冰单轴压缩强度试验的方法与设备

徐梓竣，张邀丹，李志军，阿拉乌拉·劳瑞

(1.大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024；2.沈阳农业大学 水利学院， 辽宁 沈阳 110866；3.芬兰赫尔辛基大学拉米生物站，赫尔辛基 拉米 16900)

冰是寒区工程中不可避免的自然现象。在水利工程和土木工程中，结构或者非结构抗冰防冰措施都要用到冰的工程力学性质。这就需要测试冰工程力学性质的参数。由于冰工程力学性质行为受冰物理性质的控制，因此，测试冰工程力学性质的同时，必须测试冰的物理性质指标。在水利工程中，关于黄河冰情条件的成熟测试技术方法有相关报道[1]；关于偏远地区人工调查的研究成果也有报道[2]。特别是在近几年，冰的力学性质研究成果并不算少[3]；测试技术和测试内容也在扩展，但相关研究的测试技术都是在文中给予较少的描述[4-6]。尽管一些特别新的测试技术有专门文章报道[7]，仍然很有必要结合新技术的发展和设备的更新，在原有建议试验方法基础上[8]，进一步更新。本文就是对近期冰单轴压缩强度的测试技术方法和设备进行描述，并给出相关照片展示试验方法和设备。

1　冰坯采集

内蒙古乌梁素海属于黄河的河迹湖，在2016年1月采样时的冰厚为40～43 cm，属于厚度薄的情况，能够使用锯实现冰坯的采集。这时采集冰坯的具体过程为：选择一处平整的冰区作为采冰场地，用标记笔在选好的采冰场地内，按照70 cm×50 cm的面积划分网格；利用电链锯按照网格线锯出深约1 cm的缝隙，使网格线更加清晰；接着用电链锯沿缝隙按垂直冰面方向切割，在切割到距离水面约8～10 cm时，由于电链锯遇到水会影响工作，因此，采用人工板锯继续切割；最后将切出的冰坯沿提前做好的滑道拖出水面，置于冰面上，并标记出冰的生长方向，以确保在加工试样时加载方向的正确性。首先要将取出的冰坯进行粗加工以方便后续的试样加工。具体方法是沿着冰坯长边的方向，每隔10 cm用标记笔做好一个记号，然后用电链锯在标记的位置沿着垂直于冰面的方向将冰坯锯成多个约为10 cm×40 cm×40 cm的长方体冰样，并再次分别标记好冰的生长方向。由于要制作加载方向垂直于冰面和平行于冰面的两种冰样，要用电链锯沿着垂直于冰面的方向或平行于冰面的方向将长方体冰样切割成4块约为10 cm×10 cm×40 cm的长方体冰样，密封包装在泡沫保温箱中准备好，运输到大连理工大学的低温环境实验室中存放。图1(a)和图1(b)是用锯采集冰坯的过程。

图1　冰坯采集过程

在黄河和极地，冰的厚度超过100 cm。这时使用锯采集冰坯存在困难，需要采用冰芯钻钻取冰样，见图1(c)。具体操作过程为：用麻花钻在冰面上钻孔测量冰厚，配合冰芯钻进行前期准备；将冰芯钻垂直于冰面放置，由发动机或手动驱动，使钻筒螺旋深入冰内；冰芯被钻透后装入钻筒中，取出后用冰芯袋包装好放置于泡沫保温箱中贮存。

2　冰晶体结构与密度测量

2.1　冰晶体薄片的制备

由于冰生长环境和生长过程的差异性，冰存在着两种晶体结构类型：粒状冰结构和柱状冰结构。冰晶体结构需要在正交的偏光镜下观察，它需要一种特殊的设备——费氏台。这时必须制作贴在玻璃上的薄冰片。野外现场和低温实验室制备薄冰片的具体操作步骤为：在低温环境下，从已经标记了生长方向的冰坯上，沿着垂直于冰面的方向用电链锯切下两块约为10 cm×10 cm×冰坯厚度的近似长方体冰样，并重新标记好冰的生长方向，两块长方体冰样分别用来制备冰晶体结构的水平薄片与竖直薄片；选择气温低于-5 ℃的背阴处场所或者低温环境试验室内对切下的冰样进行切片，确定好冰样的上下表面，根据冰的厚度对冰样进行了分层；对于观察平行于冰面的冰晶体，沿着平行于冰面的方向，以5 cm为间隔，画出标记线；对于观察竖直于冰面的冰晶体，沿着平行于冰面的方向，以10 cm为间隔，画出标记线；然后用锯骨机或者手锯沿着标记线进行切割；在切好的厚冰片上再次标记冰的生长方向，并编上序号，明确厚冰片自冰面上向下的顺序；用刨刀将切好的厚冰片需要观测的一面进行打磨，使其放置于玻璃片上时能与之充分接触；玻璃片要用电熨斗进行轻微加热，有助于和厚冰片冻结在一起；在把厚冰片放到玻璃上时，为了消除接触面上的气泡，要注意放上之后进行左右滑动；然后让冰块在玻璃上冻结；之后，再用锯骨机将厚冰片切割成5 mm左右的薄冰片；将切好的5 mm左右的薄冰片用刨刀削薄到1 mm左右，并在玻璃片上标好序号；最后可以将打磨完成的冰片放到费氏台下，通过偏光镜观测冰晶体。图2是制备冰晶体薄片的过程。

2.2　冰晶体结构的观测

图3给出部分乌梁素海湖冰的晶体结构，它们分别是沿垂直冰面方向切片的晶体照片和沿平行冰面方向切片的晶体照片。理论上，乌梁素海是一个面积很大、水流速度很慢的淡水湖，可以将其看作是静止的水体。在冬季，随着当地气温的降低，水面与空气会产生极大的温差，此时水面上的水会快速冻结成冰花，然后发展为冰层。一般而言，冰层表面的晶体为粒状冰结构；随着冰逐渐向水面下生长，冰厚度增加，冻结的速度也较慢，此时冰晶体可以充分发育。但冰晶体之间的相互束缚，导致其只能沿着竖直方向向下生长，因此继续生长的冰晶体为柱状冰结构；随着冰继续生长，由于不断有晶体受其它晶体影响而停止生长，因此随着冰厚的加深，晶体数量变少，晶体的平均粒径增加。通过冰晶体照片，可以看出：乌梁素海的冰晶体结构为柱状冰结构。其表面却没有理论分析上的粒状冰结构。

图2　制备冰晶体观测薄片过程

图3　冰晶体结构图

2.3　冰密度测量

冰密度的测量包括质量-体积法和排液法。近期的河冰和湖冰研究中主要采用质量-体积法。用锯骨机加工出10 cm×10 cm×5 cm的标准长方体试样，其中5 cm为沿冰厚度方向。用游标卡尺再次测量试样的准确长度、宽度、厚度，然后计算试样的体积；并用电子秤称取试样的质量，质量与体积的比值就是冰密度。但是这种方法有两个缺点：一是在野外制作标准试样有难度；二是气温过高时试样会融化，使测得的密度偏低。因此，在测量试样时需要用游标卡尺多次测量取平均值，并且要保证测量现场的低温环境。乌梁素海湖冰的密度测量结果为860～920 kg/m3。图4是在现场进行冰密度测量的过程。

图4　冰密度测量过程

3　冰试样制备

冰试样的制备是在低温环境实验室中进行的。具体过程是：将乌梁素海运回来的粗加工好的长方体冰样，使用锯骨机将它们加工为试验需要的7 cm×7 cm×17.5 cm的标准长方体试样[8]；将加工好的标准试样用塑料袋装好放到泡沫保温箱中，等待试验。要在塑料袋上标记好试样的长轴方向垂直或平行冰面，用塑料袋的目的是防止试样粘到一起，并且防止试样因为实验室的不断鼓风而风化。制备的试样在进行试验之前需要在恒温箱内恒温24 h以上，使试样充分达到热平衡。图5是加工与恒温试样所需的锯骨机和恒温箱。

图5　试样制备使用的锯骨机与恒温箱

当使用冰芯钻采集冰芯来加工标准试样时，一般采用直径为7 cm，高度17.5 cm的圆柱样。这时需要车床和铣床来加工成标准试样。图6是实验室装备的圆柱试样加工设备。

4　单轴压缩强度试验

4.1　试验设备

试验所需的主要加载设备是长春试验机研究所有限公司生产的CSS-44100型电子万能试验机，该试验机包括了主机、附件以及计算机系统等部分，配合EDC222数字控制器、低温恒温试验箱、低温恒温循环浴等设备共同组成。在试验完成后能够直接在计算机系统中对采集的数据进行处理，导出试验数据、试验曲线。

为了能在常温下营造一个低温的试验环境，由大连北方分析仪器有限公司对该试验机进行改造。在试验机的横梁和底板之间安装了低温恒温试验箱，该低温恒温试验箱是通过BF-200型循环冷浴来实现局部低温试验环境。在试验箱内部装有Pt1000型温度传感器以及SR253型温控表，精度可以达到0.1 ℃，以保证严格控制试验温度。同时箱内还安装了空气对流风道和照明灯，来保证箱内均匀的温度场以及通过真空绝热玻璃窗来观察试样的破坏现象。此外，还用强度、刚度极大的电木材料杆替换了原有的钢质压力连接杆，并用尼龙材料替换了原先钢质的上下压头，以阻断试验箱内外之间的热交换。同时在尼龙压头处安装了细小的弹簧，保证试样在压缩过程中上下表面能够与压头充分接触。通过上述试验机的技术改造和完善，为冰单轴压缩强度测试提供了良好的试验技术，保障了获取到可靠的数据。图7是试验所用设备。

图7　试验设备

4.2　试验步骤

冰单轴压缩试验的具体步骤为：

(1)将低温环境实验室内的低温恒温箱设置到试验所需的温度，等待其完成内部的降温。

(2)测量冰试样的长度、宽度、高度后，将试样用塑料袋密封，然后装入达到试验温度的恒温箱中进行恒温，恒温时间要达到24 h以上，以保证试样的内部也达到试验所需温度。

(3)提前开启低温恒温循环浴，使低温恒温试验箱内的温度达到试验所需温度。

(4)将恒温了24 h以上的冰试样装入保温箱中，快速拿到低温恒温试验箱过程中，要迅速开关箱门，减少箱内与箱外空气间的热交换。

(5)将试样放到下压头中心处时，要保证试样的几何轴线与试验机的中心线在同一条直线上，保证加载的均匀性，防止出现偏心加载的现象。

(6)放好试样后，调整下压头的位置使其刚好与试样的上表面接触，然后再恒温一段时间，以减少人工放置试样过程中的温度扰动。

(7)开启EDC222数字控制器。

(8)开启计算机与采集程序。

(9)设置好试验参数后，即可开启电机万能试验机进行加载。

(10)在试样破坏后，立即停止试验机的加载。将破坏的试样取出后进行拍照。

(11)保存取得的试验数据后，开始下一次试验。

4.3　冰样典型破坏方式和相应应力-应变曲线

观察全部试验后的试样，可以将乌梁素海湖冰的破坏形式分为三种。在韧性区，冰样破坏形式以鼓胀破坏为主，冰表面存在许多狭小的裂缝，没有明显的主裂缝。在脆性区，冰样破坏形式以劈裂破坏为主，有一条明显的主裂缝，且与加载方向一致，贯穿上下表面。在过渡区，冰样既存在鼓胀破坏，也存在劈裂破坏。除了以上两种形式破坏，在过渡区及脆性区，还存在少量剪切破坏，表现为试样的一个角沿一条斜线断裂。图8给出三种不同破坏形式的典型照片与相应的应力-应变曲线。

图8　冰样破坏形式及其对应的应力-应变曲线

5　结　论

本文以乌梁素海湖冰的单轴压缩强度试验为例，详细介绍了试验方法和设备。具体包括现场取冰、制作薄冰片并观察冰晶体结构、测量密度、加工试样、试验设备、试验步骤以及试验得到的试样破坏形式与应力-应变曲线。此试验方法也是目前许多学者研究冰单轴压缩强度的方法，期望为中国其他学者的研究提供借鉴。