李倩倩，陈 鑫，毕文雅，姜俊伊，石天玉✉

（国家粮食和物资储备局科学研究院，北京 100037）

粮食孔隙率是粮食流散特性之一，是粮食重要的物理特性[1]。粮堆孔隙分为种粒内孔隙和种粒间孔隙[2]。种粒内孔隙决定了籽粒硬度、易破损粒、研磨、干燥率和抗真菌发展[3]，种粒间孔隙影响粮食呼吸作用、热量的释放和虫霉变化[4]。

粮堆孔隙率对粮堆内部湿热转移影响较大，影响通风干燥过程中气体流动阻力，是粮食储备管理作业中粮堆温湿度的控制工艺选择和优化的重要参数。孔隙率的测定研究对小麦的安全储存有重要意义。

孔隙率的测定方法有比重瓶法，Chang[5]使用气体比重瓶测定了不同含水率的玉米、小麦和高粱的孔隙率。目前测定粮食孔隙率的常用方法有气体置换法，根据理想气体状态方程，直接测量粮食的孔隙率。张淑珍[6]依据理想气体状态方程研制了孔隙率测定装置，指出此装置对吸湿性强、易溶于水、比重测试较复杂的散粒物料更适用。田晓红[1]通过对比仪器法和计算方法测定小麦、玉米、大豆、稻谷孔隙率，指出基于理想气体状态方程的仪器法样品代表性强，检测方法简单、快捷、重复性好，且整个过程是无损操作，便于推广。李长友[7]基于理想气体状态方程设计了定容型散体物料孔隙率的测定装置，开发了自动检测控制系统，实现了测定过程的自动控制和检测参数的实时显示与存储。郝倩[8]基于理想气体状态方程研究玉米、小麦孔隙度就仓测量法，指出该测量系统测定时无需取样，可以测出粮食在仓储状态下的孔隙度。唐福元[9]、陈雪[10]基于理想气体状态方程分别研究了筒仓中稻谷、小麦的空隙率分布规律，为粮仓孔隙率的分布研究提供了新的方法。许倩[3]利用孔隙率测定仪测定了油菜籽孔隙率，并分析含水率和品种对孔隙率的影响。

本文使用孔隙率测定仪和应变控制式三轴仪，根据理想气体状态方程，测量并计算不同品种、不同含水率、不同压力下小麦的孔隙率值，并分析压力、含水率、品种对孔隙率的影响。为小麦粮堆提高仿真精度，确定合理的通风方式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

见表1和表2。

表1 小麦样品尺寸Table 1 The size of wheat mm

表2 小麦样品的含水情况Table 2 The moisture content of wheat %

1.2 实验仪器

DGG-9140A电热恒温鼓风干燥箱：上海森信实验仪器有限公司；TSZ-6A型应变控制式三轴仪：南京土壤仪器厂；孔隙率测定仪：自制。

1.3 实验原理

1.3.1 粮食堆密度测定原理

使用应变控制式三轴仪给予粮堆各方向应力，通过应力的改变，观察粮堆体积的变化，从而得到不同加载压力下粮堆的密度。粮堆受力情况如图1所示：

图1 粮堆应力分布情况Fig.1 The stress distribution of grain pile

根据粮堆质量m即可计算粮堆的初始密度和不同压力条件下的压缩密度：

ρ=1 000×m/v，ρ-不同压力下粮堆压缩密度（g/L）；v-不同压力下粮堆的体积（cm3）。

1.3.2 粮食孔隙率测定原理

孔隙率测定仪采用两个容积均为5 L，且相互可以通过阀门连接的压力容器A和B，压力容器A用于压缩气体填充，压力容器B用于测试粮种填装，记录两个压力容器联通前后的气体压力数据 P1、P2[1，3]，自制孔隙率测定仪装置示意图（图 2）。

图2 自制孔隙率测定仪装置示意图Fig.2 The schematic diagram of self-made porosity tester

1.4 实验方法

（1）检查仪器是否齐全，将待测试样品装入三轴仪橡皮膜，装满密封后安装压力室，对压力室进行注水，压力室注水完成后，关闭排水口和排气阀。

（2）利用反压调节手轮调节压力室压力，设置压力梯度：0、50、100、150、200、250、300 kPa。并记录加压后三轴仪体量测试管的体积变化。

（3）加压结束后将反压调节手轮卸载压力至0 kPa，打开排水口和排气阀，卸载压力室，进行样品称重记录，用于堆密度计算。

（4）将不同水分样品进行3组重复测试，计算小麦样品不同含水率不同压力下的堆密度。

（5）根据样品0 kPa压力下堆密度计算自制孔隙率测定仪样品室所需样品质量，将样品装满样品室，装好桶盖进行密封，打开阀门向气压室充气，气压室内气压稳定后，关闭阀门，打开气压室与样品室连接阀门，直至气压稳定，记录初始及稳定时气压数值。

（6）根据自制孔隙率测定仪测定样品在0 kPa下的孔隙率及样品在不同压力下的堆密度，进行样品在不同压力下的孔隙率计算。

2 结果与分析

2.1 小麦的孔隙率值

使用孔隙率测定仪和应变控制式三轴仪，测量并计算济麦 22、宁麦 13、淮麦 20分别在不同含水率、不同压力下的孔隙率，结果如表 3～5所示。

济麦 22在含水率 11.40%～17.98%、压力0～300 Pa时，小麦孔隙率变化范围是 36.99%～49.73%；宁麦13在含水率11.23%～17.27%、压力0～300 Pa时，小麦孔隙率的变化范围是36.73%～48.49%；淮麦20在含水率10.27%～17.38%、压力0～300 Pa时，小麦孔隙率的变化范围是40.95%～52.83%。

表3 不同含水率、不同压力下济麦22小麦样品孔隙率Table 3 The porosity of Jimai 22 wheat with different water content and pressure

表4 不同含水率、不同压力下宁麦13小麦样品孔隙率Table 4 The porosity of Ningmai 13 wheat with different water content and pressure

表5 不同水分、不同压力下淮麦20小麦样品孔隙率Table 5 The porosity of Huaimai 20 wheat with different water and pressure

2.2 压力对孔隙率的影响

根据表3～5可做不同含水率小麦的孔隙率随压力变化图，如图3～5。

三种小麦的孔隙率随压力的变化均成幂函数关系，都可拟合成方程：y=kpm，y-样品孔隙率（%），p-样品所受压力（Pa）。压力与孔隙率的拟合方程系数如表6～8所示。

图4 不同含水率宁麦13的孔隙率随压力的变化Fig.4 The porosity of different water content of Ningmai 13 under different pressure

图5 不同含水率淮麦20的孔隙率随压力的变化Fig.5 The porosity of different water content of Huaimai 20 under different pressure

表6 济麦22压力与孔隙率的拟合方程系数Table 6 Coefficient of fitting equation between pressure and porosity of Jimai 22

表8 淮麦20压力与孔隙率的拟合方程系数Table 8 Coefficient of fitting equation between pressure and porosity of Huaimai 20

从图 3～5、表 6～8分析，可以看出在一定水分下，小麦的孔隙率随压力的增加而减小，小麦所受压力与孔隙率成幂函数关系。济麦22在压力0～300 Pa下，含水率 11.40%的小麦孔隙率从45.14%下降到 36.99%，含水率 17.98%的小麦孔隙率从 49.73%下降到 39.81%；宁麦 13在压力0～300 Pa下，含水率 11.23%的小麦孔隙率从44.85%下降到 36.73%，含水率 17.27%的小麦孔隙率从 48.49%下降到 40.42%；淮麦 20在压力0～300 Pa下，含水率 10.27%的小麦孔隙率从47.98%下降到 40.95%，含水率 17.38%的小麦孔隙率从 52.83%下降到 42.45%。小麦的孔隙率随压力的变化幅度是逐渐减小，与程绪铎[11]的研究结果类似。程绪铎对玉米堆进行压缩特性进行研究，发现压缩密度随着压力的增大变化率变小，根据孔隙率与压缩密度的关系，可以推导出孔隙率随着压力的增大变化率变小。导致这种现象的原因可能是小麦颗粒随着压力增加，前期种粒间孔隙空间重排占主导因素，后期种粒内孔隙空间重排占主导因素。

2.3 含水率对孔隙率的影响

根据表3～5可做不同压力下小麦的孔隙率随含水率变化图，如图6～8。

图6 不同压力下济麦22的孔隙率随含水率的变化Fig.6 The porosity of different pressure of Jimai 22 with different water content

图7 不同压力下宁麦13的孔隙率随含水率的变化Fig.7 The porosity of different pressure of Nimai 13 with different water content

图8 不同压力下淮麦20的孔隙率随含水率的变化Fig.8 The porosity of different pressure of Huaimai 20 with different water content

三种小麦的孔隙率随含水率变化均成二次函数关系，都可拟合成方程：z=Ax2+Bx+C，z-样品孔隙率（%），x-样品含水率（%）。含水率与孔隙率的拟合方程系数如表9～11所示。

表9 济麦22含水率与孔隙率的拟合方程系数Table 9 Coefficient of fitting equation between water content and porosity of Jimai 22

表10 宁麦13含水率与孔隙率的拟合方程系数Table 10 Coefficient of fitting equation between water content and porosity of Nimai 13

表11 淮麦20含水率与孔隙率的拟合方程系数Table 11 Coefficient of fitting equation between water content and porosity of Huaimai 20

从图6～8、表9～11分析，可以看出在一定压力下，小麦的孔隙率随含水率增加有增加的趋势。原因可能由于籽粒膨胀导致籽粒体积变大、籽粒间空隙变大，从而孔隙率增加，颗粒尺寸不均匀性也有一定影响。

2.4 品种对孔隙率的影响

实验选取 3种品种的小麦进行孔隙率的测定，研究品种对孔隙率的影响。小麦尺寸在长轴6.275 6～6.514 0 mm、中轴 3.333 1～3.547 0 mm、短轴2.848 9 mm～3.262 3 mm时，孔隙率随压力的变化成幂函数关系，孔隙率随水分的变化成二次函数关系。可以推测在一定尺寸范围内，品种对孔隙率没有明显影响。这与徐倩[3]的研究结果相同，她认为油菜籽的品种对孔隙率无明显影响。小麦样品的几何尺寸、体积与结构对孔隙率应该有一定的影响。

3 讨论与结论

小麦的孔隙率随压力的增加而减小，成幂函数关系，变化幅度逐渐减小。济麦 22在压力 0～300 Pa下，含水率11.40%的小麦孔隙率从45.14%下降到 36.99%，含水率 17.98%的小麦孔隙率从49.73%下降到39.81%；宁麦13在压力0～300 Pa下，含水率11.23%的小麦孔隙率从44.85%下降到36.73%，含水率 17.27%的小麦孔隙率从 48.49%下降到40.42%；淮麦20在压力0～300 Pa下，含水率 10.27%的小麦孔隙率从 47.98%下降到40.95%，含水率 17.38%的小麦孔隙率从 52.83%下降到42.45%。

小麦的孔隙率随水分的增加而增大，成二次函数关系；在一定尺寸范围内，小麦的品种对孔隙率无明显影响；筒仓中的小麦堆结构、应力和应变复杂，测量孔隙率的分布是个难题。本文测量的孔隙率在实验后期，采用合适数值方法可模拟计算出筒仓中小麦堆孔隙率随粮层深度的规律，从而得到筒仓中孔隙率值的分布。