黃金百香果藤蔓力學(xué)性能參數(shù)的測(cè)定

李俊平,賀 平,王 悅,張德暉,2,鄭文鑫,2,何金成,2

(1.福建農(nóng)林大學(xué),福州 350002;2.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備福建省高校工程研究中心(福建農(nóng)林大學(xué)),福州 350002)

0 引言

百香果是西番蓮科西番蓮屬的多年生常綠藤本植物,其果實(shí)不僅含有多種生物活性物質(zhì),具有極高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值,而且其果藤比花生秧和地瓜秧更容易被動(dòng)物消化吸收,飼用價(jià)值也更高[1-2]。福建省發(fā)布的《2017省種植業(yè)工作要點(diǎn)》中提出,要把百香果培育成為福建省的特色新產(chǎn)業(yè)[3]。隨著百香果種植規(guī)模的增大,其藤蔓也隨之增多,目前的處理方式多為直接堆肥還田,但其不易腐爛,容易再次發(fā)芽,影響了其它作物的種植及生長(zhǎng);藤蔓或者被隨意廢棄、焚燒處理,不僅浪費(fèi)生物資源,而且對(duì)環(huán)境造成污染。國(guó)家已明文規(guī)定禁止焚燒秸稈等農(nóng)作物廢棄物,因此農(nóng)作物秸稈、藤蔓等廢棄物作為生物資源的利用也日益受到重視[4-6]。近年來,國(guó)內(nèi)也有了關(guān)于秸稈、藤蔓的力學(xué)性能的研究。王傳貴研究結(jié)果表明:黃藤與單葉省藤自基部向上的抗彎、抗壓彈性模量及強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)[7]。張西良研究結(jié)果表明:黃瓜藤秸稈根部平均彈性模量遠(yuǎn)大于中部和頭部的平均彈性模量[8]。辛青青對(duì)馬鈴薯秧進(jìn)行了剪切、拉伸、壓縮和彎曲試驗(yàn),得到馬鈴薯秧的力學(xué)性能參數(shù)[9]。劉崇林對(duì)馬鈴薯秧最大切斷力與拉斷力進(jìn)行了分析[10]。鄭文秀指出:甘薯秧蔓的拉伸彈性模量與壓縮彈性模量存在顯著差異,甘薯秧為各向異性材料[11]。薛夏對(duì)高地鉤葉藤做了研究,發(fā)現(xiàn)其藤蔓的橫紋斷裂韌性比順紋斷裂韌性大得多[12]。不同農(nóng)作物秸稈、藤蔓的力學(xué)性能差別較大,對(duì)其處理加工設(shè)備的關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)有較大影響。據(jù)筆者查閱資料,國(guó)內(nèi)還沒有報(bào)道百香果藤蔓相關(guān)的物理力學(xué)性能參數(shù)。百香果藤蔓具有藤蔓長(zhǎng)易纏繞、韌性大及難以切割等特點(diǎn),故對(duì)百香果藤蔓的密度、含水率、壓縮、彎曲、剪切等主要物理力學(xué)性能進(jìn)行研究,旨在為百香果藤蔓加工處理設(shè)備的關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與開發(fā)提供一定的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料采集與制作

試驗(yàn)用百香果藤蔓采集自福建省龍巖市武平縣,品種為黃金百香果-精密味,采集時(shí)間為2021年11月25日。黃金百香果的藤蔓示意圖如圖1所示。由圖1可看出:由大主藤分支出多條小主藤,小主藤再分多條支出支藤,支藤再次分支,本次研究對(duì)象為大主藤、小主藤、支藤等3級(jí)藤蔓。采用五點(diǎn)取樣法選取生長(zhǎng)良好、表皮無破損的藤蔓,在距其分支點(diǎn)10mm處分別截取大主藤、小主藤、支藤作為試樣,壓縮試樣長(zhǎng)度為30mm,彎曲試樣長(zhǎng)度為100mm,切試樣長(zhǎng)度為100mm。

圖1 藤蔓示意圖Fig.1 Schematic of gold passion fruit vine

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

采用的設(shè)備及器具包括:G-Xplus立式電子萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)(見圖2),DHG-9140A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(見圖3),電子游標(biāo)卡尺,卷尺,直尺,JJ124BF電子天平(精度0.1mg,見圖4),量筒以及膠頭滴管等。

圖3 干燥箱Fig.3 Drying oven

圖4 電子天平Fig.4 Electronic balance

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1百香果藤蔓直徑和長(zhǎng)度測(cè)定

利用游標(biāo)卡分別對(duì)主藤、小主藤、支藤的直徑進(jìn)行測(cè)量,利用卷尺測(cè)量拉直后藤條首尾長(zhǎng)度,測(cè)量3次后取其平均值。

1.3.2百香果藤蔓含水率測(cè)定

根據(jù)GB/T 1931-2009《木材含水率測(cè)定方法》,對(duì)百香果藤蔓進(jìn)行含水率測(cè)定[13]。含水率的計(jì)算公式為

(1)

式中W—百香果藤蔓含水率(%);

m1—百香果藤蔓干燥前質(zhì)量(g);

m0—百香果藤蔓干燥后質(zhì)量(g)。

1.3.3百香果藤蔓密度測(cè)定

采用排水法對(duì)百香果藤蔓密度進(jìn)行測(cè)量。首先,測(cè)量并記錄試樣的質(zhì)量,大量筒盛水,在快滿時(shí)用膠頭滴管滴至水面與出水口齊平;然后,用鋼針把1個(gè)試樣壓入大量筒水中,并用小量筒接住出水口溢出來的水,直至出水口不再滴水;最后,讀取小量筒所盛水體積并記錄。密度計(jì)算公式為

(2)

式中m—百香果藤蔓試樣質(zhì)量(g);

v—百香果藤蔓試樣體積(cm3)。

1.3.4百香果藤蔓壓縮試驗(yàn)

壓縮試驗(yàn)分為軸向和徑向壓縮試驗(yàn),按照GB/T 1935-2009 木材順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法進(jìn)行[14]。將藤蔓試樣豎置在萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)圓盤支座上(見圖5),通過平板壓頭對(duì)藤蔓試樣施加載荷,加載速度為10mm/min;由萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)記錄下數(shù)據(jù)并生成載荷-位移圖,其抗壓強(qiáng)度和彈性模量由式(3)～式(5)計(jì)算得到;改變?cè)嚇又貜?fù)12次試驗(yàn),壓縮破壞后試樣如圖6所示。

圖5 壓縮試驗(yàn)圖Fig.5 Compression test pic

圖6 壓縮破壞后試樣圖Fig.6 Specimen after compression failure pic

(3)

式中σ1—軸向抗壓強(qiáng)度(MPa);

F—最大壓縮力(N);

D—藤蔓試樣外徑(mm);

d—藤蔓內(nèi)徑(mm)。

(4)

式中σ—徑向抗壓強(qiáng)度(MPa);

CD—藤蔓試樣長(zhǎng)度(mm)。

(5)

式中E—壓縮彈性模量(MPa);

ε—應(yīng)變。

1.3.5百香果藤蔓彎曲試驗(yàn)

三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)借鑒《GBT 1936.1-2009 木材抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)方法》進(jìn)行[15]。將藤蔓試樣橫置于萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)的三點(diǎn)抗彎支撐輔具上(見圖7),兩支撐輔具間的距離為40mm,通過抗彎壓頭對(duì)藤蔓試樣施加載荷,加載速度為15mm/min。由萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)并生成載荷-位移圖,其抗彎強(qiáng)度由式(6)計(jì)算得到。更換試樣重復(fù)12次試驗(yàn),彎曲破壞后試樣如圖8所示。

圖7 彎曲試驗(yàn)圖Fig.7 Bending test pic

圖8 彎曲破壞后試樣圖Fig.8 Pic of specimen after bending failure

(6)

式中F—最大彎曲力(N);

l—兩支撐夾具間距離(mm);

D—藤蔓試樣直徑(mm)。

α—藤蔓內(nèi)徑與外徑比值。

1.3.6百香果藤蔓剪切試驗(yàn)

抗剪試驗(yàn)借鑒國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 1937-2009木材順紋抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)方法》進(jìn)行[16]。采用萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn),將藤蔓試樣橫置在抗剪試驗(yàn)夾具上(見圖9),通過抗剪試驗(yàn)刀具對(duì)藤蔓試樣施加載荷,加載速度為15mm/min。由萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)并生成載荷-位移圖,其抗剪強(qiáng)度由式(7)計(jì)算得到;改變?cè)嚇又貜?fù)12次試驗(yàn),剪切破壞后試樣如圖10所示。

圖9 剪切試驗(yàn)圖Fig.9 Shear test pic

圖10 剪切破壞后試樣圖Fig.10 Pic of sample after shear failure

(7)

式中F—最大剪切力(N);

A—藤蔓試樣的有效橫截面積(m2)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 百香果藤蔓直徑和長(zhǎng)度

藤條樣本數(shù)為大主藤10根、小主藤26根、支藤400根,大主藤、小主藤、支藤的直徑分布如圖11所示,長(zhǎng)度分布如圖12所示。

由圖11可知:藤蔓直徑主要集中在3.0～4.5mm,分布在3.5～4.0mm最多;0<支藤直徑<6mm,6mm<小主藤直徑<9mm,9mm<大主藤直徑。百香果藤蔓主要集中在3.5～4.5mm,這是因?yàn)榘傧愎谏L(zhǎng)過程中是由1根大主藤開始分支出小主藤,之后分別長(zhǎng)出支藤纏繞在搭好的支架上,由支藤開花結(jié)果,故支藤出現(xiàn)頻率最高。由圖12可知:藤蔓長(zhǎng)度主要集中在400～1200mm,分布在600～800mm頻率最高。百香果藤蔓長(zhǎng)度波動(dòng)較大,原因是主藤藤條較長(zhǎng)且農(nóng)戶在清理時(shí)不容易扯斷,支藤多且容易扯斷。

2.2 百香果藤蔓含水率

百香果藤蔓在烘干箱103℃干燥條件下,干燥10h左右后質(zhì)量恒定,最終測(cè)得其平均含水率如表1所示。

由表1可知:各藤含水率為大主藤>小主藤>支藤,與國(guó)內(nèi)學(xué)者于勇和郭茜分別對(duì)玉米和茄子藤秸的研究結(jié)果類似;支藤秸稈的底部到頂部,含水率逐漸下降[17-18]。百香果藤蔓各部位水分分布不同,原因可能是水分由土壤供給,越往上水分供給得越少;同時(shí),底部藤蔓的組織結(jié)構(gòu)致密,鎖水性越好,頂部藤蔓的葉片比底部多,由于蒸騰作用也導(dǎo)致水分減少。

2.3 百香果藤蔓密度

百香果藤蔓密度測(cè)定結(jié)果如表2所示。

表2 各類藤莖密度表Table 2 Stem density of various kinds of rattan g/cm3

由表2可知:大主藤密度最大,其次是小主藤,最后為支藤。主要原因是藤蔓各部分木質(zhì)化程度不一,越靠近根部木質(zhì)化程度越大,木質(zhì)素含量越高。

2.4 百香果藤蔓壓縮試驗(yàn)

軸向壓縮和徑向壓縮試驗(yàn)結(jié)果如表3、表4所示,部分載荷-位移曲線如圖13所示。

表3 軸向壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Axial compression test data

由圖13可知:試樣一開始為彈性變形,載荷-位移呈線性關(guān)系;隨著壓縮的不斷進(jìn)行,試樣進(jìn)入塑性變形階段;載荷達(dá)到峰值后,化學(xué)鍵徹底被破壞而新的化學(xué)鍵形成,進(jìn)入了永久變形階段,表皮組織開始出現(xiàn)破裂,繼而里層的纖維組織出現(xiàn)斷裂。軸向壓縮載荷波動(dòng)較大,是因?yàn)楫?dāng)藤蔓表皮出現(xiàn)彎折和破裂后其本身又具有較大韌性。徑向壓縮時(shí)載荷一開始上漲緩慢,在輕微波動(dòng)后又快速上漲,是因?yàn)榘傧愎俾麅?nèi)部為空心結(jié)構(gòu),隨著載荷增加內(nèi)外層被壓實(shí)接觸,強(qiáng)度進(jìn)一步增加。

由表3可知:藤蔓的軸向抗壓強(qiáng)度有明顯差異,從支藤到大主藤抗壓強(qiáng)度增大。由表4可知:大主藤的徑向抗壓強(qiáng)度均明顯高于小主藤和支藤,從小主藤到大主藤抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率較大。對(duì)比軸向壓縮和徑向壓縮,可以看出:軸向壓縮試驗(yàn)中,大主藤抗壓強(qiáng)度和彈性模量分別是徑向的1.94倍和1.87倍,小主藤抗壓強(qiáng)度和彈性模量是徑向的3倍和2.97倍,支藤抗壓強(qiáng)度和彈性模量是徑向的3.86倍和4.83倍,可知軸向比徑向更耐壓。大主藤、小主藤、支藤在軸向壓縮中力學(xué)參數(shù)的變異系數(shù)均大于徑向壓縮,是由于藤蔓是各向異性材料,軸向和徑向均表現(xiàn)出不同的力學(xué)參數(shù)。

2.5 百香果藤蔓彎曲試驗(yàn)

三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示,部分載荷-位移曲線如圖14所示。

圖14 彎曲載荷-位移曲線圖Fig.14 Bending load - displacement curve

由圖14可知:試驗(yàn)一開始為彈性變形階段,載荷-位移呈線性關(guān)系;隨著彎曲的不斷進(jìn)行,試樣進(jìn)入塑性變形階段;載荷達(dá)到峰值后,載荷迅速下降,試樣表皮出現(xiàn)破裂繼而里層的纖維組織出現(xiàn)斷裂,三點(diǎn)彎曲過程結(jié)束。

由表5可知:大主藤和小主藤的抗彎強(qiáng)度均明顯高于支藤,從支藤到小主藤抗彎強(qiáng)度增長(zhǎng)率較大,從小主藤到大主藤有所放緩。這是由于支藤相對(duì)于大主藤、小主藤內(nèi)部的空心部分較大。

2.6 百香果藤蔓剪切試驗(yàn)

剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表6所示,部分載荷-位移曲線如圖15所示。

表6 剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)表Table 6 Shear test data table

圖15 剪切試驗(yàn)載荷-位移圖Fig.15 Shear load - displacement curve

由圖15可知:載荷出現(xiàn)上下波動(dòng)。一是由于試樣具有較大的韌性,當(dāng)?shù)毒叽唐票砥ず蟊砥そM織未能完全斷開;二是因?yàn)樵嚇又胁繛榭招慕Y(jié)構(gòu),隨著載荷增加,空心被壓成實(shí)體前的一瞬間載荷會(huì)有回落現(xiàn)象,完全被壓成實(shí)體后就需要更大的載荷,直至試樣徹底斷開。

由表6可知:大主藤、小主藤、支藤的抗剪切強(qiáng)度沒有明顯區(qū)別。

2.7 支藤的強(qiáng)度與含水率、密度的關(guān)系

由于支藤的數(shù)量占比最大,因此研究支藤?gòu)?qiáng)度與含水率、密度的關(guān)系。支藤的軸向、徑向抗壓強(qiáng)度與含水率、密度分別呈負(fù)相關(guān)、正相關(guān)的關(guān)系,均有較高的擬合度,如圖16所示。

圖16 壓縮試驗(yàn)強(qiáng)度與含水率、密度關(guān)系Fig.16 Relationship between compression test strength and moisture content and density

支藤的抗彎強(qiáng)度與含水率成負(fù)相關(guān),與密度成正相關(guān),均有較高的擬合度,如圖17所示。支藤的抗剪強(qiáng)度與含水率成負(fù)相關(guān),與密度成正相關(guān),均有較高的擬合度,如圖18所示。

圖17 彎曲試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度與含水率、密度關(guān)系Fig.17 Relationship between compressive strength and moisture content and density in bending test

圖18 剪切試驗(yàn)強(qiáng)度與含水率、密度關(guān)系Fig.18 Relationship between shear test strength and moisture content and density

由17圖和圖18可知:含水率和密度對(duì)百香果藤蔓的抗壓、抗彎、抗剪性能產(chǎn)生較大的影響:水分作為增塑劑,進(jìn)入細(xì)胞壁后把原有的氫鍵破壞,與游離羥基形成新的氫鍵,鍵能降低則更容易發(fā)生斷裂和滑移,且在內(nèi)部形成納米滴液使得空隙增大[19-20],導(dǎo)致藤蔓的抗壓、抗彎、抗剪強(qiáng)度隨著含水率的增大而減小;密度越高,木質(zhì)化程度也越高[21],使得百香果藤蔓的抗壓、抗彎、抗剪強(qiáng)度也增大。

3 結(jié)論

1)黃金百香果收獲期剛過后藤蔓直徑主要集中在3～4.5mm,長(zhǎng)度集中在400～1200mm。

2)大主藤、小主藤、支藤的平均含水率依次為64.35%、62.07%、60.62%;平均密度依次為0.8306、0.7147、0.6906g·cm-3。

3)大主藤、小主藤、支藤軸向抗壓強(qiáng)度依次為4.24、3.51、2.67MPa,彈性模量依次為36.48、30.84、20.83MPa;徑向抗壓強(qiáng)度依次為2.18、1.17、0.69MPa,彈性模量依次為19.44、10.35、4.31MPa,彎曲強(qiáng)度依次為13.37、11.23、7.46MPa,剪切強(qiáng)度依次為2.18、10.35、4.31MPa。由于軸向各向異性比徑向顯著,因此在設(shè)計(jì)粉碎刀具時(shí)首先考慮徑向破壞。

4)支藤抗壓強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度均與含水率呈負(fù)相關(guān),與密度呈正相關(guān)。