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Engineering

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

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

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

Abstract

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

Introduction

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

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

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

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

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

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

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

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Protocol

1. Preparación del equipo

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

2. Cálculo y análisis de la nevada

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

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

3. Calibración del equipo

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

4. Determinación del coeficiente de fricción

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

5. Análisis de datos

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

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Representative Results

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

Al comparar la muestra 7 y los otros seis grupos, se observó que la formación de hielo reduce significativamente el coeficiente de fricción del pavimento. Además, el coeficiente de fricción del pavimento disminuyó con el aumento del espesor del hielo, y el espesor del hielo tendió a estabilizarse en 5 mm, lo que corresponde a la nieve media. El coeficiente de fricción final del hielo fue aproximadamente el 25% del coeficiente de fricción superficial de las muestras secas y húmedas.

Sobre la base de la muestra 1, se observó que las nevadas muy ligeras tuvieron un fuerte impacto en el coeficiente de fricción de la carretera. Además, incluso con una capa de hielo muy delgada, la formación de hielo de la superficie de la carretera causada por trazas de nieve redujo el coeficiente de fricción de la carretera en aproximadamente un 50% en comparación con la muestra de control 7. Para la muestra 4, la muestra 5 y la muestra 6, los valores promedio finales de BPN fueron idénticos. Esto indica que el coeficiente de fricción de la carretera de la capa de hielo tiende a estabilizarse y que la medición de una capa de hielo más gruesa no es necesaria.

Con respecto a la muestra 2, la muestra 3 y la muestra 4, se observó que el coeficiente de fricción superficial disminuyó gradualmente. Las muestras anteriores corresponden a espesores de hielo de 2 mm, 5 mm y 11 mm, respectivamente. En teoría, el coeficiente de fricción de estas muestras debería ser consistente, mientras que la medición real del coeficiente de fricción fue mayor para la capa de hielo de 2 mm. El análisis sugiere dos razones para esto. Primero, con un espesor de hielo de 2 mm, la microestructura de las partículas de la superficie de la muestra en la capa de hielo tiene un cierto impacto. Incluso si la superficie de hielo de la muestra se coloca horizontalmente, con formación de hielo natural, no es lisa a nivel microscópico. En segundo lugar, el brazo del péndulo entra en contacto con el hielo durante el experimento. El hielo se compacta y se deforma por la fricción del brazo del péndulo debido a la delgadez del hielo y la presión ejercida sobre él. El proceso de fricción del bloque de caucho ondula las partículas superficiales de la pieza de prueba, lo que resulta en un mayor coeficiente de fricción.

Como se muestra en la Figura 4, el coeficiente de fricción del hielo tendió a disminuir rápidamente a medida que aumentaban tanto las nevadas como el espesor de la capa de hielo. Además, tendía a estabilizarse cuando se alcanzaba el espesor del hielo correspondiente a la nieve media. La muestra 1 representa nieve muy ligera adherida a la superficie del pavimento después de la formación de hielo; esto resultó en una reducción en el coeficiente de fricción del pavimento, y su valor de BPN disminuyó en aproximadamente un 43% en comparación con la muestra seca. La muestra 2, la muestra 3 y la muestra 4 corresponden a nieve ligera, media y pesada, respectivamente, y los espesores de la capa de hielo de las tres muestras fueron diferentes después de la formación de hielo. Entre ellos, el valor BPN de la nieve media era solo la mitad del de la nieve ligera porque el espesor de la capa de hielo correspondiente a poca nieve era de solo 2 mm. Por lo tanto, la microestructura de la superficie de la muestra todavía afecta el valor del coeficiente de fricción. Cuando la capa de hielo alcanzó los espesores de nieve media y pesada, la microestructura de la muestra ya no afectó el coeficiente de fricción. La ligera diferencia entre los dos BPN se debe a la diferente extrusión de la lámina de caucho en los diferentes espesores de hielo, lo que conduce a la deformación del hielo. Los BPN de las muestras de nieve pesada, ventisca y ventisca grande fueron los mismos, lo que significa que cuando el espesor del hielo alcanzó los 11 mm, la lámina de goma ya no deformó la capa de hielo compactándola, y los BPN y los valores del coeficiente de fricción permanecieron sin cambios.

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

Tabla 1: Requisitos del índice técnico para la lámina de caucho. Esto se refiere al caucho natural en particular.

Nivel 12h nevadas 24h nevadas
Nieve muy ligera < 0.1 < 0.1
Poca nieve 0.1 – 0.9 0.1 – 2.4
Nieve media 1.0 – 2.9 2.5 – 4.9
Fuertes nevadas 3.0 – 5.9 5.0 – 9.9
Ventisca 6.0 – 9.9 10.0 – 19.9
Gran ventisca 10.0 – 14.9 20.0 – 29.9
Extraordinaria tormenta de nieve ≥15,0 ≥30,0

Tabla 2: Clasificación del nivel de nevadas. La unidad de datos de la tabla es milímetros (mm).

Nivel 24h nevadas (mm) Profundidad de nevadas (mm) Correspondiente al volumen de agua de la muestra (cm3) Correspondiente al espesor del hielo en la muestra (mm)
Nieve muy ligera < 0.1 < 0,8 < 9 0.1
Poca nieve 2.4 19.2 216 2.6
Nieve media 4.9 39.2 441 5.4
Fuertes nevadas 9.9 79.2 891 10.9
Bilzzard 19.9 159.2 1791 21.9
Bilzzard grande 29.9 239.2 2691 32.9
Extraordinaria tormenta de nieve ≥30,0 ≥240 ≥2700 33

Tabla 3: Diferentes niveles de nevadas correspondientes al volumen de agua de la muestra. Las densidades de agua y hielo son 1g/cm 3 y 0.92g/cm3, respectivamente.

Número de muestra Valor del péndulo Temperatura: -1°C Valor medio Atemperar-
Valor de péndulo corregido en ature
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

Tabla 4: Resultados de los coeficientes de fricción de las muestras de asfalto cubiertas de hielo.

Figure 1
Figura 1: El BPT utilizado en el experimento. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: Diferentes muestras con los volúmenes de agua correspondientes. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: Resultados de registro experimental (BPN). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4: Coeficientes de fricción del hielo del pavimento bajo diferentes niveles de nevadas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

El presente trabajo examina el procedimiento para probar el coeficiente de fricción del pavimento helado utilizando un BPT. Varios puntos deben analizarse exhaustivamente y se discuten en detalle aquí. Primero, en términos de la preparación de las muestras de mezcla asfáltica, uno debe tratar de usar asfalto de petróleo de carretera para preparar las muestras, pero esto no es un requisito. La preparación de las muestras de mezcla asfáltica debe realizarse en estricta conformidad con los protocolos experimentales ASTM (D6926-20), ya que esto afecta la precisión de los resultados finales25. Si el coeficiente de fricción de la muestra final es demasiado grande o demasiado pequeño como resultado de una clasificación deficiente de la mezcla, la muestra debe volver a prepararse y analizarse una vez más. Las losas asfálticas preparadas deben mantenerse de acuerdo con los requisitos.

Otro paso crítico es el cálculo de la nevada. La acumulación de nieve es el resultado de la precipitación. Según una investigación realizada por la Oficina Meteorológica de la República Popular China, las nevadas pueden medirse con el siguiente método: se utiliza un recipiente estándar para derretir la nieve, recogida en 12 h o 24 h, en agua, y el valor obtenido con una taza medidora se mide en milímetros (mm), con 1 mm de nevada que representa una profundidad de nieve de aproximadamente 8 mm26 . El tamaño de la muestra de la mezcla asfáltica prefabricada experimental es de 30 cm x 30 cm x 5 cm, y 1 mm de precipitación en la losa de asfalto tiene un volumen de agua de 30 cm x 30 x cm 0,1 cm = 90 cm3. De acuerdo con este método de cálculo, el volumen de agua requerido puede derivarse de la muestra correspondiente con un espesor de capa de hielo de 1,1 mm.

Además, la determinación de la temperatura y el tiempo de congelación también son importantes. En el experimento, el rango de temperatura se establece en -5 °C a -10 °C. Todas las muestras deben congelarse durante al menos 24 h. El tiempo se puede obtener mediante la prueba de congelación de las muestras antes del experimento. En particular, el tiempo obtenido por diferentes equipos con diferentes efectos de congelación puede variar.

A continuación, al calibrar la longitud de deslizamiento de la lámina de goma, el borde más bajo de la lámina de goma debe tocar la superficie de la losa de asfalto. No debe deslizarse hacia adelante con la inercia del brazo oscilante, ya que esto haría que la longitud de deslizamiento difiriera del requisito de 126 mm.

Finalmente, se debe utilizar un método de corrección de temperatura. Estudios previos han indicado que los BPN están relacionados tanto con la temperatura como con el material de la lámina de caucho27. La especificación ASTM (E303-93) requiere el uso de caucho sintético con baja sensibilidad a la temperatura, lo que significa que no hay conversiones de temperatura involucradas24,28. Sin embargo, la mayoría de los experimentos actuales utilizan BPT para la determinación en interiores del coeficiente de fricción para el caucho natural. Los BPN obtenidos de estos experimentos a diferentes temperaturas deben convertirse en valores a temperaturas estándar29. Numerosos estudios han proporcionado una variedad de métodos para la conversión de temperatura BPN30. El presente trabajo emplea el método de Bazlamit et al., ya que proporcionaron fórmulas para la conversión de BPNs a cualquier temperatura a valores a temperaturas estándar31.

Las futuras aplicaciones de ingeniería de este método se relacionan principalmente con el diseño de carreteras y el mantenimiento de carreteras de invierno. Primero, al diseñar carreteras en áreas nevadas y congeladas, los diseñadores deben comprender el nivel local de nevadas, considerar el posible espesor del hielo durante la operación de la carretera y usar el coeficiente de fricción más favorable para el diseño de la carretera. Los coeficientes de fricción correspondientes a diferentes espesores de hielo pueden afectar los valores de pendiente transversal, así como los valores de superelevación en el diseño de carreteras, lo que, a su vez, puede afectar el radio de la curva circular de la carretera. En segundo lugar, nuestros experimentos pueden ayudar a mejorar la eficiencia del mantenimiento del pavimento en invierno, ya que se pueden desarrollar aún más soluciones para garantizar los coeficientes de fricción adecuados de los pavimentos en diferentes espesores de hielo. Según los resultados del documento, el impacto en la conducción del vehículo sigue siendo el mismo una vez que el espesor del hielo en la superficie de la carretera supera los 5 mm. Este trabajo proporciona una referencia para la gestión de carreteras en invierno, sugiriendo que se deben implementar ciertas medidas antes de que el espesor del hielo alcance los 5 mm. Además, el presente estudio muestra que el impacto negativo en la seguridad vial puede ser significativo incluso con trazas de nieve ligera, ya que es más probable que dicha nieve se congele y cause una disminución significativa del coeficiente de fricción de la carretera en un período muy corto.

Además, el método presentado en el documento también tiene algunas limitaciones. Los experimentos de seguimiento deben combinarse con datos reales de carreteras para verificar los resultados experimentales. Además, el rango de nieve media debe dividirse aún más para determinar el valor exacto cuando el coeficiente de fricción ya no depende del espesor del hielo. Las limitaciones del protocolo se relacionan principalmente con la incapacidad de obtener superficies de hielo uniformes en las muestras, lo que en algunos casos conduce a grandes errores experimentales.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

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

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