膨脹珍珠巖對(duì)乳化炸藥爆轟性能的影響研究

摘 要：本文對(duì)采用膨脹珍珠巖物理敏化的乳化炸藥進(jìn)行研究，從膨脹珍珠巖的含量、粒度、憎水性不同維度分別對(duì)乳化炸藥進(jìn)行爆速、猛度測(cè)試分析，探究珍珠巖的敏化機(jī)理作用，分析研究珍珠巖對(duì)乳化炸藥爆轟感度的影響。膨脹珍珠巖在乳化基質(zhì)中的含量宜控制在2.4％～3％，乳化炸藥具有良好的起爆感度，藥態(tài)軟硬適中。膨脹珍珠巖的粒度（20目～80目）應(yīng)≧80%，粒度越大，顆粒越均勻，平均顆粒越細(xì)，炸藥中的敏化有效氣泡含量越多，珍珠巖的有效利用率也越高，炸藥的爆速、猛度、殉爆距離都在增加。

關(guān)鍵詞：膨脹珍珠巖；珍珠巖含量；珍珠巖粒度；爆轟感度

中圖分類號(hào)：TQ 56 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

乳化炸藥是用乳化技術(shù)制備的一種W/O油包水的膠狀、具有抗水性的工業(yè)炸藥，與粉乳炸藥、銨油炸藥、銨梯炸藥等其他工業(yè)炸藥相比，具有爆轟性能好、抗水性強(qiáng)的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工程爆破中。為了確保乳化藥具有良好的爆轟感度，通常需要對(duì)其進(jìn)行敏化，在乳膠基質(zhì)中引入許多分布均勻的微小氣泡作為密度調(diào)節(jié)劑，在受到外界起爆能量后，這些微小氣泡被絕熱壓縮，在10-3s～10-5s被迅速急劇加熱升溫，形成400℃～600℃的熱點(diǎn)，從而激發(fā)乳化炸藥發(fā)生爆炸。

目前，國(guó)內(nèi)主要的乳化炸藥敏化技術(shù)分為化學(xué)敏化、物理敏化?；瘜W(xué)敏化法是將磷酸、檸檬酸等泡助劑或促進(jìn)劑與乳化基質(zhì)中的硝酸銨進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，分解產(chǎn)生微小氣泡；物理敏化是將珍珠巖、玻璃微球等帶有微小氣孔的固體顆粒通過機(jī)械攪拌的方式混入乳膠基質(zhì)中，使乳化基質(zhì)能夠含有數(shù)量一定且分布均勻的微小氣泡。本文主要以膨脹珍珠巖物理敏化的方式進(jìn)行研究。

1 膨脹珍珠巖的物理特性

膨脹珍珠巖是一種火山噴發(fā)的酸性玻璃質(zhì)巖石，屬于非金屬礦產(chǎn)，因其具有珍珠裂隙結(jié)構(gòu)而得名。由于在1000℃～1300℃高溫條件下其體積迅速膨脹4～30倍，因此統(tǒng)稱為膨脹珍珠巖。珍珠巖又分為膨脹珍珠巖和閉孔珍珠巖。閉孔珍珠巖是采用電爐加熱等方式，對(duì)珍珠巖礦砂的梯度加熱和滯空時(shí)間進(jìn)行精確控制，使珍珠巖礦砂表面溶融，氣孔封閉，內(nèi)部呈蜂窩狀結(jié)構(gòu)。

膨脹珍珠巖的生產(chǎn)工藝如下。1）預(yù)熱。根據(jù)產(chǎn)地、粒度大小的不同，珍珠巖礦砂在250℃～400℃的溫度環(huán)境下預(yù)熱2min～8min，預(yù)熱脫干含水率將達(dá)到膨脹要求。2）膨脹。預(yù)熱后的礦砂經(jīng)投料裝置均勻?yàn)⑾驕囟缺３衷?00℃～1200℃的火焰上，礦砂將被急劇加熱并迅速膨脹至原來體積的10～30倍，膨脹后的珍珠巖顆粒呈白色或淺灰色，內(nèi)部含有蜂窩狀結(jié)構(gòu)，松散密度一般為40kg/m3～80kg/m3。本文主要研究閉孔型膨脹珍珠巖，閉孔珍珠巖克服了傳統(tǒng)膨脹珍珠巖吸水率大、強(qiáng)度低、流動(dòng)性差、導(dǎo)熱系數(shù)高的弊端，延伸了膨脹珍珠巖的應(yīng)用領(lǐng)域。作為物理敏化劑，敏化效果好、價(jià)格低廉、運(yùn)輸方便，被廣泛應(yīng)用于乳化炸藥物理敏化生產(chǎn)工藝[1]。

膨脹珍珠巖用于乳化炸藥物理敏化，其主要技術(shù)參數(shù)如下。1）主要化學(xué)組分是SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO。2）外觀。內(nèi)部為蜂窩狀多空隙結(jié)構(gòu)的白色松散顆粒。3）水分小于或等于2%（冷卻珍珠巖）。4）導(dǎo)熱系數(shù)為0.04W/（m·K）～

0.07W/（m·K）。5）堆積密度（容重）小于或等于65kg/m3，憎水型珍珠巖大于或等于75kg/m3。6）粒度為0.824～0.257（20目～80目，大于或等于80%）。

2 膨脹珍珠巖的敏化機(jī)理作用

調(diào)節(jié)乳化炸藥的整體密度。膨脹珍珠巖是一種白色多孔性顆粒狀材料，粒徑約為100μm，密度為氧化劑水溶液的十幾分之一，密度低，化學(xué)穩(wěn)定性較好，作為密度調(diào)整劑，在乳膠基質(zhì)中添加2%～4%就可以有效改善乳化炸藥的密度。

作為物理敏化劑，使乳化炸藥的感度敏化。膨脹珍珠巖通過物理敏化的方式，可以在乳化基質(zhì)中均勻分布，形成大量微小氣泡，有助于形成爆炸熱點(diǎn)，使炸藥發(fā)生劇烈氧化還原反應(yīng)，可以起到非常良好的敏化作用，能夠有效改善炸藥的爆轟敏感度、爆炸性能。

珍珠巖是一種多功能添加劑，可以穩(wěn)定乳化基質(zhì)。由于珍珠巖的粒徑為100μm～300μm，而乳化基質(zhì)的水相粒子直徑為0.1μm～1μm，油相油膜厚度為10-3μm～10-2μm，因此加入珍珠巖后，可以使表面與乳化基質(zhì)的油滴緊密結(jié)合，且不吸油，起到穩(wěn)定劑的作用，讓炸藥可以保持長(zhǎng)期整體穩(wěn)定均勻，不破乳，提高炸藥儲(chǔ)存期性能[2]。

3 試驗(yàn)方案

3.1 乳化炸藥的爆速測(cè)定-測(cè)時(shí)儀法（電測(cè)法）

3.1.1 方法原理

工業(yè)炸藥爆速測(cè)試系統(tǒng)原理組成的框圖如圖1所示。原理是記錄固定距離內(nèi)爆轟波傳遞到達(dá)后熔斷探針的時(shí)間，然后根據(jù)爆轟波傳遞的距離和時(shí)間就可以得到炸藥的爆速。

試驗(yàn)采用雙股緊密纏繞的漆包銅線作為探針靶線（信號(hào)接收端），固定兩端靶線之間的距離插入待測(cè)炸藥中。炸藥起爆后，爆轟波在炸藥中傳播，爆轟產(chǎn)生的高溫將探針靶線融化斷路，測(cè)試儀記下2段靶線斷路的時(shí)間差t，由于靶線間的距離L為固定已知值，根據(jù)爆速測(cè)定公式即可得出炸藥的爆速。

3.1.2 試驗(yàn)儀器、設(shè)備與材料

試驗(yàn)場(chǎng)地：試驗(yàn)銷毀塔，最大試驗(yàn)藥量1200g。

試驗(yàn)儀器與材料：本次試驗(yàn)儀器采用湖南湘西奇搏礦山儀器廠制造的BSW-3A型智能五段爆速儀（測(cè)試精度大于0.1μs）；乳化炸藥單次試驗(yàn)樣品400g；高精度感應(yīng)探針（0.10mm～0.15mm，銅芯漆包線）；不銹鋼游標(biāo)卡尺（分度值0.01mm）；電子天平（精度0.5g）；鋼板直尺（500mm，分度值1mm）；起爆器材（瞬時(shí)數(shù)碼電子雷管）。

3.1.3 試驗(yàn)步驟

按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行乳化炸藥抽樣，隨機(jī)抽取外觀無明顯變形、長(zhǎng)度不小于18cm、直徑為32mm的藥卷作為試驗(yàn)樣品。在試驗(yàn)樣品上取一段距離L=50mm處徑向平行的點(diǎn)位作為探測(cè)點(diǎn)，準(zhǔn)備2條銅芯漆包線作為待測(cè)探針靶線。

將銅芯靶線穿過徑向平行的探測(cè)點(diǎn)，將銅線拉直，以確保炸藥內(nèi)的靶線為一條直線。之后確保每條探針靶線的2股銅絲相互斷路。

對(duì)測(cè)試儀電路系統(tǒng)進(jìn)行“斷、通”檢查，以確保測(cè)試儀可以接收爆速測(cè)試時(shí)的電信號(hào)；將2根靶線按照爆轟波傳播順序與測(cè)試儀信號(hào)接收順序?qū)?yīng)后連接靶線與測(cè)試儀電路。

在測(cè)試儀上設(shè)置爆速靶距L為50mm。在試驗(yàn)樣品的爆速測(cè)量端插入數(shù)碼電子雷管，深度適中。用導(dǎo)線將數(shù)碼電子雷管與起爆器連通，使用起爆器引爆，引爆完成后將導(dǎo)線斷開與雷管線的連接并短接，讀取測(cè)試儀的數(shù)據(jù)。

3.1.4 爆速數(shù)據(jù)處理

根據(jù)公式（1）計(jì)算各段爆速值Di。

（1）

式中：Di為第i段測(cè)量爆速；L為測(cè)試距離；Ti為爆速儀測(cè)量第i段時(shí)間差值。

根據(jù)公式（2）計(jì)算均值。

（2）

式中：為爆速均值；n為測(cè)試數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

根據(jù)公式（3）計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差S（S一般取1～2位有效位數(shù)）。

（3）

3.2 乳化炸藥的猛度測(cè)試

3.2.1 測(cè)試方法原理

乳化炸藥猛度炸藥爆炸時(shí)粉碎與其接觸介質(zhì)的能力叫做炸藥猛度，炸藥猛度是炸藥使用性能中最重要的一個(gè)特性，與炸藥的破甲作用、粉碎作用都有密切關(guān)系，其大小取決于炸藥釋放氣體產(chǎn)物的猛烈程度。

炸藥爆炸后，爆轟波傳播途中釋放大量氣體，釋放出來的大量氣體在鋼管的約束作用下對(duì)其下方的鉛柱進(jìn)行壓縮，因此可用鉛柱被壓縮值來直觀表現(xiàn)炸藥的猛度。

3.2.2 儀器、設(shè)備與材料

鉛柱（500℃高溫熔鑄制成直徑為30mm、高為50mm的圓柱）；高精度電子天平（精度為0.01g）；游標(biāo)卡尺分度值（精度為0.02mm）；測(cè)試鋼片（優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼制成）；壓模（黃銅制成）；鉛柱鋼底座；帶孔園紙板（厚度為1.5mm～2.0mm，外徑為（39.5±0.2）mm，孔徑為（7.5±0.1）mm；紙筒（將牛皮紙裁成長(zhǎng)150mm、寬65mm的長(zhǎng)方形，粘成內(nèi)徑為40mm的圓筒）；瞬發(fā)電子雷管。

3.2.3 試驗(yàn)步驟

試樣準(zhǔn)備：稱取質(zhì)量為（50.0±0.1）g的乳化炸藥樣品倒入紙筒中，然后將紙筒放在專用銅模具中，壓?？刂茖⑷榛ㄋ幍难b藥密度調(diào)整為（1.00±0.03）g/cm3，再放上帶孔圓紙板，在帶孔圓紙板中心孔內(nèi)插入雷管殼，插入乳化炸藥的深度為16mm，然后退出模具，按照使用密度進(jìn)行試驗(yàn)。

測(cè)量鉛柱：在引柱的水平面上，穿過鉛柱中心標(biāo)記十字線，并標(biāo)明序列號(hào)。在距離交叉線和交點(diǎn)10mm處，標(biāo)記交叉線，用游標(biāo)卡尺沿交叉線測(cè)量該線（精確至0.02mm）。游標(biāo)卡尺的末端應(yīng)延伸到交叉線上。4次測(cè)量的算術(shù)平均值作為測(cè)試前鉛柱高度的平均值h（精確至0.01mm）。

爆轟測(cè)試：將鋼底座水平放置在混凝土厚度不小于100mm的硬基礎(chǔ)上，然后放置引柱（拉線端向下）、鋼板、炸藥，使整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)在同軸線上固定在鋼底座上，取出雷管殼體，用數(shù)碼電子雷管起爆，乳化炸藥猛度測(cè)定實(shí)際裝配如圖2所示。

計(jì)算猛度：首先，清理爆炸后的鉛柱表面，用游標(biāo)卡尺沿壓縮表面標(biāo)記橫線，重測(cè)四點(diǎn)高度（精確至0.02mm），試驗(yàn)后取鉛柱高度的平均值h1（精確到0.01mm）。

鉛柱壓縮值如公式（4）所示。

Δh=h0-h1 （4）

式中：Δh為鉛柱橫截面的壓縮值；h0為爆炸前鉛柱橫截面平均高度；h1為爆炸后鉛柱橫截面平均高度。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 膨脹珍珠巖含量對(duì)乳化炸藥爆轟感度的影響

為研究對(duì)不同膨脹珍珠巖含量對(duì)乳化炸藥密度變化及其爆炸性能穩(wěn)定性的影響，試樣所用的乳化炸藥的配方如下：硝酸銨74%、硝酸鈉7%、水10%、復(fù)合蠟4%、乳化劑2%。用物理敏化的方式，敏化溫度控制在50.5℃～51.5℃，通過添加1.5%、2%、2.4%、3%、3.5%、4%含量的膨脹珍珠巖進(jìn)行生產(chǎn)，制得的乳化炸藥樣品試驗(yàn)結(jié)果見表1。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在基礎(chǔ)配方不變的情況下，膨脹珍珠巖的含量對(duì)乳化炸藥的藥密度及其穩(wěn)定性的影響很大。當(dāng)膨脹珍珠巖的含量低于1.5%時(shí)，對(duì)乳化炸藥的密度調(diào)節(jié)不夠，導(dǎo)致密度過大，炸藥單位體積中的有效氣泡數(shù)量減少，炸藥受絕熱壓縮產(chǎn)生的熱點(diǎn)也將減少，當(dāng)受到爆轟波沖擊壓縮作用導(dǎo)致的爆溫減少時(shí)，爆轟波反應(yīng)速率減緩，炸藥爆速、穩(wěn)定性明顯降低，感度低，必須用8號(hào)雷管才能起爆。

膨脹珍珠巖在乳化炸藥的組分含量控制為2.2%～3.6%時(shí)，對(duì)乳化炸藥密度的調(diào)節(jié)較好，乳化基質(zhì)中的有效微氣泡增多，有利于提升乳化炸藥爆速、爆轟感度，性能也更穩(wěn)定。尤其是3%含量的珍珠巖，6個(gè)月儲(chǔ)存期爆速可保持在4500m·s-1以上，爆轟感度較高，4號(hào)雷管可以起爆。

但是膨脹珍珠巖屬于惰性材料，當(dāng)含量超過4%時(shí)，對(duì)乳化炸藥的爆速、爆轟感度都有不良影響，特別是6個(gè)月儲(chǔ)存期后，爆速、爆轟感度性能衰減劇烈，甚至出現(xiàn)半爆、拒爆。

經(jīng)過我公司長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐，膨脹珍珠巖的含量宜控制在2.4％～3％（外加），乳化炸藥的起爆高度較高，用4號(hào)雷管可以起爆，炸藥總體性能最好，質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)成本低。

4.2 膨脹珍珠巖粒度對(duì)乳化炸藥爆轟感度的影響

為研究對(duì)膨脹膨脹珍珠巖粒度對(duì)乳化炸藥密度變化及其爆炸性能穩(wěn)定性的影響，保證乳化炸藥的基礎(chǔ)配方組分、質(zhì)量分?jǐn)?shù)不變，用40～80目粒度的珍珠巖物理敏化，敏化溫度控制在50.5℃～51.5℃，裝藥、包裝保持不變，生產(chǎn)乳化炸藥，制得的炸藥樣品試驗(yàn)結(jié)果見表2。

試驗(yàn)表明，膨脹珍珠巖的粒度對(duì)乳化炸藥的密度和爆轟感度也有明顯的影響。珍珠巖粒度為40～90，隨著珍珠巖的粒度越大，顆粒越均勻，平均顆粒越細(xì)，乳化炸藥中的敏化有效氣泡含量越多，珍珠巖的有效利用率也越高，乳化炸藥的爆速、猛度、殉爆距離都在增加，爆轟感度越高。乳化炸藥在受到?jīng)_擊波絕熱壓縮時(shí)，形成熱點(diǎn)數(shù)量越多，因此要求膨脹珍珠巖的80%顆粒度直接應(yīng)控制在250μm～300μm，可以有效提高爆炸性能和爆轟感度。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，用珍珠巖物理敏化方式，可以使珍珠巖顆粒與乳化基質(zhì)進(jìn)行均勻混合，形成相對(duì)均勻分布的W/O乳膠體系，在相同乳化基質(zhì)密度下，比較細(xì)粒的膨脹珍珠巖，大顆粒的膨脹珍珠巖（粒度小于40）的孔隙直徑比小顆粒大，敏化攪拌時(shí)磨損越多，灰分增加，其有效氣泡數(shù)少，不利于起爆，雷管感度低，爆速低，爆轟性能降低，甚至可能出現(xiàn)拒爆現(xiàn)象。

炸藥中敏化氣泡的數(shù)量隨珍珠巖粉顆粒數(shù)量增加而增加，所以在一定范圍內(nèi)珍珠巖粉的顆粒越細(xì)，炸藥中的敏化氣泡數(shù)量越多，炸藥的感度也就越高。在同樣的密度下，大顆粒的珍珠巖粉的總孔隙體積比小顆粒大，但其孔隙數(shù)少，這對(duì)起爆是不利的。此外，它對(duì)水膠炸藥的抗水性和凝膠的連續(xù)性都有不良的影響。因此要求珍珠巖粉的顆粒直徑不大于300μm，90%的顆粒尺寸為200μm～300μm[3]。

4.3 膨脹珍珠巖堆積密度、憎水性對(duì)乳化炸藥爆轟感度的影響

珍珠巖的容重、增水量是衡量珍珠巖產(chǎn)品質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo)，與珍珠巖的材質(zhì)以及顆粒度、堆積密度相關(guān)，也反映了珍珠巖添加到乳化基質(zhì)中的封閉的有效氣泡數(shù)量，具體的試驗(yàn)結(jié)果見表3。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在確保珍珠巖組分及粒度一致的情況下，當(dāng)容重為40kg/m3～80kg/m3時(shí)，隨堆積密度增大，珍珠巖內(nèi)所含的有效氣泡逐漸增多，與乳化基質(zhì)敏化攪拌越均勻，敏化效果好，爆速越高，猛度越高，乳化炸藥的爆轟性能越好。珍珠巖堆積密度過低（lt;30kg/m3）、過高（gt;80kg/m3），珍珠巖所含的有小氣泡反而減少，物理敏化攪拌時(shí)，氣泡破壞較大，爆速、猛度也會(huì)降低。經(jīng)過長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐，珍珠巖的堆積密度宜控制在50kg/m3～60kg/m3，珍珠巖的有效利用率最高，爆轟性能好，生產(chǎn)成本低。

由上述試驗(yàn)可知，膨脹珍珠巖的憎水量對(duì)爆轟性能的影響不明顯。但是使用憎水性能較好的珍珠巖可以有效避免乳化基質(zhì)、游離水進(jìn)入珍珠巖空隙中，減少破乳現(xiàn)象，提高炸藥的性能穩(wěn)定性[4]。

5 結(jié)語

本文基于同一配方、乳化生產(chǎn)工藝技術(shù)生產(chǎn)的乳化炸藥，從膨脹珍珠巖的含量、粒度、憎水性不同維度分別進(jìn)行爆速、猛度測(cè)試分析，得出以下研究結(jié)論。1）膨脹珍珠巖在乳化基質(zhì)中的含量宜控制在2.4％～3％（外加），乳化炸藥具有良好的起爆感度，藥態(tài)軟硬適中。當(dāng)含量超過4%時(shí)，對(duì)乳化炸藥的爆速、爆轟感度都有不良影響，可能拒爆。2）膨脹珍珠巖的粒度（20～80目）應(yīng)≧80%，粒度越大，顆粒越均勻，平均顆粒越細(xì)，炸藥中的敏化有效氣泡含量越多，珍珠巖的有效利用率也越高，炸藥的爆速、猛度、殉爆距離都在增加，爆轟感度也越高。3）膨脹珍珠巖的堆積密度宜控制在50kg/m3～60kg/m3，珍珠巖的有效利用率最高，爆轟性能好。珍珠巖堆積密度過低（lt;30kg/m3）、過高（gt;80kg/m3）都有可能導(dǎo)致乳化炸藥拒爆。4）使用憎水性能較好的珍珠巖可以有效避免乳化基質(zhì)、游離水進(jìn)入珍珠巖空隙中，減少破乳現(xiàn)象，提高炸藥的性能穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

[1]汪旭光.乳化炸藥理論[M].北京：兵器工業(yè)出版社，2008.

[2]孟自立.空心玻璃微珠在乳化炸藥中的應(yīng)用[J].爆破器材，1999，28（4）：16-18.

[3]賈進(jìn)寶，劉正凱.膨脹珍珠巖在含水炸藥中應(yīng)用的研究[J].礦冶工程，1987，7（1）：3-7.

[4]周世武.憎水型膨脹珍珠巖在乳化炸藥中應(yīng)用研究.[J].荊門職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，15（3）：26-28.