王德乾

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

0 引言

盾尾密封油脂是盾构尾部密封的重要材料，用来填充盾尾钢丝刷与管片之间的空隙。密封油脂与钢丝刷结合形成的盾尾密封层能有效阻止泥浆和地下水的入侵，使盾构的尾部实现密封。目前，国际上对于盾尾密封油脂的性能指标还没有形成统一的标准，只有部分企业和组织对该产品的主要性能进行了评定，如文献［1］阐述了盾尾密封油脂抗水压密封性的测试仪器、条件、方法以及评价标准等;文献［2－5］介绍了盾尾密封油脂重要指标的测试方法等。但各方对盾尾密封油脂同一性能指标的测试和评定并不一致，这导致了国内市场上盾尾密封油脂质量良莠不齐。

目前，国外品牌的盾尾密封油脂质量较好，但价格偏高，供货周期较长;国内盾尾密封油脂厂家较多，但质量良莠不齐。随着我国城镇化速度的加快，城市轨道交通蓬勃发展，利用盾构进行全断面施工成为地下施工的主流，盾尾密封油脂作为盾构施工的消耗品，其需求量在大大增加。因此，研发性能优异的国产盾尾密封油脂和制定其性能指标的统一标准势在必行。

本文重点分析盾尾密封油脂的2个重要性能指标(抗水压密封性和泵送性)的国内外测试仪器、方法和评价标准，结合国内实际使用油脂积累的经验，推荐了2个重要指标的检验标准，为尽早出台盾尾密封油脂性能指标的国家标准打下了基础。

1 国内外抗水压密封性的测试

1.1 欧洲标准

EFNARC是由5个国际贸易联合体(代表专用建筑产品的生产商和使用者)于1989年建立的，因在软基隧道、喷射混凝土和自密实混凝土方面出色的规范和准则具有良好的国际声誉。EFNARC于2005年编制了《TBM盾构机在软基和硬岩中掘进时专用产品的使用说明和准则》，该准则详细阐述了盾尾密封油脂抗水压密封性的测试装置、条件、方法和评价标准等。其中，该测试装置是一个直径为50 mm的金属或有机玻璃圆柱筒，其顶部设有一个进风口，底部贴有一层孔径为1 mm或0.5 mm的金属网(该金属网用于为模拟盾尾刷的钢丝束)，具体装置如图1所示。

图1 EFNARC中抗水压密封装置的示意图Fig.1 Device for test on water-tightness of grease under high pressure in EFNARC

测试方法是在金属网(选择合适的金属网孔径)上面铺一层25 mm厚的盾尾密封油脂，油脂上方充满水，然后在水面加0.8 MPa的空气压力，用于测定水开始从底部流出的时间。抗水压密封性的评价如表1所示。当选择1.0 mm孔径的金属网时，如果油脂在0.8 MPa的空气压力下保压5 min以上不漏水，则说明油脂的抗水压密封性很好;当选择0.5 mm孔径的金属网时，油脂在0.8 MPa的空气压力下保压5 min以上不漏水，说明油脂的抗水压密封性较好;当选择0.5 mm孔径的金属网时，油脂在0.8 MPa的空气压力下保压5 min以内漏水，说明油脂的抗水压密封性一般。

表1 EFNARC中盾尾密封油脂抗水压密封性的测试条件及评价［1］Table 1 Test conditions and evaluations of water-tightness of grease under high pressure in EFNARC［1］

1.2 美国专利

Jacopo Franchini等对盾尾密封油脂的抗水压密封性进行了深入的研究，并提出了相关的测试装置、条件、方法及产品评价。其测试装置和方法与EFNARC的一致，如图2所示。测试条件和评价方法如表2所示。在0.8 MPa的空气压力保压30 min后，测量圆柱体底部流出水的体积。当流出体积超过10 mL，该油脂的抗水压密封性很差;当体积为3～10 mL，其抗水压密封性较好;当体积在3 mL以下时，其抗水压密封性很好。

图2 美国专利中抗水压密封测试装置的示意图［2］Fig.2 Device for test on water-tightness of grease under high pressure in US patent［2］

表2 美国专利中盾尾密封油脂抗水压密封性的测试条件及评价［2－4］Table 2 Test conditions and evaluations of water-tightness of grease under high pressure in US patent［2－4］

1.3 日本松井公司

日本松井公司研发的盾尾密封油脂抗水压测试装置与美国和欧洲的类似，如图3所示。只是外加压力达到3.5 MPa(有的文献为3.4 MPa)，且金属网的孔径为20目(0.84 mm)。朱祖熹教授认为该压力太大，实际意义不明显［5］。在国内隧道建设的实际使用中，普通埋深(20～30 m)下，所设置的同步注浆压力为0.4～0.5 MPa;在某些过江过河的深度埋深(50～60 m)下，所设置的同步注浆压力为0.7～0.8 MPa;只有在油脂泵注入油脂的瞬间，压力可能达到3.0 MPa。因此，设置3.5 MPa的测试压力确实过大，意义也不明显。另外，一味追求超强的抗水压性能势必会牺牲油脂的泵送性和油脂配方的选择性。以安全系数为2计，推荐盾尾密封油脂抗水压密封性的测试压力为1.6 MPa。

1.4 中铁五院集团公司

中铁五院参考欧美日等地区和国家的盾尾密封油脂抗水压密封测试装置的设计原理，借鉴其国内测试装置的结构外形［5－6］，自制了油脂抗水压密封装置，如图4所示。该装置用3层且目数较大的金属网模拟盾构机施工中密封装置的盾尾刷钢丝束结构，较之国外的一层且目数较小的金属网更接近实际［4］。测试过程是将一定量盾尾密封油脂置于油脂腔中，施加3.5 MPa的空气压力以检测油脂是否漏水。如果不漏水，则表明油脂的抗水压密封性满足实际使用要求［7］。

图3 日本松井公司的抗水压密封装置示意图［5］Fig.3 Device for test on water-tightness of grease under high pressure from Matsui company［5］

图4 中铁五院的盾尾密封油脂抗水压密封的测试装置图［7］Fig.4 Device for test on water-tightness of grease under high pressure from China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.［7］

通过对欧美日以及国内的抗水压密封装置的进一步了解，参照欧美日的测试仪器和测试方法，结合国内隧道施工中盾尾密封油脂的实际使用情况，并借鉴朱祖熹教授的“测试压力太大，意义不大”的观点，推荐抗水压密封性的测试仪器、方法及评价为:

测试装置是一个内径为50 mm的金属圆柱筒，顶部设1个进风口，底部贴3层200目(0.075 mm)的金属网(该金属网用于模拟盾尾刷的钢丝束)。在网上面铺一层25 mm厚的盾尾密封油脂，油脂上方充满水，然后施加1.6 MPa的空气压力。若在1.6 MPa的空气压力下保压30 min不漏水，且在3.5 MPa的空气压力下瞬间不漏水，则说明盾尾密封油脂的抗水压密封性优良。

2 国内外泵送性的相关测试

盾尾密封油脂是土压盾构盾尾密封的专用产品，就其泵送性而言，目前没有标准的测试仪器。国外一些盾尾密封油脂的生产厂家借用润滑脂表观黏度的标准测试仪器对其泵送性进行表征，该测试装置如图5所示。按照ASTM D1092标准，盾尾密封油脂在25℃和1.0 MPa的空气压力条件下，通过一定孔径毛细管时的流量(g/min)，可以定量表征油脂流动性的大小。

图5 润滑脂表观黏度的标准测试仪器示意图［8］Fig.5 Device for standard test on apparent viscosity of grease［8］

相比于国外，国产盾尾密封油脂泵送性指标的评价比较混乱。有的厂家给出以g/min为单位的定量数值，有的厂家给出“中号黄油枪可打出”的定性评价，有的厂家没有给出任何油脂泵送性的表征结果。笔者就该情况进行了详细的调研，从上海人和仪器有限公司的专业仪器部门得知，应用于ASTM D1092中润滑脂表观黏度测试仪器的真空泵已经停产，目前该设备处于停售状态。笔者又询问了中国科学院化学研究所、中国科学院理化技术研究所、北京大学化学学院、北京理化分析中心和青岛科标化工有限公司等单位的相关人员，他们对美国标准ASTM D1092中的设备都不了解。因此，虽然国外一些企业利用该设备测试出了盾尾密封油脂的泵送性为40～50 g/min［5，9－10］，但由于国内买不到相同的设备，所以才出现了国产盾尾密封油脂泵送性指标不统一的混乱局面。综上所述，找到一个代替该设备的仪器用于盾尾密封油脂泵送性的表征尤为重要。

笔者采用中国科学院化学研究所的熔体流动速率仪(毛细管直径为2.095 mm)，在25℃和1.0 MPa的空气压力条件下，对盾尾密封油脂的泵送性进行了定量测试(如图6所示)。结果显示，自制产品WY－I、WY－II的泵送性分别为2.72 g/min和3.30 g/min，法国CONDAT产品的泵送性为14.86 g/min［7］。该测试结果与CONDAT产品在文献资料中报道的40～50 g/min［5，9－10］相差很大。近期笔者在盾尾密封油脂配方的进一步优化实验中发现，此前文章中泵送性的测试压力并不是1.0 MPa，而是0.5 MPa。这是笔者疏忽所致，借此做出修正。

对自制产品WY－I、WY－II、国产产品和法国CONDAT产品的泵送性重新进行表征，自制产品、国产产品和法国CONDAT产品泵送性测定的结果如表3所示。在测试温度25℃和测试压力1.0 MPa的条件下，自制产品WY－I、WY－II的泵送性结果分别为28.7 g/min和34.6 g/min，法国CONDAT产品的结果为35.3 g/min，该数值与文献资料报道的泵送性数值40～50 g/min［5，9－10］相近。

图6 熔体流动速率仪［7］Fig.6 Melt flow rate test device［7］

表3 自制盾尾密封油脂与国产产品、CONDAT产品的泵送性对比Table 3 Comparison and contrast among self-made grease，other grease made in China and grease made from CONDAT in terms of pumpability (g/min)

因此，国内科研机构、大学和第三方检测机构在没有美国标准ASTM D1092中的设备时，可以依靠现有的设备对盾尾密封油脂的泵送性进行表征。例如，在测试温度25℃和测试压力1.0 MPa的条件下，利用盾尾密封油脂通过熔体流动速率仪2.095 mm孔径毛细管的流量来表征其泵送性，以g/min表示。使用该方法测试盾尾密封油脂的泵送性可以作为一种标准方法的参考，对国产盾尾密封油脂泵送性指标的统一具有实际意义。

3 结论与建议

1)参考国内外对盾尾密封油脂的研究资料，结合中铁五院对该产品的研发和使用情况，推荐盾尾密封油脂抗水压密封性的测试仪器、测试方法与评价结果如下:测试装置是一个内径为50 mm的金属圆柱筒，底部贴有3层200目(0.075 mm)的金属网。网上铺一层25 mm厚的盾尾密封油脂，油脂上方充满水并施加1.6 MPa的空气压力。试验在1.6 MPa的空气压力下保压30 min不漏水，在3.5 MPa的空气压力下瞬间不漏水，说明盾尾密封油脂的抗水压密封性优良。

2)参考国内外对盾尾密封油脂的研究资料，结合中铁五院对该产品的研发和使用情况，推荐盾尾密封油脂泵送性的测试仪器、方法与评价如下:在测试温度为25℃和测试压力为1.0 MPa的条件下，盾尾密封油脂通过熔体流动速率仪2.095 mm孔径毛细管时的流量来表征其泵送性的大小，以g/min表示。若该数值达到30 g/min以上时，说明盾尾密封油脂的泵送性很好。

3)目前国内市场上，国产盾尾密封油脂性能指标及测试方法不统一导致质量良莠不齐，且国产盾尾密封油脂一般应用于普通埋深(20～30 m)或普通地层(含水率较小、渗透性较小及施工工况较好)，而大埋深(50～60 m)或复杂地层(含水率较大、渗透性较大及施工工况相对复杂)主要使用国外产品。本文的主要目的是希望同行们能够相互学习借鉴，充分了解盾尾密封油脂性能指标的测试原理与方法、测试设备与评价，逐渐形成统一的标准，继而不断优化产品配方，最终把国产产品做优做强，来满足国内大埋深或复杂地层下施工的需要。

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