围压与含水率对小麦堆弹性模量的影响

围压与含水率对小麦堆弹性模量的影响

粮渣的弹性模型是指粮在外部力的作用下，其长度沿力方向的弹性变形（可恢复），这与变形值的关系。粮堆弹性模量是颗粒间相互作用的集合力学特性,与颗粒弹性模量紧密相关,粮食在干燥、碾磨、运输及储藏过程中以及与外界的作用大多是以粮堆形式显现的,粮堆弹性模量反映了粮堆的弹性范围内的应力与应变之间的关系,是一个重要的粮堆力学特性。早在20世纪60年代,欧、美、日等发达国家就对粮食籽粒的力学特性进行了研究。Shelef和Mohsenin(1967)等人用拉伸强度试验机研究了麦粒单轴压缩的力学特性,整个籽粒分别用平行板、光滑的球形压头、柱形压头加载,切去两端的样本用平行板加载,得到其力变形关系。贾富国等人(2006)以不同含水率的糙米为试样进行碾米加工实验,研究糙米的含水率对精米率、碾米加工的能耗、裂纹率及碎米率的影响规律。研究证实:糙米加工的整精米率随糙米含水率的增加而呈现先增后降的变化规律,在含水率增至15.5%时精米率达到最大值70.78%;磨米加工能耗随糙米水分含量的增加而减小;裂纹率随糙米含水率的增加而减小;碎米率随糙米含水率增加的变化规律为先降后增,在含水率15.5%时达到最小值4.28%。刘英(2004)系统地研究了陈化稻米的品质特点,实验结果表明:与同种未陈化稻米相比,陈化稻米的感官特性、加工特性、理化特性、热力学特性、米饭质构特性都发生了变化,其中变化最大的是脂肪酸值。肖威(2007)在其博士论文中研究了稻米籽粒湿应力场的主要物理特性参数及湿应力裂纹机理,以及稻米籽粒水分传递的规律与籽粒材料本身机械强度、变形、裂纹等之间的关系。刘志云等人(2010)用TA,XTplus物性质构测试仪,对100粒内蒙古产大豆进行受力、变形与面积的测量,根据胡克定律计算出弹性模量(E),测算出大豆的平均弹性模量为20.39MPa,并对弹性模量与有效面积(A)、弹性模量与载荷(F)的相关范围以及异常的豆样进行了分析讨论。刘传云等人(2007)利用材料性能测试机按美国农业与生物工程师协会ASAES368.4DEC2000(R2006)标准对大豆样品进行了压力实验,测量了加载载荷量与对应变形量的数据,运用Matlab和DPS软件对数据进行分析处理,得到大豆的表观接触弹性模量为294MPa,24个样品的表观接触弹性模量值基本一致,其标准偏差为32MPa。通过对大豆试样的力与变形量曲线分析,该曲线没有明显的屈服点。在破裂点前,力与变形基本呈线性关系。由此可见,国内外对粮食颗粒的弹性模量、裂纹机理等其它压缩特性研究较多,但是对粮堆的弹性模量研究未见报道。因此,我们采用应变控制式三轴仪,测定了小麦堆的弹性模量,并分析了围压与含水率对小麦堆弹性模量的影响。1材料和方法1.1粒径80mm测定小麦堆(原始含水率为11.88%w.b),产地为南京。小麦粒径的长宽厚分别为5.81mm,2.96mm、2.70mm(随机取样100粒小麦粒,用游标卡尺测其3个粒径,小数位读到0.01mm,最后求其平均值)。实验所用的小麦含水率,分别为:11.88%w.b、12.91%w.b、14.40%w.b、15.40%w.b、16.85%w.b,各含水率对应的容重为:813.0g/L、793.0g/L、765.0g/L、755.5g/L、696.0g/L。1.2实验设备应变控制式三轴仪:南京产,示意图如图1。HG202-2(2A/2AD)电热干燥箱:南京产。JS-FD-粉碎机:上海产。1.3粮食弹性模量的计算粮食的应力应变关系表现为复杂的弹塑性本构关系,粮食在荷载作用下产生的应变既有塑性的也有弹性的,当荷载超过一定的屈服极限时,粮食发生不稳定变形,只发生塑性应变。在一定的条件下测定得到粮食的最大破坏主应力差。通过在一定应力(最大破坏主应力差的1/10~1/12)水平下的多次加压和卸压,随着加荷和卸荷次数的增加,滞回圈面积越来越小,从而可由弹性模量的定义计算出其值。加压、卸压与轴向变形关系如图2所示,按式(1)计算出粮食的弹性模量。初始条件:围压σ(kPa),粮食高度hc(mm),A0=0.003m2;实验测得:位移△he(0.01mm),测微表读数R(0.01mm);式中:E———粮食的弹性模量(kPa);△P———轴向荷载(kPa);△he———粮食的弹性变形量(mm);hc———试样固结后的高度(mm)。1.4实验方法1.4.1轴向压力检测(1)装样:在压力室的底座上,首先放上不透水板,并将橡皮膜套在承膜筒内,两端翻出筒外,从吸气孔吸气,使膜紧贴承膜筒内壁,然后装入样品压紧,依次放上不透水石和试样帽。翻起承膜筒两端,用橡皮圈将橡皮膜分别扎紧底座和试样帽上。(2)安装压力室:将压力室罩顶部活塞提高,放下压力室罩,将活塞对准试样帽中心,均匀地拧紧底座连接螺母,再将轴向测力计对准活塞。(3)注水:开排气孔和排水阀,向压力室内注满纯水,待压力室顶部排气孔有水溢出时,关闭排气孔。(4)加压:关排水阀,开围压阀,施加围压。先通过控制面板设定所需围压,然后通过手轮加至设定压力,操作依次为:围压设定-设定压力值-围压设定,通过螺栓固定加压手轮。(5)仪表调零:按上升键,使升降台快速上升,至活塞将要与测力环接触时,观察测力计读数,当读数变化时,停止上升。然后开启围压,将测力计和变形指示计调至零位。(6)开始进行剪切。(7)当测力计读数出现峰值时可停止实验,若无峰值时,取15%轴向应变时的主应力差值为破坏点。(8)实验结束,关电动机,按围压停,卸载压力,然后通过手轮卸载压力,压力降至0MPa后,用螺栓固定手轮,排除压力室中的水,取下压力室,取出样品。1.4.2施加总压力和卸压本实验主要参照土工实验规程中的弹性模量实验SL237-029-1999[7~9]。具体如下:分级施加轴向压力,每级压力按预计的试样破坏主应力差的1/10~1/12施加;施加第1级压力,同时开动秒表,记录加压后1min时位移计的读数,每隔1min施加一级压力,测记位移计读数,施加到第4级压力为止;在记录第4级压力施加1min位移计的读数后逐级卸压,每隔1min卸去一级,并测记卸压后1min时位移计的读数,直至施加的轴向压力全部卸去;重复加卸荷4遍后,继续加压直至破坏。实验中涉及到分级施加的轴向压力p、加卸载间隔时间t及回滞圈圈数c三个条件,选择分级施加的轴向压力为主应力差的10%,加卸载间隔时间为1min,回滞圈圈数为5圈。2结果与分析2.1围压为50kpa200kpa小麦堆的最大破坏主应力差依前所述的实验方法,分别在围压为50kPa、100kPa、150kPa、200kPa条件下对不同水分(11.88%w.b、12.91%w.b、14.40%w.b、15.40%w.b、16.85%w.b)小麦堆的最大破坏主应力差进行测定,结果见表1。表1的结果表明:(1)含水率为11.88%w.b时,围压为50kPa~200kPa小麦堆的最大破坏主应力差范围为129.037kPa~377.067kPa;(2)含水率为12.91%w.b时,围压为50kPa~200kPa的小麦堆的最大破坏应力差范围为126.827kPa~397.297kPa;(3)含水率为14.40%w.b时,围压为50kPa~200kPa的小麦堆的最大破坏主应力差范围为141.787kPa~407.667kPa;(4)含水率为15.40%w.b时,围压为50kPa~200kPa的小麦堆的最大破坏主应力差范围为150.627kPa~483.317kPa;(5)含水率为16.85%w.b时,围压为50kPa~200kPa的小麦堆的最大破坏主应力差范围为158.957kPa~482.127kPa;(6)在同一水分下,小麦堆的最大破坏主应力差随围压的增大而增大;(7)在同一围压下,小麦堆的最大破坏主应力差随水分的增加而增大。2.2小麦堆弹性模量随围压的变化依照确定的实验条件(△P=0.1△σmax、t=1min、c=5)及方法,在不同围压(50kPa、100kPa、150kPa、200kPa)下,分别对不同含水率(11.88%w.b、12.91%w.b、14.40%w.b、15.40%w.b、16.85%w.b)的小麦堆进行实验,测定出小麦堆弹性模量如表2、图3~图7所示。表2、图3~图7的结果表明:(1)含水率为11.88%w.b时,围压为50kPa~200kPa小麦堆的弹性模量范围为39.226MPa~78.141MPa。拟合方程为y=3E-06x3-0.0033x2+0.9275x+0.665;(2)含水率为12.91%w.b时,围压为50kPa~200kPa小麦堆的弹性模量范围为36.379MPa~87.379MPa。拟合方程为y=2E-05x3-0.0069x2+1.0678x-2.199;(3)含水率为14.40%w.b时,围压为50kPa~200kPa的小麦堆的弹性模量范围为32.919MPa~70.332MPa。拟合方程为y=-5E-06x3+0.0002x2+0.4519x+10.462;(4)含水率15.40%w.b时,围压为50kPa~200kPa的小麦堆的弹性模量范围为24.829MPa~55.002MPa。拟合方程为y=1E-05x3-0.0051x2+0.7945x-3.676;(5)含水率为16.85%w.b时,围压为50kPa~200kPa的小麦堆的弹性模量范围为13.294MPa~31.475MPa。拟合方程为y=5E-06x3-0.0021x2+0.3734x-0.769;(6)在同一含水率下,小麦堆弹性模量随围压增大而增大;(7)在同一围压条件下,小麦堆弹性模量随水分含量的增加而减小。3结论3.1最大破坏主应力差3.1.1水分为11.88%w.b~16.85%w.b时,围压为50kPa~200kPa的小麦堆的最大破坏主应力差范围为126.827kPa~483.317kPa。3.1.2在同一水分下,小麦堆的最大破坏主应力差随围压的增大而增大。3.1.3在同一围压下,小麦堆的最大破坏主应力差随水分的增加而增大。3