圍壓與含水率對小麥堆彈性模量的影響

圍壓與含水率對小麥堆彈性模量的影響

糧渣的彈性模型是指糧在外部力的作用下，其長度沿力方向的彈性變形（可恢復），這與變形值的關系。糧堆彈性模量是顆粒間相互作用的集合力學特性,與顆粒彈性模量緊密相關,糧食在干燥、碾磨、運輸及儲藏過程中以及與外界的作用大多是以糧堆形式顯現(xiàn)的,糧堆彈性模量反映了糧堆的彈性范圍內(nèi)的應力與應變之間的關系,是一個重要的糧堆力學特性。早在20世紀60年代,歐、美、日等發(fā)達國家就對糧食籽粒的力學特性進行了研究。Shelef和Mohsenin(1967)等人用拉伸強度試驗機研究了麥粒單軸壓縮的力學特性,整個籽粒分別用平行板、光滑的球形壓頭、柱形壓頭加載,切去兩端的樣本用平行板加載,得到其力變形關系。賈富國等人(2006)以不同含水率的糙米為試樣進行碾米加工實驗,研究糙米的含水率對精米率、碾米加工的能耗、裂紋率及碎米率的影響規(guī)律。研究證實:糙米加工的整精米率隨糙米含水率的增加而呈現(xiàn)先增后降的變化規(guī)律,在含水率增至15.5%時精米率達到最大值70.78%;磨米加工能耗隨糙米水分含量的增加而減小;裂紋率隨糙米含水率的增加而減小;碎米率隨糙米含水率增加的變化規(guī)律為先降后增,在含水率15.5%時達到最小值4.28%。劉英(2004)系統(tǒng)地研究了陳化稻米的品質(zhì)特點,實驗結果表明:與同種未陳化稻米相比,陳化稻米的感官特性、加工特性、理化特性、熱力學特性、米飯質(zhì)構特性都發(fā)生了變化,其中變化最大的是脂肪酸值。肖威(2007)在其博士論文中研究了稻米籽粒濕應力場的主要物理特性參數(shù)及濕應力裂紋機理,以及稻米籽粒水分傳遞的規(guī)律與籽粒材料本身機械強度、變形、裂紋等之間的關系。劉志云等人(2010)用TA,XTplus物性質(zhì)構測試儀,對100粒內(nèi)蒙古產(chǎn)大豆進行受力、變形與面積的測量,根據(jù)胡克定律計算出彈性模量(E),測算出大豆的平均彈性模量為20.39MPa,并對彈性模量與有效面積(A)、彈性模量與載荷(F)的相關范圍以及異常的豆樣進行了分析討論。劉傳云等人(2007)利用材料性能測試機按美國農(nóng)業(yè)與生物工程師協(xié)會ASAES368.4DEC2000(R2006)標準對大豆樣品進行了壓力實驗,測量了加載載荷量與對應變形量的數(shù)據(jù),運用Matlab和DPS軟件對數(shù)據(jù)進行分析處理,得到大豆的表觀接觸彈性模量為294MPa,24個樣品的表觀接觸彈性模量值基本一致,其標準偏差為32MPa。通過對大豆試樣的力與變形量曲線分析,該曲線沒有明顯的屈服點。在破裂點前,力與變形基本呈線性關系。由此可見,國內(nèi)外對糧食顆粒的彈性模量、裂紋機理等其它壓縮特性研究較多,但是對糧堆的彈性模量研究未見報道。因此,我們采用應變控制式三軸儀,測定了小麥堆的彈性模量,并分析了圍壓與含水率對小麥堆彈性模量的影響。1材料和方法1.1粒徑80mm測定小麥堆(原始含水率為11.88%w.b),產(chǎn)地為南京。小麥粒徑的長寬厚分別為5.81mm,2.96mm、2.70mm(隨機取樣100粒小麥粒,用游標卡尺測其3個粒徑,小數(shù)位讀到0.01mm,最后求其平均值)。實驗所用的小麥含水率,分別為:11.88%w.b、12.91%w.b、14.40%w.b、15.40%w.b、16.85%w.b,各含水率對應的容重為:813.0g/L、793.0g/L、765.0g/L、755.5g/L、696.0g/L。1.2實驗設備應變控制式三軸儀:南京產(chǎn),示意圖如圖1。HG202-2(2A/2AD)電熱干燥箱:南京產(chǎn)。JS-FD-粉碎機:上海產(chǎn)。1.3糧食彈性模量的計算糧食的應力應變關系表現(xiàn)為復雜的彈塑性本構關系,糧食在荷載作用下產(chǎn)生的應變既有塑性的也有彈性的,當荷載超過一定的屈服極限時,糧食發(fā)生不穩(wěn)定變形,只發(fā)生塑性應變。在一定的條件下測定得到糧食的最大破壞主應力差。通過在一定應力(最大破壞主應力差的1/10~1/12)水平下的多次加壓和卸壓,隨著加荷和卸荷次數(shù)的增加,滯回圈面積越來越小,從而可由彈性模量的定義計算出其值。加壓、卸壓與軸向變形關系如圖2所示,按式(1)計算出糧食的彈性模量。初始條件:圍壓σ(kPa),糧食高度hc(mm),A0=0.003m2;實驗測得:位移△he(0.01mm),測微表讀數(shù)R(0.01mm);式中:E———糧食的彈性模量(kPa);△P———軸向荷載(kPa);△he———糧食的彈性變形量(mm);hc———試樣固結后的高度(mm)。1.4實驗方法1.4.1軸向壓力檢測(1)裝樣:在壓力室的底座上,首先放上不透水板,并將橡皮膜套在承膜筒內(nèi),兩端翻出筒外,從吸氣孔吸氣,使膜緊貼承膜筒內(nèi)壁,然后裝入樣品壓緊,依次放上不透水石和試樣帽。翻起承膜筒兩端,用橡皮圈將橡皮膜分別扎緊底座和試樣帽上。(2)安裝壓力室:將壓力室罩頂部活塞提高,放下壓力室罩,將活塞對準試樣帽中心,均勻地擰緊底座連接螺母,再將軸向測力計對準活塞。(3)注水:開排氣孔和排水閥,向壓力室內(nèi)注滿純水,待壓力室頂部排氣孔有水溢出時,關閉排氣孔。(4)加壓:關排水閥,開圍壓閥,施加圍壓。先通過控制面板設定所需圍壓,然后通過手輪加至設定壓力,操作依次為:圍壓設定-設定壓力值-圍壓設定,通過螺栓固定加壓手輪。(5)儀表調(diào)零:按上升鍵,使升降臺快速上升,至活塞將要與測力環(huán)接觸時,觀察測力計讀數(shù),當讀數(shù)變化時,停止上升。然后開啟圍壓,將測力計和變形指示計調(diào)至零位。(6)開始進行剪切。(7)當測力計讀數(shù)出現(xiàn)峰值時可停止實驗,若無峰值時,取15%軸向應變時的主應力差值為破壞點。(8)實驗結束,關電動機,按圍壓停,卸載壓力,然后通過手輪卸載壓力,壓力降至0MPa后,用螺栓固定手輪,排除壓力室中的水,取下壓力室,取出樣品。1.4.2施加總壓力和卸壓本實驗主要參照土工實驗規(guī)程中的彈性模量實驗SL237-029-1999[7~9]。具體如下:分級施加軸向壓力,每級壓力按預計的試樣破壞主應力差的1/10~1/12施加;施加第1級壓力,同時開動秒表,記錄加壓后1min時位移計的讀數(shù),每隔1min施加一級壓力,測記位移計讀數(shù),施加到第4級壓力為止;在記錄第4級壓力施加1min位移計的讀數(shù)后逐級卸壓,每隔1min卸去一級,并測記卸壓后1min時位移計的讀數(shù),直至施加的軸向壓力全部卸去;重復加卸荷4遍后,繼續(xù)加壓直至破壞。實驗中涉及到分級施加的軸向壓力p、加卸載間隔時間t及回滯圈圈數(shù)c三個條件,選擇分級施加的軸向壓力為主應力差的10%,加卸載間隔時間為1min,回滯圈圈數(shù)為5圈。2結果與分析2.1圍壓為50kpa200kpa小麥堆的最大破壞主應力差依前所述的實驗方法,分別在圍壓為50kPa、100kPa、150kPa、200kPa條件下對不同水分(11.88%w.b、12.91%w.b、14.40%w.b、15.40%w.b、16.85%w.b)小麥堆的最大破壞主應力差進行測定,結果見表1。表1的結果表明:(1)含水率為11.88%w.b時,圍壓為50kPa~200kPa小麥堆的最大破壞主應力差范圍為129.037kPa~377.067kPa;(2)含水率為12.91%w.b時,圍壓為50kPa~200kPa的小麥堆的最大破壞應力差范圍為126.827kPa~397.297kPa;(3)含水率為14.40%w.b時,圍壓為50kPa~200kPa的小麥堆的最大破壞主應力差范圍為141.787kPa~407.667kPa;(4)含水率為15.40%w.b時,圍壓為50kPa~200kPa的小麥堆的最大破壞主應力差范圍為150.627kPa~483.317kPa;(5)含水率為16.85%w.b時,圍壓為50kPa~200kPa的小麥堆的最大破壞主應力差范圍為158.957kPa~482.127kPa;(6)在同一水分下,小麥堆的最大破壞主應力差隨圍壓的增大而增大;(7)在同一圍壓下,小麥堆的最大破壞主應力差隨水分的增加而增大。2.2小麥堆彈性模量隨圍壓的變化依照確定的實驗條件(△P=0.1△σmax、t=1min、c=5)及方法,在不同圍壓(50kPa、100kPa、150kPa、200kPa)下,分別對不同含水率(11.88%w.b、12.91%w.b、14.40%w.b、15.40%w.b、16.85%w.b)的小麥堆進行實驗,測定出小麥堆彈性模量如表2、圖3~圖7所示。表2、圖3~圖7的結果表明:(1)含水率為11.88%w.b時,圍壓為50kPa~200kPa小麥堆的彈性模量范圍為39.226MPa~78.141MPa。擬合方程為y=3E-06x3-0.0033x2+0.9275x+0.665;(2)含水率為12.91%w.b時,圍壓為50kPa~200kPa小麥堆的彈性模量范圍為36.379MPa~87.379MPa。擬合方程為y=2E-05x3-0.0069x2+1.0678x-2.199;(3)含水率為14.40%w.b時,圍壓為50kPa~200kPa的小麥堆的彈性模量范圍為32.919MPa~70.332MPa。擬合方程為y=-5E-06x3+0.0002x2+0.4519x+10.462;(4)含水率15.40%w.b時,圍壓為50kPa~200kPa的小麥堆的彈性模量范圍為24.829MPa~55.002MPa。擬合方程為y=1E-05x3-0.0051x2+0.7945x-3.676;(5)含水率為16.85%w.b時,圍壓為50kPa~200kPa的小麥堆的彈性模量范圍為13.294MPa~31.475MPa。擬合方程為y=5E-06x3-0.0021x2+0.3734x-0.769;(6)在同一含水率下,小麥堆彈性模量隨圍壓增大而增大;(7)在同一圍壓條件下,小麥堆彈性模量隨水分含量的增加而減小。3結論3.1最大破壞主應力差3.1.1水分為11.88%w.b~16.85%w.b時,圍壓為50kPa~200kPa的小麥堆的最大破壞主應力差范圍為126.827kPa~483.317kPa。3.1.2在同一水分下,小麥堆的最大破壞主應力差隨圍壓的增大而增大。3.1.3在同一圍壓下,小麥堆的最大破壞主應力差隨水分的增加而增大。3