围压和水分对稻谷堆弹性模量的影响

围压和水分对稻谷堆弹性模量的影响

水稻是世界上重要的粮食之一。世界上的水稻种植面积占粮食种植面积的三分之一以上。中国是水稻生产的主要国家，水稻种植面积和产量在世界上是第一位。种植面积超过3300公顷，占中国总面积的140%，占中国总面积的1.4%，占世界粮食生产的37%。我国地域辽阔,气候变化复杂,作为重要商品粮的稻谷,储藏量巨大,储藏任务非常艰巨。稻谷在干燥、碾磨及储藏过程中均受到压缩载荷,从而改变或了它的颗粒质构,也改变了它的生理状态和活动环境,影响了其安全储藏,使其更容易受微生物的侵蚀,进而影响稻谷的利用率和种子的出芽率。同时稻谷的力学特性对粮仓设计也有着至关重要的作用。为此,必须了解稻谷堆及籽粒的力学性质。粮堆弹性模量是表征粮食压缩特性的重要参数,它是指粮食在外力作用下,其长度沿力的方向产生弹性(即可恢复的)变形时的应力与应变之比。国内外对粮食颗粒的破碎力、弹性模量等力学特性的研究从二十世纪六十年代就开始了。马小愚教授(1988)等研究了大豆籽粒的力学性质,发现同一含水量的籽粒在沿三轴方向挤压,其破裂力有显著差异;含水量对籽粒的屈服力及力的影响特别显著。张洪霞、马小愚(2004)等通过WDW-5微机电子式万能试验机研究了大米籽粒的压缩特性,发现不同品种的大米的弹性模量差异为显著,能、力差异极为显著,而应力没有显著差异。刘传云和张强(2007)等人用材料性能测试机测定了大豆的表观接触弹性模量,发现大豆的力与变形量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。用赫兹接触应力公式,得到这种大豆籽粒的接触弹性模量为294MPa。MateuszStasiak和MarekMolenda(2007)等利用声波的方法测定了几种不同种类谷物籽粒的弹性模量,研究发现弹性模量随着水分的增加而减小,随流体静力学压力的增大而增大。由此可见国内外对粮食颗粒的弹性模量研究的较多,但对粮堆弹性模量的研究,国际上报导很少,国内未见公开报导。粮堆弹性模量是颗粒间相互作用的集合力学特性,与颗粒弹性模量是紧密相关的,粮食在干燥、碾磨、运输及储藏过程中大多是以堆形式存在的,粮食与外界的作用大多也是以堆形式显现的,是一个重要的堆力学特性。故本课题对稻谷堆弹性模量进行实验测定与研究。1材料和方法1.1实验材料本实验所用稻谷为南京产籼稻,原始水分为13.55%,容重是577g/L,尺寸见表1。1.2人工气候箱应变控制式三轴仪,南京生产,示意图见图1;PQX型多段可编程人工气候箱,宁波生产;HG202～2(2A/2AD)电热干燥箱,南京生产;JSFD～粉碎机,上海生产;AL204型分析天平。1.3粮堆弹性模量的初始条件粮食的应力应变关系呈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主应力差。通过在一定应力(最大主应力差的1/10～1/12)水平下的多次加压和卸压,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)和式(2)计算出粮堆的弹性模量。初始条件:围压(kPa),样品高度hc(mm),样品截面积A0=0.003m2;实验测得:位移△he(0.01mm),测微表读数R(0.01mm);△P=0.0102×R+0.0194A0(1)△Ρ=0.0102×R+0.0194A0(1)根据图2的转换关系可得;E=△P△he/hc(2)E=△Ρ△he/hc(2)其中:E——粮堆的弹性模量(MPa);△P——轴向荷载(kPa);△he——粮堆的弹性变形量(mm);hc——试样固结后的高度(mm)。1.4方法1.4.1pla和msf的测定方法首先将原始样品进行筛选去除杂质,然后通过105℃烘干法测定其水分为13.55%。实验所需4个水分的稻谷调节方法具体如下:根据公式(3)计算出调节到目标水分所需要增加的蒸馏水的质量,然后进行喷雾加湿,将加湿过的稻谷放进密封袋中置于15℃的人工气调箱里一个星期使水分均匀。实验前需将样品拿出放在室温条件下2h后再进行实验。Q=Wi(Mf−Mi)(100−Mf)(3)Q=Wi(Μf-Μi)(100-Μf)(3)其中:Q——所需增加蒸馏水的质量(kg);Wi——稻谷的质量(kg);Mi——稻谷含水量(%);Mf——调节后稻谷含水量(%)。1.4.2样主应力差的施加本实验主要参照土的试验规程中的弹性模量试验SL237-029-1999。具体如下:分级施加轴向压力,每级压力按预计的试样主应力差的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。1.4.3电机应变速率及滞回圈数的选择实验中涉及到主应力差△σ、分级施加的轴向压力△p、加卸载间隔时间△t,电机应变速率及滞回圈圈数c等条件,我们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,滞回圈圈数为5圈。最大主应力差△σ和电机应变速率的确定如下:1.4.3.不同围压下的稻米堆的最大主应力差用三轴仪在不同恒定围压σ3下对试样进行压缩实验,如图3。先在试样的四周施加围压,再在其垂直方向施加均布的压力增量△σ,使轴向压力σ1(=σ3+△σ)逐渐增大。当σ1达到峰值时,其值定为最大主应力差。图中:σ1——稻谷样品所受的轴向压应力(kPa);σ2,σ3——稻谷样品所受的围压应力(kPa)。在如下条件下进行测定稻谷堆的最大主应力差:电机应变速率为1mm/min,围压为50kPa,水分为13.55%,实验结果见图4。由图4可知,稻谷堆的塑性很大,在三轴仪实验范围内应力差不出现峰值。所以,我们将试样高度发生14%、16%、18%、20%弹性形变时的应力差视为最大主应力差来进行实验,结果见表2。由表2可以看出,取不同弹性形变时的力为最大主应力差所得到的弹性模量的值并没有显著差异,所得到的结果的平均值相差不大,选取弹性形变20%时对应的主应力差为最大主应力差所得到的结果较稳定,并且为了便于计算,提高实验效率,故选取弹性形变20%时对应的主应力差为最大主应力差。以此方法测定稻谷堆的最大主应力差,所得结果见表3。表3表明:①水分为11.89%～17.62%w.b时,围压为50kPa～200kPa的稻谷堆的最大主应力差(弹性形变20%)范围为105kPa～310kPa;②在同一水分下,稻谷堆的最大主应力差随围压的增大而增大;③在同一围压下,稻谷堆的最大主应力差与水分无显著相关性。1.4.3.堆弹性模量的测定对稻谷(水分为13.55%w.b)进行弹性模量实验,实验条件为:围压为50kPa、分级施加的轴向压力为主应力差的10%、滞回圈圈数为5圈、加卸载间隔时间1min。在电机应变速率1mm/min、1.5mm/min、2mm/min测定稻谷的堆弹性模量。实验结果如表4所示。由表4可知,电机应变速率对稻谷堆弹性模量的影响不是很明显,所得到的结果的平均值相差不大,电机应变速率为1.5mm/min时所得到的结果较稳定,并且为减少实验时间,选择1.5mm/min为稻谷堆弹性模量的电机应变速率。2不同围压的稻米堆弹性模量根据上述实验条件的选择,可确定测定不同水分(11.89%w.b、13.55%w.b、15.73%w.b、17.62%w.b)、不同围压(50kPa、100kPa、150kPa、200kPa)的稻谷堆的弹性模量,实验结果见表5和图5～8。2.1两种模型的拟合方程的特征分析不同水分条件下,稻谷的弹性模量与围压的关系如图9～12:图9～12表明:①水分为11.89%w.b时,围压为50kPa～200kPa的稻谷堆的弹性模量范围为10.22MPa～36.30MPa。拟合方程为y=0.1706x+1.844。②水分为13.55%w.b时,围压为50kPa～200kPa的稻谷堆的弹性模量范围为9.14MPa～33.16MPa。拟合方程为y=0.1633x+0.9885。③水分为15.73%w.b时,围压为50kPa～200kPa的稻谷堆的弹性模量范围为11.29MPa～35.23MPa。拟合方程为y=0.1566x+3.503。④水分为17.62%w.b时,围压为50kPa～200kPa的稻谷堆的弹性模量范围为10.39MPa～31.77MPa。拟合方程为y=0.1434x+3.8025。⑤在同一水分下,稻谷堆弹性模量随围压增大而增大。2.2水稻体积弹性模型与水的关系不同围压条件下,稻谷堆的弹性模量与水分的关系见图13。图13表明:在同一围压条件下,稻谷堆弹性模量与水分没有显著相关性。3围压对谷炭基放质弹性模量的影响分析实验结果得到以下结论:①稻谷堆的塑性很大,利用TSZ-6A型应变控制式三轴仪无法测出其最大主应力差。②水分为11.89%～17.62%w.b时,围压为50kPa～200kPa的稻谷堆的最大主应力差(弹性形变20%)范围为105kPa～310kPa。③在同一水分下,稻谷堆的最大主应力差(弹性形变20%)随围压的增大而增大。④在同一围压下,稻谷堆的最