单向压缩对小麦堆蠕变特性及品质影响的研究_周洋.pdf

2023 年 2 月第 44 卷第 1 期河南工业大学学报(自然科学版)Journal of Henan University of Technology(Natural Science Edition)Feb.2023Vol.44 No.1收稿日期:2022-01-09基金项目:国家粮食公益性行业科研专项(201513001);河南省科技研发计划联合基金项目(222103810073,222103810082);河南工业大学创新基金支持计划专项(2020ZKCJ05)作者简介:周洋(1988),男,河南淮阳人,博士,副教授,主要从事散体物料多场耦合理论、吹填土处理和真空预压等方面的研究,E-mail:。单向压缩对小麦堆蠕变特性及品质影响的研究周洋,刘超赛,岳龙飞,刘文磊,葛蒙蒙河南工业大学 土木工程学院,河南 郑州 450001摘要:明确仓储小麦粮堆长期荷载作用下的压缩变形规律及对小麦品质的影响对于储粮安全管理至关重要,通过单向压缩试验研究了小麦堆在竖向压力为 100 500 kPa 条件下的压缩变形特性,以发芽率为评价指标探究压缩变形对小麦品质的影响。结果表明:小麦堆的压缩变形主要经历瞬时变形、快速变形和稳态蠕变 3 个阶段,荷载增加阶段的粮堆瞬时变形是产生较大压缩变形的主要因素;小麦堆变形及粮堆密度随竖向压力的增加呈上升趋势;Hooke 弹簧与 Kelvin 模型串联组成的蠕变模型能较好地描述小麦堆的压缩变形,且不同竖向压力下稳态蠕变阶段的变形曲线相互平行;竖向压力影响小麦籽粒活力,随着竖向压力的增加,小麦籽粒发芽率降低。研究结果可为仓储结构的设计及粮食安全储藏提供理论支持。关键词:小麦堆;单向压缩;蠕变特性;蠕变模型;发芽率中图分类号:TS210文献标志码:A文章编号:1673-2383(2023)01-0112-05DOI:10.16433/j.1673-2383.2023.01.015Effect of uniaxial compression on creep behavior and quality of wheat bulk ZHOU Yang,LIU Chaosai,YUE Longfei,LIU Wenlei,GE MengmengCollege of Civil Engineering,Henan University of Technology,Zhengzhou 450001,ChinaAbstract:In order to clarify the compression deformation rule of storage wheat grain bulk under long-term load and its impact on wheat quality,the compression deformation characteristics of wheat bulk under the condition of vertical pressure of 100-500 kPa were studied by uniaxial compression test,and the influence of compression deformation on wheat quality was studied with germination rate as the evaluation index.The results indicated that the compression deformation of wheat bulk mainly underwent three stages:instan-taneous deformation,rapid deformation,and steady-state creep deformation.The instantaneous deformation of grain bulk in the stage of load increase was the main factor causing large compression deformation.The deformation and grain bulk density increased and the porosity decreased with the increase of vertical pressure.The creep model composed of Hooke spring and Kelvin model in series could better describe the compression deformation of wheat bulk.The curves in steady-state creep stage under different vertical pressures were parallel to each other.Compression deformation affected wheat kernels vigor,and with the increase of vertical pressure,germination rate decreased.The research results can provide theoreti-cal support for grain storage safety management.Key words:the wheat bulk;uniaxial compression;creep behavior;rheological model;germination rate我国小麦种植范围广,产量高,是主要的农产品之一1。现代化仓储结构高度超 30 m,仓第 44 卷第 1 期周洋,等:单向压缩对小麦堆蠕变特性及品质影响的研究容数量达数万吨,在长达 3 a 的储备周期中,粮食荷载作用下的粮堆压缩变形明显 2-3。粮堆的不均匀沉降不仅影响仓储结构的安全性,而且挤压所引 起的粮堆孔 隙率和密度 的变 化 对粮堆内湿 热传递也有 重要影响 4。研究 仓 储小麦 堆 的 压 缩 变 形 具 有 重 要 的 科 学 和 工 程意义。粮食压缩变形的研究受到了国内外学者的关注。Azamat 等5-6通过压缩试验研究了加载速率对小麦籽粒变形和破碎的影响,分析了椭圆形小麦籽粒的弹塑性变形行为,建立用于描述小麦籽粒变形的数学模型。蒋敏敏等7通过压缩试验研究了小麦粮堆模量和强度特性,提出小麦堆的应力-应 变关系符合 双曲线模型。Turner 等8开展小麦堆单向压缩试验,建立了小麦堆压力与密度的关系模型。程绪铎等9通过粮食回弹模量仪测定了小麦堆在不同压应力下的压缩密度。王娟10通过单轴压缩试验,描述了小麦堆孔隙比与压力的关系。蠕变行为在砂土等颗粒材料中已有深入的研究11-12,在食品领域中,蠕变行为主要被用于选择优质原料和开发新的产品13-14。Hadnadev 等15通过蠕变变形试验,得出小麦收获后短期储藏期间流变特性的变化。孙创举16总结了不同粒度小麦粉的流变学特性,随着粒度的减小,小麦粉吸水率升高,中研磨强度下小麦粉制作的面团具有更高的面筋强度。将弹簧和牛顿黏壶以不同方式组合的力学模型通常用于描述黏弹性材料的力学行 为。Figueroa 等17使 用 广 义 的 Maxwell模拟了小麦籽粒的变形行为;Hernandez-Estrada等18用 Kelvin-Voigt 模型评估了小麦面团的黏弹性行为;Sheng 等19将 Maxwell 和 Kelvin 模型组合建立了粮食籽粒的蠕变模型。现有的关于小麦堆压缩的试验研究中,单一的密度变化研究难以反映仓储结构内大体积粮堆较长储备周期中粮堆的变形情况;而蠕变变形的研究主要集中于碾磨加工后对小麦粉的研究,缺乏对粮仓内小麦堆的蠕变特性分析。作者通过小麦堆单向压缩试验,模拟仓储粮堆储藏中的压缩变形过程,研究荷载作用下的小麦堆蠕变特性及压缩变形对小麦品质的影响,以期用于仓储结构内小麦堆密度等的计算和粮食品质的评价,为仓储结构的设计及粮食安全储藏提供依据。1材料与方法1.1试验材料以河南产小麦为研究对象,品种为周麦 22,参考 ASAE 标准20,测定样品初始平均含水率为14.6%,发芽率为 99%。1.2试验方法1.2.1试验装置试验在改进的杠杆式固结仪中进行21。加载装置和改进的试验盒如图 1 所示。试验盒由高强度铝合金加工制成,尺寸为 120 mm120 mm55 mm,为便于观察试样变化,前后板为透明PMMA 板,加载板下方粘贴薄层柔性橡胶垫22,以模拟仓储粮堆内的柔性接触;侧壁涂薄层凡士林,通过加载丝杆施加压力。图 1单向压缩装置Fig.1Uniaxial compression test device1.2.2加载方法将 450 g 小麦试样装入试验盒,控制小麦密度为 0.789 g/cm3。根据受荷面积换算21,加载顺序为 3、8、18、39、60、100、200、300、400、500 kPa。每 20 min 施加一次荷载,加载至目标压力后,保持荷载不变,试样在恒定荷载下变形,试验持续 555 h。试 验 结 束 后,参 照 GB/T 55202011,每个压力状态随机取 4 组试样测定发芽率。2结果与分析2.1压缩变形在给定的粮堆高度下,粮食自重形成的竖向压力使粮堆及粮食籽粒压缩变形,对粮食品质有显著的影响13。图 2 为不同竖向压力下小麦堆的变形-时间曲线。图中变形曲线呈倒“S”形。311河南工业大学学报(自然科学版)2023 年储藏 555 h,100、200、300、400、500 kPa 竖向压力下的小麦堆竖向变形分别为 2.52、3.33、4.04、4.21、5.01 mm。小麦堆变形主要分为 3 个阶段:(1)瞬时变形,发生在荷载增加的瞬间,籽粒接触面上切应力克服籽粒与籽粒之间的摩擦力,沿接触面滑 动产生变形,在荷载增加 阶段结 束 时,100、200、300、400、500 kPa 压力下的变形分别占总 变 形 的 74.3%、76.4%、76.5%、80.6%和82.0%,表明瞬时变形是粮堆产生较大压缩变形的主要因素。(2)快速变形,发生在加荷结束后,主要为拐点附近的一段,此阶段小麦籽粒间的孔隙被填充,籽粒运动阻力开始增大,变形速率逐渐减小。(3)稳态蠕变,当籽粒间的孔隙填充基本完毕,变形曲线趋于平缓,呈稳态蠕变趋势,小麦堆受围压和相对密度影响较大。图 2竖向荷载下小麦堆的变形Fig.2Deformation of wheat bulk under vertical load图 3 为不同竖向压力下的小麦堆密度变化。相同压力下,粮堆密度随荷载的增加逐渐增大,荷载达到目标压力后,密度变化速率逐渐减小。密度随竖向压力的增加而增大,储藏 555 h,100、200、300、400、500 kPa 竖向压力下的小麦堆密度较初始密度分别增长 7.13%、9.64%、11.96%、12.51%和 15.24%。密度变化结果与图 2 中压缩变形结果相对应。图 4 为小麦堆的孔隙率变化,初始孔隙率为 39.3%,小麦堆内部疏松,孔隙率随竖向压力的增加而减小,储藏 555 h,100、200、300、400、500 kPa 竖向压力下的小麦堆孔隙率分别为 35.0%、33.5%、32.1%、31.7%和 30.1%,分别较 荷 载 增 加 结 束 时 的 孔 隙 率 减 小 3.23%、4.24%、5.49%、4.86%和 5.85%。2.2蠕变模型通过单轴压缩试验能够得到不同竖向压力图 3竖向荷载下的小麦堆密度Fig.3Density of wheat bulk under vertical load图 4竖向荷载下的小麦堆孔隙率Fig.4Porosity of wheat bulk under vertical load下小麦堆的变形-时间曲线,虽然图 2 可以反映小麦堆的变形规律,但是无法对粮堆的内部特性及压缩机制明确解释,也不便于长期储粮过程中粮堆沉降的计算。Kelvin 模型将 Hooke 弹簧与牛顿黏壶串联,其本构方程:=E1+1?,(1)式中:为竖向压力,kPa;E1为蠕变阶段的变形模量,MPa;为应变;?为蠕变速率;1为 Kelvin黏滞系数,MPa h。当压力作用于模型,由于黏壶的存在,弹簧不会立刻被压缩,且能够随黏壶的变形逐渐被压缩,因此形变是逐渐发展的过程。Kelvin 模型仅能定性描述粮堆的蠕变规律,为了方便且定量地描述小麦堆的蠕变变形,将 Hooke 弹簧与 Kelvin模型串联,图 5 为串联后的蠕变模型,蠕变方程:1?+E1=E0+E1E0+1E0?,(2)式中:E0为弹性变形模量,MPa,即施加荷载瞬间的变形模量;?为应力变化率。411第 44 卷第 1 期周洋,等:单向压缩对小麦堆蠕变特性及品质影响的研究在竖向压力 作用下,由 0=/E0,可得:=E0+E11-e-E11t(),(3)式中:t 为储藏时间,h。图 5蠕变模型Fig.5Creep model根据小麦堆单轴压缩蠕变试验结果,定义蠕变函数对模型参数进行识别。图 6 为采用串联后模型拟合的不同竖向压力下各小麦堆试样的变形曲线。由图 6 可知,Hooke 弹簧与 Kelvin模型串联后的蠕变模型能较为准确地描述小麦堆单向压缩条件下的蠕变过程,拟合曲线与试验结果吻合度较好,相关系数均在 0.95 以上,验证了本研究模型的正确性与合理性。同时,在竖向压力、加载时间 t 和应变(t)已知的情况下,模型需要确定的参数只有 E0、E1和 1,模型参数相对较少,便于描述粮堆蠕变变形。图 6蠕变模型计算结果与试验结果对比Fig.6 Comparison between creep model calculation results and experimental results为了更清楚地反映小麦堆的蠕变变形,将应变-时间变形曲线在双对数坐标中表示,结果如图 7 所示。由图 7 可知,不同竖向压力下小麦堆的稳态蠕变阶段的曲线基本为直线,且直线的拟合相关系数为 0.91 0.98。因此,在给定的竖向压力作用下,小麦堆稳态蠕变阶段应变-时间关系可表示:lg(,t)-lg(0,t0)=m(lg t-lg t0),(4)(,t)=(0,t0)tt0()m(t 0),(5)式中:t0为稳态蠕变阶段的参考时间,取 t0=25 h;m 是与小麦物理力学特性相关的变形参数,不同竖向压力下的拟合曲线相互平行,因此本研究中 m 可被视为 0.01 的常数。图 7双对数坐标中的稳态蠕变阶段变形曲线Fig.7Steady-state creep curve in logarithmic coordinates图 8室温环境中不同竖向压力下的小麦发芽率Fig.8Germination rate of wheat stored under different vertical pressures at room temperature2.3小麦品质发芽率是评价小麦储藏品质劣变的一个敏感指标23-24。图 8 为室温环境中储藏 555 h 不同竖向压力下小麦的发芽率。实验室温度白天升高,夜间降低,平均温度为 19.2 。相同温度条件下,随着竖向压力的增大,小麦发芽率有不511河南工业大学学报(自然科学版)2023 年同程度的降低。储藏 555 h,小麦的发芽率分别为 99.0%0.5%、98.0%0.5%、97.0%1.0%、94.0%0.5%和 93.0%1.0%。原因可能是较高的竖向压力使小麦籽粒挤压变形,小麦堆的孔隙率减小,孔隙间较低的氧气浓度使小麦籽粒处于低氧环境,影响小麦籽粒的活力。3结论针对仓储小麦堆的沉降变形问题,通过 100500 kPa 单向压缩试验,研究了竖向压力对压缩变形及小麦品质的影响,得到以下结论:小麦堆单元体的压缩变形主要经历瞬时变形、快速变形和稳态蠕变 3 个阶段;荷载增加阶段的粮堆瞬时变形是产生较大压缩变形的主要因素,分别占总变形 的 74.3%82.0%,储 藏 555 h,密 度 增 加7.13%15.24%。Hooke 弹簧与 Kelvin 模型串联组成的蠕变模型能较好地描述小麦堆的压缩变形,稳态蠕变阶段的变形曲线相互平行。竖向压力影响小麦籽粒活力,随着竖向压力的增加,小麦籽粒发芽率降低。参考文献:1国家 统 计 局.中 国 第 三 产 业 统 计 年 鉴-2019 M.北京:中国统计出版社,2020.2CHENG X D,ZHANG Q,SHI C X,et al.Model for the prediction of grain density and pressure distribution in hopper-bottom silos J.Biosystems engineering,2017,163:159-166.3陈雪,程绪铎,胡美珠.基于有限元方法的平房仓中小麦堆的密度分布研究 J.中国粮油学报,2021,36(6):108-113.4陈桂香,刘超赛,蒋敏敏,等.储料竖向压力对 粮 仓 中 小 麦 粮 堆 湿 热 传 递 的 影 响 J.农业工程学报,2020,36(8):246-253,325.5AZAMAT O,AMAN S,PETER M,et al.Micromechanical properties of wheat grainsJ.Chemie ingenieur technik,2012,84(4):535-539.6AZAMAT O,PETER M,JUERGEN T,et al.Influence of loading rate on the deform-ation and fracture behavior of wheat grainsJ.Chemie ingenieur technik,2013,85(6):907-913.7蒋敏敏,郭祝辉,陈桂香.三轴压缩下小麦粮堆模量和强度特性研究 J.河南工业大学学报(自然科学版),2017,38(6):80-85.8TURNER A P,MONTROSS M D,MCNEILL S G,et al.Modeling the compressibility be-havior of hard red wheat varieties J.Transactions of the ASABE,2016,59(3):1029-1038.9程绪铎,高梦瑶,冯家畅,等.预测平房仓中小麦密度分布与储藏质量的模型 J.中国粮油学报,2017,32(3):96-102.10 王娟.粮堆孔隙度的试验研究 D.郑州:河南工业大学,2016.11 WANG Z C,WONG R C K.Strain-depend-ent creep behavior of athabasca oil sand in triaxial compression J.International jour-nal of geomechanics,2017,17(1):04016027.12 蔡国军,陈世豪,赵大安,等.饱和砂土蠕变特性及其影响因素试验研究 J.工程地质学报,2019,27(5):1048-1055.13 KAMBOJ U,GUHA P,MISHRA S.Chan-ges in rheological properties of wheat due to storage J.Journal of the science of food and agriculture,2018,98(4):1374-1380.14 MOREIRA R,CHENLO F,ARUFE S,et al.Physicochemical characterization of white,yellow and purple maize flours and rheological characterization of their doughs J.Journal of food science and technology,2015,52(12):7954-7963.15 HADNAD-EV M,DAPCEVIC HADNA D-EV T,POJIC M,et al.Changes in the rheologi-cal properties of wheat dough during short-term storage of wheat J.Journal of the sci-ence of food and agriculture,2015,95(3):569-575.16 孙创举.不同粒度小麦粉组成的差异及其对面制品品质的影响 D.郑州:河南工业大学,2016.(下转第 134 页)611河南工业大学学报(自然科学版)2023 年cal properties,in vitro digestibility and en-zyme inhibitory activities J.LWT-food sci-ence and technology,2019,99:202-208.60 ZHENG M J,YOU Q X,LIN Y,et al.Effect of guar gum on the physicochemical properties and in vitro digestibility of lotus seed starch J.Food chemistry,2019,272:286-291.61 李聪.金针菇纳米多糖颗粒的制备及成膜特性 研 究 D.天 津:天 津 科 技 大 学,2017.62 许明映.金针菇及其多糖提取物对广式腊肠品质的影响 D.南昌:江西农业大学,2018.63 柯媛.多糖对辣条品质的影响及体外抑菌作用 初 探 D.武 汉:武 汉 轻 工 大 学,2021.64 葛子榜.-聚赖氨酸与普鲁兰多糖对北豆腐保鲜作用的研究 D.哈尔滨:东北农业大学,2017.65 范选娇.结冷胶对白鲢鱼糜凝胶特性及形成机理的影响 D.合肥:合肥工业大学,2017.66 HONG T T,MA Y,YUAN Y R,et al.Un-derstanding the influence of pullulan on the quality changes,water mobility,structural properties and thermal properties of frozen cooked noodles J.Food chemistry,2021,365:130512.(责任编辑周凤航)(上接第 116 页)17 FIGUEROA J D C,MANUEL C I,HERNNDEZ-ESTRADA Z J,et al.Stress relaxation of wheat kernels and their relation-ship with milling,rheological,and bread-making quality of wheat J.Cereal chemis-try,2012,89(4):211-216.18 HERNNDEZ-ESTRADA Z J,RAYAS-DU-ARTE P,FIGUEROA J D C,et al.Creep recovery tests to measure the effects of wheat glutenins on doughs and the relationships to rheological and breadmaking properties J.Journal of food engineering,2014,143:62-68.19 SHENG S Y,WANG L J,LI D,et al.Vis-coelastic behavior of maize kernel studied by dynamic mechanical analyzer J.Carbohy-drate polymers,2014,112:350-358.20 Moisture measurement-unground grain and seeds:ASABE,S352.22012S.21 土工试验规程:SL 2371999S.22 TALESNICK M,HORANY H,DANCYGIER A N,et al.Measuring soil pressure on a bur-ied model structure for the validation of quan-titative frameworks J.Journal of geotechni-cal and geoenvironmental engineering,2008,134(6):855-865.23 鲁玉杰,娄小方,周亚男,等.真空包装对稻谷和小麦储存 6 个月的品质影响及对害虫的抑制作用 J.中国粮油学报,2021,36(2):126-131.24 韩小贤,赵亚娟,郭卫,等.霉变小麦品质评价数学模型的建立 J.中国粮油学报,2013,28(6):10-14,35.(责任编辑周凤航)431