陳浩 朱銀輝 尚肖林 彭勝利

摘 ?????要：采用相關(guān)分析儀器考察了電子垃圾微觀形貌、元素組成及熱穩(wěn)定性等。試驗(yàn)表明，電子垃圾主要由玻璃纖維及熱固性樹(shù)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(wěn)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(jié)合料的共混機(jī)理。試驗(yàn)表明，電子垃圾與瀝青之間未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。依據(jù)電子垃圾的級(jí)配特點(diǎn)，將其作為細(xì)集料的一部分添加到瀝青混合料中，考察了電子垃圾對(duì)瀝青混合料性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著電子垃圾的加入，混合料抗車轍性能和水穩(wěn)定性降低。依據(jù)電子垃圾瀝青混合料性能特點(diǎn)，建議可應(yīng)用于慢車道或低等級(jí)道路。

關(guān) ?鍵 ?詞：電子垃圾;瀝青混合料;共混機(jī)理;抗車轍性能;水穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：U414.701???????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：?A ??????文章編號(hào)： 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(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備的種類和數(shù)量日漸增長(zhǎng)，現(xiàn)已融入到人們的日常生活中，給人們生活帶來(lái)了巨大便利的同時(shí)卻潛藏著危害：電子廢棄物（電子垃圾）不斷產(chǎn)生。電子垃圾的隨意堆放不僅對(duì)人類的身體健康和地球的生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的威脅，而且會(huì)造成巨大的資源浪費(fèi)^[1，2]。電子垃圾組成極為復(fù)雜，主要有金屬、玻璃纖維、樹(shù)脂、塑料等。這些材料若處理得當(dāng)，不僅可以減少環(huán)境污染，而且可以帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益^[3，4]。為此，各國(guó)對(duì)電子垃圾的回收處理已經(jīng)頒布了各項(xiàng)法律法規(guī)。對(duì)電子垃圾進(jìn)行回收利用不僅符合我國(guó)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展戰(zhàn)略，而且符合建設(shè)節(jié)約型社會(huì)和可持續(xù)發(fā)展的全球戰(zhàn)略目標(biāo)。針對(duì)于電子垃圾中金屬元素的回收利用，各國(guó)已經(jīng)建立的相對(duì)比較完善的體系^[5，6]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電子垃圾中有機(jī)物的回收利用也進(jìn)行了大量的研究工作，但對(duì)于其中非金屬元素的回收利用的研究卻鮮見(jiàn)報(bào)道。

電子垃圾成分復(fù)雜、產(chǎn)量大，無(wú)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(jìn)行簡(jiǎn)單的破碎處理后添加到瀝青混合料中?？疾炝穗娮永鴮?duì)瀝青混合料路用性能的影響，為電子垃圾瀝青混合料的應(yīng)用可行性提供相關(guān)的理論指導(dǎo)。作為廢棄物，將這些具有較低經(jīng)濟(jì)價(jià)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(shè)的造價(jià)成本，而且可以緩解環(huán)境壓力。

1 ?實(shí)驗(yàn)部分

1.1 ?試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用瀝青膠結(jié)料為SBS改性瀝青，其基本技術(shù)性質(zhì)均符合規(guī)范要求?；旌狭霞?jí)配類型采用AC-13，不添加電子垃圾時(shí)級(jí)配組成如表1所示。最佳油石比采用4.9%。電子垃圾相對(duì)密度為1.4，電子垃圾級(jí)配如表2所示。根據(jù)電子垃圾與玄武巖密度比進(jìn)行相關(guān)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(jí)配如表3所示， 形貌如圖1所示。

1.2 ?試驗(yàn)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(wěn)定性。采用FTIR和SEM分析了電子垃圾與瀝青結(jié)合料的混溶機(jī)理，試驗(yàn)采用壓片法，分辨率為4 cm^-1，掃描次數(shù)為32次，測(cè)試范圍為400～5 000 cm^-1。

根據(jù)JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》的要求，對(duì)混合料進(jìn)行車轍試驗(yàn)和馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)，考察電子垃圾對(duì)瀝青混合料抗車轍性能及水穩(wěn)定性的影響。

2 ?結(jié)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(lǐng)域常應(yīng)用SEM研究材料的微觀表面形貌，并可結(jié)合EDS獲得材料微觀元素組成信息^[7，8]。電子垃圾SEM和EDS結(jié)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(jié)果列于表4中。

結(jié)合掃描電鏡圖及比表面積及孔徑分析數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，該電子垃圾表面形貌復(fù)雜、粗糙，有較多的溝壑，并呈現(xiàn)出多孔結(jié)構(gòu)，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(huì)起到降低瀝青膜的厚度，增大結(jié)構(gòu)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(chǎn)品中的化學(xué)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(jìn)行過(guò)適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，已除去了電子產(chǎn)品中的貴金屬成分。剩余的主要是一些熱固性樹(shù)脂等有機(jī)物質(zhì)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(huì)對(duì)環(huán)境造成重金屬污染，而且可以減少?gòu)U舊電子產(chǎn)品對(duì)環(huán)境產(chǎn)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(jī)械強(qiáng)度。材料中熱固性樹(shù)脂等有機(jī)物質(zhì)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(duì)瀝青混合料的性能應(yīng)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(yàn)采用TG分析了電子垃圾的熱穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)是處于氮?dú)鈿夥罩?，在無(wú)氧環(huán)境下炭黑組分重量不變，失重原因是小分子的揮發(fā)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(gè)失重階段。一個(gè)階段為334 ℃之前，該階段質(zhì)量損失較為緩慢，應(yīng)該為某些小分子物質(zhì)（比如增塑劑、防老劑等）的揮發(fā)造成的;另一個(gè)階段為334～498 ℃，該階段質(zhì)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(jù)失重量可以大體推出，該材料中小分子物質(zhì)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(guò)程中，該電子垃圾不會(huì)產(chǎn)生明顯的質(zhì)量衰減和有害氣體的釋放。

2.2 ?電子垃圾與瀝青膠結(jié)料共混機(jī)理分析

為了考察電子垃圾與瀝青之間的共混機(jī)理，試驗(yàn)將電子垃圾粉末（粒徑小于0.075 mm）添加到基質(zhì)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(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果如圖5-6所示。

根據(jù)FTIR分析結(jié)果可知，3 450 cm^-1峰是O-H的典型拉伸振動(dòng)吸收峰，2 930和2860cm^-1處吸收峰是典型的C-H鏈路振動(dòng)吸收峰。在1 460和1 380 cm^-1處吸收峰為烷烴中C-H不對(duì)稱和對(duì)稱的變形振動(dòng)吸收峰。1 500～1 700 cm^-1區(qū)域的吸收峰屬于烯烴和芳烴的C=C伸縮振動(dòng)吸收峰以及C=O吸收峰。FTIR光譜分析表明，在基質(zhì)瀝青中加入電子垃圾時(shí)，其吸收峰的數(shù)量和位置幾乎不變。唯一不同的是Si-O的伸縮振動(dòng)吸收峰出現(xiàn)在1 120 cm^-1， Si-C的伸縮振動(dòng)吸收峰出現(xiàn)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(dòng)吸收峰位置。這表明瀝青和電子垃圾之間沒(méi)有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，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(dòng)吸收峰和不對(duì)稱和對(duì)稱的變形吸收峰均較弱，這表明電子垃圾中的有機(jī)質(zhì)含量較少，EDS分析數(shù)據(jù)也證明了這一結(jié)果。

在電子垃圾瀝青膠漿SEM圖中可以觀察到不同區(qū)域會(huì)出現(xiàn)不同的微觀結(jié)構(gòu)。圖6（a）出現(xiàn)較均勻的顆粒分布，這是由于在粉碎電子垃圾時(shí)，部分樹(shù)脂類有機(jī)物被粉碎機(jī)從電子垃圾中的無(wú)機(jī)物上分離出來(lái)，在制備電子垃圾瀝青膠漿時(shí)，這部分樹(shù)脂會(huì)均勻的分散于瀝青中。

圖6（b）為表面附著部分有機(jī)物的電子垃圾粉末在瀝青中的存在狀態(tài)，根據(jù)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(wěn)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(fù)作用下，瀝青路面會(huì)出現(xiàn)永久變形，這種變形的不斷累積就會(huì)產(chǎn)生車轍^[9]。車轍的出現(xiàn)使得部分瀝青層變薄，進(jìn)而使得路面結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度下降。

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

由表中數(shù)據(jù)可以看出，SBS改性瀝青混合料具有較好的高溫穩(wěn)定性。在保證油石比相同，混合料級(jí)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(wěn)定性出現(xiàn)了顯著的下降。在摻量達(dá)到9%時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度開(kāi)始趨于平穩(wěn)，甚至出現(xiàn)了極小幅度的回升?？紤]到試驗(yàn)偶然誤差的原因，動(dòng)穩(wěn)定度的變化趨勢(shì)可以認(rèn)為是持續(xù)下降的。結(jié)合電子垃圾的基本性能和形貌特點(diǎn)可知，造成這種動(dòng)穩(wěn)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(guò)細(xì)或是過(guò)薄，在外在荷載的作用下，這種集料有很大的概率會(huì)破碎，使得原有的混合料中細(xì)料變多，導(dǎo)致混合料的強(qiáng)度降低，影響瀝青混合料的實(shí)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(tài)下集料之間發(fā)生滑動(dòng)的可能性增大。

2.4??電子垃圾瀝青混合料水穩(wěn)定性分析

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

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

3??結(jié) 論

（1） SEM試驗(yàn)和比表面積及孔徑分析儀測(cè)試結(jié)果表明，所用電子垃圾表面粗糙，具有較為豐富的孔徑結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)瀝青的比例。TG試驗(yàn)表明該電子垃圾熱穩(wěn)定性良好，200 ℃以內(nèi)幾乎不會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量損失，在制備瀝青混合料時(shí)無(wú)需擔(dān)心產(chǎn)生有毒性氣體。

（2） FTIR試驗(yàn)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(yàn)表明，電子垃圾粉末與瀝青之間相容性較好。

（3）車轍試驗(yàn)和浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著電子垃圾摻量的增加，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性逐漸降低，造成這種現(xiàn)象的原因是因?yàn)椋秒娮永写嬖谳^多的針片狀結(jié)構(gòu)。因此，建議可將該種電子垃圾瀝青混合料應(yīng)用于慢車道或低等級(jí)公路，或?qū)ζ溥M(jìn)行再次破碎，改善顆粒形狀，以達(dá)到提高路用性能的目的。

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