黄金百香果藤蔓力学性能参数的测定

李俊平,贺 平,王 悦,张德晖,2,郑文鑫,2,何金成,2

(1.福建农林大学,福州 350002;2.现代农业装备福建省高校工程研究中心(福建农林大学),福州 350002)

0 引言

百香果是西番莲科西番莲属的多年生常绿藤本植物,其果实不仅含有多种生物活性物质,具有极高的营养价值和经济价值,而且其果藤比花生秧和地瓜秧更容易被动物消化吸收,饲用价值也更高[1-2]。福建省发布的《2017省种植业工作要点》中提出,要把百香果培育成为福建省的特色新产业[3]。随着百香果种植规模的增大,其藤蔓也随之增多,目前的处理方式多为直接堆肥还田,但其不易腐烂,容易再次发芽,影响了其它作物的种植及生长;藤蔓或者被随意废弃、焚烧处理,不仅浪费生物资源,而且对环境造成污染。国家已明文规定禁止焚烧秸秆等农作物废弃物,因此农作物秸秆、藤蔓等废弃物作为生物资源的利用也日益受到重视[4-6]。近年来,国内也有了关于秸秆、藤蔓的力学性能的研究。王传贵研究结果表明:黄藤与单叶省藤自基部向上的抗弯、抗压弹性模量及强度呈下降趋势[7]。张西良研究结果表明:黄瓜藤秸秆根部平均弹性模量远大于中部和头部的平均弹性模量[8]。辛青青对马铃薯秧进行了剪切、拉伸、压缩和弯曲试验,得到马铃薯秧的力学性能参数[9]。刘崇林对马铃薯秧最大切断力与拉断力进行了分析[10]。郑文秀指出:甘薯秧蔓的拉伸弹性模量与压缩弹性模量存在显著差异,甘薯秧为各向异性材料[11]。薛夏对高地钩叶藤做了研究,发现其藤蔓的横纹断裂韧性比顺纹断裂韧性大得多[12]。不同农作物秸秆、藤蔓的力学性能差别较大,对其处理加工设备的关键部件的设计有较大影响。据笔者查阅资料,国内还没有报道百香果藤蔓相关的物理力学性能参数。百香果藤蔓具有藤蔓长易缠绕、韧性大及难以切割等特点,故对百香果藤蔓的密度、含水率、压缩、弯曲、剪切等主要物理力学性能进行研究,旨在为百香果藤蔓加工处理设备的关键部件设计与开发提供一定的理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料采集与制作

试验用百香果藤蔓采集自福建省龙岩市武平县,品种为黄金百香果-精密味,采集时间为2021年11月25日。黄金百香果的藤蔓示意图如图1所示。由图1可看出:由大主藤分支出多条小主藤,小主藤再分多条支出支藤,支藤再次分支,本次研究对象为大主藤、小主藤、支藤等3级藤蔓。采用五点取样法选取生长良好、表皮无破损的藤蔓,在距其分支点10mm处分别截取大主藤、小主藤、支藤作为试样,压缩试样长度为30mm,弯曲试样长度为100mm,切试样长度为100mm。

图1 藤蔓示意图Fig.1 Schematic of gold passion fruit vine

1.2 试验设备

采用的设备及器具包括:G-Xplus立式电子万能力学试验机(见图2),DHG-9140A电热恒温鼓风干燥箱(见图3),电子游标卡尺,卷尺,直尺,JJ124BF电子天平(精度0.1mg,见图4),量筒以及胶头滴管等。

图3 干燥箱Fig.3 Drying oven

图4 电子天平Fig.4 Electronic balance

1.3 试验方法

1.3.1百香果藤蔓直径和长度测定

利用游标卡分别对主藤、小主藤、支藤的直径进行测量,利用卷尺测量拉直后藤条首尾长度,测量3次后取其平均值。

1.3.2百香果藤蔓含水率测定

根据GB/T 1931-2009《木材含水率测定方法》,对百香果藤蔓进行含水率测定[13]。含水率的计算公式为

(1)

式中W—百香果藤蔓含水率(%);

m1—百香果藤蔓干燥前质量(g);

m0—百香果藤蔓干燥后质量(g)。

1.3.3百香果藤蔓密度测定

采用排水法对百香果藤蔓密度进行测量。首先,测量并记录试样的质量,大量筒盛水,在快满时用胶头滴管滴至水面与出水口齐平;然后,用钢针把1个试样压入大量筒水中,并用小量筒接住出水口溢出来的水,直至出水口不再滴水;最后,读取小量筒所盛水体积并记录。密度计算公式为

(2)

式中m—百香果藤蔓试样质量(g);

v—百香果藤蔓试样体积(cm3)。

1.3.4百香果藤蔓压缩试验

压缩试验分为轴向和径向压缩试验,按照GB/T 1935-2009 木材顺纹抗压强度试验方法进行[14]。将藤蔓试样竖置在万能力学试验机圆盘支座上(见图5),通过平板压头对藤蔓试样施加载荷,加载速度为10mm/min;由万能力学试验机的数据处理系统记录下数据并生成载荷-位移图,其抗压强度和弹性模量由式(3)～式(5)计算得到;改变试样重复12次试验,压缩破坏后试样如图6所示。

图5 压缩试验图Fig.5 Compression test pic

图6 压缩破坏后试样图Fig.6 Specimen after compression failure pic

(3)

式中σ1—轴向抗压强度(MPa);

F—最大压缩力(N);

D—藤蔓试样外径(mm);

d—藤蔓内径(mm)。

(4)

式中σ—径向抗压强度(MPa);

CD—藤蔓试样长度(mm)。

(5)

式中E—压缩弹性模量(MPa);

ε—应变。

1.3.5百香果藤蔓弯曲试验

三点弯曲试验借鉴《GBT 1936.1-2009 木材抗弯强度试验方法》进行[15]。将藤蔓试样横置于万能力学试验机的三点抗弯支撑辅具上(见图7),两支撑辅具间的距离为40mm,通过抗弯压头对藤蔓试样施加载荷,加载速度为15mm/min。由万能力学试验机的数据处理系统记录数据并生成载荷-位移图,其抗弯强度由式(6)计算得到。更换试样重复12次试验,弯曲破坏后试样如图8所示。

图7 弯曲试验图Fig.7 Bending test pic

图8 弯曲破坏后试样图Fig.8 Pic of specimen after bending failure

(6)

式中F—最大弯曲力(N);

l—两支撑夹具间距离(mm);

D—藤蔓试样直径(mm)。

α—藤蔓内径与外径比值。

1.3.6百香果藤蔓剪切试验

抗剪试验借鉴国家标准《GB/T 1937-2009木材顺纹抗剪强度试验方法》进行[16]。采用万能力学试验机进行试验,将藤蔓试样横置在抗剪试验夹具上(见图9),通过抗剪试验刀具对藤蔓试样施加载荷,加载速度为15mm/min。由万能力学试验机的数据处理系统记录数据并生成载荷-位移图,其抗剪强度由式(7)计算得到;改变试样重复12次试验,剪切破坏后试样如图10所示。

图9 剪切试验图Fig.9 Shear test pic

图10 剪切破坏后试样图Fig.10 Pic of sample after shear failure

(7)

式中F—最大剪切力(N);

A—藤蔓试样的有效横截面积(m2)。

2 试验结果与分析

2.1 百香果藤蔓直径和长度

藤条样本数为大主藤10根、小主藤26根、支藤400根,大主藤、小主藤、支藤的直径分布如图11所示,长度分布如图12所示。

由图11可知:藤蔓直径主要集中在3.0～4.5mm,分布在3.5～4.0mm最多;0<支藤直径<6mm,6mm<小主藤直径<9mm,9mm<大主藤直径。百香果藤蔓主要集中在3.5～4.5mm,这是因为百香果在生长过程中是由1根大主藤开始分支出小主藤,之后分别长出支藤缠绕在搭好的支架上,由支藤开花结果,故支藤出现频率最高。由图12可知:藤蔓长度主要集中在400～1200mm,分布在600～800mm频率最高。百香果藤蔓长度波动较大,原因是主藤藤条较长且农户在清理时不容易扯断,支藤多且容易扯断。

2.2 百香果藤蔓含水率

百香果藤蔓在烘干箱103℃干燥条件下,干燥10h左右后质量恒定,最终测得其平均含水率如表1所示。

由表1可知:各藤含水率为大主藤>小主藤>支藤,与国内学者于勇和郭茜分别对玉米和茄子藤秸的研究结果类似;支藤秸秆的底部到顶部,含水率逐渐下降[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给,越往上水分供给得越少;同时,底部藤蔓的组织结构致密,锁水性越好,顶部藤蔓的叶片比底部多,由于蒸腾作用也导致水分减少。

2.3 百香果藤蔓密度

百香果藤蔓密度测定结果如表2所示。

表2 各类藤茎密度表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,最后为支藤。主要原因是藤蔓各部分木质化程度不一,越靠近根部木质化程度越大,木质素含量越高。

2.4 百香果藤蔓压缩试验

轴向压缩和径向压缩试验结果如表3、表4所示,部分载荷-位移曲线如图13所示。

表3 轴向压缩试验数据Table 3 Axial compression test data

由图13可知:试样一开始为弹性变形,载荷-位移呈线性关系;随着压缩的不断进行,试样进入塑性变形阶段;载荷达到峰值后,化学键彻底被破坏而新的化学键形成,进入了永久变形阶段,表皮组织开始出现破裂,继而里层的纤维组织出现断裂。轴向压缩载荷波动较大,是因为当藤蔓表皮出现弯折和破裂后其本身又具有较大韧性。径向压缩时载荷一开始上涨缓慢,在轻微波动后又快速上涨,是因为百香果藤蔓内部为空心结构,随着载荷增加内外层被压实接触,强度进一步增加。

由表3可知:藤蔓的轴向抗压强度有明显差异,从支藤到大主藤抗压强度增大。由表4可知:大主藤的径向抗压强度均明显高于小主藤和支藤,从小主藤到大主藤抗压强度增长率较大。对比轴向压缩和径向压缩,可以看出:轴向压缩试验中,大主藤抗压强度和弹性模量分别是径向的1.94倍和1.87倍,小主藤抗压强度和弹性模量是径向的3倍和2.97倍,支藤抗压强度和弹性模量是径向的3.86倍和4.83倍,可知轴向比径向更耐压。大主藤、小主藤、支藤在轴向压缩中力学参数的变异系数均大于径向压缩,是由于藤蔓是各向异性材料,轴向和径向均表现出不同的力学参数。

2.5 百香果藤蔓弯曲试验

三点弯曲试验数据如表5所示,部分载荷-位移曲线如图14所示。

图14 弯曲载荷-位移曲线图Fig.14 Bending load - displacement curve

由图14可知:试验一开始为弹性变形阶段,载荷-位移呈线性关系;随着弯曲的不断进行,试样进入塑性变形阶段;载荷达到峰值后,载荷迅速下降,试样表皮出现破裂继而里层的纤维组织出现断裂,三点弯曲过程结束。

由表5可知:大主藤和小主藤的抗弯强度均明显高于支藤,从支藤到小主藤抗弯强度增长率较大,从小主藤到大主藤有所放缓。这是由于支藤相对于大主藤、小主藤内部的空心部分较大。

2.6 百香果藤蔓剪切试验

剪切试验数据如表6所示,部分载荷-位移曲线如图15所示。

表6 剪切试验数据表Table 6 Shear test data table

图15 剪切试验载荷-位移图Fig.15 Shear load - displacement curve

由图15可知:载荷出现上下波动。一是由于试样具有较大的韧性,当刀具刺破表皮后表皮组织未能完全断开;二是因为试样中部为空心结构,随着载荷增加,空心被压成实体前的一瞬间载荷会有回落现象,完全被压成实体后就需要更大的载荷,直至试样彻底断开。

由表6可知:大主藤、小主藤、支藤的抗剪切强度没有明显区别。

2.7 支藤的强度与含水率、密度的关系

由于支藤的数量占比最大,因此研究支藤强度与含水率、密度的关系。支藤的轴向、径向抗压强度与含水率、密度分别呈负相关、正相关的关系,均有较高的拟合度,如图16所示。

图16 压缩试验强度与含水率、密度关系Fig.16 Relationship between compression test strength and moisture content and density

支藤的抗弯强度与含水率成负相关,与密度成正相关,均有较高的拟合度,如图17所示。支藤的抗剪强度与含水率成负相关,与密度成正相关,均有较高的拟合度,如图18所示。

图17 弯曲试验抗压强度与含水率、密度关系Fig.17 Relationship between compressive strength and moisture content and density in bending test

图18 剪切试验强度与含水率、密度关系Fig.18 Relationship between shear test strength and moisture content and density

由17图和图18可知:含水率和密度对百香果藤蔓的抗压、抗弯、抗剪性能产生较大的影响:水分作为增塑剂,进入细胞壁后把原有的氢键破坏,与游离羟基形成新的氢键,键能降低则更容易发生断裂和滑移,且在内部形成纳米滴液使得空隙增大[19-20],导致藤蔓的抗压、抗弯、抗剪强度随着含水率的增大而减小;密度越高,木质化程度也越高[21],使得百香果藤蔓的抗压、抗弯、抗剪强度也增大。

3 结论

1)黄金百香果收获期刚过后藤蔓直径主要集中在3～4.5mm,长度集中在400～1200mm。

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

3)大主藤、小主藤、支藤轴向抗压强度依次为4.24、3.51、2.67MPa,弹性模量依次为36.48、30.84、20.83MPa;径向抗压强度依次为2.18、1.17、0.69MPa,弹性模量依次为19.44、10.35、4.31MPa,弯曲强度依次为13.37、11.23、7.46MPa,剪切强度依次为2.18、10.35、4.31MPa。由于轴向各向异性比径向显著,因此在设计粉碎刀具时首先考虑径向破坏。

4)支藤抗压强度、弯曲强度、剪切强度均与含水率呈负相关,与密度呈正相关。