一種盾尾密封油脂的配方研究與性能表征

王德乾

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，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主要采用盾構施工法［1］，施工的主要機械為盾構。盾構在掘進時，盾尾與已裝管片間存在相對滑動，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，具有密封和潤滑作用，可有效地保護盾尾，隔絕地下水和泥漿，保證盾構順利推進;同時，還具有防止盾構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CONDAT公司掌握著最先進的盾尾密封油脂配方和工藝技術，然而目前沒有發(fā)現(xiàn)該公司的專利和相關的文獻資料。據(jù)最新的國外研究資料顯示，Ellenberger［5］對盾尾密封油脂的配方優(yōu)化以及性能表征做了詳細的工作，并發(fā)表了專利。國內(nèi)，錢建華等［6］也制備了國產(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。在國內(nèi)市場，國產(chǎn)盾尾密封油脂良莠不齊，尤其是其泵送性遠低于國外同類產(chǎn)品，相關的實驗室研究成果比較少。目前，國內(nèi)研發(fā)盾尾密封油脂的主要目的在于生產(chǎn)使用，在進一步優(yōu)化配方和生產(chǎn)工藝以及力求趕超國際水平方面的實驗室工作還比較少。

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

1 盾尾密封油脂的密封原理

盾構盾尾密封一般分為剛性密封和柔性密封。剛性密封對管片的生產(chǎn)和拼裝質量要求較高，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，同時擠入鋼絲刷的鋼絲間隙，增強鋼絲刷的密封性能，防止土砂和注漿材料的侵入。盾構在推進過程中，邊推進邊注入密封油脂，借助油脂的擠壓力，填充在盾構掘進過程中隧道襯砌與鋼絲刷之間的運動間隙，進而油脂與鋼板、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 實驗內(nèi)容

2.1 實驗原料及表征儀器

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

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

2.2 實驗步驟

將一定量32#機械液壓油、黏度指數(shù)改進劑(m(C9)∶m(T613)=0～4)和極壓鋰基脂加入捏合機中，在攪拌捏合的同時升溫至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)，恒溫攪拌 5 ～10 min，再加入一定量天然可降解木質纖維，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 性能測試

2.3.1 抗水壓密封性測試

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)模擬盾構施工中盾尾密封裝置第1道盾尾刷的結構，其結構外形也參照國內(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)進行設計。具體實驗內(nèi)容為:將一定量被檢驗盾尾密封油脂置于3.5 MPa水壓下，檢測油脂是否漏水，若不漏水，則表明抗水壓密封性滿足實際使用要求。

另外，采用正交試驗進行配方優(yōu)化時，需要一個與抗水壓密封性相關的定量指標;因此，選用漏脂百分含量，即將一定量被檢驗盾尾密封油脂置于一定水壓下，檢測一定時間內(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。本實驗首次提出利用漏脂百分含量作為正交實驗的一個重要指標進行配方優(yōu)化。

稱取500 g(W1)盾尾密封油脂加入抗水壓密封設備的空腔中(如圖2所示)，用金屬網(wǎng)片壓實，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。隨著時間延長，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為初始加入油脂質量;W2為濾紙的質量;W3為漏出油脂和濾紙的質量。

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 泵送性測試

盾尾密封油脂的泵送性采用ASTM D1092標準進行測試，即:在25℃，1 MPa壓力的條件下，油脂通過一定孔徑毛細管的流量，以 g/min表示(如圖3所示)。油脂的流出量與毛細管的孔徑有關，孔徑不同，測定值差別很大［14］。例如，法國 CONDAT產(chǎn)品泵送性的指標是40～50 g/min，然而若用XNR－400型熔體流動速率儀(毛細管直徑為2.095 mm)，在相同的實驗條件下，所測結果為14.86 g/min。

圖3 熔體流動速率儀Fig.3 Melt flow rate test device

3 結果與討論

3.1 盾尾密封油脂的制備

通過正交實驗(L54)方法設計16個盾尾密封油脂配方，按照其制備工藝得到16種產(chǎn)品，然后測試其抗水壓密封性和泵送性。根據(jù)實驗結果綜合分析出2個相對合理的油脂配方，并命名為WY－Ⅰ和WY－Ⅱ。其中，WY－Ⅰ的配方組成為0.20 kg 32#機械液壓油、0.28 kg黏度指數(shù)改進劑(m(C9)∶m(T613)=1∶1)、0.16 kg極壓鋰基脂，0.84 kg 碳酸鈣和0.08 kg 天然可降解木質纖維;WY－Ⅱ的配方組成為0.30 kg 32#機械液壓油、0.30 kg黏度指數(shù)改進劑 T613、0.16 kg極壓鋰基脂、0.72 kg碳酸鈣和0.08 kg天然可降解木質纖維。

3.2 盾尾密封油脂的抗水壓密封性

試驗所得產(chǎn)品使用鐵五院自制的抗水壓密封裝置進行測試，參照法國CONDAT的實驗條件3.5 MPa下是否漏水，對我們自制產(chǎn)品進行了表證測試。結果表明，WY－Ⅰ和WY－Ⅱ產(chǎn)品在3.5 MPa下，均不漏水，達到實際使用要求。另外，在盾尾密封油脂的正交試驗時，提出了與抗水壓密封性相關的漏脂百分含量，作為一個定量指標，從側面反映配方的優(yōu)劣，從而為以后進一步優(yōu)化配方，最終得到性價比更高的盾尾密封油脂打下基礎。

3.3 盾尾密封油脂的泵送性

自制產(chǎn)品與法國CONDAT產(chǎn)品和國內(nèi)某品牌同類產(chǎn)品的泵送性比較如表1所示。實驗結果表明，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 CONDAT產(chǎn)品的14.86 g/min。然而與國內(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外產(chǎn)品和國內(nèi)同類產(chǎn)品之間。

表1 實驗室自制產(chǎn)品與國內(nèi)外同類產(chǎn)品的性能對比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 結論與體會

1)本實驗室自制盾尾密封油脂的抗水壓密封性與國內(nèi)外同類產(chǎn)品一致，在3.5 MPa下，不漏水;泵送性是國內(nèi)某品牌同類產(chǎn)品的2～3倍。然而泵送性與國際水平還有一段距離，需要進一步做好配方優(yōu)化方面的工作。

2)重點闡述了利用正交試驗法對盾尾密封油脂進行配方優(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，為其他研發(fā)人員提供了參考。

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

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

［2］朱祖熹.盾構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.

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

［4］杜建華，彭彥彬.盾構掘進施工中盾構機盾尾密封更換關鍵技術研究［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.盾構掘進機鋼絲刷型盾尾的密封油脂:中國，200510023635.4［P］.2005 －08 －17.

［7］ 劉延鵬.一種盾構掘進機的盾尾密封油脂:中國，200610126873.2［P］.2008 －03 －12.

［8］陳雪松.盾構掘進機的盾尾密封油脂:中國，200910198379.0［P］.2010 －05 －12.

［9］洪顯忠，葉進春.密封油脂、其制備方法及用途:中國，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，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］潘國慶.隧道施工中盾構盾尾密封滲漏風險源分析［J］.中國市政工程，2008(5):59－60.

［13］嚴振林，郭京波.盾尾密封油脂性能評價方法研究［J］.石家莊鐵道大學學報:自然科學版，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 ))