乳化炸藥和膨化硝銨炸藥的爆炸性能特征比較?

呂梅芳 張興明 董 振 劉 剛 王志敏 曹 俊 葉志文

①國家民用爆破器材質量檢驗檢測中心(江蘇南京，210094)

②南京理工大學化學與化工學院(江蘇南京，210094)

引言

根據不同爆破作業(yè)場所，工業(yè)炸藥一般分為露天型炸藥、巖石型炸藥和煤礦許用型炸藥[1]；根據作功能力高低，分為一級和二級；根據礦井的可燃氣安全等級和使用的爆破作業(yè)場所，分為一級、二級和三級[2-3]。炸藥性能的測試項目一般有熱安定性、撞擊感度、摩擦感度、熱感度、可燃氣安全度、煤塵-可燃氣安全度、抗爆燃性、熄爆直徑、抗間隙效應、有毒氣體產量、藥卷密度、殉爆距離、爆速、猛度和作功能力等[4]。

現階段，國內使用較廣泛的工業(yè)炸藥是乳化炸藥和膨化硝銨炸藥[5]，乳化炸藥市場占有率在60%以上，膨化硝銨炸藥占20%以上[6]。乳化炸藥主要由水、硝酸銨、硝酸鈉、油相及其他成分組成。氧化劑的微小液滴均勻懸浮在由可燃劑、表面活性劑和氣泡(或玻璃微球)組成的油狀介質中，形成乳膠狀混合炸藥[1]。膨化硝銨炸藥是由改性的膨化硝酸銨、復合燃料油和木粉等組成的一種粉狀工業(yè)炸藥[7-8]。膨化硝銨炸藥和乳化炸藥原材料成本分別為4 000、4 600元/t；乳化炸藥具有抗水性，而膨化硝銨炸藥不具有抗水性。

出于安全管理需要，我國對炸藥生產、經營、銷售和使用進行了嚴格的監(jiān)督和審批。對于不同類型的炸藥，出廠檢驗和型式檢驗都有明確的要求[9]。炸藥性能的好壞以及對于工程的適用性可以通過不同的性能參數來體現。本文中，采用某公司生產的規(guī)格型號為?32 mm的包裝藥卷，通過測試藥卷密度、爆速、猛度、作功能力、有毒氣體產量等參數來比較分析乳化炸藥及膨化硝銨炸藥的爆炸特性。

1 試驗部分

1.1 試劑與儀器

研究對象分別為規(guī)格?32 mm/200 g的1＃巖石乳化炸藥、2＃巖石乳化炸藥、一級煤礦許用乳化炸藥、二級煤礦許用乳化炸藥、三級煤礦許用乳化炸藥和規(guī)格?32 mm/150 g的巖石膨化硝銨炸藥、一級煤礦許用膨化硝銨炸藥、二級煤礦許用膨化硝銨炸藥，共8種工業(yè)炸藥。

表1為測試炸藥藥卷密度、爆速、作功能力、猛度、有毒氣體產量所需的儀器設備。

表1 測試儀器Tab.1 Test equipment

1.2 試驗過程

1.2.1 藥卷密度的測定

藥卷密度按照標準WJ/T 9056.1《工業(yè)炸藥密度測定方法》進行測試。

乳化炸藥藥卷密度采用量筒法。在1 000 mL的量筒中加入約650 mL水，記錄水的體積，精確至1 mL；用天平稱取藥卷質量，精確至0.5 g。緩慢地將稱量過的藥卷放入量筒的水中，使藥卷完全浸入水中。輕輕振動量筒，使藥卷表面吸附的氣泡排出。待水面上升平穩(wěn)后，記錄水面上升后量筒內水的體積，精確至1 mL。藥卷密度按照一定公式計算。

膨化硝銨炸藥藥卷密度采用稱量法。稱取藥卷質量。用卡尺從藥卷一端的凹處至另一端的凹處測量藥卷的長度。倒凈紙筒中的炸藥，稱取紙筒質量。將紙筒壓扁，用鋼直尺測量距紙筒兩端各3 cm處的紙筒寬度，取其算術平均值即為藥卷半周長。藥卷密度按照一定公式計算。

1.2.2 爆速測試

爆速按照標準GB/T 13228—2015《工業(yè)炸藥爆速測定方法》進行測試。

隨機選擇密度接近的3支藥卷。利用游標卡尺確定的靶線安裝位置距離為60 mm，用鋼針將靶線垂直于藥卷軸線，并通過藥卷中心徑向穿透藥卷。在靠近鋼針處將漆包圓銅線剪斷，取下鋼針，并將兩根線頭分開。靶線的首、尾均折向藥卷尾端，并用膠布固定于試驗樣品，用砂紙磨掉引線接線端的絕緣漆，檢查爆速測量儀和電纜線完好。

在試驗現場按要求將靶線和電纜線連接，插入雷管，操作人員撤離至安全地方后，起爆炸藥并讀取數據。

1.2.3 作功能力測試

作功能力按照標準GB/T 12436—1990《炸藥作功能力試驗 鉛法》進行測試。

稱取炸藥試樣(10.00±0.01)g，裝入紙筒中，再放上帶孔圓紙板。將紙筒放在內徑為(24.5±0.1)mm的專用銅壓模中，用專用銅沖子(沖子中心有直徑7.5、高12 mm的突起部)將炸藥壓成中心有孔、裝藥密度在一定范圍內的藥柱。拔出沖子后，在中心孔內插入雷管殼。試驗時，再換上電雷管。將藥柱放入已知體積的鉛內后，加入石英砂進行起爆。

1.2.4 猛度測試

猛度按照標準GB/T 12440—1990《炸藥猛度試驗 鉛柱壓縮法》進行測試。

先將紙筒放入壓模中，然后稱取(50.0±0.1)g混合均勻的炸藥倒入紙筒中，再在炸藥上面放一帶孔圓紙板，用有雷管孔沖頭的沖子壓藥?？刂蒲b藥密度在一定范圍內。撥去沖子，在炸藥裝藥中心孔內插入雷管殼，插入裝藥中的深度為15 mm。然后退模，再將紙筒邊緣摺邊。共準備2個。將鋼底座放置在堅硬的基礎上，依次放置鉛柱(畫線端面朝下)、鋼片、炸藥裝藥，使系統(tǒng)在同一軸線上(目測)，并用繩將它們固定在鋼底座上。取出炸藥中心孔內的雷管殼，換上8＃瞬發(fā)電雷管，確保雷管垂直藥面，起爆炸藥。

依次測量爆炸前、后鉛柱的高度，結果以鉛柱高度的壓縮值來表示。

1.2.5 有毒氣體產量測試

有毒氣體產量按照標準GB 18098—2000《工業(yè)炸藥爆炸后有毒氣體含量的測定》進行測試。

稱取(110.0±0.5)g原裝藥卷。將雷管插入藥卷中央，深度為雷管全長的2/3。然后，裝入鋼炮內孔中。再稱取(300.0±0.5)g石英砂，自然填充在藥卷周圍與上部，雷管腳線分別接在兩個接線柱上。蓋緊爆炸彈筒蓋，啟動真空泵抽氣，至爆炸彈筒內剩余壓力不大于4.0 kPa時，停止抽氣。起爆炸藥。待爆炸彈筒內氣體冷卻到室溫后，讀取大氣壓力、室溫和U型水銀壓差計壓差。大氣壓力應進行溫度和緯度修正。用球膽收集氣體。用一氧化碳測試儀測氣體中一氧化碳CO的含量。對于氮氧化物，利用萘基鹽酸二氨基乙烯(化學純)、對氨基苯磺酰銨和酒石酸(GB/T 1294)按質量比為1∶4∶95混合的顯色劑顯色30 min后，在545 nm處測試其吸光度。

最后，根據標準曲線得出二氧化氮NO2的含量，從而計算出炸藥爆炸后生成的有毒氣體的總量。

2 結果與分析

表2為8種工業(yè)炸藥的性能測試結果。

2.1 藥卷密度

乳化炸藥的藥卷密度為1.10～1.13 g/cm3；而膨化硝銨炸藥的密度為0.80～0.82 g/cm3。從表2可知，乳化炸藥的藥卷密度比膨化硝銨炸藥高。這和炸藥的組成形態(tài)有關。乳化炸藥為油包水乳狀液，其組分及質量分數為:硝酸銨70%～85%，硝酸鈉5%～10%，水分8.0%～12.5%，油相及其他6%～8%[10]；膨化硝銨炸藥的組分及質量分數為:膨化硝銨80.0%～94.0%，油相(柴油、機械油、石蠟等)2.5%～5.0%，木 粉3.0%～5.5%，食 鹽8%～10%[11]。膨化硝銨炸藥的組分中，木粉及油相密度均??；雖然膨化硝銨通過硝酸銨改性增加了表面積，但縮小了密度；因此，乳化炸藥的藥卷密度遠大于膨化硝銨炸藥。

2.2 爆速

在Kamlet公式中，爆速與炸藥的裝藥密度和炸藥的特性值有關。在兩種不同類型的炸藥中，乳化炸藥的藥卷密度大于膨化硝銨炸藥。改性的膨化硝銨雖體現了其作為氧化劑的優(yōu)異性能，但由于其密度較低，且與可燃劑復合油、木粉物理混合，制備的膨化硝銨炸藥的爆速略低于乳化炸藥。

2.3 作功能力

從表2的測試數據可以直觀地看出，等級別的炸藥，膨化硝銨炸藥的作功能力優(yōu)于乳化炸藥。這和炸藥的成分有一定的關系。乳化炸藥中，除了硝酸銨和氧化劑外，含有大量的水分；在爆炸反應中，水的汽化會消耗部分反應熱量；因此，在一定程度上降低了爆炸的威力。由此體現出膨化硝銨炸藥的威力優(yōu)勢。

表2 炸藥部分性能測試結果Tab.2 Test results of explosive performances

2.4 猛度

猛度表示爆轟產物粉碎或破壞與其接觸(或接近)介質的能力，與爆轟波與介質的距離、爆速和作用時間有關[1]。表2的試驗結果對比可以看出，兩種類型炸藥的猛度中，乳化炸藥的較高。

2.5 有毒氣體產量

有毒氣體產量是指樣品爆炸后CO、氮氧化物的含量。通過測試，乳化炸藥的有毒氣體產量遠遠低于膨化硝銨炸藥。這與乳化炸藥中含有大量的水分有關。乳化炸藥爆炸后產生的氮氧化物，發(fā)生了化學反應:

因此，乳化炸藥爆炸后的氮氧化物的含量遠遠低于膨化硝銨炸藥。原因就在于乳化炸藥在爆炸瞬間產生的氮氧化物在高溫、高壓下被炸藥中的水吸收并進行化學反應，生成硝酸，從而減少了爆炸氣體產物中氮氧化物的含量。

分別對表2中的8種樣品進行有毒氣體產量測試，如表3所示。

表3 有毒氣體產量測試結果Tab.3 Test results of toxic gas output(L·kg-1)

3 探索研究

3.1 試驗內容

基于乳化炸藥和膨化硝銨炸藥配方不同，進行如下試驗:

在測試膨化硝銨炸藥有毒氣體產量時，起爆前在炮臼中加入水，通過對比加水前、后炸藥爆炸后有毒氣體生成量的變化，得到了一種降低膨化硝銨炸藥有毒氣體產量的方法。

3.2 試驗過程

稱取110.0 g原裝藥卷。將雷管插入藥卷中央，深度為雷管全長的2/3，然后裝入鋼炮內孔中。再稱取300.0 g石英砂，自然填充在藥卷周圍與上部，雷管腳線分別接在兩個接線柱上。蓋緊爆炸彈筒蓋，啟動真空泵抽氣，至爆炸彈筒內剩余壓力不大于4.0 kPa時停止抽氣。起爆炸藥，待爆炸彈筒內氣體冷卻到室溫后，讀取大氣壓力、室溫和U型水銀壓差計壓差。大氣壓力應進行溫度和緯度修正。使用專用球膽收集彈筒內氣體，收集前，使用彈筒內氣體清洗球膽2～3次，然后將球膽充滿氣體備用。

取40 mL氣體試樣，注入兩個裝有15 mL NO2吸收液的真空采樣瓶中。將氣體試樣經24 h氧化和吸收后，用于測定。準確吸取5 mL顯色劑溶液于采樣瓶中，以試劑空白溶液作參比，測定吸光度。根據吸光度在工作曲線上查得該試樣所對應的NO2的質量，然后換算成NO2體積分數。球膽中的氣體接入CO紅外測試儀，根據儀器讀數，得出CO含量。 對比試驗，炸藥原藥卷加入一層防水包裝，鋼炮的炮臼內孔中加入100 g水，其他操作同上。

通過以上測試得到的有毒氣體產量如表4所示。膨化硝銨炸藥爆炸前在炮臼中加入水后，有毒氣體產量由原來的32.0 L/kg降低到11.9 L/kg，大大地減少有毒氣體中的氮氧化物，驗證了2.5中的結論。

表4 加水前、后有毒氣體產量對比Tab.4 Comparison of toxic gas output before and after adding water(L·kg-1)

4 結論

乳化炸藥的藥卷密度比膨化硝銨炸藥高，相同級別的乳化炸藥的爆速及猛度高于膨化硝銨炸藥。因此，乳化炸藥更適用于硬巖爆破。膨化硝銨炸藥的作功能力較乳化炸藥高，更適用于大孔徑爆破。乳化炸藥有毒氣體產量明顯低于于膨化硝銨炸藥；其原因在于乳化炸藥中的水分有效地吸收了硝酸銨爆炸后產生的氮氧化物。