以黏土顆粒為惰性劑的低爆速乳化炸藥爆炸性能及爆轟機理

周國安，馬宏昊，2，沈兆武，楊 明，黃澤春，胡立鵬

(1.中國科學技術(shù)大學中國科學院材料力學行為和設計重點實驗室，安徽 合肥 230027；2. 中國科學技術(shù)大學火災科學國家重點實驗室，安徽 合肥 230027)

引 言

乳化炸藥作為工業(yè)炸藥的重要組分之一，具有制備簡單、應用方便可靠等特點，廣泛應用于煤礦冶金、石油地質(zhì)、交通水電、控制爆破等領(lǐng)域[1-4]。作為非理想爆轟的典型代表，常用的乳化炸藥(包括粉狀乳化炸藥、膠體乳化炸藥等)因其組分相對固定而具有單一的爆速和猛度。

實際使用中，為了獲得特定的爆轟性能，需要向乳化炸藥中添加一些添加劑，包括惰性稀釋劑、密度調(diào)節(jié)劑等，以改變其爆炸參數(shù)用于諸如爆炸焊接、爆炸噴涂、金屬爆炸成型等特殊領(lǐng)域。就爆炸焊接領(lǐng)域使用的惰性添加劑而言，工業(yè)食鹽(也作為消焰劑應用于煤礦許用炸藥)、碳酸鈣顆粒、高分子材料或金屬粉等占很大的比例[5-10]，而這些添加劑都有著各自的使用缺陷。Shvedov等[9]認為礦山爆破、爆炸焊接等領(lǐng)域所使用的大多數(shù)乳化炸藥是以工業(yè)食鹽為惰性添加劑的乳化炸藥，而長期使用這種惰性添加劑會帶來土壤鹽堿化等問題[11]；張虎等[10]提出在乳化炸藥中加入鋁粉以降低其爆速，但需使用金屬粉作為惰性添加劑，增加了成本，不利于其推廣。

基于此，本研究在傳統(tǒng)膠體乳化炸藥(玻璃微球敏化)的基礎上，以黏土顆粒作為惰性添加劑，制備出一種新型乳化炸藥，測定了其爆速和猛度，并通過水下爆炸試驗測得其爆轟參數(shù)，以期為乳化炸藥在金屬爆炸焊接及光面爆破等領(lǐng)域的應用提供參考。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

膠體乳化基質(zhì)，淮南舜泰化工有限公司，配方(質(zhì)量分數(shù))[12]為：NH4NO3，75%；NaNO3，10%；C18H38，4%；C12H26，1%；C14H44O6，2%；H2O，8%；玻璃微球(HGM)，美國3M公司，密度0.14 g/cm3、平均粒徑100 μm；黏土顆粒，自制。

2BS-110型多段智能爆速測量儀，南京理工大學民用爆破器材研究所；GZX-9030 MBE型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海博迅實業(yè)有限公司；PCB-W138 A25 ICP型水下壓力傳感器，美國PCB Piezotronics公司；Tektronix 7401型示波器，美國泰克公司。

1.2 新型乳化炸藥的制備

乳化炸藥配方見表1。

表1 乳化炸藥配方Table 1 Different formulas of emulsion explosives

首先，將普通黏土剔除明顯的石子、瓦礫，按質(zhì)量比約1∶12摻于水中，攪拌成泥漿后靜置2～3d。除去水面雜質(zhì)，取出水底充分沉降后的黏土，經(jīng)0.125mm的篩子除雜過篩后，干燥備用。再將加入玻璃微球后的膠體乳化基質(zhì)置于溫度約70℃的烘箱內(nèi)，保溫近10min后取出，加入不同含量的黏土顆粒，混合均勻后得到新型乳化炸藥。

1.3 爆速及猛度測試

采用數(shù)字式測速儀測量爆速，將乳化炸藥密實地裝入PVC塑料管中，測量時將爆速測量儀的時基調(diào)至0.1μs。探針的一頭插入實驗樣品中，另一頭接入爆速測量儀。當爆轟波經(jīng)過探針時，高溫高壓的環(huán)境使得探針外部的漆層發(fā)生電離，其導通狀態(tài)由斷變?yōu)橥ǎM而被爆速儀記錄，詳見圖1。

依照國標GB/T12440-1990，采用鉛柱壓縮法測量猛度。為了方便裝藥，整個實驗裝置約束在硬紙片(弱約束體系)中。實驗時在標準鉛柱(直徑40mm，高60mm)上放置一厚10mm、直徑41mm的鋼片，再在鋼片上裝藥50g。雷管起爆乳化炸藥后測量鉛柱的壓縮量，作為猛度的表征。

1.4 水下爆炸實驗

水下爆炸實驗在一個直徑(D)5m、高(H)5m的圓柱形開口爆炸罐中進行，見圖2。其中，30g乳化炸藥和壓力傳感器均懸掛在水下2m處，兩者之間間隔(dt)為1m。壓力傳感器測得壓力信號后，經(jīng)信號調(diào)節(jié)器處理再由示波器顯示并存儲。

2 結(jié)果與討論

2.1 玻璃微球和黏土顆粒含量對乳化炸藥爆速和猛度的影響

乳化炸藥爆速及猛度實驗結(jié)果見表2，根據(jù)表2數(shù)據(jù)繪制等高線云圖以直觀地表征爆速、猛度隨黏土顆粒、玻璃微球含量變化而變化的趨勢，結(jié)果如圖3所示。

表2 乳化炸藥爆速和猛度的實驗結(jié)果Table 2 Experimental results of the detonation velocity and brisance of emulsion explosive

由圖3平行的等高線可知，新型乳化炸藥的爆速、猛度隨黏土顆粒含量變化的規(guī)律不受玻璃微球含量的影響。通過Origin 2017軟件對實驗結(jié)果擬合，提出該新型乳化炸藥在黏土顆粒質(zhì)量分數(shù)0～20%、玻璃微球質(zhì)量分數(shù)5%～15%時爆速、猛度的經(jīng)驗公式如下：

D=4923.1-9930a-2980b

(1)

Δh=23.2-74a-20b

(2)

式中：D為爆速，m/s；Δh為猛度，mm；a、b分別為新型乳化炸藥中玻璃微球和黏土顆粒的質(zhì)量分數(shù)。兩式的Adj.R-Square分別為0.9985、0.9899。

由公式(1)、(2)可知，在實驗條件下，黏土顆粒質(zhì)量分數(shù)每增加1%，新型乳化炸藥的爆速、猛度分別下降29.8m/s、0.20mm；玻璃微球質(zhì)量分數(shù)每增加1%，新型乳化炸藥的爆速、猛度分別下降99.3m/s、0.74mm。由熱點模型[13]可知，爆轟反應過程中釋放的化學能和爆速之間的關(guān)系可由式(3)估算：

(3)

式中：D為乳化炸藥的爆速，m/s；F為僅與爆轟反應相關(guān)的惰性系數(shù)；n為爆轟產(chǎn)物的比熱容；Q為反應過程中釋放的化學能，MJ/kg。

結(jié)合公式(1) ～ (3)可知，在實驗比例下，黏土顆粒和玻璃微球的加入導致新型乳化炸藥爆速和猛度降低，即在新型乳化炸藥爆轟反應過程中，黏土顆粒和過量的玻璃微球都只起惰性添加劑的作用，減少了爆轟反應過程中釋放的總化學能Q。

2.2 爆轟機理分析

根據(jù)熱點理論[13]，當爆轟波波陣面掠過玻璃微球時，其球殼結(jié)構(gòu)坍塌，內(nèi)部的空氣被劇烈壓縮，局部形成一個高溫高壓的“熱點”，進而引發(fā)附近可爆組分的化學反應，為爆轟波進一步傳播提供能量。研究表明[14]，當乳化炸藥的爆速穩(wěn)定在3000m/s左右時，爆轟波波后化學反應區(qū)寬度約為2.0mm，且爆轟波波速隨著波后化學反應區(qū)寬度的增加而下降。

而對于該新型乳化炸藥而言，一方面，由于惰性添加劑(黏土顆粒和過量的玻璃微球)的加入，為了保證波后化學反應區(qū)內(nèi)的有效熱點數(shù)量一致，以提供足夠的能量繼續(xù)傳爆下去，波后化學反應區(qū)的寬度被迫拓寬，可認為是黏土顆粒的阻隔效應；另一方面，由于黏土顆粒多空疏松的特性，在疏遠了相鄰“有效熱點”距離的同時，勢必會吸收部分爆轟波能量。此時，爆轟波穩(wěn)定傳播需要更多的“有效熱點”為其提供能量，進而波后化學反應區(qū)的寬度進一步拓寬，可認為是黏土顆粒的吸收效應。而波后化學反應區(qū)寬度愈寬，意味著充分反應的時間愈久，宏觀上即為該新型乳化炸藥的爆速愈低。

綜上所述，新型乳化炸藥的爆速、猛度隨黏土顆?；虿Ａ⑶蚝康母淖兌@著改變。在實際應用中，可通過改變?nèi)榛ㄋ幹叙ね令w?；虿Ａ⑶虻暮縼碚{(diào)節(jié)其爆轟參數(shù)。

2.3 黏土顆粒和玻璃微球含量對水下爆炸實驗結(jié)果的影響

水下沖擊波的沖量I可由式(4)計算：

(4)

式中：p(t)為壓力時程曲線，Pa；θ為常數(shù)(s)，數(shù)值上等于峰值壓力pm衰減到pm/e的時間；e為數(shù)學常量，約為2.71828。

比沖擊波能(Es)由式(5)計算：

(5)

式中：dt為實驗樣品到壓力傳感器的距離，m；W為實驗樣品的質(zhì)量，kg；ρw為水的密度，kg/m3；Cw為水中的聲速，m/s。

比氣泡能(Eb)由式(6)計算：

(6)

式中：tb為第一次氣泡脈動時間，s；C、K1為依賴于

實驗條件的常數(shù)，可分別由公式(7)、(8)計算：

C=b/a2

(7)

(8)

其中：a、b由式(9)通過最小二乘法計算[15]；ph為實驗樣品處的靜水壓力，Pa。

tb=aW1/3+bW2/3

(9)

水下爆炸的總能量(E)由式(10)計算：

E=Ks(μEs+Eb)

10)

式中：Ks為實驗樣品的非球形修正系數(shù)，本研究中由于樣品的形狀較為完好，故Ks取推薦的下限值1.02。根據(jù) Bjarnholt, G[16]，μ為水下沖擊波在傳播過程中的壓力損失，可由式(11)計算：

(11)

其中：pC-J為爆轟過程中的C-J壓力值，GPa，可由式(12)計算：

(12)

式中：ρ為實驗樣品的密度，kg/m3；D為不同樣品的實測爆速，m/s。

綜上，水下爆炸的峰值壓力及其他各項爆炸參數(shù)的計算結(jié)果見表3，圖4為水下爆炸試驗測得的乳化炸藥峰值壓力曲線。

表3 不同類型乳化炸藥水下爆炸參數(shù)的對比Table 3 Comparison of the underwater explosion parameters of different kinds of emulsion explosives

由表3可知，與傳統(tǒng)乳化炸藥(No.7)相比，新型乳化炸藥隨著乳化基質(zhì)、玻璃微球使用量的減少，峰值壓力、水下爆炸總能量等參數(shù)均有較明顯的非線性下降。當黏土顆粒的質(zhì)量分數(shù)由0增至10%(No.8)時，乳化炸藥的峰值壓力、沖擊波沖量、比沖擊波能、比氣泡能和總能量分別下降3.11%、7.28%、8.58%、20.01%和17.5%；當黏土顆粒的質(zhì)量分數(shù)由10%增至20%(No.9)時，水下爆炸的峰值壓力、沖擊波沖量、比沖擊波能、比氣泡能和釋放的總能量分別下降了31.2%、6.37%、65.03%、64.66%和64.8%。

以上數(shù)據(jù)表明，黏土顆粒質(zhì)量分數(shù)由0增至10%時，主要通過降低乳化炸藥的比氣泡能來降低其水下爆炸的總能量，而峰值壓力幾乎沒有下降。而當黏土顆粒質(zhì)量分數(shù)由10%增加到20%時，水下爆炸比沖擊波能Es的下降超過了其比氣泡能Eb的下降，而此時峰值壓力pm也開始有明顯的下降。這種典型的非線性下降的規(guī)律可從以下兩個方面予以解釋：首先，惰性添加劑的加入使得炸藥的可爆組分減少，進一步體現(xiàn)為黏土顆粒的含量增加，水下爆炸的比氣泡能明顯下降；其次，黏土顆粒作為一種多孔疏松介質(zhì)，其含量越多，對爆轟過程中釋放的沖擊波的吸收效應越明顯，表現(xiàn)為水下爆炸的比沖擊波能下降越明顯。

綜上所述，相比于傳統(tǒng)乳化炸藥爆轟參數(shù)單一、固定且不便調(diào)節(jié)的特性，新型乳化炸藥水下爆炸的參數(shù)及能量結(jié)構(gòu)隨著黏土顆粒加入量的改變而發(fā)生明顯變化。這種爆轟參數(shù)穩(wěn)定可調(diào)的特性，使其可取代以工業(yè)食鹽等材料為惰性添加劑的傳統(tǒng)乳化炸藥，應用于爆炸焊接、光面爆破等領(lǐng)域。

3 結(jié) 論

(1)以黏土顆粒為惰性添加劑制備的新型乳化炸藥具有爆轟參數(shù)穩(wěn)定可調(diào)、制備成本低及對環(huán)境無污染等優(yōu)點，可取代以金屬粉等材料為惰性添加劑的傳統(tǒng)乳化炸藥應用于爆炸焊接及光面爆破等領(lǐng)域。

(2)黏土顆粒質(zhì)量分數(shù)為0～20%、玻璃微球質(zhì)量分數(shù)為5%～ 15%時，新型乳化炸藥爆速、猛度的經(jīng)驗公式分別為：D=4923.1-9930a-2980b(m/s)、Δh=23.3-74a-20b(mm)。

(3)從傳爆機理來看，黏土顆粒和玻璃微球都只起惰性添加劑的作用。兩者降低新型乳化炸藥爆速的細觀機理可從阻隔效應和吸收效應兩個方面予以解釋。

(4)水下爆炸實驗結(jié)果表明，爆轟參數(shù)隨黏土顆粒含量的增加而呈現(xiàn)出明顯的非線性下降，當黏土顆粒質(zhì)量分數(shù)達20%時，新型乳化炸藥的峰值壓力、沖擊波沖量、比沖擊波能、比氣泡能和總能量相比傳統(tǒng)乳化炸藥分別下降了33.34%、13.19%、67.67%、71.73%和70.96%。

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