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Tensile Strength of NaCl Ice

Published online by Cambridge University Press:  02 May 2017

W. F. Weeks*
Affiliation:
Department of Geology, Washington University, St. Louis 30, Missouri
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Abstract

To resolve some of the factors causing strength variation in natural sea ice, fresh water and five different NaCl–H2O solutions were frozen in a tank designed to simulate the one-dimensional cooling of natural bodies of water. The resulting ice was structurally similar to lake and sea ice. The salinity of the salt ice varied from 1‰ to 22‰. Tables of brine volumes and densities were computed for these salinities in the temperature range 0° to −35° C. The ring-tensile strength σ of fresh-water ice was found to be essentially temperature independent from −10° to −30°C., with an average value of 29.6±8.5 kg./cm.2 at −10° C. The strength of salt ice at temperatures above the eutectic point (–21.2° C.) significantly decreases with brine volume v;. The σ–axis intercept of this line is comparable to the a values determined for fresh ice indicating that there is little, if any, difference in stress concentration between sea and lake ice as a result of the presence of brine pockets. The strength of ice containing NaCl.2H2O is slightly less than the strength of freshwater ice and is independent of the volume of solid salt and the ice temperature. No evidence was found for the existence of either phase or geometric hysteresis in NaCl ice. The strength of ice at sub-eutectic temperatures, however, is decreased appreciably if the ice has been subjected to temperatures above the eutectic point; this is the result of the redistribution of brine during the warm-temperature period. Short-term cooling produces an appreciable (20 per cent) decrease in strength, in fresh-water and NaCl.2H2O ice. The present results are compared with tests on natural sea ice and it is suggested that the strength of freshwater ice is a limit which is approached but not exceeded by cold sea ice and that the reinforcement of brine pockets by Na2SO4.10H2O is either lacking or much less than previously assumed.

Résumé

Résumé

Pour étudier quelques uns des facteurs qui provoquent une variation de résistance à la tension dans la glace de mer naturelle, on a congelé de l’eau douce et cinq solutions différentes de Cl Na–H2O dans un réservoir destiné à représenter le refroidissement suivant une dimension de masses naturelles d’eau. La glace résultante présentait une structure semblable à celle de la glace de lac et de mer. La salinité de la glace saumâtre variait de 1‰ a 22‰ Des tables du volume de la saumure et de la densité ont été calculées en fonction de la salinité dans l’intervalle de température 0 à −35° C. On a trouvé que la résistance “annulaire” à la tension σ de la glace douce est essentiellement indépendante de la température de −10° C. à −30° C., avec une valeur moyenne de 29,61±8,5 kg/cm2 à −10° C. La résistance à la tension de la glace saumâtre pour des températures supérieures au point eutectique (–21,2° C) détroit de façon significative avec le volume de la saumure v; . La valeur du point d’intersection de cette droite avec l’axe des σ est comparable aux valeurs de σ déterminées pour la glace douce, indiquant qu’il y a peu, sinon pas, de différence clans la concentration des tensions entre la glace de mer et la glace de lac résultant de la présence de poches de saumure. La résistance de la glace contenant ClNa.2H2O est légèrement inférieure à celle de la glace d’eau douce et est indépendante du volume de sel solide et de la température de la glace. On n’a trouvé aucune évidence de l’existence d’hystérésis de phase ou géometrique dans la glace contenant du ClNa. La résistance de la glace pour des températures sub-eutectiques détroit cependant de façon appréciable si la glace a été soumise à des températures au dessus du point eutectique par suite de la redistribution de la saumure durant la période chaude. Une courte période de refroidissement produit une décroissance appréciable de la résistance (20%) dans la glace douce et la glace saumâtre (ClNa.2H2O). On compare ces résultats avec les tests sur la glace de mer naturelle et l’on suggère que la résistance de la glace douce est une limite qui est approaches mais non dépassée dans le cas de la glace de mer froide et que le renforcement des poches de saumure par SO4Na2.10H2O est soit manquant soit inférieur aux estimations antérieures.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Zur Untersuchung einiger der Faktoren, die Schwankungen in der Festigkeit natürlichen Meer-Eises bewirken, wurden frisches Wasser und 5 verschiedene NaCl–H2O—Lösungen in einem Tank eingefroren, dessen Konstruktion die eindimensionale Abkühlung von natürlichen Wasserkürpern nachzuahmen gestattete. Das entstandene Eis war seiner Struktur nach dem See- und Meer-Eis ähnlich. Sein Salzgehalt schwankte von 1‰ bis 22‰. Bei diesen Salinitäten wurden Tabellen für Volumen und Dichte des Salzwassers im Temperaturbereich von 0 bis −35° C errechnet. Die Ringzugfestigkeit σ von Frischwassereis ergab sich im Bereich von −10 bis −30° C im wesentlichen als temperaturunabhängig mit einem Mittelwert von 29,6±8,5 kg/cm2 bei −10° C. Die Festigkeit von Salzeis über dem cutektischen Punkt (−21,2° C) nimmt beträchtlich mit dem Salzwasser–Volumen v ab: . Der Vergleich des Ausgangswertes dieser Diagramm–Kurve auf der σ–Achse mit den gemessenen σ–Werten von Frischwassereis zeigt, dass der Unterschied in der Druckkonzentration zwischen Meer– und See–Eis, der durch Salzwasser–Taschen hervorgerufen wird,—wenn überhaupt vorhanden—nur gering ist. Die Festigkeit von Eis, das NaCl.2H2O enthält, ist etwas geringer als die von Frischwassereis und unabhängig vom Volumen des festen Salzes und von der Eistemperatur. Im NaCl–Eis wurden Anzeichen für das Auftreten von Phasen– oder Struktur–Hysterese gefunden. Allerdings nimmt die Festigkeit von Eis unter subeutektisehen Punkt ausgesetzt war. Dies ist die Folge der Umlagerung von Salzwasser während der warmen Periode. Kurzzeitige Abkühlung bewirkt eine beachtliche (20%) Abnahme der Festigkeit sowohl bei Frischwasser-wie bei NaCl.2H2O–Eis. Die vorliegenden Ergebnisse werden mit Versuchen an natürlichem Meer–Eis verglichen, was zu der Annahme führt, dass die Festigkeit von Frischwassereis einen Grenzwert darstellt, der von kaltem Meer–Eis zwar angenähert aber nicht überschritten wird und dass die Verstärkung von Salzwasser–Taschen durch Na2SO4.10H2O entweder ganz fehlt oder weit geringer ist als früher angenommen.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1962
Figure 0

Fig. 1. Schematic diagram of the freezing tank

Figure 1

Fig. 2. A portion of the phase diagram NaCl–H2O

Figure 2

Fig. 3. Volume of brine and NaCl.2H2O in NaCl ice as a function of temperature

Figure 3

Fig. 4. Density of an air-free NaCl ice as a function of temperature and salinity

Figure 4

Fig. 5. Ring-tensile strength of fresh-water ice as a function of temperature

Figure 5

Table I. Comparison of Tensile and Flexural Strength Values for Fresh-Water Ice

Figure 6

Fig. 6. Ring-tensile strength of NaCl ice vs , T =−5°C.

Figure 7

Fig. 7. Ring-tensile strength of NaCl.2H2O ice vs V(NaCl.2H2O), T = −25° C.

Figure 8

Fig. 8. Ring-tensile strength of NaCl.2H2O ice vs V(NaCl.2H2O), T =−30° C. and −35° C.

Figure 9

Fig. 9. Study of phase hysteresis in NaCl ice, Tt= −10° C.

Figure 10

Fig. 10. Study of geometric hysteresis in NaCl ice, Run V, Tt= −20° C., cycled to −10° C.

Figure 11

Fig. 11. Study of geometric hysteresis in NaCl.2H2O ice, Run VI, Tt = −30° C., cycled to −20° C.

Figure 12

Fig. 12. Average test group salinity vs number of cycles to a higher temperature

Figure 13

Fig. 13. Log (Δσ), the strength loss due to cycling, vs log vmax the volume of brine present in the ice during the high temperature portion of the thermal cycle

Figure 14

Fig. 14. Volume of air in the ice vs depth in the ice sheet, Run VI

Figure 15

Fig. 15. Average volume of air in the ice of a given run vs initial salinity of the freezing solution

Figure 16

Table II. Comparison of Values for the Basic Strength of Salt Ice (σ0) and the Zero Strength Condition (v0) as Determined from Plots of a Against Different Brine Volume Parameters

Figure 17

Fig. 16. Average ring-tensile strength vs average . Tt mariner than −21.2° C.

Figure 18

Fig. 17. Relative ring-tensile strength of NaCl ice as a function of temperature and salinity

Figure 19

Fig. 18. Measured tensile strength of sea ice vs the square root of the relative volume of brine (after Assur, 1958)

Figure 20

Fig. 19. Tentative diagram showing the relative ring-tensile strength of sea ice as a function of temperature and salinity. Assuming curve A (Fig. 18) for the relationship

Figure 21

Fig. 20. Tentative diagram showing the relative ring-tensile strength of sea ice as a function of temperature and salinity. Assuming curve B (Fig. 18) for the relationship