小麥堆孔隙率測定方法及影響因素研究

李倩倩，陳 鑫，畢文雅，姜俊伊，石天玉?

（國家糧食和物資儲備局科學(xué)研究院，北京 100037）

糧食孔隙率是糧食流散特性之一，是糧食重要的物理特性[1]。糧堆孔隙分為種粒內(nèi)孔隙和種粒間孔隙[2]。種粒內(nèi)孔隙決定了籽粒硬度、易破損粒、研磨、干燥率和抗真菌發(fā)展[3]，種粒間孔隙影響糧食呼吸作用、熱量的釋放和蟲霉變化[4]。

糧堆孔隙率對糧堆內(nèi)部濕熱轉(zhuǎn)移影響較大，影響通風(fēng)干燥過程中氣體流動阻力，是糧食儲備管理作業(yè)中糧堆溫濕度的控制工藝選擇和優(yōu)化的重要參數(shù)。孔隙率的測定研究對小麥的安全儲存有重要意義。

孔隙率的測定方法有比重瓶法，Chang[5]使用氣體比重瓶測定了不同含水率的玉米、小麥和高粱的孔隙率。目前測定糧食孔隙率的常用方法有氣體置換法，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，直接測量糧食的孔隙率。張淑珍[6]依據(jù)理想氣體狀態(tài)方程研制了孔隙率測定裝置，指出此裝置對吸濕性強、易溶于水、比重測試較復(fù)雜的散粒物料更適用。田曉紅[1]通過對比儀器法和計算方法測定小麥、玉米、大豆、稻谷孔隙率，指出基于理想氣體狀態(tài)方程的儀器法樣品代表性強，檢測方法簡單、快捷、重復(fù)性好，且整個過程是無損操作，便于推廣。李長友[7]基于理想氣體狀態(tài)方程設(shè)計了定容型散體物料孔隙率的測定裝置，開發(fā)了自動檢測控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了測定過程的自動控制和檢測參數(shù)的實時顯示與存儲。郝倩[8]基于理想氣體狀態(tài)方程研究玉米、小麥孔隙度就倉測量法，指出該測量系統(tǒng)測定時無需取樣，可以測出糧食在倉儲狀態(tài)下的孔隙度。唐福元[9]、陳雪[10]基于理想氣體狀態(tài)方程分別研究了筒倉中稻谷、小麥的空隙率分布規(guī)律，為糧倉孔隙率的分布研究提供了新的方法。許倩[3]利用孔隙率測定儀測定了油菜籽孔隙率，并分析含水率和品種對孔隙率的影響。

本文使用孔隙率測定儀和應(yīng)變控制式三軸儀，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，測量并計算不同品種、不同含水率、不同壓力下小麥的孔隙率值，并分析壓力、含水率、品種對孔隙率的影響。為小麥糧堆提高仿真精度，確定合理的通風(fēng)方式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

見表1和表2。

表1 小麥樣品尺寸Table 1 The size of wheat mm

表2 小麥樣品的含水情況Table 2 The moisture content of wheat %

1.2 實驗儀器

DGG-9140A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：上海森信實驗儀器有限公司；TSZ-6A型應(yīng)變控制式三軸儀：南京土壤儀器廠；孔隙率測定儀：自制。

1.3 實驗原理

1.3.1 糧食堆密度測定原理

使用應(yīng)變控制式三軸儀給予糧堆各方向應(yīng)力，通過應(yīng)力的改變，觀察糧堆體積的變化，從而得到不同加載壓力下糧堆的密度。糧堆受力情況如圖1所示：

圖1 糧堆應(yīng)力分布情況Fig.1 The stress distribution of grain pile

根據(jù)糧堆質(zhì)量m即可計算糧堆的初始密度和不同壓力條件下的壓縮密度：

ρ=1 000×m/v，ρ-不同壓力下糧堆壓縮密度（g/L）；v-不同壓力下糧堆的體積（cm3）。

1.3.2 糧食孔隙率測定原理

孔隙率測定儀采用兩個容積均為5 L，且相互可以通過閥門連接的壓力容器A和B，壓力容器A用于壓縮氣體填充，壓力容器B用于測試糧種填裝，記錄兩個壓力容器聯(lián)通前后的氣體壓力數(shù)據(jù) P1、P2[1，3]，自制孔隙率測定儀裝置示意圖（圖 2）。

圖2 自制孔隙率測定儀裝置示意圖Fig.2 The schematic diagram of self-made porosity tester

1.4 實驗方法

（1）檢查儀器是否齊全，將待測試樣品裝入三軸儀橡皮膜，裝滿密封后安裝壓力室，對壓力室進(jìn)行注水，壓力室注水完成后，關(guān)閉排水口和排氣閥。

（2）利用反壓調(diào)節(jié)手輪調(diào)節(jié)壓力室壓力，設(shè)置壓力梯度：0、50、100、150、200、250、300 kPa。并記錄加壓后三軸儀體量測試管的體積變化。

（3）加壓結(jié)束后將反壓調(diào)節(jié)手輪卸載壓力至0 kPa，打開排水口和排氣閥，卸載壓力室，進(jìn)行樣品稱重記錄，用于堆密度計算。

（4）將不同水分樣品進(jìn)行3組重復(fù)測試，計算小麥樣品不同含水率不同壓力下的堆密度。

（5）根據(jù)樣品0 kPa壓力下堆密度計算自制孔隙率測定儀樣品室所需樣品質(zhì)量，將樣品裝滿樣品室，裝好桶蓋進(jìn)行密封，打開閥門向氣壓室充氣，氣壓室內(nèi)氣壓穩(wěn)定后，關(guān)閉閥門，打開氣壓室與樣品室連接閥門，直至氣壓穩(wěn)定，記錄初始及穩(wěn)定時氣壓數(shù)值。

（6）根據(jù)自制孔隙率測定儀測定樣品在0 kPa下的孔隙率及樣品在不同壓力下的堆密度，進(jìn)行樣品在不同壓力下的孔隙率計算。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥的孔隙率值

使用孔隙率測定儀和應(yīng)變控制式三軸儀，測量并計算濟(jì)麥 22、寧麥 13、淮麥 20分別在不同含水率、不同壓力下的孔隙率，結(jié)果如表 3～5所示。

濟(jì)麥 22在含水率 11.40%～17.98%、壓力0～300 Pa時，小麥孔隙率變化范圍是 36.99%～49.73%；寧麥13在含水率11.23%～17.27%、壓力0～300 Pa時，小麥孔隙率的變化范圍是36.73%～48.49%；淮麥20在含水率10.27%～17.38%、壓力0～300 Pa時，小麥孔隙率的變化范圍是40.95%～52.83%。

表3 不同含水率、不同壓力下濟(jì)麥22小麥樣品孔隙率Table 3 The porosity of Jimai 22 wheat with different water content and pressure

表4 不同含水率、不同壓力下寧麥13小麥樣品孔隙率Table 4 The porosity of Ningmai 13 wheat with different water content and pressure

表5 不同水分、不同壓力下淮麥20小麥樣品孔隙率Table 5 The porosity of Huaimai 20 wheat with different water and pressure

2.2 壓力對孔隙率的影響

根據(jù)表3～5可做不同含水率小麥的孔隙率隨壓力變化圖，如圖3～5。

三種小麥的孔隙率隨壓力的變化均成冪函數(shù)關(guān)系，都可擬合成方程：y=kpm，y-樣品孔隙率（%），p-樣品所受壓力（Pa）。壓力與孔隙率的擬合方程系數(shù)如表6～8所示。

圖4 不同含水率寧麥13的孔隙率隨壓力的變化Fig.4 The porosity of different water content of Ningmai 13 under different pressure

圖5 不同含水率淮麥20的孔隙率隨壓力的變化Fig.5 The porosity of different water content of Huaimai 20 under different pressure

表6 濟(jì)麥22壓力與孔隙率的擬合方程系數(shù)Table 6 Coefficient of fitting equation between pressure and porosity of Jimai 22

表8 淮麥20壓力與孔隙率的擬合方程系數(shù)Table 8 Coefficient of fitting equation between pressure and porosity of Huaimai 20

從圖 3～5、表 6～8分析，可以看出在一定水分下，小麥的孔隙率隨壓力的增加而減小，小麥所受壓力與孔隙率成冪函數(shù)關(guān)系。濟(jì)麥22在壓力0～300 Pa下，含水率 11.40%的小麥孔隙率從45.14%下降到 36.99%，含水率 17.98%的小麥孔隙率從 49.73%下降到 39.81%；寧麥 13在壓力0～300 Pa下，含水率 11.23%的小麥孔隙率從44.85%下降到 36.73%，含水率 17.27%的小麥孔隙率從 48.49%下降到 40.42%；淮麥 20在壓力0～300 Pa下，含水率 10.27%的小麥孔隙率從47.98%下降到 40.95%，含水率 17.38%的小麥孔隙率從 52.83%下降到 42.45%。小麥的孔隙率隨壓力的變化幅度是逐漸減小，與程緒鐸[11]的研究結(jié)果類似。程緒鐸對玉米堆進(jìn)行壓縮特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)壓縮密度隨著壓力的增大變化率變小，根據(jù)孔隙率與壓縮密度的關(guān)系，可以推導(dǎo)出孔隙率隨著壓力的增大變化率變小。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因可能是小麥顆粒隨著壓力增加，前期種粒間孔隙空間重排占主導(dǎo)因素，后期種粒內(nèi)孔隙空間重排占主導(dǎo)因素。

2.3 含水率對孔隙率的影響

根據(jù)表3～5可做不同壓力下小麥的孔隙率隨含水率變化圖，如圖6～8。

圖6 不同壓力下濟(jì)麥22的孔隙率隨含水率的變化Fig.6 The porosity of different pressure of Jimai 22 with different water content

圖7 不同壓力下寧麥13的孔隙率隨含水率的變化Fig.7 The porosity of different pressure of Nimai 13 with different water content

圖8 不同壓力下淮麥20的孔隙率隨含水率的變化Fig.8 The porosity of different pressure of Huaimai 20 with different water content

三種小麥的孔隙率隨含水率變化均成二次函數(shù)關(guān)系，都可擬合成方程：z=Ax2+Bx+C，z-樣品孔隙率（%），x-樣品含水率（%）。含水率與孔隙率的擬合方程系數(shù)如表9～11所示。

表9 濟(jì)麥22含水率與孔隙率的擬合方程系數(shù)Table 9 Coefficient of fitting equation between water content and porosity of Jimai 22

表10 寧麥13含水率與孔隙率的擬合方程系數(shù)Table 10 Coefficient of fitting equation between water content and porosity of Nimai 13

表11 淮麥20含水率與孔隙率的擬合方程系數(shù)Table 11 Coefficient of fitting equation between water content and porosity of Huaimai 20

從圖6～8、表9～11分析，可以看出在一定壓力下，小麥的孔隙率隨含水率增加有增加的趨勢。原因可能由于籽粒膨脹導(dǎo)致籽粒體積變大、籽粒間空隙變大，從而孔隙率增加，顆粒尺寸不均勻性也有一定影響。

2.4 品種對孔隙率的影響

實驗選取 3種品種的小麥進(jìn)行孔隙率的測定，研究品種對孔隙率的影響。小麥尺寸在長軸6.275 6～6.514 0 mm、中軸 3.333 1～3.547 0 mm、短軸2.848 9 mm～3.262 3 mm時，孔隙率隨壓力的變化成冪函數(shù)關(guān)系，孔隙率隨水分的變化成二次函數(shù)關(guān)系。可以推測在一定尺寸范圍內(nèi)，品種對孔隙率沒有明顯影響。這與徐倩[3]的研究結(jié)果相同，她認(rèn)為油菜籽的品種對孔隙率無明顯影響。小麥樣品的幾何尺寸、體積與結(jié)構(gòu)對孔隙率應(yīng)該有一定的影響。

3 討論與結(jié)論

小麥的孔隙率隨壓力的增加而減小，成冪函數(shù)關(guān)系，變化幅度逐漸減小。濟(jì)麥 22在壓力 0～300 Pa下，含水率11.40%的小麥孔隙率從45.14%下降到 36.99%，含水率 17.98%的小麥孔隙率從49.73%下降到39.81%；寧麥13在壓力0～300 Pa下，含水率11.23%的小麥孔隙率從44.85%下降到36.73%，含水率 17.27%的小麥孔隙率從 48.49%下降到40.42%；淮麥20在壓力0～300 Pa下，含水率 10.27%的小麥孔隙率從 47.98%下降到40.95%，含水率 17.38%的小麥孔隙率從 52.83%下降到42.45%。

小麥的孔隙率隨水分的增加而增大，成二次函數(shù)關(guān)系；在一定尺寸范圍內(nèi)，小麥的品種對孔隙率無明顯影響；筒倉中的小麥堆結(jié)構(gòu)、應(yīng)力和應(yīng)變復(fù)雜，測量孔隙率的分布是個難題。本文測量的孔隙率在實驗后期，采用合適數(shù)值方法可模擬計算出筒倉中小麥堆孔隙率隨糧層深度的規(guī)律，從而得到筒倉中孔隙率值的分布。