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

Riepilogo

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.

Introduzione

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 Canada^10,11. 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 attrito^22,23. 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.

Protocollo

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:
      
      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).

Risultati

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 spessor...

Discussione

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 pr...

Materiali

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