1 引言

火药是枪、炮等武器的能源，具有一定的使用期限，在和平时期每年有大量火药因到期退役成为废弃火药。废弃火药传统的处理方法露天燃烧、燃烧炉焚毁等会造成环境污染，采用生物降解、超临界水氧化分解等销毁技术^[1]，不易获得良好的经济效益。充分利用废弃火药的组分及含能特性用于制备民用产品，是一种回收利用的有效途径。利用火药的组分可将其转化为化工产品^[2]，如漆布料、硝基漆、烟花防潮剂等；或将其进行改性，如将双迫药改性制成射钉枪药^[3]，或在双芳-3发射药中加入适量增能物质，改制成射钉枪用小粒药^[4]；也可将火药粉碎后作为敏化剂加入到现有工业炸药配方中，如浆状炸药、铵油炸药、乳化炸药、粉状炸药等^[5-8]。废弃火药的大批量处理与再利用最适宜的方法是将其改制成工业炸药使用。

由于粉碎火药具有一定的危险性，为提高处理与再利用废弃火药的安全性、简化工艺，魏晓安等^[9]提出了含单基药颗粒的灌注炸药成型工艺。与单基药相比，双芳-3发射药的组分中较钝感的二硝基甲苯含量高，其能量及冲击波感度较低，采用含硝酸铵等氧化剂溶液的凝胶灌注技术，不能将双芳-3发射药有效再利用。本研究将含敏化剂的新型含能灌注液填充于双芳-3发射药颗粒的空隙，制备出新型灌注炸药。通过见证板试验、高速摄影仪、空中爆炸及水下爆炸能量测试等研究该灌注炸药的爆轰性能、冲击波超压及能量输出特性等，为废弃火药的再利用提供参考。

2 实验部分 2.1 样品的制备

(1) 将废弃双芳-3发射药切割成长度约为1 cm的颗粒并分别装填在直径60, 90 mm的塑料药卷中(长度为1 cm的火药易于装填，其爆轰性能稳定)。

(2) 将高能炸药R加入到配制的含能灌注液中作为敏化剂，以提高其爆轰感度，其中敏化剂R的质量分数分别为0%, 10%, 20%, 30%。该含能灌注液的爆速及理论爆热与TNT相当。

(3) 将不同配比的含能灌注液分别填充于双芳-3发射药颗粒的空隙中，放置约30 min后，灌注液常温固化，使火药颗粒固定成型，即得到灌注炸药样品，依次分别命名为试样A、B、C、D，其中敏化剂R在整个炸药中的质量分数$ω$(R)分别为0%, 4.2%, 8.8%, 12.7%。

2.2 见证板试验及爆速的测定

将灌注炸药试样垂直放在厚度为12 mm的A3见证钢板上，在炸药的上端垂直放上一定质量的钝化RDX传爆药柱及8$^{\#}$电雷管，然后起爆电雷管。通过测量炸药起爆后见证板上的凹痕深度及破坏情况，可对炸药的爆轰情况进行比较。按照GB/T13228-1991采用测时仪法，以电离探针测定炸药的爆速。

2.3 高速摄影

采用美国COOK公司的pco.dimax超高分辨率高速摄像机。拍摄速度30000帧/s，试样的测试点距离爆源为50 m。

2.4 空中冲击波超压测定

压力传感器型号为PCB113B系列，信号调理仪选用PCB 482A20型号，数据采集仪为成都微测公司VXI-1115型。爆源离地高度为40 cm，测试点至爆心的距离分别为1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 3.75, 4.5 m。试样C、D的质量约为800 g，直径为90 mm。每种试样平行测试三次。

2.5 水下爆炸测试

测试的水池几何尺寸为$\mathit{Φ}$8.0 m×8.0 m，压力传感器型号为PCB138M，电压灵敏度6.9 V/MPa；信号调理器型号为PCB 482A16，数据采集器为成都纵横公司的JOVIAN5200。试样的入水深度为4.25 m，测试点距爆源2.5 m。试样C、D的质量约为400 g，直径为60 mm。每种试样平行测试三次。

3 结果与讨论 3.1 敏化剂含量的影响

不同质量分数敏化剂R的含双芳-3发射药的灌注炸药的见证板试验及理论计算爆速、实测爆速的结果见表 1。由表 1可知，当灌注炸药中敏化剂R的质量分数$ω$(R)分别为0%、4.2%时，40 g传爆药柱均未能使装药发生爆轰；当传爆药柱增加至60 g时，见证板分别出现较浅压痕及破裂。随着敏化剂R质量分数的增加，装药的爆轰感度逐渐增加，装药对钢板的破坏作用逐渐增强。当敏化剂质量分数增加至8.8%、12.7%时，见证钢板被击穿，表明装药发生爆轰。但装药的爆速受敏化剂含量的影响较小，原因可能是该灌注炸药为非均质的混合体系，其爆轰反应机理主要为混合反应机理。与其它组分相比，敏化剂R的爆轰感度高而首先发生氧化分解，其分解产生的气体产物渗透或扩散到其它组分质点的表面并与之反应，进而引发整个装药体系发生爆轰；由于敏化剂R在整个炸药中的质量分数较低，对炸药爆轰波的成长及传播影响较小，因此，其含量对炸药的爆速几乎无影响。

3.2 高速摄影结果

灌注炸药在传爆药柱及雷管起爆作用下典型反应过程的高速摄影结果如图 1所示。试验采用的炸药为试样C。由图 1可知，0 μs时传爆药柱被起爆，出现球形火光；33 μs时主装药开始发生明显的化学反应。随着时间的增加，反应进一步加剧，爆轰波持续成长，球形火光的直径及火光强度逐渐增加。整个爆轰反应持续时间较短，只有约0.3 ms。从试验开始至0.3 ms该过程能明显观察到冲击波对周围介质及地面的作用，对照表 1中试样C的见证板试验结果，均证明装药发生了爆轰。0.3 ms后化学反应逐渐减弱，并由爆轰开始转为燃烧，至6.5 ms持续燃烧。结果表明，炸药爆炸发光存在爆轰发光和爆轰产物燃烧发光两个阶段，与文献[10]的研究结果一致。凝聚炸药的爆炸产物向四周扩散与空气混合时，爆轰产物中的可燃成分与周围空气中的氧接触后会发生二次燃烧。由于炸药的种类和质量不同，所以二次燃烧发光现象持续时间为10$^{-4}$~10$^{-1}$ s。

3.3 空中爆炸试验

灌注炸药C、D进行空中爆炸试验后，在不同距离测试的平均冲击波超压见表 2。

根据炸药在空中爆炸相似律，将两种炸药的压力试验数据分别按式(1)进行拟合。

$\begin{eqnarray} Δp=\frac{A_{1}}{\bar{r}}+\frac{A_{2}}{\bar{r}^{2}}+\frac{A_{3}}{\bar{r}^{3}} \end{eqnarray}$

(1)

式中，$\bar{r}$=$r$/$\sqrt[3]{m}$，$r$为到爆心的距离, m；$m$为装药质量, kg；$Δp$为冲击波超压峰值, MPa；$A_{1}$、$A_{2}$、$A_{3}$为待定系数。

按最小二乘法原理，对两种炸药进行拟合的超压公式分别如下：

灌注炸药C：

$\begin{eqnarray} Δp=\frac{-0.283}{\bar{r}}+\frac{2.258}{\bar{r}^{2}}-\frac{0.045}{\bar{r}^{3}} \end{eqnarray}$

(2)

灌注炸药D：

$\begin{eqnarray} Δp=\frac{-0.572}{\bar{r}}+\frac{3.852}{\bar{r}^{2}}-\frac{1.500}{\bar{r}^{3}} \end{eqnarray}$

(3)

文献[11]试验拟合TNT炸药的超压公式为：

$\begin{eqnarray} Δp=\left\{ \begin{array}{l} \frac{-0.152}{\bar{r}}+\frac{0.938}{\bar{r}^{2}}+\frac{2.019}{\bar{r}^{3}} (\bar{r}≤2.5)\\ \frac{0.172}{\bar{r}}-\frac{0.122}{\bar{r}^{2}}+\frac{2.414}{\bar{r}^{3}} (2.5＜\bar{r}≤20) \end{array}\right. \end{eqnarray}$

(4)

图 2为两种灌注炸药的试验数据及拟合曲线。由图 2可知，灌注炸药的试验数据与拟合曲线吻合较好。随着灌注液中敏化剂含量的增加，炸药在相同比例距离的冲击波超压略有增加。

炸药的等压力TNT当量系数可表示为

$\begin{eqnarray} E_{\text{q}}=\frac{W_{\text{TNT}}}{W_{\text{GZ}}}=(\frac{\bar{r}_{\text{GZ}}}{\bar{r}_{\text{TNT}}})^{3} \end{eqnarray}$

(5)

式中，$W_{\text{TNT}}$，$W_{\text{GZ}}$分别为TNT及双芳-3灌注炸药的质量, kg；$\bar{r}$$_{\text{GZ}}$，$\bar{r}$$_{\text{TNT}}$分别为双芳-3灌注炸药及TNT的比例距离, m·$\text{kg}^{-1/3}$。

根据公式(2)、(3)及(4)，分别计算出同一压力时的$\bar{r}$$_{\text{GZ}}$和$\bar{r}$$_{\text{TNT}}$，代入式(5)，即可求出两种不同含双芳-3灌注炸药的等压力TNT当量，结果见表 3。

由表 3可知，在比例距离为1.65~4.5 m·$\text{kg}^{-1/3}$时，灌注炸药C、D的等压TNT当量分别为1.005，1.149，比岩石乳化炸药的TNT当量^[12]分别高40%，60%。

3.4 水下爆炸能量输出特性

在距离爆心为$R$的测点处，炸药的比冲击波能$e_{\text{s}}$按式(6)计算

$\begin{eqnarray} e_{\text{s}}=\frac{4πR^{2}}{ρ_{\text{w}}C_{\text{w}}m}∫^{τ}_{0}p^{2}(t)\text{d}t \end{eqnarray}$

(6)

式中，$R$为测点距装药中心的距离，m；$ρ_{\text{w}}$为水的密度，kg·$\text{m}^{-3}$，取1000 kg·$\text{m}^{-3}$；$C_{\text{w}}$为水中声速，m·$\text{s}^{-1}$；$m$为炸药的质量，kg；$p$($t$)为冲击波传到测点处时的压力，Pa；$τ$为积分上限，一般取6.7$θ$，$θ$为冲击波衰减时间常数，取冲击波压力由峰值$p_{\text{m}}$下降至$p_{\text{m}}$/$e$所需的时间。

在有限水域边界效应存在的情况下，炸药的比气泡能$e_{\text{b}}$为：

$\begin{eqnarray} e_{\text{b}}=\frac{1}{8C^{3}K^{3}_{1}m}(\sqrt{1+4CT_{\text{b}}}-1)^{3} \end{eqnarray}$

(7)

式中，$e_{\text{b}}$为单位质量炸药的气泡能，J·$\text{kg}^{-1}$；$C$为水池条件的常数；$K_{1}$为由试验确定的常数；$T_{\text{b}}$为将实测气泡周期$t_{\text{b}}$修正到同一大气压下的总流体静压下的气泡脉动周期。

炸药的总比能量计算公式为：

$\begin{eqnarray} e_{\text{t}}=K_{\text{f}}(μe_{\text{s}}+e_{\text{b}}) \end{eqnarray}$

(8)

式中，$e_{\text{t}}$为单位质量炸药的总能量，J·$\text{kg}^{-1}$；$K_{\text{f}}$为炸药形状系数；$μ$为冲击波衰减系数，仅与炸药的爆轰压$p_{\text{C}-\text{J}}$ (10$^{8}$ Pa)有关，计算公式如下：

$\begin{eqnarray} μ&=&1+1.3328×10^{-2}p_{\text{C}-\text{J}}-6.5775×10^{-5}p^{2}_{\text{C}-\text{J}}+\\ &&1.2594×10^{-7}p^{3}_{\text{C}-\text{J}} \end{eqnarray}$

(9)

按照以上公式进行计算，灌注炸药C、D的水下爆炸能量测试结果如表 4所示，并与文献[13-14]中的工业炸药水下爆炸能量进行比较。结果可知，由于灌注炸药C、D中敏化剂的质量分数仅相差约4%，敏化剂的含量对灌注炸药C、D的比冲击波能$e_{\text{s}}$、比气泡能$e_{\text{b}}$及总能$e_{\text{t}}$影响较小，灌注炸药C的能量略高于灌注炸药D。灌注炸药C、D修正后的比冲击波能$μe_{\text{s}}$和$μe_{\text{s}}$/$e_{\text{t}}$均高于铵油、铵梯及乳化炸药，但其值低于TNT。灌注炸药C、D的理论爆热与铵梯炸药相当，高于铵油及乳化炸药，略低于TNT。综合灌注炸药的爆轰性能、能量特性及成本考虑，选择试样C的配方较为适宜。

在爆破工程中根据爆破介质特性选择工业炸药应遵循：对较硬的介质爆破应选用冲击作用较强的炸药，对于较软的介质爆破应选用爆炸气体膨胀作用较强的炸药，而对于中等硬度的介质爆破应选用冲击作用与爆炸气体膨胀作用较均衡炸药的基本原则。灌注炸药C、D的比冲击波能$μe_{\text{s}}$及$μe_{\text{s}}$/$e_{\text{t}}$值都较高，表明具有较强的冲击作用，在较硬岩石介质的爆破工程中更为理想。由于该灌注炸药的密度可达1.52 g·$\text{cm}^{-3}$，且爆速高($D$=6600 m·$\text{s}^{-1}$)，也可用作高能起爆具及地质勘探用高分辨率震源药柱。

4 结论

(1) 采用含能灌注液对双芳-3发射药颗粒空隙进行填充，可得到性能优良的灌注炸药。随着灌注液中敏化剂含量的增加，炸药的爆轰感度显著提高，但其爆速、冲击波超压及水下爆炸能量输出变化较小。

(2) 该灌注炸药密度可达1.52 g·$\text{cm}^{-3}$，爆速6600 m·$\text{s}^{-1}$($\mathit{Φ}$60 mm)，理论爆热与铵梯炸药相当，高于铵油及乳化炸药，略低于TNT。

(3) 比例距离为1.65~4.5 m·$\text{kg}^{-1/3}$时，灌注炸药的TNT当量系数略高于1；其水下爆炸能量$μe_{\text{s}}$、$e_{\text{t}}$及$μe_{\text{s}}$/$e_{\text{t}}$均高于铵油、铵梯及乳化炸药，略低于TNT，具有较高的能量及较强的冲击作用。

(4) 根据灌注炸药的爆轰性能及能量输出特性，该炸药适用于较硬的岩石爆破或用作高能起爆具及地质勘探用高分辨率震源药柱。

致谢: 感谢南京理工大学陈网桦教授、何中其老师及研究生曹威、周健美等对本实验的帮助。