CHAPITRE I

Théorie générale des poudres et explosifs V)

Gombnstion et détonation. — CUassification des poudres et ezplosita. ^ Détermination de la valeur explosive d'une poudre. -* Calculs de la pression et du travail produits par le tirage d*un coup de mine.

Gombuation. — Détonatioii.

n faut distinguer entre les deux effets : combustion et détonation.

La combustion est produite par l'inflammation ordinaire; elle est lente et se communique de proche en proche.

La détonation, au contraire, est provoquée par un choc violent ; c'est une combustion rapide, presque instantanée •

Dans le premier cas, la chaleur dégagée progressivement se perd peu à peu, et, si elle n'a pas le temps d'atteindre une intensité suffisante pour amener la décomposition des gaz produits, l'explosion n'a pas lieu. Quelquefois, cependant, il suffit que la poudre soit enfermée dans une simple ^iveloppe, pour que l'action soit concentrée et que la combustion se transforme en détonation (^).

(1) Consulter à oe sujet le savant ouvrage de M. Berthelot : Sur la force des matières explosives.

(f) MM. Ronx et Sarrau établissent deux ordres d'explosion :

io rexplosion de premier ordre ou détonMiion, provoquée parun agent détonant tel que le fulminate de mercure ;

2* L*explosion de second ordre ou exphtion Hmpk, produite par Tinflammation ordinaire de la substance.

Nous ne considérons qu'un seul ordre d'explosion : la détonation, car la pratique lemble indiquer que Vêxploêion êimple n'est en réalité qu'une détonation incomplète. P. C«

On peut donc établir la diflFérence qui existe entre une combustion simple et la détonation proprement dite. Dans le cas d'une combustion, la chaleur produite se perd en grande partie par rayonnement, conductibilité, contact des corps voisins, etc. ; tandis que dans le cas de la détonation, la température considérable, subitement développée, n'a pas le temps de s'abaisser, de sorte que la vitesse moléculaire des gaz produits aussi bien que leur pression deviennent instantanément énormes.

De ce qui précède il résulte que si Ton mélange à un corps explosif, tel que la nitroglycérine, une substance inerte quelconque, celle-ci absorbe en pure perte une partie de la chaleur développée par la détonation et par suite diminue l'effet explosif.

Les effets de la détonation dépendent de l'intensité du choc initial et de la quantité d'oxygène contenue dans la substance.

Supposons le cas d'une détonation de poudre provoquée par une capsule au fulminate. Il faut distinguer trois périodes consécutives bien caractérisées :

!• La déflagration, ou production subite d'une grande quantité de gaz et de chaleur.

2" La dissociation j phénomène qui fait passer les gaz d'un état composé à un état plus simple avec absorption de chaleur.

S"" La détente, qui amène une série de recombinaisons, lesquelles redonnent aux gaz, au fur et à mesure de l'accroissement de leur volume, une portion de la chaleur perdue pendant la dissociation.

Supposons que les gaz ou produits primitivement formés ne soient pas susceptibles de dissociation, c'est le cas des gaz simples ; alors la pression atteint immédiatement son maximum pour retomber presque aussitôt à zéro* C'est ce qui se produit avec certaines substances brisantes comme le chlorure d'azote, les fulminates, etc.

Si, au contraire,les produits de la déflagration sont assez complexes pour être susceptibles de dissociation, la pression suit une marche graduelle et ascendante dès que la détente se produit; et le phénomène est complet. Tel est le cas des nitrogélatines et dynamites,

du fulminate mélangé avec un azotate, et surtout de la poudre ordinaire.

L'étude des trois phénomènes ci-dessns énoncés est bien plus facile avec la poudre qu'avec la nitroglycérine.

En effet, dans le cas de la nitroglycérine, la pression initiale étant énorme, on obtient immédiatement un effet brisant C'est ce qui explique la rupture des matières ou matériaux à la surface desquels on fait détoner cet explosif. Mais, si la substance est bourrée dans un trou de mine, la dissociation peut commencer à se produire^ et la pression initiale se trouve diminuée. Il en résulte un effet de fracture; la roche est déchirée et séparée . Puis, pendant la détente, il se forme des recombinaisons de gaz, HO et CO^, lesquelles donnent de nouvelles quantités de chaleur, empêchant ainsi une diminution trop brusque dépression ; et l'action continue avec une intensité régulière.

Mais, il ne faut pas l'oublier, la nitroglycérine tend à agh*, au début, en produisant une force brisante.

Tel n'est pas le cas de la poudre ordinaire. Les phénomènes de dissociation et de détente sont plus caractérisés ; par suite l'effet produit est moindre, mais plus régulier. Ceci se comprend facilement puisque Ik pression initiale, due à la poudre, est moindre, et que les composés formés sont plus complexes.

Comme cas intermédiaire entre la nitroglycérine et la poudre ordinaire, on peut citer les poudres chloratées. Les produits de leur décomposition ne sont pas simples, mais ce sont des binaires assez stables, K Cl, C 0, S 0^, et qui ne peuvent être dissociés qu'à une très-haute température.

Nous avons dit que la détonation d'un explosif est produite par un choc brusque dont l'action se répète de proche en proche. La force vive du choc se transforme en chaleur qui provoque la décomposition de la substance explosive.

Or, l'intensité des effets partiels, et par suite l'effet total, dépend en partie de l'intensité du choc initial. Plus celui-ci est violent dans des circonstances déterminées, (car, ainsi que nous le verrons plus loin, l'action du choc sur un explosif n'est pas toujours suffisante.

surtout quand il s'agit de nitroglycérine et de dynamite), et plus la transformation est rapide et la pression développée considérable.

Il y a donc un grand intérêt à faire détoner un explosif au moyen de fortes amorces, comme celles au fulminate de mercure. L'amorce agit, en définitive, non pas simplement pour enflammer, mais surtout pour produire le choc initial nécessaire à la détonation.

Les effets de la détonation dépendent encore, outre l'intensité du choc, de la quantité d'oxygène contenue dans les poudres ou explosifs. En effeti la déflagration est provoquée par la réaction entre les éléments combustibles et les éléments comburants de la substance. Dans une poudre noire, ces éléments sont constitués par un mélange de plusieurs corps : d'une part du soufre et du carbone qui sont les combustibles, de l'autre un azotate ou un chlorate qui doivent fournir l'oxygène, corps comburant.

Dans les explosifs à base de nitroglycérine, c'est un corps unique qui contient à la fois des éléments moléculaires comburants et des éléments combustibles.

L'oxygène joue le rôle de comburant dans presque toutes les poudres (*) ; il semble donc qu'il y ait le plus grand intérêt à l'employer en totalité. Par suite, si un explosif, après la détonation, laisse échapper de l'oxigène libre, il perd une partie de son énergie : il faut lui ajouter un combustible ; si au contraire la combustion est incomplète, faute d'oxygène, ou ajoutera un comburant. Ainsi, supposons que le cas de la nitroglycérine qui détone suivant la formule :

C6HnAz06H)3 = 3C2 04 + 5HO + Az3 + 0.

Il reste un excès de 3,50 % d'oxygène ; pour l'utiliser, on ajoutera un comburant comme le charbon, la sciure de bois, l'amidon, une cellulose azotique, un amidon azotique, du fulmi-paille, du ligneux nitrifié, de la nitro-saccharose, de la pâte de bois ou de papier, du son, de la farine, etc. , etc.

La série des comburants étant, pour ainsi dire, illimitée, on s'ex-

(1) Certaines sabstances, comme le chbrnre d*azote^ quoique ne contenant pas d*oxyfène^ jouent le rôle d'explosifs. P. G.

pliquerimmense variété d'explosifs à base de nitroglycérine brevetés depuis rinvention de la dynamite par Nobel.

Prenons maintenant le cas du coton-poudre :

C48Hi8(AzO6H)<iOi8=15C2O^^ + 9C2O*+5,50Hî+9H2O^+5,50Az2.

La formule nous montre que la quantité d'oxigène est insuffisante ; on ajoutera aonc un azotate ou un chlorate. De là les poudres explosives au fulmicoton appelées poteniffe, ou fulmicoton nitrate, Umite ou fulmicoton au nitrate de baryte, poudre de Sckultze aux nitrates de potasse et debaryte,hï/io/racteurdynamitoZaunitratedesoude,etc.,etc.

Pourtant cette théorie n'est pas absolument justifiée par l'expérience. Ainsi, la poudre ordinaire, dans laquelle Toxygène est en quantité insuffisante, produit des effets plus grands que la poudre noire où la combustion de l'oxygène est totale. Supposons, par exemple, une poudre composée de

Salpêtre 84

Soufre 8

Charboa .... 8

Total. . . 100

Suivant la formule de détonation :

5AzO«K+3S+ 8C = 3S04K + 2C03K + 6CO + 5Az.

la combustion est complète.

Or avec la poudre ordinaire dans laquelle on est obligé, pour des motifs particuliers, d'augmenter les proportions de soufre et de charbon^ l'oxygène manque, et cependant l'effet est plus fort. Mais, s'il est vrai que, dans ce dernier cas, l'oxydation de C et S ne donne pas son maximum de chaleur, par contre il y a, à poids égal, plus de gaz dégagés et par suite une pression plus grande.

D'ailleurs, dans les poudres de mine, on cherche surtout à augmenter le volume de gaz. En diminuant le dosage en salpêtre on atteint ce but et en môme temps on réduit le prix de revient.

On comprend donc que la théorie est insuffisante pour permettre d'établir une formule-type de poudre. Aussi est-on obligé, dans la pratique, d'opérer par tâtonnements, afin d'arriver à une poudre donnant des résultats déterminés.

On conçoit, en outre, qu'ayant trouvé le dosage qui 'convient dans un cas donné, il faille le modifier soit parce que le produit ainsi obtenu est trop coûteux, soit parce qu'il émet des fumées nuisibles ou simplement gênantes, soit parce qu'il ne se prête pas facilement au bourrage, soit enfin parce qu'il ne se trouve pas dans de bonnes conditions de conservation ou que sa composition ne présente pas assez de stabilité.

Quanta ce qui regarde plus particulièrement les explosifs, il semble prouvé qu'outre l'avantage d'utiliser l'oxygène libre de la nitroglycérine, il y a intérêt à brûler le carbone à son minimum d'oxydation, c'est-à-dire à l'état d'oxyde de carbone.

La théorie de la détonation nous conduit à diviser les poudres et explosifs en trois catégories distinctes : poudres brisantes^ poudres fortes et rapides^ et poudres fortes et lentes.

fa). Poudres brisantes. — Ce sont des poudres à|décomposition trèsrapide, dont l'eflFet se produit par un broyage de la matière en contact.

La réaction étantinstantanée, les gaz produits n'ont pas le temps de perdre leur chaleur et développent des pressions qui augmentent avec une extrême rapidité, si bien que les corps environnants, dont le déplacement nepeut s'eflFectuer assez vite, sontimmédiatement broyés.

Comme poudres éminemment brisantes, nous citerons le fulminate, la nitroglycérine et le coton-poudre.

Mais si l'explosif, au lieu d'être pur, est mélangé avec une matière inerte, comme une dynamite à la Kieselguhr, cette matière absorbe une partie de la chaleur développée par la réaction et abaisse ainsi la température. Il en résulte une diminution de pression et de vitesse, une durée de réaction plus ou moins appréciable, et l'effet produit est une rupture en gros fragments.

C'est ce qui expÛque pourquoi une dynamite à 75 0/0 de nitroglycérine (Dynamite n° 1), développe une force bien moins brisante que ne le ferait la même quantité de nitroglycérine employée seule, sans mélange. ^

Les poudres brisantes, on le comprend aisément, peuvent être mises en œuvre sans intervention d'un bourrage quelconque.

(h) Poudres fortes et rapides. — Avec ces poudres, la décomposition est plus lente, mais la pression s'exerce encore rapidement. L'eftet produit se traduit par des déchirements de la matière en contact, suivant la ligne de moindre résistance ; ou, sila matière est compacte, mais d'une ténacité insuffisante, par une dislocation sans projection.

Par suite de la rapidité de la réaction, la pression, agit au contact, avant que la matière n'ait eu le temps d'être projetée. Il en résulte que l'on peut réduire le bourrage à fort peu de chose et ainsi diminuer laprofondeur du trou de mine; et comme conséquence, il n'y aura aucun inconvénient à faire usage d'une poudre torte et rapide dans un terrain fissuré ou très-peu compact, en outre un deuxième coup de mine agira dans le même sens que le premier, augmentant ainsi son effet.

La dynamite et les explosifs à base de nitroglycérine, en général, appartiennent à cette classe de poudres. On les emploiera avantageusement dans les terrains fissurés, les bancs de silex, les tufs calcaires, les conglomérats, les roches dures et tenaces, etc.

Si le bourrage est inutile avec une poudre brisante, il est, avonsnous dit, nécessaire avec la dynamite. En effet le choc du fulminate agit immédiatement sur la nitroglycérine, mais son action est moins instantanée sur les autres corps, à base active, qui entrent, avea la nitroglycérine, dans la composition de l'explosif. Si donc on néglige d'opérer un bourrage, la nitroglycérine agit la première et son effet est prédominant; et si, au contraire, on a bourré le trou de mine, l'action des autres corps a le temps de se développer et s'ajoute ainsi à celle de la nitroglycérine.

(cj Poudres fortes et lentes. — Dans le cas d*une poudre lente, la pression croît moins vite et dure plus longtemps. Aussi doit-on faire un fort bourrage et par suite des trous de mine profonds et inclinés.

S'il y a des fissures dans la roche où l'on opère, l'effet d'un premier coup de mine est contrarié, et le second ne produit pas d'effet sensible.

Le type de cette classe est la poudre noire.

On emploiera donc avec avantages les poudres fortes et lentes

dans les charbonnages où il importe de débiter de la houille en gros fragments, dans les déblais peu résistants qu'il faut déplacer seulelement ou projeter suivant la direction de moindre résistance, dans les terrains meubles qu'il suffit de désagréger pour laisser prise aux outils et excavateur, et dans les autres travaux du même genre.

On conçoit que la décomposition n'étant ni instantanée, ni extrêmement rapide, les poudres lentes tendront à produire la dislocation des parois derrière lesquelles elles sont bourrées. En effet, la durée de la réaction devenant appréciable, les chaleurs dégagées se perdent partiellement par contact ; il en résulte que la pression varie et agit à la façon d'un levier pour détacher les matières par blocs.

On a cherché a augmenter la rapidité de décomposition de la poudre noire en opérant, dans la fabrication, un mélange aussi intime que possible de ses éléments constitutifs ; il est probable que si l'on pouvait arriver à réunir entre eux, à l'état de simples molécules, le salpêtre, le soufre et le charbon, la poudre serait plus vive et agirait à la façon d'un explosif de la seconde classe. Mais, si parfaits que soient les moyens mécaniques dont on dispose, la division de la matière a une limite, et celle-ci est assez grande pour qu'il y ait toujours une durée appréciable dans le phénomène de décomposition de chacun de ses éléments constituants.

C'est en cela, d'ailleurs, que consiste la grande différence entre la poudre noire et les explosifs chimiques. Dans ceux-ci,chaque molécule est un explosif par elle-même ; la durée de la réaction doit donc être très-rapide^ sinon instantanée.

Mesure de Vénergie développée par un explosif. — Les différents effets produits par les substances explosives sont dus à la fois à la pression et au travail développés par l'explosion ou à la force et au potentieL

On définit le potentiel :

Le travail maximum que l'unité de poids d'un explosif peut effectuer en supposant une conversion totale en gaz et une détente adiabatique indéfinie.

Le potentiel est proportionnel à la quantité de chaleur dégagée

par l'explosif, celui-ci étant pris à la pression et température ambiantes, et ses produits supposés ramenés aux mômes conditions.

Si on désigne par H le potentiel, Q la chaleur dégagée en calories, et E l'équivalent mécanique de la chaleur, on a :

H :i:EQ

en remplaçant E par sa valeur 425; cette formule donne le potentiel en kilogrammètres.

Les quantités de chaleur dégagées par tous les corps entrant dans la composition des explosifs ont été déterminées par M. Berthelot, à Taide de son calorimètre à eau, ou de \si bombe calorimélrique(^). Dans ce dernier appareil la combustion s'opère par détonation ; elle est ainsi totale et instantanée.

Dans le cas de la dynamite ordinaire qui renferme 75 7^ de nitroglycérine et 25 0/0 de Kieselguhr, Q = 1290, et Ion a :

H = 548250 kilogrammètres, ce qui correspond a une force de 7310 chevaux-vapeur.

La force est la pression, par unité de surface, des gaz de l'unité de poids de l'explosif occupant à la température de combustion, l'unité de volume.

Elle a pour mesure le produit du nombre de calories dégagées par le volume des gaz, ceux-ci étant ramenés à la température de zéro e t à une pression uniforme.

Ainsi donc la valeur explosive d'une substance est caractérisée :

P par sa force, ou pression exercée ;

20 par son potentiel, ou travail développé.

Or la pression résulte du volume que les gaz produits occupent à la température de l'explosion ; d'autre part, le travail dépend de la chaleur développée et de la vitesse de production des gaz. Il faut donc, pour définir l'effet explosif d'une poudre, déterminer:

F le volume des gaz ;

2^ la chaleur dégagée ;

3^ la vitesse de la réaction.

Toutes ces études ont été faites par M. Berthelot et on en peut

CI) Berthelot. — Sar la force des matières explosives.

trouver les résultats dans son ouvrage sur la force des matières explosives.

En pratique, le travail maximum d'un explosif n'est guère que le tiers du potentiel déterminé théoriquement.

Mais ces calculs théoriques, outre leur grande difficulté, n'offirent pas une garantie suffisante; et l'on préfère mesurer les pressions au moyen d'appareils spéciaux qui permettent surtout d'établir la force comparative des divers explosifs, et qu'on peut classer en deux catégories suivant qu'ils sont fondés sur la méthode dynamique, ou la méthode statique.

Parmi les premiers, nous citerons les bouches à feu ordinaires et en particulier le mortier-^rout/^ite qui sert à mesurer le mouvement imprimé à un projectile.

Le mortier est en tonte ou en bronze, d'une seule venue avec la semelle sur laquelle il repose ; son axe fait un angle de 45^ avec le plan delà semelle. L'appareil est assujetti dans le sol au moyen d'un fort bâti de fondation et de boulons.

Supposons un mortier faisant un angle a avec l'horizon; le projectile est lancé à une distance horizontale avec une vitesse initiale V. Désignons par H la hauteur maximum de la parabole décrite par le projectile ; on a, théoriquement :

D'autre part :

= g va Sîn 2 a

Ou, dans le cas ou

X dépasse 45^.

C = -i va Sin (180 - 2 «')

On en déduit, si a = 45® ;

En remplaçant g^ Taccéléralion due à la pe^^anteur, par sa valeur 9,78024, on a:

On peut donc déterminer, à l'aide de la portée C, la valeur de la vitesse initiale.

L'essai des dynamites au mortier nïndique pas leur force brisante, mais simplement leur force propulsive; aussi cet appareil est-il trèsavantageux quand on désire se rendre compte de la valeur industrielle d'un explosif pour travaux de mines et de carrières.

Voici^ à ce suiet, quelques résultats que nous avons obtenus avec 10 grammes de chacun des explosifs suivants, en faisant usage d'un projectile pesant 30 kil. Les essais ont été faits avec des capsules au fulminate quadruple force et des mèches Bickford.

NOM DBS EXPLOSIFS