冰單軸壓縮強度試驗的方法與設備

徐梓竣，張邀丹，李志軍，阿拉烏拉·勞瑞

(1.大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024；2.沈陽農業大學 水利學院， 遼寧 沈陽 110866；3.芬蘭赫爾辛基大學拉米生物站，赫爾辛基 拉米 16900)

冰是寒區工程中不可避免的自然現象。在水利工程和土木工程中，結構或者非結構抗冰防冰措施都要用到冰的工程力學性質。這就需要測試冰工程力學性質的參數。由于冰工程力學性質行為受冰物理性質的控制，因此，測試冰工程力學性質的同時，必須測試冰的物理性質指標。在水利工程中，關于黃河冰情條件的成熟測試技術方法有相關報道[1]；關于偏遠地區人工調查的研究成果也有報道[2]。特別是在近幾年，冰的力學性質研究成果并不算少[3]；測試技術和測試內容也在擴展，但相關研究的測試技術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有專門文章報道[7]，仍然很有必要結合新技術的發展和設備的更新，在原有建議試驗方法基礎上[8]，進一步更新。本文就是對近期冰單軸壓縮強度的測試技術方法和設備進行描述，并給出相關照片展示試驗方法和設備。

1　冰坯采集

內蒙古烏梁素海屬于黃河的河跡湖，在2016年1月采樣時的冰厚為40～43 cm，屬于厚度薄的情況，能夠使用鋸實現冰坯的采集。這時采集冰坯的具體過程為：選擇一處平整的冰區作為采冰場地，用標記筆在選好的采冰場地內，按照70 cm×50 cm的面積劃分網格；利用電鏈鋸按照網格線鋸出深約1 cm的縫隙，使網格線更加清晰；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，由于電鏈鋸遇到水會影響工作，因此，采用人工板鋸繼續切割；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，并標記出冰的生長方向，以確保在加工試樣時加載方向的正確性。首先要將取出的冰坯進行粗加工以方便后續的試樣加工。具體方法是沿著冰坯長邊的方向，每隔10 cm用標記筆做好一個記號，然后用電鏈鋸在標記的位置沿著垂直于冰面的方向將冰坯鋸成多個約為10 cm×40 cm×40 cm的長方體冰樣，并再次分別標記好冰的生長方向。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將長方體冰樣切割成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備好，運輸到大連理工大學的低溫環境實驗室中存放。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，配合冰芯鉆進行前期準備；將冰芯鉆垂直于冰面放置，由發動機或手動驅動，使鉆筒螺旋深入冰內；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　冰晶體結構與密度測量

2.1　冰晶體薄片的制備

由于冰生長環境和生長過程的差異性，冰存在著兩種晶體結構類型：粒狀冰結構和柱狀冰結構。冰晶體結構需要在正交的偏光鏡下觀察，它需要一種特殊的設備——費氏臺。這時必須制作貼在玻璃上的薄冰片。野外現場和低溫實驗室制備薄冰片的具體操作步驟為：在低溫環境下，從已經標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構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境試驗室內對切下的冰樣進行切片，確定好冰樣的上下表面，根據冰的厚度對冰樣進行了分層；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，畫出標記線；然后用鋸骨機或者手鋸沿著標記線進行切割；在切好的厚冰片上再次標記冰的生長方向，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行打磨，使其放置于玻璃片上時能與之充分接觸；玻璃片要用電熨斗進行輕微加熱，有助于和厚冰片凍結在一起；在把厚冰片放到玻璃上時，為了消除接觸面上的氣泡，要注意放上之后進行左右滑動；然后讓冰塊在玻璃上凍結；之后，再用鋸骨機將厚冰片切割成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，并在玻璃片上標好序號；最后可以將打磨完成的冰片放到費氏臺下，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　冰晶體結構的觀測

圖3給出部分烏梁素海湖冰的晶體結構，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，隨著當地氣溫的降低，水面與空氣會產生極大的溫差，此時水面上的水會快速凍結成冰花，然后發展為冰層。一般而言，冰層表面的晶體為粒狀冰結構；隨著冰逐漸向水面下生長，冰厚度增加，凍結的速度也較慢，此時冰晶體可以充分發育。但冰晶體之間的相互束縛，導致其只能沿著豎直方向向下生長，因此繼續生長的冰晶體為柱狀冰結構；隨著冰繼續生長，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構為柱狀冰結構。其表面卻沒有理論分析上的粒狀冰結構。

圖2　制備冰晶體觀測薄片過程

圖3　冰晶體結構圖

2.3　冰密度測量

冰密度的測量包括質量-體積法和排液法。近期的河冰和湖冰研究中主要采用質量-體積法。用鋸骨機加工出10 cm×10 cm×5 cm的標準長方體試樣，其中5 cm為沿冰厚度方向。用游標卡尺再次測量試樣的準確長度、寬度、厚度，然后計算試樣的體積；并用電子秤稱取試樣的質量，質量與體積的比值就是冰密度。但是這種方法有兩個缺點：一是在野外制作標準試樣有難度；二是氣溫過高時試樣會融化，使測得的密度偏低。因此，在測量試樣時需要用游標卡尺多次測量取平均值，并且要保證測量現場的低溫環境。烏梁素海湖冰的密度測量結果為860～920 kg/m3。圖4是在現場進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境實驗室中進行的。具體過程是：將烏梁素海運回來的粗加工好的長方體冰樣，使用鋸骨機將它們加工為試驗需要的7 cm×7 cm×17.5 cm的標準長方體試樣[8]；將加工好的標準試樣用塑料袋裝好放到泡沫保溫箱中，等待試驗。要在塑料袋上標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，并且防止試樣因為實驗室的不斷鼓風而風化。制備的試樣在進行試驗之前需要在恒溫箱內恒溫24 h以上，使試樣充分達到熱平衡。圖5是加工與恒溫試樣所需的鋸骨機和恒溫箱。

圖5　試樣制備使用的鋸骨機與恒溫箱

當使用冰芯鉆采集冰芯來加工標準試樣時，一般采用直徑為7 cm，高度17.5 cm的圓柱樣。這時需要車床和銑床來加工成標準試樣。圖6是實驗室裝備的圓柱試樣加工設備。

4　單軸壓縮強度試驗

4.1　試驗設備

試驗所需的主要加載設備是長春試驗機研究所有限公司生產的CSS-44100型電子萬能試驗機，該試驗機包括了主機、附件以及計算機系統等部分，配合EDC222數字控制器、低溫恒溫試驗箱、低溫恒溫循環浴等設備共同組成。在試驗完成后能夠直接在計算機系統中對采集的數據進行處理，導出試驗數據、試驗曲線。

為了能在常溫下營造一個低溫的試驗環境，由大連北方分析儀器有限公司對該試驗機進行改造。在試驗機的橫梁和底板之間安裝了低溫恒溫試驗箱，該低溫恒溫試驗箱是通過BF-200型循環冷浴來實現局部低溫試驗環境。在試驗箱內部裝有Pt1000型溫度傳感器以及SR253型溫控表，精度可以達到0.1 ℃，以保證嚴格控制試驗溫度。同時箱內還安裝了空氣對流風道和照明燈，來保證箱內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象。此外，還用強度、剛度極大的電木材料桿替換了原有的鋼質壓力連接桿，并用尼龍材料替換了原先鋼質的上下壓頭，以阻斷試驗箱內外之間的熱交換。同時在尼龍壓頭處安裝了細小的彈簧，保證試樣在壓縮過程中上下表面能夠與壓頭充分接觸。通過上述試驗機的技術改造和完善，為冰單軸壓縮強度測試提供了良好的試驗技術，保障了獲取到可靠的數據。圖7是試驗所用設備。

圖7　試驗設備

4.2　試驗步驟

冰單軸壓縮試驗的具體步驟為：

(1)將低溫環境實驗室內的低溫恒溫箱設置到試驗所需的溫度，等待其完成內部的降溫。

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

(3)提前開啟低溫恒溫循環浴，使低溫恒溫試驗箱內的溫度達到試驗所需溫度。

(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箱過程中，要迅速開關箱門，減少箱內與箱外空氣間的熱交換。

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

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

(7)開啟EDC222數字控制器。

(8)開啟計算機與采集程序。

(9)設置好試驗參數后，即可開啟電機萬能試驗機進行加載。

(10)在試樣破壞后，立即停止試驗機的加載。將破壞的試樣取出后進行拍照。

(11)保存取得的試驗數據后，開始下一次試驗。

4.3　冰樣典型破壞方式和相應應力-應變曲線

觀察全部試驗后的試樣，可以將烏梁素海湖冰的破壞形式分為三種。在韌性區，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，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，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，在過渡區及脆性區，還存在少量剪切破壞，表現為試樣的一個角沿一條斜線斷裂。圖8給出三種不同破壞形式的典型照片與相應的應力-應變曲線。

圖8　冰樣破壞形式及其對應的應力-應變曲線

5　結　論

本文以烏梁素海湖冰的單軸壓縮強度試驗為例，詳細介紹了試驗方法和設備。具體包括現場取冰、制作薄冰片并觀察冰晶體結構、測量密度、加工試樣、試驗設備、試驗步驟以及試驗得到的試樣破壞形式與應力-應變曲線。此試驗方法也是目前許多學者研究冰單軸壓縮強度的方法，期望為中國其他學者的研究提供借鑒。