Нами совместно с Ю. Е. Слесаренко предпринята попытка'обоснования ультразвукового метода оценки фазовога состава морских льдов, а также замороженных растворов. Данный метод применим как в лабораториях, так и в натурных условиях. Он основан на применении установленных зависимостей между характеристиками распространения акустического сигнала (скоростями, периодами) и фазовым составом льдов. В зависимости от солевого состава растворов, из которых формируется ледяное- образование, у таких льдов бывает закономерное изменение фазового состава с изменением температуры,, часто характеризуемое фазовой диаграммой. Эта диаграмма при многокомпонентных растворах имеет ряд изломов при температурах выпадения кристаллогидратов соответствующих солей. Наиболее изученными в этом отношении растворами являются морская вода и раствор ЫаС1.

Так, при намерзании льда из морской воды кривая изменения его фазового состава [121, 95] имеет два основных резких излома при критической температуре выпадения кристаллогидратов солей хлорида натрия — ЙаС1-2Н₂0 при 1ж —22°С и хлорида магния — МдС1₂-12Н₂0 при 1 = —55°С. В пределах температур 0-.—25°С выпадают следующие соли: СаС0₃-6Н₂О при /=—3°С, N32504- 10Н₂О при * = — 8,2°С и N301 • 2Н₂0 при 1ж —22° С. Как это следует из среднего процентного содержания солей в водах открытых морей и океанов, заметное влияние на изменение физических свойств морского льда в этом диапазоне температур может оказать выпадение солей N301 и №₂504. Мы не учитываем процессы межфазовых реакций, усложняющие солевой состзв жидкой и твердой фазы льда при различных темперзтурах, так как они в природных морских льдах практически не изучены. Изменение фззового состзвз и: выпадение определенных солей при различной температуре должны проявиться в изменении харзктеристик упругости морского льдз. В ряде работ показано, что при уменьшении солености и понижении температуры морского льда имеет место по* вышение значений различных харзктеристик прочности льда имодулей упругости [41]. Это, по-видимому, связано как с изменением фазового состава, так и с возникновением более монолитного скелета морского льда за счет укрепления межкри-сталлитных зон при выпадении солей.

Однако исследования по определению акустических и упругих характеристик льдов из растворов почти не проводились. Нет систематизированных данных о характере изменения этих свойств в широком диапазоне изменения фазового состава. Лишь М. Ланглебен и Э. Паундер {55, 131] выполнили ряд экспериментов по изучению образцов морского льда ультразвуковым и вибрационным методами и сопоставили полученные данные с фазовым составом образцов М. Ланглебен и Э. Паундер установили, что при изменении содержания жидкой фазы от 1 до 10% скорость распространения продольных волн и модуль Юнга уменьшаются линейно: V? от 3,85-10³ до 3,0* 10³ м/с и соответственно Е — от 10,2 до 6,6 ГН/м². Причем приводится следующая эмпирическая зависимость модуля Юнга от содержания незамерзшего рассола ЯР* (в %о): /:=(10—0,035 Н^)ГН/м². Однако данные о солености, плотности и коэффициенте Пуассона были заимствованы из результатов непоследовательных экспериментов, что ставит под сомнение приводимую количественную зависимость. Более того, Э. Паундер [55] отмечает, что в последующих аналогичных исследованиях полярного льда результаты не соответствовали этому соотношению.

Интересные данные содержатся в работе Дж. Брауна [131], который установил, что определяющим фактором, оказывающим влияние на упругость и прочность морского льда, является содержание рассола. В работе показано, что сопротивление морского льда изгибу изменяется примерно пропорционально корню квадратному из скорости продольной волны! Эта зависимость подчиняется эмпирическому уравнению:

где &«2,8 — коэффициент концентрации напряжений; Ур₂— скорость распространения продольных волн в пластине, м/с.

Автор отмечает, что на основании полученных им экспериментальных зависимостей можно разработать методику быстрого определения прочности на изгиб крупных ледяных полей с помощью телеметрической акустической аппаратуры. Последняя позволит измерять скорость распространения упругих волн во льде, причем измерения могут выполняться с самолетов и лодводных лодок. Браун предпринял также попытку теоретического объяснения полученной связи между упругими свойствами морского льда и его прочностью на основе теории напряженных состояний для плоских перфорированных пластин. Сопоставление экспериментальных данных с теоретическими расчетами дает удовлетворительное качественное соответствие, что указывает на плодотворность принятой Брауном модели морского льда и на необходимость более детальных исследований строения, свойств льдов, зависимости упругих свойств и характеристик прочности от фазового состава льда при достаточно широком диапазоне содержания рассола. Полученные недавно [74] при изучении ледяных покрытий ультразвуковым импульсным методом данные позволяют уточнить эту зависимость (рис. 90).

Значения скорости распространения продольных и релеев-ских упругих волн, периодов сигналов, соответствующих этим волнам, и рассчитанные значения модулей упругости можно представить для морских льдов как функцию одного параметра — содержания жидкой фазы. Значения этого параметра определяют, исходя из солености и температуры льда. Для оценки влияния вытекания рассола за время, необходимое для выполнения цикла измерений при четырех-пяти значениях фиксированной температуры, соленость следует определять сразу же после намораживания образцов и после проведения полного цикла измерений.

На рис. 91 приведены графики скорости распространения упругих волн, периодов регистрируемого сигнала и динамического модуля Юнга морского и соленого льда в зависимости от содержания жидкой фазы во льде. На рис. 91, а приведены графики отношения 1/Г, которое изменяется от 71,5 до 14 мкс^-1 при том же изменении количества жидкой фазы. Характер полученных кривых для 1/7¹ можно объяснить изменением вязких свойств льда, которое обусловлено содержанием жидкой фазы. Увеличение содержания жидкой фазы приводит к резкому возрастанию потерь энергии упругой волны за счет внутреннего трения (вязкие потери), если имеется квадратичная зависимость коэффициента поглощения от частоты. Как видно из рис. 91,6 и 91, в, в этом случае имеет место характерное уменьшение модуля Юнга от 10,7-^8,65 до 1,5 ГН/м², скорости Vр от 3820—3680 до 1440 и V? — от 1970-^1760 до 700 м/с при увеличении содержания жидкой фазы во льду от 0 до 20%. Такое изменение скорости и модулей упругости объясняется ослаблением связей между кристаллитами во льдах, которое происходит за счет увеличения содержания жидкой фазы, растворения льда и выпавших солей при повышении температуры. Одновременно наблюдается закономерное изменение периода Т .ультразвукового сигнала как у продольных Гр, так и у реле-евских волн — Т_н.

Механизм распространения и поглощения упругих волн во льдах, содержащих жидкую фазу, сложен и недостаточно изучен. Однако даже из феноменологической релаксационной теории (см. § 1 главы III) следует, что содержание во льде жидкой фазы должно существенно изменить скорость и затухание упругих волн, т. е. изменить значение комплексного модуля упругости льда.

Рис. 90. Температурная зависимость акустических характеристик и модулей упругости льдов различного состава:

/ — пресный лед; 2, 3, 4, 5 — лед соленостью соответственно 4; 5,5; 9; 11,5%; 6 — паковый лед (по данным В. В. Богородского); 7 — однолетний лед (по данным Ё. М. Линькова); V — частота сигнала волны /?

 

Рис. 91, Зависимость акустических характеристик и модуля Юнга от содержания жидкой фазы (и?_н, %) льдов различного состава:

а —частота регистрируемого сигнала; б — скорость распространения продольных у и релеевских волн V ; в — модуль

К Юнга; 1 — лед из раствора ИаС!; 2 — лед из морской воды; 3 — арктический лед

 

При этом в зависимости от состава, количества и распределения жидкой фазы во льде ее влияние на комплексный модуль льда должно быть различным, так как приведет к разному распределению времени релаксации материала. Это подтверждается и экспериментальными данными, полученными при изучении ледяных образований из морской воды и растворов ЫаС1. Из рис. 91 следует, что при одном и том же содержании жидкой фазы имеются существенные отличия в абсолютных значениях скоростей Ур, V_п^ периодов Т и модулей Е для этих льдов, что обусловливает различную зависимость рассматриваемых параметров от содержания жидкой фазы в морском и соленом льдах.

Соленый лед. Ледяные образования, намороженные из раствора ЫаС1, представляют собой простейшую двухкомпо-нентную систему лед — рассол, с помощью которой, казалось бы, можно моделировать морской лед. Эвтектическая температура этой системы равна — 21,1 °С. По данным наших измерений (см. кривые 1 на рис. 91), при уменьшении содержания жидкой фазы (с понижением температуры льда) наблюдается плавное возрастание Ур, ь_Ну 1/Г и Е, что обусловлено постепенным отвердением раствора ЫаС1 в ячейках льда. Имеющееся в области малого содержания жидкой фазы (низкие температуры) некоторое увеличение скорости возрастания измеряемых характеристик упругости связано, по-видимому, с выпадением в осадок значительного количества твердой соли, повышающей жесткость граничных зон между кристаллитами. Пересечение кривых с осью ординат (содержание жидкой фазы—*0) дает значения модулей и скорости, хорошо согласующиеся с опубликованными [И] данными для пресных льдов (озерного, речного).

Морской лед. Зависимость измеряемых параметров от содержания жидкой фазы во льде, образовавшемся из морской воды (см. кривые 2 на рис. 91), заметно отличается от аналогичной зависимости для соленого льда. Для скоростей V? и ь_Пу а следовательно, и для модуля Е имеет место'скачкообразное изменение величин при содержании жидкой фазы—12—14%. Последнее связано с методикой получения разного фазового состава образцов льда путем понижения их температуры. При этом в соответствии с соленостью наших образцов значения №„=12—14% соответствуют переходу к температуре ниже —8,2 °С, т. е. ниже точки выпадения из раствора кристаллогидрата глауберовой соли (ЫагЗС^ХЮНгО). Выпадение твердой соли приводит, как уже отмечалось, к дополнительному повышению жесткости граничных зон кристаллитов, что обусловливает увеличение модуля упругости и когезии льда.

При содержании жидкой фазы №<,>14%, т. е. до выпадения в осадок глауберовой соли, характеристики упругости Ур, ь^%_п и Е льда из морской воды оказываются близкими по значениям к характеристикам соленого льда и мало зависят от изменения содержания жидкой фазы. При №„<12% абсолютные значения для Ур, в_д и Е льда из морской воды выше, чем соленого льда, хотя характер изменения их с уменьшением содержания рассола примерно одинаков. В области- малого содержания рассола полученные значения V? и Е хорошо совпадают с результатами исследований Ланглебена и Паундера (см. кривые 3 на рис. 91).

Таким образом, сопоставление полученных данных о зависимости скоростей ур и VII упругих волн и рассчитанного по их значениям модуля Е от содержания жидкой фазы в морском и соленом льде позволяет установить диапазон состояния этих льдов (различающиеся по величине И^), в пределах которых их характеристики упругости оказываются сходными. Однако это сходство не означает полной аналогии, так как имеет место существенное различие в поглощении энергии упругих волн а рассматриваемых льдах. Об этом свидетельствует расхождение кривых 1/Г=/(И7_г?), полученных для морского и соленого льда.

Результаты измерения периода регистрируемого сигнала показывают, что вязкие свойства морского и соленого льда не аналогичны. Если при малых и больших значениях УР_Ь периоды регистрируемого сигнала в том и другом льде близки (кривые ), 2 на рис.* 91; а сближаются), то в диапазоне содержания жидкой фазы от 5 до 20% наблюдается различие периодов, достигающее 100%. Повышение значений периода сигнала Т_г по-видимому, свидетельствует об увеличении вязкости материала, приводящей к сильному затуханию высокочастотных составляющих акустического импульса и перераспределению энергии в импульсе. Как следует из рис. 91, а большие значения периода Т получены для соленого льда, вязкость которого должна быть выше, чем морского. Это особенно важно иметь в виду при оценке длительной прочности на моделях льда. Сопоставление кривых 1/Т=}(1)Ръ) и Е=}(\Ръ) морского и соленого льдов позволяет отметить, что эти льды почти всегда будут иметь различные значения абсолютной величины комплексного модуля Е при одинаковом содержании жидкой фазы.

Таким образом, полученные зависимости Vр, Уд и 1/Т Ьт содержания жидкой фазы для льдов различного химического состава позволяют производить оценку фазового состава льда ультразвуковым методом. Возможность определения содержания жидкой фазы по периодам регистрируемого сигнала и скоростям распространения упругих волн повышает надежность предлагаемого метода. Например, в образцах льда из морской еоды, для которых количество жидкой фазы составляет 78,2%,, применение вышеописанного метода дает следующие результаты. Содержание жидкой фазы, рассчитанное по значениям Ур (2860 м/с), получено 75%, по значениям ю_п (1500 м/с)'— 71%, по периоду сигнала продольной волны 7р (18 мкс)—88%, оо периоду сигнала релеевской волны Т_н (15 мкс)—85%. Среднее значение жидкой фазы из определений по четырем акустическим параметрам составляет 79,7%, что находится в хорошем соответствии с величиной, полученной путем гидрохимического анализа. Эти данные иллюстрируют перспективы применения ультразвукового метода оценки содержания жидкой фазы в ледяных образованиях из растворов, так как с его помощью получаются данные, вполне сопоставимые с результатами определений другими методами. Можно считать, что установленные экспериментальные зависимости уже на данном этапе обеспечивают практическую возможность применения ультразвукового метода для изучения фазового состава льдов. Рассмотренная методика оценки фазового состава льдов из растворов с помощью ультразвукового импульсного метода может быть применена при соответствующих исследованиях ледяных образований, для решения ряда горнотехнических проблем, связанных, например, с утечками охлаждающего рассола из замораживающих скважин при создании ледопородных ограждений, а также с замерзанием и специальным замораживанием с целью очистки сточных вод химических предприятий.