Авторы
Агапкин И.А. (1), Уварова А.В. (1)
Организации
(1) Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН
Сессия
Исследование планет
Подсекция
Луна
Форма представления
Стендовый
Текст тезисов
Введение. Современные исследования Луны направлены в том числе на изучение полярных областей. В данных районах, может присутствовать лед и, согласно различным оценкам, его содержание может достигать 4% по массе (Гришакина Е.А., Слюта Е.Н., 2021). Он очень сильно влияет на механические свойства грунтов (Роман, 2003) и может повышать прочностные свойства в несколько раз. Данным фактом не следует пренебрегать при миссиях, целью которых является бурение и забор грунта, а также его зондирование. В связи с этим, исследование направлено на изучение лунного грунта-аналога с разной влажностью при отрицательных температурах. В качестве грунта-аналога использовали ранее разработанный лабораторией Геохимии Луны и планет лунный грунт-аналог VI-75 (Slyuta et al., 2021), который имитирует физические и механические свойства поверхностного лунного реголита.
Методы исследования. Основными прочностными свойствами в механике грунтов являются угол внутреннего трения и удельное сцепление. Первый параметр характеризует отношение нормальных и касательных сил, необходимых для разрушения образца, второй же показывает сопротивление касательным силам, без воздействия нормальных сил. Данные характеристики определяли одноплоскостным срезом.
Опыты проводили при трех значениях вертикальной нагрузки, минимальное напряжение приняли 50 кПа, так как оно близко к бытовому давлению грунтов плотного сложения на глубине 60 см и далее. Последующие стадии нагружения выбраны как удвоенные значения предыдущей ступени. Смесь VI-75 замешивали равномерно с необходимым количеством воды, до достижения одинаковой влажности внутри образца. Значения влажности задавали 5% и 10% по массе. Полученную смесь помещали в цилиндрические кольца высотой 35 мм и диаметром 71 мм, это специальные формы для подготовки образцов к испытаниям на срез, и уплотняли до 𝜌 = 1,75 г/см3. Кольца заблаговременно смазывали вазелином, чтобы замерзшие образцы было проще продавливать в установку для испытаний. Подготовленные образцы помещали в ящик, сделанный из изоляционного материала. В отдельную емкость заливали жидкий азот для быстрой заморозки образцов. Они замерзали до минимально возможной температуры - 110 – - 120°С в течение двух часов. Отсутствие морозильных камер способных вместить прибор для одноплоскостного среза, обусловило проведение экспериментов при температуре +13°С. Подобные условия непременно привели к повышению температуры образцов, поэтому дополнительно измерялась скорость оттаивания образцов.
Результаты. Измерение скорости оттаивания показало значительный рост температуры с -120°С до -50°С за 5 минут, дальше скорость снижается. Сопоставление результатов среза с графиком скорости оттаивания демонстрирует, что пиковое значение касательной нагрузки достигается на 5 минуте опыта, температура образцов при этом от -45°С до -55°С. Касательное напряжение также изменяется от 1,26 до 1,42 МПа. Образцы с большим разбросом значений касательного напряжения и выходящие за пределы статистической погрешности выбрасывались из общей выборки. Таким образом, за счет большого количества опытов можно полагать, что все выбранные испытания были на образцах с температурой около -45 – -55°С на момент разрушения. Испытания одноплоскостным срезом образцов с влажностью 5% показали, что угол внутреннего трения равен 66,8±0,9° и удельное сцепление 163,9±28,4 кПа. Данные характеристики возросли до значений φ = 74,9±0,67° и с = 486,2±72,9 кПа с увеличением суммарной весовой влажности до 10%.
Выводы. Проведенные опыты одноплоскостным срезом на мерзлом VI-75 c влажностью 5% и 10% при температуре -45 – -55°С, а также его сопоставление результатов с сухим образцом, показали, что угол внутреннего трения заметно увеличивается: до 66,8° (W=5%) и 74,9° (W=10%). Удельное сцепление также увеличивается до 163,9 кПа (W=5%) и достигает 486,2 кПа (W=10%). Таким образом, наличие льда в лунном реголите может существенно увеличить его прочностные характеристики. Дальнейшие исследования будут направлены на способы проведения испытаний при постоянной температуре образцов, а также определение других механических характеристик.
Методы исследования. Основными прочностными свойствами в механике грунтов являются угол внутреннего трения и удельное сцепление. Первый параметр характеризует отношение нормальных и касательных сил, необходимых для разрушения образца, второй же показывает сопротивление касательным силам, без воздействия нормальных сил. Данные характеристики определяли одноплоскостным срезом.
Опыты проводили при трех значениях вертикальной нагрузки, минимальное напряжение приняли 50 кПа, так как оно близко к бытовому давлению грунтов плотного сложения на глубине 60 см и далее. Последующие стадии нагружения выбраны как удвоенные значения предыдущей ступени. Смесь VI-75 замешивали равномерно с необходимым количеством воды, до достижения одинаковой влажности внутри образца. Значения влажности задавали 5% и 10% по массе. Полученную смесь помещали в цилиндрические кольца высотой 35 мм и диаметром 71 мм, это специальные формы для подготовки образцов к испытаниям на срез, и уплотняли до 𝜌 = 1,75 г/см3. Кольца заблаговременно смазывали вазелином, чтобы замерзшие образцы было проще продавливать в установку для испытаний. Подготовленные образцы помещали в ящик, сделанный из изоляционного материала. В отдельную емкость заливали жидкий азот для быстрой заморозки образцов. Они замерзали до минимально возможной температуры - 110 – - 120°С в течение двух часов. Отсутствие морозильных камер способных вместить прибор для одноплоскостного среза, обусловило проведение экспериментов при температуре +13°С. Подобные условия непременно привели к повышению температуры образцов, поэтому дополнительно измерялась скорость оттаивания образцов.
Результаты. Измерение скорости оттаивания показало значительный рост температуры с -120°С до -50°С за 5 минут, дальше скорость снижается. Сопоставление результатов среза с графиком скорости оттаивания демонстрирует, что пиковое значение касательной нагрузки достигается на 5 минуте опыта, температура образцов при этом от -45°С до -55°С. Касательное напряжение также изменяется от 1,26 до 1,42 МПа. Образцы с большим разбросом значений касательного напряжения и выходящие за пределы статистической погрешности выбрасывались из общей выборки. Таким образом, за счет большого количества опытов можно полагать, что все выбранные испытания были на образцах с температурой около -45 – -55°С на момент разрушения. Испытания одноплоскостным срезом образцов с влажностью 5% показали, что угол внутреннего трения равен 66,8±0,9° и удельное сцепление 163,9±28,4 кПа. Данные характеристики возросли до значений φ = 74,9±0,67° и с = 486,2±72,9 кПа с увеличением суммарной весовой влажности до 10%.
Выводы. Проведенные опыты одноплоскостным срезом на мерзлом VI-75 c влажностью 5% и 10% при температуре -45 – -55°С, а также его сопоставление результатов с сухим образцом, показали, что угол внутреннего трения заметно увеличивается: до 66,8° (W=5%) и 74,9° (W=10%). Удельное сцепление также увеличивается до 163,9 кПа (W=5%) и достигает 486,2 кПа (W=10%). Таким образом, наличие льда в лунном реголите может существенно увеличить его прочностные характеристики. Дальнейшие исследования будут направлены на способы проведения испытаний при постоянной температуре образцов, а также определение других механических характеристик.