现场混装乳化炸药在炸礁工程中敏化技术研究

肖建国，姚方明，刘深，岑文杰

（1.广西新港湾工程有限公司，广西 南宁 530200；2.中交四航局第三工程有限公司，广东 湛江 524000）

0 引言

随着经济的发展，对交通运输的要求不断提高，港口、航道整治工程对经济发展的驱动作用愈发突出，我国的港口、航道整治工程已不仅仅局限于在国内发展，越来越多的参与到全世界各个国家的基础建设当中，尤其是在一些发展中国家以及地区，水下爆破在港口、航道工程所占的比例逐步增大，炸药的运输、储存、使用安全性是水下爆破工程的重难点。

乳化炸药是20 世纪60 年代末发展起来的新型含水工业炸药[1]，它集中了铵油炸药（ANFO）、浆状炸药和水胶炸药的优点，其具有爆炸性能良好，生产和使用安全，无污染，抗水性能强等优点[2]，在工程爆破中得到广泛应用。经过20 多年的努力，我国在品种系列、生产工艺、生产设备以及应用技术等方面得到迅速发展，目前国内乳化炸药的年产量达50 余万t，正逐步替代铵梯炸药，成为工业炸药的主要品种。目前国内爆破工程中普遍使用成品乳化炸药，由炸药厂家生产、运输至工程所在地的炸药仓库，再配送至各工程爆破点。炸药现场混装技术是20 世纪80 年代初发展起来的炸药爆破新技术，而国内炸药混装技术主要应用于矿山、采石场等工程，由于海水的密度高、海上风浪大，水下炸礁相对于陆上爆破工程其技术难度要大得多。斯里兰卡汉班托塔（HAMBANTOTA）港发展项目一期工程进港航道疏浚工程拟应用乳化炸药现场混装技术，需要克服海洋环境中乳化炸药敏化和装药密度之间矛盾的瓶颈问题，保证水下炸礁作业的施工效率和施工安全性。

由于上述问题，国内外尚无应用乳化炸药混装技术进行水下爆破工程的先例[3-6]。本文主要介绍从乳化炸药的爆炸机理、乳化炸药的敏化技术和试验研究及敏化工艺研发，开展水下炸礁应用乳化炸药现场混装技术的攻关工作。

1 乳胶基质的制备原理和特点

乳化炸药的乳胶基质是采用乳化技术，把水溶性的氧化剂和油性的可燃剂通过添加乳化剂在高剪切外力作用下制备成稳定的膏体状乳液。乳胶基质的水相原材料一般包括：硝酸铵、硝酸钠和水等；油相原材料一般包括：柴油、复合蜡和其他油等。

为适应各类施工环境，乳化炸药一般要求有较好的耐水性，一般需要把乳胶基质制备成连续相为油相，分散相为水相的油包水（W/O）型的乳液，制备油包水型乳液可以通过采用亲油性乳化剂或复合乳化剂（亲水亲油平衡值HLB 值小于8）实现（见图1）。

为防止乳胶基质流淌分散，需要把乳胶基质制备成具有较高黏稠度的膏体。膏体拥有高触变的物理特性，其实质为乳液的一种特殊状态，在膏体中，分散相高度密集，相互堆积在一起，从而造成膏体具有非牛顿流体特性——不满足牛顿黏性实验定律的流体，即其剪应力与剪切应变率之间不是线性关系的流体（见图2、图3）。

图2 乳液呈流动性Fig.2 Emulsion fluidity

图3 膏体分散相堆积呈触变性Fig.3 Thixotropy of paste dispersed phase accumulation

制备稳定的乳胶基质膏体需要考虑相比（油、水两相的容积比简称相比）对乳液的影响，即乳化体系中的两相——水相和油相，理论上其中一相的体积含量极限范围：体积比≤74.02%，这是因为乳液中分散相的液滴为粒径几乎一致的球形（粒径为0.01～100 μm 不等），几何学上球形能占据的最大体积约为74.02%，因此理论上乳化炸药膏体为油相占25.98%的油包水（W/O）膏体。此外还可以添加复合蜡等黏度较大的油相物质提高膏体黏度。

乳胶基质膏体一般为油亮透明至半透明的细腻膏体，含水分且几乎不含有空气，因此保留了对火焰、机械作用比较钝感的特性，具有存储、运输、生产、使用安全的特点。但在常温下用雷管引爆前，必须采取安全有效的技术措施对乳胶基质敏化成为乳化炸药。

2 乳胶基质敏化技术探讨

由于乳胶基质比较钝感，爆破作业起爆前需要有效提高其感度。乳化炸药的爆炸机理源于热点学说，即在外界机械作用下，炸药吸收的机械能转变为热能，热能集中于局部或某些点上，集中能量可使温度迅速升高，形成所谓的“热点”，只要“热点”温度达到高于爆发点的温度，炸药的爆炸就从“热点”开始被激发并转为爆炸[7-8]。目前一般采用两种敏化技术，第1 种是药剂敏化法：利用添加猛炸药或敏感成分的药剂敏化法，使敏感成分均匀分布在乳胶基质中形成热点；第2 种是气泡敏化法：采用发泡方法或加入截留物质、调整其密度，使乳化炸药中均匀分布微小气泡，使得炸药中的敏化气泡起到热点作用——乳化炸药中的微小的气泡受到外界起爆冲击机械能量作用将会瞬间（10-5～10-3s）被绝热压缩，机械能会转变为热能，温度可高达400～600 ℃，形成大量热点，从而激发乳化炸药的爆炸。

2.1 药剂敏化法

药剂敏化法分为添加猛炸药和添加敏感成分两类。其中猛炸药通常使用各种单质炸药，如TNT、RDX、PETN 等[9]，虽然添加猛炸药具有起爆感度良好、稳定性较高、工艺简单等优点，但同时存在添加单质炸药价格较高、容易污染环境、有毒有害气体产生量大、炸药存储安全要求高等缺点，因而不宜在工业炸药生产中推广应用；敏感成分一般选用碱金属、碱土金属或铵的氯酸盐或高氯酸盐，其中氯酸盐和高氯酸盐的感度都很高，给炸药生产过程带来严重的安全隐患，因此20 世纪90 年代已明文禁止使用氯酸盐和高氯酸盐等物质用于乳化炸药生产。

2.2 气泡敏化法

气泡敏化法分为添加气体保持剂的物理敏化、采用发泡剂发泡的化学敏化。物理敏化一般采用玻璃空心微球、聚合物空心微球和珍珠岩等物质；化学敏化的机理是利用亚硝酸盐在酸性介质中发生分解反应并放出气体产物氮气，从而形成均匀分散的微气泡，这种NH3-NO2-H+发泡体系的反应过程如下：

由于乳胶基质中水相为分散相，以分散的小液滴存在于乳胶基质中，被油相包裹，因此不容易与敏化剂——亚硝酸钠溶液混合，炸药的敏化需要配合适当的敏化工艺实现，实际操作中通常还需要采用柠檬酸作为发泡助剂。另一方面这种发泡剂不易与乳胶基质混合，发泡方式存在着反应较为温和、具有一定的延迟性、气泡产量稳定、不易聚集逃逸等特点。

2.3 水下爆破敏化方法比选

考虑施工安全性和施工成本，航道疏浚水下炸礁等爆破工程，不宜采用药剂敏化法，应优先选择气泡敏化法。另外由于海水的密度约为1.02～1.07 g/cm3，采用玻璃空心微球等气体保持剂会导致乳胶炸药的装药密度减小，水下采用现场混装技术有可能引起装药过程中乳胶炸药上浮的现象。综合考虑水下爆破工程的施工条件，采用亚硝酸钠和柠檬酸进行发泡的化学敏化方法是乳化炸药水下现场混装工艺中最理想的敏化方法，除了操作简便和生产过程安全以外，还可以控制敏化时间和装药密度，防止乳化炸药上浮。

常用敏化工艺分为采用搅拌方式混合敏化剂的动态敏化工艺和通过紊流混合敏化剂的静态敏化工艺两大类。其中动态敏化工艺是采用类似乳化的高速剪切搅拌使得敏化剂均匀分散到乳胶基质中，由于乳胶基质的黏度较大，散热困难，高速剪切搅拌过程会导致乳胶基质中局部温度升高，敏化后的乳胶炸药对温度敏感，存在一定的安全隐患[10-11]。而静态敏化工艺则是通过在乳胶基质输送过程中，使得乳胶基质以一定的流速通过特制的空腔，利用类似射流的原理在空腔内产生紊流，使乳胶基质和敏化剂充分混合（见图4、图5），静态敏化器可以通过多级串联（同时使用多个静态敏化器）达到最佳的静态敏化效果，通过试验证明经过3 级静态敏化器，乳化炸药能达到最佳的敏化效果。由于没有外界的机械作用，静态敏化工艺相对安全，操作风险低，且可以实现大量连续装药，因此适用于乳化炸药需求量大的水下炸礁爆破工程。

图4 静态敏化工艺原理Fig.4 Principle of static sensitization process

图5 静态敏化器实物Fig.5 Figure of static sensitizer

静态敏化的效果主要取决于乳胶基质和敏化剂溶液混合物的流速，因此采用静态敏化时宜确定静态敏化剂溶液的掺量，按设备的性能，当敏化剂溶液阀门全开的情况下，静态乳化剂溶液的掺量固定为3.5%，另外亚硝酸钠溶液掺量大于3.5%时，乳胶基质的黏稠度会明显下降，容易发生气泡聚集逃逸的问题，因此把静态敏化剂掺入量定为对应设备的常数，再根据水下炸礁船的施工效率，乳胶基质的敏化时间宜控制在8～10 min。

3 乳化炸药敏化试验研究

乳化炸药通常采用双硝氧化剂（硝酸铵和硝酸钠），可燃剂采用柴油和复合蜡，乳胶基质密度一般为（1.35±0.01）g/cm3，未经敏化的乳胶基质的典型组分见表1。

表1 乳胶基质配方Table 1 Emulsion matrix mix proportion

3.1 发泡助剂——柠檬酸掺量的确定

发泡助剂的主要作用是调整水相溶液的pH值，同时由于柠檬酸可以提供碳源和氢源，起到调节乳化炸药的氧平衡[12]，减少有害气体产生的作用。因此，一般选用柠檬酸等有机酸作为乳化炸药的发泡助剂。由于水相溶液当中大量硝酸铵、硝酸钠的存在，影响了柠檬酸的溶解度，在乳化炸药体系中，柠檬酸的掺量一般为0.15%即可达到调节pH 值的目的，同时不会因溶液饱和而难以溶解。

3.2 敏化剂浓度的确定

考虑亚硝酸钠常温20 ℃常压下，溶解度约为82 g/（100 mL）水，考察5%，10%，20%，30%浓度亚硝酸钠溶液按3.5%掺量的发泡性能表现（见表2）。

表2 敏化剂浓度和乳化炸药性能Table 2 Concentration of sensitizer and properties of emulsion explosive

由表2 可以明确，当亚硝酸钠溶液掺量固定为3.5%质量份，亚硝酸钠溶液浓度取10%时，可满足水下炸礁船施工效率和水下装药密度的要求。

4 结果与分析

由于乳胶基质黏度大，流动性不良，因此不会出现对流的热交换，为热的不良导体，现场混装技术从混合装药到起爆施工时间短，乳化炸药中的微气泡对环境温度不敏感，因此只需要控制乳胶基质的保温措施，而无需考虑季节和施工环境的变化。

用改进型装药机将乳胶基质装入塑料袋中敏化，按GB/T 13228—2015《工业炸药爆速测定方法》[13]抽样实测敏化后乳化炸药各项性能为：乳化炸药充分发泡敏化时间为8～10 min，装药密度 1.10～1.20 g/cm3，爆速（直径 120 mm）4 500～5 000 m/s，传爆长度≥6 m，炸药100%殉爆。

5 结语

1）快速可控的静态化学敏化技术可应用于乳化炸药现场混装，经混装后的乳化炸药的装药密度为 1.10～1.20 g/cm3，爆速 4 200～4 500 m/s，传爆长度≥6 m，满足水下炸礁爆破的施工要求。采用该混装炸药施工可提高航道疏浚炸礁工程中爆破作业的施工效率和施工安全性。

2）现场混装乳化炸药的敏化材料：发泡剂选用亚硝酸钠，根据敏化设备的技术性能控制掺入量，当掺入量为3.5%质量份时，亚硝酸钠的浓度宜为10%；发泡助剂选用柠檬酸，柠檬酸的掺量为0.15%，即每公斤乳胶基质掺入1.5 g 柠檬酸。