Експлозиви за граждански приложения

Експлозивите са концентрирана енергия в материална форма. С подходящ подход той може да бъде пуснат целенасочено, за да върши работа, която иначе би била изключително трудоемка и напълно неикономична. Докато римският император Нерон (37 до 68 г. сл. Хр.) Не успява да построи Коринтския канал дори с хиляди роби, динамитът и експлозивният желатин позволяват изпълнението на проекта в рамките на две години - от 1891 до 1893 г. Инсталирането на Панамския канал през годините 1879-1890 и 1903-1914 изисква 30 000 тона динамит. И без този експлозив тунелите St. Gotthard и Tauern едва ли биха могли да бъдат завършени в рамките на няколко години с помощта на технологията по това време (от 1872 до 1882 и от 1901 до 1907).

С изключение на такива строителни проекти, експлозивите се използват за добив на суровини, тъй като чисто механичното извличане на руди, минерали или въглища би било много по-скъпо (фиг. 1). Важно приложение е разрушаването на сгради и технически системи; Дори коренищата могат да бъдат изчистени и почвата да се разхлаби от експлозии.

Всяка смес от горими и доставящи кислород вещества може да освободи енергия след подходяща стимулация; химикът накратко говори за редукционно-окислителна или окислително-редукционна реакция. Ако преобразуването е по-бързо от скоростта на звука във въпросното вещество, това се нарича детонация. Наред с други неща, размерът на реактивния интерфейс между компонентите е определящ за това: Дървеният дървен материал в камината изгаря бавно и увеличава чувството за благополучие, докато същото количество дърво, смляно на фин прах и поставено в пламъка, би причинило експлозията на камината.

При детонация експлозивите се разпадат на газообразни вещества - в идеалния случай въглероден диоксид, вода и елементарен азот като продукти от изгарянето на органични вещества, но също така азотни оксиди, въглероден окис и други не напълно окислени продукти. В допълнение се създават силно реактивни частици като радикали, йони и електрони, които се ускоряват до нереагирал материал и там стимулират по-нататъшно преобразуване. След определено разстояние на изтичане се натрупва ударна вълна с изключително високи стойности на налягане и температура; В зависимост от експлозива и условията на затваряне, това разстояние е с дължина от милиметър до много сантиметри.

Процесът остава стабилен, докато има достатъчно енергия в зоната на детонация. Но ако енергията се разпредели твърде далеч, реакцията отново спира. Важното е съотношението на обема, произвеждащ енергията, към енергийно излъчващата повърхност; Тъй като тя става неблагоприятна за малки диаметри, има критичен диаметър за всеки експлозив, над който той само експлодира.

Военните приложения изискват скорост на детонация до 9000 метра в секунда; за граждански цели такива високи стойности са ненужни или дори нежелани. За да може ударната вълна да се разпространи възможно най-непроменена в материала, който трябва да бъде взривен, съпротивленията на вълната на експлозива и материала - т.е. продуктите на плътността и ударната вълна или скоростта на звука - трябва да бъдат добре координирани. Следователно скоростите на детонация около 2000 до 4000 метра в секунда са най-подходящи за повечето приложения. Особено важно е да се развие голям обем газ, така че разтворените маси да бъдат изтласкани.

Скален експлозивен динамит

Нитроглицеринът, откритие на италианския химик Асканио Собреро (1812 до 1888) през 1847 г., има голяма експлозивна сила, но е непредсказуемо чувствително към вибрации и удар, така че самият изобретател скоро се отказва от опитите си да го използва като експлозив. Също така беше особено досадно, че нитроглицеринът, за разлика от черния прах, който се използва в Европа от 13 век - според днешното разбиране, е смес от калиев нитрат, въглен на прах и сяра в масово съотношение около 75:15:10 - лесно през открит пламък детониран.

Години по-късно семейство Нобел започва да експериментира с нитроглицерин. Разработването на барутен детонатор от Алфред Нобел (1833 до 1896) насърчава разпространението на новото взривно вещество, но опасното вещество многократно твърди, че има смъртни случаи по време на производството, транспортирането или употребата. През 1866 г. Алфред Нобел намира решението на проблема в завода на Крюмел близо до Хамбург: Диатомичната пръст (kieselguhr), която не реагира с маслената течна нитроглицерин, се оказва идеалният адсорбент. Със 75 части експлозиви и 25 части кизелгур се получи твърд материал, който, преработен в цилиндрични тела и увит в хартиени втулки, трябваше да се дозира в отворите за пробиване, докато нитроглицеринът просто беше излят в тях. Въпреки високото съдържание на инертни вещества, новият материал се оказа пет пъти по-експлозивен от черния прах и значително по-безопасен за работа от нитроглицерина сам. Гурдинамитът (от гръцката динамика за власт) се превърна в огромен икономически успех.

Разтвореният във вода материал обаче и експлозивната му сила е с една четвърт по-малка от тази на чистия нитроглицерин. През 1875 г. Алфред Нобел разтваря взривното масло в памучен памук (нитроцелулоза), силно запалимо вещество, подобно на памучна вата, което базелският професор по химия Кристиан Фридрих Шонбейн (1799 до 1868) произвежда за първи път през 1846 г. чрез обработка на памука с азотна и сярна киселина. Той получи желатиново вещество, което е водоустойчиво, по-малко чувствително към механично натоварване и поради по-високото съдържание на нитроглицерин е значително по-енергично от гурдинамит: взривният желатин.

Обаче на практика такава висока енергийна плътност дори не се изисква. Тя може да бъде намалена до известна степен чрез добавяне на Chiles нитрат към желатина и горими органични материали като дървени стърготини или въглищен прах. В същото време това стабилизира цялата смес срещу удари и вибрации. Малко по-късно чилийският нитрат е заменен с амониев нитрат, който се разпада напълно на газообразни продукти и увеличава експлозивния ефект поради допълнителното налягане на газа. Гражданските желатинови експлозиви от амониев нитрат все още се произвеждат съгласно този принцип и са адаптирани само към изискванията на съвременната технология за взривяване с използване на добавки.

Без нитроглицерин скални експлозиви

Тъй като безопасното производство на нитроглицерин е много сложно, скоро се търсят алтернативи. По-специално от осемдесетте години на миналия век е известно, че окислителят амониев нитрат е способен да детонира самостоятелно при високи енергии на възбуждане. Сместа с горими вещества като дизелово масло (амониев нитрат плюс мазут, ANFO) е по-лесна за реагиране. Докато компонентите първоначално бяха смесени в тегловно съотношение 1: 1 - това съответстваше на чувал с амониев нитрат и кутия дизелово гориво - и взривните вещества бяха в състояние да детонират само в големи сондажи с диаметър 200 и повече милиметра с усилващи заряди на по-чувствителни експлозиви, Запалимостта значително се подобрява с непроменена ниска механична чувствителност.

Амониев нитратен гранулат с порьозност, който може да се контролира от производствения процес - под формата на така наречените прали - адсорбира по-добре минералното масло и има по-голяма връзка между реагентите. Глобите, получени чрез изтриване по време на производството, също подобряват запалимостта до определено количество. В крайна сметка обаче пречи на потока на експлозива, който се пренася в сондажите с винтове или пневматично. Въпреки че ANFO не постига експлозивната сила на продукти, съдържащи нитроглицерин, той е най-евтиният масов експлозив някога и следователно представлява около 80% от пазара на експлозиви в света.

Примките обаче се разтварят бързо в сондажи, съдържащи вода. Ако нивото на водата не е твърде високо, обаче, разтвор или солна паста се създават само отдолу, докато експлозивите в горната зона все още могат да се използват. В този случай зарядната станция може да се запали от достатъчно силен бустер.

Принципът беше систематично усъвършенстван. Към пулпата се добавят молекулярни експлозиви като тринитротолуен (TNT) или хексоген (т.е. чувствителни, експлозивни вещества без допълнителни компоненти). Като окисляеми компоненти се добавят захар, минерално масло, въглищен прах и - най-важното - алуминиев прах. Неговата висока топлина на горене загрява газовете, образувани по време на детонацията и по този начин осигурява високо налягане на газа. За да не се разделят компонентите, се използват набъбващи агенти като агар-агар, нишесте, брашно от гуар или полиакриламид, чиито макромолекули вграждат течните компоненти и могат да бъдат омрежени с антимон (V) или хром (VI) соли.

В зависимост от състава се създават подобни на утайки, течащи експлозиви - така наречените суспензии - или твърди водни гелове, които могат да се пълнят в патрони. Запалимостта на материала също може да варира в широки граници. Водата е инертна към горивата и окислителите и следователно стабилизира суспензиите срещу удар и триене. В началото на разработката обаче трябваше да се научи, че алуминият, който не е бил предварително обработен срещу корозия, се атакува от солевия разтвор и че неговото разлагане може дори да се увеличи до детонация.

Емулсионни експлозиви

Реактивната повърхност на амониевия нитрат може да се увеличи драстично чрез разтваряне на солта във вода. Водата отново действа като инертен агент. За да се запази пропорцията му възможно най-ниска, се използва фактът, че разтварящата му сила се увеличава рязко с температурата: при около 80 градуса по Целзий той може да абсорбира в пъти повече сол от стайната температура. След това концентрираният разтвор - все още в топлина - се емулгира в минерално масло; това води до големия интерфейс. Това термодинамично нестабилно състояние може да се стабилизира с подходящи емулгатори. Размерът на капчиците на тази емулсия вода в масло може да бъде по-малък от десет микрометра (хилядни от милиметъра). Ако имате нужда от твърди експлозиви, добавяте подходящи восъци, за да настроите вискозитета толкова висок, колкото искате. Типичното съдържание на вода в готовия експлозив е около 10 до 20 процента.

Самата емулсия не е в състояние да детонира, а става детонираща само чрез добавяне на сенсибилизатори. Те обаче не трябва да бъдат взривни вещества или други подобни; нереактивните съставки също служат на целта. Например емулсията с голямо количество газови мехурчета е много способна да детонира. Ударната вълна компресира мехурчетата толкова бързо, че не може да се осъществи топлообмен и по този начин ги загрява изключително много (вж. Spektrum der Wissenschaft, април 1995 г., стр. 50). Реакцията на амониев нитрат с гориво винаги може да се възпламени отново в тези горещи точки. Този механизъм също подобрява детонацията на експлозиви, съдържащи нитроглицерин. Газовите мехурчета могат да се генерират химически - по-специално чрез превръщане на натриев нитрит с урея или тиокарбамид, за да се образува азот. За да не се дифузират твърде бързо през експлозива, восъците му придават много твърда консистенция.

Можете също да използвате кухи микросфери от стъкло или пластмаса, тъй като те често се използват за намаляване на теглото на формованите части. Пластмасовите мъниста също изгарят, а скоростите на детонация са значително по-високи от тези от стъкло. Емулсионните експлозиви с кухи микросфери обаче съхраняват по-малко енергия от експлозивите от желатинов амониев нитрат, което може да бъде проблематично при трудни условия, като например в твърда скала и с високо напрежение.

Съставът на емулсионните взривни вещества може да варира в широки граници. Спектърът варира от течащи вещества за големи диаметри на сондажа (фиг. 3), които трябва да се запалят с ускорителен заряд, до твърди вещества за малки патрони. Също така е възможно да се направят лепкавите материали толкова сухи чрез добавяне на силиконови масла, че те да могат да се пълнят в хартиени ръкави с помощта на патрони, разработени за желатинови експлозиви.

Експлозиви за подземен добив

"Биещото време", експлозии на метан-въздушни смеси, които разбъркват въглищния прах, повсеместно разпространен в добива на въглища и след това го детонират, вече са стрували живота на много миньори. Основната причина, поради която те са толкова опасни, е, че техните ударни вълни не се разпространяват във всички посоки и текат мъртви, но могат да се разпространяват през тунелната система в продължение на километри. В допълнение въглеродът не изгаря напълно и се получава силно токсичен въглероден окис - повече миньори често са жертви на минни аварии, отколкото вълната под налягане.

Смесите метан-въздух могат да се запалят с ниски количества енергия в широки граници на концентрация - започвайки с пропорции от около 5 до 15 процента метан. Разбира се, една детонация винаги е достатъчна. Още по-учудващо е, че е възможно да се разработят специални взривни вещества, които могат да се използват въпреки опасността от изстрелване.

Човек използва факта, че времето между запалването и експлозията на метан-въздушни смеси, в което реактивните радикали и йони извършват реакцията, се увеличава с намаляване на температурата. Следователно относително голямо количество сол, например готварска сол, се добавя във фина форма към сместа от нитроглицерин, амониев нитрат и гориво. Неговата относително висока специфична топлина извлича енергия от горещия шлейф, така че крайната температура на експлозионните газове спада и вероятно вече не е достатъчна за запалване на метано-въздушната смес. Още по-важен е ефектът от тези фини, твърди солни частици като антикатализатори, които прихващат реактивните частици на повърхността им, така че изгарянето не се продължава и експлозията не може да се натрупа. Съдържанието на сол също намалява общата енергия на експлозива и по този начин максималното налягане в ударната вълна.

Експлозивите за времето с обратни солеви двойки са особено безопасни: Вместо експлозивен амониев нитрат и, например, натриев хлорид, те съдържат безвредните соли амониев хлорид и натриев нитрат. Ако нитроглицеринът, който присъства само в малки пропорции, детонира, неговата енергия остава концентрирана в сондажа и може да инициира разпадането на двете вещества там, като за кратко време отново се образуват амониев нитрат и натриев хлорид, които след това продължават да реагират по известен начин. Ако зарядна станция не детонира в сондажа, а открито е в контакт с метано-въздушната смес, например, защото съседно зареждане вече е откъснало скалата, инертната смес от обърната двойка сол само се изхвърля и енергията на нитроглицерина се изразходва до голяма степен и по този начин се избягва взрив на огън. Въз основа на този принцип в Германия се произвеждат най-безопасните експлозиви за времето.

Съвременната технология за взривяване би била немислима без безопасни и надеждни детонатори (фиг. 2). При всички методи за взривяване зарядите не се запалват едновременно, а с леко закъснение, така че, например, стена на разкъсване се отваря като цип (фиг. 1). Поради по-ниската енергия, отделяна за стъпка във времето, взривните вибрации също могат да бъдат сведени до минимум. Наскоро нашата компания допълни времеви детонатори с пиротехнически комплекти за забавяне с такива с електронни блокове за забавяне. Предлагат се и неелектрически системи. Високата точност на електронните детонатори и възможността за избор на закъснение между отделните времеви нива в широк диапазон позволяват системата за взривяване да бъде адаптирана към материала, който ще бъде взривен.