洪嘉琳，馬笑聰，陳 靜，楊騰朝，李 波，郝 穎，張 楠*

（1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130026；2.吉林大學(xué)極地研究中心，吉林 長(zhǎng)春130026）

0 引言

冰的力學(xué)特性對(duì)冰川學(xué)、冰工程學(xué)、行星學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域的研究具有重要意義。然而由于極地環(huán)境惡劣，極地原始冰芯的采集周期長(zhǎng)、成本高，導(dǎo)致其數(shù)量十分有限，樣品質(zhì)量因采集方法和采樣地點(diǎn)而異，難以符合力學(xué)特性研究重復(fù)試驗(yàn)的樣品數(shù)量要求［1］。小尺寸人工冰樣具有制備程序簡(jiǎn)單、周期短、成本低、不受季節(jié)和地域限制等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于冰的力學(xué)特性研究。

常用于冰力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)的人工冰樣制備方法有凍水成冰法、高壓相變法和壓力燒結(jié)法，如表1所示。凍水成冰法是指在低溫環(huán)境條件下凍結(jié)液態(tài)水制備冰樣的方法。高壓相變法是指在低溫環(huán)境以高于200 MPa的壓力壓縮雪或冰，而后卸載至常壓使冰樣從II型冰相變轉(zhuǎn)化成Ih型冰的制備冰樣方法。壓力燒結(jié)法是指在低溫環(huán)境以低于200 MPa的一定壓力壓縮雪或冰顆粒達(dá)到冰密度制備冰樣的方法。

表1 國(guó)內(nèi)外人工冰樣制作方法及關(guān)鍵參數(shù)Table 1 Preparation methods and key parameters of artificial ice samples

凍水成冰法是制作毫米級(jí)晶粒尺寸冰樣的常用方法。Goughnour［3］使用冷卻盤管結(jié)出的霜粒作為冰顆粒，將霜粒放入端部可拆卸的密封圓柱形黃銅模具。在0℃環(huán)境條件下向模具內(nèi)注入蒸餾后的0℃脫氣水，在－18±2℃溫度下進(jìn)行全面凍結(jié)。冷凍開始數(shù)分鐘后，松開頂板以減輕冷凍應(yīng)變。冷凍結(jié)束后，拆卸模具頂板和底板，對(duì)模具表面稍作加熱以實(shí)現(xiàn)脫模取出冰樣，所得冰樣晶粒尺寸約1 mm，密度為0.900～0.913 g/cm3。Lile［4］通過向冰顆粒注入0℃脫氣水后，在－5℃條件下對(duì)冰水混合物進(jìn)行攪拌以去除氣泡形成冰沙，再向模具中分步添加冰沙，在每次填裝后都對(duì)其攪拌以進(jìn)一步去除氣泡，當(dāng)模具填滿時(shí)使用千斤頂對(duì)可移動(dòng)的模具上端蓋加壓至上端蓋位移不再變化，而后卸載千斤頂將模具放置在－10℃溫度條件下進(jìn)行全面凍結(jié)。通過該方法制備的冰樣平均晶粒尺寸為1.7 mm，密度可達(dá)0.917±0.005 g/cm3（0.917 g/cm3為純凈冰在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的密度，為常規(guī)冰力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)中冰樣所需達(dá)到的數(shù)值）。Cole［5］使用與Lile類似的冰水混合物脫氣前處理方法，通過蛇形盤管制冷方式在—4.5℃溫度條件下沿徑向凍結(jié)冰樣，并對(duì)模具進(jìn)行改良，使0℃脫氣水在冰樣凍制過程中能始終流通于未凍結(jié)的中心部分。該方法制備冰樣的速度可達(dá)2.8 μm/s，平均晶粒尺寸為1.2 mm，密度可達(dá)0.917±0.002 g/cm3。

高壓相變法和壓力燒結(jié)法是制備微米級(jí)晶粒尺寸人工冰樣的常用方法。Stern等人［13］通過凍水成冰法首先獲得毫米級(jí)晶粒尺寸人工冰樣，而后在300 MPa高壓條件下將Ih冰樣轉(zhuǎn)化為II冰樣，再迅速卸載壓力至50 MPa轉(zhuǎn)回為Ih冰樣，通過2次相變將毫米級(jí)晶粒細(xì)化到微米級(jí)晶粒，該方法所制備的樣品對(duì)卸載時(shí)的溫度較敏感，在－93和－73℃溫度條件下卸載時(shí)所獲得的晶粒尺寸為0.3～5 μm，在－53℃溫度條件下卸載時(shí)所獲得的晶粒尺寸為50 μm。Goldsby［14］通過對(duì)0.25 μm的冰顆粒在－78℃溫度條件下施加250 MPa的動(dòng)態(tài)載荷，加載與卸載時(shí)間間隔為10～15 min，若干次II冰樣到Ih冰樣重復(fù)相變后卸載至100 MPa維持2 h后脫模，該方法所制備的冰樣晶粒尺寸為2±1 μm。Hamann［15］等人通過凍水成冰法獲得無氣泡人工冰樣，然后在－40℃溫度和300 MPa壓力條件下使冰樣發(fā)生相變，該方法制備的人工冰樣晶粒尺寸為600 μm。Goldsby和Kohlstedt［14］通過對(duì)0.25 μm的冰顆粒在－78℃溫度條件下施加100 MPa的載荷2 h，該方法所制備的冰樣晶粒尺寸為30～40 μm。Saruya等人［16］對(duì)超純水液氮速冷制備的冰顆粒在－10℃溫度和70 MPa壓力條件下加載，制備出晶粒尺寸為60 μm。但高壓相變法和壓力燒結(jié)法所制備的人工冰樣密度在文獻(xiàn)中并未提及。需要指出的是，Mellor［2］等人用凍水成冰法制備人工冰樣耗時(shí)504 h以上，即便是耗時(shí)較短的Hammonds等人［13］在采用凍水成冰法制備冰樣時(shí)所需時(shí)間也在4 h以上。而壓力燒結(jié)法制備人工冰樣一般僅需1～2 h，且壓力燒結(jié)法相較于凍水成冰法和高壓變相法，其制備步驟更為簡(jiǎn)單。因而，從制樣難度和制樣時(shí)間上考慮，壓力燒結(jié)法具有明顯優(yōu)勢(shì)，而基于壓力燒結(jié)法制備人工冰樣的工藝鮮有研究。

本文通過開展溫度為－3.5～－17.3℃、壓力為10～100 MPa下的雪壓力燒結(jié)實(shí)驗(yàn)，揭示冰樣密度隨應(yīng)力、溫度和時(shí)間的演化規(guī)律，驗(yàn)證了壓力燒結(jié)法制備人工冰樣的可行性，為冰力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)提供了一套切實(shí)可行的小尺寸人工冰樣制備工藝。

1 雪的壓力燒結(jié)實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料

1.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

低溫單軸壓縮試驗(yàn)機(jī)（如圖1）用于開展雪的壓力燒結(jié)實(shí)驗(yàn)，由電子主機(jī)、低溫環(huán)境箱與數(shù)據(jù)記錄和采集系統(tǒng)3部分組成。電子主機(jī)控制器采用PID閉環(huán)控制技術(shù)，伺服驅(qū)動(dòng)加載系統(tǒng)，最大可提供的加載能力為100 kN，可實(shí)現(xiàn)0.000001～500 mm/min范圍內(nèi)無極調(diào)速，最大行程為205 mm；位移數(shù)據(jù)由伺服電機(jī)的光電編碼器采集，試驗(yàn)力由載荷傳感器測(cè)量，溫度由PT100傳感器測(cè)量，數(shù)據(jù)采集頻率為10個(gè)/s。

圖1 低溫單軸壓縮試驗(yàn)機(jī)Fig.1 Low temperature uniaxial compression testing machine

1.1.2 人工冰樣尺寸

美國(guó)冰雪和凍土研究中心科學(xué)家Butkovich建議，測(cè)試小尺寸冰無側(cè)限抗壓強(qiáng)度時(shí)，使用圓柱樣品，直 徑 為76.2 mm，長(zhǎng) 徑 比 為2.5∶1或3∶1。Schwarz建議測(cè)試冰的抗壓強(qiáng)度時(shí)，樣品長(zhǎng)度為直徑的2.5倍。如表1所示，實(shí)驗(yàn)所使用的冰樣多為圓柱形，長(zhǎng)度與直徑雖不同，但通常長(zhǎng)度是直徑的2倍以上。本文所制備的冰樣遵循樣品長(zhǎng)徑比為2∶1的原則［17-18］，確定冰樣直徑為26 mm，冰樣長(zhǎng)度為52 mm。

1.1.3 雪顆粒

雪顆粒采用長(zhǎng)春冬天的降雪，在夜晚收集雪顆粒，降雪溫度約在－15℃，降雪時(shí)溫度低而且天氣干燥，雪在降落過程中不易融化且沒有受到陽光直射，不易接觸到水汽，雪呈顆粒狀。試驗(yàn)時(shí)采用的雪顆粒均為同一批次收集，保證了各試驗(yàn)樣品的一致性和隨機(jī)性。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

1.2.1 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)時(shí)，設(shè)置低溫環(huán)境箱溫度，運(yùn)行制冷將環(huán)境箱內(nèi)溫度冷卻至設(shè)定值，再將填充好物料（雪顆粒）的模具放入上下夾具之間。將上位機(jī)與控制器聯(lián)機(jī)，設(shè)置加載速率、加載預(yù)應(yīng)力和主應(yīng)力、截面形狀和直徑、保壓時(shí)間和加載力報(bào)警限值后，開始實(shí)驗(yàn)；加載應(yīng)力首先到達(dá)預(yù)應(yīng)力（0.5 kN），而后位移清零開始加載到應(yīng)力設(shè)定值，當(dāng)保壓時(shí)間達(dá)到設(shè)定值時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束，脫模并記錄冰樣質(zhì)量和加壓結(jié)束后的冰樣高度。

不同實(shí)驗(yàn)條件下的雪顆粒均達(dá)到同一加載預(yù)應(yīng)力（0.5 kN）后從零開始記錄位移值，可以避免填充雪顆粒過程中出現(xiàn)初始密度差異過大的情況，圖2為冰樣在加載過程中的位移變化示意圖，通過記錄冰樣的位移、加壓結(jié)束后的冰樣高度和質(zhì)量，按照公式（1）可計(jì)算出加載過程中不同時(shí)間和應(yīng)力條件下冰樣的密度，揭示不同實(shí)驗(yàn)條件下冰樣密度的演化規(guī)律。

圖2 位移變化示意Fig.2 Displacement variation diagram

式中：ρ——不同時(shí)刻冰樣的密度，g/cm3；Mi——加載結(jié)束時(shí)冰樣的質(zhì)量，g；D——冰樣的直徑，cm；H0——初始雪樣高度，cm；Hx——實(shí)驗(yàn)中記錄的隨時(shí)間和應(yīng)力變化的雪樣高度，cm；Hi——冰樣加載結(jié)束時(shí)的高度，cm；Hm——Hx的最大值，即實(shí)驗(yàn)過程中的總位移。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)方案

冰在不同應(yīng)力條件下的壓力融點(diǎn)計(jì)算公式為：

式中：T——壓力融點(diǎn)，K；T0——代表水、冰和汽三者平衡共存時(shí)的三相點(diǎn)溫度，T0=273.16 K=0.01℃；β——冰融點(diǎn)隨應(yīng)力的變化速率，β=7.42×10-8kPa-1；P——冰所受的絕對(duì)應(yīng)力，Pa。

由公式（2）計(jì)算可得在10、40、70和100 MPa應(yīng)力條件下，冰的壓力融點(diǎn)分別為－0.732、－2.958、－5.184和－7.41℃。擬在－5～－20℃以5℃為溫度間隔和10～100 MPa以30 MPa為應(yīng)力間隔的溫度及壓力條件下，進(jìn)行雪的壓力燒結(jié)實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)條件重復(fù)3次。有必要對(duì)模具內(nèi)部雪顆粒溫度進(jìn)行校準(zhǔn)，再詳細(xì)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案。

模具內(nèi)雪顆粒溫度校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)原理如圖3所示。低溫環(huán)境箱上共有3個(gè)PT100型溫度傳感器，分別位于環(huán)境箱上部、上夾具和下夾具處，這3個(gè)傳感器與環(huán)境箱溫控儀相連，并通過低溫單軸壓縮試驗(yàn)機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)環(huán)境箱內(nèi)空氣溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和記錄。模具內(nèi)雪顆粒溫度通過帶有6個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的T型溫度傳感器監(jiān)測(cè)，T型溫度傳感器豎直插入模具中，第一個(gè)傳感器位于模具底部，以10 mm間隔向上排布，可以測(cè)量模具內(nèi)的垂向溫度分布。雪顆粒溫度通過無紙記錄儀單獨(dú)記錄，溫度采集頻率為1次/min。

圖3 雪顆粒溫度校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)原理示意Fig.3 Schematic diagram of temperature calibration experiment for snow particles

低溫環(huán)境箱設(shè)定溫度為－5、－10、－15和－20℃時(shí)，模具內(nèi)雪顆粒溫度如表2所示，溫差最大可達(dá)1.8℃，在設(shè)定值為－5℃時(shí)，雪顆粒溫度高于70 MPa和100 MPa壓力融點(diǎn)溫度，實(shí)驗(yàn)無法進(jìn)行；在設(shè)定值為－10℃時(shí)，雪顆粒溫度與100 MPa下冰的壓力融點(diǎn)相近，由此確定如表2所示的雪壓力燒結(jié)實(shí)驗(yàn)方案。在加載速率3.5 kN/min、初始密度0.55～0.61 g/cm3和燒結(jié)時(shí)間60 min條件下，開展－3.5～－17.3℃溫度和10～100 MPa壓力范圍內(nèi)的雪壓力燒結(jié)實(shí)驗(yàn)。

表2 實(shí)驗(yàn)方案Table 2 Experimental scheme

2 結(jié)果與討論

2.1 雪壓力燒結(jié)過程中的密度演化規(guī)律

2.1.1 燒結(jié)時(shí)間對(duì)冰樣密度的影響

在不同溫度和應(yīng)力條件下所制備的冰樣密度隨時(shí)間的演化規(guī)律如圖4和圖5所示。在相同溫度和壓力條件下進(jìn)行的3組試驗(yàn)，所得的冰樣密度具有一定的隨機(jī)性，但可重復(fù)性很高，冰樣密度與時(shí)間關(guān)系具有規(guī)律性。雪在壓力燒結(jié)過程中密度隨著時(shí)間的增加先增大而后保持不變。從圖4可以看出，在相同溫度條件下，應(yīng)力的增加不僅會(huì)縮短冰樣密度達(dá)到穩(wěn)定值時(shí)所需的時(shí)間，而且還會(huì)影響冰樣的最終燒結(jié)密度。從圖5可以看出，在應(yīng)力為10 MPa時(shí)，不同溫度條件下冰樣密度達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間均不小于60 min；而在40～100 MPa應(yīng)力范圍內(nèi)，不同溫度條件下冰樣密度均在開始加載后的20 min內(nèi)達(dá)到了穩(wěn)定。其中，當(dāng)應(yīng)力為40 MPa，溫度為－3.5℃時(shí)，冰樣密度僅在加載開始的10 min內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，所需時(shí)間最短并且冰樣的最終燒結(jié)密度接近0.917 g/cm3。

圖4 不同應(yīng)力相同溫度條件下雪在壓力燒結(jié)過程中的密度與時(shí)間關(guān)系Fig.4 Relationship between ice density and sintering time at same temperature and different stress

圖5 不同溫度相同應(yīng)力條件下雪在壓力燒結(jié)過程中的密度與時(shí)間關(guān)系Fig.5 Relationship between ice density and sintering time at same stress and different temperature

2.1.2 燒結(jié)應(yīng)力對(duì)冰樣密度的影響

相同溫壓條件下的3組實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近，故在對(duì)比分析燒結(jié)應(yīng)力對(duì)冰樣密度的影響時(shí)只選取一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果。相同溫度不同應(yīng)力條件下冰樣密度與燒結(jié)應(yīng)力的關(guān)系如圖6所示，除在－3.5℃外，在相同溫度條件下冰樣在燒結(jié)過程中，其密度隨著應(yīng)力的增大整體呈增大趨勢(shì)，所獲得的冰樣最終燒結(jié)密度有所不同。由圖中曲線斜率可知，在相同溫度、相同加載應(yīng)力區(qū)間段內(nèi)，冰樣密度變化隨應(yīng)力增長(zhǎng)的曲線斜率基本一致，到應(yīng)力達(dá)到40 MPa后曲線斜率逐漸減小，且應(yīng)力越大時(shí)曲線越趨于平緩，即冰樣密度的增長(zhǎng)速率隨著應(yīng)力的增大先增加后減小，最后趨于0。

圖6 相同溫度不同應(yīng)力條件下冰樣密度與燒結(jié)應(yīng)力的關(guān)系Fig.6 Relationship between ice density and sintering stress at same temperature

相同應(yīng)力、不同溫度條件下，冰樣密度與燒結(jié)應(yīng)力的關(guān)系如圖7所示，在應(yīng)力為10 MPa時(shí)，冰樣在壓力燒結(jié)過程中密度隨著應(yīng)力的增加而增大，當(dāng)加載應(yīng)力達(dá)到10 MPa后冰樣密度繼續(xù)增加，當(dāng)溫度為－3.5、－7.9、－12.5和－17.3℃時(shí)，冰樣最終燒結(jié)密度分別增加到0.917、0.898、0.843和0.898 g/cm3。在應(yīng)力為40 MPa時(shí)，冰樣在壓力燒結(jié)過程中密度隨著應(yīng)力的增加而增大，當(dāng)加載應(yīng)力達(dá)到40 MPa后，當(dāng)溫度為－3.5和－7.9℃時(shí)冰樣密度不再增加，冰樣最終燒結(jié)密度分別為0.917和0.905 g/cm3；而當(dāng)溫度為－12.5和－17.3℃時(shí)，冰樣密度繼續(xù)增加，平均密度最大值分別為0.913和0.915 g/cm3。在應(yīng)力為70和80、100 MPa時(shí)，冰樣在壓力燒結(jié)過程中密度隨著應(yīng)力的增加而增大，當(dāng)加載應(yīng)力達(dá)到設(shè)定值后，各溫度條件下冰樣密度不再增加，冰樣最終燒結(jié)密度接近0.917 g/cm3（如圖7）。

圖7 相同應(yīng)力不同溫度條件下冰樣密度與燒結(jié)應(yīng)力的關(guān)系Fig.7 Relationship between ice density and sintering stress at different temperature

2.2 冰樣的最終燒結(jié)密度

在不同溫度和壓力條件下，通過壓力燒結(jié)法制備的冰樣最終燒結(jié)密度與溫度和應(yīng)力的關(guān)系如圖8所示。

圖8 不同溫度和應(yīng)力條件下冰樣的穩(wěn)定密度值Fig.8 Steady density of the ice sample at different temperature and stress

各組試驗(yàn)的初始雪密度在0.55～0.61 g/cm3之間，圖中表明在相同溫度和不同應(yīng)力或相同應(yīng)力不同溫度條件下制備的冰樣最終燒結(jié)密度對(duì)該范圍內(nèi)的初始雪密度無明確關(guān)聯(lián)性，因此本文中所使用的初始雪密度可視為不變量，不探討其對(duì)冰樣密度的影響。在低于－3.5℃相同溫度條件下，冰樣的最終燒結(jié)密度隨著應(yīng)力的增加先增大而后保持不變。溫度降低時(shí)，冰樣最終燒結(jié)密度從低應(yīng)力到高應(yīng)力增加的幅度變大，在溫度為－17.3℃、應(yīng)力為10和40 MPa時(shí)，冰樣的密度差最大，差值為0.07 g/cm3；在溫度為－7.9℃、應(yīng)力為10和40 MPa時(shí)，冰樣的密度差值為0.008 g/cm3；當(dāng)溫度為－3.5℃、應(yīng)力為10和40 MPa時(shí)，冰樣的密度差最小，僅為0.0004 g/cm3，這可能是由于在近冰融點(diǎn)溫度范圍內(nèi)，雪壓力燒結(jié)的密度演化機(jī)制與低溫條件時(shí)有所不同。

在應(yīng)力為10 MPa且燒結(jié)時(shí)間相同時(shí)，溫度越低制備的冰樣最終燒結(jié)密度越小，在－17.3和－3.5℃時(shí)，冰樣最終燒結(jié)密度分別為0.843和0.917 g/cm3。在應(yīng)力為40 MPa且燒結(jié)時(shí)間相同時(shí)，在較低溫度－12.5和－17.3℃和近壓力融點(diǎn)溫度－3.5℃時(shí)所制備的冰樣最終燒結(jié)密度幾乎相同，接近0.917 g/cm3，卻均高于在－7.9℃溫度時(shí)所制備的冰樣最終燒結(jié)密度0.905 g/cm3，這說明在40 MPa應(yīng)力條件下雪顆粒的可壓縮性對(duì)溫度非常敏感，隨著溫度的降低，雪顆粒的可壓縮性先減小后變大：在本文的試驗(yàn)條件范圍內(nèi)，在－7.9℃時(shí)所呈現(xiàn)的可壓縮性最小，可能是在此溫度條件下雪顆粒在壓實(shí)過程中形成了骨架，阻礙了雪顆粒進(jìn)一步密實(shí)的可能性；當(dāng)在－12.5和－17.3℃的較低溫度時(shí)，雪顆?？赡鼙３种w粒狀，有利于自適應(yīng)最大密度空間排布方式（如圖9所示，視雪顆粒為球體）；而在－3.5℃近壓力融點(diǎn)溫度時(shí)，雪顆粒間有存在液態(tài)水膜的可能性，有利于雪顆粒密實(shí)。在應(yīng)力為70 MPa且燒結(jié)時(shí)間相同時(shí)，－7.9、－12.5和－17.3℃溫度條件下所制備的冰樣最終燒結(jié)密度幾乎相同接近0.917 g/cm3。在應(yīng)力為100 MPa且保壓時(shí)間相同時(shí)，－12.5和－17.3℃溫度條件下所制備的冰樣最終燒結(jié)密度幾乎相同，接近0.917 g/cm3，因在－7.9℃溫度條件下冰樣在加載到86 MPa時(shí)已達(dá)到壓力融點(diǎn)，試驗(yàn)過程中應(yīng)力最大設(shè)定為80 MPa，此時(shí)冰樣密度同樣接近0.917 g/cm3。

圖9 顆粒狀材料空間最密堆積方式Fig.9 The most densely packing mode of granular snow in space

3 結(jié)論

本文采用壓力燒結(jié)法制備小尺寸人工冰樣，針對(duì)燒結(jié)應(yīng)力和燒結(jié)時(shí)間對(duì)雪壓力燒結(jié)過程中的密度演化和冰樣最終燒結(jié)密度的影響進(jìn)行了系統(tǒng)性的實(shí)驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：

（1）燒結(jié)溫度與時(shí)間相同情況下，冰樣的最終燒結(jié)密度會(huì)隨著應(yīng)力的增大而增大且當(dāng)應(yīng)力超過一定臨界值后，冰樣密度保持不變。－7.9℃溫度時(shí)的應(yīng)力臨界值為70 MPa；－12.5℃溫度以下的應(yīng)力臨界值為40 MPa；－3.5℃的應(yīng)力臨界值不在本文的實(shí)驗(yàn)條件范圍內(nèi)。不同溫度和應(yīng)力條件下制備冰樣所能獲得的最終燒結(jié)密度不同，在－7.9℃以下、10 MPa或者－7.9℃、40 MPa條件下所能制備的冰樣密度通常無法達(dá)到0.917 g/cm3。

（2）燒結(jié)應(yīng)力與時(shí)間相同的情況下，不同溫度條件下冰樣在壓力燒結(jié)過程中的密度與施加的應(yīng)力有關(guān)，應(yīng)力為10 MPa時(shí)，溫度越低制備的冰樣密度越小；應(yīng)力為40 MPa時(shí)，雪顆粒的可壓縮性對(duì)溫度較為敏感，隨著溫度的降低，雪顆粒的可壓縮性先減小后增大，即冰樣密度先減小后增大；當(dāng)應(yīng)力超過70 MPa時(shí)，冰樣最終燒結(jié)密度大小相近，約為0.917 g/cm3。

（3）制備密度為0.917 g/cm3冰樣所需的時(shí)間與溫度和應(yīng)力條件有關(guān)，在－3.5℃和10 MPa應(yīng)力條件下所需的時(shí)間最長(zhǎng)為60 min；在40～100 MPa應(yīng)力下，不同溫度條件下所需的時(shí)間在10～20 min；在－3.5℃溫度和40 MPa應(yīng)力條件下所需的時(shí)間最短，為10 min。

（4）通過壓力燒結(jié)法制備小尺寸人工冰樣時(shí)，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備具備的溫度條件和加載能力，選擇低應(yīng)力10 MPa、近冰融點(diǎn)溫度－3.5℃、在較長(zhǎng)時(shí)間60 min條件下或在高應(yīng)力40～100 MPa、低溫度－7.9～－17.3℃、在較短時(shí)間20 min條件下制備最終密度為0.917 g/cm3的人工冰樣。