FSICO-QUMICA DE LOS EXPLOSIVOS

La mayora de los ingredientes de los explosivos estn compuestos de los elementos oxgeno, nitrgeno, hidrgeno y carbono. Adems, elementos metlicos tal como el aluminio son utilizados algunas veces. En las mezclas explosivas, la liberacin de la energa es optimizada haciendo el balance de oxgeno cero.. El balance de oxgeno es definida como el punto en el cual una mezcla tiene suficiente oxgeno para oxidar completamente todos los combustibles, pero no hay exceso de oxgeno para reaccionar con el nitrgeno en la mezcla para formar xidos de nitrgeno.

Tericamente, en el balance de oxgeno cero los productos los productos gaseosos de la detonacin son H2O, CO2, y N2, aunque en realidad pequeas cantidades de NO, CO, NH2, CH4, y otros gases son generados. La oxidacin parcial del carbono a monxido de carbono, el cual resulta de una deficiencia de oxgeno, libera menos energa que la oxidacin completa a dixido de carbono. Los xidos de nitrgeno, los cuales son producidos cuando hay exceso de oxgeno, son ladrones de calor; esto se dice debido a que stos absorben calor cuando son generados. El nitrgeno libre, siendo un elemento, no absorbe ni libera calor en la reaccin.

Debera notarse que los gases resultantes del balance de oxgeno inapropiado no son ineficientes solamente en trminos de energa calorfica liberada, son tambin venenosos. Aunque la oxidacin del aluminio genera un producto slido, en vez de un producto gaseoso, la gran cantidad de calor liberada se aade significativamente a la energa del explosivo. El magnesio es an mejor desde el punto de vista de la liberacin de calor, pero es demasiado sensible para usar en explosivos comerciales.

El principio de balance de oxgeno se ilustra mejor por la reaccin de las mezclas de nitrato de amonio y petrleo, comnmente llamado ANFO, estas mezclas son los agentes de voladura ms usados. De las ecuaciones de reaccin para el ANFO, se puede ver fcilmente las relaciones entre el balance de oxgeno, los productos de la detonacin, y la liberacin de energa. Las ecuaciones asumen una reaccin de detonacin ideal, el asume a su vez de la mezcla de ingredientes, tamao de partculas apropiado, confinamiento adecuado, dimetro de carga e iniciacin, y proteccin del agua. El petrleo generalmente es una mezcla variable de hidrocarburos y no es precisamente CH2, pero esta identificacin simplifica las ecuaciones y es suficientemente adecuado para motivo de ejemplos. En el anlisis de estas ecuaciones se debe tener en cuenta que la cantidad de calor producido es una medida de la energa liberada.

Primer caso:AN: 94,5%FO: 5,5%3NH4NO3 + CH2 7H2O + CO2 + 3N2 + 0,93 kcal/g(1)

La ecuacin 1 representa la reaccin de una mezcla balanceada en oxgeno conteniendo 94,5% de nitrato de amonio y 5.5% de petrleo. Ninguno de los gases de la detonacin son venenosos y 0,93 kcal de energa es liberada por cada gramo de ANFO detonado.

Segundo caso:AN: 92,0%FO: 8,0%2NH4NO3 + CH2 5H2O + CO + 2N2 + 0,81 kcal/g(2)

En la ecuacin 2, representando una mezcla de 92,0 % de nitrato de amonio y 8,0% de petrleo, el exceso de petrleo crea una deficiencia en oxgeno. Como resultado el carbono en el petrleo es oxidado solamente a CO, un gas venenoso, en vez del CO2 gas relativamente inofensivo. Debido al bajo calor de formacin del CO, solamente 0,81 kcal de calor es liberado por cada gramo de ANFO detonado.

Tercer caso:AN: 96,6%FO: 3,4%

5NH4NO3 + CH2 11H2O + CO2 + 4N2 + 2NO + 0,6 kcal/g.(3)

En la ecuacin 3, la mezcla de 96,6% de nitrato de amonio y 3.4% de petrleo tiene un dficit de combustible que crea una condicin de oxgeno en exceso. Algo del nitrgeno del nitrato de amonio se combina con el oxgeno en exceso para formar NO, el cual reacciona con el oxgeno de la atmsfera para formar el NO2 que es extremadamente txico. Por estas razones una deficiencia de oxgeno es preferible y la mezcla comn del AN/FO para el uso en voladuras de produccin debe ser aquella de la condicin.

Los efectos del contenido incorrecto de petrleo en los resultados de voladura se aprecian en la tabla 6.1.

TABLA 6.1Prdida de energa en el AN/FO por contenido incorrecto de petrleo

Condicin%FOPrdida de energa (%)Efecto en la voladuraBalance de oxgeno5,5NingunaMejores resultadosBajo contenido de petrleo5,04,03.05,212,120,0Exceso de oxgeno, gran prdida de energa, produce gases nitrosos. Humos anaranjados.Alto contenido de petrleo7,08,09,01,52,94,9Oxgeno insuficiente menor prdida de energa, humos oscuros.

6.2 ENERGIA EXPLOSIVALa energa es la caracterstica mas importante de una mezcla explosiva. La energa explosiva est almacenada como energa qumica, y durante la detonacin es liberada y usada en los siguientes:

TABLA 6.2

EVENTO%Desmenuzamiento de la pared del taladro5Formacin de fractura (radial y de tensin)10Corte5Calor y Luz20Movimiento de la masa rocosa15Vibracin del terreno30Golpe de aire15TOTAL100%

LIBERACION DE LA ENERGIA

La energa explosiva es liberada en dos formas diferentes:

a. Presin de detonacin.- Ejerce una fuerza de fragmentacin sobre la roca.

b. Presin de taladro.- Se debe a la formacin de gases. Es causa principal del desplazamiento de la masa rocosa. Tambin es conocido como la presin de explosin.

PRESIONES DE LOS EXPLOSIVOSLa reaccin qumica de un explosivo crea presiones extremadamente altas. Esto es, estas presiones causan que la roca sea fragmentada y desplazada. Para ilustrar las presiones generadas en el taladro, tomaremos el proceso de detonacin descrito por el Dr. Richard Ash de Missouri-Rolla University.

La figura 6.1, muestra una columna de explosivo o agente de voladura que ha sido iniciado, la detonacin ha empezado en el centro de la columna. La reaccin principal ocurre entre un frente de choque en el borde inicial y un lmite posterior conocido como el plano de Chapman-Jouguet (C-J). Parte de la reaccin podra ocurrir detrs del plano C-J, particularmente si alguno de los ingredientes del explosivo son grandes. La longitud de la zona de reaccin, el cual depende de los ingredientes del explosivo, tamao de la partcula, densidad, y confinamiento, determina el dimetro mximo al cual el explosivo funcionar adecuadamente (dimetro crtico). Los altos explosivos que tienen zonas de reaccin cortas, tienen dimetros crticos ms pequeos que los agentes de voladura.

Los perfiles de las presiones en la figura 6.1 (inferior) muestra la fuerza del explosivo aplicada a la roca que est siendo volada. Una comparacin general se realiza entre un explosivo y un agente de voladura, aunque se debera entender que cada explosivo o agente de voladura tiene su propio perfil de presin dependiendo de sus ingredientes, tamao de partcula, densidad y confinamiento.

La presin inicial, llamada presin de detonacin (Pd), es generada por el movimiento supersnico hacia afuera del frente de choque desde la zona de detonacin. La presin de detonacin da al explosivo su fuerza rompedora en la cercana al taladro. Si el explosivo reacciona en ms lentamente que la velocidad del sonido, lo cual sucede con la plvora negra, no existe presin de detonacin.

La presin de detonacin es seguida por una presin de llamada presin de explosin o presin de taladro. La presin de taladro es creada por una rpida expansin de los gases calientes dentro del taladro. La presin de detonacin de los altos explosivos es varias veces mayor que de los agentes de voladura, pero las presiones de taladro de los dos tipos de producto son de la misma magnitud generalmente.

Figura N 7.1 : Perfiles de presin creado por detonacin en un taladro.

DETERMINACION DE LA ENERGIA EXPLOSIVALa energa explosiva puede ser medida o calculada para determinar su rendimiento termoqumico de la mezcla explosiva.

MEDICION DE LA ENERGIALa medicin de la energa de una mezcla explosiva, generalmente, se realiza por comprobacin a otra de caractersticas ya conocidas. Para esta medicin se usa los mtodos siguientes:1. Ensayo del mortero balstico.2. Ensayo de Trauzl en bloque de plomo.3. Ensayo de brisance.4. Concepto de potencia por peso.5. Ensayo de energa de burbuja bajo el agua.Los cuatro primeros mtodos estn en desuso a nivel internacional, mientras que en nuestro pas an se sigue utilizando. El mtodo mas usado en el extranjero es el ensayo de energa de burbuja bajo el agua; ste es el mas recomendable.

CALCULO DE LA ENERGIALa energa explosiva es calculada usando tcnicas basadas en las leyes de la termodinmica, siguiendo estrictamente principio qumicos y matemticos. Es necesario tener presente los siguientes:

Balance de OxgenoLos explosivos qumicos liberan mayor cantidad de energa por unidad de peso si ellos estn balanceados en oxgeno, produciendo un mnimo de gases txicos. Si un explosivo est compuesto de C, H, O y N, y si existe suficiente oxgeno para reaccionar y formar CO2, H2O y N2, ste est balanceado en oxgeno, es decir:OB = O0 - 2CO2 - H2O = 0

Tambin se puede expresar como:OB = O0 - 2C0 - 1/2 H0donde O0, C0 y H0 representan el nmero de tomos-gramo por unidad por unidad de peso de la mezcla explosiva.

La determinacin de los atm-gr de cada elemento servir para determinar el calor liberado por el explosivo.

TermoqumicaEl calor de explosin Q se puede encontrar de la relacin siguiente:

Q = Qp - QrQp = calor de formacin de los productos.Qr = calor de formacin de los reactantes.

Esta ecuacin se utiliza asumiendo que todo el calor producido durante la reaccin qumica sirve para elevar la temperatura de los productos de la explosin, entonces se trata de un proceso adiabtico. Al existir una reaccin acompaada por una onda de detonacin casi siempre es de carcter exotrmico.

EJEMPLO DE CLCULO DE LA ENERGIAa. Ingredientes de la mezcla explosivaEl AN/FO tiene como ingredientes al nitrato de amonio (NH4NO3) y el petrleo diesel No. 2 (CH2).

b. Reaccin qumica3(NH4)NO3 + CH2 -----> 7H2O + CO2 + 3N2 + Q3 (Kcal/Kg.)

6.6 FACTOR DE EFICIENCIA DE LOS EXPLOSIVOSEste factor es un ndice del grado de aprovechamiento prctico de la energa liberada por una mezcla explosiva, en relacin a los parmetros termodinmicos calculados en forma terica.La eficiencia es posible determinar empricamente mediante la tcnica de la "energa de burbuja" en las voladuras bajo el agua, y se mide como el porcentaje de energa aprovechable.Mediciones efectuadas en los Estados Unidos permiten obtener los siguientes rangos de factores de eficiencia para las distintas familias de explosivos.TABLA 1.6

MEZCLA EXPLOSIVAEFICIENCIA (%)Explosivos moleculares95-100Emulsiones90-95Anfos pesados bombeables75-90Anfos pesados regulares 65-85Acuageles55-70AN/FO60-80SANFO50-70

TABLA 6.3 CALOR DE EXPLOSION PARA INGREDIENTES Y EXPLOSIVOS

NOMBREFORMULAPeso MolecularKcal/molKcal/KgNitroglicerinaC3H5(ONO2)3227.09-82.66364.00Dinitrato glicol etilenoC2H4(NO3)2152.97-56.00367.00Nitrocelulosa11.03% N2754.0011.64% N2699.0012.20% N2664.0012.81% N2605.0013.45% N2558.0014.12% N2500.00Trinitrotolueno (2-4-6)C6H2CH3(NO2)3227.1313.0057.20DinitrotoluenoC7N2CH3(NO2)3182.136.9038.00Nitruro de plomoPb(N3)2291.30-107.00-364.00Fulminato de mercurioHg(CNO)2284.65-112.00-368.00Pulpa SG (madera)170.311050.00Pulpa X1000.00Parafina500.00Celulosa2270.004400.00Nitrato de amonioNH4NO380.0587.901098.00Nitrato de sodioNaNO385.01112.451323.00Carbonato de calcioCaCO3100.09287.932876.00Petrleo DieselCH214.037.02500.00

TABLA 6.4 calor de formacin (Productos de la explosin)

FORMULAKcal/molFORMULAKcal/molH20N-55.09N20O-59.16CO2+94.05HCN-31.20CO+26.42CH2O+27.70H2O (gas)+57.80C2H4-12.50NH3+11.04C2H6+20.24CH4+17.89C2H5OH+54.24CH3OH+48.08C (slido)0CH2O3+86.67SO2-70.50O20Na2O+100.00OH-10.06CaO+155.00NO-21.60Al2O3+392.00H-52.09

CALCULO DE LOS PARAMETROS DE DETONACION Y EXPLOSION

Utilizando frmulas adecuadas se puede calcular los parmetros de detonacin y explosin de las mezclas explosivas. Para el clculo de stos parmetros se requiere del uso de las tablas siguientes: