Свойства взрывчатых веществ

 

 

Основные свойства взрывчатых веществ определяются взрывчатыми и физико-химическими характеристиками.

Взрывчатыми характеристиками являются:

 
— теплота взрыва;
 
— температура продуктов взрыва;
 
— скорость детонации;
 
— бризантность;
 
— работоспособность (фугасность).
 
Физико-химическими характеристиками являются:
 
— чувствительность к механическим и тепловым воздействиям;
 
— химическая и физическая стойкость;
 
— плотность (вес в единице объема).
 
 

Теплота и температура взрыва

 
Из физики известно, что энергия и тепло, выделяемые в процессе реакции, находятся в прямой зависимости между собой, поэтому количество выделяемой при взрыве теплоты является весьма важной энергетической характеристикой взрывчатого вещества, определяющей его работоспособность. Чем больше выделено теплоты, тем выше температура нагрева продуктов взрыва, тем больше давление, а следовательно, и воздействие продуктов взрыва на окружающую среду.
 
Теплота взрыва зависит от химического состава взрывчатого вещества. Она вычисляется теоретически по закону Гесса или определяется экспериментально в специальных толстостенных калориметрических бомбах по количеству тепла, поглощенного массой бомбы при взрыве внутри ее определенного количества взрывчатого вещества.
 
Зная теплоту взрыва, легко вычислить и температуру взрыва, исходя из соотношения
температура взрыва
 
где  Cv — теплоемкость продуктов взрыва с учетом ее изменения от температуры.
 

Скорость детонации

 
От скорости детонации взрывчатого вещества зависит скорость процесса взрывчатого превращения, а следовательно, и время, в течение которого выделяется вся энергия, заключенная во взрывчатом веществе. А это вместе с количеством тепла, выделившегося при взрыве, характеризует мощность, развиваемую взрывом; следовательно, даст возможность правильно выбрать взрывчатое вещество для выполнения тон или иной механической работы.
Для перебивания, например, металла, целесообразнее получить возможный максимум энергии в наикратчайший промежуток времени, тогда как для выброса грунта из пределов заданной выемки (воронки) эту же энергию лучше получить за более длительный отрезок времени, подобно тому как при нанесении резкого удара по доске можно ее перебить, а приложив ту же энергию постепенно только сдвинуть (отбросить).
 
Скорость детонации для одного и того же взрывчатого вещества может быть различной и зависит:
 
— от химического состава и структуры молекулы;
 
— от плотности взрывчатого вещества 
 
Влияние плотности взрывчатого вещества на скорость его детонации следующая
Плотность, г/см3                                                             1.0         1.3           1.4             1.5            1.6
Тротил                                                                              4720      6025        6315         6610         6960
Гексоген флегматизированный 5% парафина     —           6875        7315         7600         7995
 
от диаметра массы взрывчатого вещества, который должен быть не менее критического; однако при  увеличении диаметра ВВ выше критического и до величины, называемой предельным диаметром, скорость детонации постепенно возрастет; дальнейшее увеличение диаметра уже не сказывается на скорости детонации.
 
На скорость детонации влияют также величина частиц (дисперсность) порошкообразных и степень увлажнения гигроскопических взрывчатых веществ.
Чем меньше размер частицы вещества, тем больше скорость его детонации, и наоборот, чем больше влаги содержится в частицах взрывчатого вещества, тем меньше скорость его детонации, которая постепенно достигает своих неустойчивых форм и затухает или даже совсем не развивается.
 
Скорость детонации определяется теоретически и проверяется экспериментально различными методами. Наиболее точными являются методы с применением осциллографов или специальных фоторегистров.
 

Объем и состав продуктов взрыва

 
Объем продуктов взрыва является характеристикой, существенно влияющей на работоспособность взрывчатого вещества. Чем больше объем расширяющихся продуктов взрыва, тем больше их воздействие на окружающую среду.
Наименование ВВ

Скорость детонации

м/сек

Теплота взрыва, ккал/кг Температура продуктов взрыва, С Объем продукта взрыва, л/кг Бризантность по Гессу,мм Работо-способность по Трауцлю, см3
Инициирующие взрывчатые вещества
Гремучая ртуть 4800 410 4300 315 - -
Азид свинца 4800 380 4080 310 - -
Тенерес 1600 410 2800 440 - -
Бризантные ВВ повышенной мощности
Тэн 8400 1410 1410 780 24 500
Гексоген 8380 1390 3850 900 24 490
Тетрил 7700 1095 3915 750 18-20 390
Бризантные ВВ нормальной мощности
Тротил 6900 1000 3050 750 16 235
Пикриновая кислота 7200 1030 3520 685 18 330
Динамит 62% 6000 1210 4040 630 16 350
Бризантные ВВ пониженной мощности
Аммонит 80.20 5000 950 2500 860 10-12 350
Динамоны 2500-4500 720-890 1940-2750 900-950 12-14 320-350
Аммонал 5030 1000 2440 800 16 350
 
Из таблицы видно, что объем продуктов взрыва у бризантных взрывчатых веществ колеблется в меньших пределах, чем теплота взрыва и скорость детонации, а поэтому последние и влияют главным образом на мощность взрывчатого вещества. Весьма мал объем продуктов взрыва у инициирующих ВВ, поэтому нецелесообразно применять их для получения механической работы.
 
Состав продуктов взрыва обусловлен химическим составом взрывчатого вещества. Последнее, как правило, состоит из таких элементов, как углерод, водород, кислород и азот, а поэтому при взрыве превращается в следующие устойчивые продукты: СO2, Н2O, СО, N2, Н2, О и С. В небольших количествах выделяются и некоторые другие продукты, в том числе ядовитые; наличие или отсутствие ядовитых продуктов позволяет решать вопрос об области применения того или иного вещества.
 
При взрыве на открытом воздухе присутствие вредных газов в продуктах взрыва существенного значения не имеет, хотя, например, нельзя входить в воронку (выемку), образованную взрывом в грунте, сразу же после взрыва, так как невыветрившиеся ядовитые газы могут вызвать отравление. При взрывах большого количества взрывчатого вещества (сотни и тысячи тонн) количество вредных газов становится уже весьма существенным и газовое облако может быть отнесено ветром на значительное расстояние с сохранением еще отравляющей способности.
 
При ведении взрывных работ в закрытых помещениях и под землей (в туннелях, шахтах, рудниках и т. п.) после каждого взрыва необходимо тщательно проветривать помещения и выработки, прежде чем допускать в них людей.
 
Условия, в которых происходит взрыв, также могут благоприятно или неблагоприятно влиять на количественное образование ядовитых газов. Например, присутствие влаги в окружающей взрывчатое вещество среде (обводненный грунт) способствует за счет реакции
 
CO+H_2O{\rightarrow}H_2+CO_2
 
более полному окислению углерода до СO2, уменьшая соответственно количество СО в продуктах взрыва. Бумажная оболочка, в которую обычно заключены шашки и патроны, наоборот, увеличивает количество СО в продуктах взрыва.
 
Объем и состав продуктов взрыва определяются расчетом и проверяются экспериментально взрывом некоторого количества взрывчатого вещества в специальных герметически закрывающихся стальных бомбах. Об объеме продуктов взрыва судят по давлению газов внутри бомбы, а о их составе — путем газового анализа пробы, взятой из бомбы.
 
 

Бризантность взрывчатого вещества

 
Бризантностью взрывчатого вещества называют егс способность дробить прилегающую к нему среду (дерево, металл, горные породы и пр.).
 
Воздействие взрыва на окружающую среду отличается практически мгновенным скачком давления до весьма высоких его величин, но затем в связи с расширение*, продуктов взрыва давление в них быстро падает до атмосферного и ниже, вновь поднимаясь до атмосферного.
 
Ввиду крайне малого промежутка времени, в течение которого поддерживается избыточное над атмосферным давление, действие взрыва имеет так называемый импульсный характер. Полный импульс соответствует полной работе взрыва и равен площади избыточного давления.
 
Бризантному действию соответствует только малая часть импульса, расположенная в непосредственной близости к пиковому давлению, которое пропорционально квадрату скорости детонации и плотности взрывчатого вещества. Следовательно, бризантность тем больше, чем больше эти значения.
 
Бризантность определяется пробой Гесса (проба обжатием свинцового цилиндрика) следующим образом:
на стальную плиту  устанавливается свинцовый цилиндрик, имеющий высоту 60 мм и диаметр 40 мм; на цилиндрик сверху укладывается стальная пластинка диаметром 41 мм и толщиной 10 мм. На пластинку ставится бумажный цилиндр диаметром 40 мм, заполненный 50 г порошкообразного взрывчатого вещества при его плотности 1 гр/см3 (насыпается с легким подпрсссовыванием до требуемой плотности). Давление взрыва, передаваемое через стальную пластинку, обжимает свинцовый цилиндрик, придавая ему грибообразную форму. Разница между начальной и конечной высотами цилиндрика, измеренная в миллиметрах, и характеризует бризантность взрывчатого вещества.
 

Работоспособность взрывчатого вещества

 
Работоспособность (фугасность) взрывчатого вещества проявляется в форме выброса грунта из воронок и выемок, образовании полостей в грунтах и скальных поводах и рыхлении их. Эта характеристика соответствует полному импульсу, величина которого определяется расчетом и может быть измерена в лабораторных условиях специальными пьезокварцевыми датчиками с осциллографами, баллистическими маятниками и т. п. Для определения работоспособности взрывчатого вещества обычно принята более доступная и простая проба в бомбе Трауцля, отливаемой из свинца в форме цилиндра диаметром) высотой 200 мм. По оси цилиндра оставляют канал диаметром 25 мм и глубиной 125 мм , в который помещают 10 г взрывчатого вещества при плотности в  1 гр/см3, а все оставшееся свободное пространство в канале засыпают кварцевым песком, прошедшим решето со 144 отверстиями.
 
После взрыва в бомбе образуется грушевидная полость, объем которой замеряют, заполняя точно измеренным количеством воды. Разность между  этим объемом и первоначальным объемом канала, выраженная в кубических сантиметрах, и является характеристикой работоспособности (фугастности) взрывчатого вещества.
 

Чувствительность взрывчатого вещества

 
 
 
 
Чувствительность является одной из важнейших характеристик взрывчатого вещества; она определяет возможность и область практического использования данного вещества. Слишком большая чувствительность взрывчатого вещества делает его весьма опасным и неудобным в обращении. Например, йодистый азот на столько чувствителен, что взрывается от простого прикосновения к нему ногтем.
 
С другой стороны, слишком малая чувствительностг взрывчатого вещества затрудняет возбуждение в его массе взрывчатого превращения простыми средствами, что также ограничивает его применение. Примером такой взрывчатого вещества является аммиачная селитра.
 
Кроме химических факторов (состав, число нитрогрупп, характер внутримолекулярных связей) на чувствительность взрывчатого вещества влияют его физическое состояние, величина кристаллов (зерен вещества), а также наличие примесей.
 
По физическому состоянию современные взрывчатые вещества делятся на порошкообразные, прессованные; литые и порошкообразные с жидкостным заполнением промежутков между зернами (частицами) вещества. Литые вещества обладают наименьшей, а порошкообразные, наибольшей чувствительностью к механическим воздействиям.
 
Уменьшение чувствительности взрывчатого вещества к механическим воздействиям наблюдается и при увеличении размеров зерен порошкообразного вещества.
 
Весьма существенно влияют на чувствительность к механическому внешнему импульсу различные примеси, могущие оказаться во взрывчатом веществе при небрежном обращении или хранении. Такие примеси, как песок, стекло, корунд, металлические опилки и т. п., повышают чувствительность взрывчатого вещества, а такие, как воск, парафин, вода и масло, наоборот, понижают ее.
 
Первые примеси называются сенсибилизаторами, и их наличие в массе взрывчатого вещества ограничивается при производстве жесткими нормами.
 
Вторые примеси называются флегматизаторами, и к некоторым более чувствительным взрывчатым веществам они добавляются специально, чтобы придать веществу достаточную безопасность при его производстве и обращении с ним. Например, при прессовании гексогена или тэна к ним добавляется около 5% парафина, а тэн, идущий на изготовление детонирующих шнуров, флегматизируется.
 
Повышение чувствительности взрывчатого вещества при наличии в нем сенсибилизирующих примесей объясняется концентрацией энергии на острых гранях кристаллов примеси при сжатии вещества от удара, что приводит к возникновению местных разогревов при меньшей силе удара.
 
Флегматизирующее действие примесей заключается в том, что флегматизатор обволакивает частицы взрывчатого вещества тонкой пленкой, которая смягчает удар частиц друг о друга и затрудняет разрушение их кристаллической решетки.
 
Чувствительность взрывчатого вещества к механическому воздействию (в виде удара) определяется обычно на специальных устройствах, называемых копрами, путем сбрасывания груза на навеску взрывчатого вещества, положенную на наковальню, и может характеризоваться:
 
— высотой сбрасывания груза определенного веса, при которой всегда происходит взрыв навески;
 
— процентом взрывов при сбрасывании одного и того же груза с одной и той же высоты.
 
Для инициирующих взрывчатых веществ устанавливаются верхний и нижний пределы чувствительности. Верхним пределом считается такая минимальная высота падения данного груза, при которой происходит 100% взрывов, а нижним пределом— такая максимальная высота, при которой не получается ни одного взрыва (0%).
 
Чувствительность к трению для некоторых взрывчатых веществ устанавливается по углу отклонения маятника, при котором отсутствуют взрывы. Взрывчатые вещества, применяемые в войсках, испытываются на чувствительность к прострелу пулей из определенного оружия с определенного расстояния.
 
Чувствительность взрывчатого вещества к тепловому импульсу характеризуется температурой, при понижении которой на 5°С не происходит вспышки небольшой навески (0,05 г) взрывчатого вещества в течение 5-минутного нагревания ее в специальном двухстенном сосуде, заполненном сплавом Вуда; навеска в пробирке вводится в сплав, предварительно нагретый до требуемой температуры.
 
Температура вспышки позволяет судить о возможности использования данного вещества в условиях высоких температур, например при взрывании не полностью остывших козлов в доменных и мартеновских печах или при торпедировании нефтяных скважин на больших глубинах, где температура в скважине часто превышает 150° С.
 
Следует учитывать, что температура вспышки никак не характеризует степень воспламенения взрывчатого вещества от воздействия открытого пламени или искр, что иногда необходимо знать. В этих случаях производят специальные испытания применительно к условиям применения.
 

Стойкость взрывчатого вещества

 
Стойкость взрывчатого вещества определяет возможность, длительность и сроки хранения, а также условия хранения и использования ВВ на взрывных работах. Стойкостью называется способность взрывчатого вещества сохранять в нормальных условиях хранения и применения постоянство своих физико-химических и взрывчатых характеристик. Взрывчатые вещества нестойкие, могут в определенных условиях снижать и даже полностью утрачивать способность к взрыву или же, наоборот, настолько повышать свою чувствительность, что становятся опасными в обращении и подлежат уничтожению. Они способны к саморазложению, а при известных условиях и к самовозгоранию, что при больших количествах этих веществ может привести к взрыву.
 
Следует различать физическую и химическую стойкость взрывчатого вещества.
 
Физическая стойкость рассматривает такие свойства взрывчатых веществ, как гигроскопичность, растворимость, старение, затвердевание, слеживаемость.
 
Некоторые взрывчатые вещества способны поглощать влагу атмосферного воздуха и при определенной степени увлажнения, измеряемой обычно процентным содержанием влаги, сначала понижают чувствительность к восприятию детонации от нормального начального импульса, а при дальнейшем увлажнении вообще теряют способность к взрыву и даже могут растворяться в воде.
 
Наличие небольшого количества влаги может вызвать изменение плотности гигроскопичного взрывчатого вещества, способствуя связыванию его частиц и образованию весьма плотного тела, обладающего пониженной восприимчивостью к начальному импульсу. Это явление называется слеживаемостью.
 
Степень увлажнения взрывчатого вещества определяется его взвешиванием с последующей сушкой до получения постоянного веса. 
 
Старение свойственно смесевым взрывчатым веществам и является следствием самопроизвольного перераспределения компонентов смеси по массе вещества с течением времени, что отрицательно сказывается на свойствах взрывчатого вещества.
 
Физическая стойкость некоторых взрывчатых веществ зависит от температуры окружающей среды, при которой происходит или замерзание жидких компонентов (у нитроглицериновых ВВ), или затвердение вещества (у пла-ститов), или изменение структуры кристаллов (у аммиачной селитры). При этом изменяются свойства взрывчатого вещества.
 
Химическая стойкость взрывчатого вещества определяется степенью прочности внутримолекулярных связей, наличием летучих компонентов и примесей. Наиболее химически стойкими являются нитросоедннения, инициирующие и аммначно-сслитрснные взрывчатые вещества. Если эти вещества не загрязнены некоторыми примесями кислотного или щелочного характера, то они не изменяют своих свойств в течение очень длительного времени, измеряемого десятилетиями; этим объясняется отчасти преимущественное их применение на взрывных работах. Наименьшей химической стойкостью обладают нитроглицериновые ВВ, сохраняющие свои свойства лишь в течение нескольких месяцев.
 
Примеси, особенно кислотного характера, вызывают во взрывчатом веществе дополнительные химические реакции, обычно сопровождающиеся выделением тепла, которое ускоряет процесс естественного саморазложения и разогрев массы взрывчатого вещества до температуры воспламенения, т. е. способствует самовоспламенению взрывчатого вещества.
 
Химическая стойкость взрывчатого вещества определяется подогреванием небольшого количества его в течение определенного времени с одновременным контролем за наличием и скоростью разложения испытуемого вещества.
 
Контроль этот может осуществляться:
 
— по изменению окраски индикатора (лакмусовая или йодокрахмальная проба) под воздействием продуктов разложения взрывчатого вещества;
— по изменению (возрастанию) давления продуктов разложения в герметически закупоренном сосуде, в который помещается испытуемое вещество;
— по изменению (потере) веса испытуемого вещества за счет выхода продуктов разложения.
 
Сравнивая временные показатели, полученные наблюдениями по этим методам, с нормами, установленными для данного взрывчатого вещества в стандартах и технических условиях, судят о степени его пригодности и безопасности при применении и хранении.
 

Плотность взрывчатого вещества

 
Под плотностью взрывчатого вещества понимается вес его в единице объема. От плотности зависят чувствительность взрывчатого вещества к начальному импульсу, скорость детонации и брнзаптность.
 
Способность к детонации у взрывчатых веществ сохраняется только при некоторых, определенных для каждого взрывчатого вещества плотностях, находящихся в пределах 0,8—1,7 г/см3. При уменьшении или увеличении (переуплотнении) этих плотностей снижается чувствительность взрывчатого вещества к начальному импульсу, а даже возникшее взрывчатое превращение не достигает детонационной скорости и затухает.