本發明涉及盾尾密封油脂，尤其涉及用于高水壓盾構隧道環保型盾尾密封油脂及制備方法。

背景技術：

1、近年來隨著我國基建的不斷發展，大規模的高水壓大直徑盾構隧道項目越來越多，對地下空間繼續開發利用的需求越來越大，更多的穿江越海隧道項目也在不斷規劃，盾構法施工所面臨的工況越來越復雜，因此對盾構掘進施工相應地提出了更高的要求。

2、盾尾密封失效是盾構施工中常見的安全問題之一。如果盾尾密封系統發生泄漏則可能造成地表沉降增大、注漿壓力不足等危害，嚴重情況還可能引起隧道坍塌等重大安全事故。目前，盾尾密封主要采用在多道盾尾刷之間填充密封油脂的方式，而油脂密封性能的好壞也直接決定了盾尾密封能力，影響盾構掘進安全，因此盾尾密封油脂的穩定可靠十分重要。

3、盾尾密封油脂是地下工程盾構法施工中盾尾密封的填充耗材，主要起到密封防水、潤滑、防腐蝕的作用。目前國內的盾尾密封油脂廠家眾多，質量參差不齊，當遇到高水壓和水下隧道等工況時普遍表現欠佳。對于國外的進口產品而言，比如法國或日本的油脂產品，雖然在質量上表現良好，但價格普遍比國內的油脂產品高出許多，成本較高。

4、近年來，為了響應國家號召，實現綠色可持續發展，盾尾密封油脂的環保性也受到了社會各界的廣泛關注。目前市場上主流的密封油脂原材料主要來自不可降解的石油衍生物，對環境不友好。而且其中含有的少量重金屬和苯類有機物，通過長期與周圍土壤、地下水、海水接觸會引起環境污染。

5、現有的盾尾密封油脂專利技術存在以下問題：

6、1.難以應對高水壓工況下的密封難題：目前，大部分盾尾密封油脂所能應對的施工水壓較低，難以滿足高水壓環境的施工需求。而且在穿越滲透系數超過50?m/日的地層時，由于地層的孔隙率大，透水性強，施工水土壓力將大幅增長，現有的盾尾密封油脂技術難以應對，迫切需要一種能夠有效應對高水壓，高地層滲透系數工況的盾構盾尾密封油脂；

7、2.環保性能缺失：現有的盾尾密封油脂大部分采用以石油衍生物為主要原材料，難以降解且不利于綠色環保和節能減排，現有的盾尾密封油脂中砷、鎘、汞重金屬離子和有毒苯類有機物的含量通常較高，在盾構施工穿越農業耕地、江河湖泊以及海洋等區段時，會對周圍的環境產生污染，迫切需要環保的盾構盾尾密封油脂；

8、3.泵送性能不足：現有的盾尾密封油脂難以做到耐高水壓和良好泵送性的平衡，在盾構施工當中，盾尾密封油脂的泵送性會影響盾尾密封油脂的填充質量，這不僅給施工帶來諸多不便，還可能對工程安全構成威脅。因此迫切需要泵送性能良好并且兼顧耐高水壓的盾尾密封油脂；

9、4.盾尾涌砂問題的應對能力欠缺：在穿越富水砂性土層時，盾尾涌砂涌土現象時有發生。現有的盾尾密封油脂在與砂土混合后，難以確保盾尾密封的安全性和有效性，也無法保證其與盾尾刷之間牢固的黏附性，從而影響工程的安全性。因此迫切需要一種應對涌砂難題的盾尾密封油脂；

10、5.對盾尾刷的保護不足：現有的盾尾密封油脂在使用過程中，容易導致盾尾刷銹蝕，對盾尾刷的保護作用有限，無法有效延長其使用壽命。盾尾刷在盾構法施工中容易因磨損、變形和銹蝕，而更換盾尾刷不僅復雜且人力物力成本高，因此迫切需要能夠有效延長盾尾刷使用壽命的盾尾密封油脂；

11、6.成本效益較低：現有的盾尾密封油脂成本效益不高，尤其是環保型的盾尾密封油脂，且現有的盾尾密封油脂對盾尾刷的粘附性不佳，導致在施工當中的消耗量大。例如，盾尾密封油脂在盾構法施工當中的消耗量通常為35-45?kg/環，以盾構推進1000環為例，使用現有油脂的費約為55-75?萬元，這對施工成本控制提出了較大壓力。因此迫切需要成本效益高的盾尾密封油脂。

技術實現思路

1、針對上述問題，本發明提出了適用于高水壓盾構隧道環保型盾尾密封油脂及制備方法。按重量份數計，其成分包括：基礎油240~305份、粘度指數改性劑25~140份、增稠劑40~140份、填充劑510~640份、增強劑30~55份、鈣基潤滑脂10-35份、復合改性添加劑8~35份。該發明針對高水壓盾構工程提供了環保型的油脂配方，在保證油脂耐水壓密封性，泵送性等性能的前提下，選用對環境無污染且易于降解的原材料，減少對周圍地下水、海水、土壤及生物的影響。

2、所述基礎油為回收植物油和c5?石油樹脂混合物，所述回收植物油的質量份數為168-290份，c5石油樹脂的質量份數為12-92份，其中植物油為大豆油或菜籽油。

3、進一步地，所述基礎油的運動粘度在40℃時約為29.5-35.5mm2/s，密度大于0.9g/cm3，溴值≤70?gbr/100g，所述c5石油樹脂軟化點約為85-92℃。

4、所述粘度指數改性劑為聚異丁烯、聚合松香、丁二酰亞胺、聚異戊二烯的混合物，聚異丁烯的質量份數為17-70份，聚合松香的質量份數為5-38份，丁二酰亞胺的質量份數為5-28份，聚異戊二烯的質量份數為5-30份；主要用于改善油脂的粘度和泵送性。

5、進一步地，所述黏度指數改性劑中，聚異丁烯的分子量大于2000，聚異戊二烯的分子量大于50000，所選聚合松香在20℃時的密度約為1.08~1.1?g/cm3，軟化點為90℃。

6、所述增稠劑為聚異丁烯、海藻酸、聚丙烯酸鈉混合物，其中聚異丁烯的質量份數為18-70份，海藻酸的質量份數為8-68份，聚丙烯酸鈉的質量份數為4-55份；主要用于改善油脂的稠度。

7、進一步地，所述增稠劑中，聚異丁烯的分子量大于2000，在25℃時的密度約為0.85-0.92?g/cm3，在100℃下的運動粘度約為240-250mm2/s。

8、所述填充劑為有機潤滑料、鈣質填充料的混合物，有機潤滑料的質量份數為30-192份，鈣質填充料的質量份數為357-579份；其中，有機潤滑料為有機蒙脫石、滑石粉、有機膨潤土的兩種或多種混合物，有機蒙脫石的質量份數為7-39份，滑石粉的質量份數為0-67份，有機膨潤土的質量份數為20-172份；鈣質填充為輕質碳酸鈣、重質碳酸鈣、云母粉中的兩種或多種混合物，輕質碳酸鈣的質量份數為142-290份，重質碳酸鈣的質量份數為142-290份，云母粉的質量份數為0-115份；主要用于降低成本和增加油脂的密封性能。

9、進一步地，所述填充劑中，優選地，滑石粉由兩種不同目數組成，其中325目滑石粉的質量份數為20-30份，625目滑石粉的質量份數為40-50份；重質碳酸鈣粒徑為625目；輕質碳酸鈣由兩種不同的目數組成，其中1200目輕質碳酸鈣的質量份數為57-174份，1500目輕質碳酸鈣的質量份數為55-174份。

10、所述鈣基潤滑脂采用?1,2-?羥基硬脂酸與5%石灰乳稠化植物油制成，其中回收植物油的質量份數為8-28份，1,2-?羥基硬脂酸的質量份數為1-3份，5%石灰乳的質量份數為2-6份，鈣基潤滑脂中含有的?1,2-羥基硬脂酸鈣是起潤滑和稠化作用的主要成分。

11、所述增強劑為木質纖維、棉纖維、竹纖維的混合物，其中木質纖維的質量份數為6-22份，棉纖維的質量份數為9-22份，竹纖維的質量份數為6-22份；主要用于提高油脂的耐水壓性能，在一定程度上改善油脂的泵送性。

12、優選地，所述木質纖維的卷曲收縮率為20%~40%，棉纖維的卷曲收縮率為60%~70%，竹纖維的卷曲收縮率為15%~20%。優選地所述纖維的質量比為：0.5~1mm木質纖維：1~2mm竹纖維：2~3mm棉纖維：3~4mm棉纖維=（2-4）:（1-3）:（1-2）:（1-2）。

13、所述復合改性添加劑為百里香酚、硼酸鋅、二烷基二硫代磷酸鋅的混合物，其中百里香酚的質量份數為2-13份，硼酸鋅的質量份數為5-12份，二烷基二硫代磷酸鋅的質量份數為8-14份。

14、優選地，所述復合改性添加劑中百里香酚：硼酸鋅：二烷基二硫代磷酸鋅=（1-2）：（1-3）：（1-2）。

15、本發明提供了用于高水壓盾構隧道環保型盾尾密封油脂制備方法，其制備方法如下：

16、步驟1，將聚異丁烯在50-60℃的真空干燥箱中干燥40-60min，制得精制聚異丁烯；將聚異戊二烯在60-70℃的真空干燥箱中干燥40-60min，制得精制聚異戊二烯；

17、步驟2，將步驟1所述的精制聚異丁烯和精制聚異戊二烯放入反應釜中，在恒溫90℃下，以100-300rpm低速攪拌40-60min得到混合組ⅰ；

18、步驟3，將聚合松香放入粉碎機中粉碎成直徑為1-3mm的顆粒，得到粉狀聚合松香；將粉狀聚合松香加入到步驟2所述的混合組ⅰ中，在恒溫120℃條件下，以150-300rpm低速攪拌40-60min得到混合組ⅱ；

19、步驟4，將丁二酰亞胺在氮氣保護下干燥，溫度為40-50℃，時間為40-60min，得到精制丁二酰亞胺，將精制丁二酰亞胺加入到步驟3所述的混合組ⅱ中，以200-300rpm低速攪拌60-90min，溫度為150℃，壓力為0.5mpa，制得粗制粘度指數改性劑；

20、步驟5，將步驟4所述粗制粘度指數改性劑通過孔徑為1-5微米的濾網過濾，得到黏度指數改性劑；

21、步驟6，將c5石油樹脂在研磨機中高速研磨5次，每次45-75秒，間歇40-60秒，轉速為1000-1200rpm，得到粉狀石油樹脂；將回收植物油通過孔徑為40-60微米的濾網過濾，得到基礎植物油，并在恒溫40℃下保溫30-50min；

22、步驟7，將步驟6所述保溫后的基礎植物油，粉狀石油樹脂和步驟5所述黏度指數改性劑混合，在恒溫120℃下，以200-350rpm低速攪拌40-60min，制得混合物ⅰ；

23、步驟8，將聚丙烯酸鈉、海藻酸、聚異丁烯混合，在恒溫40℃下，以150-300rpm低速攪拌10-30min，制得粗制增稠劑ⅰ；將粗制增稠劑ⅰ在恒溫60℃下，以300-500rpm高速攪拌30-50min，制得粗制增稠劑ⅱ；利用稀鹽酸或氫氧化鈉調節粗制增稠劑ⅱ的ph值到7-8，得到粗制增稠劑；將粗制增稠劑在恒溫40℃下，以100-200rpm低速攪拌5-10min制得增稠劑；

24、步驟9，將步驟8所述增稠劑加入步驟7所述混合物ⅰ中，在恒溫80℃下，以150-300rpm低速攪拌40-60min，制得混合物ⅱ；然后在恒溫40℃下，以150-300rpm高速攪拌10-20min，制得混合物ⅲ，并將混合物ⅲ在恒溫40℃下保溫30-50min；

25、步驟10，將1,2-羥基硬脂酸和回收植物油在80-90℃下，以100-200rrpm低速攪拌10-20min，得到中間產物，在中間產物中加如5%石灰乳在100-110℃條件下干燥10-20min，得到鈣基潤滑脂；

26、步驟11，將由有機蒙脫石、滑石粉、有機膨潤土組成的有機潤滑料，由重質碳酸鈣、輕質碳酸鈣、云母粉組成的鈣質填充料在攪拌機中，以50-100rpm低速攪拌5-10min，得到填充劑；

27、步驟12，將步驟10所述鈣基潤滑脂，步驟11所述填充劑加入到步驟9所述保溫后的混合物ⅲ中，在恒溫90℃下，以150-300rpm低速攪拌20-40min，制得混合物ⅳ；

28、步驟13，將由木質纖維、棉纖維、竹纖維組成的增強劑加入到步驟12所述的混合物ⅳ中，在溫度為30-40℃條件下，以150-300rpm低速攪拌20-40min得到混合物ⅴ；

29、步驟14，將由百里香酚、硼酸鋅、二烷基二硫代磷酸鋅組成的復合改性添加劑加入到步驟13所述的混合物ⅴ中，在溫度為30-40℃條件下，以150-300rpm低速攪拌15-30min，得到所述用于高水壓盾構隧道環保型盾尾密封油脂。

30、本發明的有益效果：

31、1.?本發明提供了應對高水壓的盾構盾尾密封油脂。本發明利用有機蒙脫石、回收植物油、黏度指數改性劑構建了由油脂和無機填充料組建的有機納米復合物，使得本發明油脂在高水壓條件下表現出優異的耐水壓密封性；本發明根據木質纖維、棉纖維、竹纖維的不同特性，擇優選取不同的卷曲率和纖維長度，使增強劑在油脂中形成良好的毯狀三維空間骨架，使得本發明油脂能夠承受較高的水壓；本發明利用增稠劑中聚異丁烯的長鏈分子與海藻酸和聚丙烯酸鈉的網絡結構相互交織，形成一個更加穩定的三維網絡，從而使本發明油脂在高水壓下仍能保持良好的密封性；

32、2.本發明提供了在保證耐水壓密封性的同時，保持良好泵送性的盾尾密封油脂。本發明利用填充劑中加入的有機蒙脫石和較小粒徑的輕質碳酸鈣，使得其泵送性能優異，其中有機蒙脫石的片層結構使得其更易發生剪切滑移，細小的輕質碳酸鈣可以減少油脂于泵送管道的摩擦。本發明在增強劑中添加0.5~1mm木質纖維，利用其良好的液體強制力，使得油脂在泵送過程中保持均勻以及良好的流動性，從而增強本發明油脂的泵送性；

33、3.本發明提供了抵抗高離子濃度地下水、海水以及涌砂的盾尾密封油脂。本發明利用鈣基潤滑脂，聚合松香，聚丙烯酸鈉使得盾尾密封油脂在水環境下能夠依舊保持良好的稠度，并且穩定附著于盾尾刷，從而保持良好的抗地下水，海水性能。本發明通過增加聚異丁烯的占比，使得本發明油脂具有良好的化學穩定和耐酸堿性，能夠應對不同的地下水和海水侵蝕。本發明利用海藻酸和鈣基潤滑脂發生交聯反應，形成凝膠結構，有效增強油脂的阻水擋砂性能，應對工程中的涌砂問題；

34、4.本發明提供了對環境無污染的盾尾密封油脂。本發明利用回收植物油做為基礎油，在黏度指數改性劑中加入聚合松香，在增稠劑中加入海藻酸，使用天然的植物纖維做為增強劑，天然的礦物料為填充劑，以及植物防霉劑百里香酚，降低非天然材料在配方中的占比，實現了綠色環保可降解。本發明油脂中砷、鎘、汞重金屬離子含量低，不含有毒的苯類有機物，有效減少對周圍土壤、地下水、海水的影響；

35、5.本發明提供了有助于減少盾尾刷磨損，變形和銹蝕的盾尾密封油脂。本發明利用復合改性添加劑中二烷基二硫代磷酸鋅的極壓抗磨性，鈣基潤滑脂的優異潤滑性減少盾尾刷的摩擦，利用黏度指數改性劑中聚合松香的抗氧化性能，減少盾尾刷的氧化銹蝕，從而提高盾尾刷的使用壽命；

36、6.本發明提供了經濟效益高，能夠降低施工成本的盾尾密封油脂。本發明通過利用回收植物油降低盾尾密封油脂的成本，利用聚異丁烯、海藻酸、聚丙烯酸鈉所形成的具有良好流變性能和凝膠網絡結構的高分子復合物，加強油脂對盾尾刷的黏附能力，從而減少施工過程中油脂的消耗量，降低施工成本。