tema 1 - explosivos conceptos generales
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Curso Avanzado de Explosivos
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TEMA 1
LOS EXPLOSIVOS Y EL FENÓMENO DE LA EXPLOSIÓN
Podemos definir como explosivo a todo sistema químico o físico capaz de
desarrollar reacciones exotérmicas (es decir con liberación de energía, en
general con elevación de la temperatura) extremadamente rápidas, las cuales
serán acompañadas normalmente por altas presiones en la zona de reacción,
desprendimiento de productos gaseosos, luz y calor.
Si bien al hablar de explosión, rápidamente imaginamos un fenómeno de
naturaleza química, este proceso puede referirse tanto a la explosión
química, como a la física.
Brevemente, podemos referir que las explosiones físicas serán aquellas
como las eléctricas, producidas por la descarga de un rayo o las de un cable
delgado sometido a una violenta corriente; las mecánicas, por evolución de
presión en un recipiente cerrado hasta su rotura violenta, y las más
importantes dentro de este rubro, las explosiones nucleares, que algunos
autores consideran como un grupo diferenciado.
Entonces, hablando desde el punto de vista específicamente químico, un
explosivo será una sustancia o mezcla de ellas capaz de desarrollar un
rápido cambio en su estado químico sin suministro de oxígeno exterior al
sistema, con la liberación de grandes cantidades de energía, generalmente
acompañado por la evolución de gases o vapores a altas temperaturas.
El fenómeno conocido como explosión es, también desde el mismo punto de
vista, una reacción química o cambio de estado realizado en un breve lapso
con generación de altas temperaturas y normalmente con gran cantidad de
gases, que produce una onda de choque en el medio circundante. Más
general es decir que se trata de un rápido proceso de transformación química
o física acompañado por una extremadamente rápida transformación de su
energía potencial en trabajo mecánico.
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Ahora bien, la explosión en la mayoría de los casos, es una forma de
combustión, es decir que el proceso químico que la identifica es similar en
cuanto a su mecanismo al de la oxidación de un combustible cualquiera,
siendo sólo diferente la magnitud de su velocidad de reacción. Es así que si
tomamos en cuenta las energías liberadas en el caso de la combustión de
nafta para automóvil y considerando que esa reacción libera un calor de
combustión de 9,5 kcal/g, respecto de la energía liberada por la reacción
explosiva de dinamita, la cual posee un calor de explosión de 1 kcal/g. , nos
es fácil ver que la nafta, a igualdad de peso, libera 9,5 veces más energía que
el explosivo.
Los fenómenos mecánicos, sonoros y luminosos que acompañan a la
reacción explosiva han despertado siempre la imaginación, y el hombre ha
tratado de utilizarlos con distintos fines. Pero esta utilización es diferente
según la velocidad de reacción, es decir según la velocidad de liberación de
la energía puesta en juego.
Como dijimos anteriormente, será la velocidad de reacción la característica
que identifique, intrínsicamente hablando, el proceso de combustión,
pudiendo ser clasificado dicho proceso según esto en tres regímenes, de
manera muy general :
a. Combustión : cuando la velocidad de reacción es muy baja.
b. Deflagración : cuando la velocidad de reacción alcanza hasta los
1000 m/s.
c. Detonación : cuando la velocidad de reacción es superior a los
1000 m/s.
Debemos hacer notar que las sustancias conocidas como explosivos
reaccionarán según uno u otro régimen de acuerdo a las condiciones de
contorno del sistema que se trate. Es así que un cartucho de dinamita
encendido por una cerilla combustionará en forma similar a un papel o a la
inversa una nube de polvo dentro de un silo de cereales detonará como una
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bomba.
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En particular debemos especificar el último término, expresando que nos
referimos a una reacción química que se propaga con tal rapidez, que la
velocidad de avance de la zona de reacción dentro del material aún sin
reaccionar, excede la velocidad del sonido en él, siendo precedido por una
onda de choque. La velocidad de avance de la zona de reacción es
conocida como velocidad de detonación. Este parámetro está vinculado
en forma íntima con el poder rompedor de un explosivo (brisancia).
TEORÍA DE DETONACIÓN
En el siglo 19 ha sido reconocido que las sustancias explosivas, gases,
líquidos o sólidos, son capaces de dos tipos de reacciones luminosas y
violentas. Uno de los tipos ha sido denominado en general como llamas
en los gases o deflagraciones en los líquidos y sólidos, y el otro tipo como
detonaciones. Bajo ciertas circunstancias es posible efectuar reacciones que
parecen ser intermediarias en cuanto a su comportamiento, pero estos casos
característicos difieren en forma notable.
Una deflagración o llama procede bajo condiciones esencialmente isobáricas
a través de la sustancia que reacciona. La velocidad de propagación de la
llama a través de mezclas homogéneas de gases varía desde centímetros a
metros por segundo.
En la deflagración de explosivos sólidos, la reacción se efectúa en la
superficie de los granos, y se propaga en forma de capas dentro de los
granos con velocidades que se miden en milímetros por segundo a la presión
atmosférica.
El hecho más sobresaliente de la detonación es su carácter no isobárico. La
porción de la sustancia que no ha sido afectada por una detonación
permanece a la presión inicial. En el frente de detonación, la presión aumenta
casi discontinuamente hasta su valor más alto (que puede ser 10 – 100
veces la presión inicial de los gases; pude llegar hasta 200.000 atm en los
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explosivos
sólidos y densos). Detrás del frente de detonación, la presión baja
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gradualmente. La temperatura y la densidad muestran variaciones súbitas
similares. El frente de detonación avanza a través del explosivo con altísima
velocidad, llegando a los 3500 metros por segundo en los gases y 8000
metros por segundo en líquidos y sólidos. En lo que puede ser asegurado de
acuerdo a los experimentos, la materia delante del frente de detonación,
químicamente permanece estable; detrás del frente (excepto
en las asíllamadas detonaciones de bajo-orden) la
reacción explosiva parece ser completa, excepto para esos cambios de
equilibrio como pueden ser las atenientes a las subsecuentes expansiones y
enfriamiento de los productos primarios de reacción. Una vez establecido el
proceso de detonación, el frente de detonación se propaga con velocidad
constante si el medio es uniforme en su composición y estado físico. Esta
velocidad es mucho menos dependiente a una cantidad de variables como
son, presión inicial y temperatura, estado de subdivisión de sólidos, forma y
tamaño de la masa explosiva y confinamiento; que lo es de la velocidad de
deflagración. De hecho, dentro de una escala más bien grande de estas
variables, la velocidad estable de detonación depende solamente de la
composición química del explosivo y de su densidad de masa si el material es
sólido o líquido. Estos descubrimientos experimentales sugieren que, al
contrario de lo que sucede en la deflagración, la velocidad de propagación de
la detonación está controlada por variables de carácter
termodinámico o hidrodinámico más bien que por la velocidad de reacción
química involucradas en la explosión. Las así llamadas teorías
hidrodinámicas de ondas de detonación hechas por Chapman & Jouguet y
de la teoría de ondas de choque de Ranking-Hugoniot, pone esta idea en
forma cuantitativa.
CCURVA
DE R
AYLEIGHA’
ESIÓN IPR C-J
B PRODUCTOS DE DETONACIÓNDE HUGONIOT
AEXPLOSIVOS SIN REACIONAR
DE HUGONIOT
CCURVA DERAYLEIGH
A’
I
C-JB PRODUCTOS DE DETONACIÓN
DE HUGONIOT
AEXPLOSIVOS SIN REACIONARDE HUGONIOTVOLUMEN ESPECÍFICO
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Figura 2: curva de Ranking-Hugoniot
Esta curva se asemeja a una adiabática, pero se diferencia cuantitativamente,
pues la presión aumenta en forma más pronunciada con el aumento de la
densidad. Así pues en las ondas de choque en medios gaseosos, la densidad
no aumenta excesivamente, pero se pueden obtener altas presiones y
temperaturas. Cuando un gas (o cualquier otro fluido normal) después del
pasaje de un choque, es expandido reversiblemente y adiabáticamente a su
volumen y presión originales, su temperatura es mayor que la inicial debido a
la forma de la curva R-H; esto significa naturalmente que la compresión de
choque no es reversible, o que la entropía del medio es aumentada por el
pasaje del choque. Por lo tanto las ondas de choque disipan energía (en el
sentido de la segunda ley de termodinámica) y, para mantenerlas, es
necesario un suministro constante de trabajo. Así pues, en el ejemplo
cuantitativo discutido más arriba, si se permite al pistón quedar en descanso,
la intensidad del plano de la onda de choque que se propaga a lo largo del
cilindro disminuirá con el tiempo, mientras que una onda acústica (de
amplitud infinitesimal) progresaría con perfil estable en ausencia de difusión
de fenómenos de conducción de calor. La descomposición espontánea de las
ondas de choque con relación al movimiento del medio de la onda es inferior
a la velocidad acústica de este medio.
P
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La ecuación de Rayleigh expresada como línea en el plano P-V, siendo la
velocidad de choque D. Esta línea conecta las condiciones iniciales y finales
antes y después del pasaje de la onda de choque. Desde que las condiciones
finales se hayan sobre la Hugoniot, la línea de Rayligh debe interceptar la
curva de Hugoniot. La curva inferior es la de Hugoniot para un choque sin
reacción (q=0) mientras que la curva superior es la de Hugoniot para una
detonación (q<0). Así, en el caso de una detonación, hay dos soluciones en
general, sin embargo la única posible solución es para el caso en el cual
la línea de Rayleigh es tangencial a la curva de Hugoniot (curva AI). Las
soluciones debajo de I sobre la Hugoniot no son estables mientras que los
puntos encima de I resultan en flujo supersónico atrás de la onda. En este
medio las ondas de rarefacción viajan más fuertes que la onda de
detonación y por lo tanto la onda de detonación debería perder velocidad.
Así la única posible solución es en el plano I. Para este punto el flujo de la
onda es sónico.
Esta es la condición de C-J condicionando que la velocidad de detonación es
igual a la velocidad local justa más la velocidad de partida.
TEORÍA DE LAS ONDAS DE CHOQUE ESTACIONARIAS
Fue probablemente Chapman, quien primeramente sugirió que un frente de
detonación es una onda de choque, autosustentada por la energía liberada
en la reacción química. Chapman propuso que la velocidad de detonación
consiste en la mínima velocidad en las condiciones de R-H equivalente con
ésta es el postulado de Jouget , quien dice que está representada por la
velocidad del material más la velocidad acústica del medio en la onda.
Con relación a la curva R-H debe representar la mayor posible velocidad de
detonación y, de acuerdo a Chapman, es la velocidad estable.
El explosivo intacto es primeramente sometido a un choque mecánico con
una presión P’, que puede ser considerablemente en exceso de la
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presión P,
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calculada para el plano Chapman- Jouguet; después de esto se producen
movimientos secundarios de equilibrio causados por la subsecuente
expansión y enfriamiento de los productos.
Así pues la energía liberada por la reacción química dentro de ese plano,
puede ser transmitida hacia adelante hasta el frente de choque en forma de
señal acústica que se desplaza a través del medio (en movimiento) con la
velocidad acústica. Lo que se produce químicamente detrás del plano de
Chapman-Jouget no tiene importancia para la propagación de la onda,
porque en este plano la velocidad de detonación es igual a la suma de las
velocidades materiales y acústicas, y ninguna señal de atrás, incluyendo
las ondas de rarefacción posibles pueden pasar a través del plano de
Chapman-Jouget.
Una nueva constatación del razonamiento indicado más arriba desde un
punto de vista ligeramente distinto, puede ayudar a obtener una perspectiva
de la situación correcta que existe en la onda de detonación. La onda de
detonación desde el punto de vista químico, se indica en el explosivo intacto;
se producen ciertas reacciones rapidísimas que pueden eventualmente
progresar hasta un estado de completo equilibrio termodinámico, controlado
por la presión local y la temperatura de la onda.
Se haya o no alcanzado el equilibrio, la composición sigue cambiando a
medida que la presión y la temperatura de la onda sigue sufriendo nuevos
cambios. La velocidad de propagación de la onda, desde el punto de vista
hidrodinámico, es menor que la suma de las velocidades acústicas y
materiales en los primeros planos de la onda. Esta relación eventualmente
cambia, en las condiciones de los planos de la onda la velocidad de
detonación es mayor que la suma de las velocidades locales materiales y
acústicas; entre ellas existe un plano unido en el cual esas velocidades son
iguales. La hipótesis de Chapman- Jouget, afirma que en este plano, la
reacción explosiva ha llegado ya al estado de completo equilibrio
termodinámico, y que la energía química liberada (máxima posible) es
cuantitativamente convertida
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en: (1) térmica (2) de compresión (3) energía cinética y (4) desplazamiento
hacia adelante, de los productos de la reacción.
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Frente dechoque
Superficie C-J
Reacción deenergización
Avancede reacción
Reacción desensibilización
Tiempo o distancia
33Direcciióónn Geenneerall ddee FFaabbrriicaacciioonnees Miilliitares - Fáábbrriica Miilliitar de Póllvoraass y Exploossiivooss “ Azull “
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PARTICION DE LA ENERGIA DEL EXPLOSIVO
Lownds descubrió la partición de energía de explosivos en el proceso de
detonación de rocas usando un modelo simplificado de interacción explosivo
– roca. Consiste en dividir la energía en diferentes zonas relacionando a
la presión y volumen de expansión de los gases durante las diferentes fases
de los procesos de detonación. Una ilustración modificada de esta división
de energía es mostrada en la figura siguiente.
Las energías asociadas con las diferentes zonas mostradas en la figura son :
P3
Presión
P4
1
3P5
24 5
Volumen 34
DDiirreccccióónn Generall de FFaabriicaciiones Miilliittaarres - Fáábbriiccaa Miilliitar de Póllvoras y Explosivos “ Azull “
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1 Componente cinético de energía de choque
2 Componente fuerza de energía de choque
1+2 Energía de brisancia
3+4 Energía liberada durante la propagación de grietas
2+3 Energía de fragmentación
4 Energía de tensión en carga al tiempo que los gases
escapan.
1+2+3+4 Energía detonante
1+2+3+4+5 Energía total desarrollada o Valor Fuerza Absoluto
Inmediatamente sobre la detonación de los explosivos en el barreno, la alta
presión de los gases al inicio o estado de explosión P3 envía una onda de
choque en la roca. Estos esfuerzos causan mas o menos aplastamiento y
compresión en la roca en la vecindad cercana de los barrenos dependiendo
de la presión de explosión y la fuerza y rigidez de la roca. Como la roca es
comprimida y aplastada el volumen de los barrenos incrementa con la
correspondiente disminución de presión, hasta que la tensión justa en la roca
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balancea la presión. Esto es indicado como P4 y es llamado Estado de
Equilibrio del Barreno.
El trabajo hecho por el explosivo durante esta expansión es llamada energía
de brisancia y consiste de la energía de fuerza almacenada en la roca (Zona
2) y la energía cinética de la onda de choque (Zona 1). La opinión de
varios autores es que en el proceso de detonación la energía cinética de
choque es esencialmente perdida como trabajo útil y muestra como la roca
se aplasta inmediatamente alrededor del barreno y como las ondas sísmicas
son propagadas dentro de la tierra.
La tensión en la roca resultante de la presión residual del barreno P4 causa
fractura. La explosión produce gases entrando a aquellas grietas entre el
agujero y la cara libre, efectuando trabajo útil, lo cual resulta en
fragmentación y debe contribuir al levantamiento.
Este proceso finaliza más o menos abruptamente cuando los gases alcanzan
la cara libre a través de la carga. La presión de los gases que escapan
es mostrada en el punto P5 de la figura 2.
Al mismo tiempo de escape la carga es comprimida por el gas en las grietas
con una energía de tensión almacenada en la roca, representada por la Zona
4. Esta energía es insignificante en la fragmentación y levantamiento.
La energía de las zonas 2 y3 es la mas útil en detonación de rocas y es
llamada energía de fragmentación.
Algo de la energía en los gases al tiempo de escape (Zona 5) mueve la carga
y representa la energía de alzamiento. El resto de la energía de la Zona 5,
sin embargo, es perdida como calor y ruido en los gases de escape.
Aunque este modelo de división de energía simplifica el proceso de
detonación este da valores de donde la energía es utilizada durante las
varias fases del proceso. Esto también provee comparaciones aproximadas
de la magnitud de
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las fracciones de energía usada en las varias fases del proceso de detonación,
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como los gases explosivos expanden desde la presión inicial en el barreno
hasta la presión atmosférica.
No toda la energía desarrollada es útil en fragmentación y levantamiento.
Esto debe ser posible para mejorar la eficiencia del proceso de
detonación por utilización de cualquier explosivo ideal o no ideal diseñados
para minimizar las perdidas de energía.
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