|
|
Физико-механические свойства льда,
в частности особенно важные для холодильной льдотехники прочность,
скользкость и пример- заемость льда к другим телам, в основном
обусловливаются как атомно-молекулярными, в частности водородными связями,
так и надмолекулярной структурой и характером деформации. Однако значение
микроструктуры и дислокационных дефектов льда часто подавляется хаотичностью
и дефектами его макроструктуры и примесями.
Особенностью льда является его пластичность, связанная, в
частности, с перекристаллизацией и проявляющаяся, например, в медленном
оседании сводов холодильников из льда. Для расчета пла
стической деформации (ползучести) сводов ледяных складов
Войт- ковским [37, 38] разработана методика, позволяющая судить о
долговременной деформативной прочности льда в данной конструкции.
При быстрой деформации, например при разработке льдобунтов
взрывами, пластичность льда не успевает проявиться. Лед не следует в точности
ни закону упругости, ни закону вязкости. По этой и другим причинам прочность
льда, иначе говоря, предел его прочности или разрушающее напряжение является
в известной мере величиной условной.
При большой нагрузке сопротивляемость льда даже в случае
постоянной деформации уменьшается (релаксация).
Пластическая деформация льда с присущим ей разрывом части
водородных связей происходит при сдвиге, а при всестороннем сжатии в основном
проявляется упругость льда. При деформациях льда часто имеет место его
режеляция и релаксация.
Режеляция льда (повторное замерзание при деформации)
обусловливается плавлением кристаллов льда в зоне повышенного давления,
вытеснением талой воды и ее замерзанием в зоне нормального давления. При
режеляции наблюдается частичная сублимация льда.
При нагрузках выше предела упругости возникает релаксация
(расслабление) льда, связанная с дислокационным механизмом пластической
деформации и представляющая собой убывание по времени силы сопротивления при
постоянстве нагрузки.
Ползучесть льда отражает растущую под действием постоянной
силы деформацию. При этом деформация приближенно рассматривается как вязкое
течение. Необходимо, однако, иметь в виду, что лед не удовлетворяет полностью
закону вязкости, так как для него за-
вйсймосФь между напряжением- и скоростью деформаций
нелинейна. Вязкость льда для установившейся стадии ползучести не является
константой, так как, в частности, зависит от структуры льда и напряжения и
должна рассматриваться в каждом конкретном, случае как отношение
напряженности к скорости ползучести в данный момент времени.
Стадия установившейся ползучести продолжительна только при
малой нагрузке, при большой нагрузке она кратковременна, так как быстро
переходит в стадию резко ускоряющейся ползучести, обычно принимаемой за
предел ползучести. Зависимость скорости ползучести льда от нагрузки (предел
длительной ползучести) примерно квадратичная.
Описанные пластические свойства льда в значительной
степени определяют его умеренную долговременную прочность, в частности в
конструкциях холодильников из льда. Для льда, кроме мгновенной упругой и
необратимой пластической деформации, характерна, также обратимая деформация
последействия.
Расчет для льда, армированного 6% (по объему)
стекловолокна, дал четырехкратное упрочнение образца, а соответствующий опыт
показал упрочнение в 4,5 раза. При армировании льда волокнами или частицами
более короткими, чем испытываемый образец, кратковременная прочность при
растяжении, в частности со скоростью 0,5 мм/мин и в случае добавок порошка
крахмала или древесных опилок в количестве 5% по массе, при температуре—20° С
увеличивается вдвое.
Упрочнение льда армированием или посредством наполнителей
зависит от смерзаемости льда с упрочнителем и до некоторого предела
пропорционально количеству и прочности упрочнителя. Такой лед не только
прочнее, но и менее пластичен, чем обычный.
Случай, когда наполнителем становится сам лед, является
наиболее сложным. Кратковременная прочность при сжатии влажных грунтов в
замороженном виде, например при температурах —0,4° и —4° С, составляет для
песчаного грунта соответственно 0,6 и 1,4 МПа, для глинистого грунта — 0,25 и
0,6 МПа, при —10° С для песков 9— 12, для суглинков 3—5 МПа. Меньшая
прочность глинистых грунтов в мерзлом состоянии объясняется, кроме свойств
глины, наличием в них капиллярно связанной воды, замерзающей только при очень
низких температурах. При замораживании воды в порах грунтов возникает
связанная с изменением структуры деформация, называемая пучением.
Относительное пучение (отношение высоты подъема грунта к глубине промерзания)
при изолированном объеме, промораживаемом со всех сторон, составляет для
песка (влажностью 19%) около 1,6, а для глины (влажностью 32%)—около 5,2.
В случае неизолированного объема глинистого грунта и
возможности подтока воды извне пучение значительно увеличивается. Пучение же
данного объема песчаных грунтов при свободном оттоке воды незначительно.
Естественный морской лед и искусственный лед из морской
воды или рассола с выпавшими при криоскопических температурах солями
прочнее, а с рассолом, не замерзшим в капиллярах, — слабее пресного льда.
Прочность льда, кроме других факторов, также связана с его плотностью,
определяемой, в частности, содержанием солей и воздуха.
Уже при температуре —8,4° С, когда выпадает из морской
воды декагидрат сульфата натрия, прочность морского льда несколько
увеличивается. При температуре —2ГС, когда выпадает хлористый натрий,
прочность морского льда заметно возрастает. Максимальной прочности по
сравнению с пресным льдом морской лед практически достигает при —36° С, когда
выпадает хлористый магний. Указанные соли отлагаются в основном на стенках
капилляров морского льда.
Для льда менее всего исследованы ударные нагрузки и
явления «усталости». Сложным и не вполне разработанным является вопрос о
пределе кратковременной прочности льда, так как он, в частности, в большой
степени зависит от размеров нагружаемого образца.
В случае относительно быстрой деформации (порядка 5
мм/мин) перпендикулярно поверхности льдообразования кратковременная прочность
или разрушающее напряжение сг (в МПа), находящееся за пределами упругости, по
данным Пинегина [59], Витмана и Шан- дрикова [72], для малых образцов
прозрачного речного льда с температурой t от 0° С до —25° С составляет: при
сжатии 1,2—0,08 t, при растяжении 0.5-^-0,015i и срезе 0,7—0.01 t По
исследованиям автора Г20], для намороженного мелкокристаллического матового
льда (1 дм3) с плотностью около 900 кг/м3 при 0°С разрушающее напряжение при
сжатии со скоростью 10 мм/мин составило 1,5 МПа; твер
дость льда по шкале Мооса была равна ~1,5, а твердость по
Ври- неллю ~ 0,035 МПа (для пуансона диаметром 30 мм при выдержке 1 с). Ударная же прочность льда ау (работа, затраченная на копре при раскалывании
ударом, Дж/см2) для ледяных брусков сечением 1 дм2 при температуре до —20° С
составила по опытам 0,45—0,011. Исследования автора также показали, что при
разработке льда скалыванием энергия удара эффективнее, чем частота ударов (
6).
Наиболее общими характеристиками прочности льда являются
модуль Юнга и модуль сдвига, определяемые, в частности, резонансным методом и
составляющие при 0°С около 9,4 и 3,4 тыс. МПа, а при —30° С примерно 10 и 3,7
тыс. МПа.
Из-за неоднородности и трещиноватости льда расчеты
прочности следует делать с запасом в 1,5—2 раза и более.
Показатели скользкости и примерзаемости льда ко льду и к
другим телам важны для расчетов и эксплуатации льдорезных пил на санях,
льдохранилищ, склизов для транспортировки льда, а также устройств для
отделения льда от испарителей льдогенераторов.
При адгезии (прилипании) льда к подложке, кроме простых
молекулярных сил притяжения, обычно имеют место связи двойного электрического
слоя, а при соответствующих подложках — и водородные связи с пленкой
молекулярно ориентированной воды. С адгезией связана не только примерзаемость
льда, но и его скользкость, характеризуемая коэффициентом трения. В случае
трения металла о лед, являющийся полупроводником, могут возникать
значительные заряды трибоэлектричества, несколько уменьшающие скользкость
льда и врёдящие, например, скребковым льдогенераторам.
Коэффициент внешнего трения скольжения в соответствии с
законом Амонтона, примерно действительным для льда в сравнительно узком
диапазоне нагрузок и температур, выражается отношением силы трения к
нормальному давлению. Статический (при страгивании с места) коэффициент
трения стали по льду р,с при 0°С в среднем составляет 0,2; при —60° С, по
Будневичу [30], он равен 0,4. По производственным определениям автора [20],
статический и кинетический цк коэффициенты трения стали по льду при 0° С
составляют соответственно 0,35 и 0,035 (при скорости 0,05 м/с).
Относительно большая скользкость льда при движении в
основном обусловливается парожидкостной смазкой, образующейся в результате
плавления льда от трения (и иногда от давления, особенно при околонулевой
температуре).
При сухом трении в случае низких температур скользкость
уменьшается, так как лед не плавится, а срезается. Фрикционные особенности и
практическая скользкость льда, кроме указанных причин, зависят еще от
химического состава и характера поверхности льда и скользящих полозьев, а
также от скорости движения.
Примерз аемость льда к подложке связана, в частности, со
скоростью деформации и температурами намораживания и отрывания льда и зависит
от поверхностного натяжения квазижидкого слоя на границе лед — подложка (при
умеренно низких температурах) и площади контактов отдельных кристаллов и
прослоек между ними. Например, в опытах Савельева с сотрудниками [96] при
скорости деформации 2 мм/мин сила примерзания льда к плексигласу при —10° С,
площади сечения отдельных кристаллов f=0,17 см2, в случае температуры
намораживания —5° С составляла при отрыве 0,063 МПа. Сила Же примерзания
кристаллов cf=0,03 см2 для намораживания при —20° С равнялась 0,017 МПа.
Плоскостная адгезия уменьшается с понижением температуры
намораживания и увеличивается с понижением температуры отрыва. Объемная
адгезия к шероховатой пористой подложке связана с прониканием кристаллов льда
в поры подложки. Объемная адгезия больше, чем плоскостная, в основном по
причинам больше.й активности и развитой поверхности контактов. Объемная
адгезия обычно лимитируется прочностью приконтактного слоя (20—30 мм) льда
особой структуры. Измеряемые силы примерзания обычно увеличиваются в
некоторых пределах при снижении температуры и уменьшаются при снижении
скорости Деформации.
Примерзаемость (когезий) зародышей ледяных кристаллов к
полностью смачиваемой ледяной поверхности охлаждения соответствует прочности
льда. При замерзании воды даже на гидрофобной подложке с неполярной
атомно-молекулярной структурой отталкивающая сила поверхностного натяжения
воды исчезает, и всегда устанавливается некоторая связь льда с подложкой, что
указывает на отсутствие полностью льдофобных тел.
Сила примерзания льда, например к гидрофильному стеклу,
определенная при отрыве нормально к поверхности, по Кобеко и Марею [56], при
—3°С составляет 1,9 МПа, то же для гидрофобной стали — 2 МПа, для
гидрофобного полистирола — 0,22 МПа. По другим данным, примерзаемость льда к
стали при —14—20° С составляет только 0,1—0,5 МПа [3].
В случае смачивания полистирола водой с
поверхностно-активной добавкой примерзаемость к нему льда остается малой.
Необходимо также заметить, что при многократном намораживании и отделении
льда, в частности для такого гидрофобного полимера, как полиэтил-
гидросилоксан, примерзаемость возрастает до предела прочности льда.
Практически примерзаемость льда, кроме температуры, сильно
зависит от характера и скорости деформации, материала, шероховатости и
чистоты подложки (в том числе на молекулярном уровне). Только путем
использования периодически заменяемого непрочного покрытия, применения
незамерзающей смазки или смазки, плавящей лед, можно предотвратить
примерзание льда к холодной поверхности.
Дополнительные практические сведения о физико-механических
свойствах льда, в частности связанных с его «разрабатываемостью», например с
«распиливаемостью», приводятся далее при описании льдоразделочных машин.
|