גומי וחציר: המפתח לשיפור יכולות הפיצוץ של אמוניום חנקתי?

בכתב העת Applied Sciences פורסם לאחרונה (Vol. 14, Iss. 4, (2024): 1580) מחקר שכותרתו "יכולות פיצוץ של תערובות אמוניום חנקתי בתוספת חומרים אורגניים" (Detonability of Ammonium Nitrate Mixtures with the Addition of Organic Materials). המחקר מומן על ידי קרן המדע הקרואטית במסגרת פרויקט "מודל פיצוץ לא אידיאלי משופר של חומרי נפץ מסחריים".

במחקר נבדקו יכולות הפיצוץ (Detonability) והפיצוץ עצמו (Detonation) של תערובות חומרי נפץ מבוססי אמוניום חנקתי עם גומי ממוחזר ועם חציר כתוספים אורגניים. גומי הוא חומר פולימרי קשיח ואלסטי במיוחד, ובמחקר השתמשו בצמיגי רכב טחונים. חציר הוא דשא מיובש עם תכולת לחות נמוכה, המצטמצמת על ידי ייבוש הדשא הירוק לחציר היבש, ונחשב כפסולת אורגנית.

המטרה העיקרית של המחקר הייתה לקבוע בניסוי ובאמצעות חישובים תרמו-כימיים את יחס הנפח האופטימלי של אמוניום חנקתי ושל חומרים אורגניים במונחים של השגת הביצועים הטובים ביותר מבחינת תכונות הפיצוץ: מהירות ולחץ הפיצוץ, חום הפיצוץ והטמפרטורה, אנרגיית הפיצוץ ונפח הגזים. מטרה נוספת הייתה להבין טוב יותר את השפעת תכולת החומר האורגני על מאפייני הפיצוץ של התערובות באמצעות ניתוח הרכב וריכוז מוצרי חומר הנפץ.

החוקרים ציינו, שכיוון שהניסויים שבוצעו במחקר היו בקנה מידה קטן (בסביבות 50 גרם מהתערובת בצינור פלדה בקוטר פנימי של 21.5 מ"מ), הם אינם יכולים להיות בטוחים אם מטען חומר הנפץ עבר תהליך של דטונציה, דפלגרציה או רק בעירה מהירה. לכן הם בחרו להשתמש במונחי "מהירות התפרצות" (Burst Velocity) או פשוט "מהירות", כדי לתאר את מנגנון ההתפשטות של תגובות במטעני חומר הנפץ (ולא במונח Velocity Of Detonation - VOD).

חומרי נפץ מבוססי אמוניום חנקתי
המחקר הראשון על פיתוח חומרי נפץ מבוססי אמוניום חנקתי בתוספת חומרים אורגניים החל בשנות השישים. המטרה העיקרית של המחקר אז הייתה לפתח חומרי נפץ פשוטים לשימוש וחסכוניים עם תכונות פיצוץ מתאימות. חומר הנפץ המסחרי הראשון עם חומר אורגני היה איזאנול (Isanol).

בהמשך נבדקו חומרים אורגניים נוספים: נסורת, פוליסטירן, שמן מינרלי משומש, פסולת אורגנית מייצור סוכר, פרלייט (Perlite), גומי, תירס, פחם ואפר, קליפת חיטה, וקליפות אורז.

הפרמטרים העיקריים המשפיעים על ביצועי הפיצוץ כוללים את המאפיינים של גרגרי אמוניום חנקתי, את צפיפות התערובת ואת קוטר המטען. דווחו גם ההשפעות של פרמטרים אחרים, כגון: אנרגיית היזימה, טמפרטורת המטען, נוכחות תוספים וכליאת המטען.

התאמת חומר הנפץ לצרכים
במהלך תכנון, ניטור וביצוע פעולות הפיצוץ יש צורך בחומר נפץ המתאים לפיצוץ בסביבת מבנים. חומר נפץ כזה צריך להיות עשוי ממוצרים בעלי תכונות חום ונפח מספיקות כדי לבצע את העבודה המכנית של פיצול הסלע. בנוסף, צריך להיות לו יחס נוח בין צפיפות חומר הנפץ לבין מהירות הפיצוץ והלחץ. רמת לחץ הפיצוץ ומשך דחף הלחץ שנוצר (Resulting Stress Impulse), כלומר משך התפשטות מוצרי הפיצוץ עקב לחץ על הסביבה, מבטיחים ביצוע עבודה מכנית מספקת על הסלע, מה שמוביל להיווצרות סדקים חדשים, הרחבת סדקים קיימים, היווצרות שברים ועקירה של סלעים ממקומם.

חלק מאנרגיית הפיצוץ, שאינה משמשת לריסוק, מתפשטת באזור שמסביב ומובילה להשפעות סיסמיות לא-רצויות (זעזועי קרקע). הפחתת צפיפות תערובת חומר הנפץ על ידי הוספת חומר פסולת אורגני משנה את מהירות הפיצוץ ואת לחץ הפיצוץ, ויכולה להפחית את ההשפעה הסיסמית הלא רצויה.

תוצאות המחקר
באמצעות ניסויים במחקר נקבע כי מהירות ההתפרצות (Burst Velocity) המרבית לתערובת אמוניום חנקתי/חציר מושגת ב-8% חציר בנפח, בעוד שמהירות ההתפרצות המרבית לתערובת אמוניום חנקתי/גומי מושגת ב-15% גומי בנפח. על ידי השוואת מהירויות הפיצוץ הניסיוניות והמחושבות, התברר שמהירויות הפיצוץ הניסיוניות נמוכות בכ-50% מהמהירות המחושבת. לדוגמה, הערך המחושב המרבי לתערובת אמוניום חנקתי/גומי הוא 5002 מ/ש, בעוד שערך הניסוי המרבי היה 2551 מ/ש.

הבדל כה גדול בין מהירויות הפיצוץ המחושבות והניסיוניות נובע מהשפעת גודל המטען (מהירות הפיצוץ האידיאלית תואמת רדיוס מטען אינסופי, וערכי הניסוי התקבלו עבור מטענים מוגבלים ברדיוס של 10.8 מ"מ).

חישוב תרמו-כימי הראה כי חום הפיצוץ המרבי הושג במאזן חמצן אפס ביחסי נפח של 89.2/10.8 עבור אמוניום חנקתי/גומי ו-72.85/27.15 עבור אמוניום חנקתי/חציר. תוצרי הפיצוץ העיקריים לשתי התערובות במאזן חמצן אפס כוללים H2O, N2 ו-CO2. תערובת אמוניום חנקתי/חציר ייצרה פחות H2O (5%) ו-N2 (8%), אבל יותר CO2 (30%) מתערובת אמוניום חנקתי/גומי.

המידע מסתמך על פרסומים שהופיעו בקבוצות ה-LinkedIn שאני מנהל: Explosives / Blasting (Energetic Materials) OSH ו-Fireworks and Pyrotechnics OSH.