朱 晶,謝興華,顏事龍,吳紅波

(安徽理工大學(xué)化工學(xué)院, 安徽淮南 232001)

乳化基質(zhì)在炸藥動壓減敏作用中的影響

朱 晶,謝興華,顏事龍,吳紅波

(安徽理工大學(xué)化工學(xué)院, 安徽淮南 232001)

乳化炸藥在工程爆破中出現(xiàn)減敏現(xiàn)象,為研究這一現(xiàn)象用水作為傳壓介質(zhì),試驗中不斷變換主發(fā)藥包與次發(fā)藥包之間的距離,并且讓次發(fā)藥包在主發(fā)藥包水中爆炸產(chǎn)生的動壓作用下隨后起爆,觀測和分析次發(fā)藥包中乳化基質(zhì)的變化;試驗結(jié)果表明:隨著主發(fā)藥包與次發(fā)藥包之間距離不斷的減小,次發(fā)藥包受動態(tài)壓力不斷增大,次發(fā)藥包中乳化炸藥的爆轟性能也逐漸降低,次發(fā)藥包中乳化基質(zhì)的分散相的粒徑也逐漸增大,基質(zhì)的破乳、析晶現(xiàn)象越發(fā)明顯。

乳化炸藥; 基質(zhì); 動態(tài)壓力; 減敏

1 引言

1969年6月3日H.F.布盧姆(B1uhm)于美國專利3,447,978號中首次透露出一類水基硝銨類炸藥,即乳化炸藥。乳化炸藥泛指一類用乳化技術(shù)制備的油包水(W/O)乳膠型抗水工業(yè)炸藥,它是以氧化劑水溶液的細微液滴為分散相,懸浮在含有分散氣泡或空心玻璃微球或其它多孔性材料的似油物質(zhì)構(gòu)成的連續(xù)介質(zhì)中,形成一種油包水型特殊乳狀液,使其獲得了非常良好的抗水性能。

同時由于乳化炸藥中的氧化劑以細微液滴的分散相水溶液存在,氧化劑與可燃劑接觸面積增大并且以非常緊密的方式接觸,氧化劑和還原劑間的距離幾乎接近與單質(zhì)炸藥分子中氧化還原基團的距離,其起爆、傳爆及其爆轟性能明顯優(yōu)于其它工業(yè)炸藥接近于理想狀態(tài),是工業(yè)炸藥的發(fā)展方向。

然而也正是由于乳化炸藥這種比較特殊的油包水型乳化結(jié)構(gòu),當(dāng)外界壓力產(chǎn)生變化的同時炸藥內(nèi)部結(jié)構(gòu)就會因壓力的改變而隨之產(chǎn)生不同程度的變化,從而炸藥的密度和感度也會同時產(chǎn)生不同程度的變化。例如:在深水爆破中當(dāng)水的靜壓力超過一定值時就會使水下藥包的密度不斷增加,感度也隨之不斷下降;當(dāng)乳化炸藥體受到一個在極短時間內(nèi)發(fā)生變化的動態(tài)壓力作用時(比如沖擊波、應(yīng)力波、壓力脈沖等),炸藥的起爆感度就會下降更為明顯,甚至出現(xiàn)拒爆壓死現(xiàn)象;前者稱為乳化炸藥靜壓下的減敏效應(yīng),后者則稱為動壓下的減敏效應(yīng)。

在巖土和礦山爆破中常常使用微差起爆來減小爆破震動,首先起爆的炮孔會產(chǎn)生的沖擊波或應(yīng)力波,這些動態(tài)壓力會對臨近的尚未起爆的炮孔中的乳化炸藥裝藥產(chǎn)生作用,使其密度增大,感度大幅下降,發(fā)生減敏現(xiàn)象,在施工時容易出現(xiàn)不同程度半爆、拒爆等現(xiàn)象。通過對乳化炸藥的結(jié)構(gòu)分析,掌握動態(tài)壓力作用下乳化炸藥內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律,對乳化炸藥受壓后進行微觀結(jié)構(gòu)變化的比較,從乳化炸藥本身找出動態(tài)壓力下的減敏現(xiàn)象的原因,對乳化炸藥的進一步發(fā)展有著積極的作用。

2 乳化炸藥的減敏

通過對乳化炸藥的基本結(jié)構(gòu)及敏化方式的分析,可以初步判斷引起乳化炸藥減敏現(xiàn)象的主要原因是動態(tài)壓力對敏化氣泡載體的破壞。

敏化劑在乳化炸藥中形成的氣泡的尺寸在炸藥爆炸時容易形成熱點。當(dāng)動態(tài)壓力作用于乳化炸藥時,玻璃微球或膨脹珍珠巖會不同程度的發(fā)生破碎,其有效氣泡載體減少,而根據(jù)熱點原理,只有熱點尺寸相當(dāng)小時(例如<10-6m、即1μm以下)才能出現(xiàn)相當(dāng)高的溫度;而尺寸較大時,熱點的溫度較低;當(dāng)尺寸再大(>10-5m)甚至出現(xiàn)等溫壓縮,不會出現(xiàn)能導(dǎo)致強烈化學(xué)反應(yīng)的熱點,這些熱點只能引發(fā)炸藥的熱分解,最后直至消失也不會引發(fā)爆炸,最終炸藥發(fā)生減敏現(xiàn)象。吳紅波,顏事龍,劉鋒等人在《敏化劑類型對乳化炸藥減敏程度的影響》一文中針對這些現(xiàn)象已作了詳細的闡述。

同時在動壓作用下乳化炸藥中乳化基質(zhì)也會產(chǎn)生變化,動態(tài)壓力的作用可能會加速乳化基質(zhì)絮凝和聚結(jié)的過程,從而導(dǎo)致破乳現(xiàn)象的發(fā)生,同樣會產(chǎn)生減敏效應(yīng)。

為了解乳化基質(zhì)對動壓作用下乳化炸藥減敏程度的影響,并排除敏化劑減敏的干擾因素,可先將制備好的乳化基質(zhì)在不同的動態(tài)壓力下加壓,得到不同程度受壓已經(jīng)減敏的基質(zhì),然后將完好的敏化載體添加到其中制成乳化炸藥,將它們的爆炸性能與基質(zhì)未受壓的正常的乳化炸藥比較,同時對受壓后乳化基質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)進行顯微觀察,可以更直觀的體現(xiàn)乳化基質(zhì)對動壓作用下乳化炸藥減敏程度的影響作用的大小,對于進一步認識乳化炸藥減敏機理具有一定的意義。

3 實驗部分

3.1 實驗裝置

3.1.1 藥包的制備

藥包的制備分主發(fā)藥包和次發(fā)藥包,主發(fā)藥包為2 g鈍感RDX,次發(fā)藥包為10 g乳化炸藥。

主發(fā)藥包外殼由牛皮紙卷制而成,并進行了防水處理。裝藥長度為20mm,裝藥密度在1.05 g/cm3左右,長徑比約為20/30≈1.53<4,因而可看作集中藥包,如圖1所示。

圖1 主發(fā)藥包結(jié)構(gòu)示意圖

次發(fā)藥包用聚乙烯薄膜包裝,制成呈球體狀。因為聚乙烯薄膜比較柔軟,可以較敏感的感受外界壓力。但是在受到?jīng)_擊波作用之后,包裹乳化炸藥的聚乙烯薄膜厚度要適中,不能破裂,否則會使部分乳化炸藥散落在水中,從而造成藥量損失。

3.1.2 爆炸水池

爆炸水池是一個直徑5.5 m,深3.62 m,璧厚8 mm的鋼桶結(jié)構(gòu)。水池上方有一橫梁,橫梁上有一小型吊車,在電動機的帶動下吊車可以將安裝藥包的鐵架子運送到水下指定的位置。根據(jù)水池爆炸測試規(guī)程,為了消除來自水面和底部的邊界效應(yīng),將藥包置于水池軸心水深的2/3處,即水下2.4 m,如圖2、圖3所示。

圖2 測量系統(tǒng)

圖3 爆炸水池

3.1.3 水下測量設(shè)備

測量系統(tǒng)由HZP2型自由場壓電壓力傳感器、PEPG06高輸入阻抗放大器、美國Agilent公司生產(chǎn)的54845A型示波器,以及低噪聲電纜組成。

3.2 實驗步驟

水是均勻介質(zhì),能夠均勻傳遞壓力,且在水中沖擊波的衰減速度較快,對實驗室來說,以水為傳壓介質(zhì)是能夠較為逼真地模擬真實炮孔中炸藥所受的動態(tài)壓力的一種方法。

實驗利用主發(fā)藥包先在水中爆炸產(chǎn)生水中沖擊波,次發(fā)藥包在主發(fā)藥包產(chǎn)生的沖擊波預(yù)動壓作用下稍后起爆,通過變換兩者之間的距離觀測次發(fā)藥包的減敏現(xiàn)象。

實驗首先在鐵架上固定次發(fā)藥包的受壓距離,在鐵架子中央,務(wù)必使兩藥包中心處于同一水平線上,如圖4所示。

圖4 藥包受壓前后布置圖

在爆炸水池中先引爆主發(fā)藥包,爆炸沖擊波在水中瞬間傳播至次發(fā)藥包,對之產(chǎn)生沖擊壓縮作用,通過調(diào)整主、次發(fā)藥包之間的距離,來控制的次發(fā)藥包所受的沖擊波強度。

取出次發(fā)藥包,水浴加熱到50℃～60℃時加入敏化劑,插入一發(fā)8#雷管并重新固定在鐵架子上,與傳感器的距離確定為41.5 cm,在爆炸水池中引爆。傳感器捕捉到壓力信號,在示波器上顯示。壓力信號包括沖擊波和氣泡波,它們的主要性能參數(shù)都可以由示波器的自動測量系統(tǒng)測得。

為了便于比較,測試條件必須是相同的,包括藥包在水中的位置、裝藥量和測量距離等。因此,在同一組實驗中,次發(fā)藥包與壓力傳感器之間的距離應(yīng)該是固定不變的,這樣一來,捕捉到的沖擊波只會隨著藥包本身的爆炸性能的變化而變化。從而,通過沖擊波壓力信號的強弱,就可以比較藥包的爆炸威力和反應(yīng)程度。

確定次發(fā)藥包與傳感器之間的距離時,主要考慮了傳感器的性能和壓力信號的大小,在滿足測量要求的前提下,為保護壓力傳感器,延緩其使用壽命,應(yīng)該盡量將該距離確定得遠一些。同時,也減小了藥包尺寸對測量誤差的影響。實驗中,使用了同一型號的壓力傳感器,經(jīng)過多次試驗,確定了41.5 cm的測量距離,當(dāng)然在同組實驗中只能選擇一個距離。

同時在測量受壓藥包的沖擊波之前,先在同樣的測試條件下,分別測量同批未受壓的乳化炸藥和單獨一發(fā)8#工業(yè)電雷管的沖擊波,分別對應(yīng)于次發(fā)藥包全爆和被沖擊波壓死的情況。

3.3 實驗數(shù)據(jù)處理

從實驗測得的數(shù)據(jù)中可以很清楚的看出基質(zhì)未受壓的乳化炸藥的壓力峰值在130～140 mV之間,單發(fā)雷管的壓力峰值約為45.2 mV。而基質(zhì)受壓后的乳化炸藥,由于所受動態(tài)壓力的不斷增大其壓力峰也值由130 mV左右逐漸降至50 mV左右,即從近乎全爆狀態(tài)降至幾乎被沖擊波壓死的情況。實驗數(shù)據(jù)充分證明了乳化基質(zhì)對動壓作用下乳化炸藥減敏作用的影響程度。見表1、表2、表3。

表1 8#雷管標定(距離傳感器41.5 cm處測得)

表2 未受壓乳化炸藥爆炸威力的測試結(jié)果

表3 受動壓作用后乳化炸藥爆炸威力的測試結(jié)果(距離傳感器41.5 cm處測得)

3.4 實驗結(jié)果分析

動態(tài)壓力作用下,乳化基質(zhì)的連續(xù)相與分散相之間產(chǎn)生相對運動,分散相的平均曲率變小,在界面膜的某些部位分散相與分散相之間的油膜被擠出,分散相液滴發(fā)生聚結(jié),致使分散相變大,體系的均一性變差,對化學(xué)反應(yīng)極為不利。

在乳化炸藥整個體系中,作為的玻璃微球粒徑分布范圍為6.19～89.67μm,珍珠巖粒徑分布范圍為20～130μm,敏化載體中包含氣泡的尺寸一般小于100μm,而水相液珠的直徑一般小于6μm,油膜的厚度為10-3～10-2μm。所以說敏化載體大部分將以第三相的狀態(tài)存在于乳化炸藥中即大部分的敏化載體接觸的是油相,油相包裹著水相整個結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 受壓前的乳化炸藥的微觀結(jié)構(gòu)的接觸面示意圖

一般情況下乳化炸藥兩相界面的滲透壓為零,連續(xù)相既不會自發(fā)的流入,也不會自發(fā)地流出,處于一種極端平衡的狀態(tài),體系的穩(wěn)定性非常良好,但在諸如沖擊波的動態(tài)壓力的作用下,水相粒子聚結(jié)變大,使敏化載體與兩相液膜間的接觸面積變小,這時可能出現(xiàn)兩類情況,一是氣泡分散于油、水之間,一是氣泡直接接觸于水相,或直接分散于水相之中,如圖6所示。

圖6 受壓后的乳化炸藥的微觀結(jié)構(gòu)的接觸面示意圖

定義S為敏化載體與油水兩相界面的平均接觸面積,乳化炸藥的感度越高S越大。與受壓前乳化炸藥的分散結(jié)構(gòu)相比較就不難能夠得出S在減小。根據(jù)乳化炸藥的爆轟機理,S的減小同時導(dǎo)致了敏化載體形成熱點后引發(fā)兩相間化學(xué)反應(yīng)的效率降低,敏化載體相對尺寸的變化也導(dǎo)致了乳化炸藥爆轟性能的降低和減敏甚至拒爆現(xiàn)象的發(fā)生。

4 結(jié)論

在動態(tài)壓力作用下,乳化炸藥的基質(zhì)中分散相粒子的粒徑不斷變大,油相膜被擠出,致使水相的液滴也不斷聚結(jié)變大,從而導(dǎo)致體系的均一性變的非常之差,使兩相間的化學(xué)反應(yīng)速率大幅下降;同時由于乳化炸藥體系整體結(jié)構(gòu)的變化,敏化載體和油、水兩相界面膜的接觸面積逐漸變小,使得體系中形成的熱點引發(fā)油、水兩相間的化學(xué)反應(yīng)的效率大幅降低,于是減敏現(xiàn)象不可避免的出現(xiàn)。這兩個方面的原因也是導(dǎo)致了乳化炸藥減敏的重要因素。

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1671-4733(2011)01-0021-04

10.3969/j.issn.1671-4733.2011.01.007

2011-02-26

朱晶(1984-),女,浙江蘭溪人,碩士,研究方向為民用爆破器材,電話:13956433022。