Изучение свойств морского льда. Сопротивление льда разрушению при сжатии, страница 3

Рис. 3.Испытания морского льда S2- или S3- типа.

     Ориентация и размер зерна

Зернистость является важным параметром, который сложно однозначно определить в морском льде столбчатой структуры. Фактическими параметрами можно считать диаметр кристалла и его ориентация оптической оси кристалла. Некоторые результаты Dykins (1966) или Wang(1979), связанные с зернистостью, противоречат друг другу, но они относятся к различным типам испытаний. Sinha (1979), с другой стороны, изучал теоретически этот эффект на модуле упругости пресноводного льда. Таким образом, известно, что диаметры кристаллов около основания ледяного покрова могут изменяться от 20 до 40 мм для льда типа S2. При этом выращенный в лаборатории морской лед будет иметь соответствующие размеры, не превышающие 10 мм. Из сказанного выше следует, что морской лед не изотропный материал.

     Соленость, объем рассола, и плотность.

Соленость - основной параметр, который отличает морской лед от пресноводного. Если средняя соленость морской воды (океанская соленость) -около 35%о, соответствующая величина в морском льде намного ниже и обычно изменяется от 3 до 7%о.

Карманы с рассолом, существующие в морском льде, придают этому материалу особое строение. При температуре до -22.9°С, (при которой начинает осаждаться NаСl), эти соляные карманы создают пористость, снижающую его поперечное сечение и приводящую к увеличению деформаций из-за концентрации напряжений. Фазовая диаграмма морской воды позволяет определить объем рассола v_b как функцию солености S и температуры t. Frankenstein и Garner (1967) предложили приблизительное соотношение:

при -22.9°С≤t≤0.5°С                   (1)

К сожалению, этот параметр не идеален, поскольку известно, что имеет место утекание рассола в течение времени. Некоторые авторы (Anderson и Weeks 1958; Assur 1960) пытались объяснить пористость ψ,связывая ее с объемом рассола v_b эмпирически:

Поэтому несколько более ранние модели предлагают соотношение между механическими свойствами и пористостью. Эти соотношения, выраженные как функция объема рассола, дают выражения типа:

                                           (2)

где А и В - константы. Однако, все эти определения эмпирические, и концепция объема рассола не применима при температуре ниже -22.9°С, поскольку очень немного рассола остается во льду. Однако, Assur (1960) приводит табличные значения для температур до -40°С.

Единственный способ разрешить эти проблемы состоит в том, чтобы помимо определения солености и температуры, определять плотность льда, которая сама по себе является очень тонким параметром.

Вследствие того, что соленость в Арктическом морском льде примерно постоянна, становится очевидным, что температура является важным параметром.

Температура

Механические свойства льда сильно зависят от температуры. В ледяных покровах температура изменяется по толщине, что вызывает гетерогенность. Однако большинство испытаний проводится на образцах при неизменной температуре, и тогда результаты используются для экстраполяции для общих случаев.

Для краткосрочных свойств колебания температуры часто рассматриваются через определение объема рассола. Следовательно, на прочность и модуль упругости прямо или косвенно воздействует температура.

В случае длительной нагрузки, температура воздействует на поведение ползучести материала. Например, при высоких температурах деформации обычно пластичны. При низких температурах лед ведет себя как хрупкий материал (Lainey 1982).

Другой эффект, который прибавляет сложности к кристаллографической природе материала - осаждение Na₂SO₄ при -8.2°С, сопровождающееся осаждением NaС1 при -22.9°С (Assur 1960). Это осаждение вызывает создание связывающей внутренней части карманов с рассолом, который в свою очередь имеет существенное влияние на механические свойства морского льда. Как показывают результаты экспериментов, отмечено увеличение сопротивления изгибу при температурах ниже -22.9°С.