利用回收玻璃废料生产可持续人造石并测定其美学性能

《Journal of Cleaner Production》：Sustainable artificial stone production using recycled glass waste and determining aesthetic performance

　　

• 使用回收的钠钙玻璃废料和不饱和聚酯生产了人造石复合材料。
• 研究了环境老化对颜色和光泽稳定性的影响。
• 结果表明玻璃废料在可持续建筑材料中具有潜力。

引言
近年来，随着社会和经济对各种原材料和自然资源的高度依赖，全球材料消耗量显著增加。监测和理解全球材料消耗对于评估环境影响、资源可持续性以及人类活动的生态足迹至关重要。这一过程涵盖了不同行业和部门中材料的开采、生产、利用和处置（Krausmann 等，2009）。与材料消耗增加相关的关键因素包括资源枯竭、环境退化、工业和基础设施建设、全球贸易、人口增长和废物产生。此外，循环经济已成为与可持续发展目标相关研究中的重要话题。它不仅关注材料回收，还关注提高能效和从废物中回收价值。循环经济的主要目标是通过促进废物材料的再利用和回收，减少原材料的使用并降低对一次能源资源的依赖（Jenei 等，2025）。

废物来源于多个方面，包括家庭、工业、商业活动、农业、医疗机构和建筑部门。这些废物通常被归类为危险废物、城市固体废物、工业废物。有效的废物管理涉及废物的收集、运输、处理、回收和最终处置。回收是这些策略中的关键之一。

玻璃废料是一种重要的工业废物类型，理论上可以无限期回收而不损失其物理或化学性质。尽管有这一优势，但全球仍有大量玻璃废料未被充分利用（Heriyanto 等，2018）。与其他类型的废物相比，玻璃废料的密度相对较高，由于其化学稳定性，在环境中长期存在而不分解。此外，某些类型的玻璃废料可能含有铅等有害元素，如果管理不当可能会造成生态风险。

玻璃回收提供了一些环境效益。据报道，回收一吨玻璃废料可以节省大约 315 公斤的二氧化碳排放量。此外，回收减少了对石英砂（SiO2）的需求，这是一种用于玻璃生产的有限自然资源。另一个重要优势是减少了玻璃制造过程中熔炉相关的能源消耗和排放（Delbari 和 Hof，2024）。

自 20 世纪 50 年代以来，玻璃回收一直是土耳其的重要环境问题。玻璃回收活动主要由在自由市场框架内运营的玻璃制造公司进行。这些公司收集和处理该国产生的大部分玻璃废料（Berkun 等，2011）。2024 年，回收了约 202.367 吨玻璃废料，而 305.012 吨碎玻璃被重新用作玻璃包装生产中的原材料。这些做法有助于节能并减少对天然原材料的消耗。

几项研究调查了玻璃废料在建筑材料中的潜在再利用。例如，玻璃粉已被用作沥青和混凝土路面的填料材料，以及混凝土生产中的细骨料或粗骨料。然而，这些应用仅代表玻璃废料潜在用途的一小部分。玻璃回收的主要挑战之一是存在杂质和污染物。由钢化、涂层、夹层或漆玻璃组成的玻璃废料通常含有杂质，阻碍了常规回收过程。因此，需要允许在不重新熔化的情况下利用玻璃废料的替代回收方法（玻璃包装研究所，2016；HyperPhysics，2014；Kenneth 等，2013）。

在此背景下，将玻璃废料与聚合物树脂一起使用在生产人造石复合材料方面引起了越来越多的关注。工业废料和聚合物粘结剂的结合使用使得开发展新型复合材料成为可能，同时减少排放到环境中的废物量。将玻璃废料转化为建筑材料也有助于减少自然资源消耗、温室气体排放和填埋需求（Mohajerani 等，2017；Peixoto 等，2021）。

人造石是现代建筑材料，由于其优异的强度和表面特性，比传统覆层材料具有诸多优势。由于具有优异的工程性能，如低孔隙率、低吸水率和高抗折强度，这些材料广泛用于地板和墙面覆盖（Shishegaran 等，2021；Lee 等，2008）。

由废玻璃生产的人造石通常表现出高耐久性。然而，环境暴露和服务条件可能会显著影响其退化过程。退化机制可能包括化学侵蚀、风化作用、磨损、生物降解、热应力和冲击损伤。特别是，暴露于大气条件下的建筑材料可能会因冻融循环、热冲击和盐结晶而发生劣化。这些环境因素可能会逐渐影响材料的微观结构以及物理、机械和装饰性能。这类劣化过程通常被归类为化学、生物、物理或综合效应（Güler 等，2021）。

加速老化测试广泛用于确定建筑材料在自然环境条件下的退化过程，以预测其行为，从而确定合适的适用范围。根据建筑材料的预期用途和目的，这些测试可能包括冻融循环、热冲击、盐结晶、水浸、化学分解和紫外线（UV）辐射等应用。这些加速测试通过在实验室环境中重现可能影响建筑材料在整个使用寿命期间物理、机械和美学性能的环境条件，从而有助于理解劣化机制。虽然这些测试不能完全重现自然环境条件下发生的退化过程，但它们提供了一种受控和标准化的方法，对确保材料的耐久性做出了重大贡献（Chastre 等，2023）。

此外，空气污染物可能会加速建筑材料的劣化过程。这些污染物会导致表面结壳、材料分解以及颜色变化，例如表面变暗。了解这些环境劣化机制对于确定合适的适用范围和提高建筑材料的耐久性性能至关重要（?etinta? 和 Akbo?a，2020）。

尽管许多研究调查了人造石复合材料的机械和物理耐久性，但相对较少关注其美学退化行为，特别是在综合环境老化条件下的颜色和光泽稳定性。

促进将废玻璃作为混凝土生产中的水泥替代品使用具有相当重要的意义，因为水泥行业约占全球二氧化碳排放量的 8%。将废玻璃粉掺入混凝土作为水泥替代品将提供众多优势，如减少对原材料的依赖并降低生产过程中的能源消耗，从而间接有助于降低成本 Sivasuriyan 和 Koda。（2025）。近年来，越来越关注回收具有不同颗粒特征的废玻璃粉用于建筑材料。许多研究调查了其在混凝土和沥青等复合材料中的应用，并评估了其对抗力和耐久性的影响。Adesina (2022) 探讨了将废玻璃粉作为部分替代波特兰水泥使用，以开发更可持续的建筑材料（Mansour 等，2023）。考察了废玻璃粉对混凝土耐久性的影响，包括耐化学侵蚀、冻融循环和碱 - 硅反应。他们报告说，粒径小于 75 微米的玻璃粉由于其无定形结构和高二氧化硅含量而表现出火山灰活性（Khedaywi 等，2026）。评估了废玻璃掺入沥青混合物的情况，发现其改善了混合物的动态性能，而对拉伸强度影响有限。他们还观察到，增加废玻璃含量会导致堆积密度和空气空隙含量增加。Sivasuriyan 和 Koda (2025) 回顾了过去关于废玻璃粉力学和耐久性性能的研究，包括抗压、抗拉和抗折强度，以及抗冻融循环、硫酸盐侵蚀和氯离子渗透的能力。他们的综述得出结论，废玻璃粉可以改善和易性，并作为可持续替代材料具有相当大的潜力（Zhao 等，2024）。对混凝土填充钢管中的废玻璃粉进行了经济评估，表明部分替代可以减少原材料消耗，同时保持结构性能。同样（Hassani 等，2023；Qayyum 等，2024），报告说废玻璃粉可以部分替代混凝土生产中的水泥，既有助于环境可持续性又降低成本（Belkadi 等，2024）。进一步证明，在水泥砂浆中联合使用废玻璃粉和再生混凝土保持了混合物的力学性能和经济可行性（Al-Baghdadi 等，2025）。在他们的研究中调查了混凝土的性质，将其分别以 5%、10% 和 15% 的比例掺入废玻璃粉代替波特兰水泥，发现其增加了混凝土的抗压、抗折和劈裂抗拉强度（Zaetang 等，2025）。调查了使用废汽车玻璃粉作为碱激发砂浆中高钙粉煤灰的部分替代品。他们报告说，增加玻璃粉含量降低了砂浆的和易性和抗压强度，而热绝缘性能得到了改善。在高温（600-900°C）暴露后，砂浆保持了结构完整性并表现出增加的抗压强度，表明热阻增强。

在本研究中，使用不饱和聚酯树脂与研磨并分类为不同粒径的钠钙硅玻璃废料相结合生产了人造石样品。研究了所生产的人造石复合材料对各种环境条件的抵抗能力。特别关注了在综合热老化和盐结晶条件下的美学退化机制，包括颜色变化和光泽损失。

在建筑应用中，仅保持机械完整性是不够的，因为光泽或颜色的损失会显著降低人造石产品的商业价值。

尽管回收玻璃增强聚合物复合材料的生产和物理机械性能已得到广泛研究，但对美学性能（如光泽和颜色稳定性）的长期保持关注有限，而这些性能对于建筑建筑材料至关重要。此外，回收玻璃粒径在冻融循环、热冲击和盐结晶下对美学退化的综合影响尚未得到系统评估。虽然回收玻璃复合材料和人造石在机械性能和环境耐久性方面已得到广泛研究，但只有少量研究定量评估了美学恶化，包括老化后的光泽保持率、颜色稳定性和色差变化。

因此，本研究调查了不同回收玻璃粒径对由不饱和聚酯树脂生产的人造石复合材料长期美学耐久性的影响。通过关联加速老化测试后的光泽保持率、颜色变化、质量变化和微观结构观察，本研究为设计具有改进长期视觉性能的可持续人造石材料提供了新的见解。

本研究的意义在于对由回收玻璃废料生产的人造石复合材料的环境和美学性能进行综合评估。研究结果有助于更好地理解控制这些材料长期美学耐久性的因素，并支持开发用于建筑应用的可持续人造石。此外，本研究促进了工业玻璃废料的再利用，从而减少对天然原材料的依赖，并有助于发展环保建筑材料。

本研究的创新之处在于同时评估在三种加速环境老化条件下的物理、机械和美学耐久性。它进一步证明了回收玻璃粒径对光泽保持率的影响，建立了孔隙率、树脂渗透和美学退化之间的关系，并为设计和生产具有改进长期美学性能的可持续人造石材料提供了实用指导。

章节片段
废玻璃
从不同来源获得的玻璃废料在化学成分、颜色和杂质含量方面可能有所不同，这可能会影响最终产品的性能。决定研究中使用的废玻璃应选自标准钠钙玻璃废料，以确保其具有均匀的成分和颜色。因此，结果反映了均质玻璃原材料的性能。

所用废玻璃首先进行破碎和研磨，随后进行了SEM分析。扫描电子显微镜（SEM）用于检查人造石复合材料的微观结构。环氧树脂填充的孔隙呈现为暗色区域，而玻璃颗粒和聚酯基体则呈现较亮的灰色调。这些图像被用于定性评估孔隙分布、颗粒堆积以及颗粒-基体界面。SEM观察结果与孔隙率、吸水率和耐久性结果结合进行解释，以便更好地理解——

**结论**

本研究探讨了利用不同粒径的废玻璃和饱和聚酯树脂生产人造石的方法，并评估了所得复合材料在不同老化条件下的抗老化性能，包括冻融循环、热冲击和盐结晶，评估指标涉及力学性能、颜色和光泽度参数。本研究的主要贡献不仅在于废玻璃的再利用，还在于展示了玻璃粒径——

**作者贡献声明**

Birsen K?r?kta?：研究方法、调查研究、数据整理。Didem Eren Sar?c?：初稿撰写、研究方法、资金获取、形式化分析、概念构思。

**利益冲突声明**

作者声明不存在已知的可能对本研究产生影响的财务利益关系或个人关系。

**致谢**

本工作得到了伊诺努大学科学研究项目基金的资助（项目编号：FYL-2021-2464）。

Birsen K?r?kta? | Didem Eren Sar?c?