PROPIEDADES DE LOS EXPLOSIVOS

UNIVERSIDAD NAIONAL DE TRUJILLO

Una explosión es un fenómeno que ocurre como consecuencia de una liberación repentina de energía. La fuente generadora de dicha energía puede ser de origen mecánico (como la ruptura de un cilindro de gas presurizado), nuclear (fusión atómica), electroestático (descargas eléctricas) y químico (explosivos químicos, explosiones de polvo de carbón), etc. Independientemente de la fuente generadora de energía, es condición necesaria para que se produzca una explosión que la liberación de dicha energía sea a través de un proceso extremadamente rápido

Introducción

Un buen ejemplo sería el tajeo de un neumático, que produciría una pequeña explosión, mientras que si se desinfla por su válvula no produciría explosión alguna. En ambos casos la energía almacenada es la misma, lo que difiere y hace que el primero produzca una explosión y el segundo no, es el tiempo en que esa energía es liberada a la atmósfera.

De particular interés para nosotros son las explosiones producidas por explosivos químicos, los cuales pueden definirse como una substancia o una mezcla de substancias químicas que bajo la acción de una cierta fricción, calor, impacto, onda de choque, etc. inician una reacción de descomposición muy violenta que se auto propaga a lo largo de su longitud. Dicha reacción , química se caracteriza por ser exotérmica y liberar una gran cantidad de energía en la forma de gases a elevadas presiones y temperaturas.

INICIACIÓN Y PROPAGACIÓN

2° Mec. Naturaleza

térmicoPropagación,

Temperatura del explosivo se eleva por encima de la temperatura de

descomposición, se da origen a una

reacción relativamente lenta

o deflagración, velocidad menor a la

del sonido, no genera una onda de

choque

1° Mec. Naturaleza Mecánico

La reacción es originada y transferida por fuerzas de presión. A una velocidad

mayor a la del sonido. Genera una onda de Choque

CLASIFICACIÓN DE LOS EXPLOSIVOSExisten varias formas de agrupar los explosivos. Una clasificación comúnmente usada en Norte América los agrupa en:

Explosivos primarios

Utilizados como ,cargas iniciadoras de explosivos de menor sensibilidad, son extremadamente , sensibles a la iniciación ya sea por fricción, calor o impacto y cuando detonan producen una onda de choque suficientemente fuerte como para iniciar explosivos secundarios.

Explosivos secundarios También llamados altos explosivos, son menos sensibles a la iniciación que los anteriores, tanto que se suele disponer de ello quemándolos en cantidades limitadas sin que ocurra una detonación. Estos explosivos constituyen la carga principal en granadas, morteros y otros proyectiles militares como así también en los cebos usados para iniciar explosivos comerciales en operaciones mineras, canteras o en la industria de la construcción. Los mismos pueden ser transportados y almacenados en mayores cantidades que los explosivos primarios.

Explosivos comerciales

Estos están basados en mezclas conteniendo nitrato de amonio y/o nitroglicerina como el principal ingrediente explosivo.

Dinamitas• Regulares

(basadas en Nitroglicerina)

• Amoniacales (basadas en Nitrato de Amonio)

Gelatinas • Son dinamitas

regulares o amoniacales, que han sido gelificadas mediante el uso de nitrocelulosa.

Agentes Explosivos• Agentes

Explosivos secos (ANFO’s)

• Emulsiones• Slurries

Explosivos deflagrantes

También llamados bajos explosivos debido a que su reacción no es una detonación sino una combustión rápida o deflagración en donde las partículas de superficie se queman, exponiendo nuevas partículas hasta que la substancia es completamente consumida.

Otras Clasificaciones de los explosivos

El criterio más general de clasificación es en función a su naturaleza: mecánica, química o nuclear. Centrando interés en los explosivos químicos, se sigue clasificando según su naturaleza química en explosivos Orgánicos, Inorgánico u Organometálicos. Los primeros se dividen también en nitro-hidrocarburos, nitro-aminas o ésteres nítricos.

Los explosivos químicos actúan por procesos de reacción química de detonación producidos por efecto de una onda de choque. Están mayormente vinculados a compuestos nitrados y son los de aplicación común en minería y construcción civil.

Los nucleares están vinculados a la es integración de materiales como uranio 235 y plutonio, proceso que desprende inmensas cantidades de energía. Su empleo actual es en el campo militar y de investigación. Aunque no se clasifican como explosivos, algunos productos especiales actúan como una explosión física sin detonación previa, producida por la súbita expansión de gases inertes licuados como el CO2 (cardox) por aplicación de calor. Su empleo está limitado a ambientes con alto nivel de grisú en las minas de carbón, o donde no se puede emplear explosivos convencionales.

DETONACIÓNLa detonación es una reacción exotérmica específica la cual está asociada con una onda de choque. La reacción química empieza debido al calor, el cual es un resultado de la compresión por la onda de choque. La energía liberada en la reacción mantiene la onda de choque.

Formación de la cabeza de detonación en un explosivo

Al detonarse el cebo se genera una onda de choque o frente de detonación el cuál penetra la carga explosiva y genera las altas presiones y temperaturas responsables de iniciar la reacción química y de sostener la propagación de la detonación a lo largo del cilindro explosivo.

Si la partícula de explosivo, por una razón u otra no llegase a reaccionar en forma completa, la energía liberada, y por lo tanto la velocidad de detonación, no serán las máximas que el explosivo tiene capacidad de desarrollar. Bajo éstas condiciones se está en presencia de un comportamiento no-ideal del explosivo.

La velocidad de detonación hidrodinámica la cuál puede predecirse usando modelos termodinámicos de computación.

VELOCIDAD DE DETONACIÓN La velocidad de detonación (VOD) de un explosivo esta velocidad con que el frente de detonación recorre la longitud del mismo. Dicha velocidad supersónica.

La VOD es uno de los parámetros más importantes del proceso de detonación. Su valores indicativo de la performance del explosivo y se utiliza para inferir otros parámetros como la presión de detonación y la presión de los gases de explosión, cuya determinación experimental es indirecta y difícil de lograr.

La VOD de un cierto explosivo se verá influenciada por una variedad de factores, que describiremos a continuación.

1. Influencia del diámetro del explosivo

Para diámetros pequeños (< Φ1), la longitud de la cabeza de detonación es muy pequeña y el tiempo que el gránulo de explosivo permanece dentro de la misma será muy corto. Como resultado de ello, la reacción será incompleta y la energía liberada será insuficiente para sostener el proceso de detonación.

Existirá un diámetro en que la energía liberada, aunque no sea producto de una reacción completa, será suficiente para sostener una detonación estable. Dicho diámetro es llamado Diámetro crítico (Φ1), el cuál se define como el diámetro mínimo por debajo del cuál la detonación no propagará, o dicho de otra manera, por encima del cuál la detonación será estable.

Si continuamos incrementando el diámetro de la carga explosiva por encima de su valor crítico Φ1 estaremos produciendo una reacción mas completa, con el correspondiente aumento de la energía y de la velocidad de detonación, hasta que sé llega a un diámetro Φ3 en el cuál la reacción es completa y la energía liberada la máxima posible para el explosivo en cuestión.

Diámetros por encima de Φ3 no producirán aumento alguno de la energía liberada y por ende la velocidad de detonación. (Velocidad de detonación hidrodinámica)

2. Influencia del grado de confinamiento y del tamaño de las partículas del explosivo

El hecho de confinar una carga explosiva hará que la expansión de los gases producto de la detonación sea más lenta, reduciendo a su vez la velocidad de la onda lateral de rarefacción dirigida hacia el explosivo, Como resultado de ello las ondas de rarefacción tardarán más tiempo en encontrarse en el eje, lo que implica un mayor tiempo (o un recorrido más largo) para que la cabeza de detonación adquiera su forma estable.

En Resumen el hecho de confinar un explosivo resultará en:

• Una reducción en la longitud de la zona de transición, es decir el explosivo alcanzaría su velocidad ideal en diámetros de carga menores que para el caso sin confinamiento. Cabe aclarar que dicha velocidad ideal es independiente del grado de confinamiento del explosivo.

• Una reducción de su diámetro crítico, es decir el explosivo detonará en forma estable en diámetros menores que para el caso de explosivos sin confinamiento.

El efecto de una reducción del tamaño del gránulo o partícula de explosivo es el mismo que el que produce el confinamiento de la carga.

La velocidad vs diámetro para un ANFO de gránulos porosos, confinado y sin confinar, a una densidad de 0.8 gr/cc.Se observa que el diámetro crítico del sistema sin confinar es de 76 mm, mientras que el confinado es de 50 mm.

3. Influencia de la densidad del explosivo

Al incrementarse la densidad de un explosivo la energía por unidad de volumen del mismo será mayor, ya que estaríamos colocando una mayor cantidad de explosivo en un mismo volumen, al ser mayor dicha energía, la velocidad de detonación crecerá también en forma proporcional.

Por el otro lado uno debe considerar que para un explosivo dado, un incremento de la densidad (i,e. compactación) resultará en un incremento del diámetro crítico del mismo.

4. Efecto del agua en la performance de explosivos comerciales

Es bien sabido que las dinamita tiene una buena resistencia a la acción del agua, la cual depende de la cantidad de nitroglicerina y nitrocelulosa presente en el explosivo. El nitrato de amonio tiene, para todos fines prácticos, cero resistencia al agua, por ser altamente soluble lo desensibiliza rápidamente.

5. Influencia de la temperatura del explosivo

Para diámetros mayores que su diámetro crítico, la temperatura inicial de un explosivo tiene poca influencia en su velocidad de detonación.No obstante, el diámetro crítico, depende la temperatura inicial del explosivo.

PRESIÓN DE DETONACIÓN

La presión de detonación es una indicadora de la habilidad de un explosivo para fragmentar la roca. La misma esta dada por la presión inmediatamente por detrás del frente de detonación, en el llamado plano de Chapman-Jouget (C-J).

𝑃 𝐷=ρ×𝑉𝑂𝐷2

4×10−5

= Densidad inicial del explosivo (g/cc)

= Presión de Detonación (Kbar)

= Velocidad de Detonación (m/seg)

= Factor de Conversión

Cabe mencionar que la presión de detonación no es la misma que la presión ejercida por los gases producto de la reacción, comúnmente llamada presión de explosión.

PRESIÓN DE EXPLOSIÓN Ella se refiere a la presión ejercida contra las paredes del barreno como consecuencia de la acción expansiva de los gases, producto de la detonación del explosivo. Al igual que la presión de detonación, su valor depende de la densidad y la VOD del explosivo. Es costumbre aproximar su valor a la mitad del valor de la presión de detonación, es decir:

𝑃𝑔=𝑃𝑑

2 ❑= ρ×𝑉𝑂𝐷

2

8×10−5

= Presión de gases (Kbar)

POTENCIA I ENERGÍA

La energía liberada (Q) durante la detonación de un explosivo está dada por la diferencia entre el calor de formación de los productos de explosión y el calor de formación de los ingredientes del explosivo, es decir:

La energía puede expresarse en función del peso del explosivo o de su volumen como así también en valores absolutos o relativos. Ello da lugar a cuatro posibilidades, a saber:

1. Potencia Absoluta en Peso (AWS):

2. Potencia Absoluta en Volumen (ABS)

3. Potencia Relativa en Peso (RWS):

4. Potencia Relativa Volumétrica (HBS);

1. Potencia Absoluta en Peso (AWS):

Esta es la medida de la cantidad de energía disponible (en calorías), en cada gramo de explosivo. Ejemplo: la AWS del ANFO es 900 cal/g. Mientras que la de una dinamita gelatinosa amoniacal está en las 1100 cal/g.

2. Potencia Absoluta en Volumen (ABS)

Esta es le medida de la cantidad de energía disponible (en calorías) en cada centímetro cúbico de explosivo. Esto se obtiene multiplicando la AWS por la densidad del explosivo.

ABS = AWS x δexplosivo

3. Potencia Relativa en Peso (RWS):

Esta es la medida de la energía disponible de explosivocomparado a un peso igual de ANFO. Esta se calculadividiendo la AWS del explosivo por la AWS del ANFO ymultiplicado por 100.

4. Potencia Relativa Volumétrica (HBS);

Esta es la energía disponible por volumen de explosivocomparado a igual volumen de ANFO, con una densidad de0,85 g/cc. Esto se calcula dividiendo la ABS de un explosivopor la ABS del ANFO y multiplicado por 100.

EFICIENCIA DE LOS EXPLOSIVOS

Las mediciones de las eficiencias de los explosivos han sido desarrolladas

para evaluar la potencia práctica del explosivo y sugieren sus propiedades

en el campo. La eficiencia es posible determinar empíricamente mediante

la técnica de la "energía de burbuja" en las voladuras bajo el agua, y se

mide como el porcentaje de energía aprovechable. Mediciones efectuadas

en los Estados Unidos permiten obtener los siguientes rangos de factores

de eficiencia para las distintas familias de explosivos.

SENSIBILIDAD Se pueden distinguir dos tipos de sensibilidades en un cierto explosivo. La sensibilidad a la iniciación y la sensibilidad a la propagación.

La sensibilidad a Iniciación de un explosivo

Hace referencia a la facilidad (o dificultad ) con que ese explosivo puede ser iniciado. Para ello se somete el explosivo a ensayos tal como el de sensibilidad al detonador, el de fricción, de caída, de impacto o choque, de calor, etc.

La sensibilidad a la Propagación

Es la medida de la habilidad de un explosivo para propagarse a lo largo del mismo. La sensibilidad a la propagación es una propiedad muy importante en operaciones de voladura. Una baja sensibilidad podría producir interrupciones en la propagación de la detonación como consecuencia de cavidades en la masa del explosivo o contaminación con material de atacado, agua, etc.

Por el otro lado, un explosivo muy sensible puede originar una propagación cruzada o detonación por simpatía, es decir la iniciación imprevista de un barreno por acción de las ondas de choque generadas en el barreno adyacente. Este efecto es muy perjudicial en voladuras a cielo abierto ya que reducirá los beneficios de los retardos, generando una pobre fragmentación, vibraciones excesivas, ruido, etc.

BALANCE DE OXÍGENO El balance de oxígeno en una substancia explosiva, es un factor importante en la formación de gases tóxicos como así también en la energía liberada por un explosivo.

Los explosivos pueden, tener una composición que los haga ricos o deficientes en oxígeno. Las mezclas ricas o con exceso de oxígeno en su formulación son generadoras de óxidos de nitrógeno (NO y N02) mientras que las deficientes producirán monóxidos de carbono (CO).

Los explosivos comerciales son formulados de manera que estén balanceados en oxígeno, reduciendo así las emanaciones tóxicas.

Como ejemplo ilustrativo consideremos el explosivo RDX cuya composición química es:

𝑅𝐷𝑋→𝐶3𝐻6𝑁6𝑂6

Para el caso de un ANFO balanceado en Oxígeno, la ecuación resultante será:

𝐴𝑁→𝑁𝐻 4𝑁𝑂3

FO

VIDA ÚTIL Ella se refiere al tiempo que un explosivo puede ser almacenado sin que su performance o seguridad sean afectadas. Dicho tiempo dependerá del tipo de explosivo y de las condiciones de temperatura y humedad existentes.

De particular interés son las dinamitas. En ellas, el proceso normal de deterioro que sufre la nitroglicerina que la compone afectará su sensibilidad, haciéndolas más peligrosas de manipular.

Bajas temperaturas de almacenamiento pueden afectar la seguridad y la performance de los explosivos. Por ejemplo, los Slurries sensibles a detonador pueden llegar a insensibilizarse en condiciones de baja temperatura.