一種盾尾密封油脂的配方研究與性能表征

王德乾

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

0 引言

目前，為了不影響已建地面建筑和人們的日常生活，人口密集型城市地下工程建設(shè)主要采用盾構(gòu)施工法［1］，施工的主要機(jī)械為盾構(gòu)。盾構(gòu)在掘進(jìn)時(shí)，盾尾與已裝管片間存在相對(duì)滑動(dòng)，為了防止外部地下水和泥漿涌入盾首，必須在盾尾和管片之間裝有盾尾密封裝置。盾尾密封油脂是盾尾和管片之間的主要密封材料之一，具有密封和潤(rùn)滑作用，可有效地保護(hù)盾尾，隔絕地下水和泥漿，保證盾構(gòu)順利推進(jìn);同時(shí)，還具有防止盾構(gòu)腐蝕和減少磨損的作用［2－4］。因此，盾尾密封油脂必須具有良好的抗水壓密封性、泵送性和粘附性。

就盾尾密封油脂的研發(fā)而言，法國(guó)CONDAT公司掌握著最先進(jìn)的盾尾密封油脂配方和工藝技術(shù)，然而目前沒有發(fā)現(xiàn)該公司的專利和相關(guān)的文獻(xiàn)資料。據(jù)最新的國(guó)外研究資料顯示，Ellenberger［5］對(duì)盾尾密封油脂的配方優(yōu)化以及性能表征做了詳細(xì)的工作，并發(fā)表了專利。國(guó)內(nèi)，錢建華等［6］也制備了國(guó)產(chǎn)盾尾密封油脂，也有盾尾密封油脂的發(fā)明專利［7－9］。但是關(guān)于盾尾密封油脂的配方優(yōu)化及性能表征方面的研究很少。在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，國(guó)產(chǎn)盾尾密封油脂良莠不齊，尤其是其泵送性遠(yuǎn)低于國(guó)外同類產(chǎn)品，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室研究成果比較少。目前，國(guó)內(nèi)研發(fā)盾尾密封油脂的主要目的在于生產(chǎn)使用，在進(jìn)一步優(yōu)化配方和生產(chǎn)工藝以及力求趕超國(guó)際水平方面的實(shí)驗(yàn)室工作還比較少。

本實(shí)驗(yàn)的特色為采用正交試驗(yàn)法獲得WY盾尾密封油脂的相對(duì)優(yōu)化配方，并表征其抗水壓密封性和泵送性，將結(jié)果與法國(guó)CONDAT和國(guó)內(nèi)某品牌產(chǎn)品進(jìn)行比較。該研究工作能為國(guó)產(chǎn)盾尾密封油脂在配方優(yōu)化上提供一種方法，為研發(fā)出性價(jià)比更高的盾尾密封油脂打下基礎(chǔ)。

1 盾尾密封油脂的密封原理

盾構(gòu)盾尾密封一般分為剛性密封和柔性密封。剛性密封對(duì)管片的生產(chǎn)和拼裝質(zhì)量要求較高，現(xiàn)已逐漸被柔性密封所取代。目前，絕大多數(shù)的盾構(gòu)都采用在多道鋼絲刷之間填充密封油脂的柔性盾尾密封方式(如圖1所示)。油脂借助壓力注入，充滿鋼絲刷排的空間，同時(shí)擠入鋼絲刷的鋼絲間隙，增強(qiáng)鋼絲刷的密封性能，防止土砂和注漿材料的侵入。盾構(gòu)在推進(jìn)過程中，邊推進(jìn)邊注入密封油脂，借助油脂的擠壓力，填充在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中隧道襯砌與鋼絲刷之間的運(yùn)動(dòng)間隙，進(jìn)而油脂與鋼板、鋼絲刷共同作用，形成一圈密封環(huán)，起到優(yōu)異的密封作用。借助密封油脂與鋼板和管片的良好粘附性，起到防水與潤(rùn)滑的雙重作用［10－12］。

圖1 盾尾密封油脂的密封原理示意圖Fig.1 Principle of sealing by shield tail sealing grease

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 實(shí)驗(yàn)原料及表征儀器

1)實(shí)驗(yàn)原料。包括:32#機(jī)械液壓油(北京欣環(huán)誠潤(rùn)滑油有限公司，工業(yè)級(jí));增黏劑T613(吉林市星云化工有限公司，工業(yè)級(jí));C9石油樹脂(山東齊邦樹脂有限公司，工業(yè)級(jí));極壓鋰基脂(北京欣環(huán)誠潤(rùn)滑油有限公司，工業(yè)級(jí));碳酸鈣(粒徑45 μm，北京粉體科蘭有限公司，工業(yè)級(jí));天然可降解木質(zhì)纖維(0.5～1 mm，上海邦維市政工程有限公司，工業(yè)級(jí))。

2)表征儀器。有:抗水壓密封裝置(北京鐵五院工程機(jī)械有限公司，自制)和XNR－400熔體流動(dòng)速率測(cè)定儀(毛細(xì)管直徑2.095 mm，北京金威鑫檢測(cè)儀器有限公司)。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

將一定量32#機(jī)械液壓油、黏度指數(shù)改進(jìn)劑(m(C9)∶m(T613)=0～4)和極壓鋰基脂加入捏合機(jī)中，在攪拌捏合的同時(shí)升溫至60～90℃，繼續(xù)攪拌捏合1～4 h，然后降溫至30～50℃。加入一定量碳酸鈣(分批加入5∶3∶2)，恒溫?cái)嚢?5 ～10 min，再加入一定量天然可降解木質(zhì)纖維，繼續(xù)恒溫捏合攪拌1～3 h，即可得到WY盾尾密封油脂。

2.3 性能測(cè)試

2.3.1 抗水壓密封性測(cè)試

鐵五院自制的抗水壓密封裝置采用的原理是用3層鋼絲網(wǎng)模擬盾構(gòu)施工中盾尾密封裝置第1道盾尾刷的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)外形也參照國(guó)內(nèi)其他單位(如上海隧道公司的盾尾油脂的抗水壓密封性裝置)進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為:將一定量被檢驗(yàn)盾尾密封油脂置于3.5 MPa水壓下，檢測(cè)油脂是否漏水，若不漏水，則表明抗水壓密封性滿足實(shí)際使用要求。

另外，采用正交試驗(yàn)進(jìn)行配方優(yōu)化時(shí)，需要一個(gè)與抗水壓密封性相關(guān)的定量指標(biāo);因此，選用漏脂百分含量，即將一定量被檢驗(yàn)盾尾密封油脂置于一定水壓下，檢測(cè)一定時(shí)間內(nèi)油脂漏出的量。漏出的油脂量過多或過少，都說明該配方不夠合理。本實(shí)驗(yàn)首次提出利用漏脂百分含量作為正交實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要指標(biāo)進(jìn)行配方優(yōu)化。

稱取500 g(W1)盾尾密封油脂加入抗水壓密封設(shè)備的空腔中(如圖2所示)，用金屬網(wǎng)片壓實(shí)，然后在油脂上方的空腔處，加入25℃的自來水，蓋上上頂蓋后，密封并加壓至0.6 MPa。隨著時(shí)間延長(zhǎng)，少量油脂從下底蓋的孔中滴到下方的濾紙(W2)上。在0.6 MPa下保持1 h，取出濾紙，稱量為W3，則漏脂百分含量

M=(W3－W2)/W1×100%。

式中:W1為初始加入油脂質(zhì)量;W2為濾紙的質(zhì)量;W3為漏出油脂和濾紙的質(zhì)量。

圖2 抗水壓密封裝置圖［2，13］Fig.2 Device for test on water-tightness of grease under pressure［2，13］

2.3.2 泵送性測(cè)試

盾尾密封油脂的泵送性采用ASTM D1092標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，即:在25℃，1 MPa壓力的條件下，油脂通過一定孔徑毛細(xì)管的流量，以 g/min表示(如圖3所示)。油脂的流出量與毛細(xì)管的孔徑有關(guān)，孔徑不同，測(cè)定值差別很大［14］。例如，法國(guó) CONDAT產(chǎn)品泵送性的指標(biāo)是40～50 g/min，然而若用XNR－400型熔體流動(dòng)速率儀(毛細(xì)管直徑為2.095 mm)，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，所測(cè)結(jié)果為14.86 g/min。

圖3 熔體流動(dòng)速率儀Fig.3 Melt flow rate test device

3 結(jié)果與討論

3.1 盾尾密封油脂的制備

通過正交實(shí)驗(yàn)(L54)方法設(shè)計(jì)16個(gè)盾尾密封油脂配方，按照其制備工藝得到16種產(chǎn)品，然后測(cè)試其抗水壓密封性和泵送性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果綜合分析出2個(gè)相對(duì)合理的油脂配方，并命名為WY－Ⅰ和WY－Ⅱ。其中，WY－Ⅰ的配方組成為0.20 kg 32#機(jī)械液壓油、0.28 kg黏度指數(shù)改進(jìn)劑(m(C9)∶m(T613)=1∶1)、0.16 kg極壓鋰基脂，0.84 kg 碳酸鈣和0.08 kg 天然可降解木質(zhì)纖維;WY－Ⅱ的配方組成為0.30 kg 32#機(jī)械液壓油、0.30 kg黏度指數(shù)改進(jìn)劑 T613、0.16 kg極壓鋰基脂、0.72 kg碳酸鈣和0.08 kg天然可降解木質(zhì)纖維。

3.2 盾尾密封油脂的抗水壓密封性

試驗(yàn)所得產(chǎn)品使用鐵五院自制的抗水壓密封裝置進(jìn)行測(cè)試，參照法國(guó)CONDAT的實(shí)驗(yàn)條件3.5 MPa下是否漏水，對(duì)我們自制產(chǎn)品進(jìn)行了表證測(cè)試。結(jié)果表明，WY－Ⅰ和WY－Ⅱ產(chǎn)品在3.5 MPa下，均不漏水，達(dá)到實(shí)際使用要求。另外，在盾尾密封油脂的正交試驗(yàn)時(shí)，提出了與抗水壓密封性相關(guān)的漏脂百分含量，作為一個(gè)定量指標(biāo)，從側(cè)面反映配方的優(yōu)劣，從而為以后進(jìn)一步優(yōu)化配方，最終得到性價(jià)比更高的盾尾密封油脂打下基礎(chǔ)。

3.3 盾尾密封油脂的泵送性

自制產(chǎn)品與法國(guó)CONDAT產(chǎn)品和國(guó)內(nèi)某品牌同類產(chǎn)品的泵送性比較如表1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，自制產(chǎn)品WY－Ⅰ和WY－Ⅱ的泵送性分別為2.72 g/min和3.30 g/min，其值明顯低于法國(guó) CONDAT產(chǎn)品的14.86 g/min。然而與國(guó)內(nèi)某品牌同類產(chǎn)品相比，自制產(chǎn)品的泵送性分別是它的2倍和2.45倍，即自制盾尾密封油脂的泵送性介于國(guó)外產(chǎn)品和國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品之間。

表1 實(shí)驗(yàn)室自制產(chǎn)品與國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品的性能對(duì)比Table 1 Comparison and contrast between property of self-made grease，property of other grease made in China and property of grease made abroad

4 結(jié)論與體會(huì)

1)本實(shí)驗(yàn)室自制盾尾密封油脂的抗水壓密封性與國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品一致，在3.5 MPa下，不漏水;泵送性是國(guó)內(nèi)某品牌同類產(chǎn)品的2～3倍。然而泵送性與國(guó)際水平還有一段距離，需要進(jìn)一步做好配方優(yōu)化方面的工作。

2)重點(diǎn)闡述了利用正交試驗(yàn)法對(duì)盾尾密封油脂進(jìn)行配方優(yōu)化，還首次使用了漏脂百分含量作為配方優(yōu)化的定量指標(biāo)，為其他研發(fā)人員提供了參考。

3)目前在國(guó)產(chǎn)盾尾密封油脂的性能指標(biāo)中，泵送性的提高仍需要深入研究。希望國(guó)內(nèi)研發(fā)人員能研發(fā)出綜合性能達(dá)到或超越國(guó)際水平的產(chǎn)品，從而滿足我國(guó)蓬勃發(fā)展的城市軌道交通建設(shè)的需要。

［1］周毅.一種盾尾密封油脂:中國(guó)，201010607629.4［P］.2011－04－27.

［2］朱祖熹.盾構(gòu)法隧道的盾尾防水密封與盾尾密封油脂［J］.中國(guó)建筑防水，2009(7):2 －6.

［3］劉二召.盾尾密封油脂注入系統(tǒng)淺析［J］.隧道建設(shè)，2003，23(1):16 －18.

［4］杜建華，彭彥彬.盾構(gòu)掘進(jìn)施工中盾構(gòu)機(jī)盾尾密封更換關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.鐵道建筑，2007(3):47－48.

［5］Peter Ellenberger.Sealing paste:US，2012/0037042 A1［P］.2012－02－16.

［6］ 錢建華，張宏偉.盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)鋼絲刷型盾尾的密封油脂:中國(guó)，200510023635.4［P］.2005 －08 －17.

［7］ 劉延鵬.一種盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的盾尾密封油脂:中國(guó)，200610126873.2［P］.2008 －03 －12.

［8］陳雪松.盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的盾尾密封油脂:中國(guó)，200910198379.0［P］.2010 －05 －12.

［9］洪顯忠，葉進(jìn)春.密封油脂、其制備方法及用途:中國(guó)，201010178478.5［P］.2010 －09 －15.

［10］ 張福民.盾尾密封在防止漏漿中的作用［J］.隧道建設(shè)，2006，26(S2):52 －55.(ZHANG Fumin.Effect of shield tail sealing in prevention of mortar leakages［J］.Tunnel Construction，2006，26(S2):52 －55.(in Chinese))

［11］王成偉，張志奇.淺談盾構(gòu)施工油脂使用［J］.山西建筑，2011，37(4):170 － 171.(WANG Chengwei，ZHANG Zhiqi.The use of grease in shield tunnel construction［J］.Shanxi Architecture，2011，37(4):170 － 171.(in Chinese))

［12］潘國(guó)慶.隧道施工中盾構(gòu)盾尾密封滲漏風(fēng)險(xiǎn)源分析［J］.中國(guó)市政工程，2008(5):59－60.

［13］嚴(yán)振林，郭京波.盾尾密封油脂性能評(píng)價(jià)方法研究［J］.石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，23(4):91－94.(YAN Zhenlin，GUO Jingbo.Discussions on property evaluation of shield tail grease［J］.Journal of Shijiazhuang Tiedao University:Natural Science，2010，23(4):91 －94.(in Chinese))

［14］白傳航.盾尾密封脂的泵送性和抗水密封性［J］.合成潤(rùn)滑材料，2007，34(2):23 － 24.(BAI Chuanhang.Pumpability and water-proof sealing ability of shield tail sealant［J］.Synthetic Lubricants，2007，34(2):23 － 24.(in Chinese ))