耐高水壓盾構(gòu)用盾尾密封油脂及其性能表征

王德乾， 斯芳芳， 謝宇飛， 李 博， 王明杰， 焦文杰， 賈恒瓊， 廖劍平

(1. 北京中鐵新材料技術(shù)有限公司， 北京 102600； 2. 中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司， 北京 102600； 3. 中鐵物資集團(tuán)有限公司， 北京 100189； 4. 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司金屬及化學(xué)研究所，北京 100081； 5. 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)

0 引言

盾尾密封是盾構(gòu)3大密封系統(tǒng)中最重要的密封，是隧道盾構(gòu)施工的核心技術(shù)，盾尾密封油脂是盾尾密封最關(guān)鍵的密封材料[1-3]。因此，盾尾密封油脂必須具有優(yōu)異的綜合性能，主要體現(xiàn)在抗高水壓密封性好、泵送性和稠度適中，尤其抗水壓密封性能決定了盾尾密封的上限。

跨江越河隧道大直徑盾構(gòu)施工中常遇到水壓力高、地層滲透系數(shù)高、地質(zhì)條件異常復(fù)雜等難題，導(dǎo)致盾構(gòu)盾尾密封失效風(fēng)險呈指數(shù)級別增長[4-5]。盾尾密封系統(tǒng)一旦失效，輕則影響正常施工，拖延工期；重則可能引起江(河)水倒灌，產(chǎn)生重大安全隱患。施工單位為了保證盾尾密封系統(tǒng)絕對安全可靠，寧可高價購買進(jìn)口盾尾密封油脂，也不選用價格低廉的國產(chǎn)產(chǎn)品。究其原因，是因為國產(chǎn)產(chǎn)品抗高水壓密封性和泵送性這對性能矛盾體的平衡性欠佳，綜合性能落后于進(jìn)口產(chǎn)品，導(dǎo)致目前高水壓下盾構(gòu)用盾尾密封油脂被進(jìn)口產(chǎn)品壟斷； 同時，由于國內(nèi)缺少統(tǒng)一的定量表征盾尾密封油脂泵送性和抗水壓密封性的標(biāo)準(zhǔn)和檢測設(shè)備，導(dǎo)致市場上充斥著良莠不齊的油脂產(chǎn)品，阻礙行業(yè)發(fā)展。

國內(nèi)研究人員主要針對盾構(gòu)施工中盾尾滲漏、盾構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)、盾尾密封油脂現(xiàn)場使用方法、遇到的問題、帶來的施工風(fēng)險以及解決方案做了大量的研究和總結(jié)工作[6-10]，但是針對盾尾密封油脂配方體系的研發(fā)與優(yōu)化、宏觀性能與微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系等研究[11-12]較少。

盾構(gòu)在始發(fā)作業(yè)時需要人工將手涂型盾尾密封油脂注入鋼絲刷間隙中，而在掘進(jìn)過程中則需要通過油脂泵將泵送型盾尾密封油脂注入油脂腔中，以達(dá)到盾尾密封的目的。因此，泵送型盾尾密封油脂須具有良好的泵送性(流動性)和錐入度(稠度)。本文采用正交試驗獲得系列耐高水壓盾尾密封油脂(泵送型)配方，通過抗水壓密封性、泵送性和稠度測試，分析各個配方組分之間的相互作用，提出耐高水壓盾尾密封油脂實現(xiàn)抗高水壓密封性能優(yōu)異、泵送性和稠度適中的機制，為產(chǎn)品的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能搭建橋梁，促進(jìn)國產(chǎn)產(chǎn)品更新?lián)Q代，為我國跨江越河等高水壓盾構(gòu)施工提供了一種性價比高的泵送型高端盾尾密封油脂產(chǎn)品。

1 實驗室研制

1.1 試驗原料及表征儀器

試驗原料： 機械液壓油(北京欣環(huán)誠潤滑油有限公司，工業(yè)級)； T612A(無錫市宜能石化有限公司，工業(yè)級)； 聚異丁烯(錦州精聯(lián)潤滑油添加劑有限公司，工業(yè)級)；鋰基脂(北京欣環(huán)誠潤滑油有限公司，工業(yè)級)；有機蒙脫石(杭州西河化工有限公司，工業(yè)級)；碳酸鈣(粒徑400目，北京粉體科蘭有限公司，工業(yè)級)； 滑石粉(粒徑325目，北京粉體科蘭有限公司，工業(yè)級)； 天然可降解木質(zhì)纖維(0.5～1 mm，2～3 mm，3～4 mm，上海邦維市政工程有限公司，工業(yè)級)。

試驗表征儀器： 10 L捏合機(江蘇如皋鋒光機械廠)； WTHP-2型抗水壓密封裝置(中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，自制)； BSX-25泵送性測試儀(中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，自制)； BSY-167錐入度(稠度)測試儀(大連北港石油儀器有限公司)。

1.2 正交試驗

本文配方設(shè)計選擇五因素四水平正交表進(jìn)行耐高水壓盾尾密封油脂的正交設(shè)計，如表1所示。其中，5種因素： A為基礎(chǔ)油(機械液壓油)、B為增黏劑(聚異丁烯∶T612A=1)、C為潤滑劑(鋰基脂)、D為填充劑(碳酸鈣∶滑石粉=2(質(zhì)量比))、E為增強劑(0.5～1 mm木質(zhì)纖維∶2～3 mm棉纖維∶3～4 mm棉纖維=2∶1∶1(質(zhì)量比))。4個水平分別為： A，11%(220 g)、13%(260 g)、15%(300 g)、17%(340 g)； B，7%(140 g)、8.5%(170 g)、10%(200 g)、11.5%(230 g)；C，28%(560 g)、30%(600 g)、32%(640 g)、34%(680 g)；D，36%(480 g+240 g)、38%(507 g+253 g)、40%(533 g+266 g)、42%(560 g+280 g)；E，5.4%(54 g+27 g+27 g)、5.6%(56 g+28 g+28 g)、5.8%(58 g+29 g+29 g)、6.0%(60 g+30 g+30 g)。有機蒙脫石3%(60 g)。設(shè)計總質(zhì)量約2 kg。

表1 L16(45)正交試驗設(shè)計表Table 1 L16(45)Orthogonal experimental design

1.3 盾尾密封油脂工藝流程

盾尾密封油脂所用原材料均無毒，生產(chǎn)過程中，屬于有機/無機共混，不產(chǎn)生工業(yè)三廢。整個生產(chǎn)工藝分為如下5步，如圖1所示。

圖1 盾尾密封油脂工藝流程圖Fig. 1 Process flowchart of shield tail sealing grease

1) 將一定量增黏劑和一定量基礎(chǔ)油加入捏合機中，設(shè)定加熱溫度為85 ℃，攪拌均勻，獲得混合物；

2) 向混合物中加入有機土，攪拌3～5 min，獲得混合物1；

3) 向混合物1中分別加入0.5～1 mm、2～3 mm、3～4 mm的長、中、短纖維，攪拌5 min，獲得混合物2；

4) 向混合物2中加入碳酸鈣和滑石粉，攪拌3 min，獲得混合物3；

5) 向混合物3中加入鋰基脂，攪拌30 min，獲得安達(dá)ANDR耐高水壓盾尾密封油脂。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 表征方法

耐高水壓盾尾密封油脂最重要的性能指標(biāo)為抗水壓密封性、泵送性和稠度[13-14]。

抗水壓密封性： 鑒于目前無盾尾密封油脂抗水壓密封性的定量表征儀器、測試方法與評價標(biāo)準(zhǔn)，本課題組研制了抗水壓密封測試儀，定義了水擊穿壓力測試指標(biāo)，即在實驗室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盾尾密封油脂在30 min內(nèi)被水擊穿的最小壓力，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。提出的測試條件與評價標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 盾尾密封油脂的測試條件與評價標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Test conditions and evaluation of shield tail sealing grease

泵送性： 按照 ASTM D1092標(biāo)準(zhǔn)，盾尾密封油脂在 25 ℃和空氣壓力 1 MPa 的條件下，通過一定孔徑毛細(xì)管時的流量，可以定量表征油脂流動性的大小。

錐入度(稠度)： 錐入度是表征盾尾密封油脂稠度的指標(biāo)。一般情況是指，在25 ℃條件下錐頭在5 s內(nèi)下落壓入樣品的深度，錐入度數(shù)值越大，則說明樣品稠度越低。

2.2 性能測試結(jié)果

正交試驗性能指標(biāo)測試結(jié)果如表3所示。正交試驗錐入度測試數(shù)據(jù)分析如表4所示。

表3 L16(45)正交試驗性能指標(biāo)測試結(jié)果Table 3 L16(45)Results of property test of all orthogonal experiments

表4 正交試驗錐入度測試數(shù)據(jù)分析Table 4 Cone penetration data processing of orthogonal experiments (×10-1 mm)

將表4中數(shù)據(jù)繪制成趨勢圖，如圖2—6所示。隨著基礎(chǔ)油質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，錐入度先增大后略微降低，選擇較佳水平為A3； 隨著增黏劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，錐入度逐漸增大，但不明顯，綜合成本考慮，較佳水平為B3； 隨著潤滑劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，錐入度基本未變，綜合成本考慮，較佳水平為C1； 隨著填充劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，錐入度變化不明顯，綜合成本考慮，較佳水平為D1； 隨著增強劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，錐入度先明顯下降，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到6.0%之后，錐入度又略微提高，較優(yōu)化水平為E4。另外，由表4可知，基礎(chǔ)油、增黏劑和增強劑的極差分別是26.9、10.7和10.8。因此，基礎(chǔ)油、增黏劑和增強劑是影響盾尾密封油脂錐入度最主要的因素。綜合分析可得，正交試驗錐入度的較佳水平組為A3E4B3D1C1。

圖2 基礎(chǔ)油對油脂錐入度的影響Fig. 2 Effect of base oil on cone penetration of shield tail sealing grease

圖3 增黏劑對油脂錐入度的影響Fig. 3 Effect of tackifier on cone penetration of shield tail sealing grease

圖4 潤滑劑對油脂錐入度的影響Fig. 4 Effect of lubricant on cone penetration of shield tail sealing grease

圖5 填充劑對油脂錐入度的影響Fig. 5 Effect of filler on cone penetration of shield tail sealing grease

圖6 增強劑對油脂錐入度的影響Fig. 6 Effect of enhancer on cone penetration of shield tail sealing grease

正交試驗泵送性測試數(shù)據(jù)分析如表5所示。

表5 正交試驗泵送性測試數(shù)據(jù)分析Table 5 Pumping performance data processing of orthogonal experiments g/min

將表5中數(shù)據(jù)繪制成趨勢圖，如圖7—11所示。隨著基礎(chǔ)油質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，其泵送性逐漸增大，最大值達(dá)到32.6 g/min，選擇較優(yōu)化水平為A4； 隨著增黏劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，泵送性逐漸增大，最大值達(dá)到22.9 g/min，選擇較優(yōu)化水平為B4。由此可知，基礎(chǔ)油比增黏劑對油脂泵送性的提高更明顯。隨著潤滑劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，泵送性基本保持不變，因此潤滑劑對盾尾密封油脂泵送性影響不明顯，選擇較優(yōu)化水平為C1。隨著填充劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，其泵送性先增大后降低，選擇較優(yōu)化水平為D2；隨著增強劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，泵送性有波動，但是變化不明顯，選擇較優(yōu)化水平為E3。由表5可知，基礎(chǔ)油的極差是26.5，遠(yuǎn)高于其他配方組分。因此，基礎(chǔ)油是影響盾尾密封油脂泵送性的最主要因素。綜合分析可得，正交試驗泵送性的較佳水平組為A4B4E3D2C1。

圖7 基礎(chǔ)油對油脂泵送性的影響Fig. 7 Effect of base oil on pumping performance of shield tail sealing grease

圖8 增黏劑對油脂泵送性的影響Fig. 8 Effect of tackifier on pumping performance of shield tail sealing grease

圖9 潤滑劑對油脂泵送性的影響Fig. 9 Effect of lubricant on pumping performance of shield tail sealing grease

圖10 填充劑對油脂泵送性的影響Fig. 10 Effect of filler on pumping performance of shield tail sealing grease

圖11 增強劑對油脂泵送性的影響Fig. 11 Effect of enhancer on pumping performance of shield tail sealing grease

綜上所述，正交試驗錐入度的較佳水平組為A3E4B3D1C1，正交試驗泵送性的較佳水平組為A4B4E3D2C1。 組分A是影響錐入度的最重要因素，較佳水平選擇A4；組分B是影響泵送性的最重要因素，較佳水平選擇B3；其他因素對2個性能影響不大。綜合考慮，正交試驗獲得優(yōu)化配方 ANDR S5為A4B3C1D2E4。因此，給出一種優(yōu)化配方的配比范圍：基礎(chǔ)油8%～16%、增黏劑5%～13%、潤滑劑10%～20%、有機蒙脫石2%～4%、增強劑5.5%～6.5%、填充劑36%～44%。

將優(yōu)化配方樣品ANDR S5與ANDR P1及國內(nèi)外同類產(chǎn)品進(jìn)行抗水壓密封性、泵送性和錐入度測試的對比試驗，結(jié)果如表6所示。

表6 自制產(chǎn)品與國內(nèi)外同類產(chǎn)品重要性能對比Table 6 Comparison and contrast of property among self-made grease, other grease made in China, and grease made abroad

由表6中數(shù)據(jù)可知，ANDR S5相比未加有機蒙脫石組分的ANDR P1，泵送性高，錐入度小，實現(xiàn)了稠度與泵送性的平衡。與國內(nèi)同類產(chǎn)品相比，ANDR S5產(chǎn)品與國產(chǎn)產(chǎn)品1稠度基本相同的前提下，其水擊穿壓力和泵送性同時提高；另外，ANDR S5產(chǎn)品水擊穿壓力遠(yuǎn)高于國產(chǎn)產(chǎn)品2和國產(chǎn)產(chǎn)品3。

與進(jìn)口同類產(chǎn)品相比，ANDR S5泵送性32.5 g/min明顯高于進(jìn)口產(chǎn)品1的18.2 g/min，同時水擊穿壓力也是進(jìn)口產(chǎn)品1的1.3倍； 與進(jìn)口產(chǎn)品2泵送性和錐入度基本一致的前提下，ANDR S5產(chǎn)品水擊穿壓力為7 MPa，是進(jìn)口產(chǎn)品2的1.75倍。

2.3 結(jié)果分析

針對ANDR S5產(chǎn)品所具有的優(yōu)異綜合性能，對其微觀機制進(jìn)行深入研究。

1)ANDR S5產(chǎn)品配方中增加了有機蒙脫石，該組分為片層結(jié)構(gòu)，層間距為5～10 nm，為基礎(chǔ)油和增黏劑提供了進(jìn)入空間，如圖12所示。根據(jù)相似相容原理，基礎(chǔ)油、聚異丁烯等有機物與有機蒙脫石接觸，通過分子運動進(jìn)入到微納米級有機蒙脫石的片層之間，形成了有機納米復(fù)合物，實現(xiàn)了有機蒙脫石的增稠分散，電鏡示意如圖13所示。在剪切力作用下，有機蒙脫石片層滑移，流動性增強，從而構(gòu)建了耐高水壓盾尾密封油脂的剪切流變配方體系，并實現(xiàn)了盾尾密封油脂稠度和泵送性的平衡。

圖12 基礎(chǔ)油和高分子增黏劑進(jìn)入片層結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 12 Schematic of lamellar structure immersed in base oil and tackifier

(a) 天然蒙脫石(b) 有機蒙脫石(c) 有機納米復(fù)合物圖13 基礎(chǔ)油和增黏劑在有機蒙脫石中的增稠分散微觀結(jié)構(gòu)Fig. 13 Microstructure of thickening scattered of base oil and tackifier in organic montmorillonite

2)ANDR S5產(chǎn)品配方采用不同尺度的天然可降解纖維作為增強組分，構(gòu)建了空間網(wǎng)絡(luò)骨架配方體系。其中，尺寸為2～3 mm、3～4 mm的棉纖維，作為提高盾尾密封油脂稠度和抗水壓密封性的核心組分； 尺寸為0.5～1 mm的木纖維，作為提高盾尾密封油脂流動性的核心組分，與配方中有機納米復(fù)合物形成了復(fù)合纖維增強阻水結(jié)構(gòu)，其示意如圖14所示。

圖14 有機納米復(fù)合物與不同尺度的天然可降解纖維組成阻水結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 14 Schematic of waterproof construction composed of organic nano-composites and different scales naturally degradable fibers

因此，配方體系中有機蒙脫石增稠流變體系的建立，以及不同尺度天然可降解纖維與有機納米復(fù)合物所形成的復(fù)合纖維增強阻水結(jié)構(gòu)是ANDR S5產(chǎn)品具有抗高水壓密封性、泵送性和稠度適中的關(guān)鍵[15]。

課題組研制的ANDR S5耐高水壓盾構(gòu)用盾尾密封油脂稠度和泵送性平衡的同時，大大提高了盾尾密封油脂的抗水壓密封性。該優(yōu)化配方ANDR S5產(chǎn)品已應(yīng)用到廣州地鐵18號和22號線，下穿珠江主干及其支流30余次，最大注漿壓力達(dá)0.8 MPa，盾構(gòu)盾尾未出現(xiàn)漏漿漏水情況，獲得了施工單位一致好評。

3 結(jié)論與展望

1)采用正交設(shè)計法(L16(45))優(yōu)化出一種ANDR S5耐高水壓盾尾密封油脂配方。提出在產(chǎn)品配方體系中使用有機蒙脫石，構(gòu)建盾尾密封油脂剪切流變配方體系；提出采用長、中、短天然可降解纖維，構(gòu)建空間網(wǎng)絡(luò)骨架體系，與配方中其他組分形成有機納米復(fù)合纖維增強阻水結(jié)構(gòu)。實現(xiàn)了該配方產(chǎn)品泵送性、錐入度與進(jìn)口某產(chǎn)品相當(dāng)?shù)臈l件下，其水擊穿壓力是進(jìn)口某產(chǎn)品的1.75倍。

2)ANDR S5耐高水壓盾尾密封油脂已經(jīng)廣泛應(yīng)用于廣州地鐵18號和22號線過珠江及周邊水道盾構(gòu)施工中，并獲得了施工人員的好評，為我國越江過河等高水壓盾構(gòu)施工提供了一種耐高水壓盾尾密封油脂產(chǎn)品。

3)ANDR S5耐高水壓盾尾密封油脂存在的問題是基礎(chǔ)油、增黏劑、潤滑劑等來源于化石能源，不可降解。隨著“十四五”規(guī)劃與2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)對“碳達(dá)峰、碳中和”的部署，未來生態(tài)友好型盾尾密封油脂的研制是主要發(fā)展方向。

4)盾尾密封油脂的防水效果受盾尾鋼絲刷影響，但目前對此方面的研究較少。隨著高水壓盾構(gòu)施工項目的不斷增多，針對盾尾密封油脂和盾尾刷相互作用的研究勢在必行，有助于盾尾密封油脂的性能表征，促進(jìn)盾尾密封油脂行業(yè)發(fā)展。