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Experiments on Freeze-Bonding Between Ice Blocks in Floating Ice rubble

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

R. Ettema
Affiliation:
Iowa Institute of Hydraulic Research, Department of Civil and Environmental Engineering, University of Iowa, Iowa City, Iowa 52242, U.S.A.
J.A. Schaefer
Affiliation:
Department of Physics and Engineering Science, Loras College, Dubuque, Iowa 52001, U.S.A.
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

Series of experiments were conducted with the aim of determining the influences of the following factors on freeze-bonding between contacting ice blocks in floating ice rubble: pressure normal to the contact plane, period and area of contact, and salinity of the water in which freeze-bonding occurred. Freeze-bonding between ice blocks in air was also investigated. The experiments were conducted with water and air temperatures of about 0°C and normal pressures, between ice blocks, up to 4 kPa. This range of normal pressures may occur hydrostatically between ice blocks in layers of floating ice rubble up to about 10 m thick, or in 2-3 m thick layers which are in a passive Rankine state of pressure. The experiments show that stronger freeze-bonds develop between ice blocks in distilled water, tap water, and water from the Iowa River than develop between ice blocks contacting in air at 0°C. However, stronger freeze-bonds developed in air at 0°C than developed between ice blocks in 0°C saline (NaCl) solutions with salinities in excess of 12.5% by weight. The strength of freeze-bonding increased linearly with contact period for ice blocks in distilled, tap, and river waters, but did not increase with contact period for ice blocks contacting in saline solutions or in air. The results of the experiments are useful contributions to explanations of the shear-strength behavior of a layer of floating ice rubble. For example, thicker layers of ice rubble may show greater cohesive behavior, because normal pressures and thus freeze-bond strengths increase with layer thickness.

Résumé

Résumé

Des séries d’expériences ont été menées dans le but de déterminer l’influence des facteurs suivants sur l’agrégation par regel entre les blocs en contact dans la blocaille de la glace flottante: pression normale sur le plan de contact, durée et surface de contact et salinité de l’eau dans laquelle se produit ce collage par regel. L’agrégation par regel entre les blocs dans l’air a aussie été examinée. Les expériences ont eu lieu avec des températures de l’eau et de l’air voisines de 0°C et des pressions normales entre blocs, supérieures à 4 kPa. Ce domaine de pressions normales peut exister entre les blocs disposés en couches dans la blocaille de glace flottante sur des hauteurs de 10 m d’épaisseur ou sur des couches de 2 à 3 m qui se trouvent en état de pression passive de Rankine. Ces expériences montrent qu’un collage par regel se développe plus intensément entre blocs placés dans de l’eau distillée, de l’eau du robinet, et de l’eau provenant de la Iowa River, qu’il ne se développe entre blocs en contact dans l’air à 0°C. Cependant, une agrégation se développe plus intensément dans l’air à 0 C qu’elle ne le fait à 0°C avec des blocs en présence de solutions salines (NaCl) pour des salinités supérieures à 12,5% en poids. La solidité du soudage par regel croît linéairement avec la durée du contact en eau distillée, de robinet et de rivière, par contre elle ne croît pas en fonction du temps de contact pour des blocs placés dans une solution saline ou dans l’air. Les résultats de ces expérimentations constituent une contribution utile à l’explication du comportement résistant de la couche de glace flottante en blocs. Par exemple des couches de glaces de blocaille plus épaisses peuvent présenter un comportement plus cohésif, par suite des pressions normales et de là des résistances de soudages qui augmentent avec l’épaisseur de la couche.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Versuchsreihen wurden angestellt mit dem Ziel, den Einfluss der folgenden Faktoren auf das Zusammenfrieren von sich berührenden Eisblöcken in schwimmendem Eisschutt zu bestimmen: Normaldruck an den Kontaktflächen, Dauer und Fläche des Kontaktes, Salzgehalt des Wassers, in dem der Gefriervorgang stattfindet. Zusammenfrieren von Eisblöcken in Luft wurde ebenfalls untersucht. Die Versuche wurden bei Wasser- und Lufttemperaturen von etwa 0°C und unter Normaldruck bis zu 4 kPa zwischen den Eisblöcken durchgeführt. Dieser Normaldruckbereich dürfte hydrostatisch zwischen Eisblöcken in Schichten schwimmenden Eisschuttes bis 10 m Dicke oder in 2-3 m dicken Schichten, die sich in einem passiven Rankine-Druckzustand befinden, auftreten. Die Versuche zeigen, dass sich stärkere Frostbindungen zwischen Eisblöcken in destilliertem Wasser, Leitungswasser und Wasser aus dem Iowa River bilden als zwischen Eisblöcken in Luft bei 0°C. Doch entwickeln sich stärkere Frostbindungen in Luft bei 0°C als zwischen Blöcken in Salzlösungen (NaCI) bei 0°C mit einem Salzgehalt von mehr als 12,5 Gewichtsprozent. Die Stärke der Frostbindung wuchs linear mit der Kontaktzeit für Eisblöcke in destilliertem, Leitungs- und Flusswasser, jedoch nicht bei Eisblöcken in Salzlösungen oder Luft. Die Versuchsergebnisse sind ein nützlicher Beitrag für die Erklärung des Verhaltens der Scherfestigkeit einer Schicht schwimmenden Eisschuttes. So könnem z.B. dickere Schichten eine grössere Kohäsion aufweisen, weil der Normaldruck und damit die Stärke der Frostbindung mit der Schichtdicke zunimmt.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1986
Figure 0

Fig. 1. Contact between two ice blocks.

Figure 1

Fig. 2. Pressures within layers of floating ice rubble.

Figure 2

Fig. 3. Samples of the test blocks of ice.

Figure 3

Fig. 4. The experimental set-up.

Figure 4

Fig. 5. A typical time history of cable tension.

Figure 5

Table I. Program of Experiments

Figure 6

Fig. 6. Influence on freeze-bond strength of the rate of loading rate, for the range of strain-rates tested.

Figure 7

Fig. 7. Strength of freeze-bond versus period of contact.

Figure 8

Fig. 8. Strength of freeze-bond versus normal pressure: freeze-bonding in distilled water, tap water, and air.

Figure 9

Fig. 9. Condition of a medium-size lest block of ice before and after a test.

Figure 10

Fig. 10. Condition of a largest size test block of ice before and after a test.

Figure 11

Fig. 11. Strength of freeze-bonding versus contact period for freeze-bonding in saline solutions at 0° C with normal pressure of 3.8 kPa.

Figure 12

Fig. 12. Strength of freeze-bonding versus normal pressure for freeze-bonding in saline solutions at 0 °C for contact period of 10 s.

Figure 13

Fig. 13. Strength of freeze-bonding versus contact period for three sizes of test ice block: freeze-bonding in lap water at 0°C.

Figure 14

Fig. 14. Strength of freeze-bonding versus normal pressure for three sizes of test ice block: freeze-bonding for 10 s in air at 0°

Figure 15

Fig. 15. Strength of freeze-bonding versus normal pressure for two sizes of test ice block: freeze-bonding for 10 s in tap water at 0° C.