摘 要：废弃电路板作为危险废弃物，对环境污染十分严重﹒为了提高废弃电路板的利用效率，将2种不同粒径的废弃电路板粉末掺入砂浆中，探究其对水泥砂浆抗压强度、抗折强度、流动度和稠度、孔隙率、保水性等性能的影响﹒研究结果表明：废弃电路板粉末能够提高砂浆强度，且在同一龄期、同一掺量下，细粉改性砂浆的抗压、抗折强度均高于粗粉改性砂浆；废弃电路板粉末的掺入，能够在一定范围内提升水泥砂浆的强度和保水性，有利于发展环境友好型社会.
关键词:废弃电路板粉末;粒径;水泥砂浆;强度;保水性;
Effects of waste printed circuit board powder with different particle sizes on basic
properties of
cement mortar
CHEN Yaohua LIU Jiesheng
FENG Bowen
WEI Jing
ZHANG Yidi TAN Xiaoming
School of Civil Engineering and Architecture, Wuhan Polytechnic University
Abstract：Waste printed circuit boards, as hazardous wastes, cause serious environmental pollution. In order to improve the efficiency of waste printed circuit boards, two kinds of waste powder with different particle sizes have been mixed into mortar to explore their effects on such properties of cement mortar as compressive strength, flexural strength, fluidity and consistency, porosity and water retention. The results show that waste printed circuit board powder can improve mortar strength. At the same age and the same dosage, the strength of fine powder modified mortar is higher than that of coarse powder modified mortar. The incorporation of waste printed circuit board powder can improve the strength and water retention of cement mortar in a certain range, which is conducive to the development of environmentally friendly society.
Keyword：waste printed circuit board powder; particle sizes; cement mortar; strength; water retention;
科技的飞速发展导致废弃电路板的产生量不断增加，据统计，全球废弃电路板的产生量在2018年时达到了26.675万t[1,2]，其中中国作为一个大型生产国与消费国，产生了约50%的废弃电路板[3]﹒有学者预估到2035年，新的生活方式和人口政策将导致废弃电路板的进一步增加，中国废弃电子电器的总重量将超过1 536万t，废弃电路板将超过56.827万t[4]﹒废弃电路板属于危险废弃物[5]，在《国家危险废物名录》中编号为900-045-49﹒废弃电路板对环境污染十分严重，其中存在许多有害金属及非金属物质，处理不当会造成土壤及地下水污染，对人体造成严重损伤，使人体产生病变，甚至破坏DNA[6]﹒现阶段，对废弃电路板的处理方法主要有热解技术、湿法冶金技术、超临界流体技术、微生物技术、等离子技术、焚烧填埋、物理回收等[7,8,9,10,11,12,13,14]﹒但是这些处理方式或多或少会对环境造成一定的污染，例如焚烧废弃电路板能够产生二噁英等致癌物质，对环境造成二次污染﹒
为了解决废弃电路板的污染问题，有学者尝试将废弃电路板掺入水泥基材料中，并经研究发现，废弃电路板能够改善水泥基材料的部分性能，将其掺入混凝土中制备新型绿色混凝土是可行的[15,16,17,18]﹒在此基础上，本文试验探究了掺入2种不同粒径的废弃电路板粉末对水泥砂浆基本性能的影响规律﹒以期为废弃电路板的合理利用提供新思路，为建立资源节约型和环境友好型社会提供新视角﹒
1 试验
1.1 原材料
水泥：采用华新水泥有限公司生产提供的P·O42.5普通硅酸盐水泥，比表面积为340 m2/kg﹒废弃电路板粉末(WPCB粉末)：采用2种不同粒径的WPCB粉末，I类粒径为0.2～0.65 mm、长1～6 mm纤维状粉末；II类为细粉状粉末﹒2种WPCB粉末如图1所示﹒
骨料：试验所用骨料为河砂，细度模数为2.2，堆积密度为2.6 g/cm3﹒
水：试验采用温度为(20±2)℃且符合规范的自来水﹒
1.2 试块制备
试验根据《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T 17671—2021)[19]中的规范要求制备改性水泥砂浆试块﹒试验采用的水灰比为0.6，灰砂比为1∶3，以WPCB粉末的掺量作为变量，将2种不同粒径的WPCB粉末分别以水泥质量的0%、1%、2.5%、4%和5.5%掺入水泥砂浆中，具体配合比如表1所示﹒首先，将试验所需材料按一定顺序依次放入搅拌锅中，并用强制性搅拌机进行搅拌以保证试块质量；其次，将拌合砂浆倒入相应模具中成型，24 h后拆除模具，并将试块放入(20±1)℃的水中养护至规定龄期后进行各项性能测试﹒
1.3 性能表征
1.3.1 抗压强度
根据文献[19]对砂浆试块的抗压强度进行测试，试验以(2 400±200) N/s的速度均匀地加载在半截试块的侧面上，直至破坏﹒以6个半截试块测试值的平均值作为砂浆试块的抗压强度值﹒当6个强度值中有与平均值相差超过10%的情况时，应剔除该值，并取另外5个值的平均值为抗压强度值﹒
1.3.2 抗折强度
根据文献[19]对砂浆试块的抗折强度进行测试，试验以(50±10) N/s的速度均匀地将荷载垂直施加在试块侧面上，直至折断﹒以3个试块测试值的平均值作为砂浆试块的抗折强度值﹒当3个强度值中有与平均值相差超过10%的情况时，应剔除该值，并取另外2个值的平均值作为抗折强度值﹒
1.3.3 孔隙率
根据《Standard test method for density and void content of freshly mixed pervious concrete》(ASTM C1688/C1688M—10)[20]测定砂浆试块的孔隙率﹒
1.3.4 保水性
根据《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T 70—2009)[21]测试砂浆试块的保水性﹒取2次试验结果的平均值作为最终结果，若2个测定值中有1个超出平均值5%，则该组试验无效﹒1.3.5流动度与稠度
根据《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T2419—2005)[22]对砂浆的流动度进行测定；根据文献[21]对砂浆的稠度进行测定﹒试验均以2次测定值的平均值为最终结果﹒
2 结果与讨论
2.1 抗压强度
在养护至3和28 d龄期时，分别对掺入不同质量的2种WPCB粉末改性砂浆试块进行了抗压强度测试，试验结果如图2～图3所示﹒
由图2～图3可以看出，2种WPCB粉末改性砂浆试块的抗压强度均呈先增大后减小趋势﹒粗WPCB粉末改性砂浆试块的3和28 d抗压强度均在掺量为1%时达到峰值，而细WPCB粉末改性砂浆试块则在掺量为2.5%时达到峰值，且此时强度相对于空白组(0%即空白组)都有所提升﹒这是由于WPCB粉末能够填充砂浆试块中的部分孔隙，且细WPCB粉末粒径更小，能够填充砂浆中粗WPCB粉末填充不到的孔隙，但此时需要更多的量来填充砂浆试块中细小的孔隙，致使其抗压强度最高时，细WPCB粉末的掺量比粗WPCB粉末更多﹒在同一龄期、同一掺量下，细WPCB粉末改性砂浆试块的抗压强度均大于粗WPCB粉末改性砂浆试块，且在3 d龄期时不同掺量下细WPCB粉末改性砂浆试块的抗压强度较粗WPCB粉末改性砂浆试块分别提升了24.00%、31.12%、34.55%和27.65%，在28 d龄期时则分别提升了3.18%、18.14%、15.33%和7.02%﹒由此可知，3 d龄期时细WPCB粉末相对于粗WPCB粉末对砂浆试块抗压强度的影响比28 d龄期时更加显著﹒这是因为WPCB粉末中存在大量的硅元素，有利于水泥水化反应[23]，且细WPCB粉末比表面积更大，硅元素能够使水泥水化反应更加彻底；同时，细WPCB粉末能够增加砂浆试块内部孔隙的填充效果，从而使得细WPCB粉末对水泥砂浆试块的抗压强度提升效果比粗WPCB粉末更加明显﹒这也说明WPCB粉末中硅元素对水泥水化反应的促进作用与WPCB粉末的填充效应主要作用于砂浆试块养护的前期﹒
2.2 抗折强度
在养护至3和28 d龄期时，分别对掺入不同质量的2种WPCB粉末改性砂浆试块进行抗折强度测试，试验结果如图4～图5所示﹒
由图4和图5可知，改性砂浆试块的抗折强度变化规律和抗压强度基本一致﹒对于粗WPCB粉末改性砂浆试块，3和28 d抗折强度均随掺量的增加而先升后降，且均在掺量为1%时抗折强度略高于空白组﹒对于细WPCB粉末改性砂浆试块，3和28 d抗折强度也均随掺量的增加先升后降，此时改性砂浆试块的抗折强度均高于空白组，且抗折强度在掺量为2.5%时达到最高﹒在同一龄期、同一掺量下，细WPCB粉末改性砂浆试块的抗折强度均大于粗WPCB粉末改性砂浆试块﹒不同掺量、不同粒径的WPCB粉末对水泥砂浆试块抗折强度的影响机理与抗压强度相同﹒
2.3 孔隙率
在养护至28 d龄期时，掺入不同质量的2种WPCB粉末改性砂浆试块的吸水率如图6所示﹒
由图6可知，2种WPCB粉末改性砂浆的吸水率均呈先降后升趋势﹒细WPCB粉末在掺量为1%时改性砂浆孔隙率最小，当掺量增大时，孔隙率均比空白组大；粗WPCB粉末在掺量为2.5%时改性砂浆孔隙率最小，孔隙率均比空白组小，这与强度的变化规律相对应﹒这是由于细WPCB粉末对孔隙的填充更加密实，进一步印证了上述强度变化规律的原因﹒
2.4 保水性
良好的保水性能有利于砂浆的施工，且保水率是评价砂浆保水效果的定量指标﹒2种粒径的WPCB粉末掺量对水泥砂浆保水性的影响如图7所示﹒
由图7可知，2种WPCB粉末掺量的增加均能增强砂浆保水性，且随着粉末掺量的增加，砂浆保水性越好﹒这是因为WPCB粉末具微小的吸水能力，避免砂浆中水分的流失，掺量越多，对砂浆中自由水的吸附量就越大，使得砂浆保水性越好﹒在同一龄期、同一掺量下，粗WPCB粉末改性砂浆的吸水性均大于细WPCB粉末改性砂浆﹒这是由于WPCB粉末具有团聚性，且粒径越小粉末团聚现象越严重[24]，这就使得细WPCB粉末吸附水量比粗WPCB粉末小，导致其保水性也略小﹒2.5流动度与稠度
图8和图9分别显示了2种粒径的WPCB粉末掺量对砂浆流动度和稠度的影响规律﹒
由图8～图9可知，随着WPCB粉末掺量的增加，改性砂浆稠度和流动度均呈下降趋势﹒这是由于WPCB粉末微小的吸水能力以及WPCB粉末的掺入使得固体质量增大，导致水在砂浆中的比例相对减小，降低了它的稠度和流动度﹒在同一龄期、同一掺量下，细WPCB粉末改性砂浆的流动度和稠度数值均大于粗WPCB粉末改性砂浆﹒这是因为粗WPCB粉末在砂浆中的乱向分布，使得砂浆之间连接更加紧密[23]，从而使砂浆流动度和稠度进一步降低；细WPCB粉末能够填充水泥颗粒间的空隙，起到微集料填充效应，相对来讲，会降低需水量，使得流动度和稠度比粗WPCB粉末改性砂浆降低更慢[25]﹒
3 结论
不同粒径的WPCB粉末在一定掺量下均能提高水泥砂浆试块的力学强度，且在同一龄期、同一掺量下，细WPCB粉末对砂浆试块强度的改善程度高于粗WPCB粉末，即细WPCB粉末对砂浆试块的强度影响更加显著﹒这说明细WPCB粉末更有利于砂浆力学性能的改善﹒
WPCB粉末能够改善水泥砂浆的孔隙率，其对孔隙率影响规律与力学性能相对应﹒其中，粗WPCB粉末在掺量为1%时改性砂浆孔隙率最小；细WPCB粉末在掺量为2.5%时改性砂浆孔隙率最小；与之对应的3和28 d抗压和抗折强度均最高﹒这表明WPCB粉末对水泥砂浆强度的影响主要是由于粉末的填充效应，且细WPCB粉末对砂浆的填充效果更明显﹒
掺入WPCB粉末能够改善水泥砂浆的保水性，且随着掺量的增加，保水性逐渐增强﹒这说明WPCB粉末有利于砂浆的工程施工，同时粗WPCB粉末对砂浆保水性的影响程度略大于细WPCB粉末﹒
[1] HUANG K, GUO J, XU Z M. Recycling of waste printed circuit boards:a review of current technologies and treatment status in China[J]. Journal of Hazardous Materials, 2009,164(2):399-408.
[2] MA C, YU J, WANG B, et al. Chemical recycling of brominated flame retarded plastics from e-waste for clean fuels production:a review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2016, 61:433-450.
[3] SONG G H, ZHU X F, YUAN W Y, et al. Recycling and disposal technology for non-metallic materials from waste printed circuit boards(WPCBs)in China[J]. Procedia Environmental sciences, 2016, 31:935-940.
[4] ZHANG S H, GU Y F, TANG A J, et al. Forecast of future yield for printed circuit board resin waste generated from major household electrical and electronic equipment in China[J]. Journal of Cleaner Production, 2021, 283:124575.DOI:10.1016/j.jclepro.2020.124575.
[5] 郑炯莉,李颖,苑文仪,等.废电路板中非金属材料资源化回收技术研究[J].环境工程, 2018, 36(9):112-118.
[6] 刘昕光.电子废弃物资源化及处理技术[J].中国石油大学胜利学院学报, 2008(3):30-33, 49.
[7] 李硕,殷进,龚佳豪,等.废线路板中非金属组分制备复合材料的研究进展[J].复合材料科学与工程, 2021(6):113-118.
[8] 黎敏,李冲,徐小锋,等.废线路板热解处理技术和装置发展现状[J].有色金属(冶炼部分), 2019(9):18-27.
[9] 李桂春,苑仁财.废印刷电路板机械回收及湿法冶金技术研究现状[J].湿法冶金, 2011, 30(4):272-275.
[10] 李金惠,段晨龙,王海峰,等.电子废弃物处理技术[M].北京:中国环境科学出版社, 2006.
[11] ILYAS S, ANWAR M A, NIAZI S B, et al. Bioleaching of metals from electronic scrap by moderately thermophilic acidophilic bacteria[J]. Hydrometallurgy, 2007, 88(1-4):180-188.
[12] 路洪洲,李佳,郭杰,等.基于可资源化的废弃印刷线路板的破碎及破碎性能[J].上海交通大学学报, 2007(4):551-556.
[13] 郭键柄,杨冬伟,丁志广.顶吹炉处理废旧印刷电路板的试验研究[J].有色金属(冶炼部分), 2019(6):19-23.
[14] 李冲,徐小锋,黎敏,等.侧吹熔池熔炼废线路板工艺及装置[J].有色金属(冶炼部分), 2019(9):87-91.
[15] SENTHIL K K, BASKAR K. Recycling of E-plastic waste as a construction material in developing countries[J]. Journal of Material Cycles and Waste Management, 2015, 17(4):718-724.
[16] SANTHANAM N, RAMESH B, KHIM P F. Concrete blend with E-waste plastic for sustainable future[J]. Materials Today:Proceedings, 2020, 22(3):959-965.
[17] WANG R, ZHANG T F, WANG P M. Waste printed circuit boards nonmetallic powder as admixture in cement mortar[J].Materials and Structures, 2012, 45(10):1439-1445.
[18] Mary T S N M, NEEDHIDASAN S. An experimental study of replacing conventional coarse aggregate with E-waste plastic for M40 grade concrete using river sand[J]. Materials Today:Proceedings, 2020, 22(3):633-638.
[19] 中国国家标准化管理委员会.水泥胶砂强度检验方法(ISO法):GB/T 17671—2021[S].北京:中国标准出版社, 2021.
[20] AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS.Standard test method for density and void content of freshly mixed pervious concrete:ASTM C1688/C1688M—10[S].West Conchhocken:American Society for Testing and Materials, 2010.
[21] 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑砂浆基本性能试验方法标准:JGJ/T 70—2009[S].北京:建筑工业出版社,2009.
[22] 中国国家标准化管理委员会.水泥胶砂流动度测定方法:GB/T 2419—2005[S].北京:中国标准出版社, 2005.
[23] 谢俊,刘卫东,杨琴华,等.废弃电路板非金属粉末作为水泥增强材料的试验研究[J].水资源与水工程学报, 2014,25(5):155-159.
[24] 董小强,李长彬,乐碧兰,等.废旧电路板非金属材料的回收利用方法研究进展[J].现代化工, 2011, 31(增1):61-67.
[25] 贾志龙,闻宝联,张浩,等.瓷砖抛光粉对水泥砂浆性能的影响研究[J].混凝土, 2021(6):117-120.