約束條件對乳化炸藥爆速影響的實驗研究

余宗杰，關佳佳，吳紅波，夏曼曼，張 洪

（1.安徽理工大學化學工程學院，安徽淮南232001；2.安徽省淮南市公安局，安徽淮南232001）

乳化炸藥是以硝酸鹽水溶液為氧化劑、碳質燃料為還原劑的一類油包水型乳膠體系，其特殊的結構和原料組成使其具有良好的抗水性和爆轟性能[1-3]，近年來在爆破工程中得到廣泛應用。爆速是指爆轟波在炸藥藥柱中的傳播速度，它是衡量炸藥爆轟性能的重要參數，炸藥的其他爆轟參數亦可通過爆速加以估算[4]。因此，研究裝藥直徑對乳化炸藥爆速的影響，對防止炸藥拒爆，提高其爆轟威力及炸藥的利用效率具有十分重要的意義。

高玉杰[5]研究了裝藥直徑對工業炸藥爆速的影響，發現裝藥直徑越大，工業炸藥達到穩定爆轟時的爆速越穩定。胡建華等[6]采用模型實驗的方法研究了乳化炸藥的臨界爆轟直徑，獲得實驗用乳化炸藥的臨界爆轟裝藥厚度為6 mm。趙海霞等[7]運用探針法測試了不同裝藥直徑和約束條件對小直徑裝藥爆速的影響，結果表明，小直徑裝藥爆速隨著裝藥直徑和約束阻抗的增大而增大。

本實驗采用不同直徑的牛皮紙藥卷和PVC管藥卷進行裝藥，測量不同約束條件和裝藥直徑下乳化炸藥的爆速，通過數據分析等方法確定炸藥的極限爆轟直徑和臨界爆轟直徑，為實際施工應用中乳化炸藥裝藥直徑的確定提供參考。

1 實驗部分

1.1 實驗材料及儀器

硝酸銨、硝酸鈉（工業級，安徽淮化集團有限公司）；Span-80（化學純，石家莊成達科技有限公司）；復合蠟（工業級）；新型樹脂微球（工業級，四川雅化集團）；PVC塑料管；牛皮紙；漆包線等。

DDBS-20型多段時間隔測量儀（測時精度不低于0.1 μs，開封市精工儀表廠）；乳化器（上海昂尼儀器儀表有限公司）；100mL量筒、200mL燒杯（泰州市思齊教學儀器有限公司）；DB-XAB型加熱板（力辰科技有限公司）。

1.2 藥卷制備

乳化炸藥配方如表1所示。

表1 乳化炸藥配方

按表1組分配比稱取硝酸銨、硝酸鈉、水制備水相材料并加熱溶解至115℃左右，乳化劑Span-80加入復合蠟構成油相，加熱至95℃左右，開啟乳化器，將水相緩慢倒入油相中，乳化器轉速在1 300 r/min下攪拌2.5 min，制得乳膠基質；乳膠基質冷卻至55℃，加入新型樹脂微球，充分攪拌制得乳化炸藥[8]。將制備好的炸藥分別裝入已準備好的牛皮紙藥卷和PVC管中，制得實驗用藥卷備用。

1.3 藥卷爆速測定

測定炸藥爆速的具體試驗方法有道特里什法（導爆索法）、高速攝影法、連續示波器法、埋入式壓力探針法、光導纖維法和測時儀法等[9]。

本實驗采用測時儀法，其實驗原理如圖1所示。當炸藥起爆后，爆轟波沿藥卷傳播至A點，高溫高壓狀態下爆轟波波陣面的產物電離為正、負離子，電離子的導電性使A點處相互絕緣的探針接通，轉變為電信號；爆轟波達到B點處的情況與A點相同。測時儀法就是通過測出爆轟波經過A、B兩點之間所需要的時間，求平均爆速值的方法。該方法所需藥量較少、操作簡單、測試精度高，是目前工程界最常應用的方法[10]。

圖1 測時儀法實驗原理圖

2 實驗結果與分析

2.1 爆速測量結果

實驗制備的牛皮紙藥卷直徑分別為14 mm、15 mm、16 mm、18 mm、20 mm、25 mm、30 mm、35 mm、40 mm、45 mm；因實驗選用的PVC管的尺寸是有國家標準規定的，無法做到跟牛皮紙藥卷尺寸完全一樣，所以本實驗選用 PVC管的內徑分別為 15 mm、20 mm、28 mm、35 mm、40 mm，盡量與牛皮紙藥卷直徑相接近。表2、表3分別為不同裝藥直徑下牛皮紙藥卷和PVC管藥卷爆速測定結果。

表2 牛皮紙裝藥爆速測試結果

表3 PVC管裝藥爆速測試結果

由表2數據可知，裝藥直徑為15 mm炸藥未爆，當裝藥直徑調整為20 mm時，乳化炸藥爆轟速度達到4 115 m·s-1。由表3可知，采用PVC管裝藥時，裝藥直徑為14 mm、15 mm時測時儀均未測得數據，且剩余大量殘藥，炸藥出現了拒爆現象。當裝藥直徑為16 mm時，測得其中一段炸藥的爆速為3 571 m·s-1，另一段有殘藥剩余；當裝藥直徑為18 mm時，藥卷正常爆轟，說明約束條件為牛皮紙的情況下乳化炸藥的臨界爆轟直徑接近18 mm，因此可以認為，裝藥條件為牛皮紙的乳化炸藥的臨界爆轟直徑為18 mm左右。

2.2 裝藥直徑對乳化炸藥爆速的影響

為了直觀地分析裝藥直徑對乳化炸藥爆速的影響，將表2、表3通過Origin加以作圖，得到爆速—裝藥直徑圖，如圖2、圖3所示。

圖2 牛皮紙裝藥直徑與爆速的關系曲線

圖3 PVC管裝藥直徑與爆速的關系曲線

由圖2和圖3可知，乳化炸藥爆速隨裝藥直徑變化而變化，裝藥直徑在一定范圍內，隨著裝藥直徑的增大，乳化炸藥爆速提高；當裝藥直徑小于某一值時，乳化炸藥不能產生爆轟，發生拒爆，當裝藥直徑大于某一值時，乳化炸藥爆速隨裝藥直徑的變化不再變化，乳化炸藥形成穩定爆轟，即乳化炸藥存在一個臨界裝藥直徑和極限裝藥直徑。對于牛皮紙裝藥，裝藥直徑在16~35 mm之間時，爆速變化很大；當裝藥直徑大于35 mm后，爆速基本保持不變，因此可認為其極限直徑為35 mm左右。而對于PVC管裝藥，裝藥直徑在15～28 mm之間時，爆速變化最大，裝藥直徑大于35 mm時爆速變化趨于平緩，可認為其極限直徑也為35 mm左右。

以上現象說明，裝藥直徑越接近臨界直徑時對爆速的影響越大，反之裝藥直徑越接近極限直徑時對爆速的影響越小。造成該現象的原因是藥卷在非密閉狀況下起爆后產生的高溫、高壓氣體發生徑向膨脹，從而引起徑向稀疏波，徑向稀疏波把圓柱形的化學反應區分成側向擴散影響區和有效反應區，藥卷直徑愈小，有效反應區厚度就愈小，有效反應區釋放出用以維持爆轟波穩定傳爆的能量就愈少，炸藥爆速和爆轟波壓力也就相應降低。當裝藥直徑小于臨界裝藥直徑時，側向擴散很快影響到藥卷中心，有效反應區變得很小，釋出能量不足以維持穩定傳爆，形成不穩定傳爆，甚至爆轟中斷。

2.3 約束條件對乳化炸藥爆速的影響

為進一步研究約束條件對乳化炸藥爆速的影響，將不同裝藥方式的炸藥爆速和裝藥直徑數據加以處理作圖4。

圖4 不同約束條件下炸藥爆速和裝藥直徑的關系

從圖4中曲線可以看出，約束條件不同，乳化炸藥的臨界裝藥直徑不同，極限直徑相近，采用牛皮紙裝藥的藥卷臨界直徑接近20 mm，采用PVC管裝藥的藥卷臨界直徑在18 mm左右，兩者極限裝藥直徑接近35 mm；同一裝藥直徑下，不同約束條件下炸藥爆速不同，采用牛皮紙裝藥的藥卷爆速要低于采用PVC管裝藥的藥卷爆速。這種情況說明約束條件影響乳化炸藥爆速，約束條件的存在減少了徑向稀疏波造成的反應區能量損耗，提高了乳化炸藥爆速，與牛皮紙相比，PVC管對炸藥的約束更好一些。

3 結論

（1）乳化炸藥爆轟過程中存在一個臨界直徑和極限直徑，裝藥直徑小于臨界直徑時，乳化炸藥不能產生爆轟，產生拒爆現象；當裝藥直徑大于極限直徑時，乳化炸藥爆速隨裝藥直徑的變化不再變化，乳化炸藥形成穩定爆轟。

（2）在本實驗條件下采用牛皮紙裝藥，乳化炸藥的藥卷臨界直徑為20 mm左右，PVC管裝藥的藥卷臨界直徑為18mm左右，兩者極限裝藥直徑均為35mm左右。

（3）炸藥爆轟的臨界直徑和極限直徑除了與炸藥本身的性質相關外，約束條件對臨界直徑和炸藥的極限直徑也有一定的影響，這主要是由不同的約束條件下造成的側向稀疏波的能量損耗不同所致。