盾尾密封油脂的抗水壓密封性能評價標準研究

朱煒健，王德乾，廖劍平，王 靜，謝宇飛，斯芳芳

(1.中鐵建華南建設(廣州)高科技產業有限公司，廣東 廣州 511458； 2.中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

0 引言

隨著我國城市軌道交通的發展，盾構法成為地下工程施工的主流方法[1]。盾尾密封油脂是一種以基礎油、纖維、增黏劑、填充劑等為原料制備的均勻膏狀物。在盾構施工過程中，盾尾油脂由油脂泵泵出，經過管路泵送至盾尾，充分填滿由多道盾尾刷與管片形成的油脂腔，可以防止地層中的水以及同步注漿漿液通過盾尾間隙進入盾構內部[2]。盾尾密封油脂是盾尾密封系統的重要組成部分，是盾構安全掘進的重要前提和保證。

廣州地鐵18號線、22號線地質情況復雜，多次穿越江道、河道等高風險地層[3]，具有“高水壓、高滲透、長距離”的特點，施工單位對盾構施工中所需的盾尾密封油脂提出了耐高水壓的要求[4]。本課題依托廣州地鐵18號線、22號線項目，通過實驗室配方升級優化，制備出了高性能盾尾密封油脂——鐵箭S2盾尾密封油脂。但是，目前對于盾尾密封油脂的抗水壓性能，國內外還沒有形成統一的標準，只是部分企業和組織制定了標準對該類產品的主要性能進行評定[5-6]。例如： 歐洲標準采用固定的1層金屬網和0.8 MPa壓力進行測試，通過改變金屬網網孔直徑和保壓時間觀察是否漏水來評價抗水壓密封性的好壞； 美國專利采用固定的1層1.0 mm孔徑金屬網和0.8 MPa壓力進行測試，以保壓30 min后的漏水量作為評價標準，漏水量小于10 mL記為合格，漏水量小于3 mL記為較好； 日本專利采用固定的1層0.84 mm孔徑金屬網和3.5 MPa壓力進行測試，以保壓30 min不漏水作為評價標準； 中國石油和化學工業聯合會團體標準采用固定的1層0.6 mm孔徑金屬網和3.5 MPa壓力進行測試，以是否漏水和油脂的泄漏量作為評價標準[7]。

目前，多數標準采用1層金屬鋼絲網進行測試，也有研究人員采用多層金屬鋼絲網，如本課題組早期采用3層200目金屬網，文獻[8-9]采用3層孔徑0.85 mm金屬網。經進一步研究后發現，采用多層金屬網測試抗水壓密封性時，不同盾尾密封油脂均不漏水，無法定量判斷油脂抗水壓密封性的好壞。

沒有統一的測試和評價標準，容易導致市場盾尾密封油脂質量良莠不齊。因此，制定一個科學、合理的測試標準勢在必行。本課題組在文獻[10]的研究基礎上研發出新型抗水壓密封測試儀，并通過對國內外油脂產品的測試分析提出相關評價標準，以期為盾尾密封油脂性能指標行業標準和國家標準的設立提供參考。

1 抗水壓密封性測試儀的研制及測試標準的提出

1.1 現有測試標準存在的問題

目前，加壓方式、金屬網孔徑和評價方法在國內沒有形成統一的標準。課題組嘗試了如表1所示的不同的測試標準[11]，對不同品牌的盾尾密封油脂進行密封性能測試，測試結果如表2所示。

表1 密封油脂的不同測試標準

表2 不同標準下的油脂抗水壓測試情況

由表2結果可知： 參照歐洲標準和美國專利測試，4種油脂的抗水壓密封性均為最優等級，不能區分盾尾密封油脂抗水壓密封性的好壞； 參照日本專利測試，只有進口品牌A未通過測試，而進口品牌A在現場使用中能滿足抗水壓密封要求，說明此標準制定不合理。以上標準只是對抗水壓密封性作出定性分析，不能定量區分出各個品牌盾尾密封油脂抗水壓密封性能的優劣。參照中國石油和化學工業聯合會團體標準，4種油脂均未漏水，而油脂漏出量與油脂的泵送性有關[12]，并不能直接衡量抗水壓密封性的優劣，因此以油脂漏出量作為抗水壓密封性測試指標不合理。對此，利用新型抗水壓密封測試儀進行了大量試驗，提出新的盾尾密封油脂抗水壓密封性能測試標準。

1.2 新型抗水壓密封測試設備

在原有抗水壓密封測試儀的基礎上，本課題組研發了新型抗水壓密封測試儀。此前研制的抗水壓密封測試儀采用組合液壓缸加壓模式[13]，該模式最大可加壓至6 MPa，但保壓時間短，不穩定。對此，課題組提出采用柱塞泵加壓模式，最大可加壓至8 MPa，保壓60 min，壓力穩定。新型抗水壓密封測試儀如圖1所示。儀器包括供水裝置、測量裝置和控制器，其中，供水裝置包括儲壓罐和增壓泵，儲壓罐上設有供水管道、通氣孔和閥門。試驗裝置包括4個如圖1(c)和(d)所示的金屬圓柱筒，金屬圓柱筒的底部設有通孔； 控制器與增壓泵信號連接； 測量系統用來測量水壓及時間等參數。首先，在金屬圓柱筒底部鋪1層一定孔徑的金屬鋼絲網，鋼絲網上部均勻涂抹一定厚度的油脂來模擬盾尾密封油脂腔內的油脂； 然后，在油脂的上部施加恒定水壓模擬盾尾地下水和同步注漿漿液的壓力，測試油脂在一定水壓下、保壓一定時間內是否被擊穿，其最小擊穿壓力用于定量表征盾尾密封油脂的抗水壓密封性能。

(a) 測試儀結構

(b) 測試儀實物

(c) 測試儀試驗裝置結構

(d) 測試儀試驗裝置實物

1.3 抗水壓密封性能測試標準的提出

抗水壓密封測試儀施加的水壓和金屬網孔徑的尺寸，對抗水壓密封性測試結果有很大的影響。進口品牌A是目前盾尾油脂市場上影響力較大的國際品牌，其企業標準中泵送型油脂產品的抗水壓密封性能是在3.5 MPa壓力下不漏水[14]。為了與國際接軌，使測試結果與其企業標準相吻合，課題組參照進口品牌A油脂抗水壓性能標準，擬通過試驗測試找到能讓進口品牌A油脂在3.5 MPa壓力下保壓30 min的鋼絲網孔徑。

采用不同規格的鋼絲網對進口品牌A油脂進行試驗： 22目(孔徑0.85 mm、絲徑0.3 mm)、22目(孔徑0.8 mm、絲徑0.35 mm)、24目(孔徑0.76 mm、絲徑0.30 mm)、26目(孔徑0.64 mm、絲徑0.34 mm)，目數=25.4/(絲徑+孔徑)，試驗結果見表3和圖2。

表3 進口品牌A油脂在3.5 MPa下的抗水壓試驗數據

圖2 不同鋼絲網孔徑下進口品牌A油脂在3.5 MPa時的抗水壓密封性

由圖2可以看出： 1層0.76 mm孔徑的金屬鋼絲網是進口品牌A油脂在3.5 MPa壓力、保壓30 min被擊穿的臨界點； 采用大于0.76 mm孔徑的鋼絲網，盾尾密封油脂將被水擊穿。采用24目孔徑鋼絲網測試時，進口品牌A油脂能在3.5 MPa壓力下，保壓30 min不漏水，與其企業標準相吻合。因此，本課題組采用0.76 mm的網孔孔徑作為抗水壓密封測試金屬鋼絲網的標準孔徑。

為更準確地區分出不同油脂的抗水壓性能，課題組提出用水擊穿壓力來評價盾尾油脂的抗水壓性能，并將水擊穿壓力定義為： 實驗室25 ℃下，使用1層網孔孔徑為0.76 mm、絲徑為0.3 mm的金屬鋼絲網，300 g盾尾密封油脂被水擊穿的最小壓力(單位為MPa)。

2 抗水壓密封定量測試

2.1 進口品牌A盾尾密封油脂抗水壓定量測試

根據上述測試標準，對進口品牌A油脂進行抗水壓密封測試。由圖3可知，當測試壓力為3.5 MPa時，隨著時間的增長，油脂流出量不再增長，曲線呈“平臺”趨勢。這是由于油脂在鋼絲網上形成了如圖4所示的纖維餅阻水層，有效地阻止了油脂基質和水的流出。而隨著測試壓力的增大，曲線出現“平臺”的時間變長，這是由于隨著壓力的增大，纖維更容易通過鋼絲網被擠出，因此堆積形成纖維餅的時間更長。當測試壓力達到4 MPa時，油脂流出量不再隨保壓時間的增長出現“平臺”，而是接近直線式增長最后被擊穿。這是由于在4 MPa壓力下，短纖維隨著油脂中基質一同被擠出，形成了如圖5所示的漏水孔。綜上所述，進口品牌A油脂的擊穿壓力為4 MPa。當測試壓力大于或等于擊穿壓力時，油脂就會被擊穿； 而測試壓力越小于擊穿壓力就越容易形成纖維餅，形成良好的抗水壓密封性能。

圖3 不同壓力下進口品牌A油脂抗水壓密封性

2.2 鐵箭S2盾尾密封油脂抗水壓定量測試

用同樣的測試標準對鐵箭S2盾尾密封油脂進行抗水壓密封測試。圖6示出了鐵箭S2密封油脂在不同水壓力下的抗水壓密封性，當測試水壓在6.5 MPa時，保壓5 min后油脂流出量基本不變，說明形成了如圖7所示的抗水壓密封纖維餅層。配方體系中使用了增強材料纖維素纖維(直徑0.5～1 mm)、中棉纖維(直徑1～2 mm)和長棉纖維(直徑3～4 mm)3者的復合材料。該復合纖維與配方體系中的有機納米復合物形成了有機納米復合纖維增強阻水結構。該結構的形成，大大提高了盾尾密封油脂的抗水壓密封性。然而，隨著測試水壓的不斷升高，盾尾密封油脂中的液體組分和填充顆粒攜帶著越來越多的中、短纖維流出來，纖維餅形成所需時間越來越長。當測試水壓到達6.9 MPa時，盾尾密封油脂中基質攜帶部分長、中、短纖維的混合物流出量達到最大值。當測試水壓為7 MPa時，長、中、短纖維構建的空間網絡骨架被打破，配方體系中的有機納米復合纖維強阻水結構失效，盾尾密封油脂被水擊穿。因此，鐵箭S2密封油脂的水擊穿壓力為7 MPa，是進口品牌A油脂水擊穿壓力的1.75倍。測試水壓力小于水擊穿壓力7 MPa時，鐵箭S2盾尾密封油脂具有優異的抗水壓密封性。

圖4 進口品牌A油脂在3.5 MPa壓力下形成的纖維餅

圖5 進口品牌A油脂被擊穿時形成的漏水孔

圖6 不同水壓力下鐵箭S2密封油脂流出量

圖7 鐵箭S2盾尾密封油脂形成的纖維餅

3 抗水壓密封性測試評價標準的提出

根據中鐵建華南建設企業標準《盾尾密封油脂技術條件與規程》，采用自制抗水壓密封測試儀，使用1層網孔孔徑為0.76 mm、絲徑為0.3 mm的金屬鋼絲網，測試不同品牌油脂在25 ℃保壓30 min的條件下，油脂被水擊穿的最小壓力，試驗結果見表4。

表4 不同品牌油脂耐水壓密封性

綜合不同品牌油脂的抗水壓測試情況，對標進口品牌A油脂。本課題組以水擊穿壓力(實驗室25 ℃下，使用1層網孔孔徑為0.76 mm、絲徑為0.3 mm的金屬鋼絲網，300 g盾尾密封油脂被水擊穿的最小壓力，單位MPa)作為油脂抗水壓密封性的評價指標，并提出新的評價方法,見表5。

表5 盾尾密封油脂評價方法

4 結論與討論

4.1 結論

1)研制的新型抗水壓密封測試儀最大保壓值達8 MPa，精度±0.1 MPa，并提出了盾尾密封油脂抗水壓密封性的測試方法和評價標準。

2)定義了盾尾密封油脂的水擊穿壓力，即實驗室25 ℃下，使用1層網孔孔徑為0.76 mm、絲徑為0.3 mm的金屬鋼絲網，300 g盾尾密封油脂被水擊穿的最小壓力(單位為MPa)，用水擊穿壓力定量表征盾尾密封油脂抗水壓密封性的好壞。

3)測試了國內外常見盾尾密封油脂的抗水壓密封性能，并根據測試結果提出了抗水壓密封性能評價標準。

4.2 討論

本文通過大量試驗研究了盾尾密封油脂的水擊穿壓力，提出新的抗水壓密封性能評價標準，可為盾尾密封油脂性能指標行業標準和國家標準的設立提供參考，但仍有需要繼續深入研究的地方。

1)盾構掘進過程中，盾尾刷與管片存在相對運動，本文所使用抗水壓密封測試儀是在靜態條件下對油脂進行抗水壓密封檢測，試驗裝置有進一步完善和優化的空間。

2)在盾構施工的過程中，除了抗水壓密封性，還需考慮盾尾密封油脂的其他性能，如泵送性、錐入度、黏附性等。單一地提高抗水壓密封性有可能導致其他性能的降低，需進一步研究抗水壓密封性與其他性能的相互匹配關系。