Eis kann als Verbundwerkstoff mit einer komplexen inneren Struktur betrachtet werden. Seine mechanischen Eigenschaften sind umfassend untersucht worden . Die treibende Kraft der Forschung liegt in der Entwicklung der Erdöl- und Erdgasindustrie, dem Bau und Betrieb von Wasserkraftanlagen und der Konstruktion von Eisbrechern, Offshore-Plattformen und anderen Strukturen. Ziel ist es, die maximale Eislast, die auf diese Strukturen einwirkt, vorherzusagen und die Sicherheit des Seeverkehrs in kalten Regionen zu gewährleisten. In eisigen Gewässern treten bei der Interaktion des Eises mit Schiffen, Öl- und Gasplattformen und Küstengebäuden verschiedene Versagensarten auf, wie z. B. Druck, Knickung und radiale Rissbildung.
Die mechanische Eigenschaft des Eises
Diese Versagensarten hängen hauptsächlich mit den mechanischen Eigenschaften des Eises zusammen, wie z. B. Druckfestigkeit, Biegefestigkeit und Scherfestigkeit. Die Druckfestigkeit ist eine der Hauptversagensarten, wenn Eis mit vertikalen Strukturen interagiert, und die Eisdruckfestigkeit ist ein Schlüsselparameter für die Berechnung der Eislast. Darüber hinaus ist die Eisdruckfestigkeit auch ein wichtiger Faktor, der den dynamischen Prozess und die Verformungseigenschaften von Eis auf der geophysikalischen Skala beeinflusst.
Bei der Druckfestigkeitsprüfung ist die Belastungsrate, die die Dehnungsrate bestimmt, ein wichtiger externer Faktor, der die Festigkeit des Eises beeinflusst. Im Allgemeinen sind auch die mechanischen Eigenschaften und die Versagensarten von Eis bei verschiedenen Dehnungsraten unterschiedlich. Jones führte Druckversuche an einkristallinem Eis in einem Temperaturbereich von bis zu -90 °C durch und erörterte die Spannungsabhängigkeit der Dehnungsrate. Wu untersuchte die dynamische Reaktion von Seeeis und destilliertem Wassereis unter dynamischer einachsiger Druckbelastung.
Die einachsige Druckfestigkeit zeigt eine positive Empfindlichkeit gegenüber der Dehnungsrate in dem ausgewählten Bereich hoher Dehnungsraten von 60-800 s-1. Kim wies darauf hin, dass die einachsige Druckfestigkeit von Eis nahezu konstant ist, wenn die Dehnungsrate hoch genug ist. Timco und Frederking untersuchten die mechanischen Eigenschaften von Süßwassereis und fassten die quantitativen Ausdrücke für die Druckfestigkeit und die Dehnungsrate von Eis in einem duktilen Zustand zusammen. Bonath, Sinha und Chen diskutierten ebenfalls die Beziehung zwischen Dehnungsrate und Spannung für verschiedene Eistypen.
Einige Studien haben gezeigt
Eine Reihe von Studien hat gezeigt, dass die maximale Druckfestigkeit von Eis in einem bestimmten Dehnungsgeschwindigkeitsbereich auftritt, in dem Eis einen Übergangszustand von Duktilität zu Sprödigkeit durchläuft, der als Übergangsbereich von Duktilität zu Sprödigkeit bezeichnet wird. Die Ergebnisse von Qi zeigen, dass der Übergang von Duktilität zu Sprödigkeit im Dehnratenbereich von 10-4 s-1 bis 10-3 s-1 auftritt . In einigen Studien wurde jedoch festgestellt, dass die Druckfestigkeit bei einer höheren Dehnungsrate ein Maximum erreicht. Deng stellte fest, dass der Übergang von duktilem zu sprödem Eis bei einer Prüftemperatur von -18 °C in einem einachsigen Druckversuch im Bereich von 10-4 s-1 bis 10-2 s-1 liegt.
Destilliertes Wassereis wurde in einem Tiefkühllabor hergestellt. Die niedrigste Umgebungstemperatur des Tiefkühllabors kann auf -40 °C gesenkt werden. Die Genauigkeit der Temperaturregelung beträgt 0,1 °C. Um die Auswirkung der Wachstumstemperatur auf die strukturelle Festigkeit des Eises zu untersuchen, wurde die Temperatur des kryogenen Labors während der Eisherstellung auf -5 °C, -10 °C, -15 °C, -20 °C, -25 °C, -30 °C bzw. -35 °C eingestellt. Als Kondensationsbehälter wurden Schaumstoffboxen mit einer Länge von 600 mm, einer Breite von 450 mm und einer Tiefe von 300 mm gewählt. Der Grund dafür ist, dass bei der Kondensation von Wasser in der Box die Intensität des Wärmeaustauschs in der Nähe der Box groß war, was zum Wachstum von Eis vom Rand der Box zur Mitte hin führte. Die geringere Wärmeleitfähigkeit von Kunststoffschaum führt zu einer geringeren Wachstumstendenz vom Rand her, wodurch sichergestellt wird, dass das Eis wie in der natürlichen Umgebung von oben nach unten wächst. Bei der Probenahme wurde eine elektrische Kettensäge verwendet, um das destillierte Wassereis in der Mitte der Box zu schneiden und herauszunehmen.
Die Vorbereitung der Proben erfolgte ebenfalls im Tiefkühllabor. Gemäß den Empfehlungen der IAHR (International Association for Hydro-Environment Engineering and Research) sind die oberen und unteren Querschnittsabmessungen der einachsigen Druckfestigkeitsprüfkörper aus Eis quadratisch mit einer Seitenlänge von 7-10 cm (oder kreisförmig mit einem Durchmesser von 7-10 cm), und die Länge des Prüfkörpers beträgt das 2,5-fache der Seitenlänge. Die Prüfmuster wurden mit einer Schneidemaschine gleichmäßig zu Standardquadern von 7 cm × 7 cm × 17,5 cm verarbeitet. Um zu verhindern, dass die Proben zusammenkleben und durch das ständige Lüften des Labors verwittern, wurden sie in Plastikbeutel verpackt. Die vorbereiteten Proben mussten vor dem Test mehr als 24 Stunden lang bei konstanter Temperatur im Brutschrank gelagert werden, damit die Proben ihr thermisches Gleichgewicht vollständig erreichen konnten. Um den Einfluss der Umgebungstemperatur auf die Druckfestigkeit zu vermeiden und die Beziehung zwischen Wachstumstemperatur und Druckfestigkeit besser untersuchen zu können, wurden sowohl die Lager- als auch die Prüftemperatur auf -10 °C eingestellt.