Водомісткі вибухові речовини

ВР, що містять водні гелі, називають водомісткими (ВВР). Водонаповнення гранульованих ВР сприяє зменшенню d_кр, зростанню швидкості детонації, бризантної дії вибуху та інших параметрів детонації. Але водний пластифікатор може флегматизувати ВР. Тому підбирають оптимальне співвідношення між твердою фазою і рідкими наповнювачами, обумовлене необхідними реологічними властивостями, гранулометричним і хімічним складом твердої фази.

Вода як наповнювач промислових ВР має ряд переваг. Унаслідок розчинення в ній АС простір між частками ВР заповнюється насиченим розчином із густиною приблизно 1300 кг/м³, завдяки чому за умов вмісту води 5 – 15% середня густина підвищується до 1500 кг/м³, а в разі вмісту в складі розчинних нітратів лужних і лужноземельних металів густина зростає до 1600 кг/м³ за початкової (насипної) густини 800 – 900 кг/м³. Вода знижує чутливість сполук, надає їм текучості або пластичності, з'являється можливість механізованого перекачування таких ВР по трубопроводах і шлангах за допомогою насосів.

Деяке підвищення термодинамічного КПД вибуху досягається в результаті збагачення продуктів вибуху парою води, тому що середня теплоємність продуктів вибуху зростає, відповідно зростає загальний об'єм газів щодо одиниці маси ВР. Але втрати компенсуються не повністю. Так, робота вибуху водомістких амонітів із КБ = 0 на одиницю їх маси й у перерахуванні на одиницю сухої речовини менша, ніж тих же ВР у сухому стані. Для амоналів термодинамічний виграш від збагачення продуктів вибуху парою води більше.

Відомі ВР різного хімічного складу й реологічних властивостей – від рідких до густих гумоподібних. Найпростіші композиції таких ВР являють собою суміш АС і тротилу або АС, Аl і водного гелю. Більш складні сполуки містять одночасно тротил і Аl, гранульований сплав тротилу з гексогеном або теном, нітрати лужних і лужноземельних металів, антифризи й ін.

Сприятливим з енергетичної позиції є введення Аl до складу ВВР (акванали). У цьому випадку вода щодо Аl є окиснювачем. Під час взаємодії Аl з водою виділяється 8710 кДж/кг, в присутності АС теплота реакції зростає до 9750 кДж/кг.

Незважаючи на переваги найпростіших водомістких амоналів, у складі яких немає вибухових сенсибілізаторів, їх застосування обмежене через низьку детонаційну здатність. Сполуки подібного типу сенсибілізують газовими пухирцями, а також високодисперсною алюмінієвою пудрою. Високу детонаційну здатність акваналів забезпечує алюмінієва пудра марок ПАК – 3 і ПАК – 4. Близькі характеристики має пудра марок ТАТ – 1 і ТАТ – 2.

Акванали насичують газовими пухирцями декількома способами. Найпростіший із них полягає в механічному занесенні пухирців повітря в масу ВР у ході інтенсивного перемішування водяного розчину АС і алюмінієвих пудри або порошку (аерація). Інший спосіб передбачає внесення до складу ВВР порофорів – речовин, здатних взаємодіяти з яким-небудь із компонентів ВР із утворенням газоподібних продуктів реакції:

NaNO₂ + NH₄NO₃ → NaNO₃ + 2H₂O + N₂.

Практикують і введення до складу ВР порожніх тонкостінних кульок з полімеру або скла, заповнених повітрям (мікросфери).

Найпоширенішим сенсибілізатором у складі ВВР є тротил, рідше – суміш тротилу з гексогеном. На відміну від аерованих ці ВР можна ефективно застосовувати в глибоких шпарах і в процесі підводного висадження (тобто за умов підвищеного гідростатичного тиску). Структура й реологічні властивості ВВР залежать від вмісту в них водного гелю, його в'язкості обумовленої природою й кількістю згущувача, водорозчинних нітратів і інших речовин, від технології приготування й ряду інших факторів.

Гелеутворювальними агентами є синтетичні або природні полімери, що набухають у воді, деякі полісахариди рослинного походження (гуаргам) у різних модифікаціях, солі карбоксиметилцелюлози, поліакриламід тощо. Водний гель є не тільки наповнювачем і пластифікатором, він запобігає вимиванню селітри й водорозчинних солей із ВР під час заряджання обводнених шпар або уповільнюєйого. Велике значення у виборі згущувача має кінетика утворення колоїдного розчину. У разі виготовлення низьков’язких текучих ВВР («slurry») на місці застосування відбувається швидка желатинізація. У желеподібних ВВР, виготовлених на заводах, процес загущення може бути більш тривалим. Для утворення міцних структур із поперечними зв'язками вводять спеціальні зшиваючи агенти зазвичай у вигляді солей металів зі змінною валентністю (Сr та ін.). Для зшитої ВВР зі згущувачем характерні більш високі водотривкі властивості. За однакового вмісту різних згущувачів в'язкість розчинів АС зменшується в ряду: NH₄КМЦ > NaКМЦ очищ. > поліакриламід > NaКМЦ техн. Вміст згущувача у ВВР звичайно становить від 0,7 до 1,5%.

Для ВВР із Al крім фізичної стабільності необхідно також забезпечити хімічну стабільність із урахуванням здатності Al взаємодіяти з водою, особливо в присутності лугів. Для цього використовують гідроізоляцію або пасивування Al. Надійної гідроізоляції ВР, що містять Al і тротил, досягають спільною грануляцією цих компонентів із суспензій алюмінієвого порошку в розплаві тротилу за технологією одержання алюмотолу. Пасивування досягається утворенням на поверхні часток алюмінію щільної і міцної окисної плівки внаслідок введеня до складу ВР невеликих кількостей (до 2,5%) солей хромової кислоти, нітратів та інших водорозчинних активних окиснювачів. Стабілізації плівки сприяє додавання фосфатів. Для підвищення хімічної стабільності ВВР застосовують інгібовану алюмінієву пудру.

Збільшення в'язкості та втрата пластичності за низьких температур обмежують галузь застосування ВВР. Тому зниження температури тверднення є одним із найважливіших завдань щодо вдосконалення ВВР. Цього досягають введенням до складу ВВР антифризів і окиснювачів та їх сумішей із низькою температурою твердіння водяних розчинів. Щоб забезпечити досить низьку температуру тверднення рідкої фази вміст антифризу в насиченому розчині окиснювача повинен становити 20 – 30%. Вимоги до антифризів: висока розчинність у воді й у насичених розчинах окиснювачів, низька температура тверднення антифризу та його сумішей із розчинами солей, невисокий КБ, відсутність розчинювальної дії стосовно основного вибухового компонента, висока температура кипіння, низька леткість, невисока в'язкість його та його суміші з водними розчинами солей, особливо в разі зниження температури. Перерахованим вимогам відповідають низькомолекулярні сполуки типу амідів нижчих кислот, етилцелозольв та ін.

Унаслідок введення до складу ВВР від 10 до 30% Са(NO₃)₂ температура замерзання сполуки падає до -58⁰С. Ще сильніший вплив мають СаСl₂ і MgCl₂. У результаті їх введення до складу ВВР в кількості 10% Т_зам акватолу зніжується до -46⁰С, але вони флегматизують ВР. NaNO₃ і формамід зменшують Т_зам акватолів приблизно до того ж рівня, що й етилцелозольв, але формамід трохи зменшує детонаційні параметри акватола.

Сенсибілізуюча дія NaNO₃ в умовах зниженої температури проявляється за рахунок збільшення частки окиснювача, наявного в розчині, тому що сумісна розчинність суміші NaNO₃ і АС вища, ніж одної АС. Такий вплив пов'язаний із тим, що в процесі детонації в реакції бере участь окиснювач, розчинений у воді. Визначальну роль у цьому випадку відіграє весь кисень окиснювача. ВВР без пухирців газу малочутливі до детонаційного імпульсу й вимагають додаткового детонатора.

Основні переваги ВВР порівняно з гранульованими й порошкоподібними ВР полягають у їх високій густині (1300 – 1500 кг/м³), водостійкості, здатності повністю заповнювати зарядні порожнини без примусового ущільнення й безпеці в обігу, обумовленої низькою чутливістю до механічних і теплових впливів. Це дає можливість для механізованого заряджання ВВР, а також приготування їх у спеціальних комплексах у місці безпосереднього застосування. ВВР дозволяють досягати концентрації енергії в зарядах у 1,8 – 2 рази вище, ніж у патронованих ВР і одержувати високі результати висадження досить міцних порід.

Факторами, які обмежують застосування ВВР, є багатокомпонентність суміші, наявність імпортованих речовин (гуаргам), складність технологічного процесу виготовлення, низька фізична стабільність, висока вартість складу (у 5 – 6 разів вище, ніж АС – ДП), низька чутливість до ініціювального імпульсу. У зв'язку з цими причинами ВВР застосовують у значно меншому обсязі, ніж вибухові суміші із гранульованої АС.