盾構隧道復合式密封墊低溫性能試驗研究?

石立民，杜有超，張望遠，王紹君，孔祥勛，3，張藝帆，3，郭騰博

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

0 引言

盾構隧道滲漏水問題是影響其正常工作與使用壽命的關鍵問題之一［1］，主要依靠拼裝縫處的橡膠密封墊進行防水。 在低溫環境下，橡膠材料能否保持優秀力學性能的關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荷載作用下難以實現在低溫條件下保持彈性［2］。

國內外有很多學者對橡膠的低溫性能進行研究。 王進文［3］通過試驗得到在低溫環境下，橡膠的硫化體系對膠料的強度和耐疲勞性有很大影響，高硫體系的膠料動態模量的增加幅度較小。 余惠琴等［4］通過低溫改性天然橡膠剪切試驗得到結論：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，低溫改性天然橡膠的剪切性能明顯優于天然橡膠［5］。Stevenson 等［6］通過觀察低溫條件下試樣的結晶情況測量低溫狀態下試樣的壓縮變形，研究其低溫性能。 Fuller 等［7］通過低溫條件下橡膠體積及密度的變化，表征其結晶情況，通過分析天然橡膠在低溫壓縮條件下的應力分布研究其低溫狀態下的力學性能。 Ikeda 等［8］在硫化體系中添加過氧化物，并采用XRD 方法對低溫狀態下天然橡膠的結晶情況進行表征。 Schrijvers 等［9］通過在橡膠成分中添加硬脂酸觀察其對橡膠低溫結晶過程的影響，發現硬脂酸含量的高低影響橡膠低溫結晶過程的快慢。Chenal 等［10］通過改變加入填充物的量觀察天然橡膠的低溫結晶過程發現，填充體系對天然橡膠的低溫結晶過程有很大影響。 Wood 等［11］通過在不同溫度下觀察天然橡膠的結晶狀態發現，在－50 ～15℃的溫度范圍內，天然橡膠都可能發生結晶現象，但當溫度為－20℃時，結晶過程中天然橡膠的體積會增大。 鄭華等［12］通過進行低溫橡膠的可靠性試驗發現，對低溫橡膠的結晶狀態進行表征時需要其在低溫環境持續一段時間，短時間的低溫橡膠結晶試驗不能準確表征其結晶狀態。 劉莉等［13］通過研究發現，橡膠的低溫性能主要取決于橡膠結構主鏈與側鏈分子的運動性，通過化學改性、共混改性等方式可以有效提高橡膠的低溫性能。 陳平［14］通過試驗得到結論：填充劑的補強性直接影響橡膠的低溫結晶性能，補強性越高，橡膠的低溫結晶就越容易發生，低溫性能越差。 橡膠的硫化體系同樣對其低溫結晶性能存在較大影響，加入硫化促進劑A 可以改善橡膠的低溫結晶性能。 國內外大量學者已對橡膠密封墊的防水性能開展了相關研究工作［15-16］，然而針對低溫環境下施工的裝配式結構拼裝縫的防水性能研究開展較少。

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

1 工程概況

哈爾濱地鐵3 號線某區間隧道工程周圍地層以砂土為主，鄰近河流，側向補水條件充分，地下水位常年較高，盾構始發風險極高。 為保證盾構安全始發，采用人工凍結法對地層進行加固。 管片密封防水墊在低溫環境的裝配性能直接影響其防水效果。

復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，分子內聚能低，分子鏈可在較大范圍內保持柔順，因此彈性較佳且在低溫下仍能保持，但由于其分子結構中缺少活性基團，黏結性較差。 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生變形，可填充接觸面的裂縫、孔洞等，增大接觸應力，提高防水能力。 將兩部分通過硫化作用結合在一起制成復合式密封墊，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生額外應力，提供二次防水能力。

2 橡膠低溫硬度試驗

2.1 試驗步驟

試驗按GB／T 531.1—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓入硬度試驗方法第1 部分：邵氏硬度計法（邵爾硬度）》中要求，使用測量范圍為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；使用型號為CD3092 的恒溫控制器進行低溫處理；按照規范要求選用尺寸為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 進行低溫處理。

2） 將試樣放置于平整、堅硬的表面上，盡可能快速地將壓足壓到試樣上。 橡膠試樣在壓縮過程中應保證無振動，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） 對于硫化橡膠，當壓足和試樣緊密接觸后，保持3s 后讀數。

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

式中：HA為邵氏A 型硬度計讀數。

2.2 三元乙丙橡膠低溫硬度試驗

三元乙丙橡膠的低溫處理過程如圖1 所示，將三元乙丙橡膠試樣放置低溫恒溫箱內靜置24h。 三元乙丙橡膠的硬度測試試驗過程如圖2 所示，確保測量過程中壓針始終垂直刺入橡膠內部，5 次測量位置的選取應嚴格按照規范要求。 同時測量過程應盡量迅速，保證邵氏A 型硬度計計數準確的同時也避免環境溫度對橡膠溫度產生較大誤差。

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試Fig.2 EPDM rubber hardness test

若邵氏A 型硬度計測量結果超過90HA，則需用邵氏D 型硬度計重新測量。 三元乙丙橡膠低溫硬度試驗結果如表1 所示，滿足規范要求。

表1 三元乙丙橡膠各溫度下邵氏硬度試驗結果Table 1 Shore hardness of EPDM rubber at various temperaturesHA

2.3 遇水膨脹橡膠硬度試驗

遇水膨脹橡膠的低溫處理過程如圖3 所示，將遇水膨脹橡膠試樣放置低溫恒溫箱內靜置24h。 遇水膨脹橡膠的硬度測試試驗過程如圖4 所示，確保測量過程中壓針始終垂直刺入橡膠內部，5 次測量位置的選取應嚴格按照規范要求。 同時測量過程應盡量迅速，保證邵氏A 型硬度計讀數準確的同時，也避免環境溫度對橡膠溫度產生較大誤差。在－20 ～0℃范圍內，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 次測量值之間的絕對誤差值小于5HA，說明選擇的三元乙丙橡膠和遇水膨脹橡膠的材料質地較為均勻，采用的邵氏A 型硬度計測量值穩定。低溫處理后的三元乙丙橡膠和遇水膨脹橡膠雖然力學性能發生變化，但仍符合質量要求，說明三元乙丙橡膠和遇水膨脹橡膠在－20 ～0℃低溫條件下，仍保持良好的力學性能，不影響實際工程使用。 遇水膨脹橡膠低溫硬度試驗結果如表2 所示，滿足規范要求。

表2 遇水膨脹橡膠各溫度下邵氏硬度試驗結果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試Fig.4 WSR hardness test

3 復合式密封墊低溫壓縮試驗

本節通過不同溫度下復合式密封墊的壓縮試驗，得到不同溫度下復合式密封墊壓縮時的壓縮量-壓力曲線。

3.1 試驗原理及設備

為得到低溫條件下管片拼裝縫處復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行不同溫度下的壓縮試驗，模擬實際施工時的裝配過程。 因接縫處存在錯臺量會使裝配力變小，故只需得到錯臺量為0 時所需裝配力即可。 壓縮試驗依據GB／T 18 173.4—2010《高分子防水材料第4 部分：盾構法隧道管片用橡膠密封墊》中閉合壓縮力模擬試驗方法中裝置，包括電子萬能試驗機和壓縮模具。

1）電子萬能試驗機 型號WDW-100L，最大荷載100kN，可輸出位移荷載，調速范圍0.005 ～500mm／min，位移精度為0.000 1mm，荷載精度為0.000 1kN。 壓縮試驗過程中可在計算機上實時輸出位移-荷載曲線數據。

2）壓縮模具 模具溝槽尺寸應與復合式密封墊的截面尺寸相協調，應使密封墊外輪廓線與溝槽內表面緊密貼合。 模具深度應根據密封墊厚度滿足可以模擬復合式密封墊正常施工要求的完全閉合情況時的壓縮量。 由于混凝土管片制作過程復雜且管片質量難以保證，表面可能會大幅度影響復合式密封墊與溝槽之間的黏結，產生孔洞或裂紋，同時混凝土與復合式密封墊中橡膠的彈性模量差距很大，與復合式密封墊相比混凝土管片可近似為剛體。 為簡化試驗進程，同時提高試驗數據準確性。 綜合考慮，選用Q235鋼材作為壓縮模具的制作材料。 溝槽長度200mm（誤差＜1mm），試驗實際所需數據為復合式密封墊每延米壓縮力，需進行數據處理。 實際工程施工使用的復合式密封墊在壓縮過程中的橫向位移會被限制，故在壓縮模具兩端設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

3.2.1 試驗設計

分別針對經過0，－5，－10，－15，－20℃條件處理后的密封墊進行壓縮試驗，試驗設置3 種加載速率工況，分別為50，20，10mm／min。 每組試驗均需重復3 次并對試驗結果取平均值。 每組試驗結束后，需按步驟重新進行復合式密封墊與裝配模具的低溫處理。

3.2.2 試驗過程

1） 清理壓縮模具至表面無灰塵、油污等，裁取5 段200mm 長的復合式密封墊條形試樣，做好試驗前準備工作。

2） 將復合式密封墊用酚醛膠黏劑粘貼在壓縮模具溝槽內，確保復合式密封墊與壓縮模具之間沒有空隙，然后將其在通風處靜置12h。 待其粘貼牢固后（見圖7），將黏結好的復合式密封墊同壓縮模具一起放置于恒溫控制器中24h，進行低溫處理（見圖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） 預熱運行電子萬能試驗機，將壓縮模具水平居中放置于電子萬能試驗機上，以1mm／min 的速度調節加載頭位置（接觸力為0.01kN 時停止），同時清零所有位移和荷載數據，準備加載試驗。

4） 加載試樣直至壓縮位移達到預設值，將加載過程中復合式密封墊的壓縮量作為橫坐標，萬能試驗機所施加的壓力作為縱坐標，繪制應力-應變曲線。

5） 將復合式密封墊重新放回恒溫控制器中進行低溫處理后，重復上述試驗過程。

4 壓縮試驗結果分析

4.1 不同溫度壓下縮試驗分析

不同溫度下復合式密封墊黏結破壞如圖9 所示，在壓縮階段復合式密封墊支腿處發生滑移，甚至黏結面偏轉，說明此處已發生黏結強度損失。 但完全壓縮后，復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情況。

圖9 不同溫度下復合式密封墊黏結破壞對比Fig.9 Comparison of composite bonding damage at different temperatures

通過比較不同溫度下的黏結破壞情況可知，溫度越低，在壓縮階段產生的黏結破壞越嚴重。 復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，在壓縮過程中易發生應力集中現象；復合式密封墊支腿與密封槽之間的剛度差距較大，易發生平面偏轉；加之密封墊-密封槽處發生黏結破壞，極有可能會成為防水過程中的薄弱部分。

不同溫度下復合式密封墊的壓縮試驗結果如圖10 所示。

圖10 不同溫度下復合式密封墊壓縮試驗結果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 個階段：①第1 階段 壓縮量為0 ～6mm 時，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，整體未發生大范圍的空隙收縮；②第2 階段壓縮量為6 ～10mm 時，曲線上升緩慢，這一階段的壓縮量主要由空隙收縮導致，故在相同的壓縮量下，壓力增長不明顯；③第3 階段 壓縮量為10 ～15mm 時，壓縮曲線迅速上升，接近于指數趨勢。 此時復合式密封墊內部空隙基本填滿，由三元乙丙橡膠和遇水膨脹橡膠直接承受壓力。

在0℃時，壓縮量為15mm 所需的裝配力為34.8kN／m，在－20℃時，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，與前文的低溫硬度試驗結果相吻合。

4.2 不同速率壓縮試驗分析

不同速率下復合式密封墊的試驗數據如圖11所示。

圖11 不同溫度、不同速率下復合式密封墊壓縮試驗結果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，壓縮速率對復合式密封墊壓縮曲線的影響不大。 隨著溫度降低，壓縮速率對復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，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，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，壓縮速率對復合式密封墊所需裝配力影響變大。

5 結語

本文依托哈爾濱地鐵3 號線某區間隧道工程，以低溫條件下裝配的預制構件拼裝縫處復合式密封墊為研究對象，通過設計開展三元乙丙橡膠低溫硬度試驗、遇水膨脹橡膠低溫硬度試驗和復合式密封墊低溫壓縮試驗，研究低溫條件下裝配的復合式密封墊（EPDM-WSR）的性能，得到了以下結論。

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，可在低溫環境中使用。

2） 觀察復合式密封墊低溫壓縮過程中的受力及變形情況發現，隨著溫度降低，復合式密封墊與混凝土管片溝槽接觸面上黏結強度的破壞程度加劇。 在不同低溫條件下，復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、復合式密封墊低溫壓縮試驗，僅可作為復合式密封墊在低溫環境下防水性能研究的基礎。 由于低溫條件下裝配的復合式密封墊的防水性能研究較為復雜，后續將利用數值模擬的方法，對低溫條件下裝配的復合式密封墊的受力狀態、防水性能進行更為深入的研究。