一种用于海底盾构隧道的防水密封垫材料

摘要

本发明涉及盾构隧道管片接缝防水领域，公开了一种用于海底盾构隧道的防水密封垫材料，包括如下重量比的组分：生胶100phr、炭黑40～80phr、碳酸钙15～30phr、300#石蜡油50～90phr、氧化钙10～20phr、硫磺1～4phr、防老剂2～4phr、促进剂3～9phr、纳米氢氧化物30～50phr，对海水具有较高的耐侵蚀性，适用于地下水和海水条件等复杂环境。

说明书

技术领域

本发明涉及盾构隧道管片接缝防水领域，具体涉及一种用于海底盾构隧道的防水密封垫材料。

背景技术

近年来，为加强沿海地区经济和交通建设，大量海底隧道投入建设和运营。盾构法具有机械化程度高、施工效率高、环境扰动小等优点，因而广泛运用于海底隧道施工。在海底隧道施工和运营过程中，隧道密封防水是一项至关重要的科学与工程问题。目前盾构密封防水主要依赖于盾构管片之间的弹性密封垫，主要的弹性密封垫材料包括EPDM橡胶密封垫和吸水膨胀材料，其中，EPDM密封垫应用最为广泛。EPDM在盾构管片的挤压作用下，填充管片之间的空隙，阻止海水或地下水渗入隧道内部，起到密封防水的作用。随着海底隧道向“埋深大、大直径和长距离”方向发展，隧道防水要求也越来越高。然而，既有EPDM采用主要适用于常规地下盾构隧道，其地下水环境侵蚀性弱且水压低。而海底隧道所在的高水压、高侵蚀性的海水环境，易导致常规EPDM密封垫材料的抗蠕变力学性能迅速衰减，EPDM发生蠕变且应力水平迅速降低，因而无法阻止高压海水的侵蚀渗入。此外，隧道火灾产生的高温和有害气体将导致EPDM密封垫材料迅速老化并硬化，力学性能降低，进而引发海底隧道渗水涌水，威胁隧道安全。目前国家标准GB 18173.4-2010仅仅考虑力学性能、压缩性能和老化性能，没有考虑密封垫的阻燃性。因此提升EPDM密封垫的力学性能、抗蠕变性能和阻燃性，对海底隧道安全运营具有重要意义。

经对现有技术的检索发现，涉及隧道密封垫的有：一种隧道管片接缝防水三元乙丙橡胶密封垫及其制备方法(CN201610414449.1)等。现有盾构隧道密封垫通过加入无机矿物提高密封垫的抗腐蚀性、耐磨性、耐高温性和抗冲击性，通过加入有机试剂改善无机矿物和橡胶基体相容性，从而提高密封垫性能。其中无机矿物包括高矿水淬渣、碳化钛、铝镁尖晶石和硼化硅，有机试剂包括椰油酰基甲基牛磺酸钠、十二烷基磷酸酯甜菜碱、葡糖氨基葡聚糖、牛脂胺聚氧乙烯醚等等。

这种密封垫材料虽然具有抗腐蚀性、耐磨性、耐高温性和抗冲击性等优良特性，但是对无机矿物处理工艺要求高、工艺复杂，同时加入的有机试剂会降低橡胶基体的强度，因而不能用作海底隧道的密封垫材料。

发明内容

本发明的目的在于，解决现有EPDM密封垫材料无法适应高水压、高侵蚀性的海水环境，易出现抗蠕变力学性能迅速衰减，无法阻止高压海水的侵蚀渗入的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种用于海底盾构隧道的防水密封垫材料，包括如下重量比的组分：

优选的，包括如下重量比的组分：

优选的，所述纳米氢氧化物胶体中，纳米氢氧化物包括纳米氢氧化镁、纳米氢氧化铝中的一种或多种。

优选的，所述纳米氢氧化物胶体的平均直径为100～500nm。

优选的，所述促进剂包括氧化锌和硬脂酸，所述氧化锌与所述硬脂酸的质量比为2～6:1～3。

氧化锌采用间接法制备，获得活性氧化锌，含量≥99.7％。硬脂酸的密度为0.94kg/m

优选的，所述碳酸钙为轻质碳酸钙，平均粒度为1000～2000目；所述氧化钙平均粒度为2000～3000目。

氧化钙的含量≥85％即可。

优选的，所述300#石蜡油为40℃测试环境下运动粘度68～75m

优选的，所述生胶为3092M；所述炭黑为N550，325目筛余物≤0.1％，吸碘值43～45g/kg；所述防老剂为防老剂4010。

防老剂4010的密度为1.3kg/m

优选的，所述纳米氢氧化物胶体由纳米氢氧化物与300#石蜡油按质量比100:20～40进行预混获得。

采用超声波混合器中混合，型号为CL-80，额定功率为80w。混合15～30min后，静置24小时。

与现有技术相比较，实施本发明，具有如下有益效果：

(1)本发明使用所述纳米氢氧化物和300#石蜡油胶体材料，通过超声波混合并静置24小时，降低纳米材料的表面张力，确保纳米氢氧化物在NPE-EPDM中混合均匀，减弱纳米材料团聚现象，提高纳米氢氧化物与NPE-EPDM基体的相容性；同时纳米氢氧化物遇热分解为水和金属氧化物，无公害，可作为一种绿色阻燃剂，提高EPDM的阻燃性。

(2)相对普通EPDM，NPE-EPDM仅利用少量纳米氢氧化物，即可大幅提升密封垫的抗蠕变性以及扯断伸长率，增强了密封垫的防水性能，成本低廉。

(3)本发明的NPE-EPDM密封垫，生产工艺简单，可行性高，挤出成型好并且稳定。

(4)本发明的NPE-EPDM密封垫材料对海水具有较高的耐侵蚀性，适用于地下水和海水条件等复杂环境。

附图说明

图1为本发明海底盾构隧密封垫NPE-EPDM材料制备及筛选流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

实施例1

本实施例提供的一种用于海底盾构隧道的防水密封垫NPE-EPDM材料，所述材料包括如下重量比例的组分：

其中，生胶选用3092M；炭黑选用N550，325目筛余物≤0.1％，吸碘值43～45g/kg；碳酸钙选用轻质碳酸钙，平均粒度为1250目；300#石蜡油为运动粘度(40℃)为73m

如图1所示，由如下方法制备，包括以下步骤：

A、制备塑炼生胶，将所述生胶放入X(S)N20X32塑炼机中，150℃下塑炼15min，获得所述塑炼生胶。X(S)N20X32塑炼机密炼总容积为20L，驱动电机额定功率为30kw。

B、制备混合物A，将所述塑炼生胶、炭黑N550、碳酸钙、300#石蜡油、氧化锌、硬脂酸、氧化钙、防老剂按重量比100:70:20:50:5:1:10:2搅拌混合，在LR-LJL-380混炼机中，工作电压380V，额定功率3.5kw，混炼20min，冷却至室温(约20℃～30℃)后，获得所述混合物A。

C、制备纳米氢氧化物胶体，将纳米氢氧化物(纳米氢氧化镁)与300#石蜡油按重量比100:20置于CL-80超声波混合器中，额定功率为80w，混合20min并静置24小时以降低纳米氢氧化物表面张力，获得纳米氢氧化镁胶体；

D、混炼，将所述混合物A和所述纳米氢氧化物胶体在所述混炼机上按比例混炼均匀，获得所述混合物B；

E、冷却硫化，将所述混合物B冷却至室温(约20℃～30℃)后，与1phr硫磺在所述混炼机上混炼均匀，然后在硫化机上硫化作业，硫化温度为165℃，硫化时间为10min，随后在室温(约20℃～30℃)下静置24小时，减小试样的残余应力，获得用于盾构隧道的防水密封垫材料NPE-EPDM。

实施例2

本实施例提供的一种海底用于海底盾构隧道的防水密封垫NPE-EPDM材料，所述材料包括如下重量比例的组分：

其中，生胶选用3092M；炭黑选用N550，325目筛余物≤0.1％，吸碘值43～45g/kg；碳酸钙选用轻质碳酸钙，平均粒度为2000目；300#石蜡油为运动粘度(40℃)为75m

采用与实施例1相同的制备方法，区别在于，步骤C中纳米氢氧化物(纳米氢氧化镁：纳米氢氧化铝＝1:1)与300#石蜡油预混的重量比为100：40，获得于海底盾构隧道的防水密封垫材料NPE-EPDM。

实施例3

本实施例提供的一种用于海底盾构隧道的防水密封垫NPE-EPDM材料，所述材料包括如下重量比例的组分：

其中，生胶选用3092M；炭黑选用N550，325目筛余物≤0.1％，吸碘值43～45g/kg；碳酸钙选用轻质碳酸钙，平均粒度为1000目；300#石蜡油为运动粘度(40℃)为68m

采用与实施例1相同的制备方法，其中，步骤C中纳米氢氧化物(纳米氢氧化铝)与300#石蜡油预混的重量比为100：30，获得用于盾构隧道的防水密封垫材料NPE-EPDM。

对比例1

采用与实施例1相同的配方比例与制备方法，区别点在于，纳米氢氧化镁胶体的投入量为0phr，获得用于海底盾构隧道的防水密封垫材料。

对比例2

采用与实施例1相同的配方比例与制备方法，区别点在于，纳米氢氧化镁胶体的投入量为50phr，获得用于盾构隧道的防水密封垫材料。

对比例3

采用与实施例1相同的配方比例与制备方法，区别点在于，纳米氢氧化镁胶体的投入量为120phr，获得用于海底盾构隧道的防水密封垫材料。

对比例4

采用与实施例1相同的配方比例与制备方法，区别点在于，仅使用氧化锌为促进剂，加入量为6phr，不加入硬脂酸，获得用于盾构隧道的防水密封垫材料。

对比例5

采用与实施例1相同的配方比例与制备方法，区别点在于，仅使用硬脂酸为促进剂，加入量为6phr，不加入氧化锌，获得用于盾构隧道的防水密封垫材料。

效果例1

对实施例1～3，对比例1～5所获得材料进行性能测试，包括如下步骤：

步骤1：制备人工海水。在1L蒸馏水中依次加入30g NaCl、0.08g NaHCO

步骤2：使用蒸馏水或人工海水浸泡实施例1～3，对比例1～5的试样，温度设置为80℃，浸泡时间为120h。共计三组试验，即为原试样组、蒸馏水浸泡组和人工海水浸泡组。

步骤3：测量所述试样的力学性能。按照GB/T531.1-2008和GB/T528-2009分别测试所述试样的硬度、拉伸强度和扯断伸长率，测试3个试样，取其平均值为最终结果。将所述试样用II型切刀切成II型哑铃状试样(75×4×2mm

步骤4：测量所述试样的阻燃性能。按照GB/T 10707-2008首先对试样进行裁样(150×6.5×3mm

测试结果如表1所示。

表1

从表1可以看出：

1、实施例1～3的NPE-EPDM，其力学性能(硬度、拉伸强度和扯断伸长率)均较为优秀，并且在蒸馏水浸泡试样和人工海水浸泡试样中，各项力学性能仍能保持在较低的下降水平，有利于用于海底盾构隧道的防水密封。其中，使用部分纳米氢氧化铝代替纳米氢氧化镁，发现实施例2的NPE-EPDM拉伸强度和硬度增加，然而扯断伸长率有所降低。而实施例1的NPE-EPDM，虽然较之实施例2在硬度上有轻微下降，但拉伸强度和扯断伸长率更优，综合性能更好，而硬度也不是越大越好，由于NPE-EPDM是弹性防水密封材料，硬度过大容易会弹性的下降，影响密封效果。在满足国标GB 18173.4-2010硬度要求(60～70Shore A)基础上，优先考虑拉伸强度和扯断长率方面的性能，实施例1应认为是优选的实施例。

2、与常规EPDM(对比例1)相比，实施例1～3的NPE-EPDM的力学性能(硬度、拉伸强度和扯断伸长率)和阻燃性能均有较大的提高。特别是在蒸馏水浸泡试样和人工海水浸泡试样中，常规EPDM(对比例1)的力学性能出现了较为显著的下降，无法使用于海底盾构隧道的防水密封。而实施例1～3的NPE-EPDM抗水侵蚀能力也显著增强。

3、过量的纳米氢氧化物胶体加入(对比例2和3)会引起硬度的显著提升，但对扯断伸长率的提升幅度较小，甚至拉伸强度开始呈现降低的趋势，120phr添加量时(对比例3)，拉伸强度甚至低于常规EPDM材料(对比例1)。

4、与使用单一促进剂制备的NPE-EPDM(对比例4和5)对比，使用氧化锌和硬脂酸复配做为促进剂制备的实施例1～3的NPE-EPDM，其力学性能显著提高。

以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。