本发明涉及一种高强快硬锚杆注浆材料，属于注浆材料技术领域。
背景技术：
我国是世界上隧道工程规模最大、数量最多、修建速度最快的国家。截至2016年底已建成公路隧道14040km/15181座，截至2017年底已建成铁路隧道15781km/14700座，到2020年，我国高速铁路建成里程达3万公里(现有2.2万公里)，需新增0.8万公里；高速公路建成里程达15万公里(现有13.1万公里)，需新增1.9万公里。另外，规划也指出：中西部地区交通发展短板明显，相对滞后，要强化中西部地区通道建设。中西部地区迎来了新一轮的交通基础设施建设高潮。
中西部地区以山地和重丘为主，地形地质条件复杂多变，发展交通必然会遇到大量的隧道工程。随着隧道建设标准和建设规模的提高，安全高效地穿越高地应力软岩地区面临巨大挑战，特别是穿越软弱松散破碎岩层时，高地应力软岩大变形问题突出，现有的隧道理论方法和建设技术水平已经不能满足工程防灾减灾的需求。例如：2017年9月建成通车的兰渝铁路木寨岭隧道长19.1km，围岩以碳质板岩为主，施工过程中发生大变形，最大收敛变形达2.59m，最大拱部沉降达1.81m，造成初期支护与二次衬砌侵限、开裂、局部塌陷，被迫频繁拆换拱架，造成工期延误33个月，社会影响恶劣。
按照注浆对象和目的不同，隧道内注浆可分为：塌方体注浆、隧道止水注浆、地基加固注浆、地层加固注浆、锚杆注浆等5大类。地层注浆和锚杆加固(如让压锚杆)是控制软弱松散破碎地层大变形最有效、最常见的工程措施。因此，浆液的性能对隧道注浆工程来讲尤为重要。注浆材料是加固软弱围岩形成加固圈和承载拱及提供锚杆锚固力的关键。在注浆工程的设计中，浆液的选择是重要的一环，它直接影响着注浆的质量和工程的造价。由于注浆的目的和要求不同，选用的浆液亦应不同。隧道工程以往通用的注浆材料是普通硅酸盐水泥净浆，该水泥净浆(水灰比以0.5计)凝结时间往往大于5h，按照隧道正常工序用时，隧道已进行了1次爆破施工。隧道初期支护由于自身结构稳定性差，在自重和爆破扰动附加荷载作用下往往发生沉降变形，多者可达100～200mm/d，此时锚杆周围充填的水泥浆液仍没有或者只有极小的强度和握裹力，锚杆锚固力、对初期支护的悬吊作用及对围岩的挤压加固作用得不到及时有效地发挥，围岩与初期支护脱空，上覆岩体失去支护约束，由于软岩黏聚力很小，难以克服自重和施工扰动产生的附加荷载，使拱部岩体产生向下的滑移和松动，进而引起拱部松动区扩大，初期支护结构稳定性进一步恶化，出现钢架扭曲折断、喷射混凝土开裂等初期支护失稳破坏问题，加剧大变形灾害的发生。因此，大变形隧道的防控往往是非常困难和难见成效的。因此，针对软弱松散破碎地层隧道大变形灾害的防治，常用于地层加固和锚杆加固的注浆材料存在以下不足之处：
(1)缺乏针对性。对于软弱松散破碎地层隧道大变形灾变的特性与机理缺乏针对性，防控效果不理想。
(2)早期强度低。不能及时加固围岩和提供锚杆锚固力，在频繁施工扰动(特别是爆破振动)作用下，初期支护极易发生沉降变形，与围岩脱空，进而牵引上覆围岩松动，诱发大变形灾害发生。
(3)浆液凝结速度慢。易在地下水作用下稀释、流失，造成注浆质量差。
(4)设计水灰比不合理。w/c＝1:1过稀的水泥浆液在隧道注浆工程中屡见不鲜。
(5)效果甚微，反作用明显。对于软岩而言，隧道内常用的普通硅酸盐水泥浆不仅起不到应有的效果，加固或锚固效果甚微，还由于其过稀的水灰比和凝结速度慢等特性，软岩经长时间浸润，软化作用明显，强度急剧劣化衰减，诱发围岩失稳破坏。同时，隧道上覆围岩荷载增大，加剧软岩隧道大变形灾害。
(6)隧道注浆现场配量不准确，影响注浆效果。对于注浆材料复杂(特别是外掺剂过多)的浆液，容易出现漏加或重复多加某种外加剂的情况，且工序复杂不易推广应用。
由此可见，开发适用软弱松散破碎地层，满足复杂施工环境下大变形隧道注浆要求，且配比简单实用、可操作性强、价格低廉、性能优良的注浆材料至关重要。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种价格低廉、制备简易、高强快硬锚杆注浆材料。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种高强快硬锚杆注浆材料，包括水泥、水、粉煤灰、石英砂、减水剂和缓凝剂，其中，粉煤灰和水泥的重量比为(0.25～1):1，水的质量与水泥与粉煤灰的总质量的比为(0.4～0.42):1，石英砂的质量与水泥与粉煤灰的总质量的比为(0.50～0.8):1，减水剂的质量与水泥与粉煤灰的总质量的比为(0.5％～0.90％):1，缓凝剂的质量与水泥与粉煤灰的总质量的比为(0.04％～0.08％):1。
本发明进一步的改进在于，石英砂的粒径为35～70目。
本发明进一步的改进在于，水泥为快硬硫铝酸盐425水泥。
本发明进一步的改进在于，粉煤灰为i级粉煤灰。
本发明进一步的改进在于，减水剂为聚羧酸液体减水剂。
本发明进一步的改进在于，缓凝剂为柠檬酸。
本发明进一步的改进在于，粉煤灰和水泥的重量比为(0.25～0.5):1。
本发明进一步的改进在于，粉煤灰和水泥的重量比为0.5:1。
与隧道工程通用的注浆材料相比，本发明的注浆材料具有以下有益效果：
(1)高强快硬性。针对软弱松散破碎地层隧道大变形灾害特点，本发明通过采用合适配比的水泥、水、粉煤灰、石英砂、减水剂和缓凝剂，充分实现了地层注浆加固和锚杆注浆加固的高强快硬性能，4h抗压强度>10mpa，能及时有效发挥加固和悬吊作用，经渭武高速木寨岭隧道现场实际应用，效果极其显著。并且具有较好的流动性，初凝时间为40±5min。
(2)配比合理、操作性强。本发明涉及的注浆材料以水泥作为胶凝材料，实现早强快硬的目的；通过掺加粉煤灰节约水泥用量，增强浆液的可泵性；通过掺加石英砂有效提高摩阻力和改善水泥的收缩徐变；通过掺加减水剂减少用水量，有效提高砂浆强度；通过性能优良、价格低廉、取材方便的缓凝剂调节浆液凝结时间。隧道现场加料及拌合简单，操作性强，可大大提高配料准确性及注浆效率。
(3)渗透性好，结石率高。本发明涉及的水泥粉煤灰砂浆不仅能渗透到松散破碎地层的节理裂隙中，且结石率高、摩阻系数大，能有效起到加固围岩和提供抗拔力的作用。
(4)价格低廉，适合推广。本发明涉及的注浆材料在满足试验和工程要求的前提下，与水泥净浆相比，通过掺加粉煤灰和砂子可以减少30％～60％的水泥用量，价格低廉，易于推广，真正实现了性能优良、价格低廉、易于推广的社会效益。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明中每个实施例中选用快硬硫铝酸盐425水泥作为浆液配比的胶凝材料，掺合料为i级粉煤灰，骨料为石英砂，外加剂为聚羧酸高效液体减水剂，缓凝剂为工业用柠檬酸。通过单因素控制试验与耐久性强度试验优化配制出便于施工、高强快硬的注浆材料，结合室内锚固注浆配合比试验所获得的注浆参数，并以渭武高速木寨岭隧道为工程依托，投入实际应用。
本发明的注浆材料包括水泥、水、粉煤灰、石英砂、减水剂和缓凝剂，其中，粉煤灰和水泥的重量比例为(0.25～1):1，水的质量与水泥与粉煤灰的总质量的比为(0.4～0.42):1，石英砂与水泥与粉煤灰的总质量的比为(0.50～0.8):1，减水剂与水泥与粉煤灰的总质量的比为(0.5％～0.90％):1，缓凝剂与水泥与粉煤灰的总质量的比为(0.04％～0.08％):1。石英砂的粒径为35～70目，水泥为快硬硫铝酸盐425水泥，粉煤灰为i级粉煤灰，减水剂为聚羧酸液体减水剂，缓凝剂为柠檬酸。
本发明的注浆材料的制备方法为：将水泥、水、粉煤灰、石英砂、减水剂和缓凝剂混合均匀即可。
实施例1
一种水泥砂浆的注浆材料，包括水泥、水、i级粉煤灰、石英砂(35～70目)和外加剂(包括减水剂和缓凝剂)，所述i级粉煤灰和水泥的重量比例为0.50:1，水与胶凝材料(水泥与i级粉煤灰的混合物)重量比例为0.40:1，石英砂与胶凝材料(水泥与i级粉煤灰的混合物)重量比例为1:1，减水剂与胶凝材料(水泥与i级粉煤灰的混合物)重量比例为：0.90％:1，缓凝剂与胶凝材料(水泥与i级粉煤灰的混合物)重量比例为：0.08％:1。采用这种配比制得的注浆材料，可以满足针对软弱松散破碎地层隧道注浆材料的高强快硬性和流动性佳两项指标。
实施例2
一种水泥砂浆的注浆材料，包括水泥、水、i级粉煤灰、石英砂(35～70目)和外加剂(包括减水剂和缓凝剂)，所述i级粉煤灰和水泥的重量比例为1:1，水与胶凝材料(水泥与i级粉煤灰的混合物)重量比例为0.40:1，石英砂与胶凝材料(水泥与i级粉煤灰的混合物)重量比例为0.50:1，减水剂与胶凝材料(水泥与i级粉煤灰的混合物)重量比例为：0.90％:1，缓凝剂与胶凝材料(水泥与i级粉煤灰的混合物)重量比例为：0.04％:1。采用这种配比制得的注浆材料，可以满足针对软弱松散破碎地层隧道注浆材料的高强快硬性和流动性佳两项指标。
实施例3
一种水泥砂浆的注浆材料，包括水泥、水、i级粉煤灰、石英砂(35～70目)和外加剂(包括减水剂和缓凝剂)，所述i级粉煤灰和水泥的重量比例为0.25:1，水与胶凝材料(水泥与i级粉煤灰的混合物)重量比例为0.42:1，石英砂与胶凝材料(水泥与i级粉煤灰的混合物)重量比例为0.80:1，减水剂与胶凝材料(水泥与i级粉煤灰的混合物)重量比例为：0.50％:1，缓凝剂与胶凝材料(水泥与i级粉煤灰的混合物)重量比例为：0.08％:1。采用这种配比制得的注浆材料，可以满足针对软弱松散破碎地层隧道注浆材料的高强快硬性和流动性佳两项指标。
实施例4
一种水泥砂浆的注浆材料，包括水泥、水、i级粉煤灰、石英砂(35～70目)和外加剂(包括减水剂和缓凝剂)，所述i级粉煤灰和水泥的重量比例为0.50:1，水与胶凝材料(水泥与i级粉煤灰的混合物)重量比例为0.42:1，石英砂与胶凝材料(水泥与i级粉煤灰的混合物)重量比例为0.50:1，减水剂与胶凝材料(水泥与i级粉煤灰的混合物)重量比例为：0.60％:1，缓凝剂与胶凝材料(水泥与i级粉煤灰的混合物)重量比例为：0.04％:1。采用这种配比制得的注浆材料，可以满足针对软弱松散破碎地层隧道注浆材料的高强快硬性和流动性佳两项指标。
进一步地，所述水泥采用快硬硫铝酸盐425水泥(15min初凝)，缓凝剂采用柠檬酸，试件边长为40mm，跨距为100mm，加载速度为50n/s。
表1本发明涉及的新型注浆材料室内配合比试验
由表1可知，针对两种不同水灰比(0.40和0.42)，通过调节配料之间的相对比例，优化筛选出的4种浆液均能满足流动性和高强快硬性两项指标。且浆液凝结时间随着缓凝剂含量的增加而提升，试件强度随着龄期的增长稳定提高。
进一步地，选取实施例1在室外边坡进行锚杆注浆及拉拔试验，并在现场进行取样，带回实验室养护，试件规格为70.7mm×70.7mm×70.7mm，采用机械搅拌方式，压力试验机型号为hyz-300.10型，加载速度为1.3kn/s。
表2现场取样强度试验记录表
由表2可知，在水泥粉煤灰砂浆现场取样试验中，其抗压强度随着试件养护时间的增加而增强，且在28d能够达到28mpa的抗压强度。应当注意的是，针对试件的平均抗压强度计算采用如下方式：若六个测定值中有一个测定值超出六个平均值的±10％，则删除该数据，以剩余的抗压强度平均数作为最终平均数据；若剩余五个测试值中依旧存在超出平均值±10％的记录数据，则该试块的试验结果作废。
进一步地，采用水灰比为0.4的普通硅酸盐水泥(425r)净浆和实施例1这一配合比注浆材料进行边坡锚杆注浆及拉拔试验。试验结果如表3所列。
表3锚杆拉拔试验结果
如表3所示，本发明的新型注浆材料，其锚固效果远远高于常用的普通硅酸盐水泥净浆，其4h的拉拔力已是普通硅酸盐水泥净浆7d龄期拉拔力的4倍。同时，其锚固力随着锚杆直径和长度的增加而增加。由此可见，本发明的新型注浆材料实现了高强快硬的试验目的，锚固效果极其显著，满足工程防治软岩隧道大变形要求，且由于配比简单实用、操作性强，有显著的推广应用价值。
实施例5
一种水泥砂浆的注浆材料，包括水泥、水、i级粉煤灰、石英砂(35～70目)和外加剂(包括减水剂和缓凝剂)，所述i级粉煤灰和水泥的重量比例为0.75:1，水与胶凝材料(水泥与i级粉煤灰的混合物)重量比例为0.41:1，石英砂与胶凝材料(水泥与i级粉煤灰的混合物)重量比例为0.60:1，减水剂与胶凝材料(水泥与i级粉煤灰的混合物)重量比例为：0.70％:1，缓凝剂与胶凝材料(水泥与i级粉煤灰的混合物)重量比例为：0.05％:1。采用这种配比制得的注浆材料，可以满足针对软弱松散破碎地层隧道注浆材料的高强快硬性和流动性佳两项指标。
实施例6
一种水泥砂浆的注浆材料，包括水泥、水、i级粉煤灰、石英砂(35～70目)和外加剂(包括减水剂和缓凝剂)，所述i级粉煤灰和水泥的重量比例为0.80:1，水与胶凝材料(水泥与i级粉煤灰的混合物)重量比例为0.42:1，石英砂与胶凝材料(水泥与i级粉煤灰的混合物)重量比例为0.70:1，减水剂与胶凝材料(水泥与i级粉煤灰的混合物)重量比例为：0.80％:1，缓凝剂与胶凝材料(水泥与i级粉煤灰的混合物)重量比例为：0.06％:1。采用这种配比制得的注浆材料，可以满足针对软弱松散破碎地层隧道注浆材料的高强快硬性和流动性佳两项指标。
实施例7
一种水泥砂浆的注浆材料，包括水泥、水、i级粉煤灰、石英砂(35～70目)和外加剂(包括减水剂和缓凝剂)，所述i级粉煤灰和水泥的重量比例为0.40:1，水与胶凝材料(水泥与i级粉煤灰的混合物)重量比例为0.42:1，石英砂与胶凝材料(水泥与i级粉煤灰的混合物)重量比例为0.80:1，减水剂与胶凝材料(水泥与i级粉煤灰的混合物)重量比例为：0.90％:1，缓凝剂与胶凝材料(水泥与i级粉煤灰的混合物)重量比例为：0.07％:1。采用这种配比制得的注浆材料，可以满足针对软弱松散破碎地层隧道注浆材料的高强快硬性和流动性佳两项指标。
浆液的性能对隧道注浆工程来讲尤为重要。本发明针对软岩大变形隧道注浆要求，与隧道施工工序紧密结合，充分考虑隧道施作锚杆(包括注浆)至下一循环爆破开挖的工序用时(约为4h)，要求本发明涉及的新型注浆浆液需在4h提供较大强度和锚固力(实验室指标为抗压强度>10mpa)，这样在施工扰动(尤其是爆破振动)过程中，隧道周边围岩可以形成加固圈，形成承载拱；同时，锚杆锚固力能够发挥作用，给予钢架和喷射混凝土一个拉力，防止初期支护在爆破振动作用下出现沉降变形，与围岩脱空，给予围岩松弛牵引变形的空间。再者，考虑到隧道现场注浆过程中，加料、拌合、泵送以及清洗注浆设备所需时间(约为40min)，要求本发明涉及的注浆浆液初凝时间为40±5min。因此，本发明涉及的注浆材料的两项定性、定量控制指标为：
(1)高强快硬性：4h抗压强度>10mpa；
(2)流动性佳：初凝时间为40±5min。
基于上述两项基本指标，本发明在试验之初对各类水泥(硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、快硬硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥、膨胀水泥等)、掺合料(粉煤灰、明矾石)、骨料(石英砂、河砂、海砂、风积砂)、外加剂(减水剂、早强剂、缓凝剂、膨胀剂)基本性能进行了细致的调研和分析，通过单因素试验、正交试验、膨胀性试验对各类水泥进行了多达500组基础试验，最终优化筛选配制出简单、易操作、高强快硬、价格低廉、渗透性好、结石率高的注浆材料及配合比。最后通过室外边坡、洞内现场试验进行了实际应用，效果极其显著，有效控制了软岩隧道混凝土开裂、剥落，钢架扭曲、折断，初期支护侵限等大变形灾害，可广泛推广应用于其他隧道工程、边坡工程、水利工程、基坑工程中，极具推广价值。
以上内容是结合具体实施例对本发明方法所作的进一步详细说明，不能认定本发明方法的具体实施只局限于此。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，且性能或用途相同，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。