Физико-химические характеристики вв Консистенция и структура
Основными характеристиками консистенции и структуры ВВ являются плотность, пористость, дисперсность, сыпучесть, пластичность, вязкость и текучесть, от которых зависит детонационная способность ВВ.
Важнейшими характеристиками консистенции ВВ являются плотность и пористость, от которых зависит детонационная способность ВВ и склонность к переходу горения в детонацию.
Различают плотность ВВ, плотность патрона, заряда или шашки и плотность заряжания.
Плотность ВВ определяется отношением массы ВВ к занимаемому им объему без учета оболочки. Для сыпучих ВВ плотность при свободной насыпке называется насыпной или гравиметрической, а для сплошных ВВ (жидких, плавленых, прессованных или уплотненных в патроне порошков) ее называют действительной плотностью или плотностью ВВ. Плотность патрона, заряда, шашки или другого изделия есть отношение его массы к занимаемому объему с учетом оболочки.
Плотность заряжения вычисляется как отношение массы заряда ко всему объему зарядной камеры, включая пустоты. Для каждого ВВ существуют свои оптимальные значения плотности, за пределами которых происходит ухудшение взрывчатых характеристик ВВ вплоть до полной потери детонационной способности. Увеличение плотности до оптимальных значений приводит к увеличению концентрации энергии в единице объема, возрастанию скорости детонации и бризантного действия на окружающую среду, а в целом – к повышению взрывного эффекта при взрывании крепких горных пород.
Практическое значение имеет пористость гранулированной аммиачной селитры, применяемой в качестве компонента взрывчатых смесей типа гранулитов. Пористость селитры оказывает существенное влияние не только на физические, но и на взрывчатые свойства гранулированных ВВ. Чем больше пористость гранулированной селитры, входящей в состав ВВ, тем лучше детонационная способность этого ВВ.
В основу оценки пористости гранулированной аммиачной селитры можно положить ее удильный объем VУД, который определяется замером объема навески после тщательной утряски ее в мерном цилиндре и последующим делением его на величину навески. Пористость рассчитывается по формуле:
где VT – удельный объем непористой гранулированной аммиачной селитры, равный 1,055 см3/ч.
Дисперсность характеризуется размерами частиц в порошках, суспензиях и в других неоднородных системах. Различают грубодисперсные системы с размером частиц от 0,1 до 10 мм и тонкодисперсные с размером частиц от 1 до 100 мкм. Многие физические характеристики порошкообразных ВВ, такие, например, как слеживаемость, водоустойчивость, электризуемость, определяются дисперсностью ВВ. От степени измельчения ВВ зависят некоторые взрывчатые свойства (детонационная способность, чувствительность и др.), поэтому определению дисперсности придают важное значение при производстве и разработке новых промышленных ВВ.
К грубодисперсным системам относятся гранулированные ВВ – гранулиты и зерногранулиты, к мелкодисперсным – порошкообразные аммониты.
Степень измельчения ВВ или его компонентов контролируют ситовым анализом. Дисперсность более тонких порошков с размером частиц от 0,1 до 10 мкм определяют по их газопроницаемости приборами ПСХ-2.
С развитием механизированных способов заряжания скважин ценным свойством ВВ становится их сыпучесть.
Сыпучестью называют способность ВВ свободно, под действием собственного веса, высыпаться из тары, заполнить при заряжании свободной засыпкою зарядную полость и перемещаться по шлангу при пневмозаряжании. Сыпучесть характеризуется углом естественного откоса при свободном высыпании продукта на горизонтальную поверхность или скоростью прохождения ВВ через калибровочное отверстие воронки (бункера). Чем меньше угол и больше скорость потока, тем лучше сыпучесть. Лучшей сыпучестью обладают гранулированные ВВ – гранулиты, зерногранулиты, гранулотол, алюмотол. Сыпучесть порошкообразных УУ в большинстве случаев недостаточна для высокопроизводительного заряжания засыпкой или пневматическим способом.
У таких ВВ сыпучесть сильно зависит от содержания влаги: с возрастанием влажности до 0,5 – 1,0% сыпучесть резко снижается.
Пластичность является характеристикой несыпучих ВВ, у которых твердые компоненты связаны жидкой загущенной (гелеобразной) фазой. В пластичных ВВ сочетается мягкость, позволяющая легко деформировать заряды ВВ и придавать им нужную форму, и некоторая жесткость, благодаря которой заряд сохраняет форму, не течет как жидкость, не рассыпается и не обладает упругой деформацией. По сравнению с сыпучими, пластичные ВВ обладают повышенной плотностью, которая практически находится в пределах 1,3 – 1,7 г/см3, и способны заполнять пространство взрывных камер с максимальной плотностью заряжания. Пластичность ВВ, кроме высокой плотности, характеризуется высокими показателями водоустойчивости и параметров детонации. Консистенция пластичных ВВ зависит от температуры ВВ, с повышением которой ВВ, содержание воду и растворимые в воде соли, становятся более жидкими в результате уменьшения твердой фазы в составе (растворений солей), а при охлаждении твердеют вследствие выкристаллизации солей.
Многие пластичные вещества при хранении способны приобретать структуру твердого тела и вновь становиться пластичными при разминании. Такая обратимая структуризация, называемая тиксотропией, – явление применительно к ВВ нежелательное.
Для стабилизации пластичности в состав ВВ иногда вводят добавки поверхностно-активных веществ или масляные эмульсии.
В качестве загустителей при изготовлении водных желатин, входящих в состав пластичных ВВ, используют вещества, представляющие собой сложные органические высокомолекулярные соединения, растворимые в воде. Молекулы этих соединении состоит из большого числа атомов углевода, водорода и кислорода (а иногда и азота), соединенных в длинные цепи. Малая подвижность таких цепей обусловливает вязкость, а в некоторых случаях и структуризацию растворов.
Наиболее часто для загущения водных растворов применяют натриевую соль карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ), реже полиакриламид. За рубежом применяют гуаргам, добываемый из бобов тропического растения гуар. Гуаргам при малом содержании придает раствору большую вязкость, объясняемую явлением поперечной «сшивки» макромолекул этого вещества под влиянием специальных химических добавок (чаще всего буры). В результате такой «сшивки» подвижность макромолекул резко уменьшается, и ВВ, в состав которых входит гуаргам, в отличие от пластичных и несколько липких составов на карбоксиметилцеллюлозе, становятся эластичными (разиноподобными), нелипкими и способными растягиваться без разрыва.
От вязкости ВВ зависят возможность и целесообразность его применения.
Вязкостью, или внутренним трением, измеряемым в пуазах или сантипуазах, называют свойство жидкости оказывать сопротивление ее течению. Для определения вязкости используют приборы, называемые вискозиметрами.
Пластичность и вязкость ВВ определяют и консистометром Геплера: замеряют скорость проникновения иглы с шариком на конце в массу вещества в заданных условиях или деформацию цилиндриков из вещества в результате действия на них в течение определенного времени заданной нагрузки.
Пластичность ВВ определяют также более простым прибором – пенетрометром. О пластичности вещества в этом случае судят по скорости проникновения иглы этого прибора, под заданной нагрузкой, в торец цилиндрика из ВВ (отрезок стандартного патрона). Этот метод дает возможность быстро сравнить различные образцы ВВ по их пластичности при комнатной температуре или после выдержки в термостате.
Текучесть – характеристика водонаполненных ВВ жидковязкой консистенции, у которых гелеобразная фаза превышает 35 – 40%. Текучесть зависит от температуры, степени загущения жидкой фазы и продолжительности хранения BB. Текучесть ВВ со временем снижается. Резкое снижение наблюдается при понижении температуры и уменьшении жидкой фазы ВВ. Восстановить текучесть можно нагреванием и механическим перемешиванием. Повышение текучести водонаполненного ВВ облегчает перекачивание его из расходной емкости по зарядному шлангу в скважину, но вместе с этим увеличивается расслаивание и утечка заряда по трещинам в породе. Для устранения этого ВВ изготовляют незадолго до заряжания или в момент заряжания, применяя высокоэффективный загуститель и специальные связующие добавки, которые быстро повышают вязкость суспензии после загрузки ее в скважину.