圍壓和水分對稻谷堆彈性模量的影響

圍壓和水分對稻谷堆彈性模量的影響

水稻是世界上重要的糧食之一。世界上的水稻種植面積占糧食種植面積的三分之一以上。中國是水稻生產(chǎn)的主要國家，水稻種植面積和產(chǎn)量在世界上是第一位。種植面積超過3300公頃，占中國總面積的140%，占中國總面積的1.4%，占世界糧食生產(chǎn)的37%。我國地域遼闊,氣候變化復(fù)雜,作為重要商品糧的稻谷,儲藏量巨大,儲藏任務(wù)非常艱巨。稻谷在干燥、碾磨及儲藏過程中均受到壓縮載荷,從而改變或了它的顆粒質(zhì)構(gòu),也改變了它的生理狀態(tài)和活動環(huán)境,影響了其安全儲藏,使其更容易受微生物的侵蝕,進而影響稻谷的利用率和種子的出芽率。同時稻谷的力學特性對糧倉設(shè)計也有著至關(guān)重要的作用。為此,必須了解稻谷堆及籽粒的力學性質(zhì)。糧堆彈性模量是表征糧食壓縮特性的重要參數(shù),它是指糧食在外力作用下,其長度沿力的方向產(chǎn)生彈性(即可恢復(fù)的)變形時的應(yīng)力與應(yīng)變之比。國內(nèi)外對糧食顆粒的破碎力、彈性模量等力學特性的研究從二十世紀六十年代就開始了。馬小愚教授(1988)等研究了大豆籽粒的力學性質(zhì),發(fā)現(xiàn)同一含水量的籽粒在沿三軸方向擠壓,其破裂力有顯著差異;含水量對籽粒的屈服力及力的影響特別顯著。張洪霞、馬小愚(2004)等通過WDW-5微機電子式萬能試驗機研究了大米籽粒的壓縮特性,發(fā)現(xiàn)不同品種的大米的彈性模量差異為顯著,能、力差異極為顯著,而應(yīng)力沒有顯著差異。劉傳云和張強(2007)等人用材料性能測試機測定了大豆的表觀接觸彈性模量,發(fā)現(xiàn)大豆的力與變形量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(guān)系。用赫茲接觸應(yīng)力公式,得到這種大豆籽粒的接觸彈性模量為294MPa。MateuszStasiak和MarekMolenda(2007)等利用聲波的方法測定了幾種不同種類谷物籽粒的彈性模量,研究發(fā)現(xiàn)彈性模量隨著水分的增加而減小,隨流體靜力學壓力的增大而增大。由此可見國內(nèi)外對糧食顆粒的彈性模量研究的較多,但對糧堆彈性模量的研究,國際上報導(dǎo)很少,國內(nèi)未見公開報導(dǎo)。糧堆彈性模量是顆粒間相互作用的集合力學特性,與顆粒彈性模量是緊密相關(guān)的,糧食在干燥、碾磨、運輸及儲藏過程中大多是以堆形式存在的,糧食與外界的作用大多也是以堆形式顯現(xiàn)的,是一個重要的堆力學特性。故本課題對稻谷堆彈性模量進行實驗測定與研究。1材料和方法1.1實驗材料本實驗所用稻谷為南京產(chǎn)秈稻,原始水分為13.55%,容重是577g/L,尺寸見表1。1.2人工氣候箱應(yīng)變控制式三軸儀,南京生產(chǎn),示意圖見圖1;PQX型多段可編程人工氣候箱,寧波生產(chǎn);HG202～2(2A/2AD)電熱干燥箱,南京生產(chǎn);JSFD～粉碎機,上海生產(chǎn);AL204型分析天平。1.3糧堆彈性模量的初始條件糧食的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈現(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(yīng)變。在一定的條件下測定得到糧食的最大主應(yīng)力差。通過在一定應(yīng)力(最大主應(yīng)力差的1/10～1/12)水平下的多次加壓和卸壓,可由彈性模量的定義計算出其值。加壓、卸壓與軸向變形關(guān)系如圖2所示,按式(1)和式(2)計算出糧堆的彈性模量。初始條件:圍壓(kPa),樣品高度hc(mm),樣品截面積A0=0.003m2;實驗測得:位移△he(0.01mm),測微表讀數(shù)R(0.01mm);△P=0.0102×R+0.0194A0(1)△Ρ=0.0102×R+0.0194A0(1)根據(jù)圖2的轉(zhuǎn)換關(guān)系可得;E=△P△he/hc(2)E=△Ρ△he/hc(2)其中:E——糧堆的彈性模量(MPa);△P——軸向荷載(kPa);△he——糧堆的彈性變形量(mm);hc——試樣固結(jié)后的高度(mm)。1.4方法1.4.1pla和msf的測定方法首先將原始樣品進行篩選去除雜質(zhì),然后通過105℃烘干法測定其水分為13.55%。實驗所需4個水分的稻谷調(diào)節(jié)方法具體如下:根據(jù)公式(3)計算出調(diào)節(jié)到目標水分所需要增加的蒸餾水的質(zhì)量,然后進行噴霧加濕,將加濕過的稻谷放進密封袋中置于15℃的人工氣調(diào)箱里一個星期使水分均勻。實驗前需將樣品拿出放在室溫條件下2h后再進行實驗。Q=Wi(Mf?Mi)(100?Mf)(3)Q=Wi(Μf-Μi)(100-Μf)(3)其中:Q——所需增加蒸餾水的質(zhì)量(kg);Wi——稻谷的質(zhì)量(kg);Mi——稻谷含水量(%);Mf——調(diào)節(jié)后稻谷含水量(%)。1.4.2樣主應(yīng)力差的施加本實驗主要參照土的試驗規(guī)程中的彈性模量試驗SL237-029-1999。具體如下:分級施加軸向壓力,每級壓力按預(yù)計的試樣主應(yīng)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(fù)加卸荷4遍后,繼續(xù)加壓直至破壞。1.4.3電機應(yīng)變速率及滯回圈數(shù)的選擇實驗中涉及到主應(yīng)力差△σ、分級施加的軸向壓力△p、加卸載間隔時間△t,電機應(yīng)變速率及滯回圈圈數(shù)c等條件,我們選擇分級施加的軸向壓力為主應(yīng)力差的10%,加卸載間隔時間為1min,滯回圈圈數(shù)為5圈。最大主應(yīng)力差△σ和電機應(yīng)變速率的確定如下:1.4.3.不同圍壓下的稻米堆的最大主應(yīng)力差用三軸儀在不同恒定圍壓σ3下對試樣進行壓縮實驗,如圖3。先在試樣的四周施加圍壓,再在其垂直方向施加均布的壓力增量△σ,使軸向壓力σ1(=σ3+△σ)逐漸增大。當σ1達到峰值時,其值定為最大主應(yīng)力差。圖中:σ1——稻谷樣品所受的軸向壓應(yīng)力(kPa);σ2,σ3——稻谷樣品所受的圍壓應(yīng)力(kPa)。在如下條件下進行測定稻谷堆的最大主應(yīng)力差:電機應(yīng)變速率為1mm/min,圍壓為50kPa,水分為13.55%,實驗結(jié)果見圖4。由圖4可知,稻谷堆的塑性很大,在三軸儀實驗范圍內(nèi)應(yīng)力差不出現(xiàn)峰值。所以,我們將試樣高度發(fā)生14%、16%、18%、20%彈性形變時的應(yīng)力差視為最大主應(yīng)力差來進行實驗,結(jié)果見表2。由表2可以看出,取不同彈性形變時的力為最大主應(yīng)力差所得到的彈性模量的值并沒有顯著差異,所得到的結(jié)果的平均值相差不大,選取彈性形變20%時對應(yīng)的主應(yīng)力差為最大主應(yīng)力差所得到的結(jié)果較穩(wěn)定,并且為了便于計算,提高實驗效率,故選取彈性形變20%時對應(yīng)的主應(yīng)力差為最大主應(yīng)力差。以此方法測定稻谷堆的最大主應(yīng)力差,所得結(jié)果見表3。表3表明:①水分為11.89%～17.62%w.b時,圍壓為50kPa～200kPa的稻谷堆的最大主應(yīng)力差(彈性形變20%)范圍為105kPa～310kPa;②在同一水分下,稻谷堆的最大主應(yīng)力差隨圍壓的增大而增大;③在同一圍壓下,稻谷堆的最大主應(yīng)力差與水分無顯著相關(guān)性。1.4.3.堆彈性模量的測定對稻谷(水分為13.55%w.b)進行彈性模量實驗,實驗條件為:圍壓為50kPa、分級施加的軸向壓力為主應(yīng)力差的10%、滯回圈圈數(shù)為5圈、加卸載間隔時間1min。在電機應(yīng)變速率1mm/min、1.5mm/min、2mm/min測定稻谷的堆彈性模量。實驗結(jié)果如表4所示。由表4可知,電機應(yīng)變速率對稻谷堆彈性模量的影響不是很明顯,所得到的結(jié)果的平均值相差不大,電機應(yīng)變速率為1.5mm/min時所得到的結(jié)果較穩(wěn)定,并且為減少實驗時間,選擇1.5mm/min為稻谷堆彈性模量的電機應(yīng)變速率。2不同圍壓的稻米堆彈性模量根據(jù)上述實驗條件的選擇,可確定測定不同水分(11.89%w.b、13.55%w.b、15.73%w.b、17.62%w.b)、不同圍壓(50kPa、100kPa、150kPa、200kPa)的稻谷堆的彈性模量,實驗結(jié)果見表5和圖5～8。2.1兩種模型的擬合方程的特征分析不同水分條件下,稻谷的彈性模量與圍壓的關(guān)系如圖9～12:圖9～12表明:①水分為11.89%w.b時,圍壓為50kPa～200kPa的稻谷堆的彈性模量范圍為10.22MPa～36.30MPa。擬合方程為y=0.1706x+1.844。②水分為13.55%w.b時,圍壓為50kPa～200kPa的稻谷堆的彈性模量范圍為9.14MPa～33.16MPa。擬合方程為y=0.1633x+0.9885。③水分為15.73%w.b時,圍壓為50kPa～200kPa的稻谷堆的彈性模量范圍為11.29MPa～35.23MPa。擬合方程為y=0.1566x+3.503。④水分為17.62%w.b時,圍壓為50kPa～200kPa的稻谷堆的彈性模量范圍為10.39MPa～31.77MPa。擬合方程為y=0.1434x+3.8025。⑤在同一水分下,稻谷堆彈性模量隨圍壓增大而增大。2.2水稻體積彈性模型與水的關(guān)系不同圍壓條件下,稻谷堆的彈性模量與水分的關(guān)系見圖13。圖13表明:在同一圍壓條件下,稻谷堆彈性模量與水分沒有顯著相關(guān)性。3圍壓對谷炭基放質(zhì)彈性模量的影響分析實驗結(jié)果得到以下結(jié)論:①稻谷堆的塑性很大,利用TSZ-6A型應(yīng)變控制式三軸儀無法測出其最大主應(yīng)力差。②水分為11.89%～17.62%w.b時,圍壓為50kPa～200kPa的稻谷堆的最大主應(yīng)力差(彈性形變20%)范圍為105kPa～310kPa。③在同一水分下,稻谷堆的最大主應(yīng)力差(彈性形變20%)隨圍壓的增大而增大。④在同一圍壓下,稻谷堆的最