復(fù)合敏化乳化炸藥的壓力減敏*

王尹軍,李玉景,甘德淮

(1.北京礦冶研究總院,北京100044;2.貴州開源爆破工程有限公司,貴州 貴陽(yáng)551400;3.廣東省力拓民爆器材廠,廣東 韶關(guān)512146)

1 引 言

乳化炸藥的壓力減敏是指在毫秒延時(shí)爆破作業(yè)中,先爆炮孔產(chǎn)生的沖擊波或應(yīng)力波對(duì)后爆炮孔裝藥的動(dòng)態(tài)壓縮作用引起的乳化炸藥爆炸威力下降或拒爆等現(xiàn)象。由于炮孔拒爆會(huì)影響工程進(jìn)度和施工安全,因此引起了研究者的重視,如M.S.Wieland[1-2]、T.Matsuzaw a 等[3]、松本榮等[4]、米悉爾·德米西等[5]、張少波等[6]、顏事龍等[7]和王尹軍等[8]分別作了研究。有研究者認(rèn)為敏化劑的抗壓性能決定著乳化炸藥能夠抵抗多大的外界壓力,抗壓性能越大,乳化炸藥越不易發(fā)生壓力減敏。例如空心玻璃微球的抗壓性能比膨脹珍珠巖大,用前者敏化的乳化炸藥比用后者敏化的乳化炸藥具有更高的抗沖擊波性能[9]。但是,王尹軍等[10]在對(duì)乳化炸藥的壓力減敏進(jìn)行長(zhǎng)期研究后發(fā)現(xiàn),敏化劑的抗壓性能對(duì)乳化炸藥的壓力減敏并不起決定作用,主要與敏化劑的添加量、顆粒大小、分布密度和表面性質(zhì)等有關(guān)。例如微小氣泡的抗壓性能比空心玻璃微球小,但較少含量微小氣泡敏化的乳化炸藥壓力減敏度小于空心玻璃微球敏化的乳化炸藥[11]。復(fù)合方式敏化是出于多方面考慮而被乳化炸藥生產(chǎn)廠家經(jīng)常采用的,因此研究復(fù)合方式敏化的乳化炸藥壓力減敏,既有實(shí)際意義又對(duì)揭示乳化炸藥的壓力減敏機(jī)理有幫助。

本文中借助水下爆炸測(cè)試技術(shù),利用炸藥的水下爆炸沖擊波峰值計(jì)算乳化炸藥的壓力減敏度,以壓力減敏度為表征方法研究“化學(xué)發(fā)泡+空心玻璃微球”和“空心玻璃微球+膨脹珍珠巖”2 種復(fù)合方式敏化的乳化炸藥壓力減敏,分別與單一敏化乳化炸藥的壓力減敏度進(jìn)行比較,并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

2 實(shí) 驗(yàn)

為便于敘述,將不同配方的乳化炸藥進(jìn)行編號(hào),各編號(hào)的乳化炸藥是在相同的乳膠基質(zhì)內(nèi)分別外加一定質(zhì)量比例的敏化劑制得,乳化炸藥的編號(hào)和配方見表1,表中w 表示質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在安徽理工大學(xué)專用鋼制爆炸水池中測(cè)得,水池直徑5.5 m、水深3.62 m、壁厚8 mm。試樣入水深度2.4 m,距傳感器15 cm。在相同實(shí)驗(yàn)條件下,分別測(cè)試未受壓乳化炸藥和與主發(fā)藥包相距不同距離受沖擊波作用后的乳化炸藥試樣的爆炸沖擊波峰值。主發(fā)藥包由3 g RDX 壓制而成,受試藥包為10 g 乳化炸藥(用塑料皮包裹),主發(fā)藥包只用于產(chǎn)生對(duì)受試藥包作用的沖擊波,而不是測(cè)試目標(biāo),測(cè)試數(shù)據(jù)均為受試藥包的水下爆炸沖擊波和氣泡參數(shù)。

表1 乳化炸藥編號(hào)與配方Table 1 The serial number and formula of the emulsion explosive

受試乳化炸藥的壓力減敏度由下式計(jì)算[12-13]

式中:di為乳化炸藥的壓力減敏度,i 為乳化炸藥的編號(hào),p 為乳化炸藥未受壓時(shí)的爆炸沖擊波峰壓,pl為乳化炸藥受壓后的爆炸沖擊波峰壓,l 為受壓距離,pc為相同實(shí)驗(yàn)條件下一發(fā)8#工業(yè)電雷管的爆炸沖擊波峰壓。

表2 給出所有乳化炸藥未受壓時(shí)的爆炸沖擊波波峰U 和氣泡脈動(dòng)周期值T,其中乳化炸藥1、2 分別為2 次測(cè)試的平均值,其余均為3 次測(cè)試的平均值。表3 為所有乳化炸藥受壓后的爆炸沖擊波波峰和氣泡脈動(dòng)周期測(cè)試結(jié)果,均為2次實(shí)驗(yàn)的平均值。壓力減敏度的計(jì)算值見表4。

表2 未受壓時(shí)乳化炸藥的爆炸沖擊波波峰和氣泡脈動(dòng)周期測(cè)試結(jié)果Table 2 The test results of the values of the explosion wave crest and air bubble pulse period of the emulsion explosives not pressed by shock wave

表3 受壓后乳化炸藥的爆炸沖擊波波峰和氣泡脈動(dòng)周期測(cè)試結(jié)果Table 3 Test results of the values of the explosion wave crest and air bubble pulse period of the emulsion explosives after pressed by the host charge's shock wave

表4 壓力減敏度計(jì)算結(jié)果Table 4 Reults of the pressure desensitization degrees

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 第1 種復(fù)合方式

在同一坐標(biāo)系上繪出乳化炸藥1 ～3 的壓力減敏度與受壓距離的關(guān)系曲線,如圖1 所示。從圖1 中曲線可以看出,乳化炸藥3 比乳化炸藥1 的壓力減敏度小很多,以10 cm 受壓距離為例,乳化炸藥1 的壓力減敏度為1.000,而乳化炸藥3 的僅為0.210。比較乳化炸藥2、1 的曲線可以看到,受壓距離小于15 cm 時(shí),2 種乳化炸藥的壓力減敏度幾乎一樣(見表4 中相關(guān)數(shù)據(jù)),只是在20 ～25 cm 的受壓距離之間炸藥2 比炸藥1 的壓力減敏度大。可見,復(fù)合敏化的乳化炸藥1壓力減敏度介于單一敏化的乳化炸藥2、3 之間,而與乳化炸藥2 比較接近。

采用“空心玻璃微球+化學(xué)發(fā)泡”復(fù)合敏化時(shí),敏化劑的總量(0.15%H發(fā)泡劑+2%空心玻璃微球)比分別采用空心玻璃微球(2%)和H 發(fā)泡劑(0.15%)的單一敏化劑要多。相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用單一敏化劑敏化時(shí)乳化炸藥的壓力減敏度隨敏化劑含量增加而上升[14]。而上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果中盡管復(fù)合敏化劑的總量大于單一的敏化劑,但是壓力減敏度介于單一敏化的乳化炸藥之間。從圖1 中曲線相對(duì)位置可以看出,在這種復(fù)合方式中該乳化炸藥的壓力減敏度基本上取決于敏化氣泡。

觀察受沖擊波作用后的乳化炸藥藥包,化學(xué)氣泡敏化的乳化炸藥與受壓前比較已看不出明顯的氣泡,而空心玻璃微球敏化的乳化炸藥變化不明顯。從敏化劑的抗壓性能角度考慮,氣泡的抗壓性能較后者差,在外壓作用下容易發(fā)生壓縮變形,那么上述復(fù)合方式敏化的乳化炸藥1 的壓力減敏度就應(yīng)該與空心玻璃微球敏化的乳化炸藥3 接近。但是,該結(jié)論與上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果正好相反,這說(shuō)明該復(fù)合方式敏化的乳化炸藥抗壓性能并不取決于抗壓性能較高的敏化劑。

分析空心玻璃微球與化學(xué)氣泡的差別,主要有:抗壓性能前者高于后者、微球粒度比一般氣泡尺寸小且均勻、氣泡體積受發(fā)泡劑的添加量影響、氣泡易于變形和發(fā)生位移等。具體地講,空心微球的粒度小而分布范圍較窄,化學(xué)氣泡的尺寸受發(fā)泡劑含量與發(fā)泡效果的影響而沒有微球那樣穩(wěn)定,尤其是當(dāng)發(fā)泡劑含量較大時(shí)易生成體積較大的氣泡。生產(chǎn)實(shí)踐表明[15],均勻細(xì)小的敏化氣泡對(duì)于保證乳化炸藥性能是必要的,體積過(guò)大或過(guò)小的氣泡對(duì)形成熱點(diǎn)均不利。乳化炸藥2、3 壓力減敏度的差別應(yīng)該與化學(xué)氣泡的體積較大及其易變性有一定的關(guān)系?？梢韵胂?在沖擊波作用下,乳化炸藥內(nèi)部的微小氣泡被壓縮和產(chǎn)生遷移,并造成部分氣泡聚集,使得有效的敏化氣泡數(shù)量減小。當(dāng)受壓后的乳化炸藥被引爆時(shí),其內(nèi)部的熱點(diǎn)減小,爆炸性能降低。但這樣來(lái)解釋上述復(fù)合敏化的乳化炸藥1 就行不通了,因?yàn)槠鋬?nèi)2%的空心玻璃微球并沒有減少。乳化炸藥1 中空心玻璃微球的含量與乳化炸藥3 相同,在相同的沖擊波強(qiáng)度作用下,空心微球的破壞程度應(yīng)該是相同的,即使乳化炸藥1 內(nèi)的氣泡被完全破壞也應(yīng)該與乳化炸藥3 的爆炸性能比較相近,表現(xiàn)出比較相近的壓力減敏度,但這與上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果相違背。可見,僅從敏化劑的抗壓性能及其破壞角度來(lái)解釋上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果是不夠的。

分析認(rèn)為,敏化劑均勻分布于乳化炸藥內(nèi)部之后形成無(wú)數(shù)個(gè)敏化劑顆?；驓馀菖c乳膠基質(zhì)的微界面,當(dāng)沖擊波對(duì)乳化炸藥作用時(shí),在微界面產(chǎn)生的效應(yīng)使附近的乳膠基質(zhì)局部破乳[16-17]。由于這種破乳狀態(tài)只存在于敏化劑顆?；驓馀葜車⒅鼑饋?lái),這種狀態(tài)下氧化劑(水相)與還原劑(油相)的接觸面積大大減小而不利于爆炸化學(xué)反應(yīng)的激發(fā),因此相當(dāng)于在“熱點(diǎn)”周圍形成了一層純感物質(zhì)。在這種情況下,即使形成的“熱點(diǎn)”溫度、個(gè)數(shù)和尺寸與受壓前一樣,乳化炸藥的爆炸性能也會(huì)受到影響。換言之,即使空心玻璃微球或化學(xué)氣泡未受破壞,在其形成“熱點(diǎn)”后由于局部破乳的存在,乳化炸藥的爆炸性能也會(huì)下降。

基于以上分析,上述圖1 中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可作如下解釋:

(1)敏化劑方面。由于空心玻璃微球體積小而均勻,在沖擊波作用下很難在乳化炸藥內(nèi)產(chǎn)生位移,加上其較高的抗壓性能使得變形和破壞較難,對(duì)于保證乳化炸藥受沖擊波作用之后有效“熱點(diǎn)”的形成有益;相對(duì)來(lái)說(shuō),化學(xué)氣泡容易變形,尤其是氣泡的體積較大、數(shù)量較多時(shí),化學(xué)氣泡在沖擊波作用下會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)、變形和匯聚等,使形成有效“熱點(diǎn)”的數(shù)量減少。

圖1 乳化炸藥1～3 的壓力減敏度與受壓距離關(guān)系曲線Fig.1 Curves betw een the pressure desensitization degrees of the emulsion explosives 1 3 and the pressed spacing

(2)局部破乳。暫且不考慮乳化炸藥內(nèi)部微界面處的局部破乳與敏化劑微粒尺寸、表面性能和硬度等的關(guān)系,可以認(rèn)為一定的沖擊波強(qiáng)度作用下,在玻璃微球表面形成的局部破乳層的厚度h 是一定的,沖擊波強(qiáng)度越大h 的值越大,一般情況下相鄰2 微粒的h 值之和小于2 個(gè)敏化劑顆粒表面的間距d,即2h ＜d,對(duì)于化學(xué)氣泡亦如此。但由于化學(xué)氣泡的遷移,使得破乳范圍會(huì)隨著氣泡的移動(dòng)而擴(kuò)展到相鄰微粒間的未破乳區(qū)域。因此,上述復(fù)合敏化乳化炸藥的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可解釋為:在強(qiáng)沖擊波作用下,由于敏化氣泡的遷移,破乳的范圍延伸到空心玻璃微球附近,使得空心玻璃微球附近原本未破乳或破乳程度較小的乳膠粒子破乳程度加大,這樣就使得乳化炸藥壓力減敏度比單一的空心玻璃微球敏化時(shí)大得多。和單一空心玻璃微球敏化的乳化炸藥相比,此種情況下即使玻璃微球的破壞程度是相同的,形成的“熱點(diǎn)”尺寸、溫度和數(shù)量不變,但由于局部破乳的范圍擴(kuò)大而使得爆轟反應(yīng)不易于激發(fā),從而降低了“熱點(diǎn)”的有效性,使得壓力減敏度非常接近于單一化學(xué)氣泡敏化的結(jié)果;當(dāng)沖擊波強(qiáng)度較小時(shí),氣泡遷移的距離變小,局部破乳的范圍相應(yīng)減小,由于空心玻璃微球表面附近形成的破乳層厚度h 減小,比單一化學(xué)氣泡敏化的乳化炸藥能夠提供更多的有效“熱點(diǎn)”,因而其爆炸性能優(yōu)于單一的0.15%H 發(fā)泡劑敏化的乳化炸藥,壓力減敏度隨即下降。

3.2 第2 種復(fù)合方式

圖2 為乳化炸藥4 ～6 的壓力減敏度與受壓距離的關(guān)系曲線。從圖2中曲線可清楚地看出,壓力減敏度從大到小的排列順序?yàn)槿榛ㄋ?、4、6?？梢?采用“2%膨脹珍珠巖+1%空心玻璃微球”復(fù)合敏化,比分別采用3%空心玻璃微球和3%膨脹珍珠巖單一敏化的乳化炸藥抗沖擊波能力大。

另外,從圖1、2 中還發(fā)現(xiàn),受壓距離分別為30、20 cm 時(shí),乳化炸藥1、5、6 的壓力減敏度有所增加。這種情況在作者所做的其他實(shí)驗(yàn)中也少量存在,即在一條曲線中有個(gè)別測(cè)試點(diǎn)的減敏度出現(xiàn)略微大于相鄰測(cè)試點(diǎn)的情況,但隨著受壓距離的繼續(xù)增加,減敏度均會(huì)繼續(xù)下降,直到接近于0,類似圖1 中炸藥2 受壓距離為25 cm 的結(jié)果。由于本文2 組實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)這種情況比較明顯的2 個(gè)點(diǎn)均為每組實(shí)驗(yàn)中受壓距離最大者,因此這個(gè)趨勢(shì)未表現(xiàn)出來(lái)。大量實(shí)驗(yàn)表明,產(chǎn)生這種情況的測(cè)試點(diǎn)只是個(gè)別的一兩個(gè)點(diǎn),整體的規(guī)律性還是明顯的。至于產(chǎn)生的原因,在此不再做深入分析。

采用“膨脹珍珠巖+空心玻璃微球”復(fù)合敏化的乳化炸藥,敏化劑的總量(2%的膨脹珍珠巖+1%的空心玻璃微球)與分別采用膨脹珍珠巖(3%)和空心玻璃微球(3%)單一敏化劑的含量是一樣的。從圖2 中可以看出,這種復(fù)合方式在總含量不變的情況下,乳化炸藥6 的壓力減敏度小于其他單一敏化的乳化炸藥4、5,以10 cm 受壓距離為例,乳化炸藥4、5、6 的壓力減敏度分別為0.274、0.618、0。敏化劑含量與乳化炸藥壓力減敏度關(guān)系的測(cè)試結(jié)果表明:膨脹珍珠巖含量為2%比含量為3%的乳化炸藥壓力減敏度小,空心玻璃微球含量為2%比3%小,且含有2%膨脹珍珠巖的乳化炸藥比含有3%空心玻璃微球的乳化炸藥壓力減敏度小[14]。由此可見,第2 種復(fù)合方式敏化的乳化炸藥的壓力減敏度主要取決于所含的單一敏化劑。

同樣采用上述方法來(lái)分析,圖2 所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可解釋為:

(1)敏化劑?？招牟Ａ⑶蚺c膨脹珍珠巖相比,前者粒徑小,抗壓強(qiáng)度較高,后者正好相反且表面粗糙,不像前者圓潤(rùn)光滑。例如:本實(shí)驗(yàn)所用的秦皇島玻璃微珠廠的產(chǎn)品,粒徑范圍10 ～25 μm,抗壓強(qiáng)度1.5～2.5 MPa;河南省新鄭市洪興珍珠巖廠的產(chǎn)品,抗壓強(qiáng)度最大只有0.9 MPa 左右。在相同的沖擊波強(qiáng)度作用下,空心玻璃微球的破壞程度小于膨脹珍珠巖,這就是圖2 中乳化炸藥4 壓力減敏度小于乳化炸藥5 的主要原因。

(2)局部破乳。由于膨脹珍珠巖表面粗糙且顆粒尺寸較大(0.18 ～0.9 mm),在其周圍的局部破乳層厚度h 會(huì)較大,且在實(shí)驗(yàn)中觀察到膨脹珍珠巖也有遷移的跡象,類似于化學(xué)氣泡。因此,含3%膨脹珍珠巖的乳化炸藥在沖擊波作用下,局部破乳范圍大于含2%膨脹珍珠巖的乳化炸藥。在單個(gè)顆粒的局部破乳層厚度h 相同的前提下, 1%空心玻璃微球產(chǎn)生的局部破乳量遠(yuǎn)小于3%空心玻璃微球。綜合作用結(jié)果就使得這種復(fù)合方式敏化的乳化炸藥壓力減敏度小于相同含量單一敏化的其他2 種乳化炸藥。

圖2 乳化炸藥4～6 的壓力減敏度與受壓距離關(guān)系曲線Fig.2 The curve betw een the pressure desensitization degrees of the emulsion explosives 4 6 and the pressed spacing

綜合上述2 種復(fù)合方式的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,復(fù)合敏化的乳化炸藥抗壓性能總體上優(yōu)于單一敏化的乳化炸藥,在實(shí)際應(yīng)用中不失為一個(gè)改善乳化炸藥抗壓性能的技術(shù)手段。

4 結(jié) 論

(1)復(fù)合敏化的乳化炸藥壓力減敏度根據(jù)復(fù)合方式不同而有所差異。采用“空心玻璃微球+化學(xué)發(fā)泡劑”復(fù)合敏化的乳化炸藥,其壓力減敏度介于單一敏化的乳化炸藥之間,而與采用相同含量的發(fā)泡劑敏化的乳化炸藥比較接近;采用“2%膨脹珍珠巖+1%空心玻璃微球”復(fù)合敏化時(shí),比分別采用3%空心玻璃微球和3%膨脹珍珠巖敏化的乳化炸藥,壓力減敏程度小。因此,采用復(fù)合方式敏化可作為改善乳化炸藥的抗壓性能或降低壓力減敏作用的一種技術(shù)手段。

(2)只有將敏化劑微?；蛭馀莸目箟盒阅芗霸馄茐某潭扰c敏化劑微粒周圍乳膠基質(zhì)的局部破乳兩方面結(jié)合起來(lái),才能解釋復(fù)合敏化乳化炸藥的壓力減敏現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這是因?yàn)?敏化劑的破壞影響“熱點(diǎn)”的溫度、數(shù)量和尺寸,但局部破乳現(xiàn)象降低了“熱點(diǎn)”激發(fā)乳化炸藥爆炸反應(yīng)的敏感度,或者說(shuō)提高了對(duì)“熱點(diǎn)”的要求,從而相對(duì)地使有效“熱點(diǎn)”的數(shù)量減少。兩方面的作用效果是一致的,均影響乳化炸藥爆轟反應(yīng)的激發(fā)和傳播。

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