盾構(gòu)隧道復(fù)合式密封墊低溫性能試驗(yàn)研究?

石立民，杜有超，張望遠(yuǎn)，王紹君，孔祥勛，3，張藝帆，3，郭騰博

（1.中交第一航務(wù)工程局有限公司， 天津 300461； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)重慶研究院，重慶 401135）

0 引言

盾構(gòu)隧道滲漏水問(wèn)題是影響其正常工作與使用壽命的關(guān)鍵問(wèn)題之一［1］，主要依靠拼裝縫處的橡膠密封墊進(jìn)行防水。 在低溫環(huán)境下，橡膠材料能否保持優(yōu)秀力學(xué)性能的關(guān)鍵在于橡膠是否還能夠保持一定的彈性，具備正常的工作能力。 隨著溫度逐漸降低，橡膠硬度變大、彈性降低，尤其受到硫化作用的橡膠在動(dòng)荷載作用下難以實(shí)現(xiàn)在低溫條件下保持彈性［2］。

國(guó)內(nèi)外有很多學(xué)者對(duì)橡膠的低溫性能進(jìn)行研究。 王進(jìn)文［3］通過(guò)試驗(yàn)得到在低溫環(huán)境下，橡膠的硫化體系對(duì)膠料的強(qiáng)度和耐疲勞性有很大影響，高硫體系的膠料動(dòng)態(tài)模量的增加幅度較小。 余惠琴等［4］通過(guò)低溫改性天然橡膠剪切試驗(yàn)得到結(jié)論：在常溫下，低溫改性天然橡膠剪切性能與天然橡膠相差不大，而在－30℃至常溫的溫度范圍內(nèi)，低溫改性天然橡膠的剪切性能明顯優(yōu)于天然橡膠［5］。Stevenson 等［6］通過(guò)觀察低溫條件下試樣的結(jié)晶情況測(cè)量低溫狀態(tài)下試樣的壓縮變形，研究其低溫性能。 Fuller 等［7］通過(guò)低溫條件下橡膠體積及密度的變化，表征其結(jié)晶情況，通過(guò)分析天然橡膠在低溫壓縮條件下的應(yīng)力分布研究其低溫狀態(tài)下的力學(xué)性能。 Ikeda 等［8］在硫化體系中添加過(guò)氧化物，并采用XRD 方法對(duì)低溫狀態(tài)下天然橡膠的結(jié)晶情況進(jìn)行表征。 Schrijvers 等［9］通過(guò)在橡膠成分中添加硬脂酸觀察其對(duì)橡膠低溫結(jié)晶過(guò)程的影響，發(fā)現(xiàn)硬脂酸含量的高低影響橡膠低溫結(jié)晶過(guò)程的快慢。Chenal 等［10］通過(guò)改變加入填充物的量觀察天然橡膠的低溫結(jié)晶過(guò)程發(fā)現(xiàn)，填充體系對(duì)天然橡膠的低溫結(jié)晶過(guò)程有很大影響。 Wood 等［11］通過(guò)在不同溫度下觀察天然橡膠的結(jié)晶狀態(tài)發(fā)現(xiàn)，在－50 ～15℃的溫度范圍內(nèi)，天然橡膠都可能發(fā)生結(jié)晶現(xiàn)象，但當(dāng)溫度為－20℃時(shí)，結(jié)晶過(guò)程中天然橡膠的體積會(huì)增大。 鄭華等［12］通過(guò)進(jìn)行低溫橡膠的可靠性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)低溫橡膠的結(jié)晶狀態(tài)進(jìn)行表征時(shí)需要其在低溫環(huán)境持續(xù)一段時(shí)間，短時(shí)間的低溫橡膠結(jié)晶試驗(yàn)不能準(zhǔn)確表征其結(jié)晶狀態(tài)。 劉莉等［13］通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，橡膠的低溫性能主要取決于橡膠結(jié)構(gòu)主鏈與側(cè)鏈分子的運(yùn)動(dòng)性，通過(guò)化學(xué)改性、共混改性等方式可以有效提高橡膠的低溫性能。 陳平［14］通過(guò)試驗(yàn)得到結(jié)論：填充劑的補(bǔ)強(qiáng)性直接影響橡膠的低溫結(jié)晶性能，補(bǔ)強(qiáng)性越高，橡膠的低溫結(jié)晶就越容易發(fā)生，低溫性能越差。 橡膠的硫化體系同樣對(duì)其低溫結(jié)晶性能存在較大影響，加入硫化促進(jìn)劑A 可以改善橡膠的低溫結(jié)晶性能。 國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者已對(duì)橡膠密封墊的防水性能開(kāi)展了相關(guān)研究工作［15-16］，然而針對(duì)低溫環(huán)境下施工的裝配式結(jié)構(gòu)拼裝縫的防水性能研究開(kāi)展較少。

本文針對(duì)由三元乙丙橡膠和遇水膨脹橡膠通過(guò)硫化作用制作的復(fù)合式密封墊，對(duì)不同低溫條件下的2 種橡膠進(jìn)行硬度試驗(yàn)，得到其硬度參數(shù)。 同時(shí)對(duì)不同低溫條件下的復(fù)合式密封墊進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，得到相應(yīng)的壓縮量-壓力曲線，分析荷載施加速率對(duì)密封墊低溫壓縮性能的影響。

1 工程概況

哈爾濱地鐵3 號(hào)線某區(qū)間隧道工程周圍地層以砂土為主，鄰近河流，側(cè)向補(bǔ)水條件充分，地下水位常年較高，盾構(gòu)始發(fā)風(fēng)險(xiǎn)極高。 為保證盾構(gòu)安全始發(fā)，采用人工凍結(jié)法對(duì)地層進(jìn)行加固。 管片密封防水墊在低溫環(huán)境的裝配性能直接影響其防水效果。

復(fù)合式密封墊由三元乙丙橡膠（EPDM）和遇水膨脹橡膠（WSR）兩部分組成。 三元乙丙橡膠具有耐腐蝕性、耐臭氧性、耐老化性，分子內(nèi)聚能低，分子鏈可在較大范圍內(nèi)保持柔順，因此彈性較佳且在低溫下仍能保持，但由于其分子結(jié)構(gòu)中缺少活性基團(tuán)，黏結(jié)性較差。 遇水膨脹橡膠由吸水性材料和合成橡膠制成，能夠在吸水后膨脹產(chǎn)生變形，可填充接觸面的裂縫、孔洞等，增大接觸應(yīng)力，提高防水能力。 將兩部分通過(guò)硫化作用結(jié)合在一起制成復(fù)合式密封墊，不僅有較好的密封效果，保證初次防水能力，并且能在遇水膨脹后產(chǎn)生額外應(yīng)力，提供二次防水能力。

2 橡膠低溫硬度試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)按GB／T 531.1—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓入硬度試驗(yàn)方法第1 部分：邵氏硬度計(jì)法（邵爾硬度）》中要求，使用測(cè)量范圍為10 ～90HA、壓針行程為0 ～3.2mm、針頭尺寸為0.79mm 的邵氏A 型硬度計(jì)；使用型號(hào)為CD3092 的恒溫控制器進(jìn)行低溫處理；按照規(guī)范要求選用尺寸為200mm×200mm×6mm 的三元乙丙橡膠及200mm×30mm×20mm 的遇水膨脹橡膠。

1） 將符合尺寸要求的橡膠試樣按照規(guī)范要求放于恒溫控制器中，控制溫度為0，－5，－10，－15，－20℃，分別放置24h 進(jìn)行低溫處理。

2） 將試樣放置于平整、堅(jiān)硬的表面上，盡可能快速地將壓足壓到試樣上。 橡膠試樣在壓縮過(guò)程中應(yīng)保證無(wú)振動(dòng)，并保持壓足與試樣表面平行，以確定壓針垂直于橡膠表面。

3） 對(duì)于硫化橡膠，當(dāng)壓足和試樣緊密接觸后，保持3s 后讀數(shù)。

4） 在試樣表面不同位置進(jìn)行5 次測(cè)量取平均值，每個(gè)測(cè)量位置距離試樣邊緣至少12mm 且不同測(cè)量位置相距至少6mm。 在壓針上施加的彈試驗(yàn)力F（單位為mN）和邵氏A 型硬度計(jì)的示值應(yīng)遵循式（1）。

式中：HA為邵氏A 型硬度計(jì)讀數(shù)。

2.2 三元乙丙橡膠低溫硬度試驗(yàn)

三元乙丙橡膠的低溫處理過(guò)程如圖1 所示，將三元乙丙橡膠試樣放置低溫恒溫箱內(nèi)靜置24h。 三元乙丙橡膠的硬度測(cè)試試驗(yàn)過(guò)程如圖2 所示，確保測(cè)量過(guò)程中壓針始終垂直刺入橡膠內(nèi)部，5 次測(cè)量位置的選取應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范要求。 同時(shí)測(cè)量過(guò)程應(yīng)盡量迅速，保證邵氏A 型硬度計(jì)計(jì)數(shù)準(zhǔn)確的同時(shí)也避免環(huán)境溫度對(duì)橡膠溫度產(chǎn)生較大誤差。

圖1 三元乙丙橡膠低溫處理Fig.1 EPDM rubber low-temperature treatment

圖2 三元乙丙橡膠硬度測(cè)試Fig.2 EPDM rubber hardness test

若邵氏A 型硬度計(jì)測(cè)量結(jié)果超過(guò)90HA，則需用邵氏D 型硬度計(jì)重新測(cè)量。 三元乙丙橡膠低溫硬度試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示，滿足規(guī)范要求。

表1 三元乙丙橡膠各溫度下邵氏硬度試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Shore hardness of EPDM rubber at various temperaturesHA

2.3 遇水膨脹橡膠硬度試驗(yàn)

遇水膨脹橡膠的低溫處理過(guò)程如圖3 所示，將遇水膨脹橡膠試樣放置低溫恒溫箱內(nèi)靜置24h。 遇水膨脹橡膠的硬度測(cè)試試驗(yàn)過(guò)程如圖4 所示，確保測(cè)量過(guò)程中壓針始終垂直刺入橡膠內(nèi)部，5 次測(cè)量位置的選取應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范要求。 同時(shí)測(cè)量過(guò)程應(yīng)盡量迅速，保證邵氏A 型硬度計(jì)讀數(shù)準(zhǔn)確的同時(shí)，也避免環(huán)境溫度對(duì)橡膠溫度產(chǎn)生較大誤差。在－20 ～0℃范圍內(nèi)，三元乙丙橡膠和遇水膨脹橡膠都隨著溫度的降低，邵氏硬度逐漸變高。 溫度每下降5℃，邵氏硬度上升（2 ～3）HA。 而且在同一溫度條件下，5 次測(cè)量值之間的絕對(duì)誤差值小于5HA，說(shuō)明選擇的三元乙丙橡膠和遇水膨脹橡膠的材料質(zhì)地較為均勻，采用的邵氏A 型硬度計(jì)測(cè)量值穩(wěn)定。低溫處理后的三元乙丙橡膠和遇水膨脹橡膠雖然力學(xué)性能發(fā)生變化，但仍符合質(zhì)量要求，說(shuō)明三元乙丙橡膠和遇水膨脹橡膠在－20 ～0℃低溫條件下，仍保持良好的力學(xué)性能，不影響實(shí)際工程使用。 遇水膨脹橡膠低溫硬度試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示，滿足規(guī)范要求。

表2 遇水膨脹橡膠各溫度下邵氏硬度試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Shore hardness of WSR at various temperatures HA

圖3 遇水膨脹橡膠低溫處理Fig.3 WSR low-temperature treatment

圖4 遇水膨脹橡膠硬度測(cè)試Fig.4 WSR hardness test

3 復(fù)合式密封墊低溫壓縮試驗(yàn)

本節(jié)通過(guò)不同溫度下復(fù)合式密封墊的壓縮試驗(yàn)，得到不同溫度下復(fù)合式密封墊壓縮時(shí)的壓縮量-壓力曲線。

3.1 試驗(yàn)原理及設(shè)備

為得到低溫條件下管片拼裝縫處復(fù)合式密封墊裝配所需的裝配力，使用與混凝土管片相同截面尺寸的鋼板進(jìn)行不同溫度下的壓縮試驗(yàn)，模擬實(shí)際施工時(shí)的裝配過(guò)程。 因接縫處存在錯(cuò)臺(tái)量會(huì)使裝配力變小，故只需得到錯(cuò)臺(tái)量為0 時(shí)所需裝配力即可。 壓縮試驗(yàn)依據(jù)GB／T 18 173.4—2010《高分子防水材料第4 部分：盾構(gòu)法隧道管片用橡膠密封墊》中閉合壓縮力模擬試驗(yàn)方法中裝置，包括電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和壓縮模具。

1）電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī) 型號(hào)WDW-100L，最大荷載100kN，可輸出位移荷載，調(diào)速范圍0.005 ～500mm／min，位移精度為0.000 1mm，荷載精度為0.000 1kN。 壓縮試驗(yàn)過(guò)程中可在計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)輸出位移-荷載曲線數(shù)據(jù)。

2）壓縮模具 模具溝槽尺寸應(yīng)與復(fù)合式密封墊的截面尺寸相協(xié)調(diào)，應(yīng)使密封墊外輪廓線與溝槽內(nèi)表面緊密貼合。 模具深度應(yīng)根據(jù)密封墊厚度滿足可以模擬復(fù)合式密封墊正常施工要求的完全閉合情況時(shí)的壓縮量。 由于混凝土管片制作過(guò)程復(fù)雜且管片質(zhì)量難以保證，表面可能會(huì)大幅度影響復(fù)合式密封墊與溝槽之間的黏結(jié)，產(chǎn)生孔洞或裂紋，同時(shí)混凝土與復(fù)合式密封墊中橡膠的彈性模量差距很大，與復(fù)合式密封墊相比混凝土管片可近似為剛體。 為簡(jiǎn)化試驗(yàn)進(jìn)程，同時(shí)提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。 綜合考慮，選用Q235鋼材作為壓縮模具的制作材料。 溝槽長(zhǎng)度200mm（誤差＜1mm），試驗(yàn)實(shí)際所需數(shù)據(jù)為復(fù)合式密封墊每延米壓縮力，需進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。 實(shí)際工程施工使用的復(fù)合式密封墊在壓縮過(guò)程中的橫向位移會(huì)被限制，故在壓縮模具兩端設(shè)置與壓縮模具尺寸相匹配的端面封板，同樣采用Q235 鋼材作為制作材料，通過(guò)螺栓固定在壓縮模具上，模具尺寸如圖5 所示，壓縮截面如圖6 所示。

圖5 壓縮模具尺寸（單位：cm）Fig.5 Compression mold size（unit：cm）

圖6 模具與密封墊壓縮截面Fig.6 Compression section of mold and gasket

3.2 壓縮試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

分別針對(duì)經(jīng)過(guò)0，－5，－10，－15，－20℃條件處理后的密封墊進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)置3 種加載速率工況，分別為50，20，10mm／min。 每組試驗(yàn)均需重復(fù)3 次并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果取平均值。 每組試驗(yàn)結(jié)束后，需按步驟重新進(jìn)行復(fù)合式密封墊與裝配模具的低溫處理。

3.2.2 試驗(yàn)過(guò)程

1） 清理壓縮模具至表面無(wú)灰塵、油污等，裁取5 段200mm 長(zhǎng)的復(fù)合式密封墊條形試樣，做好試驗(yàn)前準(zhǔn)備工作。

2） 將復(fù)合式密封墊用酚醛膠黏劑粘貼在壓縮模具溝槽內(nèi)，確保復(fù)合式密封墊與壓縮模具之間沒(méi)有空隙，然后將其在通風(fēng)處?kù)o置12h。 待其粘貼牢固后（見(jiàn)圖7），將黏結(jié)好的復(fù)合式密封墊同壓縮模具一起放置于恒溫控制器中24h，進(jìn)行低溫處理（見(jiàn)圖8）。

圖7 密封墊粘貼Fig.7 Pasting of gasket

圖8 壓縮試件低溫處理Fig.8 Low temperature treatment of compressed specimens

3） 預(yù)熱運(yùn)行電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，將壓縮模具水平居中放置于電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上，以1mm／min 的速度調(diào)節(jié)加載頭位置（接觸力為0.01kN 時(shí)停止），同時(shí)清零所有位移和荷載數(shù)據(jù)，準(zhǔn)備加載試驗(yàn)。

4） 加載試樣直至壓縮位移達(dá)到預(yù)設(shè)值，將加載過(guò)程中復(fù)合式密封墊的壓縮量作為橫坐標(biāo)，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)所施加的壓力作為縱坐標(biāo)，繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

5） 將復(fù)合式密封墊重新放回恒溫控制器中進(jìn)行低溫處理后，重復(fù)上述試驗(yàn)過(guò)程。

4 壓縮試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 不同溫度壓下縮試驗(yàn)分析

不同溫度下復(fù)合式密封墊黏結(jié)破壞如圖9 所示，在壓縮階段復(fù)合式密封墊支腿處發(fā)生滑移，甚至黏結(jié)面偏轉(zhuǎn)，說(shuō)明此處已發(fā)生黏結(jié)強(qiáng)度損失。 但完全壓縮后，復(fù)合式密封墊支腿處又與溝槽緊密相連，難以判斷其具體黏結(jié)情況。

圖9 不同溫度下復(fù)合式密封墊黏結(jié)破壞對(duì)比Fig.9 Comparison of composite bonding damage at different temperatures

通過(guò)比較不同溫度下的黏結(jié)破壞情況可知，溫度越低，在壓縮階段產(chǎn)生的黏結(jié)破壞越嚴(yán)重。 復(fù)合式密封墊支腿處與密封槽的接觸面積較小且比較分散；各支腿形狀不同，在壓縮過(guò)程中易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象；復(fù)合式密封墊支腿與密封槽之間的剛度差距較大，易發(fā)生平面偏轉(zhuǎn)；加之密封墊-密封槽處發(fā)生黏結(jié)破壞，極有可能會(huì)成為防水過(guò)程中的薄弱部分。

不同溫度下復(fù)合式密封墊的壓縮試驗(yàn)結(jié)果如圖10 所示。

圖10 不同溫度下復(fù)合式密封墊壓縮試驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Compression test results of composite gaskets at different temperatures

不同溫度下的壓縮曲線均可分為3 個(gè)階段：①第1 階段 壓縮量為0 ～6mm 時(shí)，壓縮曲線較為平緩，近似于線性，這一階段主要是支腿處承受壓縮力，整體未發(fā)生大范圍的空隙收縮；②第2 階段壓縮量為6 ～10mm 時(shí)，曲線上升緩慢，這一階段的壓縮量主要由空隙收縮導(dǎo)致，故在相同的壓縮量下，壓力增長(zhǎng)不明顯；③第3 階段 壓縮量為10 ～15mm 時(shí)，壓縮曲線迅速上升，接近于指數(shù)趨勢(shì)。 此時(shí)復(fù)合式密封墊內(nèi)部空隙基本填滿，由三元乙丙橡膠和遇水膨脹橡膠直接承受壓力。

在0℃時(shí)，壓縮量為15mm 所需的裝配力為34.8kN／m，在－20℃時(shí)，壓縮量為15mm 所需的裝配力為60.2kN／m。 壓縮曲線隨著溫度的降低有斜率增大的趨勢(shì)，與前文的低溫硬度試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

4.2 不同速率壓縮試驗(yàn)分析

不同速率下復(fù)合式密封墊的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖11所示。

圖11 不同溫度、不同速率下復(fù)合式密封墊壓縮試驗(yàn)結(jié)果Fig.11 Compression test results of composite gaskets at different temperatures at different rates

由圖11 可以看出，在0℃和－5℃條件下，壓縮速率對(duì)復(fù)合式密封墊壓縮曲線的影響不大。 隨著溫度降低，壓縮速率對(duì)復(fù)合式密封墊壓縮曲線的影響越明顯。 －10℃條件下，20mm／min 速率下復(fù)合式密封墊壓縮15mm 所需要的裝配力較50mm／min 下降約6.1%，而10mm／min 速率下復(fù)合式密封墊壓縮15mm 所需要的裝配力較 20mm／min 下降約4.5%；－15℃條件下，20mm／min 速率下復(fù)合式密封墊壓縮15mm 所需要的裝配力較50mm／min 下降約11.6%，而10mm／min 速率下復(fù)合式密封墊壓縮15mm 所需要的裝配力較 20mm／min 下降約6.6%；－20℃條件下，20mm／min 速率下復(fù)合式密封墊壓縮15mm 所需要的裝配力較50mm／min 下降約13.9%，而10mm／min 速率下復(fù)合式密封墊壓縮15mm 所需要的裝配力較20mm／min 下降約9%。

在－10℃時(shí)，在20mm／min 的速率下，壓縮量為15mm 所需的裝配力為44.4kN／m；在10mm／min 的速率下， 壓縮量為 15mm 所需的裝配力為42.4kN／m。 在－20℃時(shí)，在20mm／min 的速率下，壓縮量為15mm 所需的裝配力為53.12kN／m；在10mm／min 的速率下，壓縮量為15mm 所需的裝配力為49.31kN／m。 隨著溫度降低，壓縮速率對(duì)復(fù)合式密封墊所需裝配力影響變大。

5 結(jié)語(yǔ)

本文依托哈爾濱地鐵3 號(hào)線某區(qū)間隧道工程，以低溫條件下裝配的預(yù)制構(gòu)件拼裝縫處復(fù)合式密封墊為研究對(duì)象，通過(guò)設(shè)計(jì)開(kāi)展三元乙丙橡膠低溫硬度試驗(yàn)、遇水膨脹橡膠低溫硬度試驗(yàn)和復(fù)合式密封墊低溫壓縮試驗(yàn)，研究低溫條件下裝配的復(fù)合式密封墊（EPDM-WSR）的性能，得到了以下結(jié)論。

1） 遇水膨脹橡膠及三元乙丙橡膠的邵氏硬度都隨著溫度的降低而增大，溫度每下降5℃，橡膠的邵氏硬度上升（2～3）HA，且2 種橡膠在低溫下仍可保持較好的性能，可在低溫環(huán)境中使用。

2） 觀察復(fù)合式密封墊低溫壓縮過(guò)程中的受力及變形情況發(fā)現(xiàn)，隨著溫度降低，復(fù)合式密封墊與混凝土管片溝槽接觸面上黏結(jié)強(qiáng)度的破壞程度加劇。 在不同低溫條件下，復(fù)合式密封墊壓縮至相同壓縮量所需的壓力都隨著施加荷載速率的降低而變小。 在－10，－15，－20℃溫度條件下，復(fù)合式密封墊所需壓力的降低幅度大于0，－5℃溫度條件下所需壓力。

3） 本研究分析了橡膠低溫硬度試驗(yàn)、復(fù)合式密封墊低溫壓縮試驗(yàn)，僅可作為復(fù)合式密封墊在低溫環(huán)境下防水性能研究的基礎(chǔ)。 由于低溫條件下裝配的復(fù)合式密封墊的防水性能研究較為復(fù)雜，后續(xù)將利用數(shù)值模擬的方法，對(duì)低溫條件下裝配的復(fù)合式密封墊的受力狀態(tài)、防水性能進(jìn)行更為深入的研究。