靜壓作用下兩種敏化方式的乳化炸藥微觀結(jié)構(gòu)變化?

張海濤 劉 磊 彭云昆 王 遠

①昆明理工大學國土資源學院(云南昆明，650093)

②云南安寧化工廠有限公司(云南昆明，650301)

引言

自20世紀70年代以來，乳化炸藥因其優(yōu)良的抗水和安全性能而被廣泛應(yīng)用于工程爆破作業(yè)中。但因為自身的結(jié)構(gòu)特點，乳化炸藥的性能受不同工況影響很大。尤其在水下工程作業(yè)中，隨外界壓力增大，乳化炸藥內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生很大變化，導致炸藥在起爆后常發(fā)生半爆、拒爆等現(xiàn)象。劉磊等[1-3]通過研究深水壓力下乳化炸藥的爆速、猛度等性能參數(shù)來表征乳化炸藥的靜壓減敏率，得出不同敏化方式的乳化炸藥的抗靜壓能力優(yōu)先順序為:玻璃球敏化、珍珠巖敏化、亞硝酸鈉敏化。張立等[4]利用靜水加壓實驗?zāi)M含水深孔爆破，通過加壓前、后炸藥的爆速、猛度等參數(shù)變化來解釋炸藥在靜壓下的爆炸性能下降。汪泉等[5]對比研究了不同種類含水炸藥的爆炸能量。龔悅等[6]通過研究水下爆炸能量的大小來表征乳化炸藥動壓減敏率，當玻璃微球質(zhì)量分數(shù)為4%時，爆炸輸出能量最大。司劍峰[7]在靜水、動水、水下裸爆、水下鉆孔等不同條件下進行現(xiàn)場測試，研究了水下炸礁工程爆破水擊波的特性及衰減規(guī)律。陳江濤等[8]使用水下爆炸能量法對炸藥爆轟性能進行了實驗研究，得出不同炸藥的性能優(yōu)先順序。郭亮[9]模擬深水下炸藥爆炸后爆轟波的壓力、波速、能量變化等數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在深水環(huán)境下，空心玻璃微珠會受到一定程度上的結(jié)構(gòu)破壞，使炸藥性能下降明顯。陳東梁等[10]使用激光粒度分析儀對乳化炸藥進行動壓處理，發(fā)現(xiàn)動壓作用后乳化炸藥中敏化劑、乳化基質(zhì)均發(fā)生一定變化。張續(xù)等[11]將中空玻璃微球敏化的乳化炸藥置于靜壓環(huán)境下一段時間，發(fā)現(xiàn)隨著時間的增加，玻璃微球呈聚集狀態(tài)。然而，松本榮等[12]研究發(fā)現(xiàn)，乳化炸藥具有很強的復原性。劉磊[13]也通過研究乳化炸藥抗水、抗壓性能，提出乳化炸藥受靜壓作用后有較好的復原性。

研究乳化炸藥的抗靜壓性能必須在受壓狀態(tài)進行。為更契合工程實際背景，并了解壓力對乳化炸藥的復原性的影響，需研究并觀察受壓環(huán)境下乳化炸藥的微觀變化。本文中，使用自制的壓力球罐以及生物顯微鏡對靜壓加載下的乳化炸藥減敏過程進行追蹤研究，探討并分析靜壓過程下乳化炸藥的微觀減敏機理。

1 實驗裝置和過程

1.1 爆炸球罐和樣品制備

球罐總體呈圓柱狀，罐體最大直徑1.40 cm、高220 cm、筒壁厚2.2 cm、容積2 m3、工作壓力3.0 MPa。3個地腳與地面焊接。筒壁中央有4個連接窗口，窗口處由連接法蘭密封，符合HG/T 20592—2009標準。將顯微鏡與電腦安裝好，顯微鏡放入罐體中，并通過空壓機改變球罐內(nèi)的氣壓模擬深水靜壓環(huán)境。裝置示意圖如圖1所示。

圖1 實驗設(shè)備示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental equipment

乳化基質(zhì)和亞硝酸鈉均由云南安寧化工廠有限公司提供，玻璃微球由河北昊星鉆井助劑有限公司提供。制作了兩種樣品，配方為(質(zhì)量分數(shù)):

1)99.8%的乳化基質(zhì)+0.2%的亞硝酸鈉；

2)97.0%的乳化基質(zhì)+3.0%的玻璃微球。

1.2 顯微鏡設(shè)備及安裝

采用SG50-3A43L-A型生物顯微鏡，加設(shè)電子目鏡以及S-View配套軟件，以便在電腦端進行圖像采集和處理。后期采用ImageJ軟件進行圖片分析。電子目鏡外接電腦可觀測乳化炸藥受壓變化的全過程和卸壓后的復原性，通過保存圖片和錄像功能實時觀測并進行數(shù)據(jù)保存。

2 結(jié)果和分析

通過前期實驗可知:亞硝酸鈉(化學)敏化的炸藥在0.3 MPa下發(fā)生半爆；玻璃微球(物理)敏化的炸藥在0.8 MPa下發(fā)生半爆。所以，壓力點取值具體方案如表1所示。

表1 實驗方案Tab.1 Experimental protocols

2.1 敏化劑微觀變化

圖2是玻璃微球在0、0.3、0.5、0.8 MPa下同一位置放大400倍的顯微拍攝圖。在圖2(a)中可以看出，未加壓時，玻璃微球均勻性一般，有部分玻璃微球不完整；當壓力加到0.3 MPa時，有裂縫的玻璃微球開始碎裂，尺寸較小的微球有向大顆粒靠攏現(xiàn)象，整體表現(xiàn)為性能較好狀態(tài)；當壓力提升到0.5 MPa時，并沒有出現(xiàn)太多玻璃微球壓碎現(xiàn)象；0.8 MPa時，炸藥中玻璃微球大部分被壓碎，完整保存的不足1/3。總體上，玻璃微球在壓力為0~0.5 MPa之間時具有良好的抗靜壓性能；當壓力超過0.5 MPa、達到0.8 MPa后，大量玻璃微球破裂，不再具備敏化效果。

圖2 玻璃微球微觀圖Fig.2 Microscopic images of glass microspheres

圖3分別為亞硝酸鈉在0、0.1、0.2、0.3 MPa及卸壓復原下同一位置放大400倍的顯微拍攝圖。化學敏化中的氣泡是亞硝酸鈉經(jīng)過化學反應(yīng)得到的。在0 MPa時，氣泡大小不一，小氣泡占大部分面積，形狀多呈圓形或橢圓形；在0.1 MPa下，氣泡開始慢慢變小，小氣泡有受壓移動現(xiàn)象，并融入到附近大氣泡中；壓力達到0.2 MPa時，很多微小氣泡已經(jīng)很難測量，已經(jīng)不具備敏化條件；0.3 MPa下，超過90%以上的氣泡均形成微小的小點，均不具備敏化效果，但無明顯的氣泡破裂現(xiàn)象。對炸藥進行卸壓處理后得到復原，見圖3(e)；此時，被壓縮的氣泡恢復到一定粒徑，由于受到外界壓力作用，炸藥中的小氣泡融入到較大氣泡中，使得氣泡粒徑的均一性比加壓之前更好，氣泡形狀也更加規(guī)則，呈自然球形。

圖3 亞硝酸鈉氣泡微觀圖Fig.3 Microscopic images of sodium nitrite bubbles

2.2 粒徑分析

分別觀察亞硝酸鈉(化學)敏化和玻璃微球(物理)敏化的乳化炸藥在不受壓、受壓時和受壓后3個狀態(tài)下敏化劑的變化，并使用ImageJ軟件分析圖片，得到兩種敏化方式下各狀態(tài)測得的微粒參數(shù)，如表2所示。

表2 兩種敏化方式下乳化炸藥靜壓加載微粒參數(shù)Tab.2 Static pressure loading particle parameters of emulsion explosive sensitized by two methods

圖4給出了靜壓加載條件下乳化炸藥化學敏化氣泡粒徑及數(shù)量的變化。隨著外界壓力的增加，敏化氣泡的粒徑逐漸變小。但壓力不同，粒徑變小的速率也不同；壓力越大，粒徑下降的斜率也越大，最終導致氣泡無法形成有效熱點，炸藥發(fā)生半爆或拒爆。當外加壓力卸載，氣泡粒徑逐漸恢復。從圖4可以看出:復原后的乳化炸藥中氣泡粒徑達到20 μm的數(shù)量為76個，占總數(shù)的50.66%；30μm左右的數(shù)量為27個，占總數(shù)的18.00%；所以，粒徑在20～30μm左右的氣泡個數(shù)占總數(shù)的68.66%，與未加壓前相比，復原后的粒徑大小更加均勻。

圖4 不同壓力條件下亞硝酸鈉敏化氣泡數(shù)量與粒徑的關(guān)系Fig.4 Relationship between numbers and particle sizes of bubbles produced by sodium nitrite sensitization under different pressure conditions

圖5中:0、0.3、0.5 MPa下，玻璃微球的分布沒有太大差異；但0.3 MPa與0 MPa時相比，相同粒徑的微球數(shù)量略微減少。分析原因，是因為有少部分玻璃微球完整度不高，有微小裂縫或外殼尺寸薄厚不均勻；在壓力達到0.3 MPa時被壓碎，但并不影響乳化炸藥整體的爆轟性能。0.5 MPa時的數(shù)據(jù)與0.3 MPa時并無太大區(qū)別，說明完整的玻璃微球具有良好的抗壓性能。當壓力達到0.8 MPa時，大部分玻璃微球發(fā)生破碎，這是導致在較大壓力下乳化炸藥減敏的主要原因。如圖5所示，釋放壓力后，玻璃微球數(shù)量并沒有增加，說明玻璃微球的破碎是不可逆的。

圖5 不同壓力條件下玻璃微球數(shù)量與粒徑的關(guān)系Fig.5 Relationship between numbers and partical sizes of glass microsphere under different pressure conditions

2.3 復原性實驗

為了檢驗上述兩種敏化方式乳化炸藥的復原性，進行了加壓前、后乳化炸藥的猛度和爆速實驗。猛度測量采用鉛柱壓縮法，取高度為60 mm的鉛柱標準件以及制作好待測的乳化炸藥樣品，質(zhì)量為50 g；炸藥爆速的測試方法參考國標GB/T13228—2015實驗方法。

為了減少人為因素對乳化炸藥復原性的影響，實驗前，將準備好需要測量爆速和猛度的炸藥試樣部分進行加壓處理。化學敏化的乳化炸藥加壓到0.3 MPa、復原2 h后進行實驗；物理敏化的乳化炸藥加壓到0.8 MPa、復原2 h后進行實驗。每組實驗測量3次，結(jié)果取平均值，如表3所示。

從表3中可以看出:卸壓復原后與加壓前相比，化學敏化乳化炸藥爆速與猛度相差不大，有略微的能量升高現(xiàn)象，爆速升高了75 m/s，但在可接受誤差范圍之內(nèi)；物理敏化的乳化炸藥爆速降低了1 510 m/s，鉛柱壓縮量降低了7.06 mm。

表3 加壓前、后乳化炸藥的爆炸性能參數(shù)Tab.3 Explosion performance parameters of emulsion explosives before and after pressurization

2.4 受壓減敏原因分析

亞硝酸鈉和玻璃微球分別通過化學反應(yīng)生成微小氣泡和中空微囊引入炸藥，使炸藥通過氣泡敏化產(chǎn)生爆轟感度，并調(diào)節(jié)了炸藥的密度。通過實時觀察靜壓下乳化炸藥微觀變化的每一步，得出化學敏化和物理敏化的乳化炸藥減敏方式各有不同，從表觀上分析，都是因為加壓時有效氣泡載體數(shù)量減少，導致熱點減少，炸藥減敏。不同點在于:

1)化學敏化從最初受外界靜壓作用時就表現(xiàn)出小氣泡聚集，大氣泡壓縮面積減小，最后形成一個微小氣泡，此時小氣泡內(nèi)壓強與氣泡外壓強相等；卸壓過程中，被壓縮的微小氣泡逐漸變大、擴張，形成標準的球形氣泡。化學敏化乳化炸藥在加壓和復原的過程中，大部分氣泡加壓時受外壓作用慢慢縮小，增大內(nèi)部壓強平衡外部加壓，卸壓后隨著外部壓強減小，調(diào)節(jié)自身大小以減小內(nèi)部壓強，達到平衡。玻璃微球敏化的乳化炸藥在壓力0.5 MPa時，多數(shù)敏化顆粒保持原有的形狀；當壓力增大到0.8 MPa時，大部分被壓碎；由于壓碎的玻璃微球不可恢復，所以復原后并沒有加壓前性能好。從本質(zhì)上講，化學敏化氣泡與物理敏化微球是不相同的，化學敏化氣泡是塑性的氣泡內(nèi)、外壓強相同的熱點，物理敏化微球是剛性的不具有復原能力的熱點。

2)化學敏化的乳化炸藥中，隨著壓力增加，乳化基質(zhì)有明顯的破乳和分散不均勻現(xiàn)象。分析原因，是由于壓力作用使得分散相受力不均造成的。物理敏化的乳化炸藥同樣也存在上述破乳現(xiàn)象，但觀察發(fā)現(xiàn)，隨著壓力的增大，玻璃微球破碎，破碎后的玻璃微球周圍破乳現(xiàn)象更加明顯。分析原因，可能是當玻璃微球被壓碎后會產(chǎn)生部分帶有尖刺的碎屑，在壓力的作用下，碎屑會產(chǎn)生相對位移，刺破周圍油相結(jié)構(gòu)，最終導致破乳現(xiàn)象明顯。

3 結(jié)論

為研究受壓狀態(tài)下乳化炸藥中敏化劑微觀變化的全過程，自行設(shè)計微觀加壓觀察系統(tǒng)，得出以下結(jié)論:

1)化學敏化和物理敏化的減敏均是有效熱點減少和乳化基質(zhì)破乳共同作用的結(jié)果。但兩者有效熱點減少的方式不同，且破乳程度也有部分差異。

2)化學敏化氣泡并不會產(chǎn)生破裂，而是通過調(diào)節(jié)自身尺寸大小控制氣泡內(nèi)部壓強，達到內(nèi)、外壓強平衡，較小的氣泡則通過界面膜作用融合到大氣泡中；復原后，敏化氣泡略顯均勻，但對爆炸性能并沒有多大影響。

3)物理敏化在0~0.3 MPa之間時，劣質(zhì)的玻璃微球會受壓產(chǎn)生破裂。優(yōu)質(zhì)的玻璃微球可承受0.5 MPa的外加壓力。0.8 MPa時，玻璃微球大部分被壓碎，與初始數(shù)量相比減少2/3，且卸壓后不可復原。