冰單軸壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)的方法與設(shè)備

徐梓竣，張邀丹，李志軍，阿拉烏拉·勞瑞

(1.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；2.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院， 遼寧 沈陽 110866；3.芬蘭赫爾辛基大學(xué)拉米生物站，赫爾辛基 拉米 16900)

冰是寒區(qū)工程中不可避免的自然現(xiàn)象。在水利工程和土木工程中，結(jié)構(gòu)或者非結(jié)構(gòu)抗冰防冰措施都要用到冰的工程力學(xué)性質(zhì)。這就需要測試冰工程力學(xué)性質(zhì)的參數(shù)。由于冰工程力學(xué)性質(zhì)行為受冰物理性質(zhì)的控制，因此，測試冰工程力學(xué)性質(zhì)的同時(shí)，必須測試冰的物理性質(zhì)指標(biāo)。在水利工程中，關(guān)于黃河冰情條件的成熟測試技術(shù)方法有相關(guān)報(bào)道[1]；關(guān)于偏遠(yuǎn)地區(qū)人工調(diào)查的研究成果也有報(bào)道[2]。特別是在近幾年，冰的力學(xué)性質(zhì)研究成果并不算少[3]；測試技術(shù)和測試內(nèi)容也在擴(kuò)展，但相關(guān)研究的測試技術(shù)都是在文中給予較少的描述[4-6]。盡管一些特別新的測試技術(shù)有專門文章報(bào)道[7]，仍然很有必要結(jié)合新技術(shù)的發(fā)展和設(shè)備的更新，在原有建議試驗(yàn)方法基礎(chǔ)上[8]，進(jìn)一步更新。本文就是對近期冰單軸壓縮強(qiáng)度的測試技術(shù)方法和設(shè)備進(jìn)行描述，并給出相關(guān)照片展示試驗(yàn)方法和設(shè)備。

1　冰坯采集

內(nèi)蒙古烏梁素海屬于黃河的河跡湖，在2016年1月采樣時(shí)的冰厚為40～43 cm，屬于厚度薄的情況，能夠使用鋸實(shí)現(xiàn)冰坯的采集。這時(shí)采集冰坯的具體過程為：選擇一處平整的冰區(qū)作為采冰場地，用標(biāo)記筆在選好的采冰場地內(nèi)，按照70 cm×50 cm的面積劃分網(wǎng)格；利用電鏈鋸按照網(wǎng)格線鋸出深約1 cm的縫隙，使網(wǎng)格線更加清晰；接著用電鏈鋸沿縫隙按垂直冰面方向切割，在切割到距離水面約8～10 cm時(shí)，由于電鏈鋸遇到水會影響工作，因此，采用人工板鋸繼續(xù)切割；最后將切出的冰坯沿提前做好的滑道拖出水面，置于冰面上，并標(biāo)記出冰的生長方向，以確保在加工試樣時(shí)加載方向的正確性。首先要將取出的冰坯進(jìn)行粗加工以方便后續(xù)的試樣加工。具體方法是沿著冰坯長邊的方向，每隔10 cm用標(biāo)記筆做好一個(gè)記號，然后用電鏈鋸在標(biāo)記的位置沿著垂直于冰面的方向?qū)⒈麂彸啥鄠€(gè)約為10 cm×40 cm×40 cm的長方體冰樣，并再次分別標(biāo)記好冰的生長方向。由于要制作加載方向垂直于冰面和平行于冰面的兩種冰樣，要用電鏈鋸沿著垂直于冰面的方向或平行于冰面的方向?qū)㈤L方體冰樣切割成4塊約為10 cm×10 cm×40 cm的長方體冰樣，密封包裝在泡沫保溫箱中準(zhǔn)備好，運(yùn)輸?shù)酱筮B理工大學(xué)的低溫環(huán)境實(shí)驗(yàn)室中存放。圖1(a)和圖1(b)是用鋸采集冰坯的過程。

圖1　冰坯采集過程

在黃河和極地，冰的厚度超過100 cm。這時(shí)使用鋸采集冰坯存在困難，需要采用冰芯鉆鉆取冰樣，見圖1(c)。具體操作過程為：用麻花鉆在冰面上鉆孔測量冰厚，配合冰芯鉆進(jìn)行前期準(zhǔn)備；將冰芯鉆垂直于冰面放置，由發(fā)動(dòng)機(jī)或手動(dòng)驅(qū)動(dòng)，使鉆筒螺旋深入冰內(nèi)；冰芯被鉆透后裝入鉆筒中，取出后用冰芯袋包裝好放置于泡沫保溫箱中貯存。

2　冰晶體結(jié)構(gòu)與密度測量

2.1　冰晶體薄片的制備

由于冰生長環(huán)境和生長過程的差異性，冰存在著兩種晶體結(jié)構(gòu)類型：粒狀冰結(jié)構(gòu)和柱狀冰結(jié)構(gòu)。冰晶體結(jié)構(gòu)需要在正交的偏光鏡下觀察，它需要一種特殊的設(shè)備——費(fèi)氏臺。這時(shí)必須制作貼在玻璃上的薄冰片。野外現(xiàn)場和低溫實(shí)驗(yàn)室制備薄冰片的具體操作步驟為：在低溫環(huán)境下，從已經(jīng)標(biāo)記了生長方向的冰坯上，沿著垂直于冰面的方向用電鏈鋸切下兩塊約為10 cm×10 cm×冰坯厚度的近似長方體冰樣，并重新標(biāo)記好冰的生長方向，兩塊長方體冰樣分別用來制備冰晶體結(jié)構(gòu)的水平薄片與豎直薄片；選擇氣溫低于-5 ℃的背陰處場所或者低溫環(huán)境試驗(yàn)室內(nèi)對切下的冰樣進(jìn)行切片，確定好冰樣的上下表面，根據(jù)冰的厚度對冰樣進(jìn)行了分層；對于觀察平行于冰面的冰晶體，沿著平行于冰面的方向，以5 cm為間隔，畫出標(biāo)記線；對于觀察豎直于冰面的冰晶體，沿著平行于冰面的方向，以10 cm為間隔，畫出標(biāo)記線；然后用鋸骨機(jī)或者手鋸沿著標(biāo)記線進(jìn)行切割；在切好的厚冰片上再次標(biāo)記冰的生長方向，并編上序號，明確厚冰片自冰面上向下的順序；用刨刀將切好的厚冰片需要觀測的一面進(jìn)行打磨，使其放置于玻璃片上時(shí)能與之充分接觸；玻璃片要用電熨斗進(jìn)行輕微加熱，有助于和厚冰片凍結(jié)在一起；在把厚冰片放到玻璃上時(shí)，為了消除接觸面上的氣泡，要注意放上之后進(jìn)行左右滑動(dòng)；然后讓冰塊在玻璃上凍結(jié)；之后，再用鋸骨機(jī)將厚冰片切割成5 mm左右的薄冰片；將切好的5 mm左右的薄冰片用刨刀削薄到1 mm左右，并在玻璃片上標(biāo)好序號；最后可以將打磨完成的冰片放到費(fèi)氏臺下，通過偏光鏡觀測冰晶體。圖2是制備冰晶體薄片的過程。

2.2　冰晶體結(jié)構(gòu)的觀測

圖3給出部分烏梁素海湖冰的晶體結(jié)構(gòu)，它們分別是沿垂直冰面方向切片的晶體照片和沿平行冰面方向切片的晶體照片。理論上，烏梁素海是一個(gè)面積很大、水流速度很慢的淡水湖，可以將其看作是靜止的水體。在冬季，隨著當(dāng)?shù)貧鉁氐慕档?，水面與空氣會產(chǎn)生極大的溫差，此時(shí)水面上的水會快速凍結(jié)成冰花，然后發(fā)展為冰層。一般而言，冰層表面的晶體為粒狀冰結(jié)構(gòu)；隨著冰逐漸向水面下生長，冰厚度增加，凍結(jié)的速度也較慢，此時(shí)冰晶體可以充分發(fā)育。但冰晶體之間的相互束縛，導(dǎo)致其只能沿著豎直方向向下生長，因此繼續(xù)生長的冰晶體為柱狀冰結(jié)構(gòu)；隨著冰繼續(xù)生長，由于不斷有晶體受其它晶體影響而停止生長，因此隨著冰厚的加深，晶體數(shù)量變少，晶體的平均粒徑增加。通過冰晶體照片，可以看出：烏梁素海的冰晶體結(jié)構(gòu)為柱狀冰結(jié)構(gòu)。其表面卻沒有理論分析上的粒狀冰結(jié)構(gòu)。

圖2　制備冰晶體觀測薄片過程

圖3　冰晶體結(jié)構(gòu)圖

2.3　冰密度測量

冰密度的測量包括質(zhì)量-體積法和排液法。近期的河冰和湖冰研究中主要采用質(zhì)量-體積法。用鋸骨機(jī)加工出10 cm×10 cm×5 cm的標(biāo)準(zhǔn)長方體試樣，其中5 cm為沿冰厚度方向。用游標(biāo)卡尺再次測量試樣的準(zhǔn)確長度、寬度、厚度，然后計(jì)算試樣的體積；并用電子秤稱取試樣的質(zhì)量，質(zhì)量與體積的比值就是冰密度。但是這種方法有兩個(gè)缺點(diǎn)：一是在野外制作標(biāo)準(zhǔn)試樣有難度；二是氣溫過高時(shí)試樣會融化，使測得的密度偏低。因此，在測量試樣時(shí)需要用游標(biāo)卡尺多次測量取平均值，并且要保證測量現(xiàn)場的低溫環(huán)境。烏梁素海湖冰的密度測量結(jié)果為860～920 kg/m3。圖4是在現(xiàn)場進(jìn)行冰密度測量的過程。

圖4　冰密度測量過程

3　冰試樣制備

冰試樣的制備是在低溫環(huán)境實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的。具體過程是：將烏梁素海運(yùn)回來的粗加工好的長方體冰樣，使用鋸骨機(jī)將它們加工為試驗(yàn)需要的7 cm×7 cm×17.5 cm的標(biāo)準(zhǔn)長方體試樣[8]；將加工好的標(biāo)準(zhǔn)試樣用塑料袋裝好放到泡沫保溫箱中，等待試驗(yàn)。要在塑料袋上標(biāo)記好試樣的長軸方向垂直或平行冰面，用塑料袋的目的是防止試樣粘到一起，并且防止試樣因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室的不斷鼓風(fēng)而風(fēng)化。制備的試樣在進(jìn)行試驗(yàn)之前需要在恒溫箱內(nèi)恒溫24 h以上，使試樣充分達(dá)到熱平衡。圖5是加工與恒溫試樣所需的鋸骨機(jī)和恒溫箱。

圖5　試樣制備使用的鋸骨機(jī)與恒溫箱

當(dāng)使用冰芯鉆采集冰芯來加工標(biāo)準(zhǔn)試樣時(shí)，一般采用直徑為7 cm，高度17.5 cm的圓柱樣。這時(shí)需要車床和銑床來加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣。圖6是實(shí)驗(yàn)室裝備的圓柱試樣加工設(shè)備。

4　單軸壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)

4.1　試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所需的主要加載設(shè)備是長春試驗(yàn)機(jī)研究所有限公司生產(chǎn)的CSS-44100型電子萬能試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)包括了主機(jī)、附件以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等部分，配合EDC222數(shù)字控制器、低溫恒溫試驗(yàn)箱、低溫恒溫循環(huán)浴等設(shè)備共同組成。在試驗(yàn)完成后能夠直接在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，導(dǎo)出試驗(yàn)數(shù)據(jù)、試驗(yàn)曲線。

為了能在常溫下營造一個(gè)低溫的試驗(yàn)環(huán)境，由大連北方分析儀器有限公司對該試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行改造。在試驗(yàn)機(jī)的橫梁和底板之間安裝了低溫恒溫試驗(yàn)箱，該低溫恒溫試驗(yàn)箱是通過BF-200型循環(huán)冷浴來實(shí)現(xiàn)局部低溫試驗(yàn)環(huán)境。在試驗(yàn)箱內(nèi)部裝有Pt1000型溫度傳感器以及SR253型溫控表，精度可以達(dá)到0.1 ℃，以保證嚴(yán)格控制試驗(yàn)溫度。同時(shí)箱內(nèi)還安裝了空氣對流風(fēng)道和照明燈，來保證箱內(nèi)均勻的溫度場以及通過真空絕熱玻璃窗來觀察試樣的破壞現(xiàn)象。此外，還用強(qiáng)度、剛度極大的電木材料桿替換了原有的鋼質(zhì)壓力連接桿，并用尼龍材料替換了原先鋼質(zhì)的上下壓頭，以阻斷試驗(yàn)箱內(nèi)外之間的熱交換。同時(shí)在尼龍壓頭處安裝了細(xì)小的彈簧，保證試樣在壓縮過程中上下表面能夠與壓頭充分接觸。通過上述試驗(yàn)機(jī)的技術(shù)改造和完善，為冰單軸壓縮強(qiáng)度測試提供了良好的試驗(yàn)技術(shù)，保障了獲取到可靠的數(shù)據(jù)。圖7是試驗(yàn)所用設(shè)備。

圖7　試驗(yàn)設(shè)備

4.2　試驗(yàn)步驟

冰單軸壓縮試驗(yàn)的具體步驟為：

(1)將低溫環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的低溫恒溫箱設(shè)置到試驗(yàn)所需的溫度，等待其完成內(nèi)部的降溫。

(2)測量冰試樣的長度、寬度、高度后，將試樣用塑料袋密封，然后裝入達(dá)到試驗(yàn)溫度的恒溫箱中進(jìn)行恒溫，恒溫時(shí)間要達(dá)到24 h以上，以保證試樣的內(nèi)部也達(dá)到試驗(yàn)所需溫度。

(3)提前開啟低溫恒溫循環(huán)浴，使低溫恒溫試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度達(dá)到試驗(yàn)所需溫度。

(4)將恒溫了24 h以上的冰試樣裝入保溫箱中，快速拿到低溫恒溫試驗(yàn)箱過程中，要迅速開關(guān)箱門，減少箱內(nèi)與箱外空氣間的熱交換。

(5)將試樣放到下壓頭中心處時(shí)，要保證試樣的幾何軸線與試驗(yàn)機(jī)的中心線在同一條直線上，保證加載的均勻性，防止出現(xiàn)偏心加載的現(xiàn)象。

(6)放好試樣后，調(diào)整下壓頭的位置使其剛好與試樣的上表面接觸，然后再恒溫一段時(shí)間，以減少人工放置試樣過程中的溫度擾動(dòng)。

(7)開啟EDC222數(shù)字控制器。

(8)開啟計(jì)算機(jī)與采集程序。

(9)設(shè)置好試驗(yàn)參數(shù)后，即可開啟電機(jī)萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載。

(10)在試樣破壞后，立即停止試驗(yàn)機(jī)的加載。將破壞的試樣取出后進(jìn)行拍照。

(11)保存取得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)后，開始下一次試驗(yàn)。

4.3　冰樣典型破壞方式和相應(yīng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

觀察全部試驗(yàn)后的試樣，可以將烏梁素海湖冰的破壞形式分為三種。在韌性區(qū)，冰樣破壞形式以鼓脹破壞為主，冰表面存在許多狹小的裂縫，沒有明顯的主裂縫。在脆性區(qū)，冰樣破壞形式以劈裂破壞為主，有一條明顯的主裂縫，且與加載方向一致，貫穿上下表面。在過渡區(qū)，冰樣既存在鼓脹破壞，也存在劈裂破壞。除了以上兩種形式破壞，在過渡區(qū)及脆性區(qū)，還存在少量剪切破壞，表現(xiàn)為試樣的一個(gè)角沿一條斜線斷裂。圖8給出三種不同破壞形式的典型照片與相應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖8　冰樣破壞形式及其對應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

5　結(jié)　論

本文以烏梁素海湖冰的單軸壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)為例，詳細(xì)介紹了試驗(yàn)方法和設(shè)備。具體包括現(xiàn)場取冰、制作薄冰片并觀察冰晶體結(jié)構(gòu)、測量密度、加工試樣、試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)步驟以及試驗(yàn)得到的試樣破壞形式與應(yīng)力-應(yīng)變曲線。此試驗(yàn)方法也是目前許多學(xué)者研究冰單軸壓縮強(qiáng)度的方法，期望為中國其他學(xué)者的研究提供借鑒。