炸药的起爆、感度及有关性能
一、炸药的起爆
炸药具有爆炸的性能。在常态下，它能处于相对的稳定状态，也就是说，它不会自行发生爆炸。要使炸药发生爆炸，必须使炸药失去其相对的稳定状态，即必须给炸药施加一定的外能作用。炸药在外能作用下发生爆炸的过程，称为炸药的起爆。使炸药起爆所需的外能，则称为起爆能。
多种形式的外能都可以激起炸药起爆，但从工程爆破技术、作业安全和有效使用炸药的角度看，热能、爆炸能和机械能较有实际意义。
1．热能
当炸药受到热或火焰的作用时，其局部温度将达到爆发点而引起爆炸。例如，火雷管起爆法就是利用导火索的火焰来引爆火雷管；电雷管起爆法则是利用电桥丝通电灼热引燃引火药头而引燃雷管，进而起爆炸药。
2．机械能
炸药在撞击或摩擦的作用下，炸药颗粒间产生强烈的相对运动，机械能瞬间转化为热能，从而引起炸药爆炸。但利用机械能起爆炸药既不方便也不安全，工程爆破中一般不采用。在运输和使用炸药时，必须注意机械作用可能引爆炸药的问题，以防爆炸事故发生。
3．爆炸能
工程爆破中常用一种炸药爆炸产生的强大能量来引爆另一种炸药。例如在实际爆破作业中最常见的是利用雷管或导爆索的爆炸来引爆炸药；其次是利用起爆药包的爆炸，引爆一些钝感炸药。
除了上述的热能、机械能和爆炸能外，光能、超声振动、粒子轰击、高频电磁波等也都可激起炸药爆炸，因此这些在爆破作业中都应引起注意和重视。
二、炸药的感度
炸药在外界作用影响下发生爆炸的难易程度叫炸药的敏感度(简称为感度)。即指炸药对外界起爆能的敏感程度。感度的高低，通常以引起爆炸所需的最小外界能量来表示。所需外界能量小则感度高，反之则感度低。引起炸药爆炸的外界能量有：(1)机械能：冲击、摩擦、针刺、振动等产生的能量。(2)热能：加热、火花、火焰或灼热物所放出的能量等。(3)电能：电热、电火花产生的能量。(4)光能：激光发出的能量。(5)爆炸能：由爆炸产生的能量引爆炸药。
炸药的感度主要有以下几种。
1．冲击感度
即对冲击能量的敏感程度。用炸药受固定重量的落锤，自固定高度自由落下的冲击作用而发生爆炸的百分数表示。表示猛炸药的冲击感度通常用立式落锤试验仪侧定，锤重10kg，落高25cm，药量0．05g，试验次数规定为25次，用爆炸次数所占总数的百分数表示。如表2—1列出几种猛炸药的冲击感度。
表2—1 炸药的冲击感度
一般说，起爆药的感度很高，即在外能作用下，很容易引起爆炸。因此要特别小心，如火雷管加强帽下面的起爆药，把火雷管加工成起爆药包时，就必须特别注意，不能对它有大的挤压、冲击和摩擦。
2．摩擦感度
炸药在摩擦作用下发生爆炸的难易程度称为摩擦感度。炸药的摩擦感度用摆式摩擦仪测定。摆锤为1500g，摆角90°，表压5．0MPa。低感度混合炸药测定药量为0．01～0．03g，试验25次。其感度用爆炸次数与试验总次数的百分比表示。炸药的摩擦感度与冲击感度见表2—2。
表2－2 一些炸药的冲击感度和摩擦感度
3．热感度
炸药在热能作用下发生爆炸的难易程度称为热感度。热感度一般用爆发点来表示。爆发点是指在标准容器——伍德合金浴锅中0．05g炸药受热作用时，在5分钟内必然发生炸药反应的最低温度。爆发点低，表示热感度高，一些炸药的爆发点列于表2—3中。
表2—3 一些炸药的爆发点
4．爆轰感度
炸药受到其他炸药爆炸作用而发生爆炸的难易程度，称为炸药的爆轰感度。通常用极限起爆药量来表示。极限起爆药量越小，则炸药的爆轰感度越高。对于工业用混合炸药，一般采用殉爆距离来衡量。殉爆距离越大，则爆轰感度越高，几种常用硝铵类炸药的殉爆距离列于表2—4。
表2—4 几种常用硝铵类炸药的殉爆距离
炸药爆炸时引起与它不相接触的邻近炸药发生爆炸的现象称为殉爆。在一定程度上，殉爆反应了炸药的冲击波感度。主发炸药包爆炸时能引爆沿轴线布置的另一药包爆炸的最大距离称为殉爆距离。
图2—1 炸药殉爆距离的测定
1—雷管；2—主发药包；3—被发药包
殉爆距离的测定方法如图2—1所示。取两卷药量和直径相同的药包，其中一卷的平面端装上8号雷管作为主发药包。用与药包直径相同的木棒在水平的松沙土地上压出半圆槽，将两卷药包放入槽内，主发药包的凹面端与被发药包的平面端相对，量出两药包的间距，随后起爆。被发药包连续三次被殉爆时的两药包的最大间距就是该炸药的殉爆距离。
影响炸药殉爆的因素很多，如装药密度、药卷直径、中间介质、药包外壳强度、炸药含水量等。当主发药包确定后，被发药包在一定的范围内密度越小，殉爆距离增加；主发药包密度增大，殉爆距离增加。
药量和直径的影响。当固定主、被发药包的药量，殉爆距离随直径的增加而增大。如固定两者的直径，殉爆距离随药量的增加而增大。
装药外壳和连接的影响，随着药包外壳强度的增大，殉爆距离增大，如把药卷装在坚固的钢管内，并使主、被动药卷用一钢卷连接起来，殉爆距离可进一步加大。
炸药中的含水量对殉爆距离有影响，含水量大，被动药卷感度低，使殉爆距离下降，过大的含水量，会造成拒爆。
药卷间的介质对殉爆距离的影响依次是：空气>水>木材、粘土>砂。这种现象在建造危险工房或炸药库时可以利用。如设计用防爆土堤或防爆墙，可大大缩短安全距离。在炮孔装药中，采用沙土堵塞进行分段装药起爆，可减少爆破震动。
三、炸药热化学参数及其有关性能
(一)爆炸反应的几个主要参数
1．爆热
进行爆炸反应时放出的热量叫炸药的反应热，简称为爆热。它是指1kg或1g分子炸药在定容条件下爆炸瞬间所放出的热量。爆热愈大，炸药的作功能力也愈大。常用的工业炸药的爆热一般为2931～6280kJ／kg。
2．爆温
炸药爆炸瞬间所放出的热量将爆炸产物加热到的最高温度称为爆温。工业炸药的爆温一般可达2000～4500℃以上。
3．爆压
在发生爆炸反应的瞬间，高温气体在未向外膨胀以前，对周围介质造成的最大压力叫爆压。工业炸药爆炸时产生的爆压可达1×105～4×105MPa。实践证明，当炸药本身的爆炸反应传播较慢，而周围条件对维持压力又不利时(如裸露药包爆破)，炸药的爆压将急剧下降，能量大量损失，从而降低爆破效果。为此，对于硐室爆破和炮孔爆破，保持堵塞质量是提高爆破效果，减少飞石的有利途径。
4．爆炸功
炸药爆炸时，整个爆炸过程中的爆炸作功能力叫做爆炸功。常用爆炸产物作绝热膨胀时，从起始膨胀到温度降到炸药初温时所作的全部功来表示。在实际爆破中，真正有效的爆炸功只占炸药爆炸功的一小部分，约为百分之几到百分之十几。原因是：炸药爆炸时，化学反应不完全，而导致能量损失；爆炸时，由于热传导和热辐射作用把热量传给周围岩石和气体，以及使介质过分地产生塑性变形等造成热量损失，热损失约占总能量的一半；用于破碎岩石机械功的这部分能量，由于对岩石作不必要的抛掷而导致一部分能量损失。因此工程爆破中，要合理选择参数和工艺，尽量减少爆炸功的损失，提高炸药能量的利用率。
(二)炸药的爆炸性能
与工程爆破有关的炸药爆炸性能有：威力(也叫爆力)、猛度、爆速、殉爆及其有关的聚能效应等。
1．威力(爆力)
即炸药爆炸时作功的能力。它表示炸药在介质内部爆炸时对其周围介质产生的整体压缩、破坏和抛移能力。它的大小与炸药爆炸时释放出的能量大小成正比。威力越大破坏能力越强，破坏的范围及体积也就越大。威力的大小取决于爆热的大小、产生气体量的多少以及爆温的高低。爆热大，产生气体量多，爆温高则威力大。
威力的测量：常用铅铸扩孔法又叫特劳茨铅铸试验法测定。即用精制铅铸成圆柱体，其规格为Φ200×200mm，中央有一个Φ125×125mm圆孔(见图2—2a)，称取10±0．1g炸药装入Φ24mm锡箔纸筒内，然后插入雷管一起放入铅铸孔的底部，上部空隙用干净的并经144孔／cm2筛选过的石英砂填满，爆炸后，圆柱扩大成梨形(图2—2b)。
图2-2 炸药爆炸前后的铅柱测状与尺寸
a—爆炸前的铅柱；b—爆炸后的扩孔示意图
用量筒注水测出爆炸前后体积差，从中减去所用雷管的扩孔值(通过试验确定)，之后所得差数值即为被测炸药的爆力。
雷管本身的扩孔量应从扩孔值中扣除，可先用雷管在同等条件下对铅柱作扩孔试验。一些炸药的威力列于表2—5中。
表2—5 几种炸药的威力值
威力测定的另一种方法是爆破漏斗法。这种方法没有统一的规定标准。因此只有在同一条件下测定的结果才能进行比较。
测定方法如图2—3所示。在均质砂土中钻1个Φ50mm，深40cm的炮孔，然后将40～50g炸药集中装入孔底，用8#雷管起爆。爆炸后，在地面形成1个深为H，半径为r(或直径D)的爆破漏斗，其体积V＝1／3πr2H。
图2—3 爆破漏斗试验
在同一试验条件下，体积大的炸药威力高，反之则威力低。
必须指出，以上两种方法测定，结果只能表示一种相对值。
这种方法在大爆破中，若使用威力比2号岩石炸药高或低的炸药，必须将所选用的炸药与2号岩石炸药作一对比试验，求出其比值后换算成所选用炸药量。
2．猛度
即炸药的破碎作用。指在爆炸瞬间，爆炸产生直接对与之接触的局部固体介质的破坏程度。
猛度的测量方法：常用的铅柱压缩法，实验装置如图2—4。在200×200×20mm的钢板1中央放置Φ41×10mm钢片3一块。炸药试验量一般为50g，猛炸药如黑索金、泰安等用25g，装入Φ40mm纸筒内，控制其密度为1g／cm3，药面上锥一中心孔插入雷管5，插入深度为15mm，将这个药柱4放置在钢片上，用索线绷紧，然后引爆。爆炸后，铅柱被压缩成蘑菇形，用卡尺测其四点高度，取平均值，计算出压缩值。
图2—4 铅柱压缩实验
1—钢板；2—铅柱；3—圆钢片；4—药柱；5—雷管
几种炸药的铅柱压缩值列于表2—6中。
表2—6 几种炸药的铅柱压缩值
3．爆速
即炸药爆炸时爆轰波沿炸药内部传播的速度，爆速主要取决于炸药的性质与纯度，此外还与各种因素，如起爆药的威力、装药直径、包装材料的强度、炸药的装填密度、炸药的颗粒大小、含水量及附加物等因素有关。一些猛炸药的爆速见表2—7。
表2—7 几种炸药的爆速
炸药爆速的测定方法：目前测定方法按其原理可分为导爆索法、电测法、高速摄影法3种，现只介绍前两类：
(1)导爆索法(道特里什法)
其原理是利用已知爆速的导爆索来与一定长度炸药柱的平均爆速相比较，简便地测量出炸药的爆速。该法简单易行。测量装配见图2—5。用牛皮纸做成长约350mm、内径32mm的一端封闭的炸药纸筒。把待测定的炸药300g，均匀分成5次装入纸筒内。装筒时要控制长度使其保持一致，量出装药的长度，算出装药密度。切取1m长已知爆速的导爆索，在其中点处作一记号并对准铅板(或铝板)上预先刻好的刻痕，平铺于铅板上(稍有间隙)用铁丝固定，在待测炸药卷上打两个相距200mm、直径Φ25mm的小孔，把导爆索两端分别插入孔内，用胶布固定好。在药卷的左端装入起爆雷管，起爆后爆轰波沿药包自左向右传播，首先到达A点，立即引爆导爆索的左端，使爆轰波沿导爆索传播。与此同时，爆轰波继续沿药包传播，经过一定时间到达召点，立即引爆右端导爆索。这样一来，沿导爆索两端相向传爆的爆轰波，必将相遇于中心点C的右边K点，该点受到两爆轰波的叠加作用，爆痕较为明显。据此可得如下方程(2—1)：
简化后得 D＝D索I/2△L，将I＝200mm代入得
D＝100D索／△L
式中：D——炸药爆速，m／s；
D索——导爆索爆速，m／s；
L——导爆索长度，mm；
I——AB长度，mm；
△L——K点至导爆索中点长度，mm。
图2—5 导爆索法测爆速装置
1—被测炸药；2—导爆索；3—铅(或)铝板，4—雷管；5—导爆索中点；6—爆轰波相遇点
(2)电测法
目前较常用的是示波器测定法和数字爆速仪测方法，如图2—6，它们都是利用炸药爆轰产物的电离作用。起爆前在药包的两个点上插入探针，加上一定电压，爆轰波到达瞬间，由于爆轰的作用，原断路探针短路或短路探针断路，即产生脉冲讯号。开门关门使仪器记下两点间的脉冲数在仪器上显示出来。已知长度i，测出爆轰波的传播时间，被测炸药爆速，可用下式计算：
D＝i/t(m／s) (2—2)
式中：i——两探针的距离，m；
t——爆轰波从A→B的时间，s。
图2—6 光线示波器测爆速示意图
K1，K2，K3——开关；E1，E2——电池；R1，R2——电阻；C——被测炸药卷
4．聚能效应
某特定装药形状(如锥形孔、凹穴)可使炸药能量在空间上重新分配，大大地加强了某一方向的局部破坏作用，这种现象称为聚能效应。能产生聚能效应的装药称为聚能装药，而其特定的装药形状如锥形孔、凹穴等，称为聚能穴，如雷管的底部凹槽等。
聚能装药爆炸时爆炸气体产物向聚能汇集，在凹穴轴线方向上形成一股高速运动的强大射流，即聚能流。聚能流具有极高的速度、密度、压力和能量密度，并在离聚能穴底部一定距离达到最大值，因此其破坏作用增强。带有金属罩的。聚能装药聚能效应更大。炸药爆炸时，它在聚能穴轴线上形成高速的金属射流，其速度每秒可达数千米甚至上万米，压力可达几兆帕，因此其破甲、破坏能力更集中。利用聚能药包可破碎大块，做成条形聚能药包可用来切割钢板或其他金属板。在军事上广泛运用聚能效应制造破甲弹。炸药卷一头做成凹心，可提高其殉爆距离。石油勘探用的油井射孔弹等都是运用了聚能效应原理，见图2—7。
图2—7 普通装药与聚能装药爆轰产物流比较
5．传爆
炸药起爆后，爆轰波能以最大的速度稳定传播的过程，称为理想爆轰。在一定条件下，炸药达不到理想爆轰，但可能以某一速度稳定传播爆轰波的过程，称为稳定传爆。
炸药在理想爆轰时，才能充分释放出最大能量。为了充分利用炸药的爆炸能，提高爆破效果，保障施工安全，必须保证炸药稳定传爆，争取达到理想爆轰。因此必须研究、分析影响炸药稳定传爆的诸因素。
(1)起爆能的影响 起爆能不足，激发不起炸药的化学反应或激发起的化学反应速度低，在传播过程中很快衰减，在这种情况下将出现炸药拒爆或爆轰中断现象。不同炸药，所需的起爆能不一样，因此，针对不同炸药，选择适当的起爆能，以保证炸药可靠起爆是十分重要的。
(2)装药直径的影响 前曾叙述了炸药的直径对爆速有影响，其影响情况如图2—8。由图可见，装药直径增大时，爆速也相应变大，当直径大到某一值后，爆速增加不明显而趋于某一个定值，即达到条件下的最大爆速。使炸药爆速达到最大值所需最小装药直径，称为极限直径，而该条件下的最大爆速称为极限爆速。同样爆速随着直径的减小而下降，当装药直径小于某一值时，爆轰即将中断。保证爆轰波以最小速度稳定传播的起码装药直径称为临界直径，而相应的最小爆速称为临界爆速。
图2—8 装药直径对爆炸稳定性的影响
不同的炸药，临界、极限直径、爆速各不相同。一般讲，单质猛炸药临界爆速为2000～3000m／s，极限爆速为6000～8000m／s。硝铵炸药的临界爆速为1000～2000m／s，极限爆速为4000～5000m／s。
因此，在实际爆破中，要保证炸药稳定传爆，争取理想爆轰，则应保证装药直径大于临界直径，争取达到极限直径。但实际装药直径难于达到此极限值，故炸药的利用率较低。
(3)装药密度的影响 装药密度对传爆的影响，单质炸药和工业混合炸药表现不同。
在一定条件下，单质炸药的爆速与装药密度成正比。
在混合炸药中，爆速与密度曲线上存在着极限爆速，有如上述，在一定的条件下爆速D随装药密度ρ的增大而提高，但由于混合炸药化学反应区中存在着二次反应，二次反应的阻力随炸药密度的增大而增大，所以当密度增大到一定限度时，化学反应速度下降，爆速也相应下降。这两方面作用的同时存在，对爆速产生综合的影响。
(4)药包外壳约束条件的影响 药包外壳愈坚固，质量愈大，约束条件愈好，侧向的能量损失愈少，传爆愈好。当药包直径Φ>d极时，外壳的影响就不明显。
(5)径向间隙的影响 不同炸药径向间隙对传爆的影响也不同，它可能对单质高感度猛炸药的传播有利，而对于低感度工业混合炸药可能不利，甚至使爆轰中断。径向间隙的这种影响作用，称为径向间隙效应或简称间隙效应。
径向间隙对炸药爆速的不同影响与上述炸药密度对爆速的影响机理相同。炸药爆炸后，由于径向间隙的存在，孔中的空气冲击波超前于爆轰波，对未爆炸药进行压缩，使炸药密度提高而影响未爆炸药的爆速。
(6)炸药颗粒的影响 工业混合炸药爆轰中存在二次反应，因此组分颗粒小，混合均匀，有利于爆轰的传播。感度低的成分其粒度应小于感度高的成分的粒度，才有利于二次反应。然而当药卷直径大于或等于极限直径时，炸药粒度的影响就不明显了。
(三)炸药的安全性
炸药的安全性指炸药在长期贮存中，保持原有物理化学性质的能力。保持其物理性质不变的能力叫物理安定性，保持其化学性质不变的能力叫化学安定性。
严格说，炸药从化学体系上来看，属于不安定的物质，即使在正常的保管条件下，因受到温度、湿度、阳光的照射以或大或小的速度进行分解。安定性好的，引起分解过程较困难，通常开始分解时很慢而不显著，以后渐渐加速，甚至产生爆炸。
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