The effect of “annealing” on the specific crushing energy of the layered frozen ice

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The paper demonstrates realization of an experimental method of shock destruction of ice in order to study its specific energy of destruction and strength under various annealing conditions. Ice was prepared by layer-by-layer freezing of distilled water. The ice had a polycrystalline structure with a grain size of several fractions of a millimeter, judging by its ability to be broken into submillimeter fragments under the influence of shock load. It was shown that ice samples can be stored for a long time (several days) at a temperature of –18 °C without changing their physical characteristics. Annealing of ice for more than 5 hours at a temperature of –1.5 °C resulted in a decrease in the diameter of the holes formed on the ice surface by impacts of the ball by 20% and in an increase in the strength of the ice by 80%. Many hours of annealing at a temperature of about 0 °C caused the opposite results: the diameter of the holes increased by 10–20%, and the strength decreased. The increase in ice strength at the annealing temperature of –1.5 °C was explained by a decrease in the specific surface energy of formation of cracks and a decrease in the size of the fragments into which the ice breaks. The decrease in strength at the annealing temperature of 0 °C is explained by ice recrystallization processes, which results in a decrease of the density of microcracks in the ice lattice, and in an increase of the size of fragments. Thus, annealing can significantly affect the strength. To strengthen ice, the annealing temperature must be high, but not too close to the melting point, so that noticeable recrystallization does not occur, leading to a loss of strength of the material.

Full Text

Restricted Access

About the authors

V. A. Dzhumandzhi

Institute of the Earth’s Cryosphere Tyumen Scientific Center SB RAS

Author for correspondence.
Email: shavlov@ikz.ru
Russian Federation, Tyumen

A. V. Shavlov

Institute of the Earth’s Cryosphere Tyumen Scientific Center SB RAS

Email: shavlov@ikz.ru
Russian Federation, Tyumen

I. V. Sokolov

Institute of the Earth’s Cryosphere Tyumen Scientific Center SB RAS

Email: shavlov@ikz.ru
Russian Federation, Tyumen

E. S. Yakovenko

Institute of the Earth’s Cryosphere Tyumen Scientific Center SB RAS

Email: shavlov@ikz.ru
Russian Federation, Tyumen

References

  1. Bernal J. Concluding remarks. Mekhanicheskiye svoystva novykh materialov. Mechanical properties of new materials. Moscow: Mir, 1966: 241–254. [In Russian].
  2. Bernstein S.A. To the calculation of the strength of the ice layer at the crossing. Vestnik Voyenno-inzhenernoy akademii. Bulletin of the Military Engineering Academy. 1935, 8: 3. [In Russian].
  3. Bogorodsky V.V., Gavrilo V.P. Led. Fizicheskiye svoystva. Sovremennyye metody glyatsiologii. Ice. Physical properties. Modern methods of glaciology. Leningrad: Gidrometeoizdat, 1980: 384 p. [In Russian].
  4. Vdovin Yu.I., Krasnov Yu.N. Opyt sozdaniya ledovykh plotin. Problemy inzhenernoy glyatsiologii. Experience in building ice dams. Problems of engineering glaciology. Novosibirsk: Nauka, 1986: 177–183. [In Russian].
  5. Voytkovskiy K.F., Kamenskiy R.M., Konstantinov I.P. Sozdaniye ledovykh massivov iz morskoy vody na melkovod’ye Arkticheskikh morey. Tezisy dokladov nauchno-tekhnicheskogo soveshchaniya «Problemy primeneniya ledovykh sooruzheniy na Tyumenskom Severe». Creation of ice massifs from sea water in the shallow waters of the Arctic seas. Abstracts of reports of the scientific and technical meeting “Problems of using ice structures in the Tyumen North”. Tyumen, 1982: 9–10. [In Russian].
  6. Grinevich D.V., Buznik V.M., Nuzhny G.A. Obzor primeneniya chislennykh metodov dlya modelirovaniya deformatsii i razrusheniya l’da. A review of the application of numerical methods for modeling ice deformation and fracture. Proc. of VIAM. 2020, 8 (90): 109–122. [In Russian].
  7. Danielyan Yu.S., Dolgikh G.M., Maier V.R. The project of the Yamburg experimental dam (with an ice core in its body). Problemy inzhenernoy glyatsiologii. Problems of engineering glaciology. Novosibirsk: Nauka, 1986: 183–189. [In Russian].
  8. Dunaev E.S. Sea water ice as a building material. Trudy Dal’nevostochnogo politekhnicheskogo institute. Proc. of the Far Eastern Polytechnic Institute. 1957, 46: 1–26. [In Russian].
  9. Epifanov V.P. Destruction of ice during impact interactions. Doklady Akademii nauk SSSR. Reports of the Academy of Sciences of the USSR. 1985, 284 (3): 599–603. [In Russian].
  10. Zelenin A.N. Osnovy razrusheniya gruntov mekhanicheskimi sposobami. Fundamentals of soil destruction by mechanical means. Moscow: Mashinostroenie, 1968: 376 p. [In Russian].
  11. Krai P. Influence of structure width on design ice loads. Fizika i mekhanika l’da. Physics and mechanics of ice. Moscow: Mir, 1983: 165–179. [In Russian].
  12. Likhomanov V.A., Kheisin D.E. Experimental study of the impact of a solid body on ice. Problemy Arktiki i Antarktiki. Problems of the Arctic and Antarctic, 1971, 38: 105–111. [In Russian].
  13. Saveliev B.A., Latalin D.A. Iskusstvennyye ledyanyye platformy. Artificial ice platforms. Moscow: VINITI, 1986: 193 p. [In Russian].
  14. Spivak A.I., Popov A.N. Mekhanika gornykh porod. Mechanics of rocks. Moscow: Nedra, 1975: 200 p. [In Russian].
  15. Ryzhenkov A.V. Pikerite and riserite are unusual materials for a cold climate. Priroda i klimat. Nature and climate. 2015, 3 (16): 29–33. [In Russian].
  16. Umerennoye namorazhivaniye l’da metodom dal’nestruynogo dozhdevaniya. Moderate freezing of ice by long-range sprinkling. Yakutsk: State University, 1982: 755 p. [In Russian].
  17. Kheisin D.E., Likhomanov V.A. Experimental determination of the specific energy of mechanical crushing of ice upon impact. Problemy Arktiki i Antarktiki. Problems of the Arctic and Antarctic. 1973, 41: 55–61. [In Russian].
  18. Tsuprik V.G. On the cyclic nature of the process of destruction of sea ice during its shock testing by a rigid sphere. Problemy osvoyeniya georesursov Dal’nego Vostoka. Problems of development of georesources of the Far East. Moscow: Gornaya kniga, 2013: 26–40. [In Russian].
  19. Shavlov A.V. Led pri strukturnykh prevrashcheniyakh. Ice during structural transformations. Novosibirsk: Nauka, 1996: 182 p. [In Russian].
  20. Shavlov A.V., Ryabtseva A.A., Shavlova V.A. “Super-slippery” ice for speed skating. Kriosfera Zemli. Cryosphere of the Earth. 2007, 10 (2): 49–59. [In Russian].
  21. Shtremel M.A. Destruction. Sorosovskiy obrazovatel’nyy zhurnal. Soros Educational Journ. 1997, 4: 91–98. [In Russian].
  22. Irwin G.R. Engineering fracture Mechanics. V. 1. Pergamon Press, 1968: 241–257.
  23. Li, Jia Hui; Wei, Zhen; Wu, Chao. Preparation and properties of novel building materials at low temperature. Materials & Design. 2015, 67: 464–468.
  24. Orlov M.Y., Orlova Y.N. Phenomenological model and numerical method. In: Combined theoretical and experimental study of ice behavior under shock and explosive loads. Springer Briefs in Applied Sciences and Technology. Springer, Cham. 2022.
  25. Petrov I.B. Problems of modeling natural and anthropogenic Processes in the Arctic Zone of the Russian Federation. Mathematical models and computer simulations. 2019, 11 (2): 226–246.
  26. Perutz M.F. A description of the iceberg aircraft carrier and the bearing of the mechanical properties of frozen wood pulp upon some problems of glacier flow. Journ. of Glaciology. 1948, 1 (3): 95–104.
  27. Reichmus D.R. Correlation of experimental dependences force – movement with physical characteristicss of rocks at percussion boring, Ed Fairhurst, C, in Rock Mechanics, Proc 1th Symposium of Rock Mechanics. University of Minnesota, 1962. Pergamon Press, Oxford-London-New York-Paris, 1963.
  28. Tatibouet J., Vassoille R., Perez J., Campbell W.J., Weeks W.F. Ramseier R.O., Gloersen P. Ultrasonic properties of plastically deformed ice. Journ. of Glaciology. 1975, 15 (73): 161–169.
  29. Tusima K., Kiuchi T. Development of high-speed ice-skating rink. Seppyo. Journ. Japan Society of Snow and Ice. 1998, 60 (5): 349–356.
  30. ndn.info. Retrieved from: https://ndn.info/novosti/29327-armirovannyj-led-dlya-strojki-mostov-izobreli-v-sibiri. Last access: 14 May 2024.
  31. https://welcome.mosreg.ru. Retrieved from: https://welcome.mosreg.ru/stories/gornolyznye-kurorty-podmoskov-a-kuda-otpravit-sa-etoj-zimoj. Last access: 14 May 2024.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig 1. Photograph of the hole against the background of a ruler with a division value of 1 mm (a) and a diagram for measuring the parameters of the hole (b): R – is the radius of the ball, d – is the diameter of the hole, h – is the depth of the hole, Δh – is the thickness of the layer of destroyed ice under the bottom of the hole. Crushed ice is shown in the diagram by shading

Download (46KB)
Indexing metadata
3. Fig 2. Dependence of hole diameters d on ice temperature T

Download (12KB)
Indexing metadata
4. Fig 3. Dependence of the diameters of ice holes d on the thickness of the top layer l. Ice test temperature –12 °C

Download (13KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Dependence of the diameter of the holes d on the annealing time t. Annealing temperature –1.5 °C (a), 0 °C (b). Test temperature –12 °C

Download (24KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Dependence of the biquadratic diameters of the holes d 4 on the height of the fall of the ball H at an ice testing temperature of –12 °C

Download (15KB)
Indexing metadata
7. Fig 6. Distribution function of ice fragments ∂N/∂a by size a. (1) – with an average hole diameter of 8 mm after 2-hour annealing, (2) – 10 mm after 6-hour annealing

Download (14KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».