降雪量の異なる氷舗装の摩擦係数の決定

要約

ここでは、室内の氷厚の異なる舗装の摩擦係数を決定する方法を紹介します。完全な手順には、機器の準備、降雪量の計算と分析、機器のキャリブレーション、摩擦係数の決定、およびデータ分析が含まれます。

要約

路面の氷は摩擦係数の大幅な減少につながり、運転の安全性を危険にさらす可能性があります。しかし、氷で覆われた舗装の正確な摩擦係数値を提供する研究はまだなく、道路設計と冬の道路整備対策の選択の両方に有害です。そこで本稿では、冬季の凍った路面の摩擦係数を求める実験手法を提示する。振り子摩擦係数計としても知られる英国のポータブルテスター(BPT)が実験に採用されました。実験は、装置の準備、降雪量の計算と分析、装置の校正、摩擦係数の決定、およびデータ分析の5つのステップに分けられました。最終実験の精度は、詳細に説明されている機器の精度に直接影響されます。さらに、この記事では、対応する降雪量の氷の厚さを計算する方法を提案します。この結果は、非常に軽い降雪によって形成された斑状の氷でさえ、舗装の摩擦係数の大幅な減少につながり、運転の安全性を危険にさらす可能性があることを示しています。さらに、氷の厚さが5mmに達すると摩擦係数がピークになるため、そのような氷の形成を回避するための保護対策を講じる必要があります。

概要

舗装摩擦は、車両のタイヤと下地の路面¹との間のグリップとして定義される。道路設計における舗装摩擦に最も一般的に関連する指標は、舗装摩擦係数です。摩擦は道路設計において最も重要な要素の1つであり、耐久性に次ぐものです。舗装摩擦性能と事故リスクの間には強く明確な相関関係があります²。例えば、交通事故率と舗装のすべり抵抗との間には有意な負の相関がある^3,4,5。舗装摩擦の減少にはいくつかの要因が寄与する可能性があり、これらの要因の中で最も直接的で影響力のある要因の1つは降雪^量6です。具体的には、降雪により舗装上に氷が形成され、それによって道路摩擦係数^7,8が大幅に低下します。フィンランド南部の交通事故率に影響を与える要因に焦点を当てた研究では、事故率は一般的に大雪の日にピークに達し、10cmを超える雪が事故率の2倍につながる可能性があることが指摘されています⁹。同様の結果は、スウェーデンとカナダの両方で実施された研究でも発見されています^10,11。したがって、雪で凍った舗装の摩擦特性を研究することは、交通安全を改善するために重要です。

凍った舗装の摩擦係数の決定は、降雪レベルや舗装の氷の厚さによって摩擦係数が変化する可能性があるため、複雑なプロセスです。さらに、温度やタイヤの特性の変化も摩擦係数に影響を与える可能性があります。過去には、氷上でのタイヤの摩擦特性を研究するために数多くの実験が行われてきました¹²。しかし、個々の環境やタイヤの特性の違いにより、一貫した結果が得られず、理論研究の基礎として使用することができます。そのため、多くの研究者が氷上でのタイヤの摩擦を解析するための理論モデルの開発を試みてきました。Hayhoeと^Sahpley13 はタイヤと氷の界面での湿式摩擦熱交換の概念を提案し、Pengら¹⁴ は上記の概念に基づいて摩擦を予測するための高度なデータモデルを提案した。さらに、Klapprothは、滑らかな氷上の粗いゴムの摩擦を記述するための革新的な数学的モデルを提示^{しました15}。ただし、上記のモデルには、主に氷上でのタイヤの摩擦特性を正確かつ効率的に特性評価できないため、重大な誤差があることが示されています¹⁶。

理論モデルの誤差を減らすためには、大量の実験データが必要です。フィンランド気象庁は、氷の舗装摩擦を予測するための摩擦モデルを開発し、そのモデルの公式は、主に道路気象観測所から得られたデータと統計分析に基づいていました¹⁷。さらに、Ivanovićらは、氷上でのタイヤの摩擦特性を分析することによってかなりの量の実験データを収集し、回帰分析によって氷の摩擦係数を計算しました¹⁸。Gaoらはまた、レーベンベルク・マルクアルト(LM)最適化アルゴリズムとニューラルネットワークを組み合わせて、氷上の摩擦係数の公式を得ることによる、タイヤ-ゴム-氷の牽引の新しい予測モデルを提案し^ました19。上記のモデルはすべて、実際に検証または適用されているため、実行可能であると考えられています。

理論的方法に加えて、積雪地および凍結地域の舗装の摩擦係数を測定するための多くの実用的な方法が開発されている。天候の特殊性により、これらの方法はスウェーデン、ノルウェー、フィンランドなどの北欧諸国で広く使用されています²⁰。スウェーデンでは、主にBV11、SFT、BV14の3種類の摩擦測定装置が使用されています。冬のメンテナンス評価用に特別に開発されたデュアル摩擦試験機であるBV14は、測定車両に直接接続され、両方の車輪経路の乾燥摩擦を同時に測定します²⁰。フィンランドでは、摩擦測定車(TIE 475)が冬の道路メンテナンス評価に使用されますが、ノルウェーでは、ROAR摩擦測定装置(水なし)が一般的に使用される機器です²。スウェーデン、ノルウェー、フィンランドで実施されている冬の摩擦測定のほとんどは、ABSを備えた通常の乗用車とブレーキ^2,20での減速を測定する機器を使用して実行されています。この方法の利点は、それが単純で比較的安価であることであり、そして主な欠点は、方法の精度が非常に低いことである。

上記の研究は、氷上の摩擦係数を予測および検出するための方法を提供します。しかし、道路設計者を導くための統一された方法と特定の値はまだ提供されていません。さらに、冬の道路では、タイヤと氷の間の摩擦係数は、異なる氷の厚さに関して異なる場合があり、異なる処分措置も実施する必要があります²¹。そこで本稿では,降雪量の異なる凍結道路の摩擦係数を求めることを目的とする.

国際的には、英国のポータブルテスター(BPT)とスウェーデン道路交通研究所のポータブル摩擦テスター(VTI PFT)が、現在、摩擦係数^22,23を測定するために最も一般的に使用されている機器です。PFTは、VTIによって開発されたポータブル摩擦試験機であり、オペレータが直立位置で測定を行い、コンピュータ²²にデータを保存することを可能にする。PFTはほとんどの輪郭のある道路標示を測定できますが、現在利用可能な機器の数はまだ非常に少ない^です2。BPTは、英国道路研究所(RRL、現在のTRL)によって開発された振り子摩擦係数試験機です。この装置は、ゴム製のスライダーエッジが試験面上で推進される場合のエネルギー損失を測定するために使用される動的振り子衝撃タイプのテスターです。結果は英国振り子番号(BPN)として報告され、このテスターに固有であり、他のデバイスのものと直接同等ではないことを強調しています²⁴。この器具は、実験舗装場²³における摩擦係数の決定に有用であることが示されている。この実験では、摩擦係数の決定にBPTを使用します。

本研究では、室内の降雪量に応じた凍結舗装の摩擦係数を測定するための実験手順について説明します。実験的なキャリブレーション、実験の実施、データ分析の方法など、実験で注意すべき問題について詳しく説明します。本実験手順は、1)装置の準備、2)降雪量の計算と分析、3)装置の校正、4)摩擦係数の決定、5)データ分析の5つのステップに要約できます。

プロトコル

1.機器の準備

1. ティッカー
   1. BPT(図1)が耐用年数内にあり、表面が清潔で損傷していないことを確認します。
      注意: BPTのコンポーネントは、ベース、レベリングスパイラル、レベリングバブル、ポインター、振り子、リフティングスパイラル、固定スパイラル、ハンドル、およびダイヤルです。
2. アスファルトスラブ
   1. 実験に使用するアスファルト混合物のサンプルサイズが30 cm x 30 cm x 5 cmであることを確認してください。
3. 冷凍装置
   1. 使用する冷凍装置が-20°Cから0°Cの間の温度を自由に調整できることを確認してください。
4. 実験で使用する他の機器を準備します:三脚、測定シリンダー、ゴムシート、舗装温度計、スライド長さ定規、およびブラシ。
   注:実験で使用したゴムシートのサイズは6.35 mm x 25.4 mm x 76.2 mmであり、 表1²⁴に示す品質要件を満たす必要があります。
   1. ゴムシートに次の欠陥がないことを確認してください:1)油汚れ。2)幅方向のエッジ摩耗が3.2mmを超える。または3)縦方向は1.6mmを超える摩耗をします。
   2. 新しいゴムシートを使用する前に、公式テストに使用する前に、乾燥した表面でBPTを使用してゴムシートを10回測定することを確認してください。

2. 降雪量の計算と分析

注: 表 2 に降雪クラスの分類を示します。極端な場合を考慮すると、機器は研究を実施するために24時間の降雪を必要とします。

1. 実験を容易にするために、降雪量の各レベルの上限を使用して対応する計算と分析を実行します。
   注:降雪深のさまざまなレベルと、計算後のサンプルの対応する水量を 表3に示します。実験では異常な吹雪の影響は考慮されておらず、非常に軽い雪から大きな吹雪までのカテゴリには1から6までの番号が付けられました。

3.機器のキャリブレーション

1. レベリングとゼロ調整
   1. BPTを適切な位置に配置します。
      注意: 適切な位置とは、地面が平らで甌穴がないことを意味します。
   2. BPTのベースでレベリングスパイラルを回転させて、レベリングバブルが中央の位置にあることを確認します。
   3. 固定スパイラルを緩め、リフティングスパイラルを回転させて振り子を持ち上げて自由に揺らしてから、固定スパイラルを締めます。
   4. 振り子アームを振り子テーブルの右側のカンチレバーに置き、ポインターをアームと同じ高さの右側に回転させながら、アームを水平位置に保ちます。
   5. リリースボタンを押すと、振り子アームが自由に揺れます。振り子が最低点を横切って最高点に達したら、手で持ちます。
      注 : 正確な場合、この時点でポインタは 0 を示すはずです。
   6. ポインタにゼロ点が表示されない場合は、ゼロ調整ナットを緩めるか締め、ポインタがゼロ点を示すまで手順 3.1.4 と手順 3.1.5 を繰り返します。
2. 摺動長さの校正
   1. ゴムシートの最下端がアスファルトスラブの表面に触れるように固定スパイラルを緩めながら、アスファルトスラブを振り子の真下に置きます。
   2. 摺動長さ定規を用意し、ゴムシートに近づけます。
   3. スライドレングス定規の左目盛りがゴムシートの最下端と同じ高さになるように、キャリングハンドルを持ち上げます。
   4. キャリングハンドルを持ち上げ、振り子を右に動かして、ゴムシートの最下端がアスファルトスラブの表面に触れるようにします。
   5. スライドレングス定規がゴムシートの端と同じ高さになっているかどうかを確認します。もしそうなら、摺動長さは126mmの要件を満たしています。それ以外の場合は、次の操作を続行します。
   6. リフティングスパイラルを回して振り子の高さを調整し、手順3.2.3〜3.2.5を繰り返して、要件を満たすようにスライドの長さを調整します。
   7. 微調整が必要な場合は、ベースのレベリングスパイラルをひねります。
      注意: 調整中は、レベリングバブルを中央に残しておく必要があります。

4.摩擦係数の決定

1. 7つのアスファルトスラブピースを選択し、ブラシで洗浄し、室温で自然乾燥させます。
2. アスファルトスラブに1〜7の順に番号を付けます。
3. アスファルトスラブを型に入れ、同時に水層で冷却および凍結します。
   注:この実験では、7つのサンプルを-10°Cの制御された温度で24時間冷凍庫に入れました。対応する水量を持つさまざまなサンプルを 図2に示します。
   1. サンプル1:非常に軽い雪をシミュレートするには、アスファルトサンプルに9 cm³ の水を注ぎます。アスファルトスラブ表面の空隙を水で満たし、隆起した部分を水平にします。氷層は、サンプル表面のアスファルト粒子を完全に覆うことは期待されていません。したがって、いくつかの粒子が露出し、この現象は斑状の氷として知られています。
   2. サンプル2:小雪をシミュレートするには、メスシリンダーを使用してアスファルトサンプルに216 cm³ の水を注ぎます。予想される着氷厚は2.17 mmです。この場合、水層はサンプルの表面を完全に覆っています。アイシング後は完全に凍結する必要があります。
   3. サンプル3:中程度の雪をシミュレートするには、メスシリンダーを使用してアスファルトサンプルに441 cm³ の水を注ぎます。予想される氷の厚さは5.4 mmです。
   4. サンプル4:大雪をシミュレートするには、メスシリンダーを使用してアスファルトサンプルに891cm3の水を注ぎます。予想される氷の厚さは11 mmです。
   5. サンプル5:吹雪をシミュレートするには、メスシリンダーを使用してアスファルトサンプルに1,791cm3の水を注ぎます。予想される氷の厚さは22.1 mmです。
   6. サンプル6:大きな吹雪をシミュレートするには、メスシリンダーを使用してアスファルトサンプルに2,691 cm³ の水を注ぎます。予想される氷の厚さは33.2 mmです。
   7. サンプル7:比較のために、乾燥凍結サンプルとして水を追加せずに、サンプルを冷凍庫に直接入れて冷却します。
4. 凍結後、冷凍庫からサンプルを取り出します。次に、金型を取り外し、以前に水平にしてゼロにしたBPTセンターに配置します。
5. 舗装温度計を使用して、サンプルの表面温度を測定し、記録します。
6. 摺動距離が126mmになるように摺動長校正を行います。
7. 振り子アームリリーススイッチを押します。振り子アームが最低点を横切り、最高点に振ったら、手で持って結果を読んで記録します。
8. 振り子アームとポインターの両方をそれぞれゼロ位置と水平位置に戻します。
   注意: スライドの長さは、新しいサンプルをテストするたびに再校正する必要があります。
9. この手順を合計10回繰り返し、7つのサンプルを順番に測定します。
   注:各サンプルには10個の測定読み出しがあり、最小値と最大値の両方の差は3未満である必要があります。

5.データ分析

1. 図3のデータを表に記録し、測定結果を平均して最終結果(表4)を得る。
2. 振り子値の温度補正
   1. 温度値の測定値を次の式に入力して、温度補償されたBPN値を取得します。
      
      注:元の式で使用されている温度単位はケルビンですが、実験温度はすべて摂氏であるため、温度変換を実行する必要があります。2 つの温度単位は次のように変換されます。
      T (K) = 273.15 + T (^oC)
   2. 表4の平均BPN値から補償BPN値を差し引き、最終的な温度補償BPN値を求めた。
   3. 表4の最終的なBPN値を棒グラフとしてプロットすると、より直感的な結果が得られます(図4)。

結果

表4のサンプル7は乾燥サンプル対照群であり、残りのサンプル1〜6は非常に軽い雪から大きな吹雪までの氷の厚さに対応しています。

試料7と他の6群を比較すると、舗装の摩擦係数を有意に低下させる氷の形成が観察された。さらに、舗装摩擦係数は氷厚の増加とともに減少し、氷厚は中積雪に相当する5mmで安定する傾向が見られた。最終的な氷摩擦係数は、...

ディスカッション

本稿では,BPTを用いて凍結舗装の摩擦係数を試験する手順を検討する.いくつかの点を包括的に分析する必要があり、ここで詳しく説明します。まず、アスファルト混合物サンプルの調製に関しては、道路石油アスファルトを使用してサンプルを調製しようとする必要がありますが、これは必須ではありません。アスファルト混合物サンプルの調製は、最終結果の精度に影響を与えるため、ASTM(...

資料

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Freezing equipment	Haier Group	BC/BD-251HD
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Rubber sheet	Jiangsu Muyang Xinchen Highway Instrument Co., LTD	785120123500
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