玉米堆弹性模量的测定试验研究

程绪铎 石翠霞 陆琳琳 唐福元

(南京财经大学食品科学与工程学院，南京 210003)

玉米堆弹性模量的测定试验研究

程绪铎 石翠霞 陆琳琳 唐福元

(南京财经大学食品科学与工程学院，南京 210003)

利用TSZ－6A型应变控制式三轴仪进行三轴试验，测定围压分别为50、100、150、200 kPa时，玉米堆(水分为14.68%、16.40%、17.79%w.b)的弹性模量，同时研究围压和含水量与玉米堆弹性模量的关系。试验结果表明:对于含水量范围为14.68% ～17.79%w.b的玉米堆，在围压为50～200 kPa的范围内，其弹性模量范围为165.96～891.69 kPa。根据含水量与玉米堆弹性模量的关系可以拟合得到方程:y=Ax+B，其中，A、B为与含水量有关的参数;根据围压与玉米堆弹性模量的关系可以拟合得到方程:y=Dx+E，其中，D、E为与围压有关的参数。在相同含水量条件下，玉米堆的弹性模量随着围压的增大而增大;在相同围压条件下，玉米堆的弹性模量随着含水量的增加而减小。

玉米堆 弹性模量 围压 含水量

玉米是我国主要的粮食和经济作物之一。玉米堆的弹性模量是表征粮堆压缩特性的重要参数。玉米在干燥，运输，储藏及加工过程中均受到压缩载荷，为此会引起内部应力增加，从而导致体积缩小及变形，甚至颗粒破裂，从而影响其产品的品质［1］。玉米堆的弹性模量表征其抵抗受压变形的能力，因此，测定与研究玉米堆的弹性模量是非常必要的。

国内外对粮食颗粒的弹性模量研究自20世纪60年代就开始了。

Shelef等［2］用拉伸强度实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，得到应力—变形关系。

Balastreire［3］用球形压头的压缩试验测定玉米角质胚乳厚片在不同的含水量下的应力松驰特性，结果表明玉米角质胚乳的拉伸松弛模量随时间、含水量和温度的变化而变化。

Lin M等［4］研究了大豆及大豆种皮在不同温度和不同含水量下的黏弹性，建立了广义Maxwell模型，并于1990年研究了大豆籽粒的力学特性和破坏力，用应力松弛、压缩、弯曲试验测得了大豆籽粒的松弛模量、极限压缩和拉伸强度。

Kamst［5］进行了稻米的应力松弛试验，这些研究表明稻米是线性黏弹性体，弹性模量和挤压强度随变形速度增大而增大、随温度升高及含水量增大而减小，在含水量较低时温度影响较大。

张洪霞等［6］通过试验得出大米压缩的力学指标，如弹性模量、破坏力及破坏应力等，并研究得到不同品种大米的弹性模量差异为显著，破坏力差异为极显著，而破坏应力没有显著差异。李诗龙［7］研究了油菜籽的弹性模量、泊松比等物理特性。

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。本试验采用TSZ－6A型应变控制式三轴仪测定与研究玉米堆的弹性模量。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

玉米(水分为 14.68%w.b)，产地为东北;试验时玉米堆的测量高度为110 mm;玉米的最大粒径、中等粒径、最小粒径的平均值分别为 8.55、6.10、4.23 mm(随机取样50粒玉米粒，用游标卡尺测其三个粒径，估读到0.01 mm，最后求其平均值)。

应变控制式三轴仪(图1):南京土壤仪器厂有限公司;HG202－2(2A/2AD)电热干燥箱:南京盈鑫实验仪器有限公司;JSFD－粉碎机:上海嘉定粮油仪器有限公司。

图1 应变控制式三轴仪示意图

1.2 试验原理

粮食的应力应变关系呈现为复杂的弹塑性本构关系，粮堆在荷载作用下产生的应变既有塑性的、也有弹性的。在一定的围压下测定得到籽粒的最大破坏主应力差。取最大破坏主应力差的1/10～1/12，多次加压和卸压，随着加载和卸载次数的增加，回滞圈面积越来越小，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)、式(2)计算出粮堆的弹性模量。

图2 加压、卸压与轴向变形关系曲线

初始条件:围压(kPa)，样品高度hc(mm)，样品截面积A0=0.003 m2;

试验测得:位移△he(0.01 mm)，测微表读数R(0.01 mm);

依图2的转换关系可得;

式中:E为粮堆的弹性模量/kPa;ΔP为轴向荷载/kPa;Δhe为粮堆的弹性变形量/mm;hc为试样固结后的高度/mm。

试验中根据试验数据可做出轴向载荷与位移的曲线关系图，可求出斜率:

用式(2)和式(3)即可求出弹性模量的值。

1.3 试验方法

试验主要参照饱和的粘质土和砂质土的试验规程中的弹性模量试验SL237－029—1999［8］。试验中涉及到分级施加的轴向压力ΔP、加卸载间隔时间△t及回滞圈圈数c3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1 min，回滞圈圈数为6 圈［9］。

2 结果与分析

2.1 最大破坏主应力差

依前所述的试验方法，分别在围压为50、100、150、200 kPa 条件下对不同水分(14.68%，16.40%，17.79%w.b)的玉米堆的最大破坏主应力差进行测定，结果如表1。

表1 不同水分、不同围压条件下的最大破坏主应力差

表1 表明，水分为 14.68% ～17.79%w.b 时，围压为50～200 kPa的玉米堆的最大破坏主应力差范围为87.72～339.33 kPa;在同一水分下，玉米堆的最大破坏主应力差随围压的增大而增大;在同一围压下，玉米堆的最大破坏主应力差随水分的增加而增大。

2.2 回滞圈

依照确定的试验条件(Δp=10%、Δσmax、△t=1 min、c=6)及方法，在不同围压(50、100、150、200 kPa)下，分别对不同水分(14.68%、16.40%、17.79%w.b)的玉米堆进行试验。给出部分回滞圈结果，见图3。

图3所示回滞圈可以看出，第一次加载、卸载(第一圈)、第二次加载、卸载(第二圈)塑性形变(两圈的水平距离)较显著，且随加载、卸载次数的增加，粮堆的塑性形变越来越小。随着加载、卸载次数的增加，粮堆的弹性形变 (回滞圈最低点与最高点之间的水平距离)略有减小，但是变化不显著。

图3 加压、卸压与轴向变形关系曲线

2.3 弹性模量

根据回滞圈最后一圈的结果则可确定不同水分(14.68%、16.40%、17.79%w.b)，不同围压(50、100、150、200 kPa)下玉米堆的弹性模量。试验结果见表2。

表2 玉米堆的弹性模量

不同含水量下，围压与弹性模量的关系如图4所示。不同围压条件下，含水量与弹性模量的关系如图5所示。

图4 玉米堆弹性模量与围压关系曲线

图4表明，水分为14.68%w.b时，围压为50～200 kPa的玉米堆的弹性模量范围为 225.64～891.69 kPa。拟合方程为 y=4.404 2x+3.835;水分为16.40%w.b时，围压为50～200 kPa的玉米堆的弹性模量范围为202.54～769.17 kPa。拟合方程为y=3.751 2x+23.43;水分为 17.79%w.b 时，围压为50～200 kPa的玉米堆的弹性模量范围为165.27～589.09 kPa。拟合方程为 y=2.805 2x+43.875。同时也说明在同一水分下，玉米堆弹性模量随围压增大而增大。

图5 玉米堆含水量与弹性模量的关系

图5 表明，围压为50 kPa时，含水量为14.68% ～17.79%w.b的玉米堆的弹性模量范围为225.64 ～165.27 kPa，拟合方程为 y= －19.016x+507.42;围压为100 kPa时，含水量为 14.68% ～17.79%w.b的玉米堆的弹性模量范围为449.06 ～346.3 kPa，拟合方程为 y= －32.618x+933.44;围压为 150 kPa时，含水量为14.68% ～17.79%w.b的玉米堆的弹性模量范围为651.53 ～477.42 kPa，拟合方程为y=－55.271x+1472.2;围压为 200 kPa 时，含水量为14.68% ～17.79%w.b的玉米堆的弹性模量范围为891.69 ～589.09 kPa，拟合方程为 y= － 96.283x+2318.4;同时也说明在同一围压条件下，玉米堆弹性模量随含水量的增加而减小。

3 结论

水分为14.68% ～17.79%w.b时，围压为50～200 kPa的玉米堆的最大破坏主应力差范围为87.72～339.33 kPa。

在同一水分下，玉米堆的最大破坏主应力差随围压的增大而增大。

在同一围压下，玉米堆的最大破坏主应力差随水分的增加而增大。

水分为14.68% ～17.79%w.b 时，围压为 50 ～200 kPa的玉米堆的弹性模量范围为 165.96～891.69 kPa。围压对玉米堆弹性模量的影响，可拟合出方程y=Ax+B，其中，A、B为与含水量有关的参数，3个含水量下的参数值见表3。

表3 不同含水量下方程系数A、B的值

围压为50～200 kPa时，含水量为14.68% ～17.79%w.b的玉米堆的弹性模量范围为 165.96～891.69 kPa。对于含水量对玉米堆弹性模量的影响，可拟合出方程y=Dx+E，其中，D、E为与围压有关的参数，本试验给出4个围压下的参数值，见表4。

表4 不同围压下方程系数D和E的值

在同一围压下，玉米堆的弹性模量随着含水量的增加而减小。

在同一含水量下，玉米堆弹性模量随围压增大而增大。

［1］袁月明，栾玉震.玉米籽粒力学性质的试验研究［J］.吉林农业大学学报，1996，18(4):75 －78

［2］Leora S，Nuri N.Evaluation of the modulus of elasticity of wheat grain［J］.Cereal Chemistry，1967，44(6):392 －403

［3］Balastreire L A，Floyd L.Relaxtion modulus for maize endosperm in bending［J］.Transactions of the ASAE，1978(3):767－772

［4］Lin M，Haghighi K，Stroshine R L.Viscoelastic characterization of the soybean seed coat［J］.Transactions of the ASAE，1989，32(3):946 －952

［5］Kamst G F，Bonazzi C，Vasseure J，et al.Effect of deformation rate and moisture content content on the mechanical properties of rice grain ［J］.Transactions of the ASAE，2002，45(1):145－151

［6］张洪霞，马小愚，雷得天.大米籽粒压缩特性的实验研究［J］.黑龙江八一农垦大学学报，2004，16(1):42 －45

［7］李诗龙.油菜籽的物理特性浅析［J］.中国油脂，2005，30(2):17－20

［8］南京水利科学研究院.土工试验规程(SL 237—1999)［M］.北京:中国水利水电出版社，1999

［9］安蓉蓉.粮食的内摩擦角、弹性模量及体变模量的实验研究［D］.南京:南京财经大学，2010.

Determination and Experimental Research on Maize Pile's Elastic Modulus

Cheng Xuduo Shi Cuixia Lu Linlin Tang Fuyuan
(College of Food Science and Engineering，Nanjing University of Finance and Economics，Nanjing 210003)

In this paper，the elastic modulus of maize(moisture contents are 14.68%，16.40%and 17.79%w.b)were measured by triaxial apparatus，under the confining pressures of 50，100，150 and 200 kPa.The relationship of the elastic modulus of maize and the moisture content and the confining pressure were researched，respectively.The experimental results showed that the elastic modulus of the maize pile ranged from 165.96 kPa to 891.69 kPa in the moisture content range of 14.68% ～17.79%w.b and the confining pressure range of 50 ～200 kPa.According to the relationship between the moisture content and the elastic modulus，the fitting equation was obtained:y=Ax+B，where，A and B are the parameters of moisture content.According to the relationship between the confining pressure and the elastic modulus，the fitting equation was obtained:y=Dx+E，where，D and E are the parameters of confining pressure.The elastic modulus of maize pile increased with the increase of the confining pressure in a certain moisture content;The elastic modulus decreased with the increase of the moisture content in a certain confining pressure.

maize pile，elastic modulus，confining pressure，moisture content

Q51

A

1003－0174(2011)08－0087－05

国家科技支撑计划(2009BADA0B04－5)

2010－10－12

程绪铎，男，1957年出生，教授，粮食储藏工程