KN盾尾密封油脂的研制及應(yīng)用

魏清寶， 孫 艷， 許 亮， 吳志軍

(武漢比鄰科技發(fā)展有限公司，湖北 武漢 430000)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來越多的城市開始修建地鐵，盾構(gòu)法施工成為地下軌道交通隧道施工的首選方法[1]。在盾構(gòu)施工中，因?yàn)槎軜?gòu)機(jī)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(jìn)入盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部，通常采用盾尾密封油脂對盾尾間隙處進(jìn)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(hù)盾尾刷延長盾尾刷的使用壽命[2-4]。盾構(gòu)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(chǎn)品有CONDAT、道達(dá)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(yīng)商，由于其起步較早，通過多年的技術(shù)積累，掌握最先進(jìn)的配比和制造技術(shù)；國內(nèi)盾尾密封油脂市場則參差不齊，迄今沒有國家標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)產(chǎn)品性能指標(biāo)大都沿用CONDAT的技術(shù)參數(shù)，通過外形模仿CONDAT，有形而無實(shí)。近年來國內(nèi)申請了幾十件盾尾密封油脂相關(guān)的專利；孔恒[5]對國內(nèi)盾尾密封油脂專利現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，嚴(yán)振林[6]對盾尾密封油脂評價方法進(jìn)行了研究,但是關(guān)于盾尾密封油脂的系統(tǒng)配方研究和系統(tǒng)性能表征方法相關(guān)的研究成果較少。

本文首先通過理論分析，篩選出優(yōu)質(zhì)種類的材料，然后進(jìn)行多因素、多水平的正交試驗(yàn)，通過系統(tǒng)的性能表征方法進(jìn)行測試，最后得出性能最優(yōu)的配比，并與國內(nèi)外產(chǎn)品進(jìn)行對比，判斷油脂性能優(yōu)劣。

1 盾尾密封油脂的組成

1.1 基礎(chǔ)油

基礎(chǔ)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(chǔ)油種類相當(dāng)多，主要分礦物油、合成油、酯類油以及植物油[7]。根據(jù)盾尾密封油脂的應(yīng)用環(huán)境，其經(jīng)常會用于北方低溫環(huán)境和南方高溫環(huán)境下，因此對基礎(chǔ)油的粘溫性能具有很高的要求，需要高黏度指數(shù)的基礎(chǔ)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(chǎn)，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??；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(jìn)行粘接，提高盾尾密封油脂整體的強(qiáng)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(nèi)聚力較大，從而導(dǎo)致盾尾密封油脂在氣溫低的環(huán)境下出現(xiàn)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(dāng)?shù)恼承院洼^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(qiáng)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(xué)纖維。植物纖維雖然環(huán)保無污染，但是其力學(xué)強(qiáng)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(xiàn)解體的情況，從而導(dǎo)致漏水。化學(xué)纖維力學(xué)強(qiáng)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(nèi)部形成交聯(lián)，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(dāng)盾尾密封油脂受力時，內(nèi)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(qiáng)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(jìn)行有機(jī)處理，其吸油值較低，同時其與基礎(chǔ)油、增粘劑等有機(jī)物之間結(jié)合較好，因此推薦使用活性碳酸鈣進(jìn)行填充。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)原材料

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

2.2 試驗(yàn)儀器

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

2.3 試驗(yàn)配比

本次試驗(yàn)采用六因素、五水平正交試驗(yàn)法進(jìn)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(yàn)設(shè)計(jì)見表1。

表1 盾尾密封油脂L25(56)正交試驗(yàn)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(jī)中，進(jìn)行捏合40 min，然后加入一定量的PP纖維，繼續(xù)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(xiàn)場應(yīng)用中，最主要的監(jiān)測指標(biāo)為盾尾保壓和是否漏漿，以及泵送連續(xù)性，對應(yīng)到盾尾油脂的性能指標(biāo)為抗水壓性能及泵送性能，其測試方法、原理以及選取依據(jù)見文獻(xiàn)[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(jìn)行測試，定義為在25 ℃、1 MPa壓力下，單位時間內(nèi)盾尾密封油脂流過毛細(xì)管的質(zhì)量，單位為g/min。本次使用的毛細(xì)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(tài)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(wǎng)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(shí)，密封承壓筒并進(jìn)行注水加壓處理，壓力加到3.5 MPa下，穩(wěn)定壓力保持3 min，觀察泄壓孔的出脂量并進(jìn)行稱重，繼續(xù)加壓至4.5 MPa，觀察泄壓孔的出脂量并進(jìn)行稱重，其中承壓筒內(nèi)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(jìn)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(jìn)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(yàn)結(jié)果及其分析

3.1 測試結(jié)果

按照六因素、五水平正交試驗(yàn)方法，累計(jì)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(yàn)結(jié)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(dāng)擠出量多到一定程度后則出現(xiàn)漏水的情況。在實(shí)際使用中，當(dāng)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(dāng)盾尾密封油脂泵送性能越差，其抗水壓性能越好，在實(shí)際使用中，則會導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)中，盾尾密封油脂供應(yīng)不足，造成油脂倉無法填滿，從而導(dǎo)致漏漿。通過對25組樣品進(jìn)行分析，選出性能最優(yōu)的一組(18#)，即為KN盾尾密封油脂，將其與國內(nèi)外同類產(chǎn)品進(jìn)行對比，結(jié)果如表3所示。

表2 盾尾密封油脂性能測試結(jié)果

表3 KN型盾尾密封油脂與國內(nèi)外產(chǎn)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(diǎn)，但與國內(nèi)同類型產(chǎn)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(jié)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(nèi)外其他廠家抗水壓密封性測試結(jié)果均不漏水。在粘附性能測試中，國內(nèi)兩款產(chǎn)品均出現(xiàn)質(zhì)量損失的情況。在沙水混合試驗(yàn)中國內(nèi)兩款產(chǎn)品出現(xiàn)失去粘性、產(chǎn)品性能失效的情況。

3.2 性能指標(biāo)

表4為KN盾尾密封油脂的全部指標(biāo)測試結(jié)果，其數(shù)據(jù)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(nèi)或國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

表4 KN盾尾密封油脂性能指標(biāo)

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(jié)果可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足使用要求，本次試驗(yàn)將測試標(biāo)準(zhǔn)提高到4.5 MPa,進(jìn)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(jié)果表明：兩款國產(chǎn)盾尾密封油脂在4.5 MPa水壓下，出現(xiàn)了漏水的情況，而KN型盾尾密封油脂和CONDAT油脂均未出現(xiàn)漏水的情況。

3.4 錐入度

針對盾尾密封油脂經(jīng)常會被用于溫度跨度較大的環(huán)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(guī)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(diǎn)是在0 ℃，0～10℃，錐入度急劇下降；0 ℃以上錐入度平穩(wěn)增長。兩款國內(nèi)產(chǎn)品錐入度隨溫度變化突變點(diǎn)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(chǎn)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(xiàn)場應(yīng)用

東莞1號線濱江體育館-莞太路區(qū)間地層主要為細(xì)砂層、全風(fēng)化鈣質(zhì)泥巖、強(qiáng)風(fēng)化鈣質(zhì)泥巖、中風(fēng)化鈣質(zhì)泥巖，區(qū)間全長1.25 km，隧道最大埋深20 m。本區(qū)間周邊條件復(fù)雜，旁經(jīng)東莞南城二小生活樓、體育館和鴻?？绾哟髽虻戎匾ㄖ铮麓┖窠炙篮蜄|引運(yùn)河，多次穿越上軟下硬地層，施工難度大。

該區(qū)間使用中鐵山河盾構(gòu)機(jī)，整個推進(jìn)過程不漏漿，不漏水，平均每桶油脂可推進(jìn)8環(huán)左右，油脂泵進(jìn)氣壓力穩(wěn)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(yōu)異?，F(xiàn)場使用情況如圖8所示。

圖8 東莞1號線現(xiàn)場使用

5 結(jié)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(yàn)對產(chǎn)品配方進(jìn)行優(yōu)化，從而取得最優(yōu)配比。

(2)對盾尾密封油脂的實(shí)驗(yàn)室性能表征進(jìn)行系統(tǒng)整理，給出較為詳細(xì)的檢測方法、檢測依據(jù)以及全檢技術(shù)指標(biāo)，供相關(guān)研發(fā)人員進(jìn)行參考。