冰的力学性能试验研究

冰的力学性能试验研究

郭颍奎, 孟闻远

(华北水利水电大学,河南 郑州 450045)

摘要：为解决冰凌灾害防治研究中冰的力学参数取值问题,在传统力学试验方法的基础上,通过改进试验设备、控制试验条件,测得了冰体在不同温度(-5、-15、-25、-30、-35、-40 ℃)及不同加载速率(0.05、0.10、0.30、0.50、0.80 kN/s)下的强度、变形和弹性模量.通过分析，比较不同条件下冰体破坏特征和应力-应变曲线,得出了冰体力学参数及其材料性能,为冰凌灾害防治、冰凌爆破及数值模拟等研究提供了数据参考.

关键词：冰;力学性能;温度；加载速率中图分类号：TV875文献标识码：A文章编号：1002-5634(2015)03-0040-04

收稿日期:2015-01-11

作者简介：周厚贵(1962—),男,湖北枝江人,教授级高级工程师,中国能源建设集团总工程师、副总经理,河海大学博导,博士,主要从事水利水电建设与管理方面的研究.

DOI:10.3969/j.issn.1002-5634.2015.03.011

我国北方江河冬春季节容易发生冰塞、冰坝等冰凌灾害[1-2].如流冰对桥墩、堤坝的撞击,寒冷地区冰盖冻胀力对桥梁、大坝的作用等,严重影响水中建筑物的安全运行和沿岸人民的正常生活.为有效预防和控制冰凌灾害的发生,开展有关冰凌灾害防治和冰体力学性能等方面的研究具有重要的现实意义.

由于冰体材料的特殊性,目前国内外开展冰力学性能试验的研究较少[3-6].大连理工大学李志军的教授主要开展海冰物理和力学性能的研究,东北林业大学于天来教授主要开展河冰力学性能和冰凌灾害防治技术的研究.由于缺乏冰体力学试验的规范和专用试验设备,目前冰体力学参数还没有统一的标准值.本文主要开展冰体的抗压和劈拉试验,测得了不同温度、不同加载速率下冰体的抗压强度、抗拉强度，计算得到不同条件下的弹性模量，分析各参数随温度和加载速率而变化的趋势,为冰特性研究[7-8]、冰凌爆破数值模拟等提供数据参考.

1试件的选材及加工

试验所用的设备和工具主要有低温冰柜、不锈钢管、塑料桶、切割机和钢锯等.参照有关材料的力学性能试验标准[9],经过冷冻、取样、切割和加工等多道程序,制作出50 mm×100 mm的圆柱体标准试件.

2试验方法及试验条件

试验仪器采用微机控制电液伺服万能试验机,加载速率为0.05、0.10、0.30、0.50、0.80 kN/s,试件温度设定为-5、-15、-25、-30、-35、-40 ℃,在一定温度和加载速率下进行5个试件的抗压试验,试验室温度在0 ℃左右,试验机压头和压座处采用刚度很大的复合材料板进行隔热,以此来减小外界环境对冰材料性质的影响.

3冰单轴受压全曲线几何特点

试验过程中,冰的应力-应变曲线特征呈现一定规律,在-15 ℃和0.1 kN/s加载速率下应力-应变曲线如图1所示.由图1可知:①曲线在弹性阶段具有明显的直线段;②试件脆性特性明显,在加载达到极限强度时,冰体直接破碎失效.由于仪器探头没有完全接触冰试样,且在探头接触冰样瞬间,冰表面融化,很小的压力就发生较大变形,OA阶段几乎为一条直线;AB阶段,冰试样内部微裂缝不明显,但裂缝在不断发展,曲线切线斜率不断减小;BC阶段,冰试样内部气泡和微裂缝连通形成破坏面,内部结构发生调整,C点以后曲线进入下降阶段,峰值应力即为冰试样的抗压强度fc;CD阶段,随着裂缝不断扩张,冰试样发生失效破坏,该阶段曲线下降很陡,冰呈现脆性,试样最终强度接近于0.0 MPa.

图1　冰体受压破坏应力-应变关系曲线

4试验数据分析

4.1　冰体的抗压试验

冰的抗压强度和压缩弹性模量是冰下水中爆炸研究的主要参数.这些参数的获得可为工程实践以及数值模拟提供数据参考.另外,冰的单轴无侧限压缩试验,力学概念清楚,是研究天然冰基本特性与冰力学性能的基本方法.冰体在力的作用下从局部或内部开始产生裂缝,随着荷载的增加,裂缝继续延伸、扩张,直至最后冰体破碎,结构失效.所以常用冰的强度来确定冰的最大抗力,一般并不考虑冰内部微观结构的破损,而是通过试验得到极限应力作为冰的单轴压缩强度[10-11].轴心抗压强度的计算公式为

(1)

式中:fc为轴心抗压强度;F为试件破坏的最大荷载;A为试件的承压面积.

抗压强度与温度的关系如图2所示.

图2　抗压强度-温度关系曲线

由图2可知,在加载速率一定的条件下,一定范围内抗压强度随着温度降低而增大,达到最大值后,随着温度继续下降,抗压强度呈下降趋势.

抗压强度与加载速率的关系如图3所示.由图3可知,加载速率对抗压强度的影响不太明显.在温度一定的条件下,温度为-30、-40 ℃的冰体在加载速率分别为0.50、0.30 kN/s以下时，其抗压强度均随着加载速率的增加而增加,并在加载速率分别为0.50、0.30 kN/s时最大;温度为-30、-35、-40 ℃的冰随着加载速率的变化都存在抗压强度最大值,而且冰抗压强度在达到最大值后均呈现逐渐降低的趋势;温度为-5、-15、-25 ℃的冰体随着加载速率的增加，其抗压强度呈增大趋势.由图3还可知,温度为-35 ℃的冰体在加载速率0.30 kN/s时抗压强度达到最大值6.89 MPa.

图3　抗压强度-加载速率关系曲线

4.2　冰体的劈裂抗拉试验

目前对冰体抗拉强度的研究有多种试验方法,按试件受力情况的不同,分为3种:直接受拉试验法、劈裂抗拉试验法和弯折试验法.劈裂抗拉试验法因测量简单易行，目前已被工程上广泛使用,并以此来推断冰体的轴拉强度[9].常用的圆柱体试件劈裂抗拉强度ft的计算公式为

(2)

式中:F为试件破坏荷载;l为试件高度;d为圆柱体直径.

劈裂抗拉强度与温度的关系如图4所示.由图4可知,在加载速率一定的条件下,冰体材料的劈裂抗拉强度随温度而变化的趋势不明显,但有极大值出现.

劈裂抗拉强度与加载速率的关系如图5所示.由图5可知,在温度一定的条件下,加载速率对劈裂抗拉强度的影响也不太明显,总体上,冰体的劈裂抗拉强度随着加载速率的增加稍有增大,达到某一加载速率时,冰的劈裂抗拉强度达到极大值,而后随着加载速率的继续增加,冰的劈裂抗拉强度呈下降趋势.劈裂抗拉强度的最大值3.31 MPa出现在温度-40 ℃、加载速率0.3 kN/s的情况下.

4.3　河冰弹性模量

河冰弹性模量是冰下水中爆炸仿真分析所需的基本参数之一.目前，国内对河冰弹性模量的研究较少,对其规律的认识尚不全面,为此根据冰体单轴压缩强度试验结果来推导其弹性模量[3].在均匀加压冰体的初始阶段,由于试件在制作上存在误差或冰体上表面不够平滑,上压头与其不能充分接触,表现出来的弹性性能不明显.因此,在应力-应变曲线上选取直线上升阶段来进行研究.按式(3)计算压缩弹性模量值.

(3)

式中:l为试件高度;d为圆柱体直径;ΔF为荷载变化量;Δl为试件两侧变形的平均值.

压缩弹性模量与温度的关系如图6所示.由图6可知,在0～-35 ℃、同一加载速率下,冰体压缩弹性模量随温度降低呈增大的趋势,在-35 ℃左右达到最大值.

图6　压缩弹性模量-温度关系曲线

压缩弹性模量与加载速率的关系如图7所示.由图7可知,在同一温度下,压缩弹性模量随着加载速率改变而改变,存在极值点,但是出现峰值时的加载速率不一样.温度为-5、-15、-25 ℃的冰体材料在加载速率小于0.3 kN/s的情况下,压缩弹性模量随着加载速率的增加而增大;在加载速率大于0.30 kN/s的情况下，压缩弹性模量随着加载速率的增加而减小.温度为-30、-35 ℃的冰体材料在加载速率小于0.50 kN/s时,压缩弹性模量随着加载速率的增加而增大；大于0.50 kN/s的情况下，压缩弹性模量随着加载速率增大而减小.压缩弹性模量在温度-35 ℃、加载速率0.50 kN/s时出现最大值0.84 GPa,在温度为-5 ℃、加载速率0.05 kN/s时出现最小值0.47 GPa.

图7　压缩弹性模量-加载速率关系曲线

5结语

通过开展冰的单轴压缩试验和劈裂抗拉试验,测得了不同条件下冰的抗压强度和劈裂抗拉强度,计算得出其不同条件下的弹性模量.

1)在加载速率一定的情况下,冰体抗压强度随着温度的降低而逐渐增大,在-35 ℃左右达到最大；之后,随着温度继续降低,冰体抗压强度反而减小.

2)一定温度(-5、-15、-25 ℃)下,冰体抗压强度随着加载速率的增大呈增大趋势.

3)在相同温度、相同加载速率情况下,冰的抗压强度值近似等于抗拉强度值的2倍.

4)在0～-35 ℃、同一加载速率下,冰体压缩弹性模量随温度降低呈增大的趋势,在-35 ℃左右达到最大值.

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Experimental Investigations on Mechanical Properties of Ice

GUO Yingkui, MENG Wenyuan

(North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

Abstract:For solving the problem of determining the values of mechanical parameters in researches on controlling icicle hazards, on the basis of experimental methods of classical mechanics, through improving the test equipment and controlling test conditions, the strength, deformation and elastic modulus of icicles were obtained at the temperatures of -5, -15, -25, -30, -35, -40 ℃ and the loading rates of 0.05, 0.10, 0.30, 0.50, 0.80 kN/s. Through analyzing and comparing damage characteristics and stress-strain curves of ice bodies under different conditions, the mechanical parameters and material properties of ice bodies were obtained, and these can supply reference datum for the researches on controlling icicle hazards, blasting icicles, numerical simulation, and so on.

Keywords:ice; mechanical property; temperature; loading rate

(责任编辑:陈海涛)