Induction of ductile modes of ice fracture and drastic enhancement of its fracture energy by means of introduction of nanoscale additives

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

Ice brittleness and low strength limits its usage as a construction material in cold climate regions on Earth (Arctics, Antarctic, high mountain regions on other continents) as well as in construction of habitable colonies at Moon and Mars planned by several countries despite attractiveness of its other properties. The paper presents experimental study of enhancement of ice carrying capacity and fracture energy by introduction of SiO2 nanoparticles and polyvinyl alcohol into it. Concentration dependences of these properties enhancement are found. Quantitative characteristics of transition from brittle fracture mode in pure ice to ductile one in ice composite caused by growing content of additives are revealed. This transition results in 2–3 orders of magnitude increase in ice fracture energy.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Yu. I. Golovin

G. R. Derzhavin Tambov State University; Lomonosov Moscow State University

Author for correspondence.
Email: yugolovin@yandex.ru
Russian Federation, Tambov; Moscow

V. М. Vasyukov

G. R. Derzhavin Tambov State University

Email: yugolovin@yandex.ru
Russian Federation, Tambov

V. V. Rodaev

G. R. Derzhavin Tambov State University

Email: yugolovin@yandex.ru
Russian Federation, Tambov

A. А. Samodurov

G. R. Derzhavin Tambov State University

Email: yugolovin@yandex.ru
Russian Federation, Tambov

D. Yu. Golovin

G. R. Derzhavin Tambov State University

Email: yugolovin@yandex.ru
Russian Federation, Tambov

A. I. Tyurin

G. R. Derzhavin Tambov State University

Email: tyurinalexander@yandex.ru
Russian Federation, Tambov

S. S. Razlivalova

G. R. Derzhavin Tambov State University

Email: yugolovin@yandex.ru
Russian Federation, Tambov

V. M. Buznik

G. R. Derzhavin Tambov State University; Lomonosov Moscow State University

Email: yugolovin@yandex.ru
Russian Federation, Tambov; Moscow

References

  1. Бузник В.М., Каблов Е.Н. // Вестник РАН. 2017. Т. 87. № 9. С. 831.
  2. Бузник В.М., Бурковская Н.П., Зибарева И.В. и др. Арктическое материаловедение: состояние и развитие. М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2021. 414 c.
  3. Grande M., Linli G., Blanc M. // Planetary Exploration Horizon 2061. 2023. P. 249. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-90226-7.00002-7
  4. Reynard B., Sotin C. // Earth Planet. Sci. Lett. 2023. V. 612. P. 118172. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2023.118172
  5. Hemingway D., Iess L., Tajeddine R., Tobie G. // Enceladus and the Icy Moons of Saturn / Eds. Schenk P.M. et al. Tucson: University of Arizona Press, 2018. P. 57. https://doi.org/10.2458/azu_uapress_9780816537075-ch004
  6. Krishna Swamy K.S. Physics of comets. World Scientific Publishing Company. 1997. 396 p.
  7. Физика и механика льда (перевод с англ.) / Ред. Трюде П.М.: Мир, 1983. 384 с.
  8. Schulson E.M., Duval P. Creep and Fracture of Ice. Cambridge University Press, 2009. 401 p.
  9. Timco G.V., Weeks W.F. // Cold Reg. Sci. Technol. 2010. V. 60. P. 107. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2009.10.003
  10. Arenson L.U., Colgan W., Marshall H.P. // Snow and Ice-Related Hazards, Risks, and Disasters. Elsevier Inc., 2015. P. 35. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-394849-6.00002-0
  11. Архаров И.А., Гончарова Г.Ю. // Холодильная техника. 2010. № 11. С. 46.
  12. Гончарова Г.Ю., Разомасов Н.Д., Борщев Г.В., Бузник В.М. // Химическая технология. 2020. Т. 21. № 12. С. 548. https://doi.org/10.31044/1684-5811-2020-21-12-548-560
  13. Xie J., Yan M.-L., Yan J.-B. // Cold Reg. Sci. Technol. 2022. V. 206. № 4. P. 103751. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2022.103751
  14. Yan M.-L., Jian X., Yan J.-B. // J. Build. Eng. 2023. V. 65. P. 105751. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2022.105757
  15. Vasiliev N.K. // Cold Reg. Sci. Technol. 1993. V. 21. P. 195. https://doi.org/10.1016/0165-232X(93)90007-U
  16. Syromyatnikova A.S., Bol’shakov A.M., Alekseeva A.V. // Environ. Earth Sci. 2020. V. 459. P. 062119. https://doi.org/10.1088/1755-1315/459/6/062119
  17. Lou X., Wu Y. // Cold Reg. Sci. Technol. 2021. V. 192. P. 103381. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2021.103381
  18. Buznik V.M., Goncharova G.Y., Grinevich D.V. et al. // Cold Reg. Sci. Technol. 2022. V. 196. P. 103490. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2022.103490
  19. Vasiliev N.K., Pronk A.D.C., Shatalina I.N. et al. // Cold Reg. Sci. Technol. 2015. V. 115. P. 56. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2015.03.006
  20. Li J.H., Wei Z., Wu C. // Mater. Des. 2015. V. 67. P. 464. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2014.10.040
  21. Pronk A., Mistur M., Li Q. et al. // Structures. 2019. V. 18. P. 117. https://doi.org/10.1016/j.istruc.2019.01.020
  22. Wu Y., Liu X., Chen B. et al. // Autom. Constr. 2019. V. 106. № 12. P. 102862. https://doi.org/10.1016/j.autcon.2019.102862
  23. Бузник В.М., Головин Ю.И., Самодуров А.А. и др. // Материаловедение. 2023. № 6. C. 10. https://doi.org/10.31044/1684-579X-2023-0-6-10-15
  24. Головин Ю.И., Самодуров А.А., Родаев В.В. и др. // Письма в ЖТФ. 2023. T. 49. № 11. C. 15. https://doi.org/10.21883/PJTF.2023.11.55532.19542
  25. Yasui M., Schulson E.M., Renshaw C.E. // J. Geophys. Res. Solid Earth. 2017. V. 122. № 8. P. 6014. https://doi.org/10.1002/2017JB014029
  26. Головин Ю.И., Самодуров А.А., Родаев В.В. и др. // ЖТФ. 2023. Т. 93. № 10. С. 1459. https://doi.org/10.21883/JTF.2023.10.56284.149-23
  27. Gao W., Smith D.W., Sego D.C. // Cold Reg. Sci Technol. 1999. V. 29. № 2. P. 121. https://doi.org/10.1016/S0165-232X(99)00019-1
  28. John M., Suominen M., Sormunen Otto-V. et al. // Water Res. 2018. V. 145. P. 418. https://doi.org/10.1016/j.watres.2018.08.063
  29. Deng Y., Zongkun L., Zhijun L., Wang J. // Cold Reg. Sci. Technol. 2019. V. 168. P. 102896. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2019.102896
  30. Stoll N., Eichler J., Hörhold et al. // Front. Earth Sci. 2021. V. 8. P. 1. https://doi.org/10.3389/feart.2020.615613
  31. Голубев В.Н. // Вестн. МГУ. Сер. 5: География. 2013. № 3. С. 19.
  32. Dempsey J. // Ice-Structure Interaction / Eds. Jones S.J. et al. Springer-Verlag, 1991. P. 109. https://doi.org/10.1007/978-3-642-84100-2
  33. Xu X., Jeronimidis G., Atkins A.G. et al. // J. Mater. Sci. 2004. V. 39. P. 225. https://doi.org/10.1023/B:JMSC.0000007748.36956.a9
  34. Gharamti I.E., Dempsey J.P., Polojärvi A., Tuhkuri J. // Materialia. 2021. V. 20. Р. 101188. https://doi.org/10.1016/j.mtla.2021.101188
  35. Baker I. // Philos. Trans. Royal. Soc. A. 2019. V. 377. Р. 20180162. https://doi.org/10.1098/rsta.2018.0162
  36. Bachtiger F., Congdon T.R., Stubbs C. et al. // Nature Commun. 2021. V. 12. P. 1323. https://doi.org/10.1038/s41467-021-21717-z

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Typical s–e diagrams of uniaxial compression loading for LC with PVA (1–5, 8), LC PVA + 0.3% SiO2 (6, 10, 11, 13) and LC PVA + 3% SiO2 (7, 9, 12, 15) with PVA concentrations from 0 to 7 wt. %; 1–5, 8, 14 – PVA concentrations of 0, 0.003, 0.01, 0.03, 0.1, 0.3, 5 wt. %, respectively, 6, 10, 11, 13 – 0, 0.5, 3, 5 wt. %, respectively, 7, 9, 12, 15 – 0, 0.3, 3, 7 wt. %, respectively, sp is the peak stress.

Download (177KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Dependences of peak stresses σp withstood by LC under uniaxial compression on the PVA concentration ω: 1 – LC with PVA, 2 – LC PVA + 0.3% SiO2, 3 – LC PVA + 3% SiO2, 4 – pure ice. The insets show the grain structure of pure ice and LC with 3 wt. % SiO2.

Download (234KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Dependences of inelastic deformation Dep (a) and specific work A (b) on the mass fraction of PVA additive ω: 1 – LC with PVA, 2 – LC PVA + 0.3% SiO2, 3 – LC PVA + 3% SiO2, 4 – pure ice, 5 – pure ice according to data in [34]. Single hatching – detection limits Δεp ~ 0.01% and A ~ 50 J/m2, double hatching – theoretical limit of specific energy of absolutely brittle fracture near A ~ 1 J/m2, arrows – possible real values ​​of Δεp and A.

Download (236KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Dependence of specific work A on inelastic deformation Dep before reaching sp for LC with PVA: 1 – LC with PVA, 2 – LC PVA + 0.3% SiO2, 3 – LC PVA +3% SiO2, 4 – pure ice, arrows – possible real values ​​of Δεp and A.

Download (66KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Dependences of inelastic deformation Dep (a) and specific work A (b) on sp for LC with PVA: 1 – LC with PVA, 2 – LC PVA + 0.3% SiO2, 3 – LC PVA + 3% SiO2, 4 – pure ice. Single hatching – detection limits Δεp ~ 0.01% and A ~ 50 J/m2, double hatching – theoretical limit of specific energy of absolutely brittle fracture near A ~ 1 J/m2, arrows – possible real values ​​of Δεp and A.

Download (219KB)
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».