炸药的爆炸性能分析与优化

炸药爆炸性能主要取决于以下三个因素：一是炸药的组成成分，二是炸药的加工工艺，三是炸药的装药状态和使用条件。本节主要介绍炸药的爆速、威力、猛度和聚能效应等性能。

1.爆速

1）影响因素

爆轰波沿炸药装药传播的速度称为爆速。爆速是炸药重要性能指标之一，也是目前唯一能准确测量的爆轰参数。影响爆速的因素主要有：药包直径、药包外壳、装药密度、炸药粒度、起爆冲能、沟槽效应，如图2-17～图2-20所示。

图2-17　药包直径对爆速的影响

1—TNT（ρ0=1.6 g/cm3）；2—TNT/硝酸铵（50/50）（ρ0=1.53 g/cm3）；3—TNT（ρ0=1.0 g/cm3）；4—TNT-硝酸铵（ρ0=1.0 g/cm3）；5—硝酸铵-硝化甘油（ρ0=0.98 g/cm3）；6—硝酸铵（ρ0=1.04 g/cm3）

图2-18　粒状铵油炸药爆速随药包直径变化

图2-19　TNT装药密度对爆速的影响

图2-20　混合炸药装药密度对爆速的影响

1—药包直径20 mm；2—药包直径40 mm

沟槽效应，也称管道效应、间隙效应，就是当药卷与炮孔壁间存在月牙形空间时，爆炸药柱所出现的自抑制效应——能量逐渐衰减直至拒（熄）爆的现象。在小直径炮孔爆破作业中这种效应相当普遍地存在着，是影响爆破质量的重要因素之一。减小或消除沟槽效应的技术措施有化学技术、增大药卷直径、堵塞等离子体的传播、调整炸药配方和加工工艺、沿药包全长放置导爆索起爆、采用散装技术、使炸药全部充填炮孔不留间隙等。

2）爆速的测定方法

（1）导爆索法。这是一种古老而简便的对比测定的方法，又叫道特里士法，其原理是利用已知爆速的标准导爆索同待测炸药卷相比较，求出待测炸药一段长度内的平均爆速，测定方法如图2-21所示。

图2-21　导爆索法测爆速

1—雷管；2—药包；3—导爆索；4—铅板

取一定长度的导爆索（通常取2 m左右），两端分别插入待测药包中的A、B两点（距离取200 mm左右），药包直径30～40 mm，长300～400 mm，一端可将起爆雷管插入。将导爆索的中点对准铅板（厚3～5 mm、宽约40 mm、长约400 mm）上的刻点标记M，并用细绳捆住铅板上的导爆索。沿药包继续传播的爆轰波经l/D（D为待测炸药爆速）时间后到达B点，引起B端导爆索起爆。两股爆轰波在导爆索中段相遇时，由于波叠加产生的效果，在铅板上两波相遇处留下较深爆痕。设爆痕的位置为N点，它至爆索中点M的距离为Δh。从A点到N点两条不同的爆轰波路径所花费的时间是一样的，即

式中，D索为导索爆速，m/s。

（2）电测法。这种方法是采用电子仪表记录爆轰波在药包中传播的时间，量取相应区间的距离算出爆速。常用的仪器有光线示波器和数字式爆速仪。

（3）示波器计时法。在药包A、B两点处各插入一对电离探针，探针用细金属导线制成，每对探针的间隙为1 mm左右。药包起爆后，爆轰波到达A点时，爆轰气体产物因电离而具有良好的导电性，使探针导通，通过脉冲信号器上电容放电给示波器输入一个脉冲信号。同样，当爆轰波到达B点时，示波器又获得一个脉冲信号。根据荧光屏上先后显示的两个脉冲的间距，对比下面的时标，即可计算出从第一个脉冲到第二个脉冲所经历的时间。用A、B间距离除以记录所得时间即得平均爆速值。示波器测定爆速如图2-22所示。

图2-22　示波器测定爆速

（a）测定装置；（b）荧光屏上波形
1，2—探针；3—药包；4—脉冲信号发生器电路；5—示波器；6—雷管；7—脉冲信号；8—时标

（4）高速摄影法。这种方法的原理是利用爆轰瞬间发生的光效应，通过高速摄影装置将爆轰波传播过程记录下来，经分析计算即可获得爆速值。高速摄影仪转镜扫描的光学系统如图2-23所示。

在测定时，将待测药包竖直放置于距透镜一定距离处，利用同步系统在转镜以给定角速度旋转时使药包爆炸。起爆后，炸药爆炸的强烈光束经狭缝和透镜聚射到转镜扫描器的镜片上，扫描器转动时又将光束反射到感光胶片上。爆轰自上而下，转镜则横向进行扫描。如果药包上各点爆速均为定值，则胶片感光、显影、定影并展开后，光迹线是一根具有斜率的直线AB（图2-24），AB’是转镜停止时的光迹。此时光迹的速度等于βD（β为摄影仪放大的倍数，D为爆速）。由于转镜同步旋转，故实际印在胶片上的光迹为AB，其水平速度分量为v。βD则是其竖直分量。因此，根据AB的斜率即可求得爆速：

式中，v为爆速水平分量；α为光迹倾角，可从胶片上测量得到。

图2-23　高速摄影仪转镜扫描的光学系统

1—药包；2，4—透镜；3—狭缝；5—反射镜；6—胶片

图2-24　胶片展开光迹图

2.威力

1）炸药做功能力

炸药做功能力是衡量炸药威力的重要指标之一，通常以爆轰产物绝热膨胀直到其温度降至炸药爆炸前的温度时，对周围介质所做的功来表示。图2-25所示为炸药做功的理想过程。按照热力学定律，炸药做的功A可按式（2-26）计算：

图2-25　炸药做功的理想过程

式中，QV为炸药的爆热，J/mol；η为热转变成功的效率；V1为爆轰产物膨胀前的体积，L；V0为爆轰产物膨胀到常温的体积，数值上约等于炸药的爆容，L；K为等熵指数。

上述关系式所表达的物理意义可以概括为以下几点：

（1）炸药的最大做功能力与炸药的爆热有关，它随爆热的增大而增大。(www.xing528.com)

（2）炸药的实际做功能力，除爆热QV外，还与爆容V0有关。爆容越大，效率越高。

（3）等熵指数

其实，进行爆炸作业时，炸药爆炸实际的有效功只占炸药总能量的10%左右。在工程爆破中通常使用相对威力的概念，所谓相对威力是指以某一熟知炸药的威力作为比较的标准。以单位重量炸药相比较的，则称为相对重量威力；以单位体积炸药相比较的，则称为相对体积威力。在选用含水炸药设计爆破参数的依据时，一般应以相对体积威力来衡量比较合适。

2）炸药爆炸威力测定方法

炸药的爆炸威力是表示炸药爆炸做功的一个指标，它表示炸药在介质内爆炸时对介质产生整体压缩、破坏和抛移的做功能力。爆力的大小取决于炸药的爆热、爆温和爆炸生成气体的体积。炸药的爆热、爆温越高，生成气体体积越多，则爆力就越大。炸药爆力测定方法有三种：铅壔扩孔法、弹道臼炮法、爆破漏斗法。

（1）铅壔扩孔法，又称特劳茨铅柱试验。铅柱是用精铅熔铸成的圆柱体，试验时，称10±0.001 g炸药，装入ϕ24 mm锡箔纸筒内，然后插入雷管，一起放入铅柱孔上部，上部空隙用干净的并且经过144孔/cm筛筛过的石英砂填满。爆炸后，圆孔扩大成图2-26所示的梨形，用量筒注水测出爆炸前后孔的体积差，以此数值来比较各种炸药的威力。测得孔值越大，其爆力越大。习惯上将铅壔扩孔值称为爆力。

图2-26　铅壔扩孔法

（2）弹道臼炮法。炸药爆炸后，爆轰产物膨胀做功分为两部分，一部分把炮弹抛射出去；另一部分使摆体摆动一个角度，摆体受到的动能转变为势能，如图2-27所示。这两部分的和即为炸药所做的膨胀功。即有

式中，A1为炸药爆炸对摆体做的功，kJ；A2为炸药爆炸对炮弹做的功，kJ；G为摆体重力，kN；L为摆长，m；Fp为炮弹量力，kN；β为摆体摆动角度，°；C为摆体结构常数，kJ。

图2-27　弹道臼炮法

1—臼炮体；2—标准室；3—活塞式炮弹体

通过试验所测到的摆角β，可计算出炸药所做的功。

（3）爆破漏斗法。在均匀的介质中设置一个炮孔，将一定量被试炸药以相同的条件装入炮孔中，并进行填塞，引爆后形成一个爆破漏斗，可见深度为hv，如图2-28所示。然后在地平面沿两个互相垂直的方向测量漏斗的直径，取其平均值，同时测量漏斗的可见深度。爆破漏斗容积可按式（2-30）计算：

式中，V为爆破漏斗的直径，m3；dv为爆破漏斗底圆直径，m；w为最小抵抗线深度，m。

图2-28　爆破漏斗法

爆破漏斗法是根据炸药在岩土中爆炸后形成的抛掷漏斗坑的大小，来判断炸药的做功能力。当岩土介质、试验条件相同时，抛掷漏斗坑的大小就决定了炸药的做功能力。

此外，还有水下爆炸法和抛掷臼炮法。水下爆炸法需要在爆炸水池中进行试验测定，炸药最终做功能力等于爆炸生成的冲击波能和向四周扩散膨胀直至达到气泡最大直径的气泡能之和。该方法的试验介质为均质且可压缩性较小的水介质，明显优于爆破漏斗法的非均质岩石粉碎抛掷介质，理论支撑依据较为严谨，可用于测定数十公斤级的非理想型炸药做功能力。抛掷臼炮法也称弹道抛体法，该方法用于起爆临界直径较大或不能采用雷管直接引爆的某些工业炸药如铵油类炸药、浆状炸药及其他爆破剂做功能力的评测。将被测炸药放置于带有一定倾角的圆筒，该圆筒口部配有钢质盖体。采用大直径、爆轰感度大的炸药引爆后，通过分析评测爆炸驱动盖体飞掷后的水平距离、抛射角来反演炸药爆炸的能量。该方法能够以功的形式直接表示炸药的做功能力，适应当前出现的各种新型工业炸药威力测试。

3.猛度

爆力相等的不同炸药，对邻近药包的介质的局部破坏作用可能不相同。例如，TNT同阿马托（硝酸铵80/TNT 20）的爆力值大致相同，可是TNT对邻近介质的局部破坏能力却比阿马托大得多。此外，即使是药量相等的同一种炸药，两个不同装药密度的药包对邻近介质的局部破坏也不一样。这种差别是由爆轰波的动作用造成的。这种动作用通常用猛度测定值来表示。

炸药的猛度是指爆炸瞬间爆轰波和爆轰产物对邻近的局部固体介质的冲击、碰撞、击穿和破碎能力，它表示了炸药的动作用。它是用一定规格铅柱被压缩的程度来表示的，单位为mm。

炸药猛度的测定方法如图2-29所示。取受试炸药50 g，装入内径40 mm的纸筒内（纸厚0.15～0.20 mm），然后将炸药压制成中心有孔（孔直径7.5 mm，深15 mm）而装药密度为1 g/cm3的药柱。药柱上面放一中心穿孔的圆形纸板，以便插入并固定起爆雷管。用精制的铅浇铸一铅柱并车光表面，铅柱的高度为（60±0.5）mm，直径为（40±0.2）mm。铅柱置于厚度不小于20 mm，最短边长不小于200 mm的钢板上。药包与铅柱间用厚度为（10±0.2）mm、直径为（41±0.2）mm的钢片隔开。药柱、钢片和铅柱的中心应在同一轴线上。用钢板上的细绳固定这个相关位置，分别测量爆炸前、后铅柱的平均高度，其高度差为所求猛度值（mm）。

图2-29　炸药猛度的测定方法

1—导火索；2—雷管；3—炸药；4—钢片；5—铅柱；6—钢板；7—细绳；8—爆炸后的铅柱

4.聚能效应

投石于水中，水内首先形成空洞，而后，水向空洞中心运动，使空洞迅速闭合。在闭合瞬间，相向运动的水发生碰撞、制动，产生很高的压力，将水向上抛出，形成一股高速运动的水流。这是日常生活中能观察到的一种聚能现象，如图2-30所示。这种靠空穴闭合产生冲压、高压，并将能量集中起来，在一定方向上形成较高能流密度的聚能流效应称为空穴效应。

图2-30　水面聚能流的形成

根据这样的规律，利用爆炸产物运动方向与装药表面垂直或大致垂直的规律，做成特殊形状的装药，也能使爆炸产物聚集起来，提高能流密度，增强爆炸作用，这种现象称为炸药的聚能效应。聚集起来朝着一定方向运动的爆炸产物，称为聚能流。

如果将装药前端（即与起爆端相对的一段）做成空穴，则当爆轰波传至空穴时，爆轰产物将改变运动方向（变成大致垂直于空穴表面），就会在装药轴线上汇集、碰撞、产生高压，并在轴线方向上形成镶嵌高速运动的爆炸产物聚能流，如图2-31所示。

图2-31　装药前端有空穴时聚能流的形成

若将聚能穴衬以金属制成药型罩，则当爆轰波传至药型罩时，向装药轴向汇集的爆炸产物将压缩药型罩使其闭合。在药型罩闭合过程中，由于碰撞产生极高的压力，金属变成液体，并有一部分液体金属形成沿轴线方向向前射出的一股高速、高密度细金属射流。剩余液体金属形成较粗的杯体，称为杵体，以较低的速度尾随在射流后面运动。聚能射流成型示意图如图2-32所示。

图2-32　聚能射流成型示意

1—药型罩；2—爆轰波阵面；3—杵体；4—射流

聚能装药的穿透力不仅取决于炸药本身，而且取决于装药结构，图2-33所示为不同装药结构时聚能装药的穿透力。

图2-33　不同装药结构时聚能装药的穿透力

（a）平底药柱；（b）带有聚能穴的药柱；（c）带有药型罩的聚能药柱；（d）聚能药柱与钢板间有炸高距离