王德乾， 宋世雄， 程晉國， 江玉生

(1. 中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司， 北京 102600； 2. 中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院， 北京 100083)

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盾尾密封油脂泵送性測試儀器、測試方法與評價標(biāo)準研究

王德乾1， 宋世雄1， 程晉國2， 江玉生2

(1. 中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司， 北京 102600； 2. 中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院， 北京 100083)

針對目前國內(nèi)盾尾密封油脂的泵送性無精確定量測試設(shè)備、測試方法和評價標(biāo)準的問題，對國內(nèi)外盾尾密封油脂泵送性的測試儀器、測試方法和評價標(biāo)準進行了梳理和對比。根據(jù)課題組對盾尾密封油脂的配方和性能的研究成果，結(jié)合我國盾構(gòu)隧道施工中盾尾密封油脂的具體使用情況，參考ASTM D1092，研制了盾尾密封油脂泵送性的定量測試設(shè)備、給出了測試方法，并推薦了其評價標(biāo)準。為我國制定盾尾密封油脂泵送性指標(biāo)的行業(yè)標(biāo)準提供了借鑒。

盾尾密封油脂； 泵送性； 測試儀器； 毛細管流變儀

0 引言

近年來，隨著地下管廊、城市軌道交通和鐵路隧道的快速發(fā)展，盾構(gòu)法成為了隧道施工的主要方法[1-2]。據(jù)國家發(fā)改委報道，“十三五”期間，國內(nèi)地鐵施工里程將達3 700 km，軌道交通的投資將達4萬億元，其中大部分需要用盾構(gòu)法施工； 在鐵路和公路隧道建設(shè)中，將有1 000 km以上的隧道需要使用盾構(gòu)法施工；在水利工程隧道建設(shè)中，100萬kW以上的水電站引水隧道以每年100 km的速度修建，其中很多工程需要使用盾構(gòu)法施工。盾尾密封油脂被用來填充盾尾鋼絲刷與管片之間的空隙，是盾構(gòu)尾部密封的重要材料之一，屬于消耗材料，市場需求量巨大[3-4]。尤其是越江隧道所需盾構(gòu)直徑大、水壓力高、地層滲透系數(shù)高和地質(zhì)條件異常復(fù)雜，導(dǎo)致施工風(fēng)險、盾尾密封失效風(fēng)險呈指數(shù)級別增長，所以目前所用盾尾密封油脂全部為進口產(chǎn)品[5-7]。目前，國際上對盾尾密封油脂的性能指標(biāo)還未形成統(tǒng)一的標(biāo)準，只有部分企業(yè)和組織對該產(chǎn)品的主要性能進行了評定，尤其是泵送性指標(biāo)，國內(nèi)尚無統(tǒng)一的測試儀器、測試方法和評價標(biāo)準[8-9]。除了上海隧道股份公司給出泵送性的定性描述以及本課題在2014年提出借用測試塑料流動性的熔融指數(shù)儀器定量測試盾尾密封油脂的泵送性[10]之外，暫無其他公司對泵送性測試儀器、方法和標(biāo)準進行過研究。

研究發(fā)現(xiàn)，進口產(chǎn)品能實現(xiàn)“黏、稠、流”3個性能的有機統(tǒng)一，即進口盾尾密封油脂在保持良好流動性的前提下，具有很好的稠度和黏度，從而保證盾尾密封油脂在輸送管道和油脂腔中的流動性、與管片和鋼絲刷之間良好的黏附性以及抗水壓密封性。其綜合性能的體現(xiàn)就是3個性能的相互協(xié)調(diào)、有機統(tǒng)一。另外，產(chǎn)品性能受環(huán)境溫度影響小、使用溫度范圍比較廣，但價格較高，供貨周期較長。而國內(nèi)生產(chǎn)盾尾密封油脂的廠家較多，魚龍混雜，產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，尤其是“黏、稠、流”3個性能很難達到統(tǒng)一，產(chǎn)品性能受環(huán)境溫度影響較大。因此研發(fā)“黏、稠、流”3個性能有機統(tǒng)一的國產(chǎn)盾尾密封油脂和制定其性能指標(biāo)的統(tǒng)一標(biāo)準勢在必行。

本文重點介紹了盾尾密封油脂泵送性能的測試儀器、測試方法和評價標(biāo)準。結(jié)合國內(nèi)施工單位在實際使用油脂過程中積累的經(jīng)驗，課題組首次研制了盾尾密封油脂泵送性能的定量測試儀器、給出了測試方法，并推薦了其評價標(biāo)準，為盡早出臺盾尾密封油脂性能指標(biāo)的行業(yè)標(biāo)準創(chuàng)造了條件。

1 泵送性的相關(guān)測試

盾尾密封油脂是土壓或泥水盾構(gòu)盾尾密封的專用產(chǎn)品，就其泵送性而言，國內(nèi)無統(tǒng)一的定量測試儀器。國外一些盾尾密封油脂的生產(chǎn)廠家借用潤滑脂表觀黏度的測試儀器對其泵送性進行表征，測試裝置[11]如圖1所示。按照ASTM D1092標(biāo)準，在溫度25 ℃和空氣壓力1 MPa的條件下，通過一定孔徑毛細管時的流量(g/min)定量表征盾尾密封油脂流動性的大小。例如，某種進口盾尾密封油脂的泵送性測試指標(biāo)為40～50 g/min[12-14]。

圖1 潤滑脂表觀黏度標(biāo)準測試儀器示意圖

相對于進口產(chǎn)品，國產(chǎn)盾尾密封油脂泵送性指標(biāo)的評價比較混亂。有的廠家給出以g/min為單位的定量數(shù)值；有的廠家給出“中號黃油槍可打出”的定性評價；還有廠家未給出任何油脂泵送性的表征結(jié)果。而課題組在前期的研究中發(fā)現(xiàn)，用于測定塑料流動性的熔體流動速率儀(毛細管直徑2.095 mm)是一種定量測試盾尾密封油脂泵送性的測試儀器[10]，如圖2所示。在溫度25 ℃和空氣壓力1 MPa的條件下，對某進口產(chǎn)品進行了性能測試，所測值為35.3 g/min，與文獻[10]中的40～50 g/min接近。本課題組人員進行了深入研究后發(fā)現(xiàn)，該設(shè)備有3點不足： 1)25 ℃的室內(nèi)溫度不易精確控制，易影響測試數(shù)據(jù)的精度； 2)采用砝碼加壓方法，操作不便，試驗數(shù)據(jù)重復(fù)性欠佳； 3)所測數(shù)值雖然接近40 g/min，但不在40～50 g/min范圍內(nèi)。因此，在北京市科委重大辦課題的資助下，課題組人員參照ASTM D1092研制出了能精確定量測試盾尾密封油脂泵送性的測試儀器。

圖2 熔體流動速率儀

2 泵送性專用測試儀器的研制

參照ASTM D1092，結(jié)合國內(nèi)毛細管流變儀的設(shè)計和使用原理，本課題組人員提出了一種新型的用于定量測試盾尾密封油脂泵送性的毛細管流變儀[15]，其借鑒了ASTM D1092中潤滑脂表觀黏度測試儀器和測試高分子流變性能的毛細管流變儀的原理，如圖3所示。該設(shè)備專用于盾尾密封油脂泵送性的定量測試，可以測試盾構(gòu)用盾尾密封油脂在恒溫(0～50 ℃)、恒壓(0.5～5 MPa)下的泵送性，其詳細結(jié)構(gòu)圖參照實用新型專利[15]。該設(shè)備的成功研制，將填補國內(nèi)無盾尾密封油脂泵送性精確定量測試儀器的空白，為不同油脂廠家進一步研發(fā)高性價比的盾尾密封油脂提供了重要保證。

根據(jù)文獻[10]，某進口產(chǎn)品使用ASTM D1092中潤滑脂表觀黏度測試儀器測得的盾尾密封油脂的泵送性值為40～50 g/min。通過研究ASTM D1092發(fā)現(xiàn)，流出盾尾密封油脂的質(zhì)量與毛細管的長徑比有很大的關(guān)系。在設(shè)計該設(shè)備時，課題組人員參考該標(biāo)準，設(shè)定毛細管(材料為1Cr18Ni9Ti)的直徑為0.38 cm，毛細管內(nèi)孔粗糙度為1.6，長徑比分別為20∶1、25∶1、30∶1和40∶1，選用文獻資料中泵送性值為40～50 g/min的某進口產(chǎn)品作為選擇毛細管長徑比的試驗樣品。其中不同毛細管長徑比條件下的泵送性測試值如表1所示。當(dāng)毛細管長徑比為40∶1時，該進口產(chǎn)品的泵送性測試值為23.8 g/min。隨著長徑比的減小，泵送性測試值不斷增大，主要因為毛細管長徑比越大，物料在毛細管中運動的距離越大，摩擦力越大，每分鐘的流出量越小。當(dāng)長徑比為25∶1時，所測泵送性數(shù)值為42.1 g/min，能與文獻資料報道中的40～50 g/min吻合。所以選擇長徑比為25∶1的毛細管作為毛細管流變儀的專用長徑比，專用于定量測試盾尾密封油脂產(chǎn)品的泵送性。

圖3 盾尾密封油脂泵送性測試專用毛細管流變儀

Fig. 3 Capillary rehometer dedicated to pumpability test of shield tail sealing grease

表1 不同毛細管長徑比條件下的泵送性測試值

Table 1 Pumpability test values with different length-diameter ratios of capillary

毛細管長徑比泵送性測試值/(g/min)20∶151．225∶142．130∶131．940∶123．8

注： 毛細管內(nèi)徑為0.38 cm，毛細管內(nèi)孔粗糙度為1.6，測試溫度為(25±0.1)℃，加載壓力為(1±0.01) MPa，測試前料溫保溫120 min，測試物料為進口產(chǎn)品。

3 泵送性的測試方法

目前，國內(nèi)無統(tǒng)一的盾尾密封油脂泵送性測試方法。結(jié)合本課題組對盾尾密封油脂的研究以及對泵送性定量測試儀器的設(shè)計、研制和使用，總結(jié)了一套盾尾密封油脂泵送性定量測試方法。

1)樣品存放條件。在對盾尾油脂進行性能測試之前，將油脂在標(biāo)準試驗條件下放置48 h，其中標(biāo)準試驗條件為溫度(25±2) ℃，相對濕度為(50±5)%。

2)測試步驟。第1步： 使用帶有推拉活塞的盾尾密封油脂手動加料器從油脂桶中取出一定質(zhì)量的盾尾密封油脂待用；啟動毛細管流變儀，通過控制機械傳動單元將壓料桿從料筒中提出，然后將手動加料器的下端對準料筒的上端，手動推加料器的活塞，將盾尾密封油脂推入料筒中。第2步： 開啟控溫裝置，設(shè)定溫度為(25±0.1) ℃，啟動手動加載，將壓料桿放下至料筒中物料的上表面，排除料筒內(nèi)的氣體，直到有連續(xù)的物料通過毛細管擠出為止。然后設(shè)定壓料桿的壓力為1 MPa，物料在(25±0.1) ℃下保持120 min，啟動自動加載，開始試驗。從0 MPa開始逐漸加壓，當(dāng)加壓到(1±0.01) MPa時，該設(shè)備開始自動計時，此后壓力一直保持(1±0.01) MPa，直到實驗結(jié)束。實驗過程中，每隔1 min取1次流經(jīng)毛細管的盾尾密封油脂稱重，記錄數(shù)值。每次試驗至少取3次，并取平均值，即可得到在該測試條件下的盾尾密封油脂泵送性測試值。

4 泵送性的評價標(biāo)準

就產(chǎn)品本身而言，目前其泵送性具有可參考性的數(shù)值即為某進口產(chǎn)品所提供的在(1±0.01) MPa、(25±0.1) ℃、毛細管內(nèi)徑為0.38 cm、毛細管內(nèi)孔粗糙度為1.6和長徑比為25∶1條件下的測試數(shù)值40 g/min。

進口盾尾密封油脂能達到“黏、稠、流”3個性能的有機結(jié)合，綜合性能好、溫度適應(yīng)性強。進口產(chǎn)品有冬季和非冬季2個配方。根據(jù)課題組實驗人員的測試發(fā)現(xiàn)，進口產(chǎn)品的冬季和非冬季配方在(1±0.01) MPa、(25±0.1) ℃、毛細管內(nèi)徑為0.38 cm、毛細管內(nèi)孔粗糙度為1.6和長徑比為25∶1的條件下的測試值均在40 g/min左右，相差不大，兩者的主要區(qū)別在于稠度。

盾構(gòu)所配套的盾尾密封油脂泵泵出盾尾密封油脂的壓力一般為9～12 MPa，最大可達18 MPa，所以所需盾尾密封油脂的泵送性測試值有一定的范圍，不僅限于40～50 g/min，該數(shù)值可能是進口產(chǎn)品本身比較合理的值而已。國內(nèi)盾尾密封油脂廠家可以將其作為參考，不一定要與其完全一樣。根據(jù)課題組人員在施工現(xiàn)場的了解，施工人員對盾尾密封油脂的流動性要求不一，有的施工人員傾向于流動性好的產(chǎn)品，擔(dān)心發(fā)生堵管現(xiàn)象；有的施工人員則傾向于黏稠度大一些的產(chǎn)品，可以節(jié)約使用量，降低施工成本。為了滿足不同施工人員的要求以及現(xiàn)場施工環(huán)境溫度的變化，目前國產(chǎn)盾尾密封油脂一般分為冬天配方、春秋配方和夏季配方。

課題組將進一步研究國產(chǎn)盾尾密封油脂產(chǎn)品的冬天配方、春秋配方和夏季配方在(1±0.01) MPa、(25±0.1) ℃、毛細管內(nèi)徑為0.38 cm、毛細管內(nèi)孔粗糙度為1.6和長徑比為25∶1條件下的泵送性測試儀器的測試數(shù)值，為施工人員提供一個在不同季節(jié)所使用的盾尾密封油脂泵送性的范圍，協(xié)助施工單位優(yōu)選性價比較高的產(chǎn)品，整體上降低施工風(fēng)險，降低材料成本。

5 結(jié)論與建議

1)參考國內(nèi)外對盾尾密封油脂的研究資料，結(jié)合課題組對該產(chǎn)品的研發(fā)和使用情況，設(shè)計并研制了盾尾密封油脂泵送性的定量測試儀器——專用毛細管流變儀。當(dāng)毛細管內(nèi)徑為0.38 cm、毛細管內(nèi)孔粗糙度為1.6時，優(yōu)選出了毛細管的長徑比為25∶1，該設(shè)備的成功研制將填補國內(nèi)無定量測試盾尾密封油脂泵送性性能的空白。

2)結(jié)合課題組研制的盾尾密封油脂泵送性測試設(shè)備，以及對盾尾密封油脂產(chǎn)品泵送性的試驗測試，首次總結(jié)了一套精確測試盾尾密封油脂泵送性的試驗方法，為國內(nèi)盾尾密封油脂生產(chǎn)企業(yè)提供了借鑒。

3)建議盾尾密封油脂產(chǎn)品的泵送性測試值可以參考進口產(chǎn)品的測試指標(biāo)40～50 g/min，但也要根據(jù)現(xiàn)場的施工需求調(diào)整配方，所調(diào)配方產(chǎn)品需要在(1±0.01) MPa、溫度為(25±0.1) ℃、毛細管內(nèi)徑為0.38 cm、毛細管內(nèi)孔粗糙度為1.6和長徑比為25∶1 條件下使用泵送性測試儀器測試其泵送性，將所得結(jié)果與進口產(chǎn)品的測試值進行比對，保證產(chǎn)品的順利使用。

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Study of Test Devices, Methods and Evaluation Criteria for Pumpability of Shield Tail Sealing Grease

WANG Deqian1, SONG Shixiong1, CHENG Jinguo2, JIANG Yusheng2

(1.ChinaRailwayFifthSurveyandDesignInstituteGroupCo.,Ltd.,Beijing102600,China; 2.SchoolofMechanicsandCivilEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing),Beijing100083,China)

In light of that there are not any precise and quantificational test device, method and evaluation criteria for the pumpability of shield tail sealing grease at present, therefore the test devices, methods and evaluation criteria for the pumpability of shield tail sealing grease in China and abroad are reviewed. And then, a series of test devices, methods and evaluation criteria for the pumpability of shield tail sealing grease are developed based on study results of mixing materials, properties and application of shield tail sealing grease and ASTM D1092. The results can provide reference for decision of criteria for the pumpability of shield tail sealing grease in China.

shield tail sealing grease; pumpability; test device; capillary rheometer

2016-06-13;

2016-07-26

北京市科委重大辦項目(Z151100002715016)

王德乾(1981—)，男，山東濰坊人， 2011年畢業(yè)于中國科學(xué)院化學(xué)研究所，高分子化學(xué)與物理專業(yè)，博士，高級工程師，主要從事隧道工程高分子材料制品的研發(fā)工作。E-mail: wangdeqian@t5y.cn。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.03.007

U 453

A

1672-741X(2017)03-0303-04