KN盾尾密封油脂的研制及應用

魏清寶， 孫 艷， 許 亮， 吳志軍

(武漢比鄰科技發展有限公司，湖北 武漢 430000)

隨著經濟的發展，越來越多的城市開始修建地鐵，盾構法施工成為地下軌道交通隧道施工的首選方法[1]。在盾構施工中，因為盾構機盾殼與管片外壁存在間隙和相對滑動，為了防止盾尾外部泥漿和地下水進入盾構機內部，通常采用盾尾密封油脂對盾尾間隙處進行密封，不僅可以起到隔絕地下水和泥漿的作用，同時還可以減少摩擦、保護盾尾刷延長盾尾刷的使用壽命[2-4]。盾構施工對盾尾密封油脂的粘附性、抗水壓密封性、泵送性和耐泥沙性能具有很高的要求。

目前國外產品有CONDAT、道達爾、巴斯夫等品牌，其中法國CONDAT是國際上主要的盾尾密封油脂供應商，由于其起步較早，通過多年的技術積累，掌握最先進的配比和制造技術；國內盾尾密封油脂市場則參差不齊，迄今沒有國家標準，國內產品性能指標大都沿用CONDAT的技術參數，通過外形模仿CONDAT，有形而無實。近年來國內申請了幾十件盾尾密封油脂相關的專利；孔恒[5]對國內盾尾密封油脂專利現狀進行了分析，嚴振林[6]對盾尾密封油脂評價方法進行了研究,但是關于盾尾密封油脂的系統配方研究和系統性能表征方法相關的研究成果較少。

本文首先通過理論分析，篩選出優質種類的材料，然后進行多因素、多水平的正交試驗，通過系統的性能表征方法進行測試，最后得出性能最優的配比，并與國內外產品進行對比，判斷油脂性能優劣。

1 盾尾密封油脂的組成

1.1 基礎油

基礎油在盾尾密封油脂體系中主要起到的是潤滑作用，目前市面上基礎油種類相當多，主要分礦物油、合成油、酯類油以及植物油[7]。根據盾尾密封油脂的應用環境，其經常會用于北方低溫環境和南方高溫環境下，因此對基礎油的粘溫性能具有很高的要求，需要高黏度指數的基礎油，只有合成油和酯類油可以滿足要求，但是酯類油成本較高，不適宜大批量生產，因此合成油(PAO-6)是個比較好的選擇。

1.2 潤滑劑

潤滑劑主要用到的有鈣基脂、通用鋰基脂、極壓鋰基脂，主要起到潤滑作用。鈣基脂雖然成本較低，但是其抗剪切性能較差，容易剪切變稀；極壓鋰基脂主要具有較高的極壓抗磨性能，通常用于易磨損部位。通過對比，通用鋰基脂的性價比較高。

1.3 增粘劑

增粘劑在宏觀上提高盾尾密封油脂的粘附性，微觀上可以將盾尾密封油脂體系中的纖維、粉料、潤滑劑進行粘接，提高盾尾密封油脂整體的強度。增粘劑的種類主要有石油樹脂(C5、C9)、乙丙共聚物(T612、T613)、聚異丁烯等。石油樹脂和乙丙共聚物雖然具有較好的粘附性，但是其低溫下內聚力較大，從而導致盾尾密封油脂在氣溫低的環境下出現泵送困難的情況；低分子量的聚異丁烯具有很好的粘溫性能，PB2400具有較高的粘性，PB1300具有適當的粘性和較好的流動性，因此選擇合適的配比就可以解決盾尾密封油脂低溫泵送性差的問題。

1.4 纖維

纖維在盾尾密封油脂體系中主要起到骨架作用,用于支撐粉料，使盾尾密封油脂具有較高的強度，不容易被地下水沖散。纖維的種類主要有植物纖維和化學纖維。植物纖維雖然環保無污染，但是其力學強度較弱，容易斷裂，在地下高水壓的情況下，植物纖維制成的盾尾密封油脂可能會出現解體的情況，從而導致漏水。化學纖維力學強度高，同時化纖具有一定彎曲度，彎曲的纖維在盾尾密封油脂內部形成交聯，在不受力的情況，彎曲的纖維長度在1～2 mm之間，可以保證盾尾密封油脂的泵送性，當盾尾密封油脂受力時，內部彎曲的纖維被拉伸至2～4 mm長，可有效的提高盾尾密封油脂的抗水壓密封性能。

1.5 粉料

粉料的主要作用是降低成本和提高盾尾密封油脂的強度，常用的粉料有碳酸鈣、滑石粉、硫酸鋇、膨潤土等等。碳酸鈣用量最大，碳酸鈣一般分為輕鈣、重鈣、納米碳酸鈣和活性碳酸鈣，其中活性碳酸鈣的表面進行有機處理，其吸油值較低，同時其與基礎油、增粘劑等有機物之間結合較好，因此推薦使用活性碳酸鈣進行填充。

2 試驗設計

2.1 試驗原材料

試驗所需原材料有：PAO-6合成油(雪佛龍股份有限公司，工業級)；3#鋰基脂(長沙眾誠石油化工有限公司，工業級)；PB2400(廣州市佳林化學科技有限公司，工業級)；PB1300(廣州市佳林化學科技有限公司，工業級)；PP纖維(直徑2 mm，常州植絨材料有限公司，工業級)；活性碳酸鈣(上海華瀠化工有限公司)。

2.2 試驗儀器

試驗所需儀器有：熔體流動速率儀(XNR，上海皆準儀器設備有限公司)；錐入度儀(DLYS-308,大連煜爍科技發展有限公司)；下垂度儀(滄州華屹試驗儀器有限公司)；抗水壓密封測試儀(武漢比鄰科技發展有限公司，自制)。

2.3 試驗配比

本次試驗采用六因素、五水平正交試驗法進行，六因素分別為PAO-6合成油、3#鋰基脂、PB2400、PB1300、PP纖維、活性碳酸鈣；其中PAO-6合成油的五水平分別為0.06、0.08、0.10、0.12、0.14 kg，3#鋰基脂的五水平分別為0.26、0.30、0.34、0.38、0.40 kg，PB2400的五水平分別為0.08、0.12、0.16、0.20、0.24 kg，PB1300的五水平分別為0.14、0.18、0.22、0.26、0.30 kg，PP纖維的五水平分別為0.02、0.04、0.06、0.08、0.10 kg，活性碳酸鈣的五水平分別為0.64、0.72、0.80、0.88、0.96 kg。試驗設計見表1。

表1 盾尾密封油脂L25(56)正交試驗方案 kg

2.4 制備工藝

將一定量的PAO-6合成油、3#鋰基脂、PB2400和PB1300加入到捏合機中，進行捏合40 min，然后加入一定量的PP纖維，繼續捏合20 min，再加入一定量的活性碳酸鈣并捏合1 h，即可得KN型盾尾密封油脂。

2.5 性能測試

盾尾密封油脂在現場應用中，最主要的監測指標為盾尾保壓和是否漏漿，以及泵送連續性，對應到盾尾油脂的性能指標為抗水壓性能及泵送性能，其測試方法、原理以及選取依據見文獻[8-9]。

2.5.1 泵送性能測試

盾尾密封油脂泵送性采用熔體流動速率儀(見圖1)進行測試，定義為在25 ℃、1 MPa壓力下，單位時間內盾尾密封油脂流過毛細管的質量，單位為g/min。本次使用的毛細管直徑為2.095±0.005 mm，裝料桶長度為152.0±0.1 mm。

圖1 XNR熔體流動速率儀 圖2 錐入度儀

2.5.2 稠度測試

使用錐入度儀(見圖2)來測試盾尾密封油脂的稠度，定義為在25 ℃下錐體錐入盾尾密封油脂的深度，單位為0.1 mm。

2.5.3 下垂度測試

在50 ℃條件下，將盾尾密封油脂填充到下垂度模具中，在垂直狀態下保持3 h，觀察盾尾密封油脂流動的長度，單位為mm。所用儀器見圖3。

圖3 下垂度模具

2.5.4 抗水壓密封性能測試

取一片20目的鋼絲網放入承壓筒底部，再稱取100 g盾尾密封油脂裝入承壓筒并壓實，密封承壓筒并進行注水加壓處理，壓力加到3.5 MPa下，穩定壓力保持3 min，觀察泄壓孔的出脂量并進行稱重，繼續加壓至4.5 MPa，觀察泄壓孔的出脂量并進行稱重，其中承壓筒內徑50 mm，深度100 mm。所用儀器見圖4。

圖4 抗水壓密封測試儀(自制)

2.5.5 粘附性能測試

稱取一定量的盾尾密封油脂，均勻涂抹于水泥板上，涂樣厚度為5 mm，在0.08 MPa的水壓下進行沖刷，觀察油脂流失量并稱重，單位為g。測試過程見圖5。

圖5 粘附性能測試

2.5.6 沙水混合測試

用以模擬盾尾密封油脂耐泥沙性能，稱取50 g水和30 g盾尾密封油脂加到杯子里，再加入15 g沙一起進行攪拌5 min，觀察盾尾密封油脂能否包裹沙，粘性是否失效。測試過程見圖6。

圖6 沙水混合測試

3 試驗結果及其分析

3.1 測試結果

按照六因素、五水平正交試驗方法，累計制出25種盾尾密封油脂樣品，分別測試其泵送性和抗水壓性，試驗結果如表2 所示。隨著泵送性能的提高，抗水壓性能在逐步下降，擠出量越來越多，當擠出量多到一定程度后則出現漏水的情況。在實際使用中，當盾尾密封油脂泵送性太好，第一會造成盾尾密封油脂用量偏大，第二會造成抗水壓性能下降造成漏漿。當盾尾密封油脂泵送性能越差，其抗水壓性能越好，在實際使用中，則會導致盾構機推進中，盾尾密封油脂供應不足，造成油脂倉無法填滿，從而導致漏漿。通過對25組樣品進行分析，選出性能最優的一組(18#)，即為KN盾尾密封油脂，將其與國內外同類產品進行對比，結果如表3所示。

表2 盾尾密封油脂性能測試結果

表3 KN型盾尾密封油脂與國內外產品性能對比

由表3可以看出，KN型盾尾密封油脂泵送性與CONDAT基本接近，稍低一點，但與國內同類型產品相比，分別是其3.32倍和2.45倍，表明流動性能較好。下垂度測試結果一樣，均為0 mm。在3.5 MPa壓力下，KN型盾尾密封油脂和國內外其他廠家抗水壓密封性測試結果均不漏水。在粘附性能測試中，國內兩款產品均出現質量損失的情況。在沙水混合試驗中國內兩款產品出現失去粘性、產品性能失效的情況。

3.2 性能指標

表4為KN盾尾密封油脂的全部指標測試結果，其數據來源于武漢工大土木工程檢測有限公司，檢測方法參照國內或國際標準進行。

表4 KN盾尾密封油脂性能指標

3.3 抗水壓密封性能

針對含水量高、水壓大的地層，3.5 MPa壓力下不漏水的結果可能遠遠不能滿足使用要求，本次試驗將測試標準提高到4.5 MPa,進一步探討高壓力下，盾尾密封油脂的抗水壓密封性能。

測試結果表明：兩款國產盾尾密封油脂在4.5 MPa水壓下，出現了漏水的情況，而KN型盾尾密封油脂和CONDAT油脂均未出現漏水的情況。

3.4 錐入度

針對盾尾密封油脂經常會被用于溫度跨度較大的環境中，而盾尾密封油脂錐入度的變化直接影響到抗水密封性和泵送性能，油脂錐入度隨溫度變化規律如圖7所示。

由圖7可以看出，KN型和CONDAT油脂錐入度隨溫度變化的突變點是在0 ℃，0～10℃，錐入度急劇下降；0 ℃以上錐入度平穩增長。兩款國內產品錐入度隨溫度變化突變點是在10 ℃，因此KN和DONDAT的盾尾密封油脂建議使用溫度是在0～40 ℃之間，而另兩款國產盾尾密封油脂建議使用溫度在10～40 ℃之間。

圖7 溫度對盾尾密封油脂錐入度的影響

4 現場應用

東莞1號線濱江體育館-莞太路區間地層主要為細砂層、全風化鈣質泥巖、強風化鈣質泥巖、中風化鈣質泥巖，區間全長1.25 km，隧道最大埋深20 m。本區間周邊條件復雜，旁經東莞南城二小生活樓、體育館和鴻福跨河大橋等重要建筑物，下穿厚街水道和東引運河，多次穿越上軟下硬地層，施工難度大。

該區間使用中鐵山河盾構機，整個推進過程不漏漿，不漏水，平均每桶油脂可推進8環左右，油脂泵進氣壓力穩定在4 bar，泵送壓力小，容易泵送，盾尾油脂倉前后倉平均保壓在41.3 bar，盾尾保壓效果優異。現場使用情況如圖8所示。

圖8 東莞1號線現場使用

5 結論

(1)通過工作原理分析，闡述盾尾密封油脂各組分的作用，明確各組分對盾尾密封油脂整體性能的影響，從而篩選出更合適的原材料種類。通過正交試驗對產品配方進行優化，從而取得最優配比。

(2)對盾尾密封油脂的實驗室性能表征進行系統整理，給出較為詳細的檢測方法、檢測依據以及全檢技術指標，供相關研發人員進行參考。