Dynamic mechanical measurements on fresh-water ice during freezing and thawing: preliminary results

Author: Fitzgerald E R  

Publisher: NRC Research Press

ISSN: 1208-6045

Source: Canadian Journal of Physics, Vol.81, Iss.1-2, 2003-01, pp. : 469-477

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Abstract

An automated measurement system for elastic (J' ) and viscous (J'' ) components of complex shear compliance, J* = J'iJ'', and the elastic (G' ) and viscous (G'' ) components of complex shear modulus, G* = G' + iG'' = 1/J*, has been used to obtain these material parameters for fresh-water ice during freezing and thawing. The system is reviewed briefly and yields mechanical loss tangents, J''/J' = G''/G', the shear-wave velocity and attenuation, in addition to shear compliance and modulus, at sinusoidal vibration frequencies from 2 to 10 000 Hz at temperatures between –25 and 150°C. Results reported here are chiefly at temperatures from 10 to –10°C. The required sample disk pairs, which are clamped to a central drive plate, are prepared outside the apparatus for solids and gels. Liquids of known volume are inserted between the drive plate and surrounding clamps at a separation distance, h, by a syringe to form sample disks of area, A = Volume / h. Measurements at 58 frequencies between 2 and 10 000 Hz require 3.5 min; several measurements at each temperature were made to test for equilibrium. Results for both tap and distilled water above freezing revealed high values of elastic (J' ) compliance that decreased sharply at 100 Hz and higher frequencies. Tap-water samples with 4 to 6% by volume air bubbles were less compliant ("stiffer") above freezing than samples with 0 to 1% by volume air, but when frozen, the samples with the smaller volume of air bubbles were less compliant, that is, had higher modulus values than the samples with high air-bubble volumes. Dynamic mechanical property changes in the transition from water to ice are compared to changes previously found during phase transitions in other materials. Further investigation on the effects of air-bubble volumes on dynamic mechanical properties of both water and ice is planned. PACS Nos.: 62.30+d, 62.40+iNous utilisons une méthode automatisée pour mesurer les composantes élastique (J' ) et visqueuse (J'' ) de la compressibilité complexe de cisaillement J* = J'iJ'' et les composantes élastique (G' ) et visqueuse (G'' ) du module complexe de cisaillement G* = G' + iG'' = 1/J*, afin d'obtenir ces paramètres pour l'eau douce pendant le gel et la fonte de la glace. Le système brièvement passé en revue nous fournit les tangentes de perte mécanique, J'' / J' = G'' / G', la vitesse de l'onde décisaillement et l'atténuation, en plus des module de cisaillement et d'élasticité, à des fréquences sinusoïdales de vibration entre 2 et 10 000 Hz et entre des températures de –25 à 150°C. Les résultats rapportés ici portent sur des mesures entre 10 et –10°C. Les paires requises d'échantillon, fixées à une plaque centrale moteur, sont préparées à l'extérieur de l'appareil pour les liquides et les gels. Les liquides de volume, V, connu sont injectés entre la plaque moteur et clampes les entourant, donnant une surface A = V / h. Les mesures portant sur 58 fréquences entre 2 et 10 000 Hz prennent 3,5 min ; plusieurs mesures étant faites à chaque température pour tester la stabilité. Les résultats pour de l'eau du robinet et distillée au dessus du point de congélation révèlent des valeurs élevées pour la compressibilité élastique (J' ) qui décroît rapidement à des fréquences de 100 Hz et plus. L'eau du robinet, contenant jusqu'à 6 % de bulles d'air par volume était moins compressible (plus rigide) au dessus du point de congélation que les échantillons contenant de 0 à 1 % d'air par volume, mais lorsque gelés, ces derniers devenaient moins compressibles que les premiers. Nous comparons ces changements des propriétés mécaniques dynamiques avec des changements déjà observés durant le changement de phase d'autres matériaux. Nous planifions poursuivre nos travaux sur le rôle des bulles d'air sur les propriétés dynamiques de la glace et de l'eau.[Traduit par la Rédaction]