Стеклом называют твердый аморфный материал, получаемый при переохлаждении минеральных расплавов. В стеклообразном виде могут быть получены многие вещества. В строительстве же используют почти исключительно силикатное стекло, основным компонентом которого является диоксид кремния (кремнезем). Кремнезем сам по себе без добавления каких-либо других веществ при охлаждении расплава способен образовывать стекло, как и некоторые другие оксиды; их называют стеклообразующими оксидами.
Стекло не является химическим веществом с определенным составом, который может быть выражен химической формулой; поэтому состав стекол условно выражают суммой оксидов (например, состав обычного оконного стекла Si02 — 7I…72 %; Na2O — 14…15 %; CaO — 6,5…7 %; MgO — 4 %; Al203 — 2 %).
Компоненты строительного стекла
Основные компоненты строительных стекол — Si02; Аl20з; Na20; CaO; MgO — образуются в стекломассе при нагреве и последующем плавлении так называемых главных сырьевых материалов стекла.
- Главные сырьевые материалы вводят в стекольную шихту, как правило, в виде природных соединений.
- Кремнезем — основной стеклообразующий оксид, вводят в шихту в виде кварцевого песка или молотых песчаников и кварцитов с минимальным содержанием примесей (железа, хрома, титана), снижающих светопропускание стекла.
- Глинозем поступает в стекольную шихту в составе полевых шпатов, каолина, а для высокосортных стекол — в виде чистого оксида алюминия. Увеличение содержания Si02 и Аl20з повышает тугоплавкость и химическую стойкость стекла.
- Оксиды натрия и калия образуются в результате разложения при варке стекла введенных в шихту соответственно соды или сульфата натрия и поташа или калиевой селитры. Оксид натрия ускоряет процесс стеклообразования, понижая температуру плавления и облегчая осветление массы, но повышает коэффициент теплового расширения и уменьшает химическую стойкость стекла. Оксид калия снижает склонность стекла к кристаллизации, придает ему блеск и улучшает светопропускание. Оксиды кальция и магния в стекольную шихту вводят в виде мела, мрамора, известняка, доломита. Эти оксиды повышают химическую стойкость стекла, а оксид магния также снижает склонность стекла к кристаллизации. В специальные стекла (например, оптическое стекло, лабораторное стекло) вводят оксиды свинца, бария и цинка.
- Вспомогательные сырьевые материалы (осветлители, глушители, красители и др.) вводят в шихту для ускорения варки стекла и придания ему требуемых свойств. Осветлители (сульфиты натрия и аммония и др.) способствуют удалению иэ стекломассы газовых пузырьков. Глушители (соединения фтора, фосфора и др.) делают стекло непрозрачным. К красителям относят соединения кобальта
(синий цвет), хрома (зеленый), марганца (фиолетовый), железа (коричневые и сине-зеленые тона) и др.
Производство стекла
Производство стекла включает в основном следующие технологические операции:
- подготовку сырьевых материалов (сушка, измельчение);
- приготовление стекольной шихты (дозировку и смешение компонентов);
- варку стекломассы;
- выработку (формование) из нее материалов и изделий;
- термическую, механическую или химическую обработку изделий для улучшения свойств.
Варка стекломассы (стекловарение) —главнейшая и самая сложная операция всего стекольного производства, производится чаще всего в ванных печах непрерывного действия, представляющих собой бассейны, сложенные из огнеупорных материалов. При варке специальных стекол (оптических, цветных и т. п.) используют горшковые печи. При нагревании шихты до 1100… 1150 °С происходит образование силикатов (силикатообразование) сначала в твердом виде, а затем в расплаве. При дальнейшем повышении температуры в этом расплаве полностью растворяются наиболее тугоплавкие компоненты Si02 и А120з — образуется стекломасса. Эта стекломасса насыщена газовыми пузырьками и неоднородна по составу. Для осветления и гомогенизации стекломассы ее температуру повышают до 1500… 1600 °С. При этом вязкость расплава снижается и соответственно облегчается удаление газовых включений и получение однородного расплава.
Стекловарение завершается охлаждением (студкой) стекломассы до температуры, при которой она приобретает вязкость, требуемую для выработки стеклолзделий принятым методом (вытягиванием, прокатом, прессованием, литьем, выдуванием и др.).
Закрепление формы изделия осуществляют быстрым охлаждением. При этом вследствие низкой теплопроводности стекла возникают большие перепады температур, вызывающие внутренние напряжения в стеклоизделии. Поэтому обязательная операция после формoвания — отжиг, т. е. охлаждение изделий по специальному ступенчатому режиму: быстрое — до начала затвердевания стекломассы, очень медленное — в момент перехода стекла от пластического состояния к хрупкому и вновь быстрое — до нормальной температуры. Отжиг может производиться сразу при формировании изделий из стекла или после повторного нагрева до температуры начала размягчения.
Производство листового стекла
Производство листового стекла наиболее распространенного в строительстве осуществляют путем вертикального или горизонтального вытягивания ленты из
вязкой расплавленной стекломассы или прокатом, а также новым способом—плавающей ленты (флоат-способ). Метод вытягивания применяют для получения стекла толщиной 2..,6 мм, для чего используют машины вертикального или горизонтального вытягивания. Лента стекла вытягивается иэ стекломассы вращающимися валками машины через лодочку (огнеупорный брус с прорезью) или со свободной поверхности стекломассы, охлаждается и отжигается в камере этой же машины. При производстве стекла методом непрерывного проката стекломасса сливается иа гладкую поверхность и ее прокатывают валками с гладкой или узорчатой поверхностью.
Процесс формования ленты стекла флоат-способом протекает на поверхности расплавленного металла. Плоскость стекла, соприкасающаяся с поверхностью металла, получается ровной и гладкой и не требует дальнейшей полировки.
Свойства стекла
Стекло в строительных конструкциях чаще подвергается изгибу, растяжению и удару и реже сжатию, поэтому главным показателем, определяющим его свойства, следует считать прочность при растяжении и хрупкость.
- Расчетный теоретический предел прочности стекла при растяжении составляет 12 ООО МПа, практически эта величина ниже в 200…300 раз, в зависимости от размера стекла колеблется от 30 до 60 МПа (при сжатии — 700..Л000 МПа н более). Это объясняется тем, что в стекле имеются ослабленные участки (микронеоднородности, трещины, внутренние напряжения) и чем больше размер образцов, тем вероятнее наличие таких участков. На прочность стекла оказывают влияние и технологические дефекты, особенно инородные включения и свиль (химические неоднородные участки). В диапазоне температур от —50° до +70°С прочность стекла практически не изменяется.
- Хрупкость стекла— главный недостаток стекла, проявление хрупкости у материалов является следствием сочетания нескольких факторов. Главнейшие из них: низкое значение отношения прочности материала на разрыв к его модулю упругости (для стекла 7.5-10) и высокая скорость и отсутствие препятствий для распространения трещин.
- Оптические свойства стекла характеризуются светопропусканием (прозрачностью), светопреломлением, отражением, рассеиванием и др. Обычные силикатные стекла, кроме специальных пропускают всю видимую часть спектра и практически не пропускают ультрафиолетовые и инфракрасные лучи. Показатель преломления строительного стекла (1,50-1,52) определяет силу отраженного света и светопропускание стекла в разных углах падения света. При изменении угла падения света с 0 до 75° светопропускание стекла уменьшается с 92 до 50 %.
- Теплопроводность различных видов стекла составляет 0,5… 1. Коэффициент линейного температурного расширения стекла относительно невелик (для обычного стекла около 9,6- 10), но из-за высокого модуля упругости и низкой теплопроводности напряжения, развивающиеся в стекле при термических деформациях, могут достигать опасных величин, приводящих к растрескиванию. По этой же причине стекло имеет относительно малую термостойкость.
- Звукоизолирующая способность стекла относительно высока. По этому показателю стекло толщиной 1 см соответствует кирпичной стене в полкирпича — 12 см.
- Химическая стойкость стекла высокая: разрушающе действуют на него только горячие щелочи и плавиковая и фосфорная кислоты. Это объясняется химическим составом стекла, его высокой плотностью и способностью при действии водных растворов образовывать на поверхности защитный слой, богатый кремнеземом.
Разновидности стекла и стеклянных изделий, применяемые в строительстве.
- Листовое стекло (обычное оконное, увиолевое, теплозащитное, светорассеивающее, закаленное, витринное, армированное и др.) является самым распространенным стеклом для строительных целей.
- Оконное стекло выпускают толщиной 2; 2,5; 3; 4; 5 и 6 мм в виде листов от 400X400 до 1600×2200 мм или по спецификации потребителя. Стекло должно быть бесцветным и прозрачным (светопропускание в зависимости от толщины не менее 84…90 %).
- Увиолевое стекло пропускает не менее 25 % ультрафиолетовых лучей. Это достигается за счет применения стекольной шихты с минимальным содержанием примесей оксидов железа, титана и хрома. Такое стекло используют для остекления проемов в лечебных, детских учреждениях, оранжереях и других специальных сооружениях.
- Теплозащитное стекло способно поглощать до 75 % инфракрасных лучей. Его изготовляют из стекломассы, в которую вводят оксиды кобальта, никеля и железа, или путем обработки поверхности стекла специальными растворами при его вытягивании. Применяют такое стекло для остекления зданий и средств транспорта с целью уменьшения солнечной и тепловой радиации, особенно в южных районах.
- Светорассеивающее стекло характеризуется декоративностью и светорассеивающей способностью. Оно может быть узорчатым и матовым.
Узорчатое стекло получают методом непрерывного проката на гравировальных пальцах из бесцветной или цветной стекломассы. - Матовое стекло изготовляют пескоструйной обработкой поверхности оконного стекла, при этом с помощью трафарета можно получить матово-узорчатый рисунок. Светорассеивающее стекло применяют для остекления оконных и дверных проемов, перегородок, когда требуется освещение без сквозной видимости или рассеянный свет.
- Армированное стекло получают методом проката с одновременной запрессовкой в обычную или цветную стекломассу металлической сетки. Такое стекло может быть в виде плоских или волнистых листов. Армированное стекло обладает повышенной прочностью к огнестойкостью. Его применяют для остекления дверей, ограждения лестничных клеток и балконов, устройства перегородок и кровли.
- Витринное стекло неполированное и полированное выпускают увеличенной толщины 5..12 мм. Стекло толщиной S…6 мм получают, как и обычное оконное, мето*дом вертикального вытягивания, как правило, без последующей полировки. Более толстое витринное стекло изготовляют прокатом с последующей шлифовкой и полировкой. Используют витринное стекло для остекления витрин в нижних этажах зданий, а также для сплошного остекления выставочных залов, аэропортов и т.д.
- Закаленное стекло получают путем термической обработки стекла по специальному режиму, в результате чего оно приобретает напряженное состояние, характеризуемое небольшим растяжением всей толщи стекла, кроме тонких поверхностных слоев, которые оказываются сильно сжатыми. Закаленное стекло имеет выше прочность на удар в 4…6 раз, а предел прочности при изгибе в 5…8 раз по сравнению с обычным стеклом. Такое стекло является безопасным, так как при разрушении распадается на мелкие осколки с тупыми нережущими краями. Основной потребитель закаленного стекла — транспорт. В строительной практике толстое закаленное стекло применяют для устройства дверей, перегородок, потолков. Листы закаленного стекла толщиной около 6 мм, покрытые с тыльной стороны цветными керамическими красками, называют стемалитом и применяют для внутренней и наружной облицовки зданий.
- Плоское цветное стекло получают путем введения красителей в стекломассу или нанесения в процессе проката на бесцветную стекломассу цветного слоя. Используют цветное стекло при строительстве общественных зданий в декоративных целях (в световых проемах, перегородках, витражах).
По назначению изделия из стекла разделяются на отделочные (облицовочное стекло): цветные плиты, стеклянные плитки, стеклянная мозаика, зеркала, и конструктивные: стеклопакеты, стеклопрофили, стеклянные блоки, трубы и т. п. - Цветные плиты «марблит" изготовляют из цветной непрозрачной (глушеной) стекломассы методом проката или литья с полировкой лицевой поверхности и рифлением тыльной. Такие плиты (толщиной 6… 12 мм и размером до 2100X1400 мм) используют для облицовка фасадов и внутренних помещений общественных зданий, а также для подоконников, крышек столов, прилавков.
При прокате марблит может быть разделен на плитки размером 200×200 мм и менее. Такие плитки называют стекломрамор. - Плиты «стеклокремнезит» —цветные непрозрачные плиты, получаемые плавлением с последующей кристаллизацией цветных стеклянных гранул. Стеклокремнезит воспроизводит структуру полированных горных пород; может быть получен разнообразных цветов.
- Стеклянную эмалированную плитку производят из отходов листового оконного стекла путем нарезания на требуемые размеры (150X150 и 10X75 мм) и нанесения слоя стеклянной эмали, закрепляемого нагреванием в печи. Применяют такую плитку для облицовки помещений с повышенными санитарно-гигиеническими требованиями и в сооружениях, подвергающихся агрессивному действию кислот и щелочей.
- Стеклянную мозаику выпускают двух видов — ковровая мозаика и смальта. Ковровая мозаика — это мелкие квадратные плитки (например, 20×20x4 мм) из непрозрачного прокатного стекла различных цветов с глянцевой или матовой поверхностью. Плитки по рисунку наклеивают на крафтбумагу и в виде ковриков применяют для облицовки стеновых панелей и внутренней отделки стен и колонн. Смальта — небольшие кусочки разной формы из непрозрачного литого или прессованного стекла различного цвета. Из кусочков смальты набирают мозаичные картины или отдельные вставки при отделке общественных зданий и сооружений.
- Зеркала изготовляют из полированного стекла с нанесением на него с одной стороны тонкого слоя алюминия или серебра, закрепляемого слоем асфальтового лака или стеклянной эмалью.
- Стеклопакеты представляют собой элементы из двух или трех плоских
стекол (оконного, витринного и других видов), соединенных по периметру так, что между ними образуется герметически замкнутая воздушная полость шириной до 15…20 мм. Стеклопакеты не замерзают при температуре —25 °С (одинарный) и —40°С (двойной), не запотевают, выдерживают большую ветровую нагрузку, чем отдельные стекла той же толщины и обладают достаточной звукоизолирующей способностью. Их использование вместо обычного двойного остекления упрощает и удешевляет процесс остекления зданий различного назначения и снижает расход древесины на изготовление оконных переплетов в 1.5…2 раза. - Стеклопрофилит представляет собой изделия из прокатного стекла,
имеющие профильное и коробчатое сечение длиной до 6000 мм. Конструкции из стеклопрофилита дают мягкий рассеивающий свет (светопропускание 40…70 %). Теплопередача стены из коробчатых (в один ряд) или швеллерных (в два ряда) профилей примерно такая же, как окон с двойным остеклением, а акустические свойства стекла не уступают глухим межкомнатным оштукатуренным перегородкам из кирпича. Стеклопрофилит применяют для устройства ненесущих стен, внутренних перегородок, остекления фонарей и других целей, обычно в сочетании с металлическими, бетонными, кирпичными или деревянными элементами зданий. - Стеклянные блоки — пустотелые изделия квадратной или прямоугольной формы размерами до 294Х X294X98 мм, состоящие из двух прессованных полублоков из обычной или цветной стекломассы и сваренных или склеенных друг с другом. Блоки имеют небольшую плотность — 800 кг/м3, относительно низкую теплопроводность— в среднем 0,46 Вт/(м*°С), достаточное светопропускание — 50…65 % и светорассеивание — до 25 %. Стеклоблоки применяют для сооружения светопрозрачных элементов стен. Использование стеклоблоков позволяет более чем в 2 раза снизить потери теплоты по сравнению с одинарным остекленном, улучшает звукоизоляцию.
