圍壓與含水率對(duì)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(zhǎng)度沿力方向的彈性變形（可恢復(fù)），這與變形值的關(guān)系。糧堆彈性模量是顆粒間相互作用的集合力學(xué)特性,與顆粒彈性模量緊密相關(guān),糧食在干燥、碾磨、運(yùn)輸及儲(chǔ)藏過(guò)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(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系,是一個(gè)重要的糧堆力學(xué)特性。早在20世紀(jì)60年代,歐、美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家就對(duì)糧食籽粒的力學(xué)特性進(jìn)行了研究。Shelef和Mohsenin(1967)等人用拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)研究了麥粒單軸壓縮的力學(xué)特性,整個(gè)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(guān)系。賈富國(guó)等人(2006)以不同含水率的糙米為試樣進(jìn)行碾米加工實(shí)驗(yàn),研究糙米的含水率對(duì)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(shí):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(shí)精米率達(dá)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(shí)達(dá)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(diǎn),實(shí)驗(yàn)結(jié)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(xué)特性、米飯質(zhì)構(gòu)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(yīng)力場(chǎng)的主要物理特性參數(shù)及濕應(yīng)力裂紋機(jī)理,以及稻米籽粒水分傳遞的規(guī)律與籽粒材料本身機(jī)械強(qiáng)度、變形、裂紋等之間的關(guān)系。劉志云等人(2010)用TA,XTplus物性質(zhì)構(gòu)測(cè)試儀,對(duì)100粒內(nèi)蒙古產(chǎn)大豆進(jìn)行受力、變形與面積的測(cè)量,根據(jù)胡克定律計(jì)算出彈性模量(E),測(cè)算出大豆的平均彈性模量為20.39MPa,并對(duì)彈性模量與有效面積(A)、彈性模量與載荷(F)的相關(guān)范圍以及異常的豆樣進(jìn)行了分析討論。劉傳云等人(2007)利用材料性能測(cè)試機(jī)按美國(guó)農(nóng)業(yè)與生物工程師協(xié)會(huì)ASAES368.4DEC2000(R2006)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)大豆樣品進(jìn)行了壓力實(shí)驗(yàn),測(cè)量了加載載荷量與對(duì)應(yīng)變形量的數(shù)據(jù),運(yùn)用Matlab和DPS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,得到大豆的表觀接觸彈性模量為294MPa,24個(gè)樣品的表觀接觸彈性模量值基本一致,其標(biāo)準(zhǔn)偏差為32MPa。通過(guò)對(duì)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(diǎn)。在破裂點(diǎn)前,力與變形基本呈線性關(guān)系。由此可見,國(guó)內(nèi)外對(duì)糧食顆粒的彈性模量、裂紋機(jī)理等其它壓縮特性研究較多,但是對(duì)糧堆的彈性模量研究未見報(bào)道。因此,我們采用應(yīng)變控制式三軸儀,測(cè)定了小麥堆的彈性模量,并分析了圍壓與含水率對(duì)小麥堆彈性模量的影響。1材料和方法1.1粒徑80mm測(cè)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(zhǎng)寬厚分別為5.81mm,2.96mm、2.70mm(隨機(jī)取樣100粒小麥粒,用游標(biāo)卡尺測(cè)其3個(gè)粒徑,小數(shù)位讀到0.01mm,最后求其平均值)。實(shí)驗(yàn)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(duì)應(yīng)的容重為:813.0g/L、793.0g/L、765.0g/L、755.5g/L、696.0g/L。1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備應(yīng)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(jī):上海產(chǎn)。1.3糧食彈性模量的計(jì)算糧食的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為復(fù)雜的彈塑性本構(gòu)關(guān)系,糧食在荷載作用下產(chǎn)生的應(yīng)變既有塑性的也有彈性的,當(dāng)荷載超過(guò)一定的屈服極限時(shí),糧食發(fā)生不穩(wěn)定變形,只發(fā)生塑性應(yīng)變。在一定的條件下測(cè)定得到糧食的最大破壞主應(yīng)力差。通過(guò)在一定應(yīng)力(最大破壞主應(yīng)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(lái)越小,從而可由彈性模量的定義計(jì)算出其值。加壓、卸壓與軸向變形關(guān)系如圖2所示,按式(1)計(jì)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(shí)驗(yàn)測(cè)得:位移△he(0.01mm),測(cè)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(jié)后的高度(mm)。1.4實(shí)驗(yàn)方法1.4.1軸向壓力檢測(cè)(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(duì)準(zhǔn)試樣帽中心,均勻地?cái)Q緊底座連接螺母,再將軸向測(cè)力計(jì)對(duì)準(zhǔn)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(shí),關(guān)閉排氣孔。(4)加壓:關(guān)排水閥,開圍壓閥,施加圍壓。先通過(guò)控制面板設(shè)定所需圍壓,然后通過(guò)手輪加至設(shè)定壓力,操作依次為:圍壓設(shè)定-設(shè)定壓力值-圍壓設(shè)定,通過(guò)螺栓固定加壓手輪。(5)儀表調(diào)零:按上升鍵,使升降臺(tái)快速上升,至活塞將要與測(cè)力環(huán)接觸時(shí),觀察測(cè)力計(jì)讀數(shù),當(dāng)讀數(shù)變化時(shí),停止上升。然后開啟圍壓,將測(cè)力計(jì)和變形指示計(jì)調(diào)至零位。(6)開始進(jìn)行剪切。(7)當(dāng)測(cè)力計(jì)讀數(shù)出現(xiàn)峰值時(shí)可停止實(shí)驗(yàn),若無(wú)峰值時(shí),取15%軸向應(yīng)變時(shí)的主應(yīng)力差值為破壞點(diǎn)。(8)實(shí)驗(yàn)結(jié)束,關(guān)電動(dòng)機(jī),按圍壓停,卸載壓力,然后通過(guò)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(shí)驗(yàn)主要參照土工實(shí)驗(yàn)規(guī)程中的彈性模量實(shí)驗(yàn)SL237-029-1999[7~9]。具體如下:分級(jí)施加軸向壓力,每級(jí)壓力按預(yù)計(jì)的試樣破壞主應(yīng)力差的1/10~1/12施加;施加第1級(jí)壓力,同時(shí)開動(dòng)秒表,記錄加壓后1min時(shí)位移計(jì)的讀數(shù),每隔1min施加一級(jí)壓力,測(cè)記位移計(jì)讀數(shù),施加到第4級(jí)壓力為止;在記錄第4級(jí)壓力施加1min位移計(jì)的讀數(shù)后逐級(jí)卸壓,每隔1min卸去一級(jí),并測(cè)記卸壓后1min時(shí)位移計(jì)的讀數(shù),直至施加的軸向壓力全部卸去;重復(fù)加卸荷4遍后,繼續(xù)加壓直至破壞。實(shí)驗(yàn)中涉及到分級(jí)施加的軸向壓力p、加卸載間隔時(shí)間t及回滯圈圈數(shù)c三個(gè)條件,選擇分級(jí)施加的軸向壓力為主應(yīng)力差的10%,加卸載間隔時(shí)間為1min,回滯圈圈數(shù)為5圈。2結(jié)果與分析2.1圍壓為50kpa200kpa小麥堆的最大破壞主應(yīng)力差依前所述的實(shí)驗(yàn)方法,分別在圍壓為50kPa、100kPa、150kPa、200kPa條件下對(duì)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(yīng)力差進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果見表1。表1的結(jié)果表明:(1)含水率為11.88%w.b時(shí),圍壓為50kPa~200kPa小麥堆的最大破壞主應(yīng)力差范圍為129.037kPa~377.067kPa;(2)含水率為12.91%w.b時(shí),圍壓為50kPa~200kPa的小麥堆的最大破壞應(yīng)力差范圍為126.827kPa~397.297kPa;(3)含水率為14.40%w.b時(shí),圍壓為50kPa~200kPa的小麥堆的最大破壞主應(yīng)力差范圍為141.787kPa~407.667kPa;(4)含水率為15.40%w.b時(shí),圍壓為50kPa~200kPa的小麥堆的最大破壞主應(yīng)力差范圍為150.627kPa~483.317kPa;(5)含水率為16.85%w.b時(shí),圍壓為50kPa~200kPa的小麥堆的最大破壞主應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(shí)驗(yàn)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(duì)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(jìn)行實(shí)驗(yàn),測(cè)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(jié)果表明:(1)含水率為11.88%w.b時(shí),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(shí),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(shí),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(shí),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(shí),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(jié)論3.1最大破壞主應(yīng)力差3.1.1水分為11.88%w.b~16.85%w.b時(shí),圍壓為50kPa~200kPa的小麥堆的最大破壞主應(yīng)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(yīng)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(yīng)力差隨水分的增加而增大。3