以黏土颗粒为惰性剂的低爆速乳化炸药爆炸性能及爆轰机理

周国安，马宏昊，2，沈兆武，杨 明，黄泽春，胡立鹏

(1.中国科学技术大学中国科学院材料力学行为和设计重点实验室，安徽 合肥 230027；2. 中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽 合肥 230027)

引 言

乳化炸药作为工业炸药的重要组分之一，具有制备简单、应用方便可靠等特点，广泛应用于煤矿冶金、石油地质、交通水电、控制爆破等领域[1-4]。作为非理想爆轰的典型代表，常用的乳化炸药(包括粉状乳化炸药、胶体乳化炸药等)因其组分相对固定而具有单一的爆速和猛度。

实际使用中，为了获得特定的爆轰性能，需要向乳化炸药中添加一些添加剂，包括惰性稀释剂、密度调节剂等，以改变其爆炸参数用于诸如爆炸焊接、爆炸喷涂、金属爆炸成型等特殊领域。就爆炸焊接领域使用的惰性添加剂而言，工业食盐(也作为消焰剂应用于煤矿许用炸药)、碳酸钙颗粒、高分子材料或金属粉等占很大的比例[5-10]，而这些添加剂都有着各自的使用缺陷。Shvedov等[9]认为矿山爆破、爆炸焊接等领域所使用的大多数乳化炸药是以工业食盐为惰性添加剂的乳化炸药，而长期使用这种惰性添加剂会带来土壤盐碱化等问题[11]；张虎等[10]提出在乳化炸药中加入铝粉以降低其爆速，但需使用金属粉作为惰性添加剂，增加了成本，不利于其推广。

基于此，本研究在传统胶体乳化炸药(玻璃微球敏化)的基础上，以黏土颗粒作为惰性添加剂，制备出一种新型乳化炸药，测定了其爆速和猛度，并通过水下爆炸试验测得其爆轰参数，以期为乳化炸药在金属爆炸焊接及光面爆破等领域的应用提供参考。

1 实 验

1.1 材料与仪器

胶体乳化基质，淮南舜泰化工有限公司，配方(质量分数)[12]为：NH4NO3，75%；NaNO3，10%；C18H38，4%；C12H26，1%；C14H44O6，2%；H2O，8%；玻璃微球(HGM)，美国3M公司，密度0.14 g/cm3、平均粒径100 μm；黏土颗粒，自制。

2BS-110型多段智能爆速测量仪，南京理工大学民用爆破器材研究所；GZX-9030 MBE型电热恒温鼓风干燥箱，上海博迅实业有限公司；PCB-W138 A25 ICP型水下压力传感器，美国PCB Piezotronics公司；Tektronix 7401型示波器，美国泰克公司。

1.2 新型乳化炸药的制备

乳化炸药配方见表1。

表1 乳化炸药配方Table 1 Different formulas of emulsion explosives

首先，将普通黏土剔除明显的石子、瓦砾，按质量比约1∶12掺于水中，搅拌成泥浆后静置2～3d。除去水面杂质，取出水底充分沉降后的黏土，经0.125mm的筛子除杂过筛后，干燥备用。再将加入玻璃微球后的胶体乳化基质置于温度约70℃的烘箱内，保温近10min后取出，加入不同含量的黏土颗粒，混合均匀后得到新型乳化炸药。

1.3 爆速及猛度测试

采用数字式测速仪测量爆速，将乳化炸药密实地装入PVC塑料管中，测量时将爆速测量仪的时基调至0.1μs。探针的一头插入实验样品中，另一头接入爆速测量仪。当爆轰波经过探针时，高温高压的环境使得探针外部的漆层发生电离，其导通状态由断变为通，进而被爆速仪记录，详见图1。

依照国标GB/T12440-1990，采用铅柱压缩法测量猛度。为了方便装药，整个实验装置约束在硬纸片(弱约束体系)中。实验时在标准铅柱(直径40mm，高60mm)上放置一厚10mm、直径41mm的钢片，再在钢片上装药50g。雷管起爆乳化炸药后测量铅柱的压缩量，作为猛度的表征。

1.4 水下爆炸实验

水下爆炸实验在一个直径(D)5m、高(H)5m的圆柱形开口爆炸罐中进行，见图2。其中，30g乳化炸药和压力传感器均悬挂在水下2m处，两者之间间隔(dt)为1m。压力传感器测得压力信号后，经信号调节器处理再由示波器显示并存储。

2 结果与讨论

2.1 玻璃微球和黏土颗粒含量对乳化炸药爆速和猛度的影响

乳化炸药爆速及猛度实验结果见表2，根据表2数据绘制等高线云图以直观地表征爆速、猛度随黏土颗粒、玻璃微球含量变化而变化的趋势，结果如图3所示。

表2 乳化炸药爆速和猛度的实验结果Table 2 Experimental results of the detonation velocity and brisance of emulsion explosive

由图3平行的等高线可知，新型乳化炸药的爆速、猛度随黏土颗粒含量变化的规律不受玻璃微球含量的影响。通过Origin 2017软件对实验结果拟合，提出该新型乳化炸药在黏土颗粒质量分数0～20%、玻璃微球质量分数5%～15%时爆速、猛度的经验公式如下：

D=4923.1-9930a-2980b

(1)

Δh=23.2-74a-20b

(2)

式中：D为爆速，m/s；Δh为猛度，mm；a、b分别为新型乳化炸药中玻璃微球和黏土颗粒的质量分数。两式的Adj.R-Square分别为0.9985、0.9899。

由公式(1)、(2)可知，在实验条件下，黏土颗粒质量分数每增加1%，新型乳化炸药的爆速、猛度分别下降29.8m/s、0.20mm；玻璃微球质量分数每增加1%，新型乳化炸药的爆速、猛度分别下降99.3m/s、0.74mm。由热点模型[13]可知，爆轰反应过程中释放的化学能和爆速之间的关系可由式(3)估算：

(3)

式中：D为乳化炸药的爆速，m/s；F为仅与爆轰反应相关的惰性系数；n为爆轰产物的比热容；Q为反应过程中释放的化学能，MJ/kg。

结合公式(1) ～ (3)可知，在实验比例下，黏土颗粒和玻璃微球的加入导致新型乳化炸药爆速和猛度降低，即在新型乳化炸药爆轰反应过程中，黏土颗粒和过量的玻璃微球都只起惰性添加剂的作用，减少了爆轰反应过程中释放的总化学能Q。

2.2 爆轰机理分析

根据热点理论[13]，当爆轰波波阵面掠过玻璃微球时，其球壳结构坍塌，内部的空气被剧烈压缩，局部形成一个高温高压的“热点”，进而引发附近可爆组分的化学反应，为爆轰波进一步传播提供能量。研究表明[14]，当乳化炸药的爆速稳定在3000m/s左右时，爆轰波波后化学反应区宽度约为2.0mm，且爆轰波波速随着波后化学反应区宽度的增加而下降。

而对于该新型乳化炸药而言，一方面，由于惰性添加剂(黏土颗粒和过量的玻璃微球)的加入，为了保证波后化学反应区内的有效热点数量一致，以提供足够的能量继续传爆下去，波后化学反应区的宽度被迫拓宽，可认为是黏土颗粒的阻隔效应；另一方面，由于黏土颗粒多空疏松的特性，在疏远了相邻“有效热点”距离的同时，势必会吸收部分爆轰波能量。此时，爆轰波稳定传播需要更多的“有效热点”为其提供能量，进而波后化学反应区的宽度进一步拓宽，可认为是黏土颗粒的吸收效应。而波后化学反应区宽度愈宽，意味着充分反应的时间愈久，宏观上即为该新型乳化炸药的爆速愈低。

综上所述，新型乳化炸药的爆速、猛度随黏土颗粒或玻璃微球含量的改变而显著改变。在实际应用中，可通过改变乳化炸药中黏土颗粒或玻璃微球的含量来调节其爆轰参数。

2.3 黏土颗粒和玻璃微球含量对水下爆炸实验结果的影响

水下冲击波的冲量I可由式(4)计算：

(4)

式中：p(t)为压力时程曲线，Pa；θ为常数(s)，数值上等于峰值压力pm衰减到pm/e的时间；e为数学常量，约为2.71828。

比冲击波能(Es)由式(5)计算：

(5)

式中：dt为实验样品到压力传感器的距离，m；W为实验样品的质量，kg；ρw为水的密度，kg/m3；Cw为水中的声速，m/s。

比气泡能(Eb)由式(6)计算：

(6)

式中：tb为第一次气泡脉动时间，s；C、K1为依赖于

实验条件的常数，可分别由公式(7)、(8)计算：

C=b/a2

(7)

(8)

其中：a、b由式(9)通过最小二乘法计算[15]；ph为实验样品处的静水压力，Pa。

tb=aW1/3+bW2/3

(9)

水下爆炸的总能量(E)由式(10)计算：

E=Ks(μEs+Eb)

10)

式中：Ks为实验样品的非球形修正系数，本研究中由于样品的形状较为完好，故Ks取推荐的下限值1.02。根据 Bjarnholt, G[16]，μ为水下冲击波在传播过程中的压力损失，可由式(11)计算：

(11)

其中：pC-J为爆轰过程中的C-J压力值，GPa，可由式(12)计算：

(12)

式中：ρ为实验样品的密度，kg/m3；D为不同样品的实测爆速，m/s。

综上，水下爆炸的峰值压力及其他各项爆炸参数的计算结果见表3，图4为水下爆炸试验测得的乳化炸药峰值压力曲线。

表3 不同类型乳化炸药水下爆炸参数的对比Table 3 Comparison of the underwater explosion parameters of different kinds of emulsion explosives

由表3可知，与传统乳化炸药(No.7)相比，新型乳化炸药随着乳化基质、玻璃微球使用量的减少，峰值压力、水下爆炸总能量等参数均有较明显的非线性下降。当黏土颗粒的质量分数由0增至10%(No.8)时，乳化炸药的峰值压力、冲击波冲量、比冲击波能、比气泡能和总能量分别下降3.11%、7.28%、8.58%、20.01%和17.5%；当黏土颗粒的质量分数由10%增至20%(No.9)时，水下爆炸的峰值压力、冲击波冲量、比冲击波能、比气泡能和释放的总能量分别下降了31.2%、6.37%、65.03%、64.66%和64.8%。

以上数据表明，黏土颗粒质量分数由0增至10%时，主要通过降低乳化炸药的比气泡能来降低其水下爆炸的总能量，而峰值压力几乎没有下降。而当黏土颗粒质量分数由10%增加到20%时，水下爆炸比冲击波能Es的下降超过了其比气泡能Eb的下降，而此时峰值压力pm也开始有明显的下降。这种典型的非线性下降的规律可从以下两个方面予以解释：首先，惰性添加剂的加入使得炸药的可爆组分减少，进一步体现为黏土颗粒的含量增加，水下爆炸的比气泡能明显下降；其次，黏土颗粒作为一种多孔疏松介质，其含量越多，对爆轰过程中释放的冲击波的吸收效应越明显，表现为水下爆炸的比冲击波能下降越明显。

综上所述，相比于传统乳化炸药爆轰参数单一、固定且不便调节的特性，新型乳化炸药水下爆炸的参数及能量结构随着黏土颗粒加入量的改变而发生明显变化。这种爆轰参数稳定可调的特性，使其可取代以工业食盐等材料为惰性添加剂的传统乳化炸药，应用于爆炸焊接、光面爆破等领域。

3 结 论

(1)以黏土颗粒为惰性添加剂制备的新型乳化炸药具有爆轰参数稳定可调、制备成本低及对环境无污染等优点，可取代以金属粉等材料为惰性添加剂的传统乳化炸药应用于爆炸焊接及光面爆破等领域。

(2)黏土颗粒质量分数为0～20%、玻璃微球质量分数为5%～ 15%时，新型乳化炸药爆速、猛度的经验公式分别为：D=4923.1-9930a-2980b(m/s)、Δh=23.3-74a-20b(mm)。

(3)从传爆机理来看，黏土颗粒和玻璃微球都只起惰性添加剂的作用。两者降低新型乳化炸药爆速的细观机理可从阻隔效应和吸收效应两个方面予以解释。

(4)水下爆炸实验结果表明，爆轰参数随黏土颗粒含量的增加而呈现出明显的非线性下降，当黏土颗粒质量分数达20%时，新型乳化炸药的峰值压力、冲击波冲量、比冲击波能、比气泡能和总能量相比传统乳化炸药分别下降了33.34%、13.19%、67.67%、71.73%和70.96%。

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