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全国工程爆破技术人员统一培训教材——中国工程爆破协会编汪旭光院士主编爆破设计与施工(2)第2章爆炸与炸药的基本理论2.1基本概念2.2炸药的起爆和感度2.3炸药的爆轰理论2.4炸药的氧平衡与热化学参数2.5炸药的爆炸性能重点：1、炸药化学爆炸的条件和基本形式；2、炸药的氧平衡；3、炸药起爆理论；4、冲击波基本概念；5、爆轰波稳定传爆的条件和影响因素；6、炸药爆炸的动、静作用及表示。难点：1、冲击波与爆轰波的概念；2、炸药起爆理论；3、炸药的热化学参数。§2.1基本概念2.1.1爆炸现象及分类爆炸现象是某一物理系统在发生迅速的物理和化学变化时，系统本身的能量借助于气体的急剧膨胀而转化为对周围介质做功，同时伴随有强烈放热、发光和声响等效应的过程。例如：锅炉爆炸、原子弹爆炸、放鞭炮、自行车炸胎等。分类物理爆炸、化学爆炸、核爆炸1）物理爆炸：只是物质形态发生变化，而化学成分和性质没有改变的爆炸现象。2）化学爆炸：在爆炸前后，不仅发生物态的急剧变化，而且物质的化学成分也发生改变的反应。3）核爆炸：由核裂变或核聚变释放出巨大能量所引起的爆炸现象。爆炸定义爆炸——是某一物质系统在发生迅速的物理和化学变化时，系统本身的能量借助于气体的急剧膨胀而转化为对周围介质做功，同时伴随有强烈放热、发光和声响等效应的过程。燃放鞭炮炸药爆炸核爆炸2.1.2化学爆炸的三要素（基本特征）反应的放热性（高温）生成大量气体产物（高压）反应和传播的高速性（高速）三要素1）反应的放热性放出热量是爆炸得以进行的首位必要条件。是使反应独立地、高速地进行的必须能源。下面以硝酸铵的不同化学反应为例：常温下分解：NH4NO3—NH3+HNO3－170.7kJ加热至200℃左右：NH4NO3—0.5N2+NO+2H2O+36.1kJ或NH4NO3—→N2O+2H2O+52.4kJ起爆药柱引爆：NH4NO3—N2+2H2O+0.5O2+126.4kJ常温下，硝酸铵的分解是一个吸热反应，不能发生爆炸；但加热到200℃左右时，分解反应为放热反应，如果放出的热量不能及时散失，炸药温度就会不断升高，促使反应速度不断加快和放出更多的热量，最终就会引起炸药的燃烧和爆炸；如果用起爆药柱（primercartridge）引爆时，硝酸铵发生剧烈的放热反应，即刻爆炸。可见，只有放热反应才可能具有爆炸性。2）生成大量气体产物炸药爆炸放出的热量必须借助气体介质才能转化为机械功。因此，生成气体产物是炸药作功不可缺少的条件。如果物质的反应热很大，但没有气体产物形成，就不会具有爆炸性。例如铝热剂反应：3Al＋Fe2O3——Al2O3＋2Fe＋841KJ此反应的速度很快，反应的热效应可以使产物温度升到3000℃，使其呈熔融状态，但因为没有气态产物生成，而不发生爆炸。只是高温产物逐渐地将热量传导到周围介质中去，慢慢冷却凝固。炸药爆炸放出的热量不可能全部转化为机械功，但生成气体数量越多，热量利用率也越高。3）反应的高速度反应的高速度是爆炸过程区别于一般化学反应过程的重要标志。化学反应具备了放热性并不一定能够发生爆炸。例如：1kg煤完全燃烧时放出的热量为8912kJ，但因燃烧速度太低而不可能形成爆炸。1kg梯恩梯炸药爆炸时放出的热量虽然只有4226kJ，但其爆炸反应的时间只需十几到几十ms，因而形成爆炸反应。由于爆炸反应的速度极高，反应结束瞬间，其能量几乎全部聚集在炸药爆炸前所占据的体积内，因而能够达到很高的能量密度。炸药发生爆炸变化所达到的能量密度比一般燃料燃烧时达到的能量密度要高数百至数千倍。正是由于这个原因，爆炸过程才具有巨大的作功能力和强烈的破坏效应。可见，放出热量，生成气体产物和反应的高速度是形成爆炸反应的三个充要条件。炸药——是一种相对安定的物质系统，在一定条件下能够发生快速化学反应，放出能量，生成气体产物，并显示爆炸效应的化合物或混合物。一般有四种元素组成：C、H、N、O2.1.3炸药化学变化的形式炸药爆炸不是炸药化学变化的唯一形式。缓慢分解燃烧爆炸（爆轰）爆炸：炸药的爆炸过程与燃烧过程类似，化学反应也只是在反应区内进行并在炸药内按一定速度一层层地自行传播。反应区的传播速度称为爆速。在炸药的爆炸过程中，若爆速保持定值，就称为稳定爆炸，又称为爆轰（detonation）。否则称为不稳定爆炸。以上三种形式可以相互转化。燃烧与爆轰的区别：1）燃烧靠热传导传递能量,受环境条件的影响较大；而爆轰靠冲击波传递能量和激起化学反应,基本上不受环境条件的影响；2）燃烧的产物与反应方向相反而爆轰相同；3）燃烧是亚音速的而爆轰是超音速的。§2.2炸药的起爆与感度2.2.1炸药的起爆机理1）起爆——引起炸药发生爆炸的过程称为起爆。2）起爆能——将外界施加给炸药某一局部而引起炸药爆炸的能量称为起爆能。活化能：能够使炸药分子转换为活化分子，并能维持持续化学反应的能量叫活化能。起爆能形式：A热能利用加热形式使炸药发生爆炸。能够引起炸药爆炸的加热温度称为起爆温度。B机械能通过机械作用使炸药爆炸。撞击、摩擦，实质上是机械能转化为热能。（预防事故）C爆炸能用某些炸药来起爆另外一些炸药，如：雷管，导爆索，中继药包。3）起爆机理（1）热能起爆理论要点：在一定的温度、压力和其他条件下，如果一个体系反应放出的热量大于热传导所散失的热量，就能使该体系发生热积聚。从而使反应自动加速，最后导致爆炸。爆炸是系统内部温度渐增的结果。放热是随着温度的变化率应超过散热量随温度的变化率。T——爆炸温度；R——气体常数；E——炸药分子活化能；T0——环境温度；1200RTETT（b）（a）231321321图1—8炸药爆炸的能栅图1、232、（2）机械能起爆理论-——灼热核理论（热点学说）A要点：当炸药受到撞击摩擦等机械能作用的同时，其中的某一部分或几个极小部分（个别晶体的棱角处或微小气泡处）首先被加热到炸药的爆发温度，促使局部炸药首先起爆，然后迅速传播至全部。B热核形成的原因①炸药中微小气泡的绝热压缩。300-600度；②颗粒间产生摩擦，炸药质点之间或炸药掺合物之间的作用。③炸药流动的粘性加热。C灼热核引起爆炸的条件①热点温度不低于300-600度；②热点半径够大，过大过小都不行；③热点作用时间在10-7s以上；④热点具有够大的热量。乳化炸药、浆状炸药等含水炸药，较好地利用了微小气泡绝热压缩形成的灼热核的理论，根据灼热核理论制成的。,101053cmd8104.1810K4.1810Jq（3）爆炸冲击能起爆理论利用一种炸药爆炸后产生的冲击波通过某介质去起爆另一种炸药。A均相炸药的爆炸冲击能起爆过程炸药产生的强冲击波进入均相炸药，并在其表面形成冲击波。B非均相炸药的爆炸冲击能起爆过程从局部“热点”开始扩展开的。所需要临界压力小，可以用灼热核理论解释。2.2.2炸药的感度1）感度炸药在外界能量作用下，发生爆炸反应的难易程度。炸药的敏感度分为：热感度、机械感度、爆轰感度。衡量：用激进炸药爆炸反应所需要起爆能的多少来衡量。（1）热感度炸药在热能作用下发生爆炸的难易程度。包括：加热感度和火焰感度，通常分别用爆发点和火焰敏感度来表示。a）加热感度：爆发点测定：爆发带内指炸药在规定时间5s内起爆所需要加热的最低温度。用爆发点测定器来测定爆发点。注意：最低温度并不是炸药爆炸时炸药本身的温度，也不是炸药开始分解时本身的温度，而是炸药分解自行加速开始的环境温度。b）火焰感度及测定：炸药在明火（火焰、火星）作用下，发生爆炸的难易程度。用火焰感度测定装置来测定火焰感度。用来测定100%发火的最大距离和100%不发火的最小距离。火焰感度试验方法1—托架、2—导火索、3—标尺、4—火帽壳炸药名称爆发点/℃炸药名称爆发点/℃EL系列乳化炸药2号岩石铵梯炸药3号露天铵梯炸药2号煤矿铵梯炸药3号煤矿铵梯炸药硝化甘油炸药330186～230171～179180～188184～189300硝酸铵黑火药黑索今特屈儿梯恩梯二硝基重氮酚300290～310230195～200290～295150～151表1-3几种炸药的爆发点(2)炸药的机械感度及其测定方法a）撞击感度及其测定方法指炸药在机械撞击下发生爆炸的难易程度。测定仪器是立式落锤仪。用25次试验中爆炸次数的百分数表示2525数次试验中发生爆炸的次P（1-19）图1-6立式落锤仪1-落锤；2-撞击器；3-钢砧；4-水泥基础；5-上击柱；6-炸药；7-导向套；8-下击柱；9-底座b）摩擦感度的测定：用摆式摩擦仪表1-4几种炸药的撞击感度和摩擦感度炸药名称乳化炸药2号岩石铵梯炸药硝化甘油炸药黑索今特屈儿黑火药梯恩梯撞击感度/%≤82010070～7550～60504～8摩擦感度/%016～20—9024—0(3)炸药的冲能感度（爆轰感度）及其测定a）单质猛炸药：用极限起爆药量来表示；b）混合炸药：用殉爆距离来表示其冲能感度殉爆距离：足以使以炸药卷全爆的药卷间的最大距离，单位cm。(4)冲击波感度炸药在冲击波作用下发生爆炸的难易程度（隔板试验）。图1—17殉爆距离的测定1—雷管；2—主发装药；3—被发装药(5)静电感度在静电火花作用下炸药发生爆炸的难易程度。防止静电的主要措施：①设备接地；②增加工房潮度；③在工作台或地面铺设导电橡胶；④在炸药颗粒和容器壁上加入导电物质；⑤使用压气装药时，应采用敷有良好导电层的抗静电聚乙烯软管做输药管等2)影响炸药感度的因素(1)炸药的化学结构（内在影响因素）键能，分子结构和成分，生成热，热效应，活化能，热容量。(2)炸药的物理性质（外在影响因素）物理状态，粒度，密度，晶体形态，微气泡，掺合物。§2.3炸药的爆轰理论炸药的爆轰是爆轰波沿炸药（爆炸物）一层层地进行传播的过程，这种爆轰波实际是沿爆炸物传播的一种强冲击波；炸药爆炸对周围介质的作用是与爆轰气体产物的高速流动及在介质中形成的压力突跃的传播紧密相关的。因此，必须了解一些关于流体动力学的基本知识。1)波的基本概念(1)波的两大类机械力学波——如声波、水波、爆炸冲击波；电磁波——如光波、无线电波。(2)波的形成扰动在受到外界作用（如振动、敲打、冲击等）时，介质状态（P、u、ρ）发生局部的变化。分为：弱扰动——变化是连续的、逐渐的；强扰动——急剧、突变、不连续、间断的。波扰动在介质中的传播就形成波。波阵面已扰动区和未扰动区的分界面叫波阵面（或叫波头）。波速单位时间内波阵面沿介质移动的距离。音波属弱扰动的传播。纵波波阵面的移动方向就是波的传播方向，波的传播方向与介质质点震动方向平行的波称为纵波。横波波的传播方向与介质质点震动方向垂直的波。压缩波受扰动后波阵面上介质的压力、密度均增加的波。膨胀波（稀疏波）受扰动后波阵面上介质的压力、密度均减少的波。平面波按波阵面形状不同，波可分为柱面波球面波2)压缩波与稀疏波(1)压缩波扰动波传播过后，压力、密度、温度（P、ρ、T）等状态参数增加的波称为压缩波。其特点是（P、ρ、T）增加，介质质点运动方向与波的传播方向一致。（以活塞运动为扰动源解释）特征线收敛。(2)稀疏波质状态参数压力、密度、温度（P、ρ、T）均为下降的波。特点是质点的移动方向与波的传播方向相反，弱扰动。（以活塞运动为扰动源解释）特征线发散。P０＋△P０ρ０＋△ρ０波阵面（P0、ρ0、T0）图压缩波形成原理示意图R0R1特点：波震面达到之处，介质压力、密度等参数增大。波的传播方向与介质的运动方向一致。R1P０-△P０ρ０-△ρ０波阵面（P0、ρ0、T0）R0图稀疏波形成原理示意图特点：波震面达到之处，介质压力、密度等参数减小。波的传播方向与介质的运动方向相反。声波声波是弱压缩波与稀疏波的合成→活塞来回往复运动。音速与弱压缩波与稀疏波的传播速度相同。次声波：＜２０赫兹声波：２０～２００００赫兹超声波：＞２００００赫兹。特点：在不同的介质状态下音速不同。标准空气内：333m/s当P=10个大气压，T=35℃，密度ρ=5.017×10-3g/cm3时:523m/s水：1430m/s