Výbušnina

Výbuch

Výbuch je rýchly fyzikálny alebo fyzikálno-chemický dej, ktorý vedie k náhlemu uvoľneniu vnútornej energie systému. Pri výbuchu dochádza k okamžitému porušeniu rovnovážneho stavu hmotného systému, pričom prechod systému z jedného rovnovážneho stavu do iného prebieha rýchlo, za súčasnej premeny jeho vnútornej energie na mechanickú prácu, čo sa prejaví rozrušením okolia alebo pohybom iného druhu. Výbuch je obvykle doprevádzaný tepelným a svetelným efektom a zvukovým efektom (ale prítomnosť zvuku nie je podstatným príznakom výbuchu, je to prejav rázovej vlny vzniknutej pri výbuchu).

Druhy výbušnej premeny

Charakteristickým znakom výbušnej premeny akejkoľvek výbušniny je jej vysoká rýchlosť. Tá však môže byť rôzna a líšiť sa až o niekoľko rádov. Rýchlosť výbušnej premeny závisí nielen na druhu výbušniny, ale aj na fyzikálnych podmienkach výbuchu a spôsobe iniciácie a druhu roznetu. 
Mierkou rýchlosti výbušnej premeny je jej lineárna rýchlosť – teda hrúbka vrstvy vybuchnutej výbušniny za jednotku času meraná v smere šírenia výbuchu. Lineárna rýchlosť výbušnej premeny sa pohybuje v širokom rozmedzí od zlomku milimetrov za sekundu do niekoľko tisíc metrov za sekundu.
Podľa spôsobu prenosu energie medzi vrstvami výbušniny, charaktere priebehu tlaku a smere pohybu výbuchových splodín a rýchlosti šírenia výbušnej premeny rozlišujeme dva základné typy výbušnej premeny:

Explozívne horenie (výbuchové, výbušné horenie)

Pri explozívnom horení sa energia (teplo) uvoľnená v reakčnej zóne prenáša na ďalšiu vrstvu nevybuchnutej výbušniny radiáciou (žiarením) a vyvoláva v nej intenzívnu chemickú premenu. Tlak v mieste výbuchovej premeny sa mení postupne (spojito), tlak vo výbušnine, jej okolí a v produktoch výbuchu je približne rovnaký. Plynné produkty výbuchu sa pohybujú proti smeru šírenia výbuchovej premeny (odtekajú z miesta výbuchu do voľného priestoru). Rýchlosť šírenia výbušnej premeny pri explozívnom horení je vždy menšia ako rýchlosť zvuku v splodinách výbuchu.
Rýchlosť explozívneho horenia sa pohybuje v rozmedzí od milimetrov za sekundu do niekoľko sto metrov za sekundu a je veľmi závislá na tlaku pri akom prebieha. Pri normálnom tlaku prebieha explozívne horenie malého množstva výbušniny spravidla celkom bez zvukových prejavov. V uzatvorenom priestore, napríklad v nábojovej komore strelnej zbrane tlak rýchlo rastie, tým sa zvyšuje rýchlosť explozívneho horenia a zasa sa zvyšuje tlak – výsledkom je, že celý dej prebehne rýchlo a strela je vypudená z hlavne s charakteristickým zvukom. Tlak pri explozívnom horení môže dosiahnuť až stovky MPa. Explozívne horenie je typickým druhom výbušnej premeny strelivín.
Aj explozívne horenie môže mať deštrukčné účinky, napríklad roztrhnutie hlavne dela, roztrhnutie spaľovacej komory raketového motoru, alebo rozpojovanie blokov kameňa čiernym strelným prachom. Črepiny vzniknuté pri explozívnom horení sú charakteristické tým, že majú tvar dlhých pásov.
Rýchle a prudkú explozívne horenie pri normálnom tlaku, niekedy doprevádzané zvukovým efektom sa nazýva deflagrácia.

Detonácia

Detonácia je charakteristická tým, že rýchlosť výbušnej premeny je vyššia ako rýchlosť zvuku v plynných produktoch výbušnej premeny. Energia sa prenáša na ďalšie vrstvy nevybuchnutej výbušniny (rázovou) detonačnou vlnou. V mieste výbušnej premeny prudko, prakticky skokom, narastá tlak a teplota a plyny vzniknuté pri výbušnej premene sa v prvom okamihu pohybujú v smere šírenia výbušnej premeny. Hustota plynov vzniknutých pri výbušnej premene prevyšuje tesne za čelom detonačnej vlny hustotu výbušniny.
Rýchlosť šírenia výbušnej premeny pri detonácii je vysoká, bežne v rozsahu 1 000 – 9 000 ms⁻¹, a takmer nezávisí na tlaku v okolí. Tlak v mieste výbušnej premeny (detonačný tlak) dosahuje hodnoty 1 000 – 20 000 MPa i viac.
Vysoká hodnota detonačného tlaku je príčinou, prečo je okolie miesta detonácie rozrušené. Črepiny vzniknuté pri detonácii sú pomerne malé, viac-menej kruhového alebo štvorcového tvaru.
Výbušniny, predovšetkým niektoré trhaviny, môžu podľa fyzikálnych podmienok výbuchu a spôsobu iniciácie prechádzať z detonácie do explozívneho horenia a z explozívneho horenia do detonácie. 
Každá detonácia výbušnín začína ako explozívne horenie, ale vo veľmi krátkom čase prejde do detonácie. Aj streliviny môžu prejsť do detonácie, napríklad pokiaľ nie sú iniciované plameňom (ako je obvyklé), ale priamo detonačnou vlnou.
Traskaviny (iniciačné výbušniny) sú charakteristické tým, že na mechanický, tepelný, elektrický alebo iný fyzikálny podnet reagujú výbušnou premenou, explozívnym horením, ktoré na veľmi krátkej dráhe zlomkov milimetru a v množstve zlomkov až jednotiek gramu prechádzajú do detonácie.

Parametre pre hodnotenie výbušnín

Aby bolo možné vzájomne porovnať silu a deštrukčný účinok jednotlivých zlúčenín a výbušných zmesí, treba exaktne definovať fyzikálne merateľné parametre, podľa ktorých sa bude toto porovnávanie vykonávať. Porovnaním týchto hodnôt môže pyrotechnik pre určitú konkrétnu situáciu vybrať vhodnejšiu z dostupných typov náloží, ktoré má práve k dispozícii.

Objem plynu po výbuchu (V)

je definovaný ako množstvo plynu v litroch, ktoré vznikne výbuchom 1 kg látky pri v prepočte normálnej teplote (20 °C). V praxi je potom objem plynu približne rádovo vyšší vzhľadom na teplotu v mieste výbuchu (okolo 4 000 °C). Hodnoty V pre bežne používané trhaviny ležia v rozmedzí 500 – 1 000 l/kg, prakticky sa tu výbuchom zväčší objem látky až 10 000 násobne.

Výbuchová teplota (t)

udáva najvyššiu teplotu, ktorú dosiahnu plyny vzniknuté výbuchom. Uvádza sa obvykle v °C. Táto hodnota sa pohybuje v rozmedzí 2 500 – 5 000 °C, priemyselné trhaviny vykazujú obvykle nižšiu t, vojenské naopak vyššiu. Prakticky je tento parameter dôležitý predovšetkým pre charakterizáciu banských trhavín pri posudzovaní rizika možného následného výbuchu banských plynov.

Výbuchová energia (E)

udáva, aké množstvo energie sa uvoľní výbuchom 1 kg trhaviny. Uvádza sa v kJ/kg. Bežné priemyslové trhaviny vykazujú E asi 4 000 kJ/kg, vojensky využívané trhaviny dosahujú hodnôt okolo 6 000 kJ/kg. Uvedený parameter má význam zvlášť pre porovnávanie trhavín používaných v uzavretých priestoroch.

Detonačná rýchlosť (D)

je rýchlosť šírenia explózie v okamihu výbuchu udávaná v m/s alebo v km/s. Tento parameter úzko súvisí s brizanciou (trieštivosťou) a má základný vplyv na deštrukčné účinky trhaviny. Priemyselné trhaviny vykazujú D v rozmedzí 2 000 – 5 000 m/s, vojenské 6 000 – 9 000 m/s. Pre porovnanie je detonačná rýchlosť 8 000 m/s približne 24-krát vyššia ako rýchlosť zvuku vo vzduchu za bežného atmosférického tlaku.

Hustota výbušniny (h)

je totožná s klasickou fyzikálnou vlastnosťou hustota udávanú v g/cm³. Jej hodnota je závislá na konečnom spracovaní danej výbušniny a pri rovnakej chemickej látke sa môže líšiť podľa toho, či ide o voľne sypané kryštály, liatu substanciu alebo lisovaný materiál.
Hustota výbušniny veľmi významne rozhoduje o priebehu výbuchu. Pri prekročení hustoty materiálu nad určitú hranicu dochádza u niektorých výbušnín k poruchám detonácie a výbušnina exploduje len čiastočne alebo vôbec nie. Citlivosť na prelisovanie sa prejavuje výrazne u traskavín, napríklad u traskavej ortuti.

Skúšky výbušnín

Ako každý technický produkt, i výbušniny sa skúšajú definovanými spôsobmi, aby sa zistili ich vlastnosti. Spôsoby skúšania výbušnín sú definované v príslušných technických normách. Skúšky sa vykonávajú pri výskume novej výbušniny, počas jej výroby vo výrobných závodoch a pri preberaní zákazníkom, a tiež, predovšetkým u armády, počas skladovania (armáda obvykle skladuje zalaborované výbušniny v munícii roky či celé desaťročia – dosť na rozkladné procesy a iné nežiaduce zmeny).

Meranie detonačnej rýchlosti

Existujú priame a nepriame metódy.
Priama metóda spočíva v tom, že do definovaného obalu sa predpísaným spôsobom nalaboruje skúšaná výbušnina a predpísaným spôsobom odpáli. Detonačná rýchlosť sa vypočíta z času prechodu detonačnej vlny medzi dvomi bodmi nálože.
 Definovaný obal, určený spôsob – presné znenie podmienok skúšky popisuje norma, ktorú nemám k dispozícii.
Detonačná rýchlosť, predovšetkým priemyslových trhavín, je závislá na tom, v akom obale je trhavina umiestnená (voľne, papierový obal, oceľová rúrka…) aké sú rozmery obalu (existuje spodný medzný priemer náložky, v náložke menšieho priemeru niektoré výbušniny vôbec nedetonujú) a ako je do obalu nalaborovaná (lisovanie, odlievanie…). Meracie body sú v určitej vzdialenosti od miesta iniciácie, aby sa detonácia stabilizovala. 
Nepriama metóda spočíva v porovnaní detonačnej rýchlosti skúšanej výbušniny so známou detonačnou rýchlosťou bleskovice (ktorej detonačná rýchlosť bola stanovená priamou metódou). 
Nazýva sa Dautrichova a je definovaná v norme (starej ČSN 66 8066)
Na skúšku sa použije výbušnina starostlivo nalaborovaná do oceľovej rúrky, tak aby hustota výbušniny bola po celej dĺžke rovnaká. V rúrke sú vo vzdialenosti 30 – 35 cm od seba urobené dva otvory. Miesto iniciácie je minimálne 5 cm od prvého otvoru. Zmeria a zaznamená sa vzdialenosť stredov otvorov (a). Bleskovica, dlhá 2 – 2,5 metra sa na oboch koncoch vybaví rozbuškami, tak, aby konce bleskovice tesne priliehali na poistky rozbušiek. Na bleskovici sa určí a označí stred medzi koncami rozbušiek sa presnosťou +/− 0,5 mm. Bleskovica sa uloží a upevní na medený záznamový plech, na ktorom je značka, ktorá sa musí kryť so stredom bleskovice. Zostava sa odpáli. Detonačné vlny postupujú po bleskovici s určitým vzájomným oneskorením a v mieste, kde sa stretnú, urobia na medenom plechu charakteristickú ryhu. Zmeria sa vzdialenosť značky stredu bleskovice a ryhy v mieste stretnutia detonačných vĺn (b).
Potom D=(a.d₁) / 2b
kde D je hľadaná detonačná rýchlosť výbušniny a d₁ je známa detonačná rýchlosť bleskovice.
V súčasnosti sa na meranie detonačnej rýchlosti používa aj priamy spôsob – digitálne stopky sú spúšťané (a zastavené) prerušením vodičov vložených do trhaviny. Presné znenie podmienok skúšky popisuje norma, ktorú nemám k dispozícii.
Iný spôsob priameho merania detonačnej rýchlosti spočíva v použití optických vlákien vložených do vzorky výbušniny v definovaných vzdialenostiach. Elektronické stopky sú spúšťané pri prerušení optického vlákna, alebo naopak optickým impulzom pri prechode detonačnej vlny okolo vlákna. Meranie s optickým vláknom dávajú presnejšie výsledky ako merania s prerušením vodiča, pretože sú menej ovplyvnené ionizáciou a ďalšími dejmi pri prechode detonačnej vlny.

Meranie pracovnej schopnosti a brizancie

Pracovná schopnosť výbušnín je podmienená expanziou splodín výbuchu do relatívne nízkeho tlaku a priechodom rázovej vlny pri detonácii.
Brizancia je schopnosť výbušniny drviť, trieštiť alebo prebíjať prostredie priľahlé k náloži. je Podmienená rázovým účinkom detonačnej vlny a splodín výbuchu pri veľmi vysokom tlaku. Prejavuje sa v okolí nálože, do vzdialenosti 2 – 3 priemerov nálože.
  Ak si predstavíme účinok výbušniny (trhaviny) vo vývrte balvanu, tak brizancia určuje, ako silne (či jemne) bude balvan rozbitý, pracovná schopnosť zasa do akej vzdialenosti sa rozletia trosky.
Väčšina skúšok brizancie hodnotí mieru brizancie ako impulz, ktorým pôsobí výbuch výbušniny na plochu opačnú k miestu iniciácie výbušniny.

Skúška brizancie podľa Hessa

Skúšku popisuje norma (ČSN 66 8065). Na skúšku sa používajú jeden alebo dva olovené valčeky (priemer 40 mm a dĺžka 2×30 mm alebo 1×60 mm). Valčeky sa položia na pevnú podložku na seba. Na valčeky sa položí oceľová doštička (alebo niekoľko doštičiek). Na vrchol sa umiestni 50 gramov výbušniny (alebo 25 gramov pre výkonné trhaviny), sformovaných do valčeka s priemerom 40 mm a na hornej strane náložky je otvor pre rozbušku. Zostava sa odpáli. Mierou brizancie je celkové stlačenie olovených valčekov.

Skúška brizancie podľa Kasta

Meracím prvkom je medený tlakomerný valček s priemerom 7 mm a dĺžkou 10,5 mm. Valček je vložený medzi podložku a piest (piest je vedený vo vodítkach), na piest sú umiestnené ochranné ocelové a olovené doštičky a na ne náložka s rozbuškou. Mierou brizancie je stlačenie medeného valčeka.

Skúška pracovnej schopnosti v olovenom valci

Nazýva sa aj Trauzlova skúška, skúška v Trauzlovom olovenom valci (ČSN 66 8064).
Olovený blok má priemer a výšku 200 mm, je v ňom otvor, s priemerom 25 mm, dlhý 125 mm. Do valca sa umiestni 10 gramov výbušniny a rozbuška. Zvyšok otvoru sa zasype po okraj jemným kremičitým pieskom.
Na skúšky rozbušiek a traskavín sa používa aj "malý olovený blok" s priemerom a výškou 100 mm, otvor má priemer 7 mm a dĺžku 55 mm. Umiestňuje sa do neho 1 gram skúšanej traskaviny alebo 1 gram výbušniny iniciovanej azidom olovnatým.
Po odpálení skúšanej náložky sa zmeria (vodný) objem dutiny, od ktorého sa odpočíta objem pôvodnej dutiny a objem, ktorý vytvorí samotná rozbuška použitá pri skúške. Skúška napodobňuje chovanie výbušniny vo vývrte a meria súčasne brizanciu i pracovnú schopnosť výbušniny.

Skúška pracovnej schopnosti v balistickom mažiari

Skúšku popisuje norma (ČSN 66 8075).
Balistický mažiar je masívny oceľový blok s dutinou uzavretou oceľovou zátkou a zavesený ako kyvadlo na nosnej konštrukcii. Navážka je 10 gramov skúšanej výbušniny, mierou pracovnej schopnosti je uhol výchylenia bloku na závese.
Skúška je relatívna, porovnáva sa pracovná schopnosť skúšanej výbušniny voči trinitrotoluénu alebo trhacej želatíny (92% nitroglycerínu + 8% nitrocelulózy) a udáva sa v percentách.

Skúška citlivosti na náraz

Skúšobným zariadením je Kastovo padacie kladivo. Je to obvykle rám, ktorý má v dolnej časti miesto pre skúšobnú vzorku a má pohyblivý nosník, na ktorý sa umiestňuje závažie (kladivo). Vzorka výbušniny (obvykle 0,02 g alebo tiež 0,05 g až do 0,1 g) sa umiestňuje do valcového puzdra s vnútorným priemerom 10 mm, do ktorého sú zhora a zdola zasunuté oceľové valčeky (kovadlinky) – vzorka je teda zo všetkých strán uzatvorená. Závažie sa zdvihne do určenej výšky a voľným pádom spustí na hornú kovadlinku. Zvláštny mechanizmus zabezpečuje, aby nedochádzalo k opakovaným nárazom kladiva na kovadlinku po prvom náraze. Nárazom je kovadlinke odovzdaná určitá energia, ktorá potom pôsobí na skúšobnú vzorku výbušniny. Mierkou citlivosti výbušniny môže byť buď priamo energia nárazu (resp. energia dopadajúceho kladiva), alebo častejšie údaj v tvare: výška pádu v centimetroch a hmotnosť závažia (kladiva) v kilogramoch. Hmotnosť kladiva býva 0,5 kg a 1 kg pre traskaviny, 2 kg, 5 kg a 10 kg pre trhaviny a streliviny. Počet pokusov býva najmenej 25 z jednej výšky. Podľa účelu skúšky sa sleduje výška pádu, kedy ešte nedôjde k iniciácii výbušniny (dolná medza citlivosti), kedy dôjde k iniciácii v 50 % pokusov a kedy dôjde k iniciácii v 90 % alebo 100 % pokusov z určitej výšky (horná medza citlivosti). V tabuľkách výbušnín je obvykle udávaná citlivosť ako hodnota, pri ktorej dochádza k iniciácií v 50 % pokusov.
Údaje o citlivosti výbušnín sa môžu v literatúre dosť líšiť. Je to dané tým, že výsledky merania sú ovplyvnené mnohými faktormi – napríklad veľkosťou a tvarom kryštálov výbušniny, jej čistotou, samotným prístrojom, predovšetkým materiálom a opracovaním plôch kovadliniek a puzdra, vôľami medzi kovadlinkami a puzdrom atď. Získaná hodnota je teda skôr informatívna.
Existujú aj iné spôsoby a metódy hodnotenia citlivosti výbušnín. V jednej metóde sa napríklad spúšťa závažie (kladivo) s pologuľovým nárazníkom po šikmej rampe na vzorku výbušniny umiestnenú na podložke. Mierkou citlivosti je výška, z akej bolo závažie spustené a hmotnosť závažia, alebo prepočítaná dopadová energia kladiva. Z usporiadania skúšobného zariadenia je zrejmé, že táto skúška hodnotí súčasne citlivosť na náraz a citlivosť na trenie. Hodnoty citlivosti získané na takomto zariadení majú ešte väčší rozptyl ako hodnoty získané na Kastovom padacom kladive.

Skúška citlivosti na trenie

Je niekoľko metód skúšky citlivosti na trenie:
Najjednoduchším usporiadaním je „trecie kyvadlo“. Je to kyvadlo, zaťažené závažím (obvykle 1 až 20 kg), ktoré sa vypúšťa z nastaviteľnej výšky. Po vypustení kĺže v dolnej úvrati po podložke s malou, presne nastavenou vôľou. Na podložku sa umiestňuje vzorka skúšanej výbušniny, ktorá je pri pokuse roztieraná. Mierkou citlivosti je hmotnosť kyvadla a výška vypustenia.
 
V metóde podľa starej ON 66 8093 sa skúša výbušnina medzi porcelánovou hlavou zaťaženou závažím a porcelánovou doštičkou (oboje s definovanou drsnosťou), ktorá sa pohybuje voči hlave definovanou rýchlosťou (7 cm za sekundu). Pri každej záťaži sa robí 6 pokusov. Mierou citlivosti na trenie je hmotnosť závažia, pri ktorom dôjde k aspoň jednému vznieteniu vzorky.

V inom usporiadaní skúšky sa výbušnina roztiera medzi rotujúcim tĺkom, zaťaženým meracím závažím, a podložkou, pričom materiál tĺku a podložky sa dá meniť. Mierou citlivosti je hmotnosť závažia, pri ktorej dôjde k aspoň jednému vznieteniu vzorky zo šiestich pokusov a maximálne 20 otáčkach tĺku.