM) avec un réseau neuronal pour obtenir la formule du coefficient de frottement sur glace19. Tous les modèles ci-dessus ont été validés ou appliqués dans la pratique et sont donc considérés comme réalisables.

En plus des méthodes théoriques, de nombreuses méthodes pratiques ont été développées pour mesurer le coefficient de frottement des chaussées dans les zones enneigées et gelées. En raison des particularités météorologiques, ces méthodes ont été largement utilisées dans les pays nordiques tels que la Suède, la Norvège et la Finlande20. En Suède, les trois principaux types d’appareils de mesure de friction suivants sont utilisés: BV11, SFT et BV14. Le BV14, un testeur de double frottement développé spécifiquement pour les évaluations d’entretien hivernal, est directement connecté au véhicule de mesure et mesure le frottement à sec sur les deux trajectoires de roue simultanément20. En Finlande, le véhicule de mesure du frottement (TIE 475) est utilisé pour les évaluations de l’entretien hivernal des routes, tandis qu’en Norvège, le dispositif de mesure du frottement ROAR (sans eau) est un équipement couramment utilisé2. La plupart des mesures de frottement hivernal effectuées en Suède, en Norvège et en Finlande ont été effectuées à l’aide de voitures particulières ordinaires équipées de l’ABS et d’instruments mesurant la décélération au freinage 2,20. L’avantage de cette méthode est qu’elle est simple et relativement peu coûteuse, et le principal inconvénient est que la précision de la méthode est très faible.

Les études décrites ci-dessus fournissent des méthodes pour prédire et détecter les coefficients de frottement sur la glace. Cependant, une méthode uniforme et une valeur spécifique pour guider les concepteurs de routes n’ont toujours pas été fournies. De plus, pour les routes d’hiver, le coefficient de frottement entre les pneus et la glace peut varier selon les épaisseurs de glace, et différentes mesures d’élimination devraient également être mises en œuvre21. Par conséquent, cet article vise à déterminer le coefficient de frottement des routes glacées sous différentes quantités de neige.

Au niveau international, le testeur portable britannique (BPT) et le testeur de friction portable de l’Institut suédois de recherche sur les routes et les transports (VTI PFT) sont actuellement les instruments les plus couramment utilisés pour mesurer le coefficient de frottement22,23. Le PFT est un testeur de friction portable développé par VTI, et il permet à l’opérateur de prendre des mesures en position verticale et de sauvegarder les données sur l’ordinateur22. Le PFT peut mesurer la plupart des marquages routiers profilés, mais le nombre d’instruments actuellement disponibles est encore très faible2. Le BPT est un testeur de coefficient de frottement pendulaire développé par le British Road Research Laboratory (RRL, maintenant TRL). L’instrument est un testeur dynamique de type impact pendulaire utilisé pour mesurer la perte d’énergie dans les cas où un bord coulissant en caoutchouc est propulsé sur une surface d’essai. Les résultats sont rapportés sous forme de British Pendulum Numbers (BPN) pour souligner qu’ils sont spécifiques à ce testeur et non directement équivalents à ceux d’autres appareils24. L’instrument s’est révélé utile pour la détermination des coefficients de frottement dans le domaine expérimental des chaussées23. Cette expérience utilise le BPT pour la détermination des coefficients de frottement.

La présente étude décrit la procédure expérimentale de mesure du coefficient de frottement des chaussées glacées correspondant à différentes quantités de neige à l’intérieur. Les problèmes à noter dans les expériences, tels que l’étalonnage expérimental, la mise en œuvre expérimentale et les méthodes d’analyse des données, sont expliqués en détail. Les procédures expérimentales actuelles peuvent être résumées par les cinq étapes suivantes : 1) la préparation de l’équipement, 2) le calcul et l’analyse des chutes de neige, 3) l’étalonnage de l’équipement, 4) la détermination du coefficient de frottement et 5) l’analyse des données.

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Protocol

1. Préparation de l’équipement

  1. BPT
    1. Assurez-vous que le BPT (figure 1) a atteint sa durée de vie utile et que la surface est propre et non endommagée.
      REMARQUE: Les composants du BPT sont la base, la spirale de nivellement, la bulle de nivellement, le pointeur, le pendule, la spirale de levage, la spirale de fixation, la poignée et le cadran.
  2. Dalles d’asphalte
    1. S’assurer que la taille de l’échantillon de mélange d’asphalte utilisé pour l’expérience est de 30 cm x 30 cm x 5 cm.
  3. Équipement de congélation
    1. S’assurer que l’appareil de congélation utilisé peut réguler librement la température entre -20 °C et 0 °C.
  4. Préparez d’autres équipements utilisés dans l’expérience : un trépied, un cylindre de mesure, une feuille de caoutchouc, un thermomètre de chaussée, une règle de longueur coulissante et une brosse.
    NOTA: La taille de la feuille de caoutchouc utilisée dans l’expérience était de 6,35 mm x 25,4 mm x 76,2 mm, et elle devrait répondre aux exigences de qualité indiquées dans le tableau 124.
    1. Assurez-vous que la feuille de caoutchouc ne présente aucun des défauts suivants: 1) taches d’huile; 2) usure des bords de largeur supérieure à 3,2 mm; ou 3) usure longitudinale supérieure à 1,6 mm.
    2. Avant d’utiliser une nouvelle feuille de caoutchouc, assurez-vous que la feuille de caoutchouc est mesurée 10 fois à l’aide d’un BPT sur une surface sèche avant de l’utiliser pour des tests officiels.

2. Calcul et analyse des chutes de neige

REMARQUE : Le tableau 2 présente la classification des classes de chutes de neige. Compte tenu des cas extrêmes, l’équipement nécessite 24 h de chutes de neige pour réaliser l’étude.

  1. Pour faciliter l’expérience, effectuez le calcul et l’analyse correspondants en utilisant la limite supérieure pour chaque niveau de chute de neige.
    NOTA : Les différents niveaux de l’épaisseur de chute de neige et le volume d’eau correspondant des échantillons après calcul sont fournis dans le tableau 3. L’expérience n’a pas tenu compte de l’influence des tempêtes de neige extraordinaires, et les catégories de neige très légère à grands blizzards ont été numérotées de 1 à 6.

3. Étalonnage de l’équipement

  1. Nivellement et réglage zéro
    1. Placez le BPT dans une position appropriée.
      REMARQUE: Une position appropriée signifie que le sol est plat et exempt de nids-de-poule.
    2. Faites pivoter la spirale de nivellement sur la base du BPT pour vous assurer que la bulle de nivellement reste en position médiane.
    3. Desserrez la spirale de fixation, faites pivoter la spirale de levage pour que le pendule se soulève et se balance librement, puis resserrez la spirale de fixation.
    4. Placez le bras du pendule sur le porte-à-faux droit de la table pendulaire, en maintenant le bras en position horizontale tout en faisant pivoter le pointeur vers le côté droit au ras du bras.
    5. Appuyez sur le bouton de déverrouillage pour laisser le bras du pendule se balancer librement. Lorsque le pendule traverse le point le plus bas pour atteindre le point le plus élevé, tenez-le à la main.
      Remarque : S’il est exact, le pointeur doit indiquer zéro à ce stade.
    6. Si le pointeur n’affiche pas le point zéro, desserrez ou serrez l’écrou de mise à zéro et répétez les étapes 3.1.4 et 3.1.5 jusqu’à ce que le pointeur indique le point zéro.
  2. Calibrage de la longueur de glissement
    1. Placez la dalle d’asphalte directement sous le pendule tout en desserrant la spirale de fixation de sorte que le bord le plus bas de la feuille de caoutchouc touche la surface de la dalle d’asphalte.
    2. Préparez la règle de longueur coulissante et rapprochez-la de la feuille de caoutchouc.
    3. Soulevez la poignée de transport de sorte que la marque d’échelle gauche de la règle de longueur coulissante affleure le bord inférieur de la feuille de caoutchouc.
    4. Soulevez la poignée de transport et déplacez le pendule vers la droite de sorte que le bord le plus bas de la feuille de caoutchouc touche simplement la surface de la dalle d’asphalte.
    5. Observez si la règle de longueur coulissante est nivelée avec le bord de la feuille de caoutchouc. Si c’est le cas, la longueur de glissement répond à l’exigence de 126 mm. Sinon, continuez les opérations suivantes.
    6. Tournez la spirale de levage pour ajuster la hauteur du pendule et répétez les étapes 3.2.3-3.2.5 pour ajuster la longueur de glissement afin qu’elle réponde aux exigences.
    7. Lorsqu’un réglage fin est nécessaire, tournez la spirale de nivellement sur la base.
      REMARQUE: La bulle de nivellement doit rester au centre pendant le réglage.

4. Détermination du coefficient de frottement

  1. Sélectionnez sept morceaux de dalle d’asphalte, nettoyez-les avec une brosse et séchez-les naturellement à température ambiante.
  2. Numéroter les dalles d’asphalte de l’ordre de 1 à 7.
  3. Placez les dalles d’asphalte dans des moules, puis refroidissez-les et congelez-les simultanément avec une couche d’eau.
    NOTE: Dans cette expérience, les sept échantillons ont été placés dans le congélateur à une température contrôlée de -10 ° C pendant 24 heures. Les différents échantillons avec les volumes d’eau correspondants sont représentés à la figure 2.
    1. Échantillon 1 : Pour simuler une neige très légère, verser 9cm3 d’eau sur l’échantillon d’asphalte. Remplissez le vide de la surface de la dalle d’asphalte avec de l’eau et nivelez la partie surélevée. La couche de glace ne devrait pas recouvrir complètement les particules d’asphalte de surface de l’échantillon. Par conséquent, certaines particules seront exposées, et ce phénomène est connu sous le nom de glace inégale.
    2. Échantillon 2 : Pour simuler la neige légère, verser 216cm3 d’eau sur l’échantillon d’asphalte à l’aide d’un cylindre de mesure. L’épaisseur de givrage prévue est de 2,17 mm. Dans ce cas, la couche d’eau recouvre complètement la surface de l’échantillon. Il devrait être complètement congelé après le glaçage.
    3. Échantillon 3 : Pour simuler la neige moyenne, verser 441cm3 d’eau sur l’échantillon d’asphalte à l’aide d’un cylindre de mesure. L’épaisseur de glace prévue est de 5,4 mm.
    4. Échantillon 4 : Pour simuler une neige abondante, verser 891 cm3 d’eau sur l’échantillon d’asphalte à l’aide d’un cylindre de mesure. L’épaisseur de glace prévue est de 11 mm.
    5. Échantillon 5 : Pour simuler un blizzard, verser 1 791cm3 d’eau sur l’échantillon d’asphalte à l’aide d’un cylindre de mesure. L’épaisseur de glace prévue est de 22,1 mm.
    6. Échantillon 6 : Pour simuler un grand blizzard, verser 2 691cm3 d’eau sur l’échantillon d’asphalte à l’aide d’un cylindre de mesure. L’épaisseur de glace prévue est de 33,2 mm.
    7. Échantillon 7 : Placer directement l’échantillon dans le congélateur pour le refroidir sans ajouter d’eau comme échantillon congelé à sec à des fins de comparaison.
  4. Après la congélation, retirer les échantillons du congélateur; à votre tour, retirez les moules et placez-les sur les centres BPT, qui ont été préalablement nivelés et remis à zéro.
  5. Utilisez le thermomètre de chaussée pour mesurer la température de surface de l’échantillon et enregistrez-la.
  6. Effectuer un étalonnage de la longueur de glissement pour assurer une distance de glissement de 126 mm.
  7. Appuyez sur l’interrupteur de déverrouillage du bras pendulaire. Lorsque le bras du pendule traverse le point le plus bas et se balance vers le point le plus élevé, tenez-le à la main, lisez et enregistrez le résultat.
  8. Restaurez le bras pendulaire et le pointeur aux positions zéro et horizontale, respectivement.
    REMARQUE : La longueur de glissement doit être recalibrée chaque fois qu’un nouvel échantillon est testé.
  9. Répétez les étapes 10 fois au total et mesurez sept échantillons en séquence.
    REMARQUE : Chaque échantillon comporte 10 lectures de mesure, et les différences de valeurs minimales et maximales doivent être inférieures à 3.

5. Analyse des données

  1. Consigner les données de la figure 3 dans un tableau et faire la moyenne des résultats de mesure pour obtenir le résultat final (tableau 4).
  2. Correction de température pour les valeurs pendulaires
    1. Entrez les mesures de la valeur de température dans l’équation suivante pour obtenir la valeur BPN compensée en température :
      Equation 1
      NOTE: L’unité de température utilisée dans l’équation originale est le Kelvin, alors que les températures expérimentales sont toutes en centigrade, une conversion de température doit donc être effectuée. Les deux unités de température sont converties comme suit :
      T (K) = 273,15 + T (oC)
    2. Soustrayez la valeur du BPN compensé de la valeur moyenne du BPN du tableau 4 pour obtenir la valeur finale du BPN compensée en température.
    3. Tracez les valeurs finales du BPN dans le tableau 4 sous forme de graphique à barres pour obtenir des résultats plus intuitifs (Figure 4).

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Representative Results

L’échantillon 7 du tableau 4 représente le groupe témoin de l’échantillon sec, tandis que les autres échantillons 1 à 6 correspondent à des épaisseurs de glace allant de la neige très légère à un grand blizzard.

En comparant l’échantillon 7 et les six autres groupes, on a observé que la formation de glace réduisait considérablement le coefficient de frottement de la chaussée. De plus, le coefficient de frottement de la chaussée diminuait avec l’épaisseur de la glace, et l’épaisseur de la glace avait tendance à se stabiliser à 5 mm, ce qui correspond à une neige moyenne. Le coefficient de frottement final de la glace était d’environ 25 % du coefficient de frottement de surface des échantillons secs et humides.

D’après l’échantillon 1, on a noté que de très faibles chutes de neige avaient un impact important sur le coefficient de frottement de la route. De plus, même avec une très fine couche de glace, le givrage de la surface de la route causé par des traces de neige a tout de même réduit le coefficient de frottement de la route d’environ 50 % par rapport à l’échantillon témoin 7. Pour l’échantillon 4, l’échantillon 5 et l’échantillon 6, les valeurs moyennes finales du BPN étaient identiques. Cela indique que le coefficient de frottement de la couche de glace de la couche de glace a tendance à se stabiliser et que la mesure d’une couche de glace plus épaisse n’est pas nécessaire.

En ce qui concerne l’échantillon 2, l’échantillon 3 et l’échantillon 4, on a observé que le coefficient de frottement de surface diminuait graduellement. Les échantillons ci-dessus correspondent à des épaisseurs de glace de 2 mm, 5 mm et 11 mm, respectivement. En théorie, le coefficient de frottement de ces échantillons devrait être cohérent, alors que la mesure réelle du coefficient de frottement était plus grande pour la couche de glace de 2 mm. L’analyse suggère deux raisons à cela. Tout d’abord, à une épaisseur de glace de 2 mm, la microstructure des particules de surface de l’échantillon dans la couche de glace a un certain impact. Même si la surface de glace de l’échantillon est placée horizontalement, avec un glaçage naturel, elle n’est pas lisse au niveau microscopique. Deuxièmement, le bras du pendule entre en contact avec la glace pendant l’expérience. La glace est compactée et déformée par le frottement du bras du pendule en raison de la minceur de la glace et de la pression exercée sur elle. Le processus de frottement des blocs de caoutchouc ondule les particules de surface de l’éprouvette, ce qui entraîne un coefficient de frottement plus élevé.

Comme le montre la figure 4, le coefficient de frottement de la glace avait tendance à diminuer rapidement à mesure que les chutes de neige et l’épaisseur de la couche de glace augmentaient. De plus, elle avait tendance à se stabiliser lorsque l’épaisseur de glace correspondant à une neige moyenne était atteinte. L’échantillon 1 représente la neige très légère adhérant à la surface de la chaussée après le givrage; cela a entraîné une réduction du coefficient de frottement de la chaussée et sa valeur BPN a diminué d’environ 43% par rapport à l’échantillon sec. L’échantillon 2, l’échantillon 3 et l’échantillon 4 correspondent respectivement à de la neige légère, moyenne et lourde, et les épaisseurs de la couche de glace des trois échantillons étaient différentes après le givrage. Parmi eux, la valeur BPN de la neige moyenne n’était que la moitié de celle de la neige légère parce que l’épaisseur de la couche de glace correspondant à peu de neige n’était que de 2 mm. Par conséquent, la microstructure de la surface de l’échantillon affecte toujours la valeur du coefficient de frottement. Lorsque la couche de glace a atteint les épaisseurs de neige moyennes et lourdes, la microstructure de l’échantillon n’affectait plus le coefficient de frottement. La légère différence entre les deux BPN est due à l’extrusion différente de la feuille de caoutchouc sur les différentes épaisseurs de glace, ce qui entraîne une déformation de la glace. Les BPN des échantillons de neige abondante, de blizzard et de gros blizzard étaient les mêmes, ce qui signifie que lorsque l’épaisseur de la glace atteignait 11 mm, la feuille de caoutchouc ne déformait plus la couche de glace en la compactant, et les BPN et les valeurs des coefficients de frottement restaient inchangées.

Température Température ambiante (°C)
0 10 20 30 40
Flexibilité 43-49 58-65 66-73 71-77 74-79
Dureté 55 ± 5

Tableau 1: Exigences techniques relatives à l’indice pour la feuille de caoutchouc. Il s’agit notamment du caoutchouc naturel.

Niveau 12h de neige 24h de neige
Neige très légère < 0,1 < 0,1
Petite neige 0.1 – 0.9 0.1 – 2.4
Neige moyenne 1.0 – 2.9 2.5 – 4.9
Neige abondante 3.0 – 5.9 5.0 – 9.9
Blizzard 6.0 – 9.9 10.0 – 19.9
Grand blizzard 10.0 – 14.9 20.0 – 29.9
Tempête de neige extraordinaire ≥15,0 ≥30,0

Tableau 2 : Classification des niveaux de chutes de neige. L’unité de données dans le tableau est le millimètre (mm).

Niveau 24h de neige (mm) Épaisseur de chute de neige (mm) Correspondant au volume d’eau sur l’échantillon (cm3) Correspondant à l’épaisseur de glace sur l’échantillon (mm)
Neige très légère < 0,1 < 0,8 < 9 0.1
Petite neige 2.4 19.2 216 2.6
Neige moyenne 4.9 39.2 441 5.4
Neige abondante 9.9 79.2 891 10.9
Bilzzard 19.9 159.2 1791 21.9
Grand Bilzzard 29.9 239.2 2691 32.9
Tempête de neige extraordinaire ≥30,0 ≥240 ≥2700 33

Tableau 3 : Différents niveaux de chutes de neige correspondant au volume d’eau sur l’échantillon. Les densités d’eau et de glace sont respectivement de 1 g/cm3 et 0,92 g/cm3.

Numéro de l’échantillon Valeur du pendule Température: -1 °C Valeur moyenne Caractère-
Valeur du pendule corrigée
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

Tableau 4 : Résultats pour les coefficients de frottement des échantillons d’asphalte recouverts de glace.

Figure 1
Figure 1 : Le BPT utilisé dans l’expérience. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 2
Figure 2: Différents échantillons avec les volumes d’eau correspondants. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 3
Figure 3 : Résultats de l’enregistrement expérimental (BPN). Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 4
Figure 4 : Coefficients de frottement de la glace de chaussée sous différents niveaux de neige. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

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Discussion

Le présent document examine la procédure d’essai du coefficient de frottement des chaussées glacées à l’aide d’un BPT. Plusieurs points doivent être analysés de manière exhaustive et sont discutés en détail ici. Premièrement, en ce qui concerne la préparation des échantillons de mélange d’asphalte, il faut essayer d’utiliser de l’asphalte de route pour préparer les échantillons, mais ce n’est pas une exigence. La préparation des échantillons de mélange d’asphalte doit être effectuée en stricte conformité avec les protocoles expérimentaux ASTM (D6926-20), car cela affecte la précision des résultats finaux25. Si le coefficient de frottement de l’échantillon final est trop grand ou trop petit en raison d’un mauvais classement du mélange, l’échantillon doit être repréparé et testé une fois de plus. Les dalles d’asphalte préparées doivent être entretenues conformément aux exigences.

Une autre étape critique est le calcul des chutes de neige. L’accumulation de neige est le résultat des précipitations. Selon les recherches menées par le Bureau météorologique de la République populaire de Chine, les chutes de neige peuvent être mesurées par la méthode suivante: un récipient standard est utilisé pour faire fondre la neige, recueillie en 12 h ou 24 h, dans l’eau, et la valeur obtenue avec une tasse à mesurer est mesurée en millimètres (mm), avec 1 mm de neige représentant une épaisseur de neige d’environ 8 mm26 . La taille de l’échantillon du mélange expérimental d’asphalte préfabriqué est de 30 cm x 30 cm x 5 cm, et 1 mm de précipitation sur la dalle d’asphalte a un volume d’eau de 30 cm x 30 x cm 0,1 cm = 90 cm3. Selon cette méthode de calcul, le volume d’eau requis peut être dérivé de l’échantillon correspondant avec une épaisseur de couche de glace de 1,1 mm.

En outre, la détermination de la température et de la durée du gel est également importante. Dans l’expérience, la plage de température est réglée de -5 °C à −10 °C. Tous les échantillons doivent être congelés pendant au moins 24 heures. Le temps peut être obtenu en congelant les échantillons avant l’expérience. Notamment, le temps obtenu par différents équipements avec différents effets de congélation peut varier.

Ensuite, lors de l’étalonnage de la longueur de glissement de la feuille de caoutchouc, le bord le plus bas de la feuille de caoutchouc doit toucher la surface de la dalle d’asphalte. Il ne doit pas glisser vers l’avant avec l’inertie du bras oscillant, car cela ferait en sorte que la longueur de glissement diffère de l’exigence de 126 mm.

Enfin, une méthode de correction de température doit être utilisée. Des études antérieures ont indiqué que les BPN sont liés à la fois à la température et au matériau de la feuille de caoutchouc27. La spécification ASTM (E303-93) exige l’utilisation de caoutchouc synthétique à faible sensibilité à la température, ce qui signifie qu’aucune conversion de température n’est impliquée24,28. Cependant, la plupart des expériences actuelles utilisent le BPT pour la détermination en intérieur du coefficient de frottement du caoutchouc naturel. Les BPN obtenus à partir de ces expériences à différentes températures doivent être convertis en valeurs à des températures standard29. De nombreuses études ont fourni un éventail de méthodes pour la conversion de la température BPN30. Le présent document utilise la méthode de Bazlamit et al., car ils ont fourni des formules pour la conversion des BPN à n’importe quelle température en valeurs à des températures standard31.

Les futures applications techniques de cette méthode concernent principalement la conception des routes et l’entretien hivernal des routes. Tout d’abord, lors de la conception de routes dans des zones enneigées et gelées, les concepteurs doivent comprendre le niveau de neige local, tenir compte de l’épaisseur de glace possible pendant l’exploitation de la route et utiliser le coefficient de frottement le plus favorable pour la conception de la route. Les coefficients de frottement correspondant à différentes épaisseurs de glace peuvent affecter les valeurs de pente transversale ainsi que les valeurs de surélévation dans la conception de la route, ce qui, à son tour, peut affecter le rayon de la courbe circulaire de la route. Deuxièmement, nos expériences peuvent aider à améliorer l’efficacité de l’entretien des chaussées en hiver, car des solutions pour assurer des coefficients de frottement appropriés des chaussées à différentes épaisseurs de givrage peuvent être développées davantage. Selon les résultats de l’article, l’impact sur la conduite des véhicules reste le même lorsque l’épaisseur de la glace sur la surface de la route devient supérieure à 5 mm. Ces travaux fournissent une référence pour la gestion des routes en hiver, suggérant que certaines mesures devraient être mises en place avant que l’épaisseur de la glace atteigne 5 mm. En outre, la présente étude montre que l’impact négatif sur la sécurité routière peut être important même avec des traces de neige légère, car cette neige est plus susceptible de geler et de provoquer une diminution significative du coefficient de frottement de la route en très peu de temps.

En outre, la méthode présentée dans le document présente également certaines limites. Les expériences de suivi devraient être combinées avec des données routières réelles pour vérifier les résultats expérimentaux. De plus, la plage de neige moyenne devrait être divisée davantage pour déterminer la valeur exacte lorsque le coefficient de frottement ne dépend plus de l’épaisseur de la glace. Les limites du protocole sont principalement liées à l’incapacité d’obtenir des surfaces de glace uniformes sur les échantillons, ce qui, dans certains cas, entraîne d’importantes erreurs expérimentales.

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Disclosures

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Acknowledgments

Les auteurs tiennent à remercier le programme de recherche scientifique financé par le Département provincial de l’éducation du Shaanxi (programme n ° 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

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Ingénierie numéro 191 Coefficient de frottement routier chutes de neige givrage routier compteur du coefficient de frottement du pendule British Pendulum Number (BPN)
Détermination des coefficients de frottement des chaussées glacées sous différentes quantités de neige
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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).

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