靜壓作用下兩種敏化方式的乳化炸藥微觀結(jié)構(gòu)變化?

張海濤 劉 磊 彭云昆 王 遠(yuǎn)

①昆明理工大學(xué)國土資源學(xué)院(云南昆明，650093)

②云南安寧化工廠有限公司(云南昆明，650301)

引言

自20世紀(jì)70年代以來，乳化炸藥因其優(yōu)良的抗水和安全性能而被廣泛應(yīng)用于工程爆破作業(yè)中。但因?yàn)樽陨淼慕Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，乳化炸藥的性能受不同工況影響很大。尤其在水下工程作業(yè)中，隨外界壓力增大，乳化炸藥內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生很大變化，導(dǎo)致炸藥在起爆后常發(fā)生半爆、拒爆等現(xiàn)象。劉磊等[1-3]通過研究深水壓力下乳化炸藥的爆速、猛度等性能參數(shù)來表征乳化炸藥的靜壓減敏率，得出不同敏化方式的乳化炸藥的抗靜壓能力優(yōu)先順序?yàn)?玻璃球敏化、珍珠巖敏化、亞硝酸鈉敏化。張立等[4]利用靜水加壓實(shí)驗(yàn)?zāi)M含水深孔爆破，通過加壓前、后炸藥的爆速、猛度等參數(shù)變化來解釋炸藥在靜壓下的爆炸性能下降。汪泉等[5]對(duì)比研究了不同種類含水炸藥的爆炸能量。龔悅等[6]通過研究水下爆炸能量的大小來表征乳化炸藥動(dòng)壓減敏率，當(dāng)玻璃微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，爆炸輸出能量最大。司劍峰[7]在靜水、動(dòng)水、水下裸爆、水下鉆孔等不同條件下進(jìn)行現(xiàn)場測試，研究了水下炸礁工程爆破水擊波的特性及衰減規(guī)律。陳江濤等[8]使用水下爆炸能量法對(duì)炸藥爆轟性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出不同炸藥的性能優(yōu)先順序。郭亮[9]模擬深水下炸藥爆炸后爆轟波的壓力、波速、能量變化等數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在深水環(huán)境下，空心玻璃微珠會(huì)受到一定程度上的結(jié)構(gòu)破壞，使炸藥性能下降明顯。陳東梁等[10]使用激光粒度分析儀對(duì)乳化炸藥進(jìn)行動(dòng)壓處理，發(fā)現(xiàn)動(dòng)壓作用后乳化炸藥中敏化劑、乳化基質(zhì)均發(fā)生一定變化。張續(xù)等[11]將中空玻璃微球敏化的乳化炸藥置于靜壓環(huán)境下一段時(shí)間，發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間的增加，玻璃微球呈聚集狀態(tài)。然而，松本榮等[12]研究發(fā)現(xiàn)，乳化炸藥具有很強(qiáng)的復(fù)原性。劉磊[13]也通過研究乳化炸藥抗水、抗壓性能，提出乳化炸藥受靜壓作用后有較好的復(fù)原性。

研究乳化炸藥的抗靜壓性能必須在受壓狀態(tài)進(jìn)行。為更契合工程實(shí)際背景，并了解壓力對(duì)乳化炸藥的復(fù)原性的影響，需研究并觀察受壓環(huán)境下乳化炸藥的微觀變化。本文中，使用自制的壓力球罐以及生物顯微鏡對(duì)靜壓加載下的乳化炸藥減敏過程進(jìn)行追蹤研究，探討并分析靜壓過程下乳化炸藥的微觀減敏機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和過程

1.1 爆炸球罐和樣品制備

球罐總體呈圓柱狀，罐體最大直徑1.40 cm、高220 cm、筒壁厚2.2 cm、容積2 m3、工作壓力3.0 MPa。3個(gè)地腳與地面焊接。筒壁中央有4個(gè)連接窗口，窗口處由連接法蘭密封，符合HG/T 20592—2009標(biāo)準(zhǔn)。將顯微鏡與電腦安裝好，顯微鏡放入罐體中，并通過空壓機(jī)改變球罐內(nèi)的氣壓模擬深水靜壓環(huán)境。裝置示意圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental equipment

乳化基質(zhì)和亞硝酸鈉均由云南安寧化工廠有限公司提供，玻璃微球由河北昊星鉆井助劑有限公司提供。制作了兩種樣品，配方為(質(zhì)量分?jǐn)?shù)):

1)99.8%的乳化基質(zhì)+0.2%的亞硝酸鈉；

2)97.0%的乳化基質(zhì)+3.0%的玻璃微球。

1.2 顯微鏡設(shè)備及安裝

采用SG50-3A43L-A型生物顯微鏡，加設(shè)電子目鏡以及S-View配套軟件，以便在電腦端進(jìn)行圖像采集和處理。后期采用ImageJ軟件進(jìn)行圖片分析。電子目鏡外接電腦可觀測乳化炸藥受壓變化的全過程和卸壓后的復(fù)原性，通過保存圖片和錄像功能實(shí)時(shí)觀測并進(jìn)行數(shù)據(jù)保存。

2 結(jié)果和分析

通過前期實(shí)驗(yàn)可知:亞硝酸鈉(化學(xué))敏化的炸藥在0.3 MPa下發(fā)生半爆；玻璃微球(物理)敏化的炸藥在0.8 MPa下發(fā)生半爆。所以，壓力點(diǎn)取值具體方案如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)方案Tab.1 Experimental protocols

2.1 敏化劑微觀變化

圖2是玻璃微球在0、0.3、0.5、0.8 MPa下同一位置放大400倍的顯微拍攝圖。在圖2(a)中可以看出，未加壓時(shí)，玻璃微球均勻性一般，有部分玻璃微球不完整；當(dāng)壓力加到0.3 MPa時(shí)，有裂縫的玻璃微球開始碎裂，尺寸較小的微球有向大顆?？繑n現(xiàn)象，整體表現(xiàn)為性能較好狀態(tài)；當(dāng)壓力提升到0.5 MPa時(shí)，并沒有出現(xiàn)太多玻璃微球壓碎現(xiàn)象；0.8 MPa時(shí)，炸藥中玻璃微球大部分被壓碎，完整保存的不足1/3?？傮w上，玻璃微球在壓力為0~0.5 MPa之間時(shí)具有良好的抗靜壓性能；當(dāng)壓力超過0.5 MPa、達(dá)到0.8 MPa后，大量玻璃微球破裂，不再具備敏化效果。

圖2 玻璃微球微觀圖Fig.2 Microscopic images of glass microspheres

圖3分別為亞硝酸鈉在0、0.1、0.2、0.3 MPa及卸壓復(fù)原下同一位置放大400倍的顯微拍攝圖?；瘜W(xué)敏化中的氣泡是亞硝酸鈉經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)得到的。在0 MPa時(shí)，氣泡大小不一，小氣泡占大部分面積，形狀多呈圓形或橢圓形；在0.1 MPa下，氣泡開始慢慢變小，小氣泡有受壓移動(dòng)現(xiàn)象，并融入到附近大氣泡中；壓力達(dá)到0.2 MPa時(shí)，很多微小氣泡已經(jīng)很難測量，已經(jīng)不具備敏化條件；0.3 MPa下，超過90%以上的氣泡均形成微小的小點(diǎn)，均不具備敏化效果，但無明顯的氣泡破裂現(xiàn)象。對(duì)炸藥進(jìn)行卸壓處理后得到復(fù)原，見圖3(e)；此時(shí)，被壓縮的氣泡恢復(fù)到一定粒徑，由于受到外界壓力作用，炸藥中的小氣泡融入到較大氣泡中，使得氣泡粒徑的均一性比加壓之前更好，氣泡形狀也更加規(guī)則，呈自然球形。

圖3 亞硝酸鈉氣泡微觀圖Fig.3 Microscopic images of sodium nitrite bubbles

2.2 粒徑分析

分別觀察亞硝酸鈉(化學(xué))敏化和玻璃微球(物理)敏化的乳化炸藥在不受壓、受壓時(shí)和受壓后3個(gè)狀態(tài)下敏化劑的變化，并使用ImageJ軟件分析圖片，得到兩種敏化方式下各狀態(tài)測得的微粒參數(shù)，如表2所示。

表2 兩種敏化方式下乳化炸藥靜壓加載微粒參數(shù)Tab.2 Static pressure loading particle parameters of emulsion explosive sensitized by two methods

圖4給出了靜壓加載條件下乳化炸藥化學(xué)敏化氣泡粒徑及數(shù)量的變化。隨著外界壓力的增加，敏化氣泡的粒徑逐漸變小。但壓力不同，粒徑變小的速率也不同；壓力越大，粒徑下降的斜率也越大，最終導(dǎo)致氣泡無法形成有效熱點(diǎn)，炸藥發(fā)生半爆或拒爆。當(dāng)外加壓力卸載，氣泡粒徑逐漸恢復(fù)。從圖4可以看出:復(fù)原后的乳化炸藥中氣泡粒徑達(dá)到20 μm的數(shù)量為76個(gè)，占總數(shù)的50.66%；30μm左右的數(shù)量為27個(gè)，占總數(shù)的18.00%；所以，粒徑在20～30μm左右的氣泡個(gè)數(shù)占總數(shù)的68.66%，與未加壓前相比，復(fù)原后的粒徑大小更加均勻。

圖4 不同壓力條件下亞硝酸鈉敏化氣泡數(shù)量與粒徑的關(guān)系Fig.4 Relationship between numbers and particle sizes of bubbles produced by sodium nitrite sensitization under different pressure conditions

圖5中:0、0.3、0.5 MPa下，玻璃微球的分布沒有太大差異；但0.3 MPa與0 MPa時(shí)相比，相同粒徑的微球數(shù)量略微減少。分析原因，是因?yàn)橛猩俨糠植Ａ⑶蛲暾炔桓?，有微小裂縫或外殼尺寸薄厚不均勻；在壓力達(dá)到0.3 MPa時(shí)被壓碎，但并不影響乳化炸藥整體的爆轟性能。0.5 MPa時(shí)的數(shù)據(jù)與0.3 MPa時(shí)并無太大區(qū)別，說明完整的玻璃微球具有良好的抗壓性能。當(dāng)壓力達(dá)到0.8 MPa時(shí)，大部分玻璃微球發(fā)生破碎，這是導(dǎo)致在較大壓力下乳化炸藥減敏的主要原因。如圖5所示，釋放壓力后，玻璃微球數(shù)量并沒有增加，說明玻璃微球的破碎是不可逆的。

圖5 不同壓力條件下玻璃微球數(shù)量與粒徑的關(guān)系Fig.5 Relationship between numbers and partical sizes of glass microsphere under different pressure conditions

2.3 復(fù)原性實(shí)驗(yàn)

為了檢驗(yàn)上述兩種敏化方式乳化炸藥的復(fù)原性，進(jìn)行了加壓前、后乳化炸藥的猛度和爆速實(shí)驗(yàn)。猛度測量采用鉛柱壓縮法，取高度為60 mm的鉛柱標(biāo)準(zhǔn)件以及制作好待測的乳化炸藥樣品，質(zhì)量為50 g；炸藥爆速的測試方法參考國標(biāo)GB/T13228—2015實(shí)驗(yàn)方法。

為了減少人為因素對(duì)乳化炸藥復(fù)原性的影響，實(shí)驗(yàn)前，將準(zhǔn)備好需要測量爆速和猛度的炸藥試樣部分進(jìn)行加壓處理?；瘜W(xué)敏化的乳化炸藥加壓到0.3 MPa、復(fù)原2 h后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；物理敏化的乳化炸藥加壓到0.8 MPa、復(fù)原2 h后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。每組實(shí)驗(yàn)測量3次，結(jié)果取平均值，如表3所示。

從表3中可以看出:卸壓復(fù)原后與加壓前相比，化學(xué)敏化乳化炸藥爆速與猛度相差不大，有略微的能量升高現(xiàn)象，爆速升高了75 m/s，但在可接受誤差范圍之內(nèi)；物理敏化的乳化炸藥爆速降低了1 510 m/s，鉛柱壓縮量降低了7.06 mm。

表3 加壓前、后乳化炸藥的爆炸性能參數(shù)Tab.3 Explosion performance parameters of emulsion explosives before and after pressurization

2.4 受壓減敏原因分析

亞硝酸鈉和玻璃微球分別通過化學(xué)反應(yīng)生成微小氣泡和中空微囊引入炸藥，使炸藥通過氣泡敏化產(chǎn)生爆轟感度，并調(diào)節(jié)了炸藥的密度。通過實(shí)時(shí)觀察靜壓下乳化炸藥微觀變化的每一步，得出化學(xué)敏化和物理敏化的乳化炸藥減敏方式各有不同，從表觀上分析，都是因?yàn)榧訅簳r(shí)有效氣泡載體數(shù)量減少，導(dǎo)致熱點(diǎn)減少，炸藥減敏。不同點(diǎn)在于:

1)化學(xué)敏化從最初受外界靜壓作用時(shí)就表現(xiàn)出小氣泡聚集，大氣泡壓縮面積減小，最后形成一個(gè)微小氣泡，此時(shí)小氣泡內(nèi)壓強(qiáng)與氣泡外壓強(qiáng)相等；卸壓過程中，被壓縮的微小氣泡逐漸變大、擴(kuò)張，形成標(biāo)準(zhǔn)的球形氣泡?；瘜W(xué)敏化乳化炸藥在加壓和復(fù)原的過程中，大部分氣泡加壓時(shí)受外壓作用慢慢縮小，增大內(nèi)部壓強(qiáng)平衡外部加壓，卸壓后隨著外部壓強(qiáng)減小，調(diào)節(jié)自身大小以減小內(nèi)部壓強(qiáng)，達(dá)到平衡。玻璃微球敏化的乳化炸藥在壓力0.5 MPa時(shí)，多數(shù)敏化顆粒保持原有的形狀；當(dāng)壓力增大到0.8 MPa時(shí)，大部分被壓碎；由于壓碎的玻璃微球不可恢復(fù)，所以復(fù)原后并沒有加壓前性能好。從本質(zhì)上講，化學(xué)敏化氣泡與物理敏化微球是不相同的，化學(xué)敏化氣泡是塑性的氣泡內(nèi)、外壓強(qiáng)相同的熱點(diǎn)，物理敏化微球是剛性的不具有復(fù)原能力的熱點(diǎn)。

2)化學(xué)敏化的乳化炸藥中，隨著壓力增加，乳化基質(zhì)有明顯的破乳和分散不均勻現(xiàn)象。分析原因，是由于壓力作用使得分散相受力不均造成的。物理敏化的乳化炸藥同樣也存在上述破乳現(xiàn)象，但觀察發(fā)現(xiàn)，隨著壓力的增大，玻璃微球破碎，破碎后的玻璃微球周圍破乳現(xiàn)象更加明顯。分析原因，可能是當(dāng)玻璃微球被壓碎后會(huì)產(chǎn)生部分帶有尖刺的碎屑，在壓力的作用下，碎屑會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移，刺破周圍油相結(jié)構(gòu)，最終導(dǎo)致破乳現(xiàn)象明顯。

3 結(jié)論

為研究受壓狀態(tài)下乳化炸藥中敏化劑微觀變化的全過程，自行設(shè)計(jì)微觀加壓觀察系統(tǒng)，得出以下結(jié)論:

1)化學(xué)敏化和物理敏化的減敏均是有效熱點(diǎn)減少和乳化基質(zhì)破乳共同作用的結(jié)果。但兩者有效熱點(diǎn)減少的方式不同，且破乳程度也有部分差異。

2)化學(xué)敏化氣泡并不會(huì)產(chǎn)生破裂，而是通過調(diào)節(jié)自身尺寸大小控制氣泡內(nèi)部壓強(qiáng)，達(dá)到內(nèi)、外壓強(qiáng)平衡，較小的氣泡則通過界面膜作用融合到大氣泡中；復(fù)原后，敏化氣泡略顯均勻，但對(duì)爆炸性能并沒有多大影響。

3)物理敏化在0~0.3 MPa之間時(shí)，劣質(zhì)的玻璃微球會(huì)受壓產(chǎn)生破裂。優(yōu)質(zhì)的玻璃微球可承受0.5 MPa的外加壓力。0.8 MPa時(shí)，玻璃微球大部分被壓碎，與初始數(shù)量相比減少2/3，且卸壓后不可復(fù)原。