盾构隧道复合式密封垫低温性能试验研究∗

石立民，杜有超，张望远，王绍君，孔祥勋，3，张艺帆，3，郭腾博

（1.中交第一航务工程局有限公司， 天津 300461； 2.哈尔滨工业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090；3.哈尔滨工业大学重庆研究院，重庆 401135）

0 引言

盾构隧道渗漏水问题是影响其正常工作与使用寿命的关键问题之一［1］，主要依靠拼装缝处的橡胶密封垫进行防水。 在低温环境下，橡胶材料能否保持优秀力学性能的关键在于橡胶是否还能够保持一定的弹性，具备正常的工作能力。 随着温度逐渐降低，橡胶硬度变大、弹性降低，尤其受到硫化作用的橡胶在动荷载作用下难以实现在低温条件下保持弹性［2］。

国内外有很多学者对橡胶的低温性能进行研究。 王进文［3］通过试验得到在低温环境下，橡胶的硫化体系对胶料的强度和耐疲劳性有很大影响，高硫体系的胶料动态模量的增加幅度较小。 余惠琴等［4］通过低温改性天然橡胶剪切试验得到结论：在常温下，低温改性天然橡胶剪切性能与天然橡胶相差不大，而在－30℃至常温的温度范围内，低温改性天然橡胶的剪切性能明显优于天然橡胶［5］。Stevenson 等［6］通过观察低温条件下试样的结晶情况测量低温状态下试样的压缩变形，研究其低温性能。 Fuller 等［7］通过低温条件下橡胶体积及密度的变化，表征其结晶情况，通过分析天然橡胶在低温压缩条件下的应力分布研究其低温状态下的力学性能。 Ikeda 等［8］在硫化体系中添加过氧化物，并采用XRD 方法对低温状态下天然橡胶的结晶情况进行表征。 Schrijvers 等［9］通过在橡胶成分中添加硬脂酸观察其对橡胶低温结晶过程的影响，发现硬脂酸含量的高低影响橡胶低温结晶过程的快慢。Chenal 等［10］通过改变加入填充物的量观察天然橡胶的低温结晶过程发现，填充体系对天然橡胶的低温结晶过程有很大影响。 Wood 等［11］通过在不同温度下观察天然橡胶的结晶状态发现，在－50 ～15℃的温度范围内，天然橡胶都可能发生结晶现象，但当温度为－20℃时，结晶过程中天然橡胶的体积会增大。 郑华等［12］通过进行低温橡胶的可靠性试验发现，对低温橡胶的结晶状态进行表征时需要其在低温环境持续一段时间，短时间的低温橡胶结晶试验不能准确表征其结晶状态。 刘莉等［13］通过研究发现，橡胶的低温性能主要取决于橡胶结构主链与侧链分子的运动性，通过化学改性、共混改性等方式可以有效提高橡胶的低温性能。 陈平［14］通过试验得到结论：填充剂的补强性直接影响橡胶的低温结晶性能，补强性越高，橡胶的低温结晶就越容易发生，低温性能越差。 橡胶的硫化体系同样对其低温结晶性能存在较大影响，加入硫化促进剂A 可以改善橡胶的低温结晶性能。 国内外大量学者已对橡胶密封垫的防水性能开展了相关研究工作［15-16］，然而针对低温环境下施工的装配式结构拼装缝的防水性能研究开展较少。

本文针对由三元乙丙橡胶和遇水膨胀橡胶通过硫化作用制作的复合式密封垫，对不同低温条件下的2 种橡胶进行硬度试验，得到其硬度参数。 同时对不同低温条件下的复合式密封垫进行压缩试验，得到相应的压缩量-压力曲线，分析荷载施加速率对密封垫低温压缩性能的影响。

1 工程概况

哈尔滨地铁3 号线某区间隧道工程周围地层以砂土为主，邻近河流，侧向补水条件充分，地下水位常年较高，盾构始发风险极高。 为保证盾构安全始发，采用人工冻结法对地层进行加固。 管片密封防水垫在低温环境的装配性能直接影响其防水效果。

复合式密封垫由三元乙丙橡胶（EPDM）和遇水膨胀橡胶（WSR）两部分组成。 三元乙丙橡胶具有耐腐蚀性、耐臭氧性、耐老化性，分子内聚能低，分子链可在较大范围内保持柔顺，因此弹性较佳且在低温下仍能保持，但由于其分子结构中缺少活性基团，黏结性较差。 遇水膨胀橡胶由吸水性材料和合成橡胶制成，能够在吸水后膨胀产生变形，可填充接触面的裂缝、孔洞等，增大接触应力，提高防水能力。 将两部分通过硫化作用结合在一起制成复合式密封垫，不仅有较好的密封效果，保证初次防水能力，并且能在遇水膨胀后产生额外应力，提供二次防水能力。

2 橡胶低温硬度试验

2.1 试验步骤

试验按GB／T 531.1—2008《硫化橡胶或热塑性橡胶压入硬度试验方法第1 部分：邵氏硬度计法（邵尔硬度）》中要求，使用测量范围为10 ～90HA、压针行程为0 ～3.2mm、针头尺寸为0.79mm 的邵氏A 型硬度计；使用型号为CD3092 的恒温控制器进行低温处理；按照规范要求选用尺寸为200mm×200mm×6mm 的三元乙丙橡胶及200mm×30mm×20mm 的遇水膨胀橡胶。

1） 将符合尺寸要求的橡胶试样按照规范要求放于恒温控制器中，控制温度为0，－5，－10，－15，－20℃，分别放置24h 进行低温处理。

2） 将试样放置于平整、坚硬的表面上，尽可能快速地将压足压到试样上。 橡胶试样在压缩过程中应保证无振动，并保持压足与试样表面平行，以确定压针垂直于橡胶表面。

3） 对于硫化橡胶，当压足和试样紧密接触后，保持3s 后读数。

4） 在试样表面不同位置进行5 次测量取平均值，每个测量位置距离试样边缘至少12mm 且不同测量位置相距至少6mm。 在压针上施加的弹试验力F（单位为mN）和邵氏A 型硬度计的示值应遵循式（1）。

式中：HA为邵氏A 型硬度计读数。

2.2 三元乙丙橡胶低温硬度试验

三元乙丙橡胶的低温处理过程如图1 所示，将三元乙丙橡胶试样放置低温恒温箱内静置24h。 三元乙丙橡胶的硬度测试试验过程如图2 所示，确保测量过程中压针始终垂直刺入橡胶内部，5 次测量位置的选取应严格按照规范要求。 同时测量过程应尽量迅速，保证邵氏A 型硬度计计数准确的同时也避免环境温度对橡胶温度产生较大误差。

图1 三元乙丙橡胶低温处理Fig.1 EPDM rubber low-temperature treatment

图2 三元乙丙橡胶硬度测试Fig.2 EPDM rubber hardness test

若邵氏A 型硬度计测量结果超过90HA，则需用邵氏D 型硬度计重新测量。 三元乙丙橡胶低温硬度试验结果如表1 所示，满足规范要求。

表1 三元乙丙橡胶各温度下邵氏硬度试验结果Table 1 Shore hardness of EPDM rubber at various temperaturesHA

2.3 遇水膨胀橡胶硬度试验

遇水膨胀橡胶的低温处理过程如图3 所示，将遇水膨胀橡胶试样放置低温恒温箱内静置24h。 遇水膨胀橡胶的硬度测试试验过程如图4 所示，确保测量过程中压针始终垂直刺入橡胶内部，5 次测量位置的选取应严格按照规范要求。 同时测量过程应尽量迅速，保证邵氏A 型硬度计读数准确的同时，也避免环境温度对橡胶温度产生较大误差。在－20 ～0℃范围内，三元乙丙橡胶和遇水膨胀橡胶都随着温度的降低，邵氏硬度逐渐变高。 温度每下降5℃，邵氏硬度上升（2 ～3）HA。 而且在同一温度条件下，5 次测量值之间的绝对误差值小于5HA，说明选择的三元乙丙橡胶和遇水膨胀橡胶的材料质地较为均匀，采用的邵氏A 型硬度计测量值稳定。低温处理后的三元乙丙橡胶和遇水膨胀橡胶虽然力学性能发生变化，但仍符合质量要求，说明三元乙丙橡胶和遇水膨胀橡胶在－20 ～0℃低温条件下，仍保持良好的力学性能，不影响实际工程使用。 遇水膨胀橡胶低温硬度试验结果如表2 所示，满足规范要求。

表2 遇水膨胀橡胶各温度下邵氏硬度试验结果Table 2 Shore hardness of WSR at various temperatures HA

图3 遇水膨胀橡胶低温处理Fig.3 WSR low-temperature treatment

图4 遇水膨胀橡胶硬度测试Fig.4 WSR hardness test

3 复合式密封垫低温压缩试验

本节通过不同温度下复合式密封垫的压缩试验，得到不同温度下复合式密封垫压缩时的压缩量-压力曲线。

3.1 试验原理及设备

为得到低温条件下管片拼装缝处复合式密封垫装配所需的装配力，使用与混凝土管片相同截面尺寸的钢板进行不同温度下的压缩试验，模拟实际施工时的装配过程。 因接缝处存在错台量会使装配力变小，故只需得到错台量为0 时所需装配力即可。 压缩试验依据GB／T 18 173.4—2010《高分子防水材料第4 部分：盾构法隧道管片用橡胶密封垫》中闭合压缩力模拟试验方法中装置，包括电子万能试验机和压缩模具。

1）电子万能试验机 型号WDW-100L，最大荷载100kN，可输出位移荷载，调速范围0.005 ～500mm／min，位移精度为0.000 1mm，荷载精度为0.000 1kN。 压缩试验过程中可在计算机上实时输出位移-荷载曲线数据。

2）压缩模具 模具沟槽尺寸应与复合式密封垫的截面尺寸相协调，应使密封垫外轮廓线与沟槽内表面紧密贴合。 模具深度应根据密封垫厚度满足可以模拟复合式密封垫正常施工要求的完全闭合情况时的压缩量。 由于混凝土管片制作过程复杂且管片质量难以保证，表面可能会大幅度影响复合式密封垫与沟槽之间的黏结，产生孔洞或裂纹，同时混凝土与复合式密封垫中橡胶的弹性模量差距很大，与复合式密封垫相比混凝土管片可近似为刚体。 为简化试验进程，同时提高试验数据准确性。 综合考虑，选用Q235钢材作为压缩模具的制作材料。 沟槽长度200mm（误差＜1mm），试验实际所需数据为复合式密封垫每延米压缩力，需进行数据处理。 实际工程施工使用的复合式密封垫在压缩过程中的横向位移会被限制，故在压缩模具两端设置与压缩模具尺寸相匹配的端面封板，同样采用Q235 钢材作为制作材料，通过螺栓固定在压缩模具上，模具尺寸如图5 所示，压缩截面如图6 所示。

图5 压缩模具尺寸（单位：cm）Fig.5 Compression mold size（unit：cm）

图6 模具与密封垫压缩截面Fig.6 Compression section of mold and gasket

3.2 压缩试验

3.2.1 试验设计

分别针对经过0，－5，－10，－15，－20℃条件处理后的密封垫进行压缩试验，试验设置3 种加载速率工况，分别为50，20，10mm／min。 每组试验均需重复3 次并对试验结果取平均值。 每组试验结束后，需按步骤重新进行复合式密封垫与装配模具的低温处理。

3.2.2 试验过程

1） 清理压缩模具至表面无灰尘、油污等，裁取5 段200mm 长的复合式密封垫条形试样，做好试验前准备工作。

2） 将复合式密封垫用酚醛胶黏剂粘贴在压缩模具沟槽内，确保复合式密封垫与压缩模具之间没有空隙，然后将其在通风处静置12h。 待其粘贴牢固后（见图7），将黏结好的复合式密封垫同压缩模具一起放置于恒温控制器中24h，进行低温处理（见图8）。

图7 密封垫粘贴Fig.7 Pasting of gasket

图8 压缩试件低温处理Fig.8 Low temperature treatment of compressed specimens

3） 预热运行电子万能试验机，将压缩模具水平居中放置于电子万能试验机上，以1mm／min 的速度调节加载头位置（接触力为0.01kN 时停止），同时清零所有位移和荷载数据，准备加载试验。

4） 加载试样直至压缩位移达到预设值，将加载过程中复合式密封垫的压缩量作为横坐标，万能试验机所施加的压力作为纵坐标，绘制应力-应变曲线。

5） 将复合式密封垫重新放回恒温控制器中进行低温处理后，重复上述试验过程。

4 压缩试验结果分析

4.1 不同温度压下缩试验分析

不同温度下复合式密封垫黏结破坏如图9 所示，在压缩阶段复合式密封垫支腿处发生滑移，甚至黏结面偏转，说明此处已发生黏结强度损失。 但完全压缩后，复合式密封垫支腿处又与沟槽紧密相连，难以判断其具体黏结情况。

图9 不同温度下复合式密封垫黏结破坏对比Fig.9 Comparison of composite bonding damage at different temperatures

通过比较不同温度下的黏结破坏情况可知，温度越低，在压缩阶段产生的黏结破坏越严重。 复合式密封垫支腿处与密封槽的接触面积较小且比较分散；各支腿形状不同，在压缩过程中易发生应力集中现象；复合式密封垫支腿与密封槽之间的刚度差距较大，易发生平面偏转；加之密封垫-密封槽处发生黏结破坏，极有可能会成为防水过程中的薄弱部分。

不同温度下复合式密封垫的压缩试验结果如图10 所示。

图10 不同温度下复合式密封垫压缩试验结果Fig.10 Compression test results of composite gaskets at different temperatures

不同温度下的压缩曲线均可分为3 个阶段：①第1 阶段 压缩量为0 ～6mm 时，压缩曲线较为平缓，近似于线性，这一阶段主要是支腿处承受压缩力，整体未发生大范围的空隙收缩；②第2 阶段压缩量为6 ～10mm 时，曲线上升缓慢，这一阶段的压缩量主要由空隙收缩导致，故在相同的压缩量下，压力增长不明显；③第3 阶段 压缩量为10 ～15mm 时，压缩曲线迅速上升，接近于指数趋势。 此时复合式密封垫内部空隙基本填满，由三元乙丙橡胶和遇水膨胀橡胶直接承受压力。

在0℃时，压缩量为15mm 所需的装配力为34.8kN／m，在－20℃时，压缩量为15mm 所需的装配力为60.2kN／m。 压缩曲线随着温度的降低有斜率增大的趋势，与前文的低温硬度试验结果相吻合。

4.2 不同速率压缩试验分析

不同速率下复合式密封垫的试验数据如图11所示。

图11 不同温度、不同速率下复合式密封垫压缩试验结果Fig.11 Compression test results of composite gaskets at different temperatures at different rates

由图11 可以看出，在0℃和－5℃条件下，压缩速率对复合式密封垫压缩曲线的影响不大。 随着温度降低，压缩速率对复合式密封垫压缩曲线的影响越明显。 －10℃条件下，20mm／min 速率下复合式密封垫压缩15mm 所需要的装配力较50mm／min 下降约6.1%，而10mm／min 速率下复合式密封垫压缩15mm 所需要的装配力较 20mm／min 下降约4.5%；－15℃条件下，20mm／min 速率下复合式密封垫压缩15mm 所需要的装配力较50mm／min 下降约11.6%，而10mm／min 速率下复合式密封垫压缩15mm 所需要的装配力较 20mm／min 下降约6.6%；－20℃条件下，20mm／min 速率下复合式密封垫压缩15mm 所需要的装配力较50mm／min 下降约13.9%，而10mm／min 速率下复合式密封垫压缩15mm 所需要的装配力较20mm／min 下降约9%。

在－10℃时，在20mm／min 的速率下，压缩量为15mm 所需的装配力为44.4kN／m；在10mm／min 的速率下， 压缩量为 15mm 所需的装配力为42.4kN／m。 在－20℃时，在20mm／min 的速率下，压缩量为15mm 所需的装配力为53.12kN／m；在10mm／min 的速率下，压缩量为15mm 所需的装配力为49.31kN／m。 随着温度降低，压缩速率对复合式密封垫所需装配力影响变大。

5 结语

本文依托哈尔滨地铁3 号线某区间隧道工程，以低温条件下装配的预制构件拼装缝处复合式密封垫为研究对象，通过设计开展三元乙丙橡胶低温硬度试验、遇水膨胀橡胶低温硬度试验和复合式密封垫低温压缩试验，研究低温条件下装配的复合式密封垫（EPDM-WSR）的性能，得到了以下结论。

1） 遇水膨胀橡胶及三元乙丙橡胶的邵氏硬度都随着温度的降低而增大，温度每下降5℃，橡胶的邵氏硬度上升（2～3）HA，且2 种橡胶在低温下仍可保持较好的性能，可在低温环境中使用。

2） 观察复合式密封垫低温压缩过程中的受力及变形情况发现，随着温度降低，复合式密封垫与混凝土管片沟槽接触面上黏结强度的破坏程度加剧。 在不同低温条件下，复合式密封垫压缩至相同压缩量所需的压力都随着施加荷载速率的降低而变小。 在－10，－15，－20℃温度条件下，复合式密封垫所需压力的降低幅度大于0，－5℃温度条件下所需压力。

3） 本研究分析了橡胶低温硬度试验、复合式密封垫低温压缩试验，仅可作为复合式密封垫在低温环境下防水性能研究的基础。 由于低温条件下装配的复合式密封垫的防水性能研究较为复杂，后续将利用数值模拟的方法，对低温条件下装配的复合式密封垫的受力状态、防水性能进行更为深入的研究。