Основы теории взрыва и взрывчатых веществ

По характеру процесса протекания взрывов их принято классифицировать на физические, при которых происходят только физические преобразования веществ (беспламенное взрывание с помощью жидкой углекислоты и сжатого воздуха, взрывы паровых котлов, баллонов со сжиженным газом, электрические разряды и т. д.); химические, при которых происходят чрезвычайно быстрые изменения химического состава веществ, участвующих в реакции с выделением тепла и газов (взрыв метана, угольной пыли, взрывчатых веществ и т. д.); ядерные, при которых происходят цепные реакции деления ядер с образованием новых элементов.

ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА

Взрывчатыми веществами(ВВ) называют химические соединения или механические смеси, которые под действием внешнего импульса (нагрева, удара, трения и т. д.) способны взрываться, т. е. чрезвычайно быстро превращаться в другие соединения с выделением тепла и газообразных продуктов, способных производить разрушение и перемещение окружающей среды.

При взрыве большинства ВВ горючие элементы — водород и углерод — окисляются кислородом, входящим в состав ВВ, в отличие от процесса горения, при котором окисление происходит за счет кислорода воздуха. Благодаря этому обеспечивается весьма высокая концентрация энергии в единице объема ВВ. Так, при сжигании 1л стехиометрической смеси спирт — кислород выделяется 3,5 ккал тепла, смеси водород — кислород — 1,8 ккал, а при взрыве 1л нитроглицерина — 2350 ккал тепла.

В то же время тепловая энергия, выделяемая при взрыве 1кг ВВ (800—1200 ккал/кг), значительно меньше теплоты сгорания обычных горючих: керосина (11 000 ккал/кг), каменного угля (7000 ккал/кг) и т. д. Значительная скорость детонации при взрыве промышленных ВВ (2—8 км/с) обеспечивает получение чрезвычайно большой мощности взрыва.

При взрыве ВВ образуется значительное количество газов (600— 1000 л/кг) и выделяемое тепло обеспечивает нагревание их до температуры 2500—4500° С. Взрыв сопровождается определенным звуковым эффектом, так как ударная волна, распространяющаяся от заряда, на некотором расстоянии от центра взрыва переходит в звуковую.
Таким образом, отличительными признаками взрыва являются высокая объемная концентрация энергии и сверхзвуковая скорость ее выделения, экзотермичность процесса, образование большого объема газообразных продуктов и звуковой эффект. Существуют три основные формы химического превращения: медленное химическое превращение, горение и детонация. Медленное химическое превращение протекает при низких температурах по всему объему вещества. Знание его закономерностей и условий протекания необходимо для определения стойкости ВВ. Процесс горения и детонации идет во фронте химической реакции, который перемещается по ВВ. Скорость перемещения его определяется величиной выделяющейся энергии и способом передачи ее к соседним слоям вещества. При горении тепло передается путем теплопередачи (этот процесс сравнительно медленный). При детонации энергия по заряду ВВ передается ударной волной, распространяющейся со скоростью 2—8 км/с.

Все современные промышленные ВВ представляют собой механические смеси, к ним предъявляется ряд требований:

· достаточная мощность, обеспечивающая необходимый разрушительный эффект;

· простота и безопасность изготовления;

· удобство и безопасность в обращении;

· постоянство свойств;

· безотказность действия при достаточном начальном импульсе;

· однородность действия;

· экономическая целесообразность применения.

К отдельным сортам специального назначения выдвигаются дополнительные требования а) образование небольшого количества ядовитых газов, б) безопасность применения во взрывчатой газовоздушной или пылевоздушной среде.

Для придания определенных свойств и характеристик смесям ВВ в их состав вводят следующие компоненты.

Окислители — вещества, содержащие избыточный кислород, расходуемый при взрыве на окисление горючих элементов. В качестве окислителя применяют аммиачную, калиевую, натриевую селитры, хлораты и перхлораты калия и аммония, жидкий кислород и другие вещества.

Горючие добавки— твердые или жидкие компоненты богатые углеродом и водородом, как правило, невзрывчатые, например, тонкоизмельченный уголь, древесная мука, соляровое масло или пудра легкоокисляющихся и выделяющих при этом большое количество тепла металлов, например алюминия, магния. Горючие вещества вводят в состав ВВ для увеличения количества энергии, выделяемой при взрыве. В качестве горючих веществ используют также взрывчатые компоненты (тротил, гексоген и др.), которые имеют в своем составе недостаточное количество кислорода для полного окисления содержащихся в них горючих элементов. Часть углерода, выделяемого при взрыве таких ВВ в виде окиси в свободном состоянии или в виде горючих соединений, реагирует с избыточным кислородом окислителя, повышая теплоту и энергию взрыва ВВ.

Сенсибилизаторы — вещества, вводимые в состав ВВ для повышения его чувствительности к восприятию и передаче детонации. Это, как правило, ВВ наиболее чувствительные, которые в смеси с малочувствительными (например, с аммиачной селитрой) или с невзрывчатыми веществами (древесной, жмыховой или хлопковой мукой) обеспечивают нормальную чувствительность смеси к инициированию ее капсюлем-детонатором и улучшение ее взрывчатых характеристик. В качестве сенсибилизаторов применяют мощные ВВ — тротил, нитроглицерин, нитрогликоль, гексоген и т. п. Сенсибилизатором могут являться и невзрывчатые вещества (горючие добавки) — соляровое масло, древесная мука или уголь. В малых количествах (до 6%) соляровое масло в смеси с аммиачной селитрой выполняет роль сенсибилизатора, в больших — делает взрывчатую смесь нечувствительной к инициированию.

Стабилизаторы вводят в состав ВВ для повышения их химической и физической стойкости. В качестве стабилизатора в динамитах используют мел и соду, в аммонитах — древесную, жмыховую и торфяную муку, при этом последние выполняют также роль горючих добавок и разрыхлителей, уменьшающих слеживаемость ВВ.

Флегматизаторы — легкоплавкие маслянистые жидкости с высокой теплоемкостью и высокой температурой вспышки, обволакивающие частицы ВВ и не вступающие с ним в реакцию. Введение флегматизаторов снижает чувствительность ВВ к механическим воздействиям и обеспечивает более безопасные условия его применения. В качестве флегматизатора используют вазелин, парафин, различные масла, тальк и другие вещества.

Пламегасители вводят в состав только предохранительных ВВ для снижения температуры взрыва и уменьшения вероятности воспламенения метано-воздушных и пылевоздушных смесей в шахтах, опасных по газу или пыли. В качестве пламегасителей применяют хлористый натрий, хлористый калий, хлористый аммоний и другие вещества.
Из многих способных к взрыву соединений в качестве ВВ и компонентов взрывчатых смесей применяют лишь 2-3 десятка веществ. Основные из них - нитросоединения (тринитротолуол, тетрил, гексоген, октоген, нитроглицерин, тетранитропентаэритрит - тэн, нитроклетчатка, нитрометан и др.) и соли азотной кислоты, особенно нитрат аммония. Как правило, эти вещества применяют не в чистом виде, а в виде смесей, например смеси октогена, гексогена и тэна с тротилом, нитроглицерина с нитрогликолем, диэтиленгликольдинитратом и нитроклетчаткой, тротила с нитратом аммония, смеси аммиачной селитры с жидкими (например, соляровым маслом) и порошкообразными (например, древесной мукой, порошкообразным алюминием) горючими веществами. Для уменьшения чувствительности и опасности в обращении мощные ВВ смешивают с парафином, церезином и др. легкоплавкими добавками (флегматизация ВВ). Для увеличения теплоты взрыва в смеси вводят порошкообразный алюминий или магний.

Большое значение имеют смесевые ВВ, изготовляемые из невзрывчатых (или слабовзрывчатых) горючих и окислителей - игданиты, гранулиты, дымный порох, хлоратные и перхлоратные ВВ - смеси на основе солей хлорной и хлорноватой кислот, жидкого кислорода (оксиликвиты) и др. По взрывчатым свойствам (условиям перехода горения в детонацию) и обусловленным ими областям применения ВВ подразделяют на инициирующие (первичные), бризантные (вторичные) и метательные (пороха). Инициирующие ВВ характеризуются чрезвычайно высокой скоростью взрывного превращения. Чувствительность их высока, горение неустойчиво и быстро переходит в детонацию уже при атмосферном давлении. Взрыв может быть возбуждён поджиганием, ударом или трением. Инициирующие ВВ используют для возбуждения взрывчатого превращения других веществ. Основные представители инициирующих ВВ - азид свинца, гремучая ртуть, тринитрорезорцинат свинца, тетразен. Бризантные ВВ более инертны. Чувствительность их к внешним воздействиям гораздо меньше, чем инициирующих.

Горение может перейти в детонацию только при наличии прочной оболочки либо большого количества ВВ. Поэтому они относительно безопасны в обращении. В качестве бризантных ВВ применяют главным образом нитросоединения и взрывчатые смеси на основе нитратов, хлоратов, перхлоратов и жидкого кислорода, о которых говорилось выше. Основной режим их взрывного превращения - детонация, возбуждаемая небольшим зарядом инициирующего ВВ. Бризантные ВВ применяют для взрывных работ, а также в снарядах и др. боеприпасах. Метательные ВВ горят ещё более устойчиво, чем бризантные: они не детонируют при горении даже в самых жёстких условиях. Основной режим взрывного превращения метательных ВВ - горение. Отличие метательных ВВ от бризантных определяется в основном не химическим составом, а физической структурой этих веществ (плотностью и прочностью заряда). Характеристики некоторых ВВ приведены в Таблице 1.

Таблица 1.

Характеристика некоторых взрывчатых веществ при плотности заряда 1600 кг/м3

Взрывчатые вещества	Кислородный баланс, %	Теплота взрыва, Мдж/кг (ккал/кг)	Объём газообразных продуктов взрыва, при нормальных условиях, м3/кг (л/кг)	Скорость детонации, км/сек
Тротил	–74,0	4,2 (1000)	0,75 (750)	7,0
Тетрил	–47,4	4,6 (1100)	0,74 (740)	7,6
Гексоген	–21,6	5,4 (1300)	0,89 (890)	8,1
Тэн	–10,1	5,9 (1400)	0,79 (790)	7,8
Нитроглицерин	+3,5	6,3 (1500)	0,69 (690)	7,7
Амонит № 6		4,2 (1000)	0,89 (890)
Нитрат аммония	+20,0	1,6 (380)	0,98 (980)	~1,51
Азид свинца	-	1,7 (400)	0,23 (230)	5,32
Баллиститный порох.	–45	3,56 (860)	0,97 (970)	7,0

ВВ широко применяют в народном хозяйстве при взрывных работах, взрывной сварке, взрывном упрочнении металла, взрывном штамповании. ВВ, применяемые в горной промышленности, подразделяют на непредохранительные - для открытых работ и для подземных работ (кроме шахт, опасных по газу или пыли, обычно ВВ для подземных работ обладают большей детонационной способностью, чем ВВ для открытых работ, и образуют при взрыве меньше ядовитых газообразных продуктов - окислов азота и окиси углерода), и на предохранительные взрывчатые вещества (для шахт, опасных по газу или пыли). Основную массу промышленных ВВ составляют аммониты и гранулиты. В меньших количествах используют динамиты, тротил, преимущественно гранулированный (гранулотол), иногда с добавкой алюминия (алюмотол), водонаполненные взрывчатые вещества.

ПОНЯТИЕ О ВЗРЫВЕ

Взрывом называется чрезвычайно быстрое изменение состояния вещества, сопровождающееся таким же быстрым превращением его потенциальной энергии в механическую работу, направленную на разрушение окружающей среды. Работа взрыва основана на стремлении газов или паров, существовавших до взрыва или образовавшихся в момент взрыва, к расширению. Наиболее характерным признаком взрыва является мгновенное и резкое повышение давления на окружающую среду и вследствие сотрясения среды — звуковой эффект.

Различают взрывы физического и химического характера, В первом случае изменяется агрегатное состояние вещества (например, взрыв парового котла, взрыв патрона кардокс).

Во втором — резко изменяется химическая природа вещества: исходные продукты совершенно отличны от конечных (например, взрыв взрывчатого вещества).

Взрыв химически активной системы можно характеризовать как чрезвычайно быстрое химическое превращение вещества, сопровождающееся выделением большого количества энергии (тепла) и образованием газов, производящих работу вследствие резкого повышения давления в месте их образования.

Начальный импульс

Начальный импульс— энергия, приложенная извне к заряду ВВ для обеспечения начала взрывчатого превращения.

Величина этой энергии весьма незначительна по сравнению с количеством энергии, выделяемой при взрыве заряда ВВ. Роль начального импульса сводится к локальному (местному) действию, определяющему начало взрывчатого превращения в какой-либо одной незначительной части заряда. Практическая форма начального импульса — взрыв капсюля-детонатора. Теоретически для этой цели можно использовать любую форму энергии: лучистую, термическую, механическую и др.