增黏劑對(duì)盾尾密封油脂性能影響的試驗(yàn)研究

謝宇飛， 王德乾， 廖劍平， 王 靜

(1.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600；2.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 510000；3.北京中鐵新材料技術(shù)有限公司，北京 102600)

盾尾密封油脂是地下工程盾構(gòu)法施工中盾尾密封的填充耗材，主要起到密封防水、潤(rùn)滑、防腐蝕的作用。就目前市場(chǎng)上通行產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，其構(gòu)成主要由基料、溶劑、增黏劑、軟化劑、增塑劑、增強(qiáng)劑、填充劑、增稠劑以及其它添加劑組成[1]。其中，基料是盾尾油脂最重要的基礎(chǔ)材料，但對(duì)于單獨(dú)由橡膠材料來(lái)提供黏性的盾尾密封油脂產(chǎn)品，其粘結(jié)強(qiáng)度明顯不足，特別是初粘性不足[2]，因此為了增加其黏性，實(shí)際中經(jīng)常需要添加樹(shù)脂增黏劑等高分子材料進(jìn)行配合。

增黏劑可以提高盾尾密封油脂的粘附性、抗水壓密封性以及抗撕裂剝離能力，同時(shí)對(duì)產(chǎn)品的泵送性、稠度以及穩(wěn)定性等性能指標(biāo)也有影響[3]。目前，市場(chǎng)上常見(jiàn)的增黏劑類(lèi)型有松香類(lèi)樹(shù)脂、萜烯類(lèi)樹(shù)脂、石油樹(shù)脂、改性酚醛類(lèi)樹(shù)脂、橡膠類(lèi)、樹(shù)脂乳液等，本文綜合盾尾密封油脂產(chǎn)品特性與生產(chǎn)工藝，在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上最終篩選出松香樹(shù)脂138#、萜烯樹(shù)脂T-100、淺色古馬隆樹(shù)脂、聚異丁烯四種材料作為試驗(yàn)用增黏劑材料[4]，旨在探究不同增黏劑對(duì)盾尾密封油脂粘附性、抗水壓密封性、泵送性、表觀粘度的影響。另外，課題組還進(jìn)一步探究了同種增黏劑在不同用量下對(duì)盾尾密封油脂綜合性能的影響和變化關(guān)系，以期為行業(yè)相關(guān)研究者提供部分借鑒，提升產(chǎn)品質(zhì)量，給施工單位提供有效的數(shù)據(jù)支持和技術(shù)保障。

1 試驗(yàn)材料、儀器與測(cè)試方法

1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)儀器

松香甘油樹(shù)脂138#，工業(yè)制品，鄭州漢風(fēng)化工；萜烯樹(shù)脂T-100(分子量約2 000)，工業(yè)制品，智誠(chéng)塑膠產(chǎn)品；淺色古馬隆樹(shù)脂，工業(yè)制品，清揚(yáng)塑化產(chǎn)品；聚異丁烯(分子量約2 000)，工業(yè)制品，韓國(guó)大林產(chǎn)品。

捏合機(jī)(5 L)，速博雷爾；石油產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)粘度計(jì)(SYD-265)，上海吉昌儀器。

1.2 自制試驗(yàn)儀器

1.2.1 泵送性測(cè)試儀

參照ASTM D1092標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合毛細(xì)管流變儀設(shè)計(jì)原理，研制了新型用于定量測(cè)試盾尾密封油脂泵送性的毛細(xì)管流變儀[5](見(jiàn)圖1)。該設(shè)備可定量測(cè)試盾構(gòu)用盾尾密封油脂在恒溫(0～50 ℃)、恒壓(0.5～5.0 MPa)下的泵送性。

圖1 泵送性測(cè)試儀

1.2.2 水壓密封測(cè)試儀

借鑒歐洲專(zhuān)利抗水壓密封測(cè)試裝置的原理、美國(guó)專(zhuān)利中對(duì)盾尾密封油脂的漏水評(píng)價(jià)和日本提出的實(shí)驗(yàn)室3.5 MPa下不漏水的壓力條件，設(shè)計(jì)并自制了抗水壓密封測(cè)試裝置[6]，如圖2所示。該裝置能測(cè)試0～8 MPa水壓下盾尾密封油脂的抗水壓能力。

圖2 水壓密封測(cè)試儀

1.2.3 抗水沖測(cè)試儀

研究設(shè)計(jì)了抗水沖測(cè)試儀，專(zhuān)門(mén)用于恒溫恒壓下定量測(cè)試盾構(gòu)用盾尾密封油脂的抗水沖量[7]，如圖3所示。該儀器采用獨(dú)立的恒溫儲(chǔ)水箱用于儲(chǔ)存人工海水，保證人工海水的清潔；采用獨(dú)立的噴淋箱用于接收噴過(guò)油脂之后的人工海水與被沖掉油脂的混合液。

圖3 盾尾密封油脂抗水沖專(zhuān)用儀器

1.3 增黏材料制備

將一定量配置好的溶劑依次加入到4個(gè)1 000 ml三口燒瓶中，設(shè)置加熱溫度130 ℃，待溫度升至指定溫度時(shí)，分別加入松香甘油樹(shù)脂138#、萜烯樹(shù)脂T-100、淺色古馬隆樹(shù)脂和聚異丁烯等四種不同增黏劑，充分加熱攪拌至完全溶解，混合物呈透明液體狀。攪拌完成后，將四種配置液分別放入4個(gè)固定容器中冷卻、儲(chǔ)存，做好標(biāo)記。待常溫靜置2 d后，依次測(cè)量其運(yùn)動(dòng)粘度，若粘度(100 ℃)在5 000±200 mm2/s范圍，則認(rèn)為粘度一致，可作為備用增黏材料，否則須重新制備。

1.4 盾尾密封油脂的制備

按照既有“鐵箭”牌盾尾密封油脂CRIA系列通用生產(chǎn)配方、生產(chǎn)工藝，依次將基料、溶劑、增黏材料、軟化劑、增塑劑、增強(qiáng)劑、填充劑、增稠劑等既定物料按照順序依次加入到5 L捏合機(jī)中攪拌混勻，捏合機(jī)油溫設(shè)置80 ℃，料溫設(shè)置70 ℃，攪拌頻率設(shè)置15 Hz，攪拌時(shí)間40 min。若物料完全混勻，呈均勻膏體，則密封油脂制備完成，并按照試驗(yàn)?zāi)康倪M(jìn)行編號(hào)和測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同增黏劑對(duì)盾尾密封油脂性能影響

盾尾密封油脂在施工應(yīng)用中最重要的四個(gè)性能分別為泵送性、抗水壓密封性、抗水沖性和流動(dòng)性[7]。關(guān)于各性能的指標(biāo)選取和平衡至關(guān)重要。但就目前國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r來(lái)看，尚無(wú)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，大部分企業(yè)借鑒法國(guó)CONDAT產(chǎn)品指標(biāo)作為參考標(biāo)準(zhǔn)[8]。基于此，本文測(cè)試分析了添加不同增稠劑的盾尾密封油脂的相關(guān)工作性能指標(biāo)，并將試驗(yàn)結(jié)果與法國(guó)CONDAT產(chǎn)品指標(biāo)進(jìn)行對(duì)照，以解決密封油脂制備過(guò)程中增粘劑的選取和用量問(wèn)題。

2.1.1 對(duì)泵送性的影響

泵送性指標(biāo)是指在1 MPa壓力下每分鐘盾尾密封油脂的擠出質(zhì)量。在外界因素確定的情況下，影響泵送性的主要內(nèi)因與產(chǎn)品體系的粘度和流變特性有關(guān)，產(chǎn)品粘度越大泵送性越差，產(chǎn)品流變特性越好泵送性越佳，二者相互矛盾。但優(yōu)良的盾尾密封油脂同時(shí)具有良好的觸變性，在一定的機(jī)械力作用下盾尾密封油脂的粘度變小，當(dāng)機(jī)械力消失或減弱后產(chǎn)品粘度又恢復(fù)。而目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)產(chǎn)品在觸變性能上普遍欠缺，存在過(guò)度強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品泵送性指標(biāo)而犧牲部分粘性的現(xiàn)象。

泵送性測(cè)試樣品試驗(yàn)條件：25 ℃下，1 MPa恒壓下，恒溫2 h，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

由表1可知，松香樹(shù)脂138#泵送性最佳，但錐入度明顯偏大，油脂在使用中表現(xiàn)“偏軟”，聚異丁烯與CONDAT油脂錐入度相近，泵送性略有差別。

2.1.2 對(duì)油脂表觀粘度的影響

盾尾密封油脂的表觀粘度是指在一定速度梯度下相應(yīng)的剪切應(yīng)力與剪切速率的比值，用以表征其黏度。在施工應(yīng)用中，表觀粘度的大小，直接影響盾尾密封油脂在密封油脂腔內(nèi)填充飽滿程度。一般來(lái)說(shuō)，產(chǎn)品表觀粘度越大流動(dòng)性越差，在盾尾油脂腔內(nèi)填充越不飽滿，但表觀粘度偏小，也容易造成油脂黏性、強(qiáng)度不足的現(xiàn)象，導(dǎo)致油脂從盾尾擠出。

表1 盾尾密封油脂的泵送性、流動(dòng)性、抗水壓密封性和粘附性

注：CRIA-P1采用松香樹(shù)脂138#，CRIA-P2采用萜烯樹(shù)脂T-100，CRIA-P3采用古馬隆樹(shù)脂，CRIA-P4采用聚異丁烯。

由表1可知，萜烯樹(shù)脂T-100配方盾尾密封油脂表觀粘度最大，說(shuō)明其流動(dòng)性較差，泵送性指標(biāo)也證明此點(diǎn)。另外，聚異丁烯表觀粘度與CONDAT產(chǎn)品指標(biāo)最接近，流動(dòng)性較佳。

2.1.3 對(duì)抗水壓密封性的影響

抗水壓密封性是盾尾密封油脂在實(shí)際使用中綜合作用的體現(xiàn)，與盾尾密封油脂的各項(xiàng)性能指標(biāo)都有直接或間接的聯(lián)系。

抗水壓密封性測(cè)試樣品試驗(yàn)條件：25 ℃下、實(shí)驗(yàn)室6 MPa的測(cè)試水壓，保持60 min，測(cè)試漏水量的大小。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由表1可知，聚異丁烯配方盾尾密封油脂抗水壓密封性最佳，滲水量小于3 ml，與CONDAT產(chǎn)品相近。

2.1.4 對(duì)粘附性的影響

粘附性又稱粘合性或粘著性，是指兩個(gè)或兩個(gè)以上物體接觸時(shí)發(fā)生相互結(jié)合的力。在盾尾密封油脂實(shí)際應(yīng)用中，因其特有的施工環(huán)境和作用方式，傳統(tǒng)的測(cè)量方法很難得到有效的體現(xiàn)，本課題組結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和有關(guān)文獻(xiàn)，提出了水沖流失量這一指標(biāo)來(lái)表征盾尾密封油脂的粘附性能。

通過(guò)此次能源審計(jì)，全面掌握了上述企業(yè)的能源管理水平和用能狀況，有效強(qiáng)化了政府對(duì)節(jié)能降碳工作的管理職能，同時(shí)也進(jìn)一步提高了企業(yè)的節(jié)能降碳意識(shí)，助推企業(yè)加強(qiáng)節(jié)能管理、提高能源利用效率。

粘附性測(cè)試樣品試驗(yàn)條件：0.28 MPa下，實(shí)驗(yàn)室38 ℃人造海水沖洗涂有油脂的鋼板5 min，測(cè)試被水沖走的油脂的量占油脂質(zhì)量的百分比。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

由表1可知，聚異丁烯水沖流失量最少，為0.42%，抗水沖性能與CONDAT產(chǎn)品相近。

2.1.5 性能影響的對(duì)比分析

由以上測(cè)試結(jié)果，并與法國(guó)CONDAT產(chǎn)品各項(xiàng)性能對(duì)比可知，采用增黏劑聚異丁烯制備的盾尾密封油脂綜合性能最佳，特別是抗水壓密封性與流動(dòng)性與CONDAT指標(biāo)基本一致，水沖流失量與泵送性也基本相近。

2.2 不同含量增黏劑對(duì)盾尾密封油脂性能影響

通過(guò)上述試驗(yàn)，確定聚異丁烯為盾尾密封油脂的增粘劑，分別設(shè)置聚異丁烯含量為4%、6%、8%、10%、12%、14%，分析對(duì)比密封油脂的各項(xiàng)性能指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 泵送性、表觀粘度與聚異丁烯含量關(guān)系

圖5 抗水壓密封滲水量、水沖流失量與聚異丁烯含量關(guān)系

由圖4可知，隨著增黏劑含量的增加，盾尾密封油脂泵送性逐漸減小，參考CONDAT指標(biāo)與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用參數(shù)可知，增黏劑用量4%～9%時(shí)泵送效果較佳。

由圖4可知，隨著增黏劑含量增加盾尾密封油脂表觀粘度逐漸增大，流動(dòng)性減小，參考CONDAT指標(biāo)與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用參數(shù)可知，增黏劑用量6%～10%為使用流動(dòng)性要求最佳區(qū)間。

由圖5可知，隨著增黏劑含量增加盾尾密封油脂抗水壓密封能力呈先增強(qiáng)后減弱的趨勢(shì)，當(dāng)增黏劑用量7%～11%時(shí)滲水量低于4 ml效果較佳。

由圖5可知，隨著增黏劑含量增加盾尾密封油脂水沖流失量呈遞減趨勢(shì)，抗水沖能力逐漸增強(qiáng)，當(dāng)增黏劑用量8%～14%時(shí)水沖流失量低于4%，盾尾密封油脂抗水沖性能較佳。

2.3 增黏劑不同性能指標(biāo)的相互關(guān)系

(1)增黏劑選取最重要的指標(biāo)是增粘效果以及與被增黏聚物的相容性，在盾尾密封油脂制備過(guò)程中，良好的相容性一方面確保了配方體系的穩(wěn)定性，另一方面對(duì)增黏效果的提升也有明顯作用。

(2)增黏劑的增黏效果越好，盾尾密封油脂的粘附性和抗水壓密封性便越佳。此外，優(yōu)良的增黏效果使得產(chǎn)品在配方設(shè)計(jì)中黏性物用量降低，有助于進(jìn)一步提升產(chǎn)品的泵送性和流動(dòng)性。

(3)增黏劑的用量是有一定限度的，一般隨著增黏劑用量的增加，粘結(jié)力出現(xiàn)最大值，此后再增加則會(huì)適得其反。在盾尾密封油脂制備過(guò)程中，選擇合適的增黏劑用量，對(duì)產(chǎn)品泵送性、流動(dòng)性、粘附性、抗水壓密封性等各項(xiàng)性能指標(biāo)的提升有著非常重要的作用。綜合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，聚異丁烯用量8%～10%時(shí)盾尾密封油脂的各項(xiàng)性能指標(biāo)最佳。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析比較不同增黏劑對(duì)盾尾密封油脂性能的影響，從松香樹(shù)脂138#、萜烯樹(shù)脂T-100、淺色古馬隆樹(shù)脂、聚異丁烯四種增黏劑中選擇出綜合性能最佳的聚異丁烯作為備選增黏劑，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步探討了增黏劑用量與盾尾密封油脂泵送性、流動(dòng)性抗水壓密封性、抗水沖性能的關(guān)系，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)聚異丁烯用量為8%～10%時(shí)盾尾密封油脂各項(xiàng)性能指標(biāo)最佳。