膨胀珍珠岩对乳化炸药爆轰性能的影响研究

摘 要：本文对采用膨胀珍珠岩物理敏化的乳化炸药进行研究，从膨胀珍珠岩的含量、粒度、憎水性不同维度分别对乳化炸药进行爆速、猛度测试分析，探究珍珠岩的敏化机理作用，分析研究珍珠岩对乳化炸药爆轰感度的影响。膨胀珍珠岩在乳化基质中的含量宜控制在2.4％～3％，乳化炸药具有良好的起爆感度，药态软硬适中。膨胀珍珠岩的粒度（20目～80目）应≧80%，粒度越大，颗粒越均匀，平均颗粒越细，炸药中的敏化有效气泡含量越多，珍珠岩的有效利用率也越高，炸药的爆速、猛度、殉爆距离都在增加。

关键词：膨胀珍珠岩；珍珠岩含量；珍珠岩粒度；爆轰感度

中图分类号：TQ 56 文献标志码：A

乳化炸药是用乳化技术制备的一种W/O油包水的胶状、具有抗水性的工业炸药，与粉乳炸药、铵油炸药、铵梯炸药等其他工业炸药相比，具有爆轰性能好、抗水性强的特点，被广泛应用于工程爆破中。为了确保乳化药具有良好的爆轰感度，通常需要对其进行敏化，在乳胶基质中引入许多分布均匀的微小气泡作为密度调节剂，在受到外界起爆能量后，这些微小气泡被绝热压缩，在10-3s～10-5s被迅速急剧加热升温，形成400℃～600℃的热点，从而激发乳化炸药发生爆炸。

目前，国内主要的乳化炸药敏化技术分为化学敏化、物理敏化。化学敏化法是将磷酸、柠檬酸等泡助剂或促进剂与乳化基质中的硝酸铵进行化学反应，分解产生微小气泡；物理敏化是将珍珠岩、玻璃微球等带有微小气孔的固体颗粒通过机械搅拌的方式混入乳胶基质中，使乳化基质能够含有数量一定且分布均匀的微小气泡。本文主要以膨胀珍珠岩物理敏化的方式进行研究。

1 膨胀珍珠岩的物理特性

膨胀珍珠岩是一种火山喷发的酸性玻璃质岩石，属于非金属矿产，因其具有珍珠裂隙结构而得名。由于在1000℃～1300℃高温条件下其体积迅速膨胀4～30倍，因此统称为膨胀珍珠岩。珍珠岩又分为膨胀珍珠岩和闭孔珍珠岩。闭孔珍珠岩是采用电炉加热等方式，对珍珠岩矿砂的梯度加热和滞空时间进行精确控制，使珍珠岩矿砂表面溶融，气孔封闭，内部呈蜂窝状结构。

膨胀珍珠岩的生产工艺如下。1）预热。根据产地、粒度大小的不同，珍珠岩矿砂在250℃～400℃的温度环境下预热2min～8min，预热脱干含水率将达到膨胀要求。2）膨胀。预热后的矿砂经投料装置均匀洒向温度保持在900℃～1200℃的火焰上，矿砂将被急剧加热并迅速膨胀至原来体积的10～30倍，膨胀后的珍珠岩颗粒呈白色或浅灰色，内部含有蜂窝状结构，松散密度一般为40kg/m3～80kg/m3。本文主要研究闭孔型膨胀珍珠岩，闭孔珍珠岩克服了传统膨胀珍珠岩吸水率大、强度低、流动性差、导热系数高的弊端，延伸了膨胀珍珠岩的应用领域。作为物理敏化剂，敏化效果好、价格低廉、运输方便，被广泛应用于乳化炸药物理敏化生产工艺[1]。

膨胀珍珠岩用于乳化炸药物理敏化，其主要技术参数如下。1）主要化学组分是SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO。2）外观。内部为蜂窝状多空隙结构的白色松散颗粒。3）水分小于或等于2%（冷却珍珠岩）。4）导热系数为0.04W/（m·K）～

0.07W/（m·K）。5）堆积密度（容重）小于或等于65kg/m3，憎水型珍珠岩大于或等于75kg/m3。6）粒度为0.824～0.257（20目～80目，大于或等于80%）。

2 膨胀珍珠岩的敏化机理作用

调节乳化炸药的整体密度。膨胀珍珠岩是一种白色多孔性颗粒状材料，粒径约为100μm，密度为氧化剂水溶液的十几分之一，密度低，化学稳定性较好，作为密度调整剂，在乳胶基质中添加2%～4%就可以有效改善乳化炸药的密度。

作为物理敏化剂，使乳化炸药的感度敏化。膨胀珍珠岩通过物理敏化的方式，可以在乳化基质中均匀分布，形成大量微小气泡，有助于形成爆炸热点，使炸药发生剧烈氧化还原反应，可以起到非常良好的敏化作用，能够有效改善炸药的爆轰敏感度、爆炸性能。

珍珠岩是一种多功能添加剂，可以稳定乳化基质。由于珍珠岩的粒径为100μm～300μm，而乳化基质的水相粒子直径为0.1μm～1μm，油相油膜厚度为10-3μm～10-2μm，因此加入珍珠岩后，可以使表面与乳化基质的油滴紧密结合，且不吸油，起到稳定剂的作用，让炸药可以保持长期整体稳定均匀，不破乳，提高炸药储存期性能[2]。

3 试验方案

3.1 乳化炸药的爆速测定-测时仪法（电测法）

3.1.1 方法原理

工业炸药爆速测试系统原理组成的框图如图1所示。原理是记录固定距离内爆轰波传递到达后熔断探针的时间，然后根据爆轰波传递的距离和时间就可以得到炸药的爆速。

试验采用双股紧密缠绕的漆包铜线作为探针靶线（信号接收端），固定两端靶线之间的距离插入待测炸药中。炸药起爆后，爆轰波在炸药中传播，爆轰产生的高温将探针靶线融化断路，测试仪记下2段靶线断路的时间差t，由于靶线间的距离L为固定已知值，根据爆速测定公式即可得出炸药的爆速。

3.1.2 试验仪器、设备与材料

试验场地：试验销毁塔，最大试验药量1200g。

试验仪器与材料：本次试验仪器采用湖南湘西奇搏矿山仪器厂制造的BSW-3A型智能五段爆速仪（测试精度大于0.1μs）；乳化炸药单次试验样品400g；高精度感应探针（0.10mm～0.15mm，铜芯漆包线）；不锈钢游标卡尺（分度值0.01mm）；电子天平（精度0.5g）；钢板直尺（500mm，分度值1mm）；起爆器材（瞬时数码电子雷管）。

3.1.3 试验步骤

按照标准进行乳化炸药抽样，随机抽取外观无明显变形、长度不小于18cm、直径为32mm的药卷作为试验样品。在试验样品上取一段距离L=50mm处径向平行的点位作为探测点，准备2条铜芯漆包线作为待测探针靶线。

将铜芯靶线穿过径向平行的探测点，将铜线拉直，以确保炸药内的靶线为一条直线。之后确保每条探针靶线的2股铜丝相互断路。

对测试仪电路系统进行“断、通”检查，以确保测试仪可以接收爆速测试时的电信号；将2根靶线按照爆轰波传播顺序与测试仪信号接收顺序对应后连接靶线与测试仪电路。

在测试仪上设置爆速靶距L为50mm。在试验样品的爆速测量端插入数码电子雷管，深度适中。用导线将数码电子雷管与起爆器连通，使用起爆器引爆，引爆完成后将导线断开与雷管线的连接并短接，读取测试仪的数据。

3.1.4 爆速数据处理

根据公式（1）计算各段爆速值Di。

（1）

式中：Di为第i段测量爆速；L为测试距离；Ti为爆速仪测量第i段时间差值。

根据公式（2）计算均值。

（2）

式中：为爆速均值；n为测试数据个数。

根据公式（3）计算标准差S（S一般取1～2位有效位数）。

（3）

3.2 乳化炸药的猛度测试

3.2.1 测试方法原理

乳化炸药猛度炸药爆炸时粉碎与其接触介质的能力叫做炸药猛度，炸药猛度是炸药使用性能中最重要的一个特性，与炸药的破甲作用、粉碎作用都有密切关系，其大小取决于炸药释放气体产物的猛烈程度。

炸药爆炸后，爆轰波传播途中释放大量气体，释放出来的大量气体在钢管的约束作用下对其下方的铅柱进行压缩，因此可用铅柱被压缩值来直观表现炸药的猛度。

3.2.2 仪器、设备与材料

铅柱（500℃高温熔铸制成直径为30mm、高为50mm的圆柱）；高精度电子天平（精度为0.01g）；游标卡尺分度值（精度为0.02mm）；测试钢片（优质碳素结构钢制成）；压模（黄铜制成）；铅柱钢底座；带孔园纸板（厚度为1.5mm～2.0mm，外径为（39.5±0.2）mm，孔径为（7.5±0.1）mm；纸筒（将牛皮纸裁成长150mm、宽65mm的长方形，粘成内径为40mm的圆筒）；瞬发电子雷管。

3.2.3 试验步骤

试样准备：称取质量为（50.0±0.1）g的乳化炸药样品倒入纸筒中，然后将纸筒放在专用铜模具中，压模控制将乳化炸药的装药密度调整为（1.00±0.03）g/cm3，再放上带孔圆纸板，在带孔圆纸板中心孔内插入雷管壳，插入乳化炸药的深度为16mm，然后退出模具，按照使用密度进行试验。

测量铅柱：在引柱的水平面上，穿过铅柱中心标记十字线，并标明序列号。在距离交叉线和交点10mm处，标记交叉线，用游标卡尺沿交叉线测量该线（精确至0.02mm）。游标卡尺的末端应延伸到交叉线上。4次测量的算术平均值作为测试前铅柱高度的平均值h（精确至0.01mm）。

爆轰测试：将钢底座水平放置在混凝土厚度不小于100mm的硬基础上，然后放置引柱（拉线端向下）、钢板、炸药，使整个测试系统在同轴线上固定在钢底座上，取出雷管壳体，用数码电子雷管起爆，乳化炸药猛度测定实际装配如图2所示。

计算猛度：首先，清理爆炸后的铅柱表面，用游标卡尺沿压缩表面标记横线，重测四点高度（精确至0.02mm），试验后取铅柱高度的平均值h1（精确到0.01mm）。

铅柱压缩值如公式（4）所示。

Δh=h0-h1 （4）

式中：Δh为铅柱横截面的压缩值；h0为爆炸前铅柱横截面平均高度；h1为爆炸后铅柱横截面平均高度。

4 试验结果与分析

4.1 膨胀珍珠岩含量对乳化炸药爆轰感度的影响

为研究对不同膨胀珍珠岩含量对乳化炸药密度变化及其爆炸性能稳定性的影响，试样所用的乳化炸药的配方如下：硝酸铵74%、硝酸钠7%、水10%、复合蜡4%、乳化剂2%。用物理敏化的方式，敏化温度控制在50.5℃～51.5℃，通过添加1.5%、2%、2.4%、3%、3.5%、4%含量的膨胀珍珠岩进行生产，制得的乳化炸药样品试验结果见表1。

试验结果表明，在基础配方不变的情况下，膨胀珍珠岩的含量对乳化炸药的药密度及其稳定性的影响很大。当膨胀珍珠岩的含量低于1.5%时，对乳化炸药的密度调节不够，导致密度过大，炸药单位体积中的有效气泡数量减少，炸药受绝热压缩产生的热点也将减少，当受到爆轰波冲击压缩作用导致的爆温减少时，爆轰波反应速率减缓，炸药爆速、稳定性明显降低，感度低，必须用8号雷管才能起爆。

膨胀珍珠岩在乳化炸药的组分含量控制为2.2%～3.6%时，对乳化炸药密度的调节较好，乳化基质中的有效微气泡增多，有利于提升乳化炸药爆速、爆轰感度，性能也更稳定。尤其是3%含量的珍珠岩，6个月储存期爆速可保持在4500m·s-1以上，爆轰感度较高，4号雷管可以起爆。

但是膨胀珍珠岩属于惰性材料，当含量超过4%时，对乳化炸药的爆速、爆轰感度都有不良影响，特别是6个月储存期后，爆速、爆轰感度性能衰减剧烈，甚至出现半爆、拒爆。

经过我公司长期生产实践，膨胀珍珠岩的含量宜控制在2.4％～3％（外加），乳化炸药的起爆高度较高，用4号雷管可以起爆，炸药总体性能最好，质量稳定，生产成本低。

4.2 膨胀珍珠岩粒度对乳化炸药爆轰感度的影响

为研究对膨胀膨胀珍珠岩粒度对乳化炸药密度变化及其爆炸性能稳定性的影响，保证乳化炸药的基础配方组分、质量分数不变，用40～80目粒度的珍珠岩物理敏化，敏化温度控制在50.5℃～51.5℃，装药、包装保持不变，生产乳化炸药，制得的炸药样品试验结果见表2。

试验表明，膨胀珍珠岩的粒度对乳化炸药的密度和爆轰感度也有明显的影响。珍珠岩粒度为40～90，随着珍珠岩的粒度越大，颗粒越均匀，平均颗粒越细，乳化炸药中的敏化有效气泡含量越多，珍珠岩的有效利用率也越高，乳化炸药的爆速、猛度、殉爆距离都在增加，爆轰感度越高。乳化炸药在受到冲击波绝热压缩时，形成热点数量越多，因此要求膨胀珍珠岩的80%颗粒度直接应控制在250μm～300μm，可以有效提高爆炸性能和爆轰感度。

在实际生产过程中，用珍珠岩物理敏化方式，可以使珍珠岩颗粒与乳化基质进行均匀混合，形成相对均匀分布的W/O乳胶体系，在相同乳化基质密度下，比较细粒的膨胀珍珠岩，大颗粒的膨胀珍珠岩（粒度小于40）的孔隙直径比小颗粒大，敏化搅拌时磨损越多，灰分增加，其有效气泡数少，不利于起爆，雷管感度低，爆速低，爆轰性能降低，甚至可能出现拒爆现象。

炸药中敏化气泡的数量随珍珠岩粉颗粒数量增加而增加，所以在一定范围内珍珠岩粉的颗粒越细，炸药中的敏化气泡数量越多，炸药的感度也就越高。在同样的密度下，大颗粒的珍珠岩粉的总孔隙体积比小颗粒大，但其孔隙数少，这对起爆是不利的。此外，它对水胶炸药的抗水性和凝胶的连续性都有不良的影响。因此要求珍珠岩粉的颗粒直径不大于300μm，90%的颗粒尺寸为200μm～300μm[3]。

4.3 膨胀珍珠岩堆积密度、憎水性对乳化炸药爆轰感度的影响

珍珠岩的容重、增水量是衡量珍珠岩产品质量的重要技术指标，与珍珠岩的材质以及颗粒度、堆积密度相关，也反映了珍珠岩添加到乳化基质中的封闭的有效气泡数量，具体的试验结果见表3。

试验结果表明，在确保珍珠岩组分及粒度一致的情况下，当容重为40kg/m3～80kg/m3时，随堆积密度增大，珍珠岩内所含的有效气泡逐渐增多，与乳化基质敏化搅拌越均匀，敏化效果好，爆速越高，猛度越高，乳化炸药的爆轰性能越好。珍珠岩堆积密度过低（lt;30kg/m3）、过高（gt;80kg/m3），珍珠岩所含的有小气泡反而减少，物理敏化搅拌时，气泡破坏较大，爆速、猛度也会降低。经过长期生产实践，珍珠岩的堆积密度宜控制在50kg/m3～60kg/m3，珍珠岩的有效利用率最高，爆轰性能好，生产成本低。

由上述试验可知，膨胀珍珠岩的憎水量对爆轰性能的影响不明显。但是使用憎水性能较好的珍珠岩可以有效避免乳化基质、游离水进入珍珠岩空隙中，减少破乳现象，提高炸药的性能稳定性[4]。

5 结语

本文基于同一配方、乳化生产工艺技术生产的乳化炸药，从膨胀珍珠岩的含量、粒度、憎水性不同维度分别进行爆速、猛度测试分析，得出以下研究结论。1）膨胀珍珠岩在乳化基质中的含量宜控制在2.4％～3％（外加），乳化炸药具有良好的起爆感度，药态软硬适中。当含量超过4%时，对乳化炸药的爆速、爆轰感度都有不良影响，可能拒爆。2）膨胀珍珠岩的粒度（20～80目）应≧80%，粒度越大，颗粒越均匀，平均颗粒越细，炸药中的敏化有效气泡含量越多，珍珠岩的有效利用率也越高，炸药的爆速、猛度、殉爆距离都在增加，爆轰感度也越高。3）膨胀珍珠岩的堆积密度宜控制在50kg/m3～60kg/m3，珍珠岩的有效利用率最高，爆轰性能好。珍珠岩堆积密度过低（lt;30kg/m3）、过高（gt;80kg/m3）都有可能导致乳化炸药拒爆。4）使用憎水性能较好的珍珠岩可以有效避免乳化基质、游离水进入珍珠岩空隙中，减少破乳现象，提高炸药的性能稳定性。

参考文献

[1]汪旭光.乳化炸药理论[M].北京：兵器工业出版社，2008.

[2]孟自立.空心玻璃微珠在乳化炸药中的应用[J].爆破器材，1999，28（4）：16-18.

[3]贾进宝，刘正凯.膨胀珍珠岩在含水炸药中应用的研究[J].矿冶工程，1987，7（1）：3-7.

[4]周世武.憎水型膨胀珍珠岩在乳化炸药中应用研究.[J].荆门职业技术学院学报，2000，15（3）：26-28.