電子垃圾在瀝青混合料中應用的可行性

陳浩 朱銀輝 尚肖林 彭勝利

摘 ?????要：采用相關分析儀器考察了電子垃圾微觀形貌、元素組成及熱穩定性等。試驗表明，電子垃圾主要由玻璃纖維及熱固性樹脂等組成，微觀表面崎嶇且存在較多孔徑分布，在混合料拌合溫度下熱穩定性良好。利用傅里葉變換紅外光譜（FTIR）和掃描電子顯微鏡（SEM）分析了電子垃圾與瀝青結合料的共混機理。試驗表明，電子垃圾與瀝青之間未發生化學反應。依據電子垃圾的級配特點，將其作為細集料的一部分添加到瀝青混合料中，考察了電子垃圾對瀝青混合料性能的影響。試驗結果表明：隨著電子垃圾的加入，混合料抗車轍性能和水穩定性降低。依據電子垃圾瀝青混合料性能特點，建議可應用于慢車道或低等級道路。

關 ?鍵 ?詞：電子垃圾;瀝青混合料;共混機理;抗車轍性能;水穩定性

中圖分類號：U414.701???????文獻標識碼：?A ??????文章編號： 1671-0460（2020）03-0570-05

Feasibility of Application of E-waste in Asphalt Mixture

CHEN?Hao，?ZHU?Yin-hui， SHANG?Xiao-lin，?PENG?Sheng-li

（College of Physics and Electronic Information， Henan University of Technology， Henan Jiaozuo 454003， China）

Abstract： ?The microstructure， elemental composition and thermal stability of electronic waste were investigated by analytic instruments. The test results show that the electronic waste is mainly composed of glass fiber and thermosetting resin. The micro surface is rugged and has more pore distribution， and the thermal stability is good at the mixing temperature. Fourier transform infrared spectroscopy （FTIR） and scanning electron microscope （SEM） were used to analyze the blending mechanism of the electronic waste and asphalt binder. The results showed that there was no chemical reaction between the electronic waste and the asphalt. According to the characteristics of the grading of electronic waste， it was added as a part of the fine aggregate into the asphalt mixture， and the effect of the electronic waste on the performance of the asphalt mixture was?investigated. The test results showed that the rutting resistance and water stability of the mixture decreased with the addition of electronic waste. According to the performance characteristics of e-waste asphalt mixture， it is suggested that it can be applied to slow lane or low grade road.

Key words： ?electronic waste; asphalt mixture; blending mechanism; anti-rutting performance;?water stability

隨著社會經濟和科學技術的發展，電子設備的種類和數量日漸增長，現已融入到人們的日常生活中，給人們生活帶來了巨大便利的同時卻潛藏著危害：電子廢棄物（電子垃圾）不斷產生。電子垃圾的隨意堆放不僅對人類的身體健康和地球的生態環境造成嚴重的威脅，而且會造成巨大的資源浪費^[1，2]。電子垃圾組成極為復雜，主要有金屬、玻璃纖維、樹脂、塑料等。這些材料若處理得當，不僅可以減少環境污染，而且可以帶來巨大的經濟效益^[3，4]。為此，各國對電子垃圾的回收處理已經頒布了各項法律法規。對電子垃圾進行回收利用不僅符合我國循環經濟的發展戰略，而且符合建設節約型社會和可持續發展的全球戰略目標。針對于電子垃圾中金屬元素的回收利用，各國已經建立的相對比較完善的體系^[5，6]。國內外學者對電子垃圾中有機物的回收利用也進行了大量的研究工作，但對于其中非金屬元素的回收利用的研究卻鮮見報道。

電子垃圾成分復雜、產量大，無害化處理具有很大的難度。本文嘗試將回收金屬元素后的電子垃圾，或者含金屬元素較低的電子垃圾進行簡單的破碎處理后添加到瀝青混合料中?？疾炝穗娮永鴮r青混合料路用性能的影響，為電子垃圾瀝青混合料的應用可行性提供相關的理論指導。作為廢棄物，將這些具有較低經濟價值的電子垃圾添加到瀝青混合料中不僅可以降低路面建設的造價成本，而且可以緩解環境壓力。

1 ?實驗部分

1.1 ?試驗材料

試驗所用瀝青膠結料為SBS改性瀝青，其基本技術性質均符合規范要求。混合料級配類型采用AC-13，不添加電子垃圾時級配組成如表1所示。最佳油石比采用4.9%。電子垃圾相對密度為1.4，電子垃圾級配如表2所示。根據電子垃圾與玄武巖密度比進行相關換算后，采用試算法保持三種不同摻量（6%、9%、12%）的混合料配比與未添加電子垃圾的混合料配比基本相同，電子垃圾瀝青混合料級配如表3所示， 形貌如圖1所示。

1.2 ?試驗方法

采用掃描電子顯微鏡（SEM）、能譜分析儀（EDS）、熱重儀（TG）、比表面積及孔徑分析儀分析了電子垃圾微觀形貌、組成和熱穩定性。采用FTIR和SEM分析了電子垃圾與瀝青結合料的混溶機理，試驗采用壓片法，分辨率為4 cm^-1，掃描次數為32次，測試范圍為400～5 000 cm^-1。

根據JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》的要求，對混合料進行車轍試驗和馬歇爾穩定度試驗，考察電子垃圾對瀝青混合料抗車轍性能及水穩定性的影響。

2 ?結果與討論

2.1 ?電子垃圾性能分析

SEM具有較高的分辨率，在材料研究領域常應用SEM研究材料的微觀表面形貌，并可結合EDS獲得材料微觀元素組成信息^[7，8]。電子垃圾SEM和EDS結果如圖2-3所示。比表面積及孔徑分析儀可用于量化材料表面微觀特征，分析結果列于表4中。

結合掃描電鏡圖及比表面積及孔徑分析數據結果可以看出，該電子垃圾表面形貌復雜、粗糙，有較多的溝壑，并呈現出多孔結構，具有較大的比表面積。

將該電子垃圾添加到瀝青混合料中后會起到降低瀝青膜的厚度，增大結構瀝青的比例的作用，使得瀝青混合料的粘聚力升高。從EDS能譜圖中可以看出該廢舊電子產品中的化學元素主要是Si、O、Al、C，不含有金屬Cu以及其他貴金屬元素，表明該材料在前期進行過適當的預處理，已除去了電子產品中的貴金屬成分。剩余的主要是一些熱固性樹脂等有機物質以及玻璃纖維等。因此該材料作為瀝青混合料填料，不僅不會對環境造成重金屬污染，而且可以減少廢舊電子產品對環境產生的壓力。玻璃纖維具有較好的耐熱性和抗腐蝕性，以及較高的機械強度。材料中熱固性樹脂等有機物質填充于玻璃纖維周圍可以改善其耐磨性差的缺陷。因此該電子垃圾對瀝青混合料的性能應該具有一定的改善作用。

為了考察電子垃圾在瀝青混合料拌合溫度下是否存在有毒性氣體的釋放，試驗采用TG分析了電子垃圾的熱穩定性，試驗結果如圖4所示。

實驗是處于氮氣氣氛中，在無氧環境下炭黑組分重量不變，失重原因是小分子的揮發和橡膠的裂解。從熱重曲線可以看出，該材料具有明顯的2個失重階段。一個階段為334 ℃之前，該階段質量損失較為緩慢，應該為某些小分子物質（比如增塑劑、防老劑等）的揮發造成的;另一個階段為334～498 ℃，該階段質量損失速率增大，由于橡膠的的裂解溫度一般處于400 ℃附近，因此可以判斷該失重為材料中膠料的裂解。根據失重量可以大體推出，該材料中小分子物質約占1.2%，膠料約占8%。綜合以上分析可知，在瀝青混合料的制備過程中，該電子垃圾不會產生明顯的質量衰減和有害氣體的釋放。

2.2 ?電子垃圾與瀝青膠結料共混機理分析

為了考察電子垃圾與瀝青之間的共混機理，試驗將電子垃圾粉末（粒徑小于0.075 mm）添加到基質瀝青中，制備成電子垃圾瀝青膠漿，并采用FTIR和SEM分析了電子垃圾與瀝青之間的共混機理。試驗結果如圖5-6所示。

根據FTIR分析結果可知，3 450 cm^-1峰是O-H的典型拉伸振動吸收峰，2 930和2860cm^-1處吸收峰是典型的C-H鏈路振動吸收峰。在1 460和1 380 cm^-1處吸收峰為烷烴中C-H不對稱和對稱的變形振動吸收峰。1 500～1 700 cm^-1區域的吸收峰屬于烯烴和芳烴的C=C伸縮振動吸收峰以及C=O吸收峰。FTIR光譜分析表明，在基質瀝青中加入電子垃圾時，其吸收峰的數量和位置幾乎不變。唯一不同的是Si-O的伸縮振動吸收峰出現在1 120 cm^-1， Si-C的伸縮振動吸收峰出現在800 cm^-1，這接近于電子垃圾吸收光譜的Si-O和Si-C伸縮振動吸收峰位置。這表明瀝青和電子垃圾之間沒有發生化學反應，瀝青和電子垃圾之間屬于物理共混。此外，在電子垃圾的紅外光譜中，C-H 伸縮振動吸收峰和不對稱和對稱的變形吸收峰均較弱，這表明電子垃圾中的有機質含量較少，EDS分析數據也證明了這一結果。

在電子垃圾瀝青膠漿SEM圖中可以觀察到不同區域會出現不同的微觀結構。圖6（a）出現較均勻的顆粒分布，這是由于在粉碎電子垃圾時，部分樹脂類有機物被粉碎機從電子垃圾中的無機物上分離出來，在制備電子垃圾瀝青膠漿時，這部分樹脂會均勻的分散于瀝青中。

圖6（b）為表面附著部分有機物的電子垃圾粉末在瀝青中的存在狀態，根據SEM照片可以看出，這部分電子垃圾與瀝青之間相容性較好，表明電子垃圾瀝青膠漿穩定性較好。

2.3??電子垃圾瀝青混合料高溫性能分析

在行車荷載的反復作用下，瀝青路面會出現永久變形，這種變形的不斷累積就會產生車轍^[9]。車轍的出現使得部分瀝青層變薄，進而使得路面結構的整體強度下降。

這不僅影響路面的平整度，也會使得路面的抗滑性能下降，對車輛正常行駛造成很大的隱患^[10]。為此對三種摻量下電子垃圾瀝青混合料進行了車轍試驗，試驗結果如表5所示。

由表中數據可以看出，SBS改性瀝青混合料具有較好的高溫穩定性。在保證油石比相同，混合料級配大致相同的情況下，隨著電子垃圾摻量的提高，混合料的高溫穩定性出現了顯著的下降。在摻量達到9%時，動穩定度開始趨于平穩，甚至出現了極小幅度的回升。考慮到試驗偶然誤差的原因，動穩定度的變化趨勢可以認為是持續下降的。結合電子垃圾的基本性能和形貌特點可知，造成這種動穩定度大幅度下降的原因主要是電子垃圾中含有大量破碎不完全的針狀或片狀的集料。相比于普通的集料，針片狀的集料過細或是過薄，在外在荷載的作用下，這種集料有很大的概率會破碎，使得原有的混合料中細料變多，導致混合料的強度降低，影響瀝青混合料的實際性能。此外，這種針片狀集料大多以平躺形式存在于混合料中，使得混合料中集料之間的相互嵌擠作用減弱，并且在這種狀態下集料之間發生滑動的可能性增大。

2.4??電子垃圾瀝青混合料水穩定性分析

水穩定性是瀝青路面的較為關鍵的使用性能之一，水穩定性不足的情況下路面容易發生水損害^[11]。雨雪都會造成這種損害，極大地影響了瀝青與集料之間的黏附性。發生了水損害后的路面，會出現瀝青從集料的表面脫落現象，導致路面出現不同程度的松散、坑槽等病害，影響路面的使用甚至導致行車出現危險^[12]。本文通過浸水馬歇爾試驗考察電子垃圾對瀝青混合料水穩定性的影響。

在保證油石比相同，混合料級配大致相同的情況下，在電子垃圾摻量不斷提高時，浸水殘留穩定度不斷下降;在電子垃圾摻量達到9%之后，浸水殘留穩定度趨于平穩，甚至出現小幅度回升?？紤]到實驗允許的誤差，可以認為浸水殘留穩定度隨著電子垃圾摻量的不斷提高而不斷下降。結合電子垃圾的基本性能和形貌特點可知，造成混合料水穩定性不斷下降的原因是，電子垃圾中的針片狀顆粒會增加瀝青混合料空隙率，導致水更加容易浸入混合料中，影響混合料的水穩定性。此外，針片狀集料在荷載作用下極易發生破碎，增加了集料的破碎率，而破裂面上無瀝青裹附，導致在水的作用下瀝青極易從集料表面剝落。

3??結 論

（1） SEM試驗和比表面積及孔徑分析儀測試結果表明，所用電子垃圾表面粗糙，具有較為豐富的孔徑結構和較大的比表面積，添加到瀝青中后能夠降低瀝青膜的厚度，增大結構瀝青的比例。TG試驗表明該電子垃圾熱穩定性良好，200 ℃以內幾乎不會出現質量損失，在制備瀝青混合料時無需擔心產生有毒性氣體。

（2） FTIR試驗表明，電子垃圾與瀝青之間屬于物理共混。電子垃圾瀝青膠漿SEM試驗表明，電子垃圾粉末與瀝青之間相容性較好。

（3）車轍試驗和浸水馬歇爾試驗結果表明，隨著電子垃圾摻量的增加，瀝青混合料的高溫穩定性和水穩定性逐漸降低，造成這種現象的原因是因為，所用電子垃圾中存在較多的針片狀結構。因此，建議可將該種電子垃圾瀝青混合料應用于慢車道或低等級公路，或對其進行再次破碎，改善顆粒形狀，以達到提高路用性能的目的。

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