KN盾尾密封油脂的研制及应用

魏清宝， 孙 艳， 许 亮， 吴志军

(武汉比邻科技发展有限公司，湖北 武汉 430000)

随着经济的发展，越来越多的城市开始修建地铁，盾构法施工成为地下轨道交通隧道施工的首选方法[1]。在盾构施工中，因为盾构机盾壳与管片外壁存在间隙和相对滑动，为了防止盾尾外部泥浆和地下水进入盾构机内部，通常采用盾尾密封油脂对盾尾间隙处进行密封，不仅可以起到隔绝地下水和泥浆的作用，同时还可以减少摩擦、保护盾尾刷延长盾尾刷的使用寿命[2-4]。盾构施工对盾尾密封油脂的粘附性、抗水压密封性、泵送性和耐泥沙性能具有很高的要求。

目前国外产品有CONDAT、道达尔、巴斯夫等品牌，其中法国CONDAT是国际上主要的盾尾密封油脂供应商，由于其起步较早，通过多年的技术积累，掌握最先进的配比和制造技术；国内盾尾密封油脂市场则参差不齐，迄今没有国家标准，国内产品性能指标大都沿用CONDAT的技术参数，通过外形模仿CONDAT，有形而无实。近年来国内申请了几十件盾尾密封油脂相关的专利；孔恒[5]对国内盾尾密封油脂专利现状进行了分析，严振林[6]对盾尾密封油脂评价方法进行了研究,但是关于盾尾密封油脂的系统配方研究和系统性能表征方法相关的研究成果较少。

本文首先通过理论分析，筛选出优质种类的材料，然后进行多因素、多水平的正交试验，通过系统的性能表征方法进行测试，最后得出性能最优的配比，并与国内外产品进行对比，判断油脂性能优劣。

1 盾尾密封油脂的组成

1.1 基础油

基础油在盾尾密封油脂体系中主要起到的是润滑作用，目前市面上基础油种类相当多，主要分矿物油、合成油、酯类油以及植物油[7]。根据盾尾密封油脂的应用环境，其经常会用于北方低温环境和南方高温环境下，因此对基础油的粘温性能具有很高的要求，需要高黏度指数的基础油，只有合成油和酯类油可以满足要求，但是酯类油成本较高，不适宜大批量生产，因此合成油(PAO-6)是个比较好的选择。

1.2 润滑剂

润滑剂主要用到的有钙基脂、通用锂基脂、极压锂基脂，主要起到润滑作用。钙基脂虽然成本较低，但是其抗剪切性能较差，容易剪切变稀；极压锂基脂主要具有较高的极压抗磨性能，通常用于易磨损部位。通过对比，通用锂基脂的性价比较高。

1.3 增粘剂

增粘剂在宏观上提高盾尾密封油脂的粘附性，微观上可以将盾尾密封油脂体系中的纤维、粉料、润滑剂进行粘接，提高盾尾密封油脂整体的强度。增粘剂的种类主要有石油树脂(C5、C9)、乙丙共聚物(T612、T613)、聚异丁烯等。石油树脂和乙丙共聚物虽然具有较好的粘附性，但是其低温下内聚力较大，从而导致盾尾密封油脂在气温低的环境下出现泵送困难的情况；低分子量的聚异丁烯具有很好的粘温性能，PB2400具有较高的粘性，PB1300具有适当的粘性和较好的流动性，因此选择合适的配比就可以解决盾尾密封油脂低温泵送性差的问题。

1.4 纤维

纤维在盾尾密封油脂体系中主要起到骨架作用,用于支撑粉料，使盾尾密封油脂具有较高的强度，不容易被地下水冲散。纤维的种类主要有植物纤维和化学纤维。植物纤维虽然环保无污染，但是其力学强度较弱，容易断裂，在地下高水压的情况下，植物纤维制成的盾尾密封油脂可能会出现解体的情况，从而导致漏水。化学纤维力学强度高，同时化纤具有一定弯曲度，弯曲的纤维在盾尾密封油脂内部形成交联，在不受力的情况，弯曲的纤维长度在1～2 mm之间，可以保证盾尾密封油脂的泵送性，当盾尾密封油脂受力时，内部弯曲的纤维被拉伸至2～4 mm长，可有效的提高盾尾密封油脂的抗水压密封性能。

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强度，常用的粉料有碳酸钙、滑石粉、硫酸钡、膨润土等等。碳酸钙用量最大，碳酸钙一般分为轻钙、重钙、纳米碳酸钙和活性碳酸钙，其中活性碳酸钙的表面进行有机处理，其吸油值较低，同时其与基础油、增粘剂等有机物之间结合较好，因此推荐使用活性碳酸钙进行填充。

2 试验设计

2.1 试验原材料

试验所需原材料有：PAO-6合成油(雪佛龙股份有限公司，工业级)；3#锂基脂(长沙众诚石油化工有限公司，工业级)；PB2400(广州市佳林化学科技有限公司，工业级)；PB1300(广州市佳林化学科技有限公司，工业级)；PP纤维(直径2 mm，常州植绒材料有限公司，工业级)；活性碳酸钙(上海华潆化工有限公司)。

2.2 试验仪器

试验所需仪器有：熔体流动速率仪(XNR，上海皆准仪器设备有限公司)；锥入度仪(DLYS-308,大连煜烁科技发展有限公司)；下垂度仪(沧州华屹试验仪器有限公司)；抗水压密封测试仪(武汉比邻科技发展有限公司，自制)。

2.3 试验配比

本次试验采用六因素、五水平正交试验法进行，六因素分别为PAO-6合成油、3#锂基脂、PB2400、PB1300、PP纤维、活性碳酸钙；其中PAO-6合成油的五水平分别为0.06、0.08、0.10、0.12、0.14 kg，3#锂基脂的五水平分别为0.26、0.30、0.34、0.38、0.40 kg，PB2400的五水平分别为0.08、0.12、0.16、0.20、0.24 kg，PB1300的五水平分别为0.14、0.18、0.22、0.26、0.30 kg，PP纤维的五水平分别为0.02、0.04、0.06、0.08、0.10 kg，活性碳酸钙的五水平分别为0.64、0.72、0.80、0.88、0.96 kg。试验设计见表1。

表1 盾尾密封油脂L25(56)正交试验方案 kg

2.4 制备工艺

将一定量的PAO-6合成油、3#锂基脂、PB2400和PB1300加入到捏合机中，进行捏合40 min，然后加入一定量的PP纤维，继续捏合20 min，再加入一定量的活性碳酸钙并捏合1 h，即可得KN型盾尾密封油脂。

2.5 性能测试

盾尾密封油脂在现场应用中，最主要的监测指标为盾尾保压和是否漏浆，以及泵送连续性，对应到盾尾油脂的性能指标为抗水压性能及泵送性能，其测试方法、原理以及选取依据见文献[8-9]。

2.5.1 泵送性能测试

盾尾密封油脂泵送性采用熔体流动速率仪(见图1)进行测试，定义为在25 ℃、1 MPa压力下，单位时间内盾尾密封油脂流过毛细管的质量，单位为g/min。本次使用的毛细管直径为2.095±0.005 mm，装料桶长度为152.0±0.1 mm。

图1 XNR熔体流动速率仪 图2 锥入度仪

2.5.2 稠度测试

使用锥入度仪(见图2)来测试盾尾密封油脂的稠度，定义为在25 ℃下锥体锥入盾尾密封油脂的深度，单位为0.1 mm。

2.5.3 下垂度测试

在50 ℃条件下，将盾尾密封油脂填充到下垂度模具中，在垂直状态下保持3 h，观察盾尾密封油脂流动的长度，单位为mm。所用仪器见图3。

图3 下垂度模具

2.5.4 抗水压密封性能测试

取一片20目的钢丝网放入承压筒底部，再称取100 g盾尾密封油脂装入承压筒并压实，密封承压筒并进行注水加压处理，压力加到3.5 MPa下，稳定压力保持3 min，观察泄压孔的出脂量并进行称重，继续加压至4.5 MPa，观察泄压孔的出脂量并进行称重，其中承压筒内径50 mm，深度100 mm。所用仪器见图4。

图4 抗水压密封测试仪(自制)

2.5.5 粘附性能测试

称取一定量的盾尾密封油脂，均匀涂抹于水泥板上，涂样厚度为5 mm，在0.08 MPa的水压下进行冲刷，观察油脂流失量并称重，单位为g。测试过程见图5。

图5 粘附性能测试

2.5.6 沙水混合测试

用以模拟盾尾密封油脂耐泥沙性能，称取50 g水和30 g盾尾密封油脂加到杯子里，再加入15 g沙一起进行搅拌5 min，观察盾尾密封油脂能否包裹沙，粘性是否失效。测试过程见图6。

图6 沙水混合测试

3 试验结果及其分析

3.1 测试结果

按照六因素、五水平正交试验方法，累计制出25种盾尾密封油脂样品，分别测试其泵送性和抗水压性，试验结果如表2 所示。随着泵送性能的提高，抗水压性能在逐步下降，挤出量越来越多，当挤出量多到一定程度后则出现漏水的情况。在实际使用中，当盾尾密封油脂泵送性太好，第一会造成盾尾密封油脂用量偏大，第二会造成抗水压性能下降造成漏浆。当盾尾密封油脂泵送性能越差，其抗水压性能越好，在实际使用中，则会导致盾构机推进中，盾尾密封油脂供应不足，造成油脂仓无法填满，从而导致漏浆。通过对25组样品进行分析，选出性能最优的一组(18#)，即为KN盾尾密封油脂，将其与国内外同类产品进行对比，结果如表3所示。

表2 盾尾密封油脂性能测试结果

表3 KN型盾尾密封油脂与国内外产品性能对比

由表3可以看出，KN型盾尾密封油脂泵送性与CONDAT基本接近，稍低一点，但与国内同类型产品相比，分别是其3.32倍和2.45倍，表明流动性能较好。下垂度测试结果一样，均为0 mm。在3.5 MPa压力下，KN型盾尾密封油脂和国内外其他厂家抗水压密封性测试结果均不漏水。在粘附性能测试中，国内两款产品均出现质量损失的情况。在沙水混合试验中国内两款产品出现失去粘性、产品性能失效的情况。

3.2 性能指标

表4为KN盾尾密封油脂的全部指标测试结果，其数据来源于武汉工大土木工程检测有限公司，检测方法参照国内或国际标准进行。

表4 KN盾尾密封油脂性能指标

3.3 抗水压密封性能

针对含水量高、水压大的地层，3.5 MPa压力下不漏水的结果可能远远不能满足使用要求，本次试验将测试标准提高到4.5 MPa,进一步探讨高压力下，盾尾密封油脂的抗水压密封性能。

测试结果表明：两款国产盾尾密封油脂在4.5 MPa水压下，出现了漏水的情况，而KN型盾尾密封油脂和CONDAT油脂均未出现漏水的情况。

3.4 锥入度

针对盾尾密封油脂经常会被用于温度跨度较大的环境中，而盾尾密封油脂锥入度的变化直接影响到抗水密封性和泵送性能，油脂锥入度随温度变化规律如图7所示。

由图7可以看出，KN型和CONDAT油脂锥入度随温度变化的突变点是在0 ℃，0～10℃，锥入度急剧下降；0 ℃以上锥入度平稳增长。两款国内产品锥入度随温度变化突变点是在10 ℃，因此KN和DONDAT的盾尾密封油脂建议使用温度是在0～40 ℃之间，而另两款国产盾尾密封油脂建议使用温度在10～40 ℃之间。

图7 温度对盾尾密封油脂锥入度的影响

4 现场应用

东莞1号线滨江体育馆-莞太路区间地层主要为细砂层、全风化钙质泥岩、强风化钙质泥岩、中风化钙质泥岩，区间全长1.25 km，隧道最大埋深20 m。本区间周边条件复杂，旁经东莞南城二小生活楼、体育馆和鸿福跨河大桥等重要建筑物，下穿厚街水道和东引运河，多次穿越上软下硬地层，施工难度大。

该区间使用中铁山河盾构机，整个推进过程不漏浆，不漏水，平均每桶油脂可推进8环左右，油脂泵进气压力稳定在4 bar，泵送压力小，容易泵送，盾尾油脂仓前后仓平均保压在41.3 bar，盾尾保压效果优异。现场使用情况如图8所示。

图8 东莞1号线现场使用

5 结论

(1)通过工作原理分析，阐述盾尾密封油脂各组分的作用，明确各组分对盾尾密封油脂整体性能的影响，从而筛选出更合适的原材料种类。通过正交试验对产品配方进行优化，从而取得最优配比。

(2)对盾尾密封油脂的实验室性能表征进行系统整理，给出较为详细的检测方法、检测依据以及全检技术指标，供相关研发人员进行参考。