电子垃圾在沥青混合料中应用的可行性

陈浩 朱银辉 尚肖林 彭胜利

摘      要：采用相关分析仪器考察了电子垃圾微观形貌、元素组成及热稳定性等。试验表明，电子垃圾主要由玻璃纤维及热固性树脂等组成，微观表面崎岖且存在较多孔径分布，在混合料拌合温度下热稳定性良好。利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和扫描电子显微镜（SEM）分析了电子垃圾与沥青结合料的共混机理。试验表明，电子垃圾与沥青之间未发生化学反应。依据电子垃圾的级配特点，将其作为细集料的一部分添加到沥青混合料中，考察了电子垃圾对沥青混合料性能的影响。试验结果表明：随着电子垃圾的加入，混合料抗车辙性能和水稳定性降低。依据电子垃圾沥青混合料性能特点，建议可应用于慢车道或低等级道路。

关  键  词：电子垃圾;沥青混合料;共混机理;抗车辙性能;水稳定性

中图分类号：U414.701       文献标识码： A       文章编号： 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

隨着社会经济和科学技术的发展，电子设备的种类和数量日渐增长，现已融入到人们的日常生活中，给人们生活带来了巨大便利的同时却潜藏着危害：电子废弃物（电子垃圾）不断产生。电子垃圾的随意堆放不仅对人类的身体健康和地球的生态环境造成严重的威胁，而且会造成巨大的资源浪费^[1，2]。电子垃圾组成极为复杂，主要有金属、玻璃纤维、树脂、塑料等。这些材料若处理得当，不仅可以减少环境污染，而且可以带来巨大的经济效益^[3，4]。为此，各国对电子垃圾的回收处理已经颁布了各项法律法规。对电子垃圾进行回收利用不仅符合我国循环经济的发展战略，而且符合建设节约型社会和可持续发展的全球战略目标。针对于电子垃圾中金属元素的回收利用，各国已经建立的相对比较完善的体系^[5，6]。国内外学者对电子垃圾中有机物的回收利用也进行了大量的研究工作，但对于其中非金属元素的回收利用的研究却鲜见报道。

电子垃圾成分复杂、产量大，无害化处理具有很大的难度。本文尝试将回收金属元素后的电子垃圾，或者含金属元素较低的电子垃圾进行简单的破碎处理后添加到沥青混合料中。考察了电子垃圾对沥青混合料路用性能的影响，为电子垃圾沥青混合料的应用可行性提供相关的理论指导。作为废弃物，将这些具有较低经济价值的电子垃圾添加到沥青混合料中不仅可以降低路面建设的造价成本，而且可以缓解环境压力。

1  实验部分

1.1  试验材料

试验所用沥青胶结料为SBS改性沥青，其基本技术性质均符合规范要求。混合料级配类型采用AC-13，不添加电子垃圾时级配组成如表1所示。最佳油石比采用4.9%。电子垃圾相对密度为1.4，电子垃圾级配如表2所示。根据电子垃圾与玄武岩密度比进行相关换算后，采用试算法保持三种不同掺量（6%、9%、12%）的混合料配比与未添加电子垃圾的混合料配比基本相同，电子垃圾沥青混合料级配如表3所示， 形貌如图1所示。

1.2  试验方法

采用扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析仪（EDS）、热重仪（TG）、比表面积及孔径分析仪分析了电子垃圾微观形貌、组成和热稳定性。采用FTIR和SEM分析了电子垃圾与沥青结合料的混溶机理，试验采用压片法，分辨率为4 cm^-1，扫描次数为32次，测试范围为400～5 000 cm^-1。

根据JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的要求，对混合料进行车辙试验和马歇尔稳定度试验，考察电子垃圾对沥青混合料抗车辙性能及水稳定性的影响。

2  结果与讨论

2.1  电子垃圾性能分析

SEM具有较高的分辨率，在材料研究领域常应用SEM研究材料的微观表面形貌，并可结合EDS获得材料微观元素组成信息^[7，8]。电子垃圾SEM和EDS结果如图2-3所示。比表面积及孔径分析仪可用于量化材料表面微观特征，分析结果列于表4中。

结合扫描电镜图及比表面积及孔径分析数据结果可以看出，该电子垃圾表面形貌复杂、粗糙，有较多的沟壑，并呈现出多孔结构，具有较大的比表面积。

将该电子垃圾添加到沥青混合料中后会起到降低沥青膜的厚度，增大结构沥青的比例的作用，使得沥青混合料的粘聚力升高。从EDS能谱图中可以看出该废旧电子产品中的化学元素主要是Si、O、Al、C，不含有金属Cu以及其他贵金属元素，表明该材料在前期进行过适当的预处理，已除去了电子产品中的贵金属成分。剩余的主要是一些热固性树脂等有机物质以及玻璃纤维等。因此该材料作为沥青混合料填料，不仅不会对环境造成重金属污染，而且可以减少废旧电子产品对环境产生的压力。玻璃纤维具有较好的耐热性和抗腐蚀性，以及较高的机械强度。材料中热固性树脂等有机物质填充于玻璃纤维周围可以改善其耐磨性差的缺陷。因此该电子垃圾对沥青混合料的性能应该具有一定的改善作用。

为了考察电子垃圾在沥青混合料拌合温度下是否存在有毒性气体的释放，试验采用TG分析了电子垃圾的熱稳定性，试验结果如图4所示。

实验是处于氮气气氛中，在无氧环境下炭黑组分重量不变，失重原因是小分子的挥发和橡胶的裂解。从热重曲线可以看出，该材料具有明显的2个失重阶段。一个阶段为334 ℃之前，该阶段质量损失较为缓慢，应该为某些小分子物质（比如增塑剂、防老剂等）的挥发造成的;另一个阶段为334～498 ℃，该阶段质量损失速率增大，由于橡胶的的裂解温度一般处于400 ℃附近，因此可以判断该失重为材料中胶料的裂解。根据失重量可以大体推出，该材料中小分子物质约占1.2%，胶料约占8%。综合以上分析可知，在沥青混合料的制备过程中，该电子垃圾不会产生明显的质量衰减和有害气体的释放。

2.2  电子垃圾与沥青胶结料共混机理分析

为了考察电子垃圾与沥青之间的共混机理，试验将电子垃圾粉末（粒径小于0.075 mm）添加到基质沥青中，制备成电子垃圾沥青胶浆，并采用FTIR和SEM分析了电子垃圾与沥青之间的共混机理。试验结果如图5-6所示。

根据FTIR分析结果可知，3 450 cm^-1峰是O-H的典型拉伸振动吸收峰，2 930和2860cm^-1处吸收峰是典型的C-H链路振动吸收峰。在1 460和1 380 cm^-1处吸收峰为烷烃中C-H不对称和对称的变形振动吸收峰。1 500～1 700 cm^-1区域的吸收峰属于烯烃和芳烃的C=C伸缩振动吸收峰以及C=O吸收峰。FTIR光谱分析表明，在基质沥青中加入电子垃圾时，其吸收峰的数量和位置几乎不变。唯一不同的是Si-O的伸缩振动吸收峰出现在1 120 cm^-1， Si-C的伸缩振动吸收峰出现在800 cm^-1，这接近于电子垃圾吸收光谱的Si-O和Si-C伸缩振动吸收峰位置。这表明沥青和电子垃圾之间没有发生化学反应，沥青和电子垃圾之间属于物理共混。此外，在电子垃圾的红外光谱中，C-H 伸缩振动吸收峰和不对称和对称的变形吸收峰均较弱，这表明电子垃圾中的有机质含量较少，EDS分析数据也证明了这一结果。

在电子垃圾沥青胶浆SEM图中可以观察到不同区域会出现不同的微观结构。图6（a）出现较均匀的颗粒分布，这是由于在粉碎电子垃圾时，部分树脂类有机物被粉碎机从电子垃圾中的无机物上分离出来，在制备电子垃圾沥青胶浆时，这部分树脂会均匀的分散于沥青中。

图6（b）为表面附着部分有机物的电子垃圾粉末在沥青中的存在状态，根据SEM照片可以看出，这部分电子垃圾与沥青之间相容性较好，表明电子垃圾沥青胶浆稳定性较好。

2.3  电子垃圾沥青混合料高温性能分析

在行车荷载的反复作用下，沥青路面会出现永久变形，这种变形的不断累积就会产生车辙^[9]。车辙的出现使得部分沥青层变薄，进而使得路面结构的整体强度下降。

这不仅影响路面的平整度，也会使得路面的抗滑性能下降，对车辆正常行驶造成很大的隐患^[10]。为此对三种掺量下电子垃圾沥青混合料进行了车辙试验，试验结果如表5所示。

由表中数据可以看出，SBS改性沥青混合料具有较好的高温稳定性。在保证油石比相同，混合料级配大致相同的情况下，随着电子垃圾掺量的提高，混合料的高温稳定性出现了显著的下降。在掺量达到9%时，动稳定度开始趋于平稳，甚至出现了极小幅度的回升。考虑到试验偶然误差的原因，动稳定度的變化趋势可以认为是持续下降的。结合电子垃圾的基本性能和形貌特点可知，造成这种动稳定度大幅度下降的原因主要是电子垃圾中含有大量破碎不完全的针状或片状的集料。相比于普通的集料，针片状的集料过细或是过薄，在外在荷载的作用下，这种集料有很大的概率会破碎，使得原有的混合料中细料变多，导致混合料的强度降低，影响沥青混合料的实际性能。此外，这种针片状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间的相互嵌挤作用减弱，并且在这种状态下集料之间发生滑动的可能性增大。

2.4  电子垃圾沥青混合料水稳定性分析

水稳定性是沥青路面的较为关键的使用性能之一，水稳定性不足的情况下路面容易发生水损害^[11]。雨雪都会造成这种损害，极大地影响了沥青与集料之间的黏附性。发生了水损害后的路面，会出现沥青从集料的表面脱落现象，导致路面出现不同程度的松散、坑槽等病害，影响路面的使用甚至导致行车出现危险^[12]。本文通过浸水马歇尔试验考察电子垃圾对沥青混合料水稳定性的影响。

在保证油石比相同，混合料级配大致相同的情况下，在电子垃圾掺量不断提高时，浸水残留稳定度不断下降;在电子垃圾掺量达到9%之后，浸水残留稳定度趋于平稳，甚至出现小幅度回升。考虑到实验允许的误差，可以认为浸水残留稳定度随着电子垃圾掺量的不断提高而不断下降。结合电子垃圾的基本性能和形貌特点可知，造成混合料水稳定性不断下降的原因是，电子垃圾中的针片状颗粒会增加沥青混合料空隙率，导致水更加容易浸入混合料中，影响混合料的水稳定性。此外，针片状集料在荷载作用下极易发生破碎，增加了集料的破碎率，而破裂面上无沥青裹附，导致在水的作用下沥青极易从集料表面剥落。

3  结 论

（1） SEM试验和比表面积及孔径分析仪测试结果表明，所用电子垃圾表面粗糙，具有较为丰富的孔径结构和较大的比表面积，添加到沥青中后能够降低沥青膜的厚度，增大结构沥青的比例。TG试验表明该电子垃圾热稳定性良好，200 ℃以内几乎不会出现质量损失，在制备沥青混合料时无需担心产生有毒性气体。

（2） FTIR试验表明，电子垃圾与沥青之间属于物理共混。电子垃圾沥青胶浆SEM试验表明，电子垃圾粉末与沥青之间相容性较好。

（3）车辙试验和浸水马歇尔试验结果表明，随着电子垃圾掺量的增加，沥青混合料的高温稳定性和水稳定性逐渐降低，造成这种现象的原因是因为，所用电子垃圾中存在较多的针片状结构。因此，建议可将该种电子垃圾沥青混合料应用于慢车道或低等级公路，或对其进行再次破碎，改善颗粒形状，以达到提高路用性能的目的。

参考文献：

[1] 杨彦， 温馨， 彭明国，等. 电子垃圾拆解区多溴联苯污染特征及健康风险[J]. 中国环境科学， 2017， 37（12）：4781-4789.

[2] 吴宏富. 技术创新，变废为宝，实现绿色回收产业链——浙江丰利废旧线板回收处理设备获奖[J]. 当代化工， 2008（2）：225-225.

[3] 仇宝宇. 我国电子垃圾回收处理产业面临的机遇与挑战[J]. 山西农经， 2017（17）：111-112.

[4] Peng B， Tu Y， Wei G. Governance of Electronic Waste Recycling Based on Social Capital Embeddedness Theory[J]. Journal of Cleaner Production， 2018， 187：29-36.

[5] Ohajinwa C， van Bodegom P， Vijver M， Peijnenburg W. Impact of informal electronic waste recycling on metal concentrations in soils and dusts[J]. Environmental Research . 2018，164：385-394.

[6] 王迪. 西班牙电子垃圾回收强化责任制[J]. 资源再生， 2015（2）：1673-7776.

[7] 焦淑静， 张慧， 薛东川，等. 泥页岩有机显微组分的扫描电镜形貌特征及识别方法[J]. 电子显微学报， 2018（2）：137-144.

[8] 罗英， 谢颂海， 阮宏，等. 脱落种植体表面刮治与喷砂处理的扫描电镜（SEM）和X射线能谱仪（EDS）分析[J]. 复旦学报（医学版）， 2014， 41（6）：815-818.

[9] 苏婷婷， 呙润华， 林俊舟，等. 超薄沥青路面早期损害裂缝和车辙的特点分析[J]. 武汉理工大学学报（交通科学与工程版）， 2014， 38（1）：176-180.

[10] Chen Z， Hainian W， Zhanping Y， Yu L， Xu Y， Jinkun X. Prediction on rutting decay curves for asphalt pavement based on the pavement-ME and matter element analysis[J]. International Journal Of Pavement Research & Technology . 2017;10（6）：466-475.

[11] 鄭明坊. 市政道路沥青路面水损害成因及有效防治研究[J].建筑工程技术与设计.2016，22：1872-1872.

[12] López-Montero T， Crucho J， Picado-Santos L， Miró R. Effect of nanomaterials on ageing and moisture damage using the indirect tensile strength test[J]. Construction And Building Materials . 2018;168：31-40.