盾尾密封油脂的抗水壓密封性能評價標(biāo)準(zhǔn)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(shè)(廣州)高科技產(chǎn)業(yè)有限公司，廣東 廣州 511458； 2.中鐵第五勘察設(shè)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(fā)展，盾構(gòu)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(chǔ)油、纖維、增黏劑、填充劑等為原料制備的均勻膏狀物。在盾構(gòu)施工過程中，盾尾油脂由油脂泵泵出，經(jīng)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(gòu)內(nèi)部[2]。盾尾密封油脂是盾尾密封系統(tǒng)的重要組成部分，是盾構(gòu)安全掘進的重要前提和保證。

廣州地鐵18號線、22號線地質(zhì)情況復(fù)雜，多次穿越江道、河道等高風(fēng)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(gòu)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(yōu)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(nèi)外還沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，只是部分企業(yè)和組織制定了標(biāo)準(zhǔn)對該類產(chǎn)品的主要性能進行評定[5-6]。例如： 歐洲標(biāo)準(zhǔn)采用固定的1層金屬網(wǎng)和0.8 MPa壓力進行測試，通過改變金屬網(wǎng)網(wǎng)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(wǎng)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(biāo)準(zhǔn)，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(wǎng)和3.5 MPa壓力進行測試，以保壓30 min不漏水作為評價標(biāo)準(zhǔn)； 中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會團體標(biāo)準(zhǔn)采用固定的1層0.6 mm孔徑金屬網(wǎng)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(biāo)準(zhǔn)[7]。

目前，多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)采用1層金屬鋼絲網(wǎng)進行測試，也有研究人員采用多層金屬鋼絲網(wǎng)，如本課題組早期采用3層200目金屬網(wǎng)，文獻[8-9]采用3層孔徑0.85 mm金屬網(wǎng)。經(jīng)進一步研究后發(fā)現(xiàn)，采用多層金屬網(wǎng)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(tǒng)一的測試和評價標(biāo)準(zhǔn)，容易導(dǎo)致市場盾尾密封油脂質(zhì)量良莠不齊。因此，制定一個科學(xué)、合理的測試標(biāo)準(zhǔn)勢在必行。本課題組在文獻[10]的研究基礎(chǔ)上研發(fā)出新型抗水壓密封測試儀，并通過對國內(nèi)外油脂產(chǎn)品的測試分析提出相關(guān)評價標(biāo)準(zhǔn)，以期為盾尾密封油脂性能指標(biāo)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)立提供參考。

1 抗水壓密封性測試儀的研制及測試標(biāo)準(zhǔn)的提出

1.1 現(xiàn)有測試標(biāo)準(zhǔn)存在的問題

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

表1 密封油脂的不同測試標(biāo)準(zhǔn)

表2 不同標(biāo)準(zhǔn)下的油脂抗水壓測試情況

由表2結(jié)果可知： 參照歐洲標(biāo)準(zhǔn)和美國專利測試，4種油脂的抗水壓密封性均為最優(yōu)等級，不能區(qū)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(xiàn)場使用中能滿足抗水壓密封要求，說明此標(biāo)準(zhǔn)制定不合理。以上標(biāo)準(zhǔn)只是對抗水壓密封性作出定性分析，不能定量區(qū)分出各個品牌盾尾密封油脂抗水壓密封性能的優(yōu)劣。參照中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會團體標(biāo)準(zhǔn)，4種油脂均未漏水，而油脂漏出量與油脂的泵送性有關(guān)[12]，并不能直接衡量抗水壓密封性的優(yōu)劣，因此以油脂漏出量作為抗水壓密封性測試指標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)。

1.2 新型抗水壓密封測試設(shè)備

在原有抗水壓密封測試儀的基礎(chǔ)上，本課題組研發(fā)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(wěn)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(wěn)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(shè)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(shè)有通孔； 控制器與增壓泵信號連接； 測量系統(tǒng)用來測量水壓及時間等參數(shù)。首先，在金屬圓柱筒底部鋪1層一定孔徑的金屬鋼絲網(wǎng)，鋼絲網(wǎng)上部均勻涂抹一定厚度的油脂來模擬盾尾密封油脂腔內(nèi)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(nèi)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(jié)構(gòu)

(b) 測試儀實物

(c) 測試儀試驗裝置結(jié)構(gòu)

(d) 測試儀試驗裝置實物

1.3 抗水壓密封性能測試標(biāo)準(zhǔn)的提出

抗水壓密封測試儀施加的水壓和金屬網(wǎng)孔徑的尺寸，對抗水壓密封性測試結(jié)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(yè)標(biāo)準(zhǔn)中泵送型油脂產(chǎn)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(jié)果與其企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相吻合，課題組參照進口品牌A油脂抗水壓性能標(biāo)準(zhǔn)，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(wǎng)孔徑。

采用不同規(guī)格的鋼絲網(wǎng)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(shù)=25.4/(絲徑+孔徑)，試驗結(jié)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(shù)據(jù)

圖2 不同鋼絲網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)，盾尾密封油脂將被水擊穿。采用24目孔徑鋼絲網(wǎng)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(yè)標(biāo)準(zhǔn)相吻合。因此，本課題組采用0.76 mm的網(wǎng)孔孔徑作為抗水壓密封測試金屬鋼絲網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)孔徑。

為更準(zhǔn)確地區(qū)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(wǎng)孔孔徑為0.76 mm、絲徑為0.3 mm的金屬鋼絲網(wǎng)，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(jù)上述測試標(biāo)準(zhǔn)，對進口品牌A油脂進行抗水壓密封測試。由圖3可知，當(dāng)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(wǎng)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(zhì)和水的流出。而隨著測試壓力的增大，曲線出現(xiàn)“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(wǎng)被擠出，因此堆積形成纖維餅的時間更長。當(dāng)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(xiàn)“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(zhì)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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(fù)合材料。該復(fù)合纖維與配方體系中的有機納米復(fù)合物形成了有機納米復(fù)合纖維增強阻水結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)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(dāng)測試水壓到達6.9 MPa時，盾尾密封油脂中基質(zhì)攜帶部分長、中、短纖維的混合物流出量達到最大值。當(dāng)測試水壓為7 MPa時，長、中、短纖維構(gòu)建的空間網(wǎng)絡(luò)骨架被打破，配方體系中的有機納米復(fù)合纖維強阻水結(jié)構(gòu)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(yōu)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(biāo)準(zhǔn)的提出

根據(jù)中鐵建華南建設(shè)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《盾尾密封油脂技術(shù)條件與規(guī)程》，采用自制抗水壓密封測試儀，使用1層網(wǎng)孔孔徑為0.76 mm、絲徑為0.3 mm的金屬鋼絲網(wǎng)，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(jié)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(biāo)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(wǎng)孔孔徑為0.76 mm、絲徑為0.3 mm的金屬鋼絲網(wǎng)，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(biāo)，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(jié)論與討論

4.1 結(jié)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(biāo)準(zhǔn)。

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(wǎng)孔孔徑為0.76 mm、絲徑為0.3 mm的金屬鋼絲網(wǎng)，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(nèi)外常見盾尾密封油脂的抗水壓密封性能，并根據(jù)測試結(jié)果提出了抗水壓密封性能評價標(biāo)準(zhǔn)。

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(biāo)準(zhǔn)，可為盾尾密封油脂性能指標(biāo)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)立提供參考，但仍有需要繼續(xù)深入研究的地方。

1)盾構(gòu)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(tài)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(yōu)化的空間。

2)在盾構(gòu)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(dǎo)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(guān)系。