冰三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)的方法與設(shè)備

張邀丹，李志軍，郭維東，于賀海，梁文章

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院，遼寧 沈陽 110866；2.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024；3.遼寧省石佛寺水庫管理局有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽 110036)

自20世紀(jì)以來，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)冰開展了豐富的研究，關(guān)于冰情監(jiān)測的技術(shù)不斷進(jìn)步[1-2]；冰力學(xué)性能的研究成果越來越豐富[3]。盡管如此，在大部分研究成果報(bào)道中，很少系統(tǒng)的描述測試的設(shè)備和技術(shù)[4-8]。隨著測試技術(shù)和研究方法越來越成熟，不斷有新的成果和技術(shù)被報(bào)道[9]。所以將新老技術(shù)相融和，在原有建議試驗(yàn)技術(shù)方法基礎(chǔ)上[10]，進(jìn)一步完善是十分有必要的。針對(duì)此問題，徐梓竣等[11]對(duì)近期冰單軸壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)的方法與設(shè)備進(jìn)行了詳細(xì)描述。本文結(jié)合冰三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)測試過程的照片，對(duì)試驗(yàn)冰坯采集、試樣制備、測試技術(shù)、測試設(shè)備、測試方法進(jìn)行了詳細(xì)的描述，以供讀者參考借鑒。

1 冰坯采集與試樣制備

1.1 冰坯采集

現(xiàn)場采集冰坯是冰三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)過程中的第一個(gè)環(huán)節(jié)，采樣十分重要。冬季水庫現(xiàn)場采樣條件比較惡劣。采樣的工作量大且受多種條件的制約，如：冰期、冰厚及采樣地點(diǎn)。因此，在進(jìn)行采樣之前應(yīng)該做好充分的準(zhǔn)備工作，列出采樣計(jì)劃，就可以很好的提高采樣時(shí)的工作效率。選取采樣地點(diǎn)時(shí)，要盡可能選在冰面寬闊、裂縫較少且遠(yuǎn)離岸邊和水工建筑物的位置，防止冰樣受岸坡和水工建筑物的擠壓而產(chǎn)生初始裂縫。沈陽石佛寺水庫與遼河相連，本次三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的冰樣于2018年1月取自沈陽石佛寺水庫，采樣中心位置為N42°09.6267′、E123°29.1873′，采樣范圍約為200 m2，水深1.9～2.3 m，采樣時(shí)的冰厚為43 cm。采樣的具體步驟是：選取一塊遠(yuǎn)離岸邊和水工建筑物的平整寬闊的冰區(qū)作為冰坯采集地點(diǎn)，利用GPS對(duì)采樣點(diǎn)進(jìn)行定位。利用記號(hào)筆和直角尺在冰面上畫出70 cm×30 cm的網(wǎng)格，使用電鏈鋸按照網(wǎng)格線鋸出深度1～3 cm的縫隙，使網(wǎng)格線更加清晰。接著用冰鉆在網(wǎng)格線的交點(diǎn)處打孔，直到冰底面，使得相鄰兩塊冰坯能夠更順利分割開，然后繼續(xù)使用電鏈鋸沿著清晰的網(wǎng)格線向下切割，直到距離冰底面10 cm左右。因?yàn)樗畷?huì)影響電鏈鋸的正常工作，所以接下來利用板鋸進(jìn)行切割，直至完全將冰坯切割完畢，最后利用尼龍繩將切割好的冰坯沿滑道拖出水面，放置于冰面上。同時(shí)，要標(biāo)記好冰的生長方向，使用塑料薄膜將取出的冰坯密封存放，防止冰坯風(fēng)化和升華。冰坯采集過程如圖1所示。

1.2 試樣制備

冰的力學(xué)性能受初始裂縫的影響很大，所以，在制備試樣時(shí)要十分細(xì)心，嚴(yán)格避免產(chǎn)生初始裂縫。若在試樣加工時(shí)發(fā)現(xiàn)試樣中存在裂縫，則丟棄該試樣。試樣制備的具體步驟為：先在取出的大冰坯上粗略的畫出10 cm×70 cm×冰厚的長方體冰塊，接著利用電鏈鋸沿著畫好的線將其切開，然后在鋸骨機(jī)上精細(xì)加工7 cm×7 cm×65 cm的標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎曲試樣。最后，為避免試樣風(fēng)化和運(yùn)輸過程中的碰撞，利用塑料袋將加工好的試樣包裝好，并整齊的置于保溫箱內(nèi)，用氣泡紙將保溫箱中的縫隙塞滿。在低于-20 ℃的氣溫下運(yùn)輸?shù)酱筮B理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室低溫環(huán)境實(shí)驗(yàn)室用于試驗(yàn)。三點(diǎn)彎曲試樣制備過程如圖2所示。

圖2 彎曲試樣制備過程

2 冰晶體結(jié)構(gòu)觀測與密度測量

2.1 冰晶體結(jié)構(gòu)觀測

由于冰的彎曲強(qiáng)度與冰的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)有密不可分的關(guān)系，因此進(jìn)行彎曲試驗(yàn)前，先進(jìn)行冰晶體結(jié)構(gòu)觀測。冰晶體結(jié)構(gòu)主要有兩種形式，分別為柱狀冰結(jié)構(gòu)和粒狀冰結(jié)構(gòu)，前者表現(xiàn)為各向異性，后者表現(xiàn)為各向同性。冰晶體結(jié)構(gòu)觀測的詳細(xì)步驟為：在低溫環(huán)境下，將取出的冰坯沿垂直冰面方向從冰表面至冰底面切割出兩塊12 cm×12 cm×冰厚的長方體冰塊，標(biāo)記好冰的生長方向，分別用于制作水平冰晶體薄片和垂直冰晶體薄片。沿著垂直冰面的方向每10 cm切割出一塊垂直冰樣用于觀測垂直冰晶體結(jié)構(gòu)，沿著平行冰面的方向每5 cm切割出一塊水平冰樣用于觀測水平冰晶體結(jié)構(gòu)。將冰樣用于冰晶體結(jié)構(gòu)觀測的側(cè)面用手工刨和砂紙磨平，使其能與玻璃片充分接觸。用熱水袋加熱玻璃片使其溫度略高于0℃，然后將冰樣用于觀測冰晶體結(jié)構(gòu)的側(cè)面貼到玻璃片上，為使冰樣與玻璃片充分接觸，將冰樣側(cè)面貼到玻璃片上時(shí)要迅速的左右滑動(dòng)，排出冰樣與玻璃片之間的氣泡。在玻璃片上要標(biāo)記好試樣順序和生長方向，待冰樣在玻璃片上凍結(jié)穩(wěn)定后，再次使用鋸骨機(jī)切割出5～8 mm的薄冰樣，最后利用手工刨將冰樣厚度修整至0.5 mm左右。利用冰晶體觀測萬向旋轉(zhuǎn)臺(tái)在黑暗環(huán)境中進(jìn)行冰晶體結(jié)構(gòu)觀測，冰晶體觀測、薄片制備過程照片詳見參考文獻(xiàn)[11]。

在進(jìn)行石佛寺水庫冰三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)前，對(duì)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的試樣進(jìn)行了冰晶體結(jié)構(gòu)空間立體分析。隨機(jī)選取了1塊彎曲試樣，分別觀測側(cè)面的豎向冰晶體結(jié)構(gòu)、上下面的橫向冰晶體結(jié)構(gòu)，以及兩端面的豎向冰晶體結(jié)構(gòu)。運(yùn)用上述方法進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)觀測，并將觀測到的冰晶體結(jié)構(gòu)照片進(jìn)行組合，如圖3所示。從彎曲試樣的空間晶體結(jié)構(gòu)圖可以清晰地看出，整根彎曲試樣的冰晶體結(jié)構(gòu)均為顯著的柱狀冰，不存在粒狀冰。這是因?yàn)槭鹚滤畮烀娣e大，冬季遼河防洪閘開度很小，對(duì)水庫幾乎沒有任何影響，水庫水位十分穩(wěn)定，幾乎為靜水。所以在冬季，隨著氣溫的降低，水庫水面迅速凍結(jié)成冰花，然后發(fā)展為初生薄層冰，溫度繼續(xù)下降，冰開始逐漸向下生長，達(dá)到一定冰厚時(shí)，冰生長達(dá)到穩(wěn)定期，其后冰的生長速度越來越慢，冰內(nèi)部組構(gòu)充分發(fā)育。但由于冰晶體與晶體之間的相互約束，所以冰只沿著垂直冰蓋方向向下生長，導(dǎo)致繼續(xù)生長的冰晶體為柱狀冰結(jié)構(gòu)。

圖3 彎曲試樣晶體結(jié)構(gòu)組合

2.2 冰密度測量

冰密度的測量采用質(zhì)量-體積法，此方法需要制作標(biāo)準(zhǔn)的冰塊試樣，在測量試樣的體積和質(zhì)量后，利用密度公式計(jì)算得到試樣冰密度。試樣是否標(biāo)準(zhǔn)是此方法測量冰密度準(zhǔn)確性的主要原因。具體操作步驟為：利用鋸骨機(jī)沿試樣垂直冰面方向，從冰表面至冰底面依次分割成高度為5 cm的垂直冰樣；再用鋸骨機(jī)加工成10 cm×10 cm×5 cm的標(biāo)準(zhǔn)小冰塊；然后使用電子秤測冰塊質(zhì)量；利用游標(biāo)卡尺精確地測量小冰塊各個(gè)邊的長度；最后利用公式計(jì)算冰密度。冰密度測量過程照片、冰晶體觀測薄片制備過程詳見參考文獻(xiàn)[11]。

通過測量冰樣沿垂直冰蓋方向的密度，可以繪制冰密度沿深度方向的分布曲線，如圖4所示。沈陽石佛寺水庫冰密度沿深度方向存在波動(dòng)，冰密度發(fā)生波動(dòng)的主要原因是：冰內(nèi)有氣泡、泥沙和其他雜質(zhì)。本次試驗(yàn)測得冰密度變化范圍為880.0～903.1 kg/m3。

圖4 冰密度沿深度方向的變化曲線

3 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

使用中南大學(xué)電子設(shè)備廠制造的PPM226-LS2-1負(fù)載傳感器測量力的大小，其最大容量為10 kN，線性度為0.2%。使用日本大阪松下LM10微型激光傳感器測量加載點(diǎn)的位移，其測量范圍為200 mm，線性度為0.2%，分辨率為0.02 mm。為了獲取小應(yīng)變速率范圍內(nèi)冰的三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度，本次試驗(yàn)采用了減速比為1∶18 000的二級(jí)減速機(jī)，利用其帶動(dòng)電動(dòng)液壓式頂推千斤頂進(jìn)行加載。三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)設(shè)備圖如圖5所示。

圖5 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)設(shè)備

3.2 數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)設(shè)備

數(shù)據(jù)采集設(shè)備為數(shù)據(jù)采集卡和電阻應(yīng)變儀。通過在電腦上安裝以太網(wǎng)數(shù)據(jù)采集程序，同步存儲(chǔ)試驗(yàn)中獲得的力和位移的電壓值。由于數(shù)據(jù)采集卡和電阻應(yīng)變儀采集的均為電壓值，所以在進(jìn)行彎曲試驗(yàn)前，先要對(duì)負(fù)載傳感器和微型激光傳感器進(jìn)行標(biāo)定。測得力的電壓值與力的線性關(guān)系，以及位移電壓值與位移的線性關(guān)系。在計(jì)算彎曲應(yīng)力時(shí)，需要將力和位移的電壓值按試驗(yàn)前標(biāo)定的公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度的力值和位移值。數(shù)據(jù)采集設(shè)備如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

3.3 試驗(yàn)操作步驟

三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的具體操作步驟為：在進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)前，先將三點(diǎn)彎曲試樣置于低溫恒溫箱中，將恒溫箱溫度設(shè)置為設(shè)計(jì)的試驗(yàn)溫度，將冰樣恒溫24 h以上，使冰樣充分達(dá)到熱平衡狀態(tài)。進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)時(shí)，先從恒溫箱取出一塊冰樣，用直尺測得冰樣的中間位置，做好標(biāo)記。將冰樣對(duì)稱置于電動(dòng)液壓式頂推千斤頂壓頭下方的加載臺(tái)上，啟動(dòng)液壓制動(dòng)器，手動(dòng)調(diào)整壓頭的位置，使壓頭對(duì)準(zhǔn)冰樣頂端的中點(diǎn)。然后將減速機(jī)與控制頂推千斤頂位移速率的接口對(duì)接上，使得可以利用減速機(jī)控制液壓制動(dòng)器加壓。先啟動(dòng)以太網(wǎng)采集程序，設(shè)置數(shù)據(jù)采集文件，再開啟頂推千斤頂和減速機(jī)，將彎曲力(P)施加到冰樣的中部。壓頭持續(xù)加載冰樣直至發(fā)生彎曲破壞，關(guān)閉液壓機(jī)和數(shù)據(jù)采集程序，并保存采集數(shù)據(jù)，一次三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)加載結(jié)束。并對(duì)破壞的冰樣進(jìn)行拍照，以分析三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)冰樣的破壞形式。將頂推千斤頂和減速機(jī)開關(guān)恢復(fù)到初始位置，建立下一個(gè)數(shù)據(jù)采樣文件，重復(fù)做下一個(gè)冰樣。三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)過程照片如圖7所示。

圖7 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)操作過程

3.4 試驗(yàn)結(jié)果

在冰三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中，根據(jù)三點(diǎn)加載的梁彎曲理論，彎曲強(qiáng)度σf通過使用線彈性理論計(jì)算，公式如下：

σf=3PL/2bh2

(1)

載荷作用點(diǎn)底部的應(yīng)變與應(yīng)變速率計(jì)算公式如下：

ε=6hδ/L2

(2)

(3)

圖8給出了-4 ℃的三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度隨應(yīng)變速率的變化關(guān)系。本組彎曲試驗(yàn)加載的應(yīng)變速率范圍為1.29×10-7～5.30×10-3s-1，在溫度為-4 ℃時(shí)，測得三點(diǎn)彎曲應(yīng)力強(qiáng)度為2.27±0.39 MPa。通過對(duì)本組彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，沒有發(fā)現(xiàn)加載方向影響冰的彎曲強(qiáng)度，但可以發(fā)現(xiàn)冰的彎曲性能對(duì)應(yīng)變速率很敏感。隨著應(yīng)變速率的增加，冰的彎曲強(qiáng)度不斷增加，彎曲強(qiáng)度增大到一定值后，隨應(yīng)變速率增加逐漸減小。彎曲強(qiáng)度最大值一般出現(xiàn)在冰韌脆轉(zhuǎn)變的過渡區(qū)。在溫度為-4 ℃的試驗(yàn)中，測得冰的彎曲強(qiáng)度最大值為3.14 MPa，冰彎曲實(shí)驗(yàn)韌脆轉(zhuǎn)變的過渡區(qū)發(fā)生在1.46×10-6～3.54×10-5s-1之間。

圖8 彎曲強(qiáng)度與應(yīng)力速率的關(guān)系

3.5 彎曲破壞形式

冰三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)試樣破壞面的型式比較簡單，主要為根型破壞、X型破壞和Y型破壞。其中超過50%的破壞面呈Y型破壞。彎曲試樣破壞時(shí)，上部受壓區(qū)因壓縮而呈現(xiàn)為乳白色，且下部受拉區(qū)多為破碎的三棱柱塊。圖9為彎曲破壞面的型式。

圖9 彎曲破壞面的形式

4 結(jié) 語

以沈陽石佛寺水庫淡水冰的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)為例，系統(tǒng)的闡述了三點(diǎn)彎曲的試驗(yàn)方法。包括現(xiàn)場冰坯的采集與三點(diǎn)彎曲標(biāo)準(zhǔn)試樣的制備、冰晶體薄片制備和冰晶體結(jié)構(gòu)觀測、冰密度測量、試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式、試驗(yàn)操作步驟和試驗(yàn)獲得的應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系以及試樣的破壞形式。目前諸多學(xué)者研究冰三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度均會(huì)采用本試驗(yàn)方法，希望能夠?yàn)樗搜芯刻峁﹨⒖肌?/p>