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(jī)理

周?chē)?guó)安，馬宏昊，2，沈兆武，楊 明，黃澤春，胡立鵬

(1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國(guó)科學(xué)院材料力學(xué)行為和設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230027；2. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)單、應(yīng)用方便可靠等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)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(duì)固定而具有單一的爆速和猛度。

實(shí)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(yīng)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(rèn)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(zhǎng)期使用這種惰性添加劑會(huì)帶來(lái)土壤鹽堿化等問(wèn)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(chǔ)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(cè)定了其爆速和猛度，并通過(guò)水下爆炸試驗(yàn)測(cè)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(yīng)用提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

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?jǐn)?shù))[12]為：NH4NO3，75%；NaNO3，10%；C18H38，4%；C12H26，1%；C14H44O6，2%；H2O，8%；玻璃微球(HGM)，美國(guó)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(cè)量?jī)x，南京理工大學(xué)民用爆破器材研究所；GZX-9030 MBE型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海博迅實(shí)業(yè)有限公司；PCB-W138 A25 ICP型水下壓力傳感器，美國(guó)PCB Piezotronics公司；Tektronix 7401型示波器，美國(guó)泰克公司。

1.2 新型乳化炸藥的制備

乳化炸藥配方見(jiàn)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(guò)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(cè)試

采用數(shù)字式測(cè)速儀測(cè)量爆速，將乳化炸藥密實(shí)地裝入PVC塑料管中，測(cè)量時(shí)將爆速測(cè)量?jī)x的時(shí)基調(diào)至0.1μs。探針的一頭插入實(shí)驗(yàn)樣品中，另一頭接入爆速測(cè)量?jī)x。當(dāng)爆轟波經(jīng)過(guò)探針時(shí)，高溫高壓的環(huán)境使得探針外部的漆層發(fā)生電離，其導(dǎo)通狀態(tài)由斷變?yōu)橥ǎM(jìn)而被爆速儀記錄，詳見(jiàn)圖1。

依照國(guó)標(biāo)GB/T12440-1990，采用鉛柱壓縮法測(cè)量猛度。為了方便裝藥，整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置約束在硬紙片(弱約束體系)中。實(shí)驗(yàn)時(shí)在標(biāo)準(zhǔn)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(cè)量鉛柱的壓縮量，作為猛度的表征。

1.4 水下爆炸實(shí)驗(yàn)

水下爆炸實(shí)驗(yàn)在一個(gè)直徑(D)5m、高(H)5m的圓柱形開(kāi)口爆炸罐中進(jìn)行，見(jiàn)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(cè)得壓力信號(hào)后，經(jīng)信號(hào)調(diào)節(jié)器處理再由示波器顯示并存儲(chǔ)。

2 結(jié)果與討論

2.1 玻璃微球和黏土顆粒含量對(duì)乳化炸藥爆速和猛度的影響

乳化炸藥爆速及猛度實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)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(shì)，結(jié)果如圖3所示。

表2 乳化炸藥爆速和猛度的實(shí)驗(yàn)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(guò)Origin 2017軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合，提出該新型乳化炸藥在黏土顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)0～20%、玻璃微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%～15%時(shí)爆速、猛度的經(jīng)驗(yàn)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?jǐn)?shù)。兩式的Adj.R-Square分別為0.9985、0.9899。

由公式(1)、(2)可知，在實(shí)驗(yàn)條件下，黏土顆粒質(zhì)量分?jǐn)?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?jǐn)?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(diǎn)模型[13]可知，爆轟反應(yīng)過(guò)程中釋放的化學(xué)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(yīng)相關(guān)的惰性系數(shù)；n為爆轟產(chǎn)物的比熱容；Q為反應(yīng)過(guò)程中釋放的化學(xué)能，MJ/kg。

結(jié)合公式(1) ～ (3)可知，在實(shí)驗(yàn)比例下，黏土顆粒和玻璃微球的加入導(dǎo)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(yīng)過(guò)程中，黏土顆粒和過(guò)量的玻璃微球都只起惰性添加劑的作用，減少了爆轟反應(yīng)過(guò)程中釋放的總化學(xué)能Q。

2.2 爆轟機(jī)理分析

根據(jù)熱點(diǎn)理論[13]，當(dāng)爆轟波波陣面掠過(guò)玻璃微球時(shí)，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(gè)高溫高壓的“熱點(diǎn)”，進(jìn)而引發(fā)附近可爆組分的化學(xué)反應(yīng)，為爆轟波進(jìn)一步傳播提供能量。研究表明[14]，當(dāng)乳化炸藥的爆速穩(wěn)定在3000m/s左右時(shí)，爆轟波波后化學(xué)反應(yīng)區(qū)寬度約為2.0mm，且爆轟波波速隨著波后化學(xué)反應(yīng)區(qū)寬度的增加而下降。

而對(duì)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(guò)量的玻璃微球)的加入，為了保證波后化學(xué)反應(yīng)區(qū)內(nèi)的有效熱點(diǎn)數(shù)量一致，以提供足夠的能量繼續(xù)傳爆下去，波后化學(xué)反應(yīng)區(qū)的寬度被迫拓寬，可認(rèn)為是黏土顆粒的阻隔效應(yīng)；另一方面，由于黏土顆粒多空疏松的特性，在疏遠(yuǎn)了相鄰“有效熱點(diǎn)”距離的同時(shí)，勢(shì)必會(huì)吸收部分爆轟波能量。此時(shí)，爆轟波穩(wěn)定傳播需要更多的“有效熱點(diǎn)”為其提供能量，進(jìn)而波后化學(xué)反應(yīng)區(qū)的寬度進(jìn)一步拓寬，可認(rèn)為是黏土顆粒的吸收效應(yīng)。而波后化學(xué)反應(yīng)區(qū)寬度愈寬，意味著充分反應(yīng)的時(shí)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、猛度隨黏土顆粒或玻璃微球含量的改變而顯著改變。在實(shí)際應(yīng)用中，可通過(guò)改變?nèi)榛ㄋ幹叙ね令w?；虿Ａ⑶虻暮縼?lái)調(diào)節(jié)其爆轟參數(shù)。

2.3 黏土顆粒和玻璃微球含量對(duì)水下爆炸實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

水下沖擊波的沖量I可由式(4)計(jì)算：

(4)

式中：p(t)為壓力時(shí)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(shí)間；e為數(shù)學(xué)常量，約為2.71828。

比沖擊波能(Es)由式(5)計(jì)算：

(5)

式中：dt為實(shí)驗(yàn)樣品到壓力傳感器的距離，m；W為實(shí)驗(yàn)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(jì)算：

(6)

式中：tb為第一次氣泡脈動(dòng)時(shí)間，s；C、K1為依賴于

實(shí)驗(yàn)條件的常數(shù)，可分別由公式(7)、(8)計(jì)算：

C=b/a2

(7)

(8)

其中：a、b由式(9)通過(guò)最小二乘法計(jì)算[15]；ph為實(shí)驗(yàn)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(jì)算：

E=Ks(μEs+Eb)

10)

式中：Ks為實(shí)驗(yàn)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(guò)程中的壓力損失，可由式(11)計(jì)算：

(11)

其中：pC-J為爆轟過(guò)程中的C-J壓力值，GPa，可由式(12)計(jì)算：

(12)

式中：ρ為實(shí)驗(yàn)樣品的密度，kg/m3；D為不同樣品的實(shí)測(cè)爆速，m/s。

綜上，水下爆炸的峰值壓力及其他各項(xiàng)爆炸參數(shù)的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，圖4為水下爆炸試驗(yàn)測(cè)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(duì)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(dāng)黏土顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0增至10%(No.8)時(shí)，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(dāng)黏土顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由10%增至20%(No.9)時(shí)，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?jǐn)?shù)由0增至10%時(shí)，主要通過(guò)降低乳化炸藥的比氣泡能來(lái)降低其水下爆炸的總能量，而峰值壓力幾乎沒(méi)有下降。而當(dāng)黏土顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)由10%增加到20%時(shí)，水下爆炸比沖擊波能Es的下降超過(guò)了其比氣泡能Eb的下降，而此時(shí)峰值壓力pm也開(kāi)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(gè)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(jìn)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(duì)爆轟過(guò)程中釋放的沖擊波的吸收效應(yīng)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(yīng)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(duì)環(huán)境無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)用于爆炸焊接及光面爆破等領(lǐng)域。

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

(3)從傳爆機(jī)理來(lái)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(xì)觀機(jī)理可從阻隔效應(yīng)和吸收效應(yīng)兩個(gè)方面予以解釋。

(4)水下爆炸實(shí)驗(yàn)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(dāng)黏土顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)20%時(shí)，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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