茄子藤秸秆微观结构及剪切力学特性

郭　茜， 张西良， 徐云峰， 李萍萍， 陈　成

[1.无锡技师学院(江苏省无锡立信中等专业学校)电气工程系，江苏无锡 214053；2.江苏大学机械工程学院，江苏镇江 212013；3.江苏大学农业工程研究院现代农业装备与技术省部共建教育部重点实验室/江苏省重点实验室，江苏镇江 212013；4.南京林业大学森林资源与环境学院，江苏南京 210037]

中国设施园艺面积已发展到420多万hm2，占全世界面积的89.3%，其中茄子等茄果类蔬菜食用方便，富含维生素A、C以及多种有益矿物质，深受消费者喜爱，已成为目前主要的蔬菜作物。以茄果类为主体的藤茎类秸秆与残茬数量巨大，为重要的生物资源，其开发利用日益受到重视[1]。这些秸秆还田破碎和腐熟处理困难，作业机械在设施园艺上难于展开[2-5]，随意废弃致使病虫害严重发生，而普遍焚烧处理又严重威胁交通安全、污染社会环境[6]。因此，急须开展茄子藤秸秆资源化综合利用研究。

目前，国内外学者对秸秆力学性能相关研究已有诸多报道。如O’Dogherty等测试得到麦秆的剪切强度为4.91～7.26 MPa，弹性模量为4.76～6.58 Gpa[7]。Chatopadhyay等在万能试验机上对高粱茎秆的压缩、剪切和弯曲特性进行了测定，对压缩强度、压缩过程和弯曲过程中吸收的能量变化规律进行了探索[8]。Chancellor试验测得梯牧草劲性模量为1 260～3 900 N/mm2[9]。泉裕巳等应用万能材料试验机对甘蔗进行拉伸、压入和抗压试验[10]。Prasad等通过试验发现，加载速度从20 cm/min增加到100 cm/min，玉米秆的平均最大剪切强度从3.3 MPa降低到2 MPa[11]。陈争光等通过试验研究得到，影响剪切强度较显著的因素为剪切速度和含水率[12]。于勇等研究了玉米秸秆不同部位的含水率特性和拉压特性[13]。李玉道等对棉花秸秆的剪切力学性能试验表明，秸秆的剪切强度与含水率关系密切，并且确定了剪切强度与剪切功之间的关系[14]。孙占峰等通过试验研究了稻草秸秆的压缩、剪切和弯曲力学特性[15]。

从国内外的研究现状来看，研究主要集中在高粱、小麦、玉米、棉花等农作物秸秆力学特性上，以试验研究为主，而对于如茄子藤这样的藤茎类秸秆的力学特性研究却少见报道[16-18]。秸秆资源综合利用的首要环节就是秸秆切割，而切割时秸秆的品种、成熟状况、收割后存放风化时间(具有不同的含水率)、不同部位微观组织结构及其横截面积、连接方式等因素都与其力学特性有着密切的关系。本试验以茄子藤秸秆为研究对象，开展其不同部位、不同含水率下剪切力学特性研究，为研发收获及加工机械提供基本数据和理论基础，对促进其资源化综合利用有着十分重要的意义。

1　材料与方法

1.1　试验材料选取

选取成熟期茄子藤秸秆为试验对象。茄子藤取自江苏省无锡市某农庄温室大棚，收获季节为7月，要求秸秆试样生长良好、表皮无开裂或损伤等明显缺陷，无虫害损伤。秸秆存放于自然通风条件下保存，以待试验。

根部试样为主茎秆上距离根部端点100 mm的截取部分，顶部试样为主茎秆上距离顶部的端点100 mm的截取部分，中部试样为根部与顶部中间部分截取100 mm的部分，每个试样两端各留10 mm用于夹持。

1.2　试验方法

含水率测定方法：利用干燥法测定茄子藤秸秆收割后存放风化不同时间(1～15 d)、不同部位(根部、中部和顶部)的平均含水率。

秸秆横截面积测定方法：由于茄子藤秸秆为中空内芯，因此根据秸秆上3个不同部位的实际横截面积分别计算出1个形状因子，再利用形状因子和秸秆直径估算各部位实际的横截面积，在计算机中输入计算数据，精确至0.1 mm。3个部位实际横截面积的计算公式为：

S=ad2。

(1)

式中：a为形状因子，通过计算机图形学的方法得到实际面积S；d为秸秆直径。由式(1)统计计算得到a根部=0.71，a中部0.69，a顶部=0.46。

剪切试验方法：将秸秆试样两端水平固定在质构仪的夹具之间，剪切刀片垂直安装于试样上方，刀片的中心位置对准试样的中部。加载速度为20 mm/min，质构仪以均匀速率加载荷直至刀片切断试样，记录下剪切载荷，准确至10 N。计算机软件自动记录下载荷F-位移ε值。

试验数据处理分析方法：对茄子藤秸秆3个部位各采样15个试样，分别进行拉伸断裂试验和剪切试验，采用线性回归的方法对试验所得的曲线中近似线性的离散数据进行处理，分别得到秸秆3个部位的拉伸和剪切的应力σ-应变ε曲线，分析秸秆拉伸断裂和剪切的力学特性[19]。

2　结果与分析

2.1　茄子藤秸秆平均含水率变化及其对切割性能的影响分析

茄子藤秸秆收割后存放风化不同时间、不同部位的平均含水率如图1所示。3个部位收获1 d后平均含水率分别为69%、57%、42%，15 d后平均含水率分别降为30%、23%、19%。

秸秆中的水分并不是均匀分布的，采用干燥法测定的根部、中部和顶部的含水率存在明显不同，根部的含水率约是顶部含水率的1.5倍。这是因为土壤提供给秸秆的水分从根部向顶部传导，远离土壤的部分水分越少，因此秸秆含水率从根部到顶部呈下降分布的趋势。

随着存放风化时间增加，3个部位的含水率逐渐下降，并趋于水分平衡。从图1可以看出，秸秆不同部位达到水分平衡的时间从顶部到根部逐渐延长(顶部约9 d，中部约 12 d，

根部超过15 d)，并且各部位达到水分平衡后，各部位的平衡含水率也不相同，从顶部到根部逐渐升高。这是由于各部位的组织结构不同，根部的组织结构比较致密，锁水性能较好，故达到水分平衡的时间较长，平衡含水率较高。

水分本身是影响秸秆力学特性的主要因素，在对茄子藤秸秆切割试验研究后发现含水率对切割电能和切割时间有较大影响[20]。在含水率超过60%的试验中，一方面，含水率的增加使秸秆细胞壁结合较紧密，秸秆强度大，需要的切割能大；另一方面，秸秆中的水分蒸发成水蒸气，使切割粉碎室中的细小秸秆结块黏结在齿板上，增加了切割电能和切割时间，同时黏结的秸秆颗粒会堵塞出料口，降低出料效果。因此，被切割的秸秆含水率不宜过高，一般可以在收获后干燥一段时间再进行切割处理[20]。下文主要针对收割后存放15 d的茄子藤秸秆进行的试验分析。

2.2　茄子藤秸秆不同部位组织结构变化及其对力学特性影响分析

茄子藤秸秆不同部位的微观组织结构如图2所示，通过公式(1)计算得到：根部的横截面积一般在23.07～42.09 mm2之间，中部的横截面积一般在12.17～30.97 mm2之间，顶部的横截面积一般在3.11～15.47 mm2之间。

从图2可以看出，茄子藤秸秆是一种复合材料，其微观组织结构主要包括表皮、皮层、维管束和髓，呈分布不均匀的筛孔状。秸秆表皮有1层排列紧密较小的细胞，细胞壁外壁角质化的角质层属于初生保护组织，对秸秆有保护作用，通常，这种组织结构非常有利于秸秆抵抗破碎。靠近表皮内侧的排列紧密较小的皮层细胞具有厚壁组织，无细胞间隙，具有支撑作用。排列在横切面形成1环的维管束，由木质部、韧皮部和形成层组成，在薄壁组织之间分散排列。由排列疏松体积较大的薄壁细胞组成的髓被维管束围绕在秸秆中央，髓具有一定的储存能力。

前期研究表明，当秸秆具有较厚的表皮、较多的维管束和较发达的机械组织时，秸秆抵抗变形的能力就较强[5]。秸秆抵抗破碎的强度主要来自于表皮、皮层和维管束，而髓主要起连接和传递载荷的作用。虽然秸秆3个部位的显微结构基本相同，但由于不同部位的各种组织结构比例、连接方式等不相同，导致秸秆不同部位呈现不同的特性。从图2可以看出，表皮、皮层和维管束的面积在根部中所占比例较大，而在中部和顶部中所占的比例较小，茄子藤根部的机械组织比较发达，维管束较多，表皮较厚，因此根部抵抗变形的能力均高于中部和顶部。

由此可见，茄子藤秸秆的微观组织结构无论是组成部分还是组织结构比例等均不同于常见的大田农作物秸秆，因此也就具有不同的力学特性。

2.3　茄子藤秸秆剪切特性测试分析

2.3.1茄子藤秸秆剪切变形过程的应力-应变曲线从图3可以看出，剪切曲线的初始阶段，随着载荷的缓慢增加，变形也缓慢增大，这是因为秸秆的中部为空心结构，表皮逐步被压扁；随着载荷的进一步增加，秸秆发生破裂，空心的秸秆变为表皮上下层接触的实体，因此剪切时所需的应力越来越大，直至秸秆完全被切断，剪切过程完成。

从图3还可以看出，在剪切变形的过程中，秸秆根部的剪切应力均高于中部和顶部。这是由于根部的含水率比较高，根部组织的木质化程度比较严重，纤维含量也较高，抵抗变形的能力较强。

2.3.2茄子藤秸秆剪切力学特性分析根据剪切强度和剪切模量的计算公式，从试验数据中计算可以得到表1。

对试验数据方差分析得到秸秆不同部位的剪切强度和剪切模量的方差分析表，如表2和表3所示。

表1　茄子藤秸秆不同部位的剪切强度和剪切模量

表2　茄子藤秸秆不同部位的剪切强度方差分析

表3　茄子藤秸秆不同部位的剪切模量方差分析

从表1可以看出，茄子藤秸秆的剪切强度和剪切模量从根部到顶部逐渐减小，这与剪切应力的变化趋势相一致。从表2、表3可知，茄子藤秸秆不同部位对剪切强度和剪切模量的影响均是显著的(P<0.05)。这是因为含水率是影响秸秆剪切力学特性的一个重要因素。当含水率较低时，脆性变形占主导，在剪切过程中容易破坏；当含水率较高时，秸秆具有一定的弹性，其剪切强度也有所提高。此外，由于秸秆根部的木质化程度比较高，因此剪切强度也更高。

根据研究报道可以得到其他秸秆的剪切力学特性指标[15，21-23]，结果如表4所示。将表4中的秸秆与茄子藤秸秆进行比较可以发现，茄子藤秸秆3个部位对剪切强度和剪切模量的影响趋势与其他几种秸秆的趋势是一致的，即从根部到顶部，剪切强度和剪切模量均呈下降趋势；茄子藤秸秆的剪切强度远远低于其余几种秸秆。这说明茄子藤秸秆抵抗剪切应力的能力比较弱，材料的刚性比较差，这是由于茄子藤秸秆内部结构、微观组织结构的性能及组成比例与其他几种秸秆显著不同所导致的。

表4　其他秸秆剪切力学特性指标

3　结论

通过对茄子藤秸秆纤维组织结构微观观察分析发现，茄子藤秸秆是一种复合材料，其微观组织结构主要包括表皮、皮层、维管束和髓，呈分布不均匀的筛孔状。秸秆抵抗破碎的强度主要来自于表皮、皮层和维管束，而髓主要起连接和传递载荷的作用。茄子藤根部的机械组织比较发达，维管束较多，表皮较厚，因此根部抵抗变形的能力均高于中部和顶部。

通过试验研究茄子藤秸秆的剪切力学特性，获得了其剪切力学特性指标。秸秆的剪切应力、剪切强度和剪切模量从根部到顶部均呈现逐渐减小的趋势，并且秸秆的不同部位对剪切强度和剪切模量的影响均极显著。与其他秸秆相比，茄子藤秸秆的剪切强度远远低于其余几种秸秆。

以上研究结论为茄子藤秸秆的收获及加工机械研发、确定切割时的工作参数，提供了必要的试验数据和理论基础，有助于促进藤茎类秸秆资源化综合利用技术应用和推广。

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