糧層壓力對大豆堆壓實程度的影響

周 星， 王若蘭， 黃亞偉， 祝 溪，李浩杰， 盛 強， 曹志帥

(河南工業大學糧油食品學院1,鄭州 450001) (中儲糧成都儲藏研究院有限公司2，成都 610031)

我國對進口大豆的需求不斷增大，2020年進口大豆首次突破1億t[1]，大豆儲藏規模也不斷擴大。同時，新建糧倉單倉倉容的增加和倉身趨向于高大化，使得糧倉底部大豆受到更大的糧層壓力，也增加了大豆堆的壓實程度。“壓實”一詞最早源于土體，人工壓實后的土體，其密實度、抗剪強度增強，可以滿足土木工程的需要。而土體與大豆籽粒均為散粒體，大豆的入倉和儲藏，可以看作一個緩慢壓實的過程。在糧層壓力的作用下，大豆堆的壓實程度不斷增加，但不同含水量、溫度、破碎率的大豆堆抗壓能力不同，相同糧層壓力下，會造成不同的壓實程度；大豆堆的壓實程度越高，糧堆的壓實系數越大。需引起重視的是，過大的壓實程度會造成大豆開裂破碎、籽粒粘結，造成大豆堆孔隙度減小，通氣性變差，易產生霉變、板結加重等問題，必將對大豆的出倉、機械通風、安全儲藏造成極大的影響。

國內學者對糧食的壓縮特性進行過一系列的研究。有研究使用應變控制式三軸儀，研究了圍壓、含水量對大豆堆體變模量、彈性模量的影響，初步探尋了大豆堆的壓縮特性[2，3]。杜麗[4]使用了固結儀測量了小麥堆的壓縮模量。馮家暢等[5]利用糧食回彈模量儀，研究了圍壓、水分含量對大豆堆壓縮密度與體變模量的關系，并擬合出了含水率和壓縮密度的二次函數模型，但這些實驗均沒有考慮到壓力對大豆堆壓實程度的影響，國外關于壓實程度的研究也鮮有報道。大豆實際儲藏過程中，糧倉內不同位置大豆堆的破碎率、儲糧溫度不盡相同，儲糧環境具有差異性。

巴西大豆是我國主要進口大豆品種之一，其籽粒質地偏軟、耐儲性差，在高糧層壓力下，大豆籽粒易發生形變。本實驗將巴西大豆壓實后質量體積比與壓實前容重的比值，定義為壓實系數，表示大豆堆的壓實程度。實驗利用萬能材料試驗機，模擬不同糧堆高度的糧層壓力，研究溫度、破碎率對大豆堆壓實程度的影響。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

進口巴西大豆，破碎率6.3%，雜質2.89%，含水量10.23%，粗脂肪質量分數22.43%，蛋白質質量分數31.83%。

1.2 儀器與設備

自制承壓模具如圖1所示，模具整體由圓柱筒和

圖1 承壓模具

壓片組成，圓柱筒半徑44.2 mm、高58 mm；GHCS-1000系列谷物電子容重器；HHWS-11-250恒溫恒濕培養箱；ETM系列電子萬能試驗機。

1.3 實驗方法

1.3.1 樣品處理

水分調制：本實驗原始進口巴西大豆含水量為10.85%，結合實際儲藏環境，以及高油大豆質量指標(GB 1352—2009)中含水量≤13.0%的要求，按照式(1)，將大豆水分調制為11.96%、12.93%。

不同破碎率大豆堆的配比：為模擬糧層壓力對不同破碎率大豆堆的影響，挑選出破碎程度大于四分之一的大豆籽粒，與完整大豆籽粒進行配比，配制成0%、5%、15%、25%破碎率的大豆堆，以模擬入倉時自動分級時的不同雜質含量。

不同糧溫大豆堆的配制：稱取(100±0.2)g大豆至于自封袋中，分別放置于15、25、35、45、55 ℃的恒溫恒濕箱中12 h。為使大豆溫度均勻，將自封袋平鋪放置于恒溫恒濕箱中，禁止堆疊放置。

(1)

式中：m水為添加蒸餾水的質量/kg；m豆為所需調制大豆的質量/kg；m目標為調制后大豆的目標含水量/%；m實際為調制前大豆的實際含水量/%。

1.3.2 大豆堆壓實

預壓實：取(100±0.2)g大豆至于承壓容器中，晃動容器使大豆堆均勻鋪開，蓋上壓片，輕微拍打容器壁，使大豆堆初步壓實，減少后續實驗誤差。

模擬糧層壓力：馮家暢等[5]通過Jassen方程，估算出密度為700 kg/m3，30 m高的大豆筒倉，倉底垂直壓力約為260 kPa。本實驗使用萬能試驗機模擬大豆堆壓實程度的變化，實驗中最高加壓為300 kpa。采用力加載模式，在容器頂部分別施加50、100、150、200、250、300 kPa的模擬壓力，加載完成后，壓力保持300 s，記錄糧面的沉降量。

承壓容器的預熱、預冷：實驗過程中，當糧溫與室溫溫差在±3 ℃以上時，需將承壓容器預熱或預冷至糧溫，減小實驗過程中糧溫變化，減少溫度對實驗結果的影響。

1.3.3 壓實系數的計算

大豆堆的壓實程度用壓實系數表示，見式(2)。

(2)

式中：k為壓實系數；ρ后為大豆堆壓實后質量體積之比/g/L，由式(3)計算得出；γ前為大豆堆壓實前的容重/g/L，由容重器測得。

(3)

式中：m為大豆堆的質量/g；V為壓實后大豆堆的體積/L。

2 結果與分析

2.1 不同破碎率對大豆堆容重的影響

破碎率含量影響大豆堆的容重大小，如圖2隨著大豆堆破碎率含量增加，大豆堆容重呈線性上升趨勢。含水量11.96%大豆堆容重從674 g/L增加到了693 g/L；含水量12.93%大豆堆容重從657 g/L增加到了681 g/L；高水分大豆堆容重低于低水分大豆堆容重。

含水量12.93%大豆堆，各破碎率之間容重具有顯著性差異(P<0.05)；但含水量為11.96%時，20%破碎率與25%破碎率容重并無顯著性差異(P>0.05)，這可能與大豆堆的孔隙度變化有關。Kenghe等[6]研究了含水量對大豆堆孔隙度的影響，發現大豆處于低含水量時(11.96%、12.93%均屬低含水量)，隨著含水量的增加，大豆堆的孔隙度呈上升趨勢；含水量12.93%大豆堆的孔隙度高于11.96%水分含量大豆堆的孔隙度。低水分含量大豆處于高破碎率時，大豆堆的孔隙接近飽和，因此造成20%與25%破碎率的容重無顯著性差異。

圖2 不同破碎率對大豆堆容重的影響

表1為不同水分含量，破碎率與容重的線性擬合方程。擬合方程(4)的斜率大于擬合方程(3)，表明隨著破碎率含量的增加，高水分大豆堆容重的增長速率更快，且R2均大于0.98，說明破碎率與容重的相關性非常高。

2.2 加載速度對壓實系數的影響

研究發現力的加載速度影響大豆堆的壓實程度。在糧溫25 ℃時，測定不同力加載速度(10、50、100、150 N/s)，加載至200 kPa模擬糧層壓力，維持300 s后的壓實系數值。圖3為10 N/s的力加載速度下，承載壓力與壓實系數的變化曲線圖，承載壓力的變化曲線如圖3ABC段所示：從A點開始，容器頂部以10 N/s的加載速度施加壓力，于B點達到200 kPa的模擬糧層壓力，維持300 s后(C點)結束實驗。壓實系數的變化曲線如圖1DEF段所示：伴隨著AB段糧層壓力的升高，DE段壓實系數值穩步提升；EF段，在200 kPa的模擬糧層壓力下，壓實系數值緩慢升高，最終在F點處趨于平穩，達到實驗的最終壓實系數值。對比各加載速度下的壓實系數曲線可以發現，壓實系數的變化規律主要和加載到的壓力值有關。

圖3 10 N/s力加載速度下壓實系數變化曲線

程緒鐸等[7]利用質構儀，使用位移加載的方式壓縮大豆籽粒，發現加載速度越快，大豆籽粒的最大載荷與最大破壞能越大，與本實驗結果相符。低加載速度下，大豆堆的抗壓縮能力減弱，壓實程度增加。表2為不同力加載速度下的壓實系數值，結果表明，在10 N /s加載速度下，大豆堆壓實系數最大，壓實程度最高。

表2 不同力加載速度下大豆堆的壓實系數

但10、50、100 N/s加載速度下的壓實系并無顯著性差異(P>0.05)。這是因為實驗室模擬的力加載速度，遠大于實際大豆入倉過程中的力加載速度。一個倉容10 000 t、半徑15 m的淺圓倉，當入倉流程單線設計產量800 t/h時，按滿載荷運輸，空倉入滿倉至少需要12.5 h，按實驗模具口徑估算，約為0.019 2N/s的力加載速度。實驗過程中，無法模擬出這種極緩慢的力加載速度。后續研究，將采用最低的力加載速度10 N/s，對大豆堆進行壓實。

2.3 大豆堆溫度對壓實系數的影響

大豆是易發熱糧種，在儲量龐大的淺圓倉中，大豆發熱具有升溫快、升溫高的特點。現代化糧倉中布設有測溫電纜，實時監控糧溫，但測溫電纜存在檢測盲點，大豆依舊可能出現局部高溫發熱的現象。胡志薈等[8]預埋高水分大豆，模擬糧堆發熱情況，實驗中糧堆最高溫度達52.1 ℃。因此，本實驗將大豆溫度設定為：15、25、35、45、55 ℃，模擬糧層壓力對不同糧溫大豆壓實程度的影響。

如圖4所示，隨著壓力的增加大豆堆的壓實數呈線性上升趨勢；壓強與壓實系數的線性擬合方程如表3，R2均大于0.99，說明壓強與壓實系數的相關性非常高。儲糧溫度對大豆的壓實系數具有顯著性影響(P<0.05)，隨著大豆溫度的升高，糧堆壓實系數顯著升高；實際儲藏過程中，隨著糧層壓力的增大，大豆籽粒的變形由彈性形變轉變為塑性形變，糧溫升高，使得大豆籽粒的硬度下降，在糧層壓力的作用下，大豆籽粒塑性形變更加嚴重，導致糧堆整體抗壓縮能力減弱，壓實系數升高。對比(表3)各擬合方程的斜率，當糧溫高于35 ℃后，隨著壓強的增加，大豆堆的承壓能力明顯減弱，壓實系數迅速升高。有研究發現，水分含量對大豆籽粒的力學特性具有顯著性影響，隨著大豆籽粒水分含量的增加，大豆的最大壓縮力和彈性模量呈減小趨勢[9]。因此，在相同儲糧溫度下，含水量12.93%大豆堆的壓實系數(圖4b)，大于含水量11.96%大豆堆的壓實系數(圖4a)。

圖4 大豆溫度對壓實系數的影響

實際儲糧環境中，大豆籽粒自然堆積在糧倉中，籽粒與籽粒之間以各種姿態接觸擠壓；但大豆籽粒各個方向上的承壓能力不同[7]，在糧層壓力的作用下，某一方向達到大豆的承壓極限時，大豆籽粒開始開裂破碎。在300 kPa、55 ℃的條件下，12.93%的大豆堆壓實系數達到了1.398，大豆籽粒嚴重變形開裂。因此，在大豆的儲藏工作中，應盡量避免大豆升溫、吸濕，保證大豆的安全儲藏。

表3 不同水分、溫度下壓強與壓實系數的線性擬合方程

2.4 破碎率對壓實系數的影響

巴西大豆破碎率一般為5%～8%之間。由于大豆入倉時存在自動分級的現象，中心雜質聚集區域大豆破碎率顯著升高。因此研究不同破碎率對壓實系數的影響具有實際意義。圖5為200 kPa壓力下，不同破碎率對糧堆壓實系數的影響；在含水量12.93%下，破碎為5%、15%、25%大豆堆的壓實系數無顯著性差異(P>0.05);在含水量11.96%下，破碎率為15%、25%大豆堆的壓實系數無顯著性差異(P>0.05)。隨著大豆堆破碎籽粒增加，大豆堆的孔隙接近飽和；因此，高破碎率大豆堆壓實后，其壓實系數值無顯著性變化。整體上看，隨著大豆堆破碎率含量增加，大豆堆的抗壓縮能力呈增強趨勢。王穎等[10]建立了筒倉大豆籽粒堆放模型，將大豆籽粒假設為等尺寸的小球，得到半徑15 m大豆筒倉的安全堆高高度為19.3 ～ 40.2 m；實際儲藏環境中，大豆籽粒粒徑大小不一，破碎粒、小粒徑大豆會穿插在大豆堆中，使得大豆堆的孔隙度減小，整體抗壓縮能力增強；因此，大豆筒倉的安全堆高高度應高于實驗室模擬值。

隨著破碎率含量的增加，大豆堆容重增大、孔隙度小，壓實后，大豆堆的孔隙進一步被壓縮。糧堆孔隙度過小會造成諸如：機械通風糧層阻力增大，需要配置高壓風機，不利于降溫保水；濕熱擴散困難，易造成糧堆發熱等一些列不利于糧食安全儲藏的現象。因此，在大豆的收購入倉、儲藏過程中，應盡量保持高的完整粒率，減少大豆堆的破碎粒含量，保證大豆的安全儲藏。

圖5 破碎率對壓實系數的影響

3 結論

進口巴西大豆，在0%～25%破碎率范圍內，隨著破碎率含量增加，大豆堆容重呈線性上升趨勢，11.96%大豆堆容重從674 g/L增加到了693 g/L；12.93%含水量大豆堆容重從657 g/L增加到了681 g/L。且高水分大豆容重增加速率大于低水分大豆。

大豆堆的溫度和含水量對大豆堆的壓實系數均有顯著性影響(P<0.05)。隨著糧溫、含水量的增加，大豆籽粒的硬度減小，大豆堆整體的抗壓縮能力減弱，在高糧層壓力的作用下，壓實程度增加，導致壓實系數增大。在15～55 ℃溫度范圍內，隨著施加壓力的升高，壓實系數呈線性趨勢增加。各糧層壓力下，高水分大豆堆的壓實系數均大于低水分大豆堆的壓實系數。隨著大豆堆破碎率含量增加，大豆堆的抗壓縮能力增強，壓實系數呈減小趨勢。

在大豆安全儲藏過程中，應實時監控糧溫，當糧溫高于35 ℃時，大豆堆抗壓縮能力急劇減弱，應盡快通風，降低糧溫；低水分含量有助于提升大豆堆的抗壓縮 能力，機械通風時，應時刻關注倉底部大豆的水分含量，防止大豆吸濕，造成倉底大豆堆壓實系數升高；高破碎率大豆壓實后，大豆堆孔隙度進一步減小，會造成一系列不利于安全儲糧的現象。因此，針對大豆的安全儲藏，應控制大豆堆的溫度、水分含量、破碎粒率，保證大豆的安全儲藏。