第二章-炸药和爆炸的基本理论

PAGEPAGE49第二章炸药和爆炸的基本理论第一节爆炸和炸药的基本概念一、爆炸及其分类概括地说，爆炸是某一物质系统在发生迅速的物理和化学的变化时，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机械功，同时伴随有强烈放热、发光和声响等效应。爆炸是一种常见的现象。例如，锅炉爆炸、汽车或自行车的轮胎“放炮”，原子弹、氢弹的爆炸和燃放鞭炮等。分析各种爆炸现象，大致可以将其归纳为三大类。（一）物理爆炸（Physicsexplodes）经验表明，自行车轮胎由于打气过多，内部压力过大，超过了内胎的强度，使内胎突然破裂，以致发出大的响声。这种仅仅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，叫做物理爆炸。（二）核爆炸（Nucleusexplodes）由于核裂变(如U235的裂变)或核聚变(如氘、氚、锂的聚变)反应放出巨大的能量，使裂变或聚变产物形成高温高压的蒸汽而迅速膨胀做功，造成巨大的破坏作用。这种由核裂变或核聚变释放出巨大能量所引起的爆炸现象，叫做核爆炸。（三）化学爆炸（Chemistryexplodes）燃放鞭炮所引起的强烈响声或矿山爆破所引起的岩石破裂、位移和气浪等，都是由于炸药获得一定的起爆能量后，迅速发生化学反应，放出足够的热能，形成高温高压气体，并对外界膨胀做功的缘故。这种爆炸现象叫做化学爆炸。化学爆炸不仅是物质的形态发生了变化，而且成分和性质也发生了变化。在工程爆破中，应用最广泛的是化学爆炸，而且主要是利用其破坏作用。二、产生化学爆炸的条件实践表明，凡是形成化学爆炸必须同时具备四个条件，即变化过程应是放热的、高速进行的、生成大量的气体产物和能自动迅速地进行传播。（一）爆炸变化过程放出大量的热能。这是产生化学爆炸的首要条件。热是爆炸做功的能源。同时，如果没有足够的热量放出，化学变化本身不能供给继续变化所需要的能量，化学变化就不可能自行传播，爆炸过程也就不能产生。举例说明如下：ZnC2O4=Zn+2CO2-205.4kJCuC2O4=Cu+2CO2+23.86kJAg2C2O4=2Ag+2CO2+55.2kJ这三个分解反应，虽然都生成气体，反应速度也很迅速，但前一个分解反应是吸热的，反应过程很平静，不是爆炸反应。第二个反应虽属放热反应，但反应热很小，仍不足以使反应自动加速和传播，也不是爆炸反应。唯有第三个反应在分解时能够放出大量的热，使反应得以迅速进行并稳定传播。这样的分解变化过程就具有化学爆炸的特征。（二）变化过程必须是高速的。只有高速的化学反应，才能忽略能量转换过程中热传导和热辐射的损失，在极短的时间内将反应形成的大量气体产物加热到高温，压力猛增到几万~几十万个大气压，高温高压气体迅速向四周膨胀做功，便产生了爆炸现象。与一般的可燃物相比，炸药并非是高能物质。然而，一般可燃物(如煤)的燃烧过程进行得十分缓慢，反应放出的热量大部分由于热的传导和辐射而损失掉了，不能将产物加热到很高的温度，更不能形成很高的压力，所以不能形成爆炸。相反，炸药的爆炸反应通常是在10-5~10-6秒内完成的。例如，1kg球状梯恩梯药包完全爆炸的时间仅为1×10-5秒左右。在如此极为短暂时间内，反应释放出的能量来禾及散失而高度集中于有限的空间内，因而爆炸反应可以达到很高的能量密度，这也是形成化学爆炸的重要条件。（三）变化过程应能生成大量的气体产物。炸药爆炸时所生成的气体产物是做功的介质。表2-1一些物质的反应热物质名称反应形式释放的热量KJ/kgKJ/L煤(C)氢(H2)硝化甘油硝化棉梯恩梯黑火药硝铵炸药雷汞迭氮化铅与氧按化合量燃烧与氧按化合量燃烧爆炸反应爆炸反应爆炸反应爆炸反应爆炸反应爆炸反应爆炸反应896013524621742914187278442281733153617.164.189965558168083341711760674760由于气体具有很大的可压缩性和膨胀系数，在爆炸的瞬间处于强烈的压缩状态，而形成很高的势能。该势能在气体膨胀过程中，迅速转变为机械功。如果反应产物不是气体而是固体或液体，那么，即使是放热反应，也不会形成爆炸现象。例如，铝和氧化铁的反应，即铝热剂反应：2Al+Fe2O3=A12O3+2Fe+8290kJ反应放出的热很高，可使生成物加热到3000℃左右，但由于反应中没有大量气体生成，因而不是爆炸反应。（四）变化过程能自动进行传播。从上述分析可知，在外界能量激发下，化学爆炸可放出大量的热，致使炸药中某一局部发生化学反应后，其余部分则无需任何其它外界因素就能自动地连续不断地传播下去。上述四点是产生化学爆炸的四个基本条件，也是化学爆炸不同于一般化学反应的四个重要特点。还应看到，上述四个条件是相辅相成的，缺一不可，只有它们的综合效果才能使化学反应变化过程具有爆炸的性质。三、炸药及其分类凡在外部施加一定的能量后，能发生化学爆炸的物质叫做炸药。炸药分类方法很多，目前还没有建立起统一的划分标准，一般可根据炸药的组成和用途分类。（一）按炸药的组成分类1.单质炸药指碳、氢、氧、氮等元素以一定的化学结构存在于同一分子中，并能自身发生迅速氧化还原反应的物质。2.混合炸药指由两种或两种以上的成分所组成的机械混合物，既可以含单质炸药，也可以不含单质炸药，但应含有氧化剂和可燃剂两部分，而且二者是以一定的比例均匀混合在一起的，当受到外界能量激发时，能发生爆炸反应。混合炸药是目前工程爆破中应用最广、品种最多的一类炸药。（二）按用途分类1.起爆药（PrimaryExplosives，InitiatingExplosives）主要用于起爆其它工业炸药。这类炸药的主要特点是：(1)敏感度较高。在很小的外界热或机械作用下就能迅速爆轰。(2)与其它类型炸药相比，它们从燃烧到爆轰的时间极为短暂。通常称为起爆药，雷管中使用。传统的起爆药有迭氮化铅、二硝基重氮酚、斯蒂酚酸铅等。近年来，我国还生产使用了其他性能优越的新型起爆药。国外用ASA，[（amixtureofleadAzide，leadStephanieandaluminum，）叠氮化铅、三硝基间苯二酚铅和铝的混合物]。2.猛炸药（highexplosives）与起爆药不同，这类炸药具有相当大的稳定性。它们比较钝感，需要有较大的能量激发才能引起爆炸。在工程爆破中多数是用雷管或其它起爆器材起爆。常用的梯恩梯、乳化炸药、浆状炸药、水胶炸药和铵梯炸药等都是猛炸药。3.发射药（Gunpowder）又称火药，主要用作枪炮或火箭的推进剂，也有用作点火药、延期药的。它们的变化过程是迅速燃烧。4.烟火剂（PyrotechnicalComposition）基本上也是由氧化剂与可燃剂组成的混合物，其主要变化过程是燃烧，在极个别的情况下也能爆轰。一般用来装填照明弹、信号弹、燃烧弹等。延期雷管中的延期药属于此类。四、炸药化学变化的基本形式根据化学反应的激发条件、炸药的性质和其它因素的不同，炸药化学变化过程可能以不同的速度进行传播，同时在性质上也具有重大的区别。按照其传播性质和速度的不同，可将炸药化学变化的基本形式分为四种：热分解、燃烧、爆炸和爆轰。（一）热分解炸药在常温下也要进行分解作用，但分解速度很慢，不会形成爆炸。当温度升高时，分解速度加快，温度继续升高到某一定值(爆发点)时，热分解就能转化为爆炸。炸药的热分解性能影响炸药的贮存。例如，库房的温度和药箱堆放数量与方式都会对炸药热分解产生影响。一般来说，在炸药库房内，药箱不应过多，堆放不应过紧，要随时注意通风，防止温度升高时热分解加剧而引起爆炸事故。（二）燃烧（Combustion）炸药不仅能爆炸，而且在一定的条件下，绝大多数炸药都能够稳定地燃烧而不爆炸。例如，人们销毁炸药时就是利用了炸药的燃烧性质。但随着温度和压力的增加，燃速也显著增加，并且当外界压力、温度超过某一极限数值时，燃烧的稳定性就被破坏，炸药很快地由燃烧变成爆轰。例如，炸药(量较小)在空气中燃烧时比较缓慢，且不伴随有声效应。而在容器内(特别是密闭时)燃烧时，由于产生的气体不易排出，温度、压力就会急剧增加，燃烧变得相当强烈，此时极易转化为爆轰。（三）爆炸(explosion)炸药爆炸的特点是在爆炸点的压力急剧地发生突变时，传播速度很快而且可变，通常每秒达数千米，但是这种速度与外界条件的关系不大，即使是在敞开容器中也能进行高速度爆炸反应。一般地说，爆炸过程是很不稳定的，不是过渡到更大爆速的爆轰，就是衰减到很小爆速的爆燃（DDT，deflagrationtodetonationtransition，爆燃）直至熄灭。因此，爆炸只是爆炸变化过程中的一种过渡状态。（四）爆轰（Detonation）炸药爆炸以最大而稳定的爆速进行传爆的过程叫做爆轰。它是炸药所特有的一种化学变化形式，并且与外界的压力、温度等条件无关。各种不同炸药爆轰的传播速度一般为每秒数千米直至万米。例如，梯恩梯的爆速为7000m／s，系指梯恩梯在该条件下能达到的最大的稳定的爆炸速度。对于任何一种炸药来说，在给定的条件下，爆轰速度均为常数。在爆轰条件下，爆炸具有最大的破坏作用。爆炸和爆轰并无本质上的区别，只不过传播速度不同而已。爆轰的传播速度是恒定的，爆炸的传播速度是可变的，也可以认为爆炸就是爆轰的一种形式，即不稳定的爆轰。炸药化学变化的上述四种基本形式在性质上虽有不相同之处，但它们之间却有着非常密切的联系，在一定的条件下是可以互相转化的。炸药的热分解在一定的条件下可以转变为燃烧，而炸药的燃烧随温度和压力的增加又可能发展转变为爆炸，直至过渡到稳定的爆轰。这种转变所需的外界条件是至关重要的。了解分析这些变化形式就在于针对各种不同的实际情况，有力地控制外界条件，使其按照人们的需要来“驾驭”炸药的变化形式。第二节炸药的氧平衡与有毒气体一、氧平衡（oxygenbalance）(一)氧平衡的基本概念从元素组成来说，炸药通常是由碳(C)、氢(H)、氧(O)、氮(N)四种元素组成的。其中碳、氢是可燃元素，氧是助燃元素，炸药是一种载氧体。炸药的爆炸过程实质上是可燃元素与助燃元素发生极其迅速和猛烈的氧化还原反应的过程。反应结果是氧和碳化合生成二氧化碳(CO2)或一氧化碳(CO)，氢和氧化合生成水(H2O)，这两种反应都放出了大量的热。每种炸药里都含有一定数量的碳、氢原子，也含有一定数量的氧原子，发生反应时就会出现碳、氢、氧的数量不完全匹配的情况。氧平衡就是衡量炸药中所含的氧与将可燃元素完全氧化所需要的氧两者是否平衡。所谓完全氧化，即碳原子完全氧化生成二氧化碳，氢原子完全氧化生成水。根据所含氧的多少，可以将炸药的氧平衡分为下列三种不同的情况：(1)零氧平衡。指炸药中所含的氧刚够将可燃元素完全氧化。(2)正氧平衡。指炸药中所含的氧将可燃元素完全氧化后还有剩余。(3)负氧平衡。指炸药中所含的氧不足以将可燃元素完全氧化。实践表明，只有当炸药中的碳和氢都被氧化成CO2和H2O时，其放热量才最大。零氧平衡一般接近于这种情况。负氧平衡的炸药，爆炸产物中就会有CO、H2，甚至会出现固体碳；而正氧平衡炸药的爆炸产物，则会出现N0、NO2等气体。这两种情况，都不利于发挥炸药的最大威力，同时会生成有毒气体。如果把它们用于地下工程爆破作业，特别是含有矿尘和瓦斯爆炸危险的矿井，就更应引起注意。因为CO、NO、NxOy不仅都是有毒气体，而且能对瓦斯爆炸反应起催化作用，因此这样的炸药就不应用于地下矿井的爆破作业。炸药的氧平衡不仅具有理论意义，而且是设计混合炸药配方、确定炸药使用范围和条件的重要依据。(二)氧平衡值的计算一般地说，对于含碳、氢、氧、氮的单质炸药或混合炸药，其实验式可用下面通式表示：CaHbOcNd式中a，b，c，d分别代表在一个炸药分子中碳、氢、氧、氮的原子个数。发生爆炸反应时，可燃元素碳、氢的完全氧化是按下式进行的：C+O2→CO22H2+O2→2H2O也就是说，a个原子碳变成二氧化碳，需要消耗2a个原子氧，b个原子氢变成水，需要消耗去b/2个原子氧。而炸药本身所含有的氧的原子数是c，因此c与的差值，就反映了上述三种氧平衡的情况：(1)的炸药为正氧平衡炸药；(2)的炸药为零氧平衡炸药；(3)的炸药为负氧平衡炸药。(三)炸药氧平衡的表示方法1、在实际计算中，氧平衡值往往用每克炸药内多余或不足的氧的克数来表示，这时CaHbOcNd炸药的氧平衡可按下式计算：(2—1)式中16——氧的原子量；M——炸药的分子量。2、氧平衡值也可用百分数来表示，系指每100克炸药所含的多余或不足的氧的克数。习惯上，在正氧平衡数值前冠以“+”号，在负氧平衡数值前冠以“–”号。3、单质炸药和混合炸药的氧平衡(2—1)式对于计算含碳、氢、氧、氮体系之单质炸药的氧平衡值是十分方便有效的，可是在乳化炸药、浆状炸药等现代矿用炸药中，除了含有碳、氢、氧、氮等元素外，还可能含有铝、钠、钾、铁、硫等其它的元素，因此在实际计算时是应该将后面几种元素考虑在内的。实践已经表明，乳化炸药、浆状炸药的组分较复杂，以至用上述的氧平衡公式已不能直接计算，需要作适当修正。我们知道氧平衡的意义，广义地说就是炸药或物质中的氧化剂用以完全氧化它自身所含的可燃剂后所多余或不足的氧量。这样除了考虑将碳氧化为CO2，氢氧化为H2O之外，对一些金属元素还应考虑生成金属的氧化物。而硫一般作为可燃剂处理，生成SO2。这样，各种元素的氧化最终产物大致如下：C→CO2；H→H20；Na→Na2O；K→K2O；Al→A12O3；Fe→Fe2O3；Si→SiO2；S→SO2等。如果在这些炸药中还可能有含氯的化合物，如氯酸钾、高氯酸铵(钠)等，在计算其氧平衡值时，是将氯考虑为氧化性元素，应生成氯化氢和金属氯化物等产物，而剩余的其它可燃元素则按完全氧化而予以计算。此外，对于乳化炸药、浆状炸药中所含的乳化剂、胶凝剂，则应根据具体所用物质确定实验式来予以考虑。例如，田菁胶、古尔胶等植物胶可采用的实验式为C6H20O5。确定了上述原则之后，若以CaHbOcNdXe表示含铝、硫等炸药的实验通式(X表示任意一种可燃元素)，那么这些炸药的氧平衡值可用下式计算：(2—2)式中e——该元素的原子数；m——该元素完全氧化时，氧原子数与该原子数之比。如，Al→A12O3时，其m=3/2，Na→Na2O时，m=1/2，S→SO2时，m=2；a，b，c的意义同(2—28)式。对于一个比较复杂的混合炸药体系来说，虽然可以以一定量为基础，写出实验通式，然后按照(2—2)式进行计算，但比较复杂。若采用各组分的百分率与其氧平衡值的乘积的总和来计算，则比较简便，即：(2—3)式中O.Bi——浆状炸药或乳化炸药各组分的氧平衡值；ki——浆状炸药或乳化炸药各组分的百分比含量。由(2—3)式可知，知道一些常用炸药和物质的氧平衡值，对于计算比较复杂体系的氧平衡值是十分必要的。表2—2列述了一些常用炸药和物质的氧平衡值。表2—2一些常用炸药和物质的氧平衡值物质名称分子式原子量或分子量氧平衡值(g／g)硝酸铵硝酸钠硝酸钾硝酸钙抗水硝酸铵高氯酸铵高氯酸钠黑索金奥克托金二硝基甲苯二硝基甲苯磺酸钠三硝基萘硝化甘油硝化二乙二醇高氯酸钾氯酸钾重铬酸钾梯恩梯NH4NO3NaNO3KNO3Ca(NO3)2NH4C1O4NaClO4C3H6O6N6C4H8O8N8C7H6O4N4C13H20O3SNaC10H6O4N2C13H5O9N3C4H8O6N2KClO4KClO3K2Cr2O7C6H2(NO2)3CH3808510l164117.5122.5222296182348218227196138.5122.5295227+O.200+O.471+O.396+O.488+0.185+O.340+0.523-0.216-O.216-1.142-2.300-1.393+0.035-0.408+O.462+O.392+O.082-O.740(四)氧平衡值的计算实例1.单一物质的氧平衡值计算(1)硝酸铵。将硝酸铵写成炸药通式应为：C0H4O3N2，M=80克，将各数据代入(2—1)式即得：(2)梯恩梯。梯恩梯写成通式为：C7H5O6N3，M=227克，将其代入(2—1)式便得：2.混合炸药的氧平衡值计算正如前述，混合炸药的氧平衡值可按(2—2)式计算，此时需以某一定数量的炸药为基础，求出C、H、O、N等元素的摩尔数，然后再代入式中求算其氧平衡值，比较繁杂。也可按(2—3)式计算，此时只需查出或算出炸药中各成分的氧平衡值和百分比，将其代入(2—3)式即算出其氧平衡值。在计算混合炸药，特别是乳化炸药、浆状炸药的氧平衡值时，一般采用后一种方法较好。(1)计算4号浆状炸药的氧平衡值。4号浆状炸药的组分配比和各组分的氧平衡值(可由表2—2查得)如表2—3所示。表2—34号浆状炸药的组分配比与氧平衡值组分名称含量百分比(％)氧平衡值(g／g)硝酸铵水梯恩梯白芨胶尿素硼砂60.216.517.52.03.01.3+O．200O-0.740-1.066-O.800将表中的各数据代入（2—3）式便得：氧平衡值=60.2%×(+0.200)+17.5%×(0.740)+2%×(-1.066)+3.0%×(-0.80)=0.1204-0.1295-0.0213-0.0240=0.0544(g/g)(2)计算EL-102乳化炸药的氧平衡值。EL-102乳化炸药的大致组分配比和各组分的氧平衡值列于表2—4中。将表中数据代入（2—3）式得氧平衡值：氧平衡值=70.0%×(+0.200)+10%×(+0.471)+1%×(-2.39)+1.5%×(-3.420)+2.5%×(-3.470)+1%×(-1.00)+2%×(-0.889)=0.140+0.0471-0.0239-0.0521-0.0865-0.01-0.018=0.0029(g/g)二、爆炸生成物中的有毒气体诚然，从理论上讲，适当调整炸药的组分配比，使其保持零氧平衡，在爆炸时是可以不生成CO和NxOy的。但是，在实际爆破工作中，由于炸药种类、贮存条件、引爆方式和爆破条件等的不同，炸药爆炸时总是要产生有毒气体的。这些有毒气体主要是一氧化碳和氮的氧化物，在硫化矿和含硫岩层中进行爆破时，或是含硫炸药爆炸时，还可能生成少量的硫化氢和二氧化硫。这些气体对于人体组织都是十分有害的。当其浓度超过一定限度时，将会导致人们中毒甚表2-4EL-102之组分配比与氧平衡值组分名称百分含量(％)氧平衡值(g／g)硝酸铵硝酸钠水失水山梨糖醇单油酸酯（司盘-80）柴油复合蜡硫铝70.O10.O12.01.O1.52.51.O2.O+O.200+O.4710-2.39-3.420-3.470-1.00-O.889至死亡。对于有瓦斯和矿尘爆炸危险的矿井来说，这些气体还将对瓦斯和粉尘爆炸反应起催化作用。就其毒性来说，一般认为NxOy（ＮＯＸ,氮氧化物,指ＮＯ,ＮＯ2和Ｎ2Ｏ）的毒性要比CO的毒性更大，但究竟大到何种程度，各国规定的标准很不一致。例如，美国通常认为NxOy的毒性比CO大20倍，前苏联则规定为大6.5倍，我国也是采用6.5倍的标准。通常都是按毒性程度，将NxOy的含量折算为CO的含量，然后用CO表示有毒气体的总量。表2-5我国地下爆破作业点有毒气体允许浓度名称符号最大允许浓度按体积(％)按重量(mg／m3)一氧化碳氮氧化物(折算成N02)二氧化硫硫化氢氨CON02S02H2SNH3O.00240O.00025O.00050O.000660.00400305151030任何一种炸药当其被推广应用于地下工程爆破时，都必须测定其有毒气体生成量，规定其安全(或炮烟)等级。目前各国都根据各自的具体情况规定出有毒气体的允许浓度标准。例如，我国规定地下爆破作业点的有毒气体的浓度不得超过表2-5的标准。日本规定其允许浓度是：CO要在1/104以下，NxOy要在5/106以下，同时美国矿山局还规定，呼吸CO气体浓度为1/104或NxOy气体浓度为5/106的空气，不得超过8h。第三节炸药的起爆和敏感度一、炸药起爆的能量形式炸药是一种相对稳定的平衡系统，要使其发生爆炸变化必须要由外界施加一定的能量。通常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，而引起炸药发生爆炸的过程称为起爆。引起炸药爆炸的原因可以归纳为两个方面——内因与外因。从内因看，是由于炸药分子结构的不同所引起的，也就是说，炸药本身的化学性质和物理性质决定着该炸药对外界作用的选择能力。吸收外界作用能量比较强，分子结构比较脆弱的炸药就容易起爆，否则起爆就比较困难。例如，碘化氮只要用羽毛轻轻触及就可以引起爆炸，而硝酸铵要用几十克甚至数百克梯恩梯才能引爆。所谓外因系指起爆能。由于外部作用的形式不同，其起爆能通常可以有三种形式：（一）热能。利用加热的形式使炸药形成爆炸。能够引起炸药爆炸的加热温度，称为起爆温度。热能是最基本的一种起爆能，在爆破作业中，利用导火索引爆火雷管，就是热能引爆的一个例子。（二）机械能。通过机械作用使炸药爆炸，其机械作用的方式一般有撞击、摩擦、针刺、枪击等。机械作用引起爆炸的实质是在瞬间将机械能转化为热能，从而使局部炸药达到起爆温度而爆炸。在工程爆破中，很少利用机械能进行起爆，但是在炸药生产、储存、运输和使用过程中，应该注意防止因机械能引起意外的爆炸事故。（三）爆炸能。这是工程爆破中最广泛应用的一种起爆能。顾名思义，它是利用某些炸药的爆炸能来起爆另外一些炸药。例如：在爆破作业中，利用雷管爆炸、导爆索爆炸和中继起爆药包爆炸来起爆炸药包等。二、炸药起爆的机理（一）炸药的热能起爆理论炸药在热能作用下发生爆炸的理论研究工作是从研究爆炸气体混合物(如甲烷与空气混合物)发生热爆炸的原因开始的研究过程中，谢苗诺夫建立了混合气体热自动点火的热爆炸理论。其基本要点是，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——混合气体发生热积聚，从而使反应自动加速进行，最后导致爆炸。就是说，爆炸是系统内部温度渐增的结果。为便于研究，谢苗诺夫提出了下述三点假设：1.炸药各处温度相同，就是说炸药的里层和外层不存在温度差。2.环境温度T0为常数。3.炸药达到爆炸时的炸药温度丁大于T0，但是T与T0的差值不大。基于上述假设，谢苗诺夫建立了均温分布定常热爆炸的热平衡方程式，即，炸药在温度为T时的单位时间内，发生化学反应所放出的热量Q1，取决于化学反应速度W(g／s)和单位重量炸药反应后放出的热量q(J／g)：(2-4)按照化学反应动力学，一级反应在开始反应时的速度为(2-5)式中Z——频率因子，与炸药分子的碰撞概率有关，Hz；E——炸药分子的活化能，J；m——炸药量，g；R——气体常数。将(2—4)式代入(2—5)式便得：(2-6)不言而喻，在爆炸反应释放热量的同时，由于热传导的存在，也会向四周散失热量。单位时间内因热传导散失于环境中的热量Q2为：(2-7)式中K——传热系数，J/K·s。由此可见，只有Q1＞Q2时，体系中才能发生热积聚，从而使其温度不断升高，化学反应迅速加快，最后导致炸药爆炸。因此炸药热爆炸的临界条件之一应是：Q1=Q2(2-8)即：(2-9)要使炸药爆炸还必须满足另一个条件，即放热量随温度的变化率应超过散热量随温度的变化率，以保证引起炸药的自动加速反应，故爆炸的第二个条件为(2-10)即(2-11)因此，热爆炸的临界条件为：(2-12)或(2-13)令(2-14)式中θ——无因次温度，当θ＞1时，炸药就有可能发生爆炸。(2-14)还可用来估计在环境温度T0时，炸药达到爆炸时必须具备的温度T。上面讨论的热爆炸理论，虽然是以气体炸药为研究对象的，但是它的基本点也适用于凝聚炸药。（二）炸药的机械能起爆理论——灼热核理论（热点学说）灼热核理论，或称热点学说，是布登在总结前人经验的基础上提出并已被实践证实的。该理论认为，当炸药受到撞击摩擦等机械能的作用时，并非受作用的炸药各个部分都被加热到相同的温度，而只是其中的某一部分或几个极小的部分，例如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。这种温度很高的微小区域，通常被称为灼热核，也称为“热点”。研究表明，灼热核的形状一般近似于球体，其直径为10-3～10-5cm。由于分子直径为10-8cm，因此灼热核的大小比分子大得多。这就是说，每一个灼热核起爆实际上是为数众多的炸药分子同时起爆。这种局部炸药起爆后，又会在其附近形成众多的新灼热核，呈连锁反应迅速传播开来，在极短暂的时间内完成整个爆炸过程。灼热核通常在炸药晶体的棱角处和微小气泡处形成。对于单质炸药或者含单质炸药的混合炸药来说，其灼热核通常在分子晶体的棱角处形成。而对于含水炸药(乳化炸药、浆状炸药等)来说，一般是在微小气泡处形成灼热核。这两种形成灼热核的原因是不同的：(1)绝热压缩炸药内所含的微小气泡，形成灼热核。当炸药内部含有微小气泡时，在机械能的作用下，被绝热压缩，此时机械能转变为热能，使温度急剧上升而达到足够高的温度(300～600℃)在气泡周围形成灼热核，并引起热点周围反应物质的剧烈燃烧和爆炸。(2)炸药受机械作用，颗粒间产生摩擦，形成灼热核。在机械能作用下，炸药质点之间或炸药与掺合物之间发生相对运动而产生的相互摩擦，也可使炸药某些微小区域首先达到爆发温度，形成灼热核。研究表明，除炸药质点摩擦外，掺合物的粒度、数量、硬度、熔点及导热性等因素均对灼热核的形成有影响。常见的掺合物为矿粉、石英砂、玻璃粉等惰性物质。实践表明，当加入导热率低、硬度大且多棱角的掺合物时，易于使摩擦应力集中在少数几个点上，有利于灼热核的形成。此外，由于炸药急剧地流动而导致炸药的粘性加热，也可形成灼热核。研究表明，由灼热核的形成到炸药的稳定爆轰是需要经历几个阶段的，如果在某阶段上发生了问题，就不能过渡到爆轰。这就是说，灼热核产生以后，必须具备一定的条件才能爆炸。在这里，灼热核的大小、温度和作用时间是最为重要的。具体一点说，灼热核必须满足下列条件：(1)灼热核的尺寸应尽可能地细小，直径一般为10-3~10-5cm。(2)灼热核的温度应为300～600℃。(3)灼热核的作用时间在10-7s以上。乳化炸药、浆状炸药等含水炸药，比较好地利用了微小气泡绝热压缩形成灼热核的理论，即引入敏化气泡，增加炸药的爆轰敏感度。(三)炸药的爆炸冲击能起爆理论在工程爆破中，经常利用一种炸药爆炸后产生的冲击波通过某一介质去起爆另一种炸药。例如，利用雷管和中继起爆药包起爆炸药，不同药卷间的殉爆现象均屑此例。实践表明，均相炸药和非均相炸药的爆炸冲击能起爆机理是不同的。1.均相炸药的爆炸冲击能起爆过程均相炸药是指不含气泡或其它掺和物的均质炸药，如熔融后铸装的TNT、不含气泡或其它掺合物的液体炸药或晶体炸药。这类炸药的起爆过程是整体均匀灼热引起化学反应。在起爆冲击波作用下，邻接冲击波波阵面的炸药薄层均匀地受到强烈压缩，温度迅速升高，产生急剧的化学反应。这需要较强的起爆冲击波来提供较高的起爆压力。比如主发装药爆炸产生的强冲击波进入均相炸药(如四硝基甲烷)，经过一定的延迟以后，便开始在其表面形成爆轰波。这个爆轰波是在强冲击波通过后，在已被冲击压缩的炸药中发生的，此时爆轰波的传播速度比正常的稳定爆速大得多。虽然它开始是跟随于强冲击波的后面，但经一定的距离后，它会赶上冲击波阵面，其爆速突然降低到略高于稳定的值，往后慢慢地达到稳定爆速。一般地说，均相炸药的爆炸冲击能起爆，取决于临界起爆压力值(PK)。不同炸药的临界起爆压力值是不相同的。例如，ρ0=1.6g／ml的硝化甘油炸药，其临界起爆压力值PK=8.5×109Pa；而ρ0=1.8g／ml的黑索金炸药，其临界起爆压力值PK=10×1010Pa。2.非均相炸药的爆炸冲击能起爆过程非均相炸药系指物理性质不均匀的炸药。既可能是不同物质的相互混合（比如粉状铵梯炸药），也可能是炸药中留有空气间隙（比如乳化炸药），或是二者皆有之。工业炸药大多是这类混合炸药。非均相炸药的爆炸冲击能起爆符合热点学说。在起爆冲击波作用下，化学反应首先围绕热点开始，然后进一步发展到整个炸药层。这样非均相炸药所需的临界起爆压力PK值要比均相炸药小，较低的冲击波压力也会引起混合炸药的爆炸反应。同时，由于从热点形成、反应到全部炸药爆炸反应需要经过一段时间，所以非均质炸药爆炸化学反应区的宽度大、爆速低，炸药颗粒、密度等各种因素和外部条件对爆轰波的传播和爆轰波参数变化的影响更为显著。反应区中的化学反应甚至分阶段进行，在起爆冲击波压力作用下，首先是炸药中各成分的分解反应，称为第一次反应；然后分解产物互相作用，或与尚未分解或尚未汽化的成分（如铝粉）发生反应，生成最终的爆轰产物，称为第二次反应。三、炸药的敏感度炸药在外界能量作用下，发生爆炸反应的难易程度称之为炸药敏感度。炸药敏感度与所需的起爆能成反比，就是说炸药爆炸所需的起爆能愈小，该炸药的敏感度愈大，按照外部作用形式，炸药的敏感度有热感度、机械感度和爆轰感度之分。（一）炸药的热感度及其测定方法炸药在热能的作用下发生爆炸的难易程度称为热感度，通常以爆发点和火焰感度等来表示之。1.炸药的爆发点炸药的爆发点系指使炸药开始爆炸所需加热到的介质的最小温度。应该注意，这一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，而是指炸药分解自行加速开始时的环境温度。一般把炸药的分解开始自行加速到爆炸所经历的时间称为爆发延滞期，实验时，延滞期取5min或5s为标准。图2—1爆发点测定器l—合金浴锅；2—电阻丝；3—隔热层；4—图2—1爆发点测定器l—合金浴锅；2—电阻丝；3—隔热层；4—铜管；5—温度计；6—炸药测定时，称取一定量(炸药取0.05g；起爆药取0.0lg)的试样放入铜管中，并轻轻塞上小铜塞，待低熔点合金加热到将近爆发点，将已准备好的铜管插入合金浴锅中(深度要超过管体2／3)，以秒表计时，如在此温度下不爆炸或超过5min才爆炸，则需升高温度；如果早于5min爆炸，则需降低温度。如此反复几次，即可测出被试炸药的爆发点。表2—6列述了一些炸药的爆发点。表2-6几种炸药的爆发点炸药名称爆发点(℃)炸药名称爆发点(℃)EL系列乳化炸药2*岩石铵梯炸药3*露天铵梯炸药2*煤矿铵梯炸药3*煤矿铵梯炸药硝酸铵黑火药330186~230171~179180~188184~189300290~310雷汞氮化铅黑索金特屈儿硝化甘油梯恩梯二硝基重氮酚175~180300~340230195~200200290~295150~1512.炸药的火焰感度炸药在明火(火焰、火星)作用下，发生爆炸变化的能力称为炸药的火焰感度。实践表明，在非密闭状态下，黑火药与猛炸药用火焰点燃时通常只能发生不同程度的燃烧变化，而起爆药却往往表现为爆炸。根据火焰感度的不同，使人们据此选择使用不同炸药，以满足不同的需要。例如选择火焰感度较高的起爆药(如二硝基重氮酚、叠氮化铅等)作为雷管的第一装药，选择黑索金等猛炸药作为第二装药。图2—2所示的装置一般用来测量炸药的火焰感度。其操作步骤是：准确称取0.05g试样，装入火帽壳内，变更插导火索的上、下盘之间的距离，以测定100%发火的最大距离(上限距离)和100%不发火的最小距离(下限距离)。一般以六次平行试验结果为准。由于导火索的喷火强度随其药芯的粒度、密度等不同而变化，所以实验结果通常只能作为相对比较。炸药的上限距离越大，其火焰感度越高；下限距离越小，其火焰感度越低。一般情况下，上限距离可用于比较起爆药发火的难易程度，下限距离则往往作为判定炸药对火焰安全性的依据。（二）炸药的机械感度及其测定方法1.撞击感度是指炸药在机械撞击下发生爆炸的难易程度，是炸药最重要的感度指标之一。测定撞击感度最常用的仪器是立式落锤仪。如图2—3所示。重锤在导轨间可以自由上下滑行，其重量在0.5~20kg之间变化，落高一般为25cm。重锤上有一个头可由特制的钢爪抓住，钢爪可使锤固定在不同的高度上(落高)，只要轻轻拉动钢爪上的绳子，锤即可自由落下。其撞击装置由击砧、套筒以及钢座、地基等组成，在击砧之间放入炸药试样0.05g，然后放下重锤撞击之，根据声效应来判断其爆炸与否。利用该装置测出的撞击感度，表示方法有多种，常用的有下列三种：(1)爆炸百分数。落高25cm，锤重10kg，撞击25～50次，求出其爆炸百分率。当爆炸百分率为100％时，改用5kg或2kg重锤重新试验。表2-7列述了几种炸药以爆炸百分数表示的撞击感度。(2)上下限法。上限：100%爆炸的最低落高；下限：100%不爆炸的最高落高。(3)50%爆炸特性高度。即找出50%爆炸的那一点的高度来表示。2．炸药的摩擦感度及其测定方法炸药的摩擦感度系指在机械摩擦作用下炸药发生爆炸的难易程度。测定炸药摩擦感度的仪器有多种，但大多数测定误差较大，精度不高。比较精确的方法是摆式摩擦仪，是目前我国最常用的仪器。仪器的主要部分(见图2—4)是长2m带有重1kg摆锤的摆。摆用弧形刻度尺可以固定在规定的高度表2-7几种炸药的撞击感度炸药名称EL系列乳化炸药2#岩石铵梯炸药硝化甘油黑索金特屈儿黑火药梯恩梯爆炸百分数(％)≤82010070~7550~60504～8上，摆落下时摆锤打击加有静载荷的摩擦击柱。上下击柱之间夹有试样，在摆锤打击下使上下击柱间发生水平移动，以摩擦炸药试样，观察爆炸与否。每次试验的药量为0.01～0.03g，平行试验25次，计算爆炸百分数。表2-8列述了用这种仪器测定的几种炸药的摩擦感度。表2-8几种炸药的摩擦感度炸药名称EL系列乳化炸药铵铝高威力炸药1#煤矿炸药3#煤矿炸药梯恩梯特屈儿黑索金摩擦感度（%）040283602490注：测试条件：摆角96°，表压4903kPa，负荷593299kPa，摆锤1kg，药量0.03g。(三)炸药的爆轰感度及其测定方法炸药的爆轰感度系用来表示一种炸药在其它炸药的爆炸作用下发生爆炸的难易程度。它一般用极限起爆药量表示。所谓极限起爆药量系指引起炸药完全爆炸的最小起爆药量，通常利用如图2-5所示的实验装置测定。操作步骤是：称取0.5g或1.0g炸药试样，以49030kPa压力将其压入8号铜雷管壳中，然后再装入起爆药，扣上加强帽，以29400kPa压力加压，并插入导火索，将制成的这种火雷管直立放在4mm厚的铅板上起爆。根据铅板穿孔大小来判断测试的炸药是否引爆。完全爆炸的标准是铅板穿孔直径不小于雷管外径。通过增减起爆药的药量，经过一系列试验，即可测出它的极限起爆药量。用这种方法测定的几种猛炸药的极限起爆药量列于表2-9。（ＲＤＸ，hexogen，黑索金炸药，环三亚甲基三硝基胺）起爆药名称受试炸药(g)梯恩梯特屈儿黑索金氮化铅O.160.10O．05二硝基重氮酚O.1630.17O．13表2-9几种单质猛炸药的极限起爆药量由表列数据可看出，同一种起爆药，对不同猛炸药的极限起爆药量是不相同的，就是说不同炸药的爆轰感度是不同的。对于没有雷管感度的工业炸药(如多孔粒状铵油炸药、浆状炸药)的极限起爆药量，通常以中继起爆药包(柱)的最小重量来衡量的。四、影响炸药敏感度的因素影响炸药敏感度的因素可归纳成内在因素与外界影响因素两个方面。(一)内在影响因素1.键能一般地说，分子中各原子间的键能越大，破坏它就越困难，敏感度也越小。但是键能的大小只是众多的内在因素中的一个。2.分子结构和成分单体炸药分子中含有各种稳定性小的原子基团，这些基团的稳定性愈小，其感度愈大。例如，基团—O—ClO2比基团—O—NO2的稳定性小，所以氯酸盐的感度比硝酸盐大。3.生成热生成热较小的炸药，其感度就大。例如，在氮的卤化物中，生成热随着卤素原子量的增加而减小，而感度随之增加。4.热效应一般热效应愈大，其感度愈大。反之，热效应小，感度也小。5.活化能活化能愈大，炸药的感度愈小。相反，活化能愈小，则感度愈大。6.热容量炸药热容量很大时，使炸药升高到爆炸所需的温度时，需消耗很多能量。因此热容量大的炸药感度小，而热容量小者感度大。另外，炸药的热传导性愈大，感度就愈小。(二)外界影响因素1.炸药的物理状态与晶体形态通常炸药由固态转化为液态时，敏感度提高。例如，液态硝化甘油比在固态时要敏感。硝铵炸药受潮结块时，敏感度明显下降。结晶状态对同一种炸药的敏感度也有影响。例如，不稳定的菱形晶体的硝化甘油(冻结的)比稳定的三斜晶系的硝化甘油的敏感度高。2.装药密度一般情况下，炸药随着密度增加，敏感度会降低。因为密度大时，同量的起爆能作用于每个颗粒上的单位能量减少。另一方面，随着密度的增加，必然减少晶体移动的可能性，减少了产生灼热核的机会，即不利于起爆。当密度过大时，就会造成所谓“压死”现象。3.炸药结晶的大小对于撞击感度而言，起爆药的撞击感度是随着结晶颗粒的加大而增加，随着颗粒的减小而减小，而猛炸药的撞击感度则随着颗粒尺寸的减小而增加，随着尺寸的增大而减小。4.温度随着温度升高，炸药的各种感度增加。因为随着温度的升高，炸药的分子运动加速，使炸药分解所需的起爆能减少，即增加了炸药的敏感度。5.惰性杂质的掺入一般地说，所有惰性物质都降低了炸药的爆轰敏感度。对于热作用来说，这种影响也是存在的。其原因是惰性杂质将一部分热能吸收使其本身温度升高，但不参加反应，因此为了引起爆炸就需要较大热能。对于机械感度来说，掺入惰性物质对其影响取决于杂质的硬度、熔点、含量、粒度等性质。当惰性杂质的硬度大于炸药的硬度，而且具有棱角时，如石英砂粒、碎玻璃等，可使炸药的机械感度增高，这类物质通常称为增感剂。而另外一些很软，且热容量大的物质，如水、石蜡等，掺入后可使炸药的感度降低，通常将此类物质称为钝感剂。毋庸置疑，炸药的敏感度是一个很重要的问题，在炸药的生产、运输、贮存和使用过程中要给予足够的重视。对于敏感度高的炸药要有针对性地采取预防措施，而对于敏感度低的炸药，特别是起爆感度低的炸药，在工程爆破使用中要注意选用合适的中继起爆药包。第四节炸药的传爆人们从炸药爆炸的实践中知道，一个炸药柱的某一处爆炸可以迅速地传至整个炸药柱。通常将炸药由起爆开始到爆炸终了所经历的过程称为炸药的传爆。炸药的传爆过程是一个很复杂的过程，提出解释爆轰过程的理论很多。但是，目前一般公认的爆轰理论为爆轰流体动力学理论。该理论认为，炸药的传爆过程就是爆轰波沿炸药柱传播的过程，而爆轰波乃是后面带有化学反应区的冲击波。一、波的基本概念一般地说，波的形成是与扰动分不开的。所谓扰动就是在受到外界作用(如振动、敲打、冲击等)时，介质状态(压力、温度、密度等)发生的局部变化。而波就是扰动的传播，换句话说，介质状态变化的传播即称为波。空气、水、岩石、土壤、金属、炸药等一切可以传播扰动的物质，通常称为介质。介质的某个部位受到扰动后，便立即有波由近及远地逐层传播开去。因此，在扰动或波传播过程中，总存在着已受扰动区与未受扰动区的分界面，此分界面称之为波阵面。波阵面的传播方向就是波的传播方向，波阵面的传播速度就是波的传播速度，简称为波速，单位为m/s或km/s。绝不可把波的传播与受扰动介质质点的运动混同起来。扰动前后状态参数变化量很微小的扰动称为弱扰动，如声波就是一种弱扰动。弱扰动的特点是，状态变化是微小的、逐渐的和连续的，其波形如图2—6a所示。与此相反，状态参数变化很剧烈，或介质状态是突跃变化的扰动称为强扰动，其波形如图2—6b所示。冲击波就是一种强扰动。（一）压缩波与稀疏波图2-8冲击波形成过程示意图1-运动的活塞；2-长管；3-气体扰动波传播过后，压力P、密度ρ、温度T等状态参数增加的波称为压缩波。例如，当活塞向一个充满气体的无限长管中推进时，管中的气体受到压缩。此时在活塞推压方向的前方所形成的波即是压缩波。研究表明，压缩波的特点是，除了状态参数P、ρ、T图2-8冲击波形成过程示意图1-运动的活塞；2-长管；3-气体波阵面传播过后，介质状态参数P、ρ、T均下降的波称为稀疏波。如图2—7a所示，在管子中有一团高压气体，气体的状态参数为P、ρ、T，且u=0。当活塞突然向左拉动如图2—7b所示，在活塞表面与高压气体之间就会出现低压状态，这种低压状态便逐层地向右扩展，此即为稀疏波传播现象。稀疏波（rarefactionwave）传到哪里，哪里的压力便开始降低。由于波前面为高压状态，波后为低压状态，压力差降必然促使高压区的气体向低压区膨胀，气体质点随之向左飞散。因此，稀疏波传播过程中质点的移动方向与波的传播方向是相反的。此外，由于气体的膨胀飞散是按顺序连续地进行的，故稀疏波后面介质的状态变化也是连续的。在波阵面处压力与未受扰动介质的压力相同，从波阵面至活塞面间压力依次减低，活塞面处的压力最低。稀疏波是一种弱扰动，即在稀疏波的波阵面上，介质状态参数变化非常小。(三)冲击波1．冲击波的形成冲击波是指在介质中以超声速传播并能引起介质的状态参数(如压力、密度和温度)发生突跃升高的一种特殊形式的压缩波。如雷击、强力的火花放电和冲击以及在充满气体的长管中迅速移动活塞等等都可在介质中形成冲击波。下面以在充气的长管中作加速运动的活塞为例来说明冲击波的形成过程。如图2-8所示，假如活塞移动前管内的气体状态参数为：压力P0、密度ρ0和温度T0，同时不考虑活塞运动过程中的能量损失，那末活塞在开始运动后的t1瞬间，活塞以u1速度从S0移到S1位置，这时活塞前方邻近的气体首先受到压缩，形成一个有限长度的(S1-A1)的压缩区。区内的气体状态参数增大为P1、ρ1、T1，其波阵面A1—A1以D1的速度向前传播，形成了第一个微元压缩波。当活塞以u2(u2>u1)的速度继续往前运动，由S1位置移动到S2位置时，活塞前方原来受到第一次压缩的气体又受到新的压缩，状态参数由原来的P1、、T1，增大为P2、和T2，同时波阵面A2—A2以速度D2往前运动，形成了第二个微元压缩波。由于第二个微元压缩波是在经过第一次压缩造成密度上升了的介质中传播，故其波速大于第一次压缩介质中的波速，即D2>D1。同理，将活塞运动速度继续增大至足够大时，在气体中相继形成一系列的微元压缩波。各个微元压缩波都是在受到前一个波的压缩而密度增大了的气体中形成和传播的，因此后波的速度总是逐个大于相邻的前波速度。最终，在某一瞬间tn，后面的各个波都要先后赶上第一个波，彼此叠加而形成一个强压缩波，这个波就是冲击波，其波阵面为An—An冲击波是由若干微元压缩波叠加而成的，微元压缩波叠加形成冲击波是由量变到质变的过程，由压力连续变化的压缩波到形成压力突跃变化的冲击波是一个飞跃，两者的性质有根本的差别。弱压缩波通过介质时，介质的状态参数发生连续变化；而冲击波通过时，介质的状态参数发生突跃式变化。弱压缩波在介质中传播的速度是未扰动介质中的声速，其速度大小只取决于未扰动介质中的状态，而与波的强度无关。冲击波在介质中的传播速度大于未扰动介质中的声速，其速度的大小取决于波的强度。炸药在空气中爆炸时与上述情况相似，会在空气中形成强烈的空气冲击波。如图2-9所示，在球形药包爆炸的瞬间，产生数十万个大气压的气体产物往外猛烈膨胀，推压周围的空气，犹如上述的活塞作用一样，使药包周围的空气受到强烈的压缩而形成空气冲击波，其波阵面呈球形。由于波阵面的传播速度超过爆炸气体的扩散速度，空气冲击波的压缩区很快就与爆炸气体脱离，并在两者之间形成一个低压区(稀疏区)，它紧跟在空气冲击波的后面，原来受压的气体向低压区流动，而形成稀疏波。稀疏波使压缩区的空气向后膨胀，导致冲击波强度的衰减，另外随着冲击波波阵面的向外扩展，波阵面面积逐渐增大，卷入的空气越来越多，其结果冲击波的能量逐渐消耗，压力和波速下降，冲击波逐渐转变为声波，直至消失。2．冲击波的基本关系式确立冲击波的基本关系式，其目的是要建立冲击波波阵面在介质中传播的前后各参数之间的关系，以便从量上来计算这些参数。建立关系式的理论基础是可压缩流体在一元定常状态下的平面正冲击波理论，所谓平面正冲击波它必须具备以下两个特点：(1)波阵面是平面。(2)波阵面与未扰动介质的流动方向相垂直。下面以长管中的气体冲击波作为研究对象，来建立冲击波波阵面通过介质的前后各参数之间的关系式。如图2—10所示，活塞运动到t1瞬间，波阵面的位置为A—A´，当活塞移到t2瞬间，波阵面移到B—B´。此时，波前未扰动气体的压力、密度、温度、内能和质点运动速度分别用P0、ρ0、T0、e0和u0表示，波后受压缩气体的相应参数分别用P1、ρ1、T1、e1和u1表示，用D表示冲击波在气体中的传播速度。将坐标系取在波阵面上并随着波阵面以D速度运动，那么在此动坐标系中，波阵面右边的未扰动介质以D-u0的速度向左流入波阵面，而左边已扰动过的介质以速度D-u1向右流出波阵面。假如管子的截面积为1，冲击波的传播过程是绝热过程，那么根据质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律可建立冲击波的基本关系式如下：(2—15)(2—16)(2—17)式中V0——未扰动介质的比容，L/g；V1——已扰动介质的比容，L/g；u0——未扰动介质的质点运动速度，m/s；u1——已扰动介质的质点运动速度，m/s；e0——未扰动介质单位质量内能，J/g；e1——已扰动介质单位质量内能，J/g。3．冲击波的性质从以上的讨论中，可以将冲击波的特性归纳如下：(1)冲击波是一种强压缩波，它的波阵面通过介质的前后，会引起介质的状态参数发生突跃式的变化，故冲击波没有周期性。(2)冲击波传播速度永远大于未扰动介质中的声速。(3)介质受到冲击波压缩时，波阵面上的介质质点要发生位移。对于正冲击波来说质点移动的方向与冲击波移动的方向是一致的。二、爆轰流体动力学理论（一）爆轰波及炸药爆轰过程炸药一旦起爆以后，就在炸药的某局部首先发生爆炸化学反应，产生大量高温、高压和高速流动的气体产物流，并释放出大量的热能。该高速气流犹如前述的加速运动的活塞作用一样，强烈冲击压缩邻近层的炸药，使在邻近炸药层中产生冲击波并引起该层炸药的压力、温度和密度产生突跃式的升高，而迅速发生化学反应，生成大量的爆炸产物并释放出大量的热能。局部炸药爆轰所释放的热能补充到冲击波中去，以维持冲击波以稳定的速度向前传播，继续冲击压缩下一层炸药又引起下层炸药的化学反应，新释放出的热能又补充到冲击波中去，以维持它的定速传播，这样一层一层地传播下去，就完成了炸药的爆轰过程。通常把这种伴随发生化学反应，而在炸药中传播的冲击波叫做爆轰波。这意味着爆轰波乃是后面带有一个高速化学反应区的强冲击波，而爆轰过程就是爆轰波在炸药中的传播过程。图2—11是密封的柱状药包从一端起爆后，药柱中爆轰波压力变化展开示意图，从图中可以看出，炸药的爆轰过程可分为几个区域来描述。1.冲击波压缩区（0—1）该区炸药正受到邻近先爆炸药层的爆轰波的猛烈冲击和压缩，状态参数突跃升高，形成极陡的尖峰压力P1，该区的厚度极薄，约为10-5cm，实际上它是爆轰波最前面的冲击波波阵面。此时，该区域中的炸药尚未发生化学反应。2.化学反应区（1—2）该区炸药正在进行化学反应，随着反应的进行，压力下降，反应区的终了面2—2面，称之为C—J面。C—J面上的压力称为炸药的稳定爆轰压力PC—J(即P2)。PC—J的大小因炸药而异，极不稳定，有时比P1小百分之几，有时小到只有P1的一半。反应区的厚度也很薄，但比压缩区要厚得多，通常为0.1～2.5cm，视炸药的种类而异。3.气体产物膨胀区（2—3）在此区内化学反应生成的气体产物开始膨胀，由于膨胀后的体积增大，压力急剧下降。4.气体产物静压区（3—4）（3—4）区表示爆轰生成气体膨胀终了时的状态，其压力为P3。如果炸药是在密闭容积中爆轰，那么P3为定值，称为爆轰生成气体的静压。（二）爆轰波参数正如上面所谈到的，爆轰波乃是带有化学反应区的冲击波，所以爆轰波参数关系式的建立方法与前面所谈到的冲击波参数关系式的建立方法基本相同，所不同的是炸药爆轰后释放出热量。因此根据质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律、理想气体状态方程和稳定爆轰条件可建立爆轰波的关系式：(2—18)(2—19)(2—20)(2—21)(2—22)式中P2——爆轰压力，Pa；D——爆速，m/s；U2——爆轰产物质点运动速度，m/s；T2——爆轰产物的温度，K；ρ2——爆轰产物的密度，kg/m3；ρ0——炸药原来的密度，kg/m3；QV——炸药的定容爆热，J；T0——炸药的初始温度，K；K——绝热指数，对于一般工业炸药，可取K=3。三、稳定传爆的条件与影响因素(一)稳定传爆的条件炸药被起爆以后，能以恒定不变的爆轰速度进行传播，并能始终如一地完成整个爆炸过程，这种传爆过程被称为稳定传爆。为了保证得到稳定的传爆，必须满足下面两个条件：(2—23)(2—24)式中t——炸药被爆轰波驱散所需的时间，s；τ——炸药颗粒反应时间，s；V——爆炸初速度，m/s；’V界——爆炸初速度的临界值，m/s。实验表明，对于一般工业炸药而言，V界的取值约为：V界≈2C(2—25)式中C——爆炸生成物中的声速，m/s。(二)影响稳定传爆的因素经验表明，影响炸药稳定传爆的因素是多方面的，其主要的是装药直径和装药密度。1．装药直径在其它条件保持不变的情况下，随着装药直径的增加，其爆炸的稳定性都会得到不同程度的改善。图2—12中的曲线描述了装药直径对爆炸稳定性的影响。由图2—12可以看出，当装药直径较小时，随着直径的增加，爆速增加较快。但超过某一界限时，达到稳定爆轰状态，爆速为一常数，此时的直径界限称为极限直径或药径上限。同时当装药直径减小时，爆速也随之减小，当直径小到某一值时，炸药便发生不稳定爆炸，甚至拒爆，此直径叫做临界直径。不同炸药的临界直径和极限直径是不同的。例如，2#岩石铵梯炸药的临界直径为18～20mm，梯恩梯为8～10mm，泰安和黑索金为1～1.5mm，EL与RJ系列乳化炸药为12～16mm。极限直径通常是临界直径的8～13倍。临界直径、极限直径的概念在工程爆破中是很重要的，它是选择不同品种炸药直径的依据。就是说，在决定药卷直径时，应尽量保证超过临界直径，以使爆轰波能顺利传播，否则是难以得到好的爆破效果的。2．装药密度对于一般工程爆破用的混合炸药而言，在较低的密度时，随着密度的增加其爆速增大，传爆稳定性提高，爆速达最大值时，密度为最佳密度，随后爆速又随着密度的增加而下降，直至某一密度(通常称临界密度)以上时，爆炸变为不稳定，甚至拒爆。图2—13给出了这种影响的关系曲线。上述现象可以说明如下：初始时，随着装药密度增大，单位体积内炸药分解能量增多，促使爆速上升，传爆稳定性增高当装药密度过大时，从起爆过程看，使炸药颗粒间的气泡减少，灼热核的产生也随之减少。同时也导致起爆能分给每一炸药颗粒上的单位能量大大减少，使起爆延缓。实践表明，铵油炸药的装药密度以0.85～1.05g/ml为佳，硝化甘油类炸药以1.35～1.45g/ml较宜，对雷管起爆敏感的乳化炸药一般为1.05～1.30g/ml。3．其它影响因素一般地说，其它影响因素有：炸药本身的特性、掺合物数量与性质、起爆能的大小与方式、炸药的初始温度(对含水炸药尤有影响)和爆炸的外界条件等。四、爆速（ＶＯＤ，ｍ/ｓ，velocityofdetonation）的测定方法爆轰波在炸药药柱中的传播速度称为爆轰速度，简称为爆速，通常以m/s或km/s表示之。炸药的爆速与炸药爆炸化学反应速度是本质不同的两个概念。爆速是爆轰波阵面一层一层地沿炸药柱传播的速度，而爆炸化学反应速度是指单位时间内反应完了的物质的质量，其度量单位是克/秒。爆速的测定方法可以概括地分为两类：直接测时法和高速摄影法。前者系用各种类型的测时仪和装置测定爆轰波从炸药一点传播至另一点的时间间隔。由于两点间的距离是已知的，所以易于得出爆轰波在两点间传播的平均速度。后者系利用高速摄影机，借助于爆轰时波阵面的发光现象将爆轰波传播过程的轨迹连续地拍摄下来，可测得爆轰波通过任一点的瞬时速度。图2—图2—15爆速测定仪测定爆速的工作原理图1.道特里什法又称导爆索法，这是一种古老而简便的爆速测定方法具体装置如图2—14所示。将被测炸药装在某一直径(雷管敏感者为25~40mm，非雷管敏感者一般为60~ll0mm)和长度(雷管敏感者为200~300mm，非雷管敏感者为800~1500mm)的钢(塑料)管或纸筒中，其两端封闭，一端留有小孔将雷管插入。在药包上留两个小孔A和B。A、B间距离为200mm，将1~2.5m(视不同品种而异)长的导爆索固定在铅板上，并使导爆索的中点对准铅板上的C处刻线，然后起爆，其传爆过程是：当爆轰波传到A处时，分两路传爆，一路由A处经导爆索AC段向前传爆，另一路由A处经炸药AB段而传入导爆索，两个方向的爆轰波在K处相遇，留下显著的爆痕。爆炸后测出CK间的距离h。按下述方法计算出爆速：(2—26)式中D——被测炸药的爆速，m/s；D0——导爆索的爆速，m/s；l——插入导爆索两点间(A、B间)的距离，m；h——导爆索中点至爆痕间的距离，m。2．计时器测定法利用频率计或爆速测定仪直接记录爆轰波在药柱两点间的传播时间间隔，根据记录的时间和两点间的距离可求算出两点间的炸药平均爆速。我国目前比较常用的爆速测定仪主要是湖南省湘西无线电厂和江苏省常州煤矿电器厂生产的，其型号有：BSS—1型，BS—1型等。测量范围一般为0.1～999.9mms，测量精度为±0.1mms。基本工作原理如图2—15所示，在药卷A、B两点，各插入一对电离探针，爆轰产物因高温高压而电离，使爆轰波传经A点时，导通了第一对探针，形成启动信号。信号经倒相整形后使控制器翻转而输出高电位，将计数门开启，于是10兆赫晶体振荡信号就通过计数门进入计数器，开始计时。当爆轰波传到B点，同样使第二对探针导通，形成停止信号，信号经倒相整形后，使控制器再翻转过来而输出低电位，将计数门关闭，于是振荡信号不再进入,计时停止。在计数器显示出的数字，即为爆轰波传经药卷l(m)长度的时间间隔t(s)。故爆速为：(2—27)此类仪表采用集成电路和半导体数码管制成，具有结构紧凑、体积小、操作简便、分辨力高、重现性好、受试药卷无需很长等优点，目前已在生产、科研工作中比较广泛地使用。(二)高速摄影法高速摄影法是利用爆轰波阵面传播时的发光现象，用转镜式高速摄影机将爆轰波阵面沿药柱移动的光迹拍摄记录在胶片上，得到爆轰波传播的时间—距离扫描曲线，然后测量曲线上各点的瞬时传播速度。图2-16是转镜式高速摄影机测爆速的原理图。若摄影机的放大系数为β(一般β<1)，反射光点在胶片上水平扫描的线速度为V，光点垂直向下移动的速度应为爆速D的β倍，因此得到：(2—28)由于V和β都是已知的，曲线上某点(对应于某瞬时)的角可以量出，其炸药的爆速即可求出。该方法的优点是可以求得爆轰的瞬时速度，从而有利于更深入地研究爆轰过程的本质。其缺点是仪器昂贵，操作比较复杂，测量精度比计时法差一些。第五节炸药的热化学参数一、爆热1摩尔炸药爆轰时所放出的热量称为爆热。在实际使用中，为了比较各种炸药，一般不以1摩尔炸药为单位，而是以千克炸药为单位，这就是说爆热系指在定容下所测出的单位质量炸药的热效应，通常用QV表示之。(一)爆热的测定爆热的测定通常用量热弹测量，其装置如图2—17所示。它的主要部分是一个用优质合金钢制成的量热弹4，其规格为：直径270mm，高400mm，重137.5kg，容积5.8L。它被置于一个不锈钢制成的量热桶中，其外是保温桶，最外层是木桶，层间填以保温材料。测定的基本操作是：一般取100g炸药卷并插入二只电雷管，将其悬吊于弹盖上，接出雷管脚线，安好弹盖后，随即将弹内空气抽出，并用氮气置换剩余的气体，再抽成真空，然后把弹体放入量热桶中，桶内注入一定数量蒸馏水，使其全部淹没弹体。恒温一小时后，记录水温T0，接着引爆炸药，水温随即上升，记下最高温度T。被测炸药的爆热QV可按下式求出：(2—29)式中QV——被测炸药的爆热，kJ/kg；C水——采用蒸馏水的总热容，KJ/℃；C仪——试验装置的热容，以当量的水的热容表示，kJ/℃；q——雷管爆热，kJ；m——被测的炸药量，kg。应该指出，由于各种条件的影响，用上述方法测出的爆热只是一个近似值。(二)爆热的计算在许多情况下，对炸药的爆热进行理论计算是非常必要的。这种计算的理论基础是炸药爆炸变化反应式的确立和盖斯定律，即通过炸药的生成热，利用盖斯定律求算其爆热。盖斯定律指出，化学反应热效应与反应进行的途径无关，而仅决定于系统的初始状态和最终状态。根据盖斯定律计算生成热和爆热可以用图2—21说明之。图2—21中三角形各角相当于系统的不同状态。在确定生成热或爆热时，状态1(初态)，2，3(终态)分别代表元素、炸药、燃烧或爆炸的产物。系统由状态1过渡到状态3从理论上讲有两种途径，其一是先由元素得到炸药，此时的反应热效应为Q1—2(炸药生成热)，然后炸药燃烧或爆炸过渡到状态3，并放出热量Q2—3(炸药燃烧热或爆热)；其二是由元素和当量的氧反应直接得到与炸药燃烧或爆炸相同的产物，亦即系统由状态l直接过渡到状态3，同时放出热量Q1—3(炸药燃烧或爆炸产物的生成热)。根据盖斯定律，系统沿第一条途径由状态1转变到状态3时，反应热的代数和等于系统沿第二条途径转变时所放出的热量，即：(2—30)因此炸药的生成热Q1—2有下述关系式：(2—31a)亦即炸药生成热等于燃烧或爆炸产物生成热减去炸药本身的燃烧或爆炸热。炸药的爆热或燃烧热Q2—3应有：(2—31b)亦即炸药爆热等于爆炸产物生成热减去炸药本身的生成热。生成热是指由单纯物质(元素)生成1摩尔化合物时所吸收或放出的热量。炸药的爆炸反应是在瞬间完成的，可以认为在反应过程中药包的体积未变化，爆热可按定容条件计算。表2—10列述了一些炸药的爆热数据。表2—lO一些炸药的爆热值炸药名称爆热（kJ/kg）炸药名称爆热（kJ/kg）硝酸铵1440黑索金58202#岩石炸药3638TNT4187铵萘炸药3956爆胶6322硝化甘油6217泰安5862二、爆温炸药爆炸时所放出的热量将爆炸产物加热达到的最高温度称为爆温。它取决于炸药的爆热和爆炸产物的组成。在爆炸过程中温度变化极快而且极高，单质炸药的爆温一般为3000~5000℃，矿用炸药的爆温一般为2000～2500℃。不言而喻，在如此变化极快，温度极高的条件下，用实验方法直接测定爆温是极为困难的，一般采用理论计算。计算时，假设炸药爆炸是在定容下进行的绝热过程，爆炸过程中所放出的热量全部用于加热爆炸产物。一般地说，此假设并不完全符合于事实，但是由于过程的瞬时性，此假设完全可以采用。据此，可采用下式计算爆温：(2—32)式中QV——定容下的爆热，J/mol；——在温度由0到t℃范围内全部爆炸产物的平均热容量，J/℃；t——所求的炸药之爆温，℃。平均热容量是温度的函数，该函数一般可用级数的形式表示之，即：(2-33)在实际计算爆温时，此级数一般只取前两项，认为平均热容量与温度呈直线关系，即：(2—34)将此式代入式(2—34)中，便得：(2—35)移项后得：∴(2-36)用式(2—38)计算爆温时，应该知道爆炸产物的成分或爆炸变化方程式和爆炸产物的热容量。由于计算爆炸产物的热容量非常困难，因此在实际运算时，往往利用下列卡斯特的平均分子热容量式：对于双原子气体Cv=(20.1+18.8×10-4t)J／mol·℃对于水蒸气Cv=(16.7+90×10-4t)J／mol·℃对于CO2Cv=(37.7+24.3×10-4t)J／mol·℃对于四原子气体Cv=(41.8+18.8×10-4t)J／mol·℃对于CCv=25.12J／mol·℃下面以梯恩梯为例来说明爆温的计算过程：爆炸变化按负氧平衡依下式进行：C6H2(N02)3CH3=2CO2+C0+4C+H20+1.2H2+14N2+0.2NH3+1113.7KJ/mol计算爆炸产物的热容量：对于双原子气体(CO，N2，H2)：3.6×(20.1+18.8×10-4t)=72.36+0.0068t对于CO2：2×(37.7+24.3×10-4t)=75.4+0.0048t对于H2O：1×(16.7+90×10-4t)=16.7+0.009t对于NH3：0.2×(41.8+18.8×10-4t)=8.36+0.000376t对于C：4×25.12=100.48所有爆炸产物热容量之和为：=273.3+0