tema 1 - explosivos conceptos generales

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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