周國安，馬宏昊，2，沈兆武，楊 明，黃澤春，胡立鵬

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院材料力學(xué)行為和設(shè)計重點實驗室，安徽 合肥 230027；2. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室，安徽 合肥 230027)

引 言

乳化炸藥作為工業(yè)炸藥的重要組分之一，具有制備簡單、應(yīng)用方便可靠等特點，廣泛應(yīng)用于煤礦冶金、石油地質(zhì)、交通水電、控制爆破等領(lǐng)域[1-4]。作為非理想爆轟的典型代表，常用的乳化炸藥(包括粉狀乳化炸藥、膠體乳化炸藥等)因其組分相對固定而具有單一的爆速和猛度。

實際使用中，為了獲得特定的爆轟性能，需要向乳化炸藥中添加一些添加劑，包括惰性稀釋劑、密度調(diào)節(jié)劑等，以改變其爆炸參數(shù)用于諸如爆炸焊接、爆炸噴涂、金屬爆炸成型等特殊領(lǐng)域。就爆炸焊接領(lǐng)域使用的惰性添加劑而言，工業(yè)食鹽(也作為消焰劑應(yīng)用于煤礦許用炸藥)、碳酸鈣顆粒、高分子材料或金屬粉等占很大的比例[5-10]，而這些添加劑都有著各自的使用缺陷。Shvedov等[9]認(rèn)為礦山爆破、爆炸焊接等領(lǐng)域所使用的大多數(shù)乳化炸藥是以工業(yè)食鹽為惰性添加劑的乳化炸藥，而長期使用這種惰性添加劑會帶來土壤鹽堿化等問題[11]；張虎等[10]提出在乳化炸藥中加入鋁粉以降低其爆速，但需使用金屬粉作為惰性添加劑，增加了成本，不利于其推廣。

基于此，本研究在傳統(tǒng)膠體乳化炸藥(玻璃微球敏化)的基礎(chǔ)上，以黏土顆粒作為惰性添加劑，制備出一種新型乳化炸藥，測定了其爆速和猛度，并通過水下爆炸試驗測得其爆轟參數(shù)，以期為乳化炸藥在金屬爆炸焊接及光面爆破等領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

膠體乳化基質(zhì)，淮南舜泰化工有限公司，配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))[12]為：NH4NO3，75%；NaNO3，10%；C18H38，4%；C12H26，1%；C14H44O6，2%；H2O，8%；玻璃微球(HGM)，美國3M公司，密度0.14 g/cm3、平均粒徑100 μm；黏土顆粒，自制。

2BS-110型多段智能爆速測量儀，南京理工大學(xué)民用爆破器材研究所；GZX-9030 MBE型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海博迅實業(yè)有限公司；PCB-W138 A25 ICP型水下壓力傳感器，美國PCB Piezotronics公司；Tektronix 7401型示波器，美國泰克公司。

1.2 新型乳化炸藥的制備

乳化炸藥配方見表1。

表1 乳化炸藥配方Table 1 Different formulas of emulsion explosives

首先，將普通黏土剔除明顯的石子、瓦礫，按質(zhì)量比約1∶12摻于水中，攪拌成泥漿后靜置2～3d。除去水面雜質(zhì)，取出水底充分沉降后的黏土，經(jīng)0.125mm的篩子除雜過篩后，干燥備用。再將加入玻璃微球后的膠體乳化基質(zhì)置于溫度約70℃的烘箱內(nèi)，保溫近10min后取出，加入不同含量的黏土顆粒，混合均勻后得到新型乳化炸藥。

1.3 爆速及猛度測試

采用數(shù)字式測速儀測量爆速，將乳化炸藥密實地裝入PVC塑料管中，測量時將爆速測量儀的時基調(diào)至0.1μs。探針的一頭插入實驗樣品中，另一頭接入爆速測量儀。當(dāng)爆轟波經(jīng)過探針時，高溫高壓的環(huán)境使得探針外部的漆層發(fā)生電離，其導(dǎo)通狀態(tài)由斷變?yōu)橥ǎM(jìn)而被爆速儀記錄，詳見圖1。

依照國標(biāo)GB/T12440-1990，采用鉛柱壓縮法測量猛度。為了方便裝藥，整個實驗裝置約束在硬紙片(弱約束體系)中。實驗時在標(biāo)準(zhǔn)鉛柱(直徑40mm，高60mm)上放置一厚10mm、直徑41mm的鋼片，再在鋼片上裝藥50g。雷管起爆乳化炸藥后測量鉛柱的壓縮量，作為猛度的表征。

1.4 水下爆炸實驗

水下爆炸實驗在一個直徑(D)5m、高(H)5m的圓柱形開口爆炸罐中進(jìn)行，見圖2。其中，30g乳化炸藥和壓力傳感器均懸掛在水下2m處，兩者之間間隔(dt)為1m。壓力傳感器測得壓力信號后，經(jīng)信號調(diào)節(jié)器處理再由示波器顯示并存儲。

2 結(jié)果與討論

2.1 玻璃微球和黏土顆粒含量對乳化炸藥爆速和猛度的影響

乳化炸藥爆速及猛度實驗結(jié)果見表2，根據(jù)表2數(shù)據(jù)繪制等高線云圖以直觀地表征爆速、猛度隨黏土顆粒、玻璃微球含量變化而變化的趨勢，結(jié)果如圖3所示。

表2 乳化炸藥爆速和猛度的實驗結(jié)果Table 2 Experimental results of the detonation velocity and brisance of emulsion explosive

由圖3平行的等高線可知，新型乳化炸藥的爆速、猛度隨黏土顆粒含量變化的規(guī)律不受玻璃微球含量的影響。通過Origin 2017軟件對實驗結(jié)果擬合，提出該新型乳化炸藥在黏土顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)0～20%、玻璃微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%～15%時爆速、猛度的經(jīng)驗公式如下：

D=4923.1-9930a-2980b

(1)

Δh=23.2-74a-20b

(2)

式中：D為爆速，m/s；Δh為猛度，mm；a、b分別為新型乳化炸藥中玻璃微球和黏土顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。兩式的Adj.R-Square分別為0.9985、0.9899。

由公式(1)、(2)可知，在實驗條件下，黏土顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)每增加1%，新型乳化炸藥的爆速、猛度分別下降29.8m/s、0.20mm；玻璃微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)每增加1%，新型乳化炸藥的爆速、猛度分別下降99.3m/s、0.74mm。由熱點模型[13]可知，爆轟反應(yīng)過程中釋放的化學(xué)能和爆速之間的關(guān)系可由式(3)估算：

(3)

式中：D為乳化炸藥的爆速，m/s；F為僅與爆轟反應(yīng)相關(guān)的惰性系數(shù)；n為爆轟產(chǎn)物的比熱容；Q為反應(yīng)過程中釋放的化學(xué)能，MJ/kg。

結(jié)合公式(1) ～ (3)可知，在實驗比例下，黏土顆粒和玻璃微球的加入導(dǎo)致新型乳化炸藥爆速和猛度降低，即在新型乳化炸藥爆轟反應(yīng)過程中，黏土顆粒和過量的玻璃微球都只起惰性添加劑的作用，減少了爆轟反應(yīng)過程中釋放的總化學(xué)能Q。

2.2 爆轟機(jī)理分析

根據(jù)熱點理論[13]，當(dāng)爆轟波波陣面掠過玻璃微球時，其球殼結(jié)構(gòu)坍塌，內(nèi)部的空氣被劇烈壓縮，局部形成一個高溫高壓的“熱點”，進(jìn)而引發(fā)附近可爆組分的化學(xué)反應(yīng)，為爆轟波進(jìn)一步傳播提供能量。研究表明[14]，當(dāng)乳化炸藥的爆速穩(wěn)定在3000m/s左右時，爆轟波波后化學(xué)反應(yīng)區(qū)寬度約為2.0mm，且爆轟波波速隨著波后化學(xué)反應(yīng)區(qū)寬度的增加而下降。

而對于該新型乳化炸藥而言，一方面，由于惰性添加劑(黏土顆粒和過量的玻璃微球)的加入，為了保證波后化學(xué)反應(yīng)區(qū)內(nèi)的有效熱點數(shù)量一致，以提供足夠的能量繼續(xù)傳爆下去，波后化學(xué)反應(yīng)區(qū)的寬度被迫拓寬，可認(rèn)為是黏土顆粒的阻隔效應(yīng)；另一方面，由于黏土顆粒多空疏松的特性，在疏遠(yuǎn)了相鄰“有效熱點”距離的同時，勢必會吸收部分爆轟波能量。此時，爆轟波穩(wěn)定傳播需要更多的“有效熱點”為其提供能量，進(jìn)而波后化學(xué)反應(yīng)區(qū)的寬度進(jìn)一步拓寬，可認(rèn)為是黏土顆粒的吸收效應(yīng)。而波后化學(xué)反應(yīng)區(qū)寬度愈寬，意味著充分反應(yīng)的時間愈久，宏觀上即為該新型乳化炸藥的爆速愈低。

綜上所述，新型乳化炸藥的爆速、猛度隨黏土顆粒或玻璃微球含量的改變而顯著改變。在實際應(yīng)用中，可通過改變?nèi)榛ㄋ幹叙ね令w?；虿Ａ⑶虻暮縼碚{(diào)節(jié)其爆轟參數(shù)。

2.3 黏土顆粒和玻璃微球含量對水下爆炸實驗結(jié)果的影響

水下沖擊波的沖量I可由式(4)計算：

(4)

式中：p(t)為壓力時程曲線，Pa；θ為常數(shù)(s)，數(shù)值上等于峰值壓力pm衰減到pm/e的時間；e為數(shù)學(xué)常量，約為2.71828。

比沖擊波能(Es)由式(5)計算：

(5)

式中：dt為實驗樣品到壓力傳感器的距離，m；W為實驗樣品的質(zhì)量，kg；ρw為水的密度，kg/m3；Cw為水中的聲速，m/s。

比氣泡能(Eb)由式(6)計算：

(6)

式中：tb為第一次氣泡脈動時間，s；C、K1為依賴于

實驗條件的常數(shù)，可分別由公式(7)、(8)計算：

C=b/a2

(7)

(8)

其中：a、b由式(9)通過最小二乘法計算[15]；ph為實驗樣品處的靜水壓力，Pa。

tb=aW1/3+bW2/3

(9)

水下爆炸的總能量(E)由式(10)計算：

E=Ks(μEs+Eb)

10)

式中：Ks為實驗樣品的非球形修正系數(shù)，本研究中由于樣品的形狀較為完好，故Ks取推薦的下限值1.02。根據(jù) Bjarnholt, G[16]，μ為水下沖擊波在傳播過程中的壓力損失，可由式(11)計算：

(11)

其中：pC-J為爆轟過程中的C-J壓力值，GPa，可由式(12)計算：

(12)

式中：ρ為實驗樣品的密度，kg/m3；D為不同樣品的實測爆速，m/s。

綜上，水下爆炸的峰值壓力及其他各項爆炸參數(shù)的計算結(jié)果見表3，圖4為水下爆炸試驗測得的乳化炸藥峰值壓力曲線。

表3 不同類型乳化炸藥水下爆炸參數(shù)的對比Table 3 Comparison of the underwater explosion parameters of different kinds of emulsion explosives

由表3可知，與傳統(tǒng)乳化炸藥(No.7)相比，新型乳化炸藥隨著乳化基質(zhì)、玻璃微球使用量的減少，峰值壓力、水下爆炸總能量等參數(shù)均有較明顯的非線性下降。當(dāng)黏土顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0增至10%(No.8)時，乳化炸藥的峰值壓力、沖擊波沖量、比沖擊波能、比氣泡能和總能量分別下降3.11%、7.28%、8.58%、20.01%和17.5%；當(dāng)黏土顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由10%增至20%(No.9)時，水下爆炸的峰值壓力、沖擊波沖量、比沖擊波能、比氣泡能和釋放的總能量分別下降了31.2%、6.37%、65.03%、64.66%和64.8%。

以上數(shù)據(jù)表明，黏土顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0增至10%時，主要通過降低乳化炸藥的比氣泡能來降低其水下爆炸的總能量，而峰值壓力幾乎沒有下降。而當(dāng)黏土顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)由10%增加到20%時，水下爆炸比沖擊波能Es的下降超過了其比氣泡能Eb的下降，而此時峰值壓力pm也開始有明顯的下降。這種典型的非線性下降的規(guī)律可從以下兩個方面予以解釋：首先，惰性添加劑的加入使得炸藥的可爆組分減少，進(jìn)一步體現(xiàn)為黏土顆粒的含量增加，水下爆炸的比氣泡能明顯下降；其次，黏土顆粒作為一種多孔疏松介質(zhì)，其含量越多，對爆轟過程中釋放的沖擊波的吸收效應(yīng)越明顯，表現(xiàn)為水下爆炸的比沖擊波能下降越明顯。

綜上所述，相比于傳統(tǒng)乳化炸藥爆轟參數(shù)單一、固定且不便調(diào)節(jié)的特性，新型乳化炸藥水下爆炸的參數(shù)及能量結(jié)構(gòu)隨著黏土顆粒加入量的改變而發(fā)生明顯變化。這種爆轟參數(shù)穩(wěn)定可調(diào)的特性，使其可取代以工業(yè)食鹽等材料為惰性添加劑的傳統(tǒng)乳化炸藥，應(yīng)用于爆炸焊接、光面爆破等領(lǐng)域。

3 結(jié) 論

(1)以黏土顆粒為惰性添加劑制備的新型乳化炸藥具有爆轟參數(shù)穩(wěn)定可調(diào)、制備成本低及對環(huán)境無污染等優(yōu)點，可取代以金屬粉等材料為惰性添加劑的傳統(tǒng)乳化炸藥應(yīng)用于爆炸焊接及光面爆破等領(lǐng)域。

(2)黏土顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～20%、玻璃微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～ 15%時，新型乳化炸藥爆速、猛度的經(jīng)驗公式分別為：D=4923.1-9930a-2980b(m/s)、Δh=23.3-74a-20b(mm)。

(3)從傳爆機(jī)理來看，黏土顆粒和玻璃微球都只起惰性添加劑的作用。兩者降低新型乳化炸藥爆速的細(xì)觀機(jī)理可從阻隔效應(yīng)和吸收效應(yīng)兩個方面予以解釋。

(4)水下爆炸實驗結(jié)果表明，爆轟參數(shù)隨黏土顆粒含量的增加而呈現(xiàn)出明顯的非線性下降，當(dāng)黏土顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)20%時，新型乳化炸藥的峰值壓力、沖擊波沖量、比沖擊波能、比氣泡能和總能量相比傳統(tǒng)乳化炸藥分別下降了33.34%、13.19%、67.67%、71.73%和70.96%。

參考文獻(xiàn):

[1] 程揚帆, 馬宏昊, 沈兆武. MgH2對乳化炸藥的壓力減敏影響實驗 [J]. 爆炸與沖擊, 2014, 34(4): 427-432.

CHENG Yang-fan, MA Hong-hao, SHEN Zhao-wu. Experimental research on pressure desensitization of emulsion explosive sensitized by MgH2[J]. Explosion and Shock Wave, 2014, 34(4): 427-432.

[2] 堵平, 黃東定, 王澤山. 一種低爆速炸藥及其在地震勘探中的應(yīng)用 [J]. 兵工學(xué)報, 2005, 26(4): 465-468.

DU Ping, HUANG Dong-ding, WANG Ze-shan. Application of low detonation velocity explosive in geologic exploration [J]. Acta Armamentarii, 2005, 26(4): 465-468.

[3] Loureiro A, Mendes R, Ribeiro J B, et al. Effect of explosive mixture on quality of explosive welds of copper to aluminium [J]. Mater Des, 2016, 95: 256-267.

[4] 朱帥, 劉鋒, 汪猛, 等. 新型復(fù)合油相乳化炸藥基質(zhì)的非等溫?zé)岱纸馓匦?[J]. 火炸藥學(xué)報, 2017, 40(3): 47-52.

ZHU Shuai, LIU Feng, WANG Meng, et al. Non-isothermal thermal decomposition characteristics of emulsion explosive matrix prepared by the new type of complex oil phase [J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao), 2017, 40(3): 47-52.

[5] 吳彩洪. 廢棄動植物油脂在乳化炸藥油相中的應(yīng)用研究 [J]. 爆破器材，2015(5)：31-34.

WU Cai-hong. Application of waste vegetable oils and animal fats used for emulsion explosive [J]. Explosive Materials, 2015(5): 31-34.

[6] 錢海, 吳紅波, 邢化島, 等. 鋁粉含量和粒徑對乳化炸藥作功能力的影響 [J]. 火炸藥學(xué)報, 2017, 40(1): 40-44.

QIAN Hai, WU Hong-bo, XING Hua-dao, et al. Effect of aluminum content and particle size on the power of emulsion explosives [J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao), 2017, 40(1): 40-44.

[7] 田建勝, 陳青術(shù). 銅-A3鋼爆炸焊接SE型專用炸藥實驗研究 [J]. 爆破器材, 2008 (5): 9-12.

TIAN Jian-sheng, CHEN Qing-shu. Experimental research on SE explosive used for welding of copper and A3 steel [J]. Explosive Materials, 2008 (5): 9-12.

[8] 田建勝, 陳青術(shù). 爆炸焊接專用炸藥實驗研究 [J]. 工程爆破, 2008 (3): 59-62.

TIAN Jian-sheng, CHEN Qing-shu. Experimental research on specialized detonator for explosive welding [J]. Engineering Blasting, 2008 (3): 59-62.

[9] Shvedov K K, Aniskin A I, Ilin A N, et al. Effect of inert additives on detonation parameters [J]. Combustion Explosive, 1980, 16(3): 324-331.

[10] 張虎, 謝興華, 郭子如, 等. 鋁粉含量對乳化炸藥性能影響 [J]. 含能材料, 2008, 16(6): 738-740.

ZHANG Hu, XIE Xing-hua, GUO Zi-ru, et al. Effect of aluminum powder content on performance of emulsion explosive [J]. Chinese Journal of Energetic Materials, 2008, 16(6): 738-740.

[11] 鈾鈾, 劉自軍, 陳秋宇, 等. 爆炸焊接炸藥中添加劑的研究 [J]. 煤礦爆破, 2011 (2): 21-23.

YOU You, LIU Zi-jun, CHEN Qiu-yu, et al. Research on additive agent in explosion welding powder [J]. Coal Mine Blasting, 2011 (2): 21-23.

[12] CHENG Yang-fan, YAN Shi-long, MA Hong-hao, et al. A new type of functional chemical sensitizer for improving pressure desensitization resistance of emulsion explosives [J]. Shock Waves, 2016, 26(2): 213-219.

[13] Medvedev A E, Fomin V M, Reshetnyak A Y. Mechanism of detonation of emulsion explosives with microballoons [J]. Shock Waves, 2008, 18(2): 107-115.

[14] Yunoshev A S, Plastinin A V, Sil′Vestrov V V. Effect of the density of an emulsion explosive on the reaction zone width [J]. Combustion, Explosion and Shock Waves, 2012, 48(3): 319-327.

[15] LIN Mou-jing, MA Hong-hao, SHEN Zhao-wu, et al. Effect of aluminum fiber content on the underwater explosion performance of RDX-based explosives [J]. Propellants, Explosives, Pyrotechnics, 2014, 39(2); 230-235.

[16] Bjarnholt G. Suggestions on standrads for measurement and data evalustion in the underwater explosion test [J]. Propellants and Explosives, 1980, 5(2/3): 67-74.