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两种类型的遇水膨胀密封带的膨胀压力发展规律
添加:2015-11-18 9:37:26    游览:1643    来源:www.aosailuo.cn

  1.引言

  目前国内盾构法隧道密封带根据材质划分主要分为三种:三元乙丙弹性密封带、遇水膨胀密封带、复合式密封带(三元乙丙加遇水膨胀橡胶嵌条)。

  由于三元乙丙弹性密封带物理化学性能比较稳定,故在国内得到广泛应用,但是由于橡胶的应力松弛特性,其后期的防水能力大打折扣,因此设计人员在设计密封带时多取2-3倍实际水头作为设计防水压力。

  遇水膨胀橡胶发源于20世纪60年代的日本,由于其在遇水后能主动膨胀,密封带之间接触应力增加,一般认为可在一定程度上抵消由于松弛所引发的防水能力下降,因此得到广泛的重视。

  目前国内较为普遍的遇水膨胀止水带主要有两种材质:一种为浇注型的聚氨酯弹性体,另一种为聚氨酯加聚丁橡胶和天然胶混炼后硫化而成的遇水膨胀橡胶制品,其生产工艺多为挤出型。两种材质的遇水膨胀止水带在受压状态下仍存在着橡胶松弛特性,而遇水后其内部同时会产生一定的体积膨胀,这两种过程多为同时发生,因此遇水膨胀密封带的压力究竟如何发展目前尚无人讨论,需要进行仔细的研究,这对于确定最后的密封带设计防水能力是非常重要的,为此本文拟采用试验手段探讨两种类型的遇水膨胀密封带的膨胀压力发展规律。

  2.试验设计概况

  本文所涉及的密封带断面取自某双圆盾构所采用的聚氨酯弹性体材质和水膨胀橡胶材质的标准断面。其试验断面如图1,图2所示。其物理力学指标参见表1,其设计水压为0.6MPa。

表1 密封带物理力学设计指标

图1 聚氨酯弹性体断面图

图2 水膨胀橡胶断面

  根据现场的实验工作状态,设计了试验夹具,如图3、图4所示。

 图3 试验装置图

图4 试验装置照片

  本试验分别模拟管片在空气中和水中的不同张开量的4种工况:工况1、空气中(张开量0mm);工况2、水中(张开量0mm);工况3、水中(张开量2mm);工况4、水中(张开量4mm)。

  在试验前将各压缩夹具置于空气中,旋紧螺栓后在空气中放置12h。模拟现场极端工况盾构机处于维修状态时即管片拼装后12h后再推出盾尾。将部分压缩模具放置于水中,先期2天每2h读数1次;接下来4天每天读数4次;之后每天读数1次,数据稳定后依次递减,数据稳定后结束试验。

  3.试验结果分析

  将浸入水中的接触应力变化试验结果汇总于图5,将空气中接触应力的变化汇总于图6,可以看出:无论是聚氨酯弹性体还是遇水膨胀橡胶密封带在浸水后都呈现出先膨胀后松弛的趋势。而在空气中的密封带则随时间变化显示出很明显的松弛特征。在水中需要2880h,即4个月后膨胀压力发展趋于平稳,而在空气中则为1440h,即2个月后松弛压力趋于平稳。

图5 遇水膨胀后接触应力发展规律

图6 空气种松弛应力发展规律

  扣除了前期的接触应力,将后期产生的膨胀压力试验结果汇总图7,可以看出:聚氨酯弹性体的前期膨胀压力发展较快,而遇水膨胀橡胶则是后来居上。

图7 遇水后膨胀压力发展规律

  而在密封带设计中,聚氨酯弹性体的设计膨胀率为380%,而遇水膨胀橡胶的设计膨胀率为250%。按照既有的膨胀率测试规范,以上的设计膨胀率是指浸水后72h的体积膨胀率,可以看出,对于遇水膨胀橡胶这种缓慢膨胀的材料来说,目前的测试规程尚存在着一定的缺陷。

  将各工况的最大接触应力和膨胀压力汇总于表2,可以看出,各工况的膨胀压力发展过程中的最大值与最大接触压力的比值是非常接近的,都在73%-83%左右,这说明膨胀压力的变化是和初始压力分不开的。

表2 膨胀压力与接触应力对比分析

  从表3中可以看出,聚氨酯弹性体在张开量为0mm时候空气中的松弛率达到了40%,而在水中的松弛率也在20%-30%左右,而遇水膨胀橡胶压力损失率明显小于聚氨酯材料,其空气中只有21%,而在水中则明显小于20%。这说明从应力松弛角度来说,遇水膨胀橡胶明显优于聚氨酯弹性体材料。

表3 松弛压力对比分析

  根据防水理论,密封带间的接触压力就是抵抗外水侵入的临界压力,因此从理论上讲遇水膨胀橡胶在管片张开量为4mm(不发生错台)的情况下,可抵抗2.67MPa,聚氨酯弹性体在管片张开量为4mm(不发生错台)的情况下,可抵抗1.88MPa,而如此大的接触压力,必将对于管片的连接螺栓产生巨大的反力,因此在设计中有必要进行螺栓强度检算。

  4.结语

  本文采用试验手段测试了盾构隧道遇水膨胀类密封带在不同管片张开量条件下的接触压力的发展规律,得出以下结论:

  (1)无论是聚氨酯弹性体材料还是遇水膨胀橡胶材料在浸水都显示出明显的先膨胀后松弛的特性。在不同张开量的条件下,其最大的膨胀压力和接触应力的比值都接近于70%-80%;

  (2)从后期压力发展规律来看,聚氨酯弹性材料的松弛特性明显,而遇水膨胀橡胶略占优势;

  (3)理论上两种材料的密封带可以抵抗远高于0.6MPa的外水压力,而膨胀压力过大将导致连接螺栓反力增加明显,设计中应检算连接螺栓的强度。

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