關(guān)于盾尾密封油脂抗水壓密封性和泵送性測試的探討

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

盾尾密封油脂是盾構(gòu)尾部密封的重要材料，用來填充盾尾鋼絲刷與管片之間的空隙。密封油脂與鋼絲刷結(jié)合形成的盾尾密封層能有效阻止泥漿和地下水的入侵，使盾構(gòu)的尾部實(shí)現(xiàn)密封。目前，國際上對于盾尾密封油脂的性能指標(biāo)還沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，只有部分企業(yè)和組織對該產(chǎn)品的主要性能進(jìn)行了評定，如文獻(xiàn)［1］闡述了盾尾密封油脂抗水壓密封性的測試儀器、條件、方法以及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等;文獻(xiàn)［2－5］介紹了盾尾密封油脂重要指標(biāo)的測試方法等。但各方對盾尾密封油脂同一性能指標(biāo)的測試和評定并不一致，這導(dǎo)致了國內(nèi)市場上盾尾密封油脂質(zhì)量良莠不齊。

目前，國外品牌的盾尾密封油脂質(zhì)量較好，但價(jià)格偏高，供貨周期較長;國內(nèi)盾尾密封油脂廠家較多，但質(zhì)量良莠不齊。隨著我國城鎮(zhèn)化速度的加快，城市軌道交通蓬勃發(fā)展，利用盾構(gòu)進(jìn)行全斷面施工成為地下施工的主流，盾尾密封油脂作為盾構(gòu)施工的消耗品，其需求量在大大增加。因此，研發(fā)性能優(yōu)異的國產(chǎn)盾尾密封油脂和制定其性能指標(biāo)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)勢在必行。

本文重點(diǎn)分析盾尾密封油脂的2個(gè)重要性能指標(biāo)(抗水壓密封性和泵送性)的國內(nèi)外測試儀器、方法和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合國內(nèi)實(shí)際使用油脂積累的經(jīng)驗(yàn)，推薦了2個(gè)重要指標(biāo)的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，為盡早出臺盾尾密封油脂性能指標(biāo)的國家標(biāo)準(zhǔn)打下了基礎(chǔ)。

1 國內(nèi)外抗水壓密封性的測試

1.1 歐洲標(biāo)準(zhǔn)

EFNARC是由5個(gè)國際貿(mào)易聯(lián)合體(代表專用建筑產(chǎn)品的生產(chǎn)商和使用者)于1989年建立的，因在軟基隧道、噴射混凝土和自密實(shí)混凝土方面出色的規(guī)范和準(zhǔn)則具有良好的國際聲譽(yù)。EFNARC于2005年編制了《TBM盾構(gòu)機(jī)在軟基和硬巖中掘進(jìn)時(shí)專用產(chǎn)品的使用說明和準(zhǔn)則》，該準(zhǔn)則詳細(xì)闡述了盾尾密封油脂抗水壓密封性的測試裝置、條件、方法和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等。其中，該測試裝置是一個(gè)直徑為50 mm的金屬或有機(jī)玻璃圓柱筒，其頂部設(shè)有一個(gè)進(jìn)風(fēng)口，底部貼有一層孔徑為1 mm或0.5 mm的金屬網(wǎng)(該金屬網(wǎng)用于為模擬盾尾刷的鋼絲束)，具體裝置如圖1所示。

圖1 EFNARC中抗水壓密封裝置的示意圖Fig.1 Device for test on water-tightness of grease under high pressure in EFNARC

測試方法是在金屬網(wǎng)(選擇合適的金屬網(wǎng)孔徑)上面鋪一層25 mm厚的盾尾密封油脂，油脂上方充滿水，然后在水面加0.8 MPa的空氣壓力，用于測定水開始從底部流出的時(shí)間。抗水壓密封性的評價(jià)如表1所示。當(dāng)選擇1.0 mm孔徑的金屬網(wǎng)時(shí)，如果油脂在0.8 MPa的空氣壓力下保壓5 min以上不漏水，則說明油脂的抗水壓密封性很好;當(dāng)選擇0.5 mm孔徑的金屬網(wǎng)時(shí)，油脂在0.8 MPa的空氣壓力下保壓5 min以上不漏水，說明油脂的抗水壓密封性較好;當(dāng)選擇0.5 mm孔徑的金屬網(wǎng)時(shí)，油脂在0.8 MPa的空氣壓力下保壓5 min以內(nèi)漏水，說明油脂的抗水壓密封性一般。

表1 EFNARC中盾尾密封油脂抗水壓密封性的測試條件及評價(jià)［1］Table 1 Test conditions and evaluations of water-tightness of grease under high pressure in EFNARC［1］

1.2 美國專利

Jacopo Franchini等對盾尾密封油脂的抗水壓密封性進(jìn)行了深入的研究，并提出了相關(guān)的測試裝置、條件、方法及產(chǎn)品評價(jià)。其測試裝置和方法與EFNARC的一致，如圖2所示。測試條件和評價(jià)方法如表2所示。在0.8 MPa的空氣壓力保壓30 min后，測量圓柱體底部流出水的體積。當(dāng)流出體積超過10 mL，該油脂的抗水壓密封性很差;當(dāng)體積為3～10 mL，其抗水壓密封性較好;當(dāng)體積在3 mL以下時(shí)，其抗水壓密封性很好。

圖2 美國專利中抗水壓密封測試裝置的示意圖［2］Fig.2 Device for test on water-tightness of grease under high pressure in US patent［2］

表2 美國專利中盾尾密封油脂抗水壓密封性的測試條件及評價(jià)［2－4］Table 2 Test conditions and evaluations of water-tightness of grease under high pressure in US patent［2－4］

1.3 日本松井公司

日本松井公司研發(fā)的盾尾密封油脂抗水壓測試裝置與美國和歐洲的類似，如圖3所示。只是外加壓力達(dá)到3.5 MPa(有的文獻(xiàn)為3.4 MPa)，且金屬網(wǎng)的孔徑為20目(0.84 mm)。朱祖熹教授認(rèn)為該壓力太大，實(shí)際意義不明顯［5］。在國內(nèi)隧道建設(shè)的實(shí)際使用中，普通埋深(20～30 m)下，所設(shè)置的同步注漿壓力為0.4～0.5 MPa;在某些過江過河的深度埋深(50～60 m)下，所設(shè)置的同步注漿壓力為0.7～0.8 MPa;只有在油脂泵注入油脂的瞬間，壓力可能達(dá)到3.0 MPa。因此，設(shè)置3.5 MPa的測試壓力確實(shí)過大，意義也不明顯。另外，一味追求超強(qiáng)的抗水壓性能勢必會犧牲油脂的泵送性和油脂配方的選擇性。以安全系數(shù)為2計(jì)，推薦盾尾密封油脂抗水壓密封性的測試壓力為1.6 MPa。

1.4 中鐵五院集團(tuán)公司

中鐵五院參考?xì)W美日等地區(qū)和國家的盾尾密封油脂抗水壓密封測試裝置的設(shè)計(jì)原理，借鑒其國內(nèi)測試裝置的結(jié)構(gòu)外形［5－6］，自制了油脂抗水壓密封裝置，如圖4所示。該裝置用3層且目數(shù)較大的金屬網(wǎng)模擬盾構(gòu)機(jī)施工中密封裝置的盾尾刷鋼絲束結(jié)構(gòu)，較之國外的一層且目數(shù)較小的金屬網(wǎng)更接近實(shí)際［4］。測試過程是將一定量盾尾密封油脂置于油脂腔中，施加3.5 MPa的空氣壓力以檢測油脂是否漏水。如果不漏水，則表明油脂的抗水壓密封性滿足實(shí)際使用要求［7］。

圖3 日本松井公司的抗水壓密封裝置示意圖［5］Fig.3 Device for test on water-tightness of grease under high pressure from Matsui company［5］

圖4 中鐵五院的盾尾密封油脂抗水壓密封的測試裝置圖［7］Fig.4 Device for test on water-tightness of grease under high pressure from China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.［7］

通過對歐美日以及國內(nèi)的抗水壓密封裝置的進(jìn)一步了解，參照歐美日的測試儀器和測試方法，結(jié)合國內(nèi)隧道施工中盾尾密封油脂的實(shí)際使用情況，并借鑒朱祖熹教授的“測試壓力太大，意義不大”的觀點(diǎn)，推薦抗水壓密封性的測試儀器、方法及評價(jià)為:

測試裝置是一個(gè)內(nèi)徑為50 mm的金屬圓柱筒，頂部設(shè)1個(gè)進(jìn)風(fēng)口，底部貼3層200目(0.075 mm)的金屬網(wǎng)(該金屬網(wǎng)用于模擬盾尾刷的鋼絲束)。在網(wǎng)上面鋪一層25 mm厚的盾尾密封油脂，油脂上方充滿水，然后施加1.6 MPa的空氣壓力。若在1.6 MPa的空氣壓力下保壓30 min不漏水，且在3.5 MPa的空氣壓力下瞬間不漏水，則說明盾尾密封油脂的抗水壓密封性優(yōu)良。

2 國內(nèi)外泵送性的相關(guān)測試

盾尾密封油脂是土壓盾構(gòu)盾尾密封的專用產(chǎn)品，就其泵送性而言，目前沒有標(biāo)準(zhǔn)的測試儀器。國外一些盾尾密封油脂的生產(chǎn)廠家借用潤滑脂表觀黏度的標(biāo)準(zhǔn)測試儀器對其泵送性進(jìn)行表征，該測試裝置如圖5所示。按照ASTM D1092標(biāo)準(zhǔn)，盾尾密封油脂在25℃和1.0 MPa的空氣壓力條件下，通過一定孔徑毛細(xì)管時(shí)的流量(g/min)，可以定量表征油脂流動性的大小。

圖5 潤滑脂表觀黏度的標(biāo)準(zhǔn)測試儀器示意圖［8］Fig.5 Device for standard test on apparent viscosity of grease［8］

相比于國外，國產(chǎn)盾尾密封油脂泵送性指標(biāo)的評價(jià)比較混亂。有的廠家給出以g/min為單位的定量數(shù)值，有的廠家給出“中號黃油槍可打出”的定性評價(jià)，有的廠家沒有給出任何油脂泵送性的表征結(jié)果。筆者就該情況進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)研，從上海人和儀器有限公司的專業(yè)儀器部門得知，應(yīng)用于ASTM D1092中潤滑脂表觀黏度測試儀器的真空泵已經(jīng)停產(chǎn)，目前該設(shè)備處于停售狀態(tài)。筆者又詢問了中國科學(xué)院化學(xué)研究所、中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所、北京大學(xué)化學(xué)學(xué)院、北京理化分析中心和青島科標(biāo)化工有限公司等單位的相關(guān)人員，他們對美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM D1092中的設(shè)備都不了解。因此，雖然國外一些企業(yè)利用該設(shè)備測試出了盾尾密封油脂的泵送性為40～50 g/min［5，9－10］，但由于國內(nèi)買不到相同的設(shè)備，所以才出現(xiàn)了國產(chǎn)盾尾密封油脂泵送性指標(biāo)不統(tǒng)一的混亂局面。綜上所述，找到一個(gè)代替該設(shè)備的儀器用于盾尾密封油脂泵送性的表征尤為重要。

筆者采用中國科學(xué)院化學(xué)研究所的熔體流動速率儀(毛細(xì)管直徑為2.095 mm)，在25℃和1.0 MPa的空氣壓力條件下，對盾尾密封油脂的泵送性進(jìn)行了定量測試(如圖6所示)。結(jié)果顯示，自制產(chǎn)品WY－I、WY－II的泵送性分別為2.72 g/min和3.30 g/min，法國CONDAT產(chǎn)品的泵送性為14.86 g/min［7］。該測試結(jié)果與CONDAT產(chǎn)品在文獻(xiàn)資料中報(bào)道的40～50 g/min［5，9－10］相差很大。近期筆者在盾尾密封油脂配方的進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，此前文章中泵送性的測試壓力并不是1.0 MPa，而是0.5 MPa。這是筆者疏忽所致，借此做出修正。

對自制產(chǎn)品WY－I、WY－II、國產(chǎn)產(chǎn)品和法國CONDAT產(chǎn)品的泵送性重新進(jìn)行表征，自制產(chǎn)品、國產(chǎn)產(chǎn)品和法國CONDAT產(chǎn)品泵送性測定的結(jié)果如表3所示。在測試溫度25℃和測試壓力1.0 MPa的條件下，自制產(chǎn)品WY－I、WY－II的泵送性結(jié)果分別為28.7 g/min和34.6 g/min，法國CONDAT產(chǎn)品的結(jié)果為35.3 g/min，該數(shù)值與文獻(xiàn)資料報(bào)道的泵送性數(shù)值40～50 g/min［5，9－10］相近。

圖6 熔體流動速率儀［7］Fig.6 Melt flow rate test device［7］

表3 自制盾尾密封油脂與國產(chǎn)產(chǎn)品、CONDAT產(chǎn)品的泵送性對比Table 3 Comparison and contrast among self-made grease，other grease made in China and grease made from CONDAT in terms of pumpability (g/min)

因此，國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)、大學(xué)和第三方檢測機(jī)構(gòu)在沒有美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM D1092中的設(shè)備時(shí)，可以依靠現(xiàn)有的設(shè)備對盾尾密封油脂的泵送性進(jìn)行表征。例如，在測試溫度25℃和測試壓力1.0 MPa的條件下，利用盾尾密封油脂通過熔體流動速率儀2.095 mm孔徑毛細(xì)管的流量來表征其泵送性，以g/min表示。使用該方法測試盾尾密封油脂的泵送性可以作為一種標(biāo)準(zhǔn)方法的參考，對國產(chǎn)盾尾密封油脂泵送性指標(biāo)的統(tǒng)一具有實(shí)際意義。

3 結(jié)論與建議

1)參考國內(nèi)外對盾尾密封油脂的研究資料，結(jié)合中鐵五院對該產(chǎn)品的研發(fā)和使用情況，推薦盾尾密封油脂抗水壓密封性的測試儀器、測試方法與評價(jià)結(jié)果如下:測試裝置是一個(gè)內(nèi)徑為50 mm的金屬圓柱筒，底部貼有3層200目(0.075 mm)的金屬網(wǎng)。網(wǎng)上鋪一層25 mm厚的盾尾密封油脂，油脂上方充滿水并施加1.6 MPa的空氣壓力。試驗(yàn)在1.6 MPa的空氣壓力下保壓30 min不漏水，在3.5 MPa的空氣壓力下瞬間不漏水，說明盾尾密封油脂的抗水壓密封性優(yōu)良。

2)參考國內(nèi)外對盾尾密封油脂的研究資料，結(jié)合中鐵五院對該產(chǎn)品的研發(fā)和使用情況，推薦盾尾密封油脂泵送性的測試儀器、方法與評價(jià)如下:在測試溫度為25℃和測試壓力為1.0 MPa的條件下，盾尾密封油脂通過熔體流動速率儀2.095 mm孔徑毛細(xì)管時(shí)的流量來表征其泵送性的大小，以g/min表示。若該數(shù)值達(dá)到30 g/min以上時(shí)，說明盾尾密封油脂的泵送性很好。

3)目前國內(nèi)市場上，國產(chǎn)盾尾密封油脂性能指標(biāo)及測試方法不統(tǒng)一導(dǎo)致質(zhì)量良莠不齊，且國產(chǎn)盾尾密封油脂一般應(yīng)用于普通埋深(20～30 m)或普通地層(含水率較小、滲透性較小及施工工況較好)，而大埋深(50～60 m)或復(fù)雜地層(含水率較大、滲透性較大及施工工況相對復(fù)雜)主要使用國外產(chǎn)品。本文的主要目的是希望同行們能夠相互學(xué)習(xí)借鑒，充分了解盾尾密封油脂性能指標(biāo)的測試原理與方法、測試設(shè)備與評價(jià)，逐漸形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，繼而不斷優(yōu)化產(chǎn)品配方，最終把國產(chǎn)產(chǎn)品做優(yōu)做強(qiáng)，來滿足國內(nèi)大埋深或復(fù)雜地層下施工的需要。

［1］ Washbourne，Jim.Sealing composition:EP，0 508 719 A1［P］.1992－10－14.

［2］ Peter Ellenberger，F(xiàn)eldmeilen(CH).Sealing paste:US，2012/0037042 A1［P］.2012－02－16.

［3］ Jacopo Franchini，Arese(IT).Tail seals:US，2011/0008107 A1［P］.2011－01－13.

［4］ Hirotsugu Kinoshita.Grease composition:US，2005/0209115 A1［P］.2005－09－22.

［5］ 朱祖熹.盾構(gòu)法隧道的盾尾防水密封與盾尾密封油脂［J］.中國建筑防水，2009(7):2－6.(ZHU Zuxi.Waterproofing and sealing of shield tail and sealing grease［J］.China Building Waterproofing，2009(7):2－6.(in Chinese))

［6］ 嚴(yán)振林，郭京波.盾尾密封油脂性能評價(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.Discussionson property evaluation of shield tail grease［J］.Journal of Shijiazhuang Tiedao University:Natural Science，2010，23(4):91－94.(in Chinese))

［7］ 王德乾.一種盾尾密封油脂的配方研究與性能表征［J］.隧道建設(shè)，2013，33(4):277－280.(WANG Deqian.Formulation research and property characterization of a kind of shield tail sealing grease［J］.Tunnel Construction，2013，33 (4):277－280.(in Chinese))

［8］ Standard test method for measuring apparent viscosity of lubricating greases:ASTM D1092-11［P］.2011－09－01.

［9］ 白傳航.盾尾密封脂的泵送性和抗水密封性［J］.合成潤滑材料，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))

［10］ 朱祖熹.隧道與地鐵工程中的四項(xiàng)防水技術(shù)新解［C］//中國建筑防水(南方)專家論壇論文集.上海:上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院，2009.