(中國能源建設(shè)集團湖南省電力設(shè)計院有限公司，湖南 長沙 410075)

0 引 言

風(fēng)能是一種清潔的可再生能源。隨著人們對環(huán)境保護意識的增強，特別是十三五能源規(guī)劃中，對風(fēng)力發(fā)電項目在政策方面的支持，風(fēng)力發(fā)電將得到進一步迅猛發(fā)展。風(fēng)電開發(fā)在緩解電力緊張、節(jié)能減排及調(diào)整能源結(jié)構(gòu)等方面具有極其重要的意思。2016年以來，高塔筒、長葉片風(fēng)力發(fā)電機得到迅猛發(fā)展，可充分挖掘國內(nèi)如河南、山東、安徽等高切變區(qū)域的平原風(fēng)電場的開發(fā)潛力。

煤矸石是煤層在形成過程中與煤伴生或共生的一種堅硬巖石，隨著煤礦的開采而成為煤炭生產(chǎn)中的副產(chǎn)品，主要包括掘進井巷時排出的煤矸石、選煤排出的煤矸石和露天采煤產(chǎn)生的剝離矸石、以及燃煤電廠破碎篩分中產(chǎn)生的矸石。煤矸石是我國目前最大的固體廢棄物源，占全國工業(yè)廢料的20%以上。進入21世紀以來，特別是隨著十三五規(guī)劃對“節(jié)約型、環(huán)保型”材料的重視，人們對環(huán)境保護意識日益加強，如何綜合利用煤矸石，越來越引起人們的重視。目前世界各地多數(shù)國家針對煤矸石的綜合應(yīng)用主要集中在工程應(yīng)用方面，特別是將煤矸石作為道路基層材料用于筑路工程，這是由于路基填料對煤矸石的種類和品質(zhì)沒有特別的要求，對有害成分限制不嚴，而且煤矸石應(yīng)用于路基填料具有耗渣量大、無需特殊處理及特殊技術(shù)手段的優(yōu)點。

隨著平原風(fēng)電場的迅猛發(fā)展，平原風(fēng)電道路修建過程的路基填料相當(dāng)緊缺，靠近產(chǎn)煤區(qū)或燃煤電廠的煤矸石大量堆積，將煤矸石應(yīng)用于路基填料已成為科研人員研究的重要問題，為煤矸石的利用找出一條合理利用并變廢為寶的途徑。根據(jù)國外一些學(xué)者Bulter、Michals、solesbury[1-3]等利用不同煤矸石做現(xiàn)場模擬壓密試驗，認為煤矸石可壓密程度與粒度分布特點密切相關(guān)，適當(dāng)提高煤矸石中細小顆粒的含量，可以有效提高煤矸石的固結(jié)性能，改善其工程特性。煤矸石中摻加適量黏土可改善其顆粒級配及力學(xué)性能[4]，并在試驗及工程實例中得到證實。

針對靠近產(chǎn)煤區(qū)或燃煤電廠的平原風(fēng)電場項目，可充分利用煤矸石作為路基填料，即可解決平原風(fēng)電場筑路填料不足的問題，又可解決煤矸石無處堆放的問題。文中結(jié)合平原風(fēng)電場場內(nèi)道路筑路條件，分析不同摻土量煤矸石的基本路用性能，探究適合煤矸石在平原風(fēng)電場應(yīng)用的方法。

1 試驗材料及試驗方法

試驗所用的煤矸石填料取自于湖南省婁底地區(qū)，摻和土取自于施工現(xiàn)場附近的粘土，將煤矸石及摻和土從現(xiàn)場取回實驗室后，根據(jù)規(guī)范[5],進行了顆粒級配試驗、擊實試驗，并分析擊實前后不同摻土量煤矸石的顆粒級配變化情況；為探究摻土煤矸石對風(fēng)電場環(huán)境的影響，對煤矸石及摻和土的化學(xué)成分進行了分析。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同摻土量煤矸石顆粒顆粒級配試驗

試驗分別對不同摻土量(摻土0%、5%、10%、20%)煤矸石進行篩分試驗，計算小于某粒徑土粒質(zhì)量的百分含量(即通過率)，如圖1所示。

圖1 不同摻土量煤矸石顆粒級配曲線1.摻土0%煤矸石；2.摻土5%煤矸石；3.摻土10%煤矸石；4.摻土20%煤矸石

由圖1可知，該地區(qū)煤矸石大粒徑矸石占了相當(dāng)大的比例，粒徑大于5 mm的顆粒含量超過80%；隨著摻土量增加，細顆粒含量增加，粒度分布不均勻現(xiàn)象在一定程度上得到一定的改善，但不同摻土量仍存在某些粒組分布不均勻問題，不同程度的存在粒組不連續(xù)分布的現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E-40—2007)，由于該地區(qū)煤矸石及不同摻土量(摻土量不大于20%)煤矸石粒徑大于2 mm的顆粒含量超過全部質(zhì)量的50%，所以該地區(qū)煤矸石屬碎石類土。

煤矸石的粒度分布范圍較大，從幾厘米的塊石到1 mm以下的細小顆粒，并普遍含有一定量的膠體成分，因此煤矸石具有粗粒土和細粒土的雙重性質(zhì)，比如易與水發(fā)生作用，顆粒間存在一定的黏聚力；但是由于煤矸石的粗粒土部分強度低，易于破碎，所以煤矸石既具有粗粒土的特性，又具有自身的特殊性，它能夠在碾壓和夯實過程中級配得到自我完善。

表1不同摻土量煤矸石的不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)

摻土量D60D30D10CuCc摻土0%煤矸石21.5111.81.953.12摻土5%煤矸石2191.02.333.86摻土10%煤矸石2080.82.504.0摻土20%煤矸石1870.62.574.54

由表1可以看出：隨著摻土量增加，煤矸石不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc均逐漸變大。隨著摻土量增加，曲線逐漸變得平緩，粒徑分布越來越不均勻。但不同摻土量(摻土20%以內(nèi))煤矸石，Cu<5，表明粒徑分布均勻，顆粒大小差別不大；Cc>3，表明中間粒徑顆粒偏多，較小粒徑顆粒較??；綜上可知，該區(qū)域煤矸石及摻土20%以內(nèi)煤矸石屬級配不良，不過隨著摻土量增加，級配不良逐漸得以改善。

2.2 不同摻土量煤矸石擊實試驗

擊實試驗是用錘擊實土樣以了解土壓實性能的一種室內(nèi)試驗方法。這個方法是用不同的擊實功分別錘擊不同含水率的土樣，并測定相應(yīng)的干密度，從而求得最大干密度以及對應(yīng)的最優(yōu)含水率，為填土工程的設(shè)計、施工提供依據(jù)。本試驗根據(jù)不同摻土量煤矸石的粒組分布可知，不同摻土量煤矸石的擊實試驗需要采用重型擊實儀。試驗過程分別進行了不同摻土量煤矸石的擊實試驗，不同摻土量干密度和含水率的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 不同摻土量煤矸石干密度與含水率之間的關(guān)系曲線1.摻土量0%煤矸石；2.摻土量5%煤矸石；3.摻土量10%煤矸石；4.摻土量20%煤矸石

由圖2可以看出：摻土量20%以內(nèi)的煤矸石，最大干密度隨著摻土量的增加而減小，最優(yōu)含水率隨著摻土量的增加而增加。隨著摻土量增加，摻土煤矸石的擊實曲線變得相對平緩，說明其物理狀態(tài)對含水量變化的敏感性降低，因此煤矸石摻入土之后，在現(xiàn)場施工過程中更有利于控制碾壓時路基填料含水率為最優(yōu)含水率。

2.3 擊實前后不同摻土量煤矸石的粒度分布分析對比

不同摻土量煤矸石擊實前后的粒度分布對比分析見表2。不同摻土量煤矸石擊實前后的不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)見表3。

表2不同摻土量煤矸石擊實前后粒度分布對比

粒徑范圍擊實前含量/%擊實后含量/%20～40mm36～4316.9～22.85～20mm40～4537.3～42.8<5mm18～2435.0～45.8

表3不同摻土量煤矸石擊實前后不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)

摻土量不均勻系數(shù)Cu曲率系數(shù)Cc擊實前擊實后擊實前擊實后摻土0%煤矸石1.954.193.121.28摻土5%煤矸石2.333.943.861.37摻土10%煤矸石2.503.824.01.48摻土20%煤矸石2.573.754.541.55

從表2中可以看出，擊實之前的摻土煤矸石粒度組成中粒徑5 mm～20 mm的含量最大，累計含量可以達到40%～45%，但與粒徑在20 mm～40 mm的累計含量相差不大，而5 mm以下含量低于24%，顆粒組成上有一定的缺失現(xiàn)象。不同摻土量煤矸石擊實后的顆粒級配分析表明，擊實作用對20 mm以上的粒組含量影響比較明顯，其中20～40 mm粒組含量明顯減少，顆粒破碎比例較大；5～20 mm粒組含量基本維持不變，但5 mm以下的粒組含量明顯增加。不同摻土量煤矸石擊實之后粒組變化規(guī)律如下：

(1)經(jīng)過擊實作用，煤矸石的粗顆粒被破碎，粗顆粒含量減少，細顆粒含量增加。

(2)由于擊實作用使顆粒破碎，進而使次一級粒組含量比例相對增加，最終導(dǎo)致20 mm以上粒組含量明顯減少，5 mm以下粒組含量明顯增加，而中間粒組含量基本維持不變。

從表3可以看出，不同摻土量煤矸石的不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)在擊實前后有一定的變化：不均勻系數(shù)Cu擊實后的數(shù)值比擊實前的數(shù)值大，曲率系數(shù)Cc擊實后的數(shù)值比擊實前的數(shù)值小，因此不同摻土量煤矸石經(jīng)過擊實之后，粒徑分布逐漸變得不均勻，顆粒級配趨于良好，較大矸石顆粒之間的小空隙可由細顆粒填填充，因此，不同摻土量煤矸石經(jīng)過擊實之后，顆粒級配趨于良好，有利于碾壓密實。

不同摻土量煤矸石在夯實、碾壓過程中存在由于顆粒破碎導(dǎo)致的粒組含量重新分布的特點，從而使煤矸石的自我結(jié)構(gòu)得到改善，有利于其在路基填料工程的應(yīng)用。煤矸石粗顆粒破碎會促使其顆粒間的重新排列，使壓實之后的煤矸石路基空隙比減小，結(jié)構(gòu)更趨于緊密，使煤矸石填筑路基在力學(xué)上更加穩(wěn)定。

通過不同摻土量(摻土20%以內(nèi))煤矸石擊實前后的顆粒級配分析，結(jié)合風(fēng)電場道路施工實際情況，可以得到以下三個結(jié)論：

(1)平原風(fēng)電場路基填筑采用摻土煤矸石填料，在碾壓及大件運輸壓實過程中，出現(xiàn)比較明顯的顆粒破碎現(xiàn)象，使粗顆粒含量減少，細顆粒含量增加，級配趨于良好。

(2)道路路基的碾壓過程可改變了煤矸石的粒度組成，使其顆粒級配狀況得到自我改善，從而提高煤矸石碾壓密實度，這是煤矸石材料特有的性質(zhì)。因此煤矸石顆粒破碎特性有利于煤矸石在路基填料中的應(yīng)用。

(3)影響煤矸石強度指標及壓實度的一個最重要的原因就是級配不良及細小顆粒含量過低。通過適當(dāng)提高煤矸石中細小顆粒含量，改善煤矸石顆粒的可塑性，不但能使煤矸石容易獲得較高的壓實度，而且能夠使煤矸石的水穩(wěn)定性得到明顯改善。

2.4 煤矸石及摻和土的化學(xué)組成成分

煤矸石及摻和土的化學(xué)組成成分是評價煤矸石特性、決定路用性能、指導(dǎo)矸石路基生產(chǎn)的重要指標。本試驗分別對煤矸石及摻和土的化學(xué)組成成分進行了分析，化學(xué)成分分析由中南大學(xué)化學(xué)成分分析中心測定，結(jié)果見表4。

表4煤矸石及摻和土的化學(xué)成分分析表(%)

成分SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOK2ONa2O煤矸石61.8112.961.840.740.350.870.19摻和土49.1325.508.310.451.092.140.3

由表4可以看出，該區(qū)域煤矸石及摻和土的化學(xué)組成成分大致相同，因此兩者混合以后不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以用該摻和土改善煤矸石的路用性能是可行的；煤矸石主要成分和摻和土相似，風(fēng)電場道路采用摻土煤矸石做填料不會產(chǎn)生環(huán)境破壞。該區(qū)域煤矸石的活性化合物含量(SiO2+Al2O3+Fe2O3+CaO+MgO)超過了75%，是一種典型的堿性礦渣，經(jīng)水解碾壓后，在一定溫度下，可產(chǎn)生火山灰反應(yīng)，生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣，產(chǎn)生部分碳酸鈣并形成板體，因此煤矸石適合做風(fēng)電場路基填料。

鑒于煤矸石顏色通常為黑色或灰色，為減少道路路基顏色對景觀的影響，可摻加適量黏土，并對邊坡及路基頂部采用適當(dāng)厚度黏土包邊封頂，并植草綠化，即可改善道路色彩對風(fēng)電場景觀的視覺沖積，又能改善煤矸石路基的路用性能。

3 結(jié)束語

(1) 煤矸石大粒徑矸石占了相當(dāng)大的比例，粒徑大于5 mm的顆粒含量超過80%；隨著摻土量增加，細顆粒含量增加，粒度分布不均勻現(xiàn)象在一定程度上得到一定的改善。

(2)煤矸石最大干密度隨著摻土量的增加而減小，最優(yōu)含水率隨著摻土量的增加而增加。隨著摻土量增加，摻土煤矸石的擊實曲線變得相對平緩，說明其物理狀態(tài)對含水量變化的敏感性降低，因此煤矸石摻入土之后，在現(xiàn)場施工過程中更有利于控制碾壓時路基填料含水率為最優(yōu)含水率。

(3) 煤矸石經(jīng)過擊實作用后，粗顆粒被破碎，粗顆粒含量減少，細顆粒含量增加，級配趨于良好。

(4)煤矸石作為風(fēng)電場道路路基，在路基的碾壓過程可改變了煤矸石的粒度組成，使其顆粒級配狀況得到自我改善，從而提高煤矸石碾壓密實度，這是煤矸石材料特有的性質(zhì)。因此煤矸石顆粒破碎特性有利于煤矸石在路基填料中的應(yīng)用，鑒于平原風(fēng)電場黏土緊缺，建議采用摻土量15%的煤矸石作為風(fēng)電場路基填料。

(5) 針對平原風(fēng)電場靠近產(chǎn)煤區(qū)或燃煤電廠，可采用摻土煤矸石作為路基填料，不僅解決煤矸石無處堆放的問題，又能解決平面風(fēng)電場路基填料欠缺的問題。煤矸石路基填筑完成后，采用黏土包邊封頂，以便使風(fēng)電場道路與周邊環(huán)境協(xié)調(diào)統(tǒng)一。