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Engineering

Determinazione dei coefficienti di attrito delle pavimentazioni ghiacciate in presenza di diverse nevicate

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

Qui, presentiamo un metodo per determinare il coefficiente di attrito di pavimentazioni con diversi spessori di ghiaccio all'interno. La procedura completa comprende la preparazione dell'attrezzatura, il calcolo e l'analisi delle nevicate, la calibrazione dell'attrezzatura, la determinazione del coefficiente di attrito e l'analisi dei dati.

Abstract

Il ghiaccio sulle superfici stradali può portare a una significativa diminuzione del coefficiente di attrito, mettendo così a repentaglio la sicurezza di guida. Tuttavia, non ci sono ancora studi che forniscano valori esatti del coefficiente di attrito per le pavimentazioni coperte di ghiaccio, il che è dannoso sia per la progettazione stradale che per la selezione delle misure di manutenzione stradale invernale. Pertanto, questo articolo presenta un metodo sperimentale per determinare il coefficiente di attrito delle superfici stradali ghiacciate in inverno. Per l'esperimento è stato impiegato un tester portatile britannico (BPT), noto anche come misuratore del coefficiente di attrito del pendolo. L'esperimento è stato suddiviso nelle seguenti cinque fasi: la preparazione dell'attrezzatura, il calcolo e l'analisi della nevicata, la calibrazione dell'attrezzatura, la determinazione del coefficiente di attrito e l'analisi dei dati. L'accuratezza dell'esperimento finale è direttamente influenzata dall'accuratezza dell'apparecchiatura, che è descritta in dettaglio. Inoltre, questo articolo suggerisce un metodo per calcolare lo spessore del ghiaccio per le quantità corrispondenti di nevicate. I risultati mostrano che anche il ghiaccio a chiazze formate da nevicate molto leggere può portare a una significativa diminuzione del coefficiente di attrito della pavimentazione, mettendo così a repentaglio la sicurezza di guida. Inoltre, il coefficiente di attrito è al suo picco quando lo spessore del ghiaccio raggiunge i 5 mm, il che significa che dovrebbero essere prese misure di protezione per evitare la formazione di tale ghiaccio.

Introduction

L'attrito della pavimentazione è definito come l'aderenza tra gli pneumatici del veicolo e la superficie stradale sottostante1. L'indice più comunemente associato all'attrito della pavimentazione nella progettazione stradale è il coefficiente di attrito della pavimentazione. L'attrito è uno dei fattori più importanti nella progettazione stradale ed è secondo solo alla durata. Esiste una forte e chiara correlazione tra le prestazioni di attrito della pavimentazione e il rischio di incidenti2. Ad esempio, esiste una significativa correlazione negativa tra i tassi di incidenti stradali e la resistenza allo slittamento della pavimentazione 3,4,5. Diversi fattori possono contribuire a una diminuzione dell'attrito della pavimentazione e uno dei più diretti e influenti di questi fattori è la nevicata6. In particolare, le nevicate provocano la formazione di ghiaccio sulla pavimentazione, con conseguente significativa riduzione del coefficiente di attrito stradale 7,8. Uno studio incentrato sui fattori che influenzano i tassi di incidenti stradali nella Finlandia meridionale ha rilevato che i tassi di incidenti raggiungono comunemente il picco nei giorni con forti nevicate e che più di 10 cm di neve possono portare a un raddoppio del tasso di incidenti9. Risultati simili sono stati trovati in studi condotti sia in Svezia che in Canada10,11. Pertanto, lo studio delle proprietà di attrito delle pavimentazioni ghiacciate dalla neve è fondamentale per migliorare la sicurezza stradale.

Determinare il coefficiente di attrito delle pavimentazioni ghiacciate è un processo complesso perché il coefficiente di attrito può variare in base a diversi livelli di nevicate e spessori di ghiaccio della pavimentazione. Inoltre, anche le variazioni delle temperature e delle caratteristiche degli pneumatici possono influire sul coefficiente di attrito. In passato, sono stati condotti numerosi esperimenti per studiare le caratteristiche di attrito dei pneumatici su ghiaccio12. Tuttavia, a causa delle differenze nei singoli ambienti e nelle caratteristiche dei pneumatici, non è possibile ottenere risultati coerenti e utilizzarli come base per studi teorici. Pertanto, molti ricercatori hanno tentato di sviluppare modelli teorici per analizzare l'attrito dei pneumatici sul ghiaccio. Hayhoe e Sahpley13 hanno suggerito il concetto di scambio termico per attrito bagnato all'interfaccia tra pneumatici e ghiaccio, mentre Peng et al.14 hanno proposto un modello di dati avanzato per prevedere l'attrito basato sul concetto di cui sopra. Inoltre, Klapproth ha presentato un modello matematico innovativo per descrivere l'attrito della gomma ruvida sul ghiaccio liscio15. Tuttavia, i modelli di cui sopra hanno dimostrato di avere errori significativi, principalmente a causa della loro incapacità di caratterizzare in modo accurato ed efficiente le proprietà di attrito dei pneumatici sul ghiaccio16.

Per ridurre gli errori dei modelli teorici, è necessaria una grande quantità di dati sperimentali. L'Agenzia meteorologica finlandese ha sviluppato un modello di attrito per prevedere l'attrito della pavimentazione ghiacciata, e la formula per tale modello si basava principalmente sui dati ottenuti dalle stazioni meteorologiche stradali e attraverso l'analisi statistica17. Inoltre, Ivanović et al. hanno raccolto una quantità significativa di dati sperimentali analizzando le caratteristiche di attrito dei pneumatici sul ghiaccio e hanno calcolato il coefficiente di attrito del ghiaccio mediante analisi di regressione18. Gao et al. hanno anche proposto un nuovo modello di previsione della trazione pneumatico-gomma-ghiaccio combinando l'algoritmo di ottimizzazione di Levenberg-Marquardt (LM) con una rete neurale per ottenere la formula per il coefficiente di attrito sul ghiaccio19. Tutti i modelli di cui sopra sono stati convalidati o applicati nella pratica e sono, quindi, considerati fattibili.

Oltre ai metodi teorici, sono stati sviluppati molti metodi pratici per misurare il coefficiente di attrito dei marciapiedi in aree innevate e ghiacciate. A causa delle particolarità del tempo, questi metodi sono stati ampiamente utilizzati nei paesi nordici come Svezia, Norvegia e Finlandia20. In Svezia vengono utilizzati i seguenti tre tipi principali di dispositivi di misurazione dell'attrito: BV11, SFT e BV14. Il BV14, un tester a doppio attrito sviluppato appositamente per le valutazioni di manutenzione invernale, è collegato direttamente al veicolo di misura e misura l'attrito secco su entrambi i percorsi delle ruote contemporaneamente20. In Finlandia, il veicolo di misurazione dell'attrito (TIE 475) viene utilizzato per le valutazioni di manutenzione stradale invernale, mentre in Norvegia, il dispositivo di misurazione dell'attrito ROAR (senza acqua) è un pezzo di equipaggiamento comunemente usato2. La maggior parte delle misurazioni dell'attrito invernale effettuate in Svezia, Norvegia e Finlandia sono state eseguite utilizzando normali autovetture con ABS e strumenti che misurano la decelerazione in frenata 2,20. Il vantaggio di questo metodo è che è semplice e relativamente economico, e lo svantaggio principale è che la precisione del metodo è molto bassa.

Gli studi sopra descritti forniscono metodi per prevedere e rilevare i coefficienti di attrito sul ghiaccio. Tuttavia, non sono ancora stati forniti un metodo uniforme e un valore specifico per guidare i progettisti stradali. Inoltre, per le strade invernali, il coefficiente di attrito tra i pneumatici e il ghiaccio può variare rispetto ai diversi spessori del ghiaccio e dovrebbero essere attuate anche diverse misure di smaltimento21. Pertanto, questo documento mira a determinare il coefficiente di attrito delle strade ghiacciate sotto diverse quantità di nevicate.

A livello internazionale, il tester portatile britannico (BPT) e il tester di attrito portatile dello Swedish Road and Transport Research Institute (VTI PFT) sono attualmente gli strumenti più comunemente utilizzati per misurare il coefficiente di attrito22,23. Il PFT è un tester di attrito portatile sviluppato da VTI e consente all'operatore di effettuare misurazioni in posizione verticale e salvare i dati sul computer22. Il PFT può misurare la maggior parte della segnaletica orizzontale sagomata, ma il numero di strumenti attualmente disponibili è ancora molto piccolo2. Il BPT è un tester del coefficiente di attrito del pendolo sviluppato dal British Road Research Laboratory (RRL, ora TRL). Lo strumento è un tester dinamico a pendolo utilizzato per misurare la perdita di energia nei casi in cui un bordo di scorrimento in gomma viene spinto su una superficie di prova. I risultati sono riportati come British Pendulum Numbers (BPN) per sottolineare che sono specifici per questo tester e non direttamente equivalenti a quelli di altri dispositivi24. Lo strumento si è dimostrato utile per la determinazione dei coefficienti di attrito nel campo sperimentale della pavimentazione23. Questo esperimento utilizza il BPT per la determinazione dei coefficienti di attrito.

Il presente studio descrive la procedura sperimentale per misurare il coefficiente di attrito delle pavimentazioni ghiacciate corrispondenti a diverse quantità di neve al chiuso. I problemi da notare negli esperimenti, come la calibrazione sperimentale, l'implementazione sperimentale e i metodi di analisi dei dati, sono spiegati in dettaglio. Le attuali procedure sperimentali possono essere riassunte nelle seguenti cinque fasi: 1) la preparazione dell'attrezzatura, 2) il calcolo e l'analisi della nevicata, 3) la taratura dell'attrezzatura, 4) la determinazione del coefficiente di attrito e 5) l'analisi dei dati.

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Protocol

1. Preparazione dell'attrezzatura

  1. BPT
    1. Assicurarsi che il BPT (Figura 1) rientri nel suo ciclo di vita utile e che la superficie sia pulita e non danneggiata.
      NOTA: I componenti del BPT sono la base, la spirale di livellamento, la bolla di livellamento, il puntatore, il pendolo, la spirale di sollevamento, la spirale di fissaggio, la maniglia e il quadrante.
  2. Lastre di asfalto
    1. Assicurarsi che la dimensione del campione della miscela di asfalto utilizzata per l'esperimento sia di 30 cm x 30 cm x 5 cm.
  3. Apparecchiature di congelamento
    1. Assicurarsi che l'apparecchiatura di congelamento utilizzata possa regolare liberamente la temperatura tra -20 °C e 0 °C.
  4. Preparare altre attrezzature utilizzate nell'esperimento: un treppiede, un cilindro di misurazione, un foglio di gomma, un termometro per pavimentazione, un righello a lunghezza scorrevole e un pennello.
    NOTA: La dimensione del foglio di gomma utilizzato nell'esperimento era di 6,35 mm x 25,4 mm x 76,2 mm e doveva soddisfare i requisiti di qualità indicati nella tabella 124.
    1. Assicurarsi che il foglio di gomma non presenti nessuno dei seguenti difetti: 1) macchie d'olio; 2) usura del bordo in larghezza superiore a 3,2 mm; o 3) usura longitudinale superiore a 1,6 mm.
    2. Prima di utilizzare un nuovo foglio di gomma, assicurarsi che il foglio di gomma sia misurato 10 volte utilizzando un BPT su una superficie asciutta prima di utilizzarlo per i test ufficiali.

2. Calcolo e analisi delle nevicate

NOTA: la tabella 2 fornisce la classificazione delle classi di nevicate. Considerando casi estremi, l'attrezzatura richiede 24 ore di nevicate per condurre lo studio.

  1. Per garantire la facilità dell'esperimento, eseguire il calcolo e l'analisi corrispondenti utilizzando il limite superiore per ogni livello di nevicata.
    NOTA: I diversi livelli della profondità delle nevicate e il corrispondente volume d'acqua dei campioni dopo il calcolo sono forniti nella tabella 3. L'esperimento non ha considerato l'influenza di tempeste di neve straordinarie e le categorie di neve molto leggera a grandi bufere di neve sono state numerate da 1 a 6.

3. Calibrazione dell'apparecchiatura

  1. Livellamento e regolazione zero
    1. Posizionare il BPT in una posizione adatta.
      NOTA: Una posizione adatta significa che il terreno è piatto e privo di buche.
    2. Ruotare la spirale di livellamento sulla base del BPT per assicurarsi che la bolla di livellamento rimanga nella posizione centrale.
    3. Allentare la spirale di fissaggio, ruotare la spirale di sollevamento per far sollevare e oscillare liberamente il pendolo, quindi stringere la spirale di fissaggio.
    4. Posizionare il braccio del pendolo sul cantilever destro del tavolo del pendolo, mantenendo il braccio in posizione orizzontale mentre si ruota il puntatore sul lato destro a filo con il braccio.
    5. Premere il pulsante di rilascio per consentire al braccio del pendolo di oscillare liberamente. Quando il pendolo attraversa il punto più basso per raggiungere il punto più alto, tenerlo a mano.
      NOTA: se è accurato, il puntatore dovrebbe indicare zero in questo momento.
    6. Se il puntatore non mostra il punto zero, allentare o stringere il dado di azzeramento e ripetere i passaggi 3.1.4 e 3.1.5 finché il puntatore non indica il punto zero.
  2. Calibrazione della lunghezza di scorrimento
    1. Posizionare la lastra di asfalto direttamente sotto il pendolo mentre si allenta la spirale di fissaggio in modo che il bordo più basso del foglio di gomma tocchi la superficie della lastra di asfalto.
    2. Preparare il righello della lunghezza scorrevole e avvicinarlo al foglio di gomma.
    3. Sollevare la maniglia di trasporto in modo che il segno della scala sinistra del righello della lunghezza scorrevole sia a filo con il bordo più basso del foglio di gomma.
    4. Sollevare la maniglia di trasporto e spostare il pendolo verso destra in modo che il bordo più basso del foglio di gomma tocchi appena la superficie della lastra di asfalto.
    5. Osservare se il righello della lunghezza scorrevole è livellato con il bordo del foglio di gomma. Se lo è, la lunghezza di scorrimento soddisfa il requisito di 126 mm. In caso contrario, continuare le operazioni seguenti.
    6. Ruotare la spirale di sollevamento per regolare l'altezza del pendolo e ripetere i passaggi 3.2.3-3.2.5 per regolare la lunghezza di scorrimento in modo che soddisfi i requisiti.
    7. Quando è necessaria la messa a punto, ruotare la spirale di livellamento sulla base.
      NOTA: la bolla di livellamento deve rimanere al centro durante la regolazione.

4. Determinazione del coefficiente di attrito

  1. Selezionare sette pezzi di lastre di asfalto, pulirli con un pennello e asciugarli naturalmente a temperatura ambiente.
  2. Numerare le lastre di asfalto nell'ordine di 1-7.
  3. Posizionare le lastre di asfalto in stampi e contemporaneamente raffreddarle e congelarle con uno strato d'acqua.
    NOTA: In questo esperimento, i sette campioni sono stati posti nel congelatore ad una temperatura controllata di -10 °C per 24 ore. I diversi campioni con i corrispondenti volumi d'acqua sono mostrati nella Figura 2.
    1. Campione 1: Per simulare neve molto leggera, versare 9 cm3 di acqua sul campione di asfalto. Riempire il vuoto della superficie della lastra di asfalto con acqua e livellare la parte sollevata. Lo strato di ghiaccio non dovrebbe coprire completamente le particelle di asfalto della superficie del campione. Pertanto, alcune particelle saranno esposte e questo fenomeno è noto come ghiaccio a chiazze.
    2. Campione 2: Per simulare la neve leggera, versare 216 cm3 di acqua sul campione di asfalto utilizzando un cilindro graduato. Lo spessore previsto della formazione di ghiaccio è di 2,17 mm. In questo caso, lo strato d'acqua copre completamente la superficie del campione. Dovrebbe essere completamente congelato dopo la glassa.
    3. Campione 3: Per simulare la neve media, versare 441 cm3 di acqua sul campione di asfalto utilizzando un cilindro graduato. Lo spessore del ghiaccio previsto è di 5,4 mm.
    4. Campione 4: Per simulare forti nevicate, versare 891 cm3 di acqua sul campione di asfalto utilizzando un cilindro graduato. Lo spessore del ghiaccio previsto è di 11 mm.
    5. Campione 5: Per simulare una bufera di neve, versare 1.791 cm3 di acqua sul campione di asfalto utilizzando un cilindro graduato. Lo spessore del ghiaccio previsto è di 22,1 mm.
    6. Campione 6: Per simulare una grande bufera di neve, versare 2.691 cm3 di acqua sul campione di asfalto utilizzando un cilindro graduato. Lo spessore del ghiaccio previsto è di 33,2 mm.
    7. Campione 7: Posizionare direttamente il campione nel congelatore per il raffreddamento senza aggiungere acqua come campione congelato secco per il confronto.
  4. Dopo il congelamento, rimuovere i campioni dal congelatore; a sua volta, rimuovere gli stampi e posizionarli sui centri BPT, che sono stati precedentemente livellati e azzerati.
  5. Utilizzare il termometro per pavimentazione per misurare la temperatura superficiale del campione e registrarlo.
  6. Eseguire la calibrazione della lunghezza di scorrimento per garantire una distanza di scorrimento di 126 mm.
  7. Premere l'interruttore di rilascio del braccio del pendolo. Quando il braccio del pendolo attraversa il punto più basso e oscilla verso quello più alto, tienilo a mano e leggi e registra il risultato.
  8. Ripristinare sia il braccio del pendolo che il puntatore rispettivamente nelle posizioni zero e orizzontale.
    NOTA: la lunghezza di scorrimento deve essere ricalibrata ogni volta che viene testato un nuovo campione.
  9. Ripetere i passaggi per un totale di 10 volte e misurare sette campioni in sequenza.
    NOTA: ogni campione ha 10 letture di misurazione e sia le differenze di valore minimo che massimo devono essere inferiori a 3.

5. Analisi dei dati

  1. Registrare i dati nella Figura 3 in una tabella e calcolare la media dei risultati delle misurazioni per ottenere il risultato finale (Tabella 4).
  2. Correzione della temperatura per i valori del pendolo
    1. Immettere le misurazioni del valore di temperatura nella seguente equazione per ottenere il valore BPN compensato in temperatura:
      Equation 1
      NOTA: L'unità di temperatura utilizzata nell'equazione originale è il Kelvin, mentre le temperature sperimentali sono tutte in gradi centigradi, quindi è necessario eseguire una conversione di temperatura. Le due unità di temperatura vengono convertite come segue:
      T (K) = 273,15 + T (oC)
    2. Sottrarre il valore BPN compensato dal valore medio BPN nella tabella 4 per ottenere il valore BPN compensato dalla temperatura finale.
    3. Tracciare i valori BPN finali nella Tabella 4 come grafico a barre per ottenere risultati più intuitivi (Figura 4).

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Representative Results

Il campione 7 nella Tabella 4 è il gruppo di controllo del campione secco, mentre i campioni rimanenti 1-6 corrispondono a spessori di ghiaccio che vanno dalla neve molto leggera a una grande bufera di neve.

Confrontando il campione 7 e gli altri sei gruppi, è stata osservata la formazione di ghiaccio per ridurre significativamente il coefficiente di attrito della pavimentazione. Inoltre, il coefficiente di attrito della pavimentazione diminuiva con l'aumentare dello spessore del ghiaccio e lo spessore del ghiaccio tendeva a stabilizzarsi a 5 mm, che corrisponde alla neve media. Il coefficiente di attrito del ghiaccio finale era circa il 25% del coefficiente di attrito superficiale dei campioni secchi e umidi.

Sulla base del campione 1, è stato notato che nevicate molto leggere hanno un forte impatto sul coefficiente di attrito stradale. Inoltre, anche con uno strato di ghiaccio molto sottile, la formazione di ghiaccio del manto stradale causata dalle nevicate in tracce ha comunque ridotto il coefficiente di attrito stradale di circa il 50% rispetto al campione di controllo 7. Per il campione 4, il campione 5 e il campione 6, i valori medi finali di BPN erano identici. Ciò indica che il coefficiente di attrito stradale dello strato di ghiaccio tende a stabilizzarsi e che la misurazione di uno strato di ghiaccio più spesso non è necessaria.

Per quanto riguarda il campione 2, il campione 3 e il campione 4, è stato osservato che il coefficiente di attrito superficiale diminuisce gradualmente. I campioni di cui sopra corrispondono a spessori di ghiaccio di 2 mm, 5 mm e 11 mm, rispettivamente. In teoria, il coefficiente di attrito di questi campioni dovrebbe essere coerente, mentre la misurazione effettiva del coefficiente di attrito era maggiore per lo strato di ghiaccio di 2 mm. L'analisi suggerisce due ragioni per questo. Innanzitutto, con uno spessore del ghiaccio di 2 mm, la microstruttura delle particelle superficiali del campione nello strato di ghiaccio ha un certo impatto. Anche se la superficie del ghiaccio del campione è posizionata orizzontalmente, con glassa naturale, non è liscia a livello microscopico. In secondo luogo, il braccio del pendolo entra in contatto con il ghiaccio durante l'esperimento. Il ghiaccio è compattato e deformato dall'attrito del braccio del pendolo a causa della sottigliezza del ghiaccio e della pressione esercitata su di esso. Il processo di attrito del blocco di gomma ondula le particelle superficiali del provino, con conseguente maggiore coefficiente di attrito.

Come mostrato nella Figura 4, il coefficiente di attrito del ghiaccio tendeva a diminuire rapidamente con l'aumentare sia della nevicata che dello spessore dello strato di ghiaccio. Inoltre, tendeva a stabilizzarsi quando veniva raggiunto lo spessore del ghiaccio corrispondente alla neve media. Il campione 1 rappresenta la neve molto leggera aderente alla superficie della pavimentazione dopo la formazione di ghiaccio; ciò ha comportato una riduzione del coefficiente di attrito della pavimentazione e il suo valore BPN è diminuito di circa il 43% rispetto al campione secco. Il campione 2, il campione 3 e il campione 4 corrispondono rispettivamente a neve leggera, media e pesante e gli spessori dello strato di ghiaccio dei tre campioni erano diversi dopo la formazione di ghiaccio. Tra questi, il valore BPN della neve media era solo la metà di quello della neve leggera perché lo spessore dello strato di ghiaccio corrispondente alla neve piccola era di soli 2 mm. Pertanto, la microstruttura della superficie del campione influisce ancora sul valore del coefficiente di attrito. Quando lo strato di ghiaccio ha raggiunto gli spessori medi e pesanti della neve, la microstruttura del campione non ha più influenzato il coefficiente di attrito. La leggera differenza tra i due BPN è dovuta alla diversa estrusione del foglio di gomma sui diversi spessori di ghiaccio, che porta alla deformazione del ghiaccio. I BPN dei campioni di neve pesante, bufera di neve e grandi bufere di neve erano gli stessi, il che significa che quando lo spessore del ghiaccio raggiungeva 11 mm, il foglio di gomma non deformava più lo strato di ghiaccio compattandolo e i valori dei BPN e del coefficiente di attrito rimanevano invariati.

Temperatura Temperatura ambiente (°C)
0 10 20 30 40
Flessibilità 43-49 58-65 66-73 71-77 74-79
Durezza 55 ± 5

Tabella 1: Requisiti dell'indice tecnico per il foglio di gomma. Questo si riferisce in particolare alla gomma naturale.

Livello 12 ore di nevicata 24 ore nevicate
Neve molto leggera < 0.1 < 0.1
Poca neve 0.1 – 0.9 0.1 – 2.4
Neve media 1.0 – 2.9 2.5 – 4.9
Nevicate 3.0 – 5.9 5.0 – 9.9
Tormenta 6.0 – 9.9 10.0 – 19.9
Grande bufera di neve 10.0 – 14.9 20.0 – 29.9
Straordinaria tempesta di neve ≥15,0 ≥30,0

Tabella 2: Classificazione del livello delle nevicate. L'unità di dati nella tabella è millimetri (mm).

Livello 24h nevicate (mm) Profondità nevicate (mm) Corrispondente al volume d'acqua sul campione (cm3) Corrispondente allo spessore del ghiaccio sul campione (mm)
Neve molto leggera < 0.1 < 0,8 < 9 0.1
Poca neve 2.4 19.2 216 2.6
Neve media 4.9 39.2 441 5.4
Nevicate 9.9 79.2 891 10.9
Bufera di neve 19.9 159.2 1791 21.9
Grande bufera di neve 29.9 239.2 2691 32.9
Straordinaria tempesta di neve ≥30,0 ≥240 ≥2700 33

Tabella 3: Diversi livelli di nevicate corrispondenti al volume d'acqua sul campione. Le densità di acqua e ghiaccio sono rispettivamente 1g/cm 3 e 0,92g/cm3.

Numero del campione Temperatura del pendolo: -1°C Valore medio Carattere-
Valore del pendolo corretto
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

Tabella 4: Risultati per i coefficienti di attrito dei campioni di asfalto ricoperti di ghiaccio.

Figure 1
Figura 1: Il BPT utilizzato nell'esperimento. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figure 2
Figura 2: Diversi campioni con i corrispondenti volumi d'acqua. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3: Risultati della registrazione sperimentale (BPN). Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figure 4
Figura 4: Coefficienti di attrito del ghiaccio della pavimentazione sotto diversi livelli di nevicate. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

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Discussion

Il presente documento esamina la procedura per testare il coefficiente di attrito della pavimentazione ghiacciata utilizzando un BPT. Diversi punti devono essere analizzati in modo completo e sono discussi in dettaglio qui. In primo luogo, in termini di preparazione dei campioni di miscela di asfalto, si dovrebbe cercare di utilizzare asfalto di petrolio stradale per preparare i campioni, ma questo non è un requisito. La preparazione dei campioni di miscela di asfalto deve essere eseguita in stretta conformità con i protocolli sperimentali ASTM (D6926-20), in quanto ciò influisce sull'accuratezza dei risultati finali25. Se il coefficiente di attrito del campione finale è troppo grande o troppo piccolo a causa di una cattiva classificazione della miscela, il campione deve essere ripreparato e testato ancora una volta. Le lastre di asfalto preparate devono essere mantenute in conformità con i requisiti.

Un altro passaggio critico è il calcolo delle nevicate. L'accumulo di neve è il risultato delle precipitazioni. Secondo una ricerca condotta dall'Ufficio meteorologico della Repubblica popolare cinese, le nevicate possono essere misurate con il seguente metodo: un contenitore standard viene utilizzato per sciogliere la neve, raccolta in 12 h o 24 h, in acqua, e il valore ottenuto con un misurino è misurato in millimetri (mm), con 1 mm di nevicata che rappresenta una profondità della neve di circa 8 mm26 . La dimensione del campione della miscela sperimentale di asfalto prefabbricato è di 30 cm x 30 cm x 5 cm e 1 mm di precipitazione sulla lastra di asfalto ha un volume d'acqua di 30 cm x 30 x cm 0,1 cm = 90 cm3. Secondo questo metodo di calcolo, il volume d'acqua richiestopuò essere derivato dal campione corrispondente con uno spessore dello strato di ghiaccio di 1,1 mm.

Inoltre, anche la determinazione della temperatura e del tempo di congelamento è importante. Nell'esperimento, l'intervallo di temperatura è impostato su -5 °C a -10 °C. Tutti i campioni devono essere congelati per almeno 24 ore. Il tempo può essere ottenuto testando il congelamento dei campioni prima dell'esperimento. In particolare, il tempo ottenuto da diverse apparecchiature con diversi effetti di congelamento può variare.

Successivamente, quando si calibra la lunghezza di scorrimento del foglio di gomma, il bordo più basso del foglio di gomma dovrebbe toccare la superficie della lastra di asfalto. Non dovrebbe scivolare in avanti con l'inerzia del braccio oscillante, poiché ciò farebbe sì che la lunghezza di scorrimento differisca dal requisito di 126 mm.

Infine, deve essere utilizzato un metodo di correzione della temperatura. Studi precedenti hanno indicato che i BPN sono correlati sia alla temperatura che al materiale del foglio di gomma27. La specifica ASTM (E303-93) richiede l'uso di gomma sintetica con bassa sensibilità alla temperatura, il che significa che non ci sono conversioni di temperatura coinvolte24,28. Tuttavia, la maggior parte degli esperimenti attuali utilizza BPT per la determinazione interna del coefficiente di attrito per la gomma naturale. I BPN ottenuti da questi esperimenti a diverse temperature devono essere convertiti in valori a temperature standard29. Numerosi studi hanno fornito una serie di metodi per la conversione della temperatura BPN30. Il presente articolo utilizza il metodo di Bazlamit et al., in quanto hanno fornito formule per la conversione di BPN a qualsiasi temperatura in valori a temperature standard31.

Le future applicazioni ingegneristiche di questo metodo riguardano principalmente la progettazione stradale e la manutenzione stradale invernale. In primo luogo, quando si progettano strade in aree innevate e ghiacciate, i progettisti dovrebbero comprendere il livello di nevicate locali, considerare il possibile spessore del ghiaccio durante il funzionamento stradale e utilizzare il coefficiente di attrito più favorevole per la progettazione stradale. I coefficienti di attrito corrispondenti a diversi spessori di ghiaccio possono influenzare i valori di pendenza trasversale e i valori di sopraelevazione nella progettazione stradale, che, a loro volta, possono influenzare il raggio della curva circolare della strada. In secondo luogo, i nostri esperimenti possono aiutare a migliorare l'efficienza della manutenzione della pavimentazione in inverno, poiché possono essere ulteriormente sviluppate soluzioni per garantire adeguati coefficienti di attrito delle pavimentazioni a diversi spessori di ghiaccio. Secondo i risultati del documento, l'impatto sulla guida del veicolo rimane lo stesso una volta che lo spessore del ghiaccio sulla superficie stradale diventa superiore a 5 mm. Questo lavoro fornisce un riferimento per la gestione delle strade in inverno, suggerendo che alcune misure dovrebbero essere implementate prima che lo spessore del ghiaccio raggiunga i 5 mm. Inoltre, il presente studio mostra che l'impatto negativo sulla sicurezza stradale può essere significativo anche con tracce di neve leggera, poiché tale neve ha maggiori probabilità di congelare e causare una significativa diminuzione del coefficiente di attrito stradale in un periodo molto breve.

Inoltre, il metodo presentato nel documento ha anche alcune limitazioni. Gli esperimenti di follow-up dovrebbero essere combinati con i dati stradali effettivi per verificare i risultati sperimentali. Inoltre, la portata media della neve dovrebbe essere ulteriormente suddivisa per determinare il valore esatto quando il coefficiente di attrito non dipende più dallo spessore del ghiaccio. I limiti del protocollo riguardano principalmente l'incapacità di ottenere superfici di ghiaccio uniformi sui campioni, che in alcuni casi porta a grandi errori sperimentali.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Acknowledgments

Gli autori desiderano riconoscere il programma di ricerca scientifica finanziato dal Dipartimento provinciale dell'istruzione dello Shaanxi (programma 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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Engineering Numero 191 Coefficiente di attrito stradale nevicata formazione di ghiaccio stradale misuratore del coefficiente di attrito del pendolo British Pendulum Number (BPN)
Determinazione dei coefficienti di attrito delle pavimentazioni ghiacciate in presenza di diverse nevicate
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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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