Тема 5. Стекло и стеклокристаллические материалы

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СТЕКЛЕ

Стеклом называют твердый аморфный изотропный прозрачный материал, получаемый при охлаждении минеральных расплавов, содержащих стеклообразующие компоненты (оксиды кремния, бора, алюминия и др.) и оксиды металлов (лития, калия, магния, свинца и т.д).

 

ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА И СВОЙСТВА СТЕКЛА

Основными сырьевыми материалами для производства стекла являются чистые кварцевые пески, известняк, доломиты, кальцини­рованная сода, поташ. Основной компонент — чистый белый песок, который составляет 60...70%. Сода или сульфат натрия, поташ сни­жают температуру варки стекла и ускоряют процесс стеклообразования. Введение известняка и доломита делает стекло нерастворимым в воде, способствует осветлению, повышению химической стойкости и механической прочности.

Производство стекла включает следующие технологические опе­рации: подготовку сырьевых материалов; приготовление шихты, варку стекла, формование изделий, термическую, механическую или химическую обработку. Сырьевые материалы сушат, измельчают. По­сле перемешивания измельченных компонентов в смесителях бара­банного типа получают шихту. Готовую шихту варят в стекловарен­ных печах при 1400...1500 °С. Компоненты шихты при нагревании вступают в химическое взаимодействие. Продукты реакции переходят в расплав, образуя стекломассу. Фор­мование стеклоизделий связано с особенностями изменения вязкости стекломассы в зависимости от темпе­ратуры. По мере охлаждения стек­ломасса становится пластичной, что позволяет придать ей заданную форму. Формование осуществляется различными способами; вытягивани­ем, прокаткой, литьем, выдуванием, прессованием, на расплаве металла. В настоящее время освоен новый вы­сокопроизводительный и экономич­ный способ производства полирован­ного стекла — флоат-способ (способ плавающей ленты).

Особенность способа заключается в формовании стеклянной лен­ты на поверхности расплавленного олова. Поверхность ленты получа­ется гладкой и ее качество не уступает стеклу, получаемому механиче­ской шлифовкой и полировкой. Себестоимость флоатированного стекла значительно ниже, чем стекла полированного механическим способом, поэтому конвейеры шлифовки и полировки листового стекла постепен­но вытесняются установками термической полировки.

Эффективность стекла как строительного материала обуслов­ливается благоприятным сочетанием свойств прозрачности, прочно­сти, малой теплопроводности и долговечности. Плотность стекол из­меняется в пределах 2,2...2,6 г/см³, плотность строительных стекол составляет 2,5 г/см³. Оптические свойства стекла характеризуются светопропусканием (прозрачностью). Обычные силикатные стекла пропускают всю видимую часть спектра (не менее 84%) и практически не пропускают ультрафиолетовые и инфракрасные лучи. Стекло ха­рактеризуется высокой прочностью при сжатии (600...1200 МПа) и сравнительно малой прочностью при растяжении (30...90 МПа).

Стекло — хрупкий материал, плохо сопротивляющийся удару. Закаленное стекло сопротивляется удару в 5...6 раз лучше, чем отожженное. Силикатное стекло химически стойкое к кислотам, за исключением плавиковой и фосфорной. Теплопроводность различных видов стекла колеблется в пределах 0,5... 1 Вт/(м-К). При нагревании стекло размягчается и при температуре около 1000 °С плавится. Твер­дость стекла равна 5...7 по шкале твердости. Звукоизолирующая способность стекла относительно высока. Стекло поддается механиче­ской обработке: его можно пилить циркулярными пилами, резать ал­мазом, шлифовать и полировать.

 

ЛИСТОВОЕ СТЕКЛО

Листовое стекло служит для заполнения световых проемов зда­ний и сооружений, а некоторые виды листового стекла применяют для устройства внутренних ограждений, дверей, ограждений лестниц, балконов, лоджий. Стекольная промышленность выпускает несколь­ко разновидностей листового стекла: оконное, витринное, армирован­ное, узорчатое и др.

Оконное стекло предназначено для остекления световых проемов жилых, промышленных и общественных зданий. Толщина его бывает 2; 2,5; 3; 4; 5 и 6 мм. Размеры листов от 250x250 до 1600x2200 мм. Светопропускание 90...92%. Стекло выпускают бесцветным, хотя допускается зеленоватый или голубоватый оттенки. Оконное стекло устанавливают в деревянные, металлические или пластмассовые переплеты.

Витринное стекло применяют для остекления витрин в мага­зинах, ресторанах, бассейнах, аэропортах и т.д. Оно может быть поли­рованным и неполированным, плоским и гнутым. Изготовляют его в основном способом термической полировки. Толщина витринного стекла 6...10 мм, наибольший размер 3500x6000 мм. Его устанавли­вают в металлические или пластмассовые переплеты.

Армированное стекло (рис. 1)

Рис. 1 Виды армированного стекла

а – светорассеивающее армированное стекло;

б – шестигранная сетка;

в – прямоугольная сетка

изготовляют методом горизон­тального проката с закатыванием в расплавленную стекломассу армирующей металлической сетки. Относится к числу огнестойких и безопасных стекол. При ударе такое стекрастрескивается, но не даетосколков: армирующая сетка удерживает их на себе. Армированное стекло выпускается бесцветным или цветным с кованой или узорчатой поверхностью. Это стекло выпускают длиной 1200...2000, шириной 400...1500 и толщиной 5,5 мм. Применяют его для остекления фонарей, дверей, устройства перегородок, ограждения лестниц, балконов, лоджий. Цветное армированное стекло используют для устройства декоративных светопро-зрачных плафонов, перегородок в санаториях, пансионатах на пред­приятиях общественного питания и торговли.

Увиолевое стекло пропускает не менее 25% ультрафиолетовых лучей. Эти качества стекла достигаются путем снижения содержания оксидов железа, титана и хрома в сырьевой массе. Размер стекол от 250x250 до 600x1200 мм при толщине 2...4 мм. Применяют увиоле­вое стекло для остекления в лечебных, детских учреждениях, оран­жереях и т.д.

Закаленное стекло изготовляют путем термической обработки стекла при 540...650 °С и последующего быстрого равномерного охла­ждения. В результате термообработки получают листовое стекло с по­вышенной механической прочностью и термической устойчивостью. Прочность при ударе и предел прочности при изгибе закаленного стекла в 4...6 раз выше по сравнению с обычным стеклом, а термо­стойкость в 2 раза. Осколки закаленного стекла имеют тупые грани и края. В строительстве закаленное стекло применяют для остекления витрин, изготовления стеклянных дверей, перегородок, потолков, для ограждения лифтовых шахт, балконов, лестниц в лечебных зданиях.

Волнистое стекло изготовляют методом непрерывного проката через специальные гофрирующие устройства пластичной стекломас­сы, в результате чего стекло получает волнистую форму, имеющую большую жесткость. Волнистое стекло может быть армированным. Применяют его для устройства светопрозрачных кровельных конст­рукций промышленных и гражданских зданий, устройства защитных козырьков и световых фонарей и др.

Рис. 2. Разновидности узорчатого стекла

Узорчатое стекло изготовляют методом горизонтального прока­та цветной или бесцветной пластичной стекломассы на гравироваль­ных валках. На поверхности листа с двух или одной стороны получается тот или иной рельефный узор (рис. 2). Благодаря рельефному рисунку это стекло является светорассеивающим, дающим равномерное и мягкое освещение. Кроме того, оно характеризуется высокой декоративностью.

Узорчатое стекло может быть армированным, бесцветным или цветным. Онимеет ширину 400... 1600, длину 600...3600 толщину 4,5 и 6 мм. Узорчатое стекло применяют для остекления оконных и дверных проемов, внутренних перегородок зданий, крытых веранд, мебели и т.д.

Цветное стекло получают путем введения красителей в стек­ломассу или нанесения в процессе изготовления на бесцветную стек­ломассу цветного слоя. Такое стекло вырабатывают методом верти­кального вытягивания или методом прокатки. По характеру окраски различают прозрачное или глушеное цветное стекло. Для получения глушеных стекол в состав стекломассы вводят глушители цвета. Цвет­ные стекла бывают красные, желтые, белые (молочные), зеленые, го­лубые, синие и черные. Их применяют в архитектуре для декоратив­ных целей, для изготовления сигнальных стекол, витражей и т.д.

Листовое стекло упаковывают в прочные деревянные ящики, за­зоры заполняют плотным слоем стружки. Хранят и перевозят стекло только в вертикальном положении. При перевозке, хранении и монта­же листового стекла следует соблюдать особые меры предосторожности.

 

ИЗДЕЛИЯ ИЗ СТЕКЛА

Номенклатура изделий из стекла весьма разнообразна: блоки стеклянные пустотелые, стеклопакеты, стекло профильное, стеклян­ные трубы, дверные полотна и др.

Стеклоблоки (рис. 3) представляют собой полые герметически закрытые стеклянные коробки с гладкими наружными и ребристыми внутренними поверхностями, пропускающие свет и обеспечивающие равномерное освещение отдельных участков и больших площадей в зданиях. Блоки получают путем сварки двух симметрично спрессо­ванных элементов — полублоков. После сварки полублоков горячий воздух, замкнутый в полости блока, при охлаждении создает внутри стеклоблока вакуум, что улучшает его теплоизоляционные и звуко­изоляционные свойства.

Выпускают различные типы блоков: квадратные, прямоугольные, угловые, радиальные. Стеклянные блоки квадратной или прямоуголь­ной формы имеют размеры 194x194x98(60) и 294x294x98 мм.

 

 

Рис. 3 Стеклоблоки

Плотность блоков 800 кг/м³, теплопроводность в среднем 0,46 Вт/ (м К), светопропускание не менее 56 % светорассеивание – 25 %. Стеклоблоки создают мягкое рассеянное освещение, увеличивают глубину естественной освещенности, исключая сквозную видимость.

Выпускают блоки бесцветными и окрашенными в различные цвета. Блоки имеют рельефный узор орнаментального, растительного, геометрического или другого характера. Стеклянные блоки как кон­структивный элемент получили широкое применение в современном строительстве жилых, общественных и промышленных зданий. Их применяют для заполнения наружных световых проемов, устройства светопрозрачных покрытий и перегородок, а также в архитектурно-декоративных целях.

Стеклопакеты представляют собой изделие, состоящее из двух или трех плоских листов стекла, соединенных по периметру так, что между стеклами образуется герметически замкнутая камера с прослойкой осушенного воздуха (рис 4).

Рис. 4. Стеклопакеты

а – общий вид; б – сварной паке; в – с деревянной рамкой;

г – с рамкой из пластмассы; д – рамка из алюминиевого профиля

Стеклопакеты изготовляют из оконного, витринного, армированного, узорчатого и другихстекол толщиной 2... 8 мм.

В зависимости от количества соединенных стекол стеклопакеты делят на однокамерные и двухкамерные. Однокамерные стеклопакеты имеют расстояние между стеклами 9... 15 мм, двухкамерные 9... 12 мм.

Выпускают стеклопакеты различных разме­ров: длина 400...2550, ширина 400...2950, толщина не более 46 мм. Для соединения рамки со стеклом и герметизации стеклопакетов применяются нетвердеющие мастики и вулканизирующиеся гермети­ки. Воздух в межстекольном объеме осушается влагопоглотителем. Стеклопакеты более прочны и экономичны по сравнению с обычными двойными переплетами. Они примерно в 2 раза уменьшают теплопе­редачу через окна. При остеклении стеклопакетами упрощается кон­струкция оконных проемов, увеличивается световая площадь. Стек­лопакеты не замерзают, не запотевают, не нуждаются в протирке внутренних поверхностей, они обладают достаточной звукоизоли­рующей способностью.

Рис. 5. Стеклопрофилит;

а – швеллерный; б – коробчатый; в - ребристый

Стеклопакеты применяют для о остекления окон, дверей, витрин. Они находят все большее применение в современном строительстве, улучшая внешний вид зданий.

Стеклопрофилит (профильное стекло) представляет собой длинномерное строительное изделие, имеющее в сечении разнообразны профиль: швеллерный коробчатый ребристый (рис. 5). Стеклопрофилит швеллерного сечения выпускают длиной до 5 м, коробча­того сечения (стекор) — до 7 м, шириной соответственно — 250...500 и 250...300 мм; высота полки 50 и толщина стекла 5,5 мм. Он может быть армированным, с гладкой, рифленой или узорчатой поверхно­стью, бесцветным или окрашенным.

Из стеклопрофилита изготовляют панели, перегородки, про­зрачные плоские кровли в различных типах зданий. При использо­вании стеклопрофилита в качестве стенового материала в зданиях и сооружениях создается высокий декоративный эффект с точки зрения архитектурного оформления: его можно применять в сочетании с ме­таллическими, бетонными, кирпичными или деревянными элемен­тами зданий при отделке фойе кинотеатров, торговых залов, киосков и т.д. Конструкции из профильного стекла дают мягкий рассеиваю­щий свет со светопропусканием 40...70%.

Стеклянные трубы предназначены для напорных, безнапорных и вакуумных трубопроводов, используемых для транспортировки аг­рессивных жидкостей и газов, пищевых продуктов, воды и других ма­териалов при температуре от -50 до +120 °С. Трубопроводы из стекла прозрачны, гигиеничны, хорошо сопротивляются коррозии и находят применение как в строительстве, так и в пищевой, химической и дру­гих отраслях промышленности. Трубы выпускают диаметром от 0,1...40 (тонкостенные) до 50...200 мм (толстостенные) и длиной 1500...3000 мм. При монтаже трубопроводов стеклянные трубы соединяются при по­мощи специальных резиновых, пластмассовых или металлических муфт или путем склеивания специальными клеями

Стеклянные двери изготовляют из закаленного стекла толщи­ной 10...20 мм. Стекло может быть полированным и неполированным. Дверные полотна имеют обработанные кромки и пазы для крепления металлической фурнитуры. Раскраивают полотна размером 2600x1000 и толщиной 10, 15 и 20 мм.

Термическая устойчивость стеклянных дверных полотен до 80...90 °С, светопропускание полотна неполированного и полирован­ного 89%. Применяют их для заполнения дверных проемов в общест­венных и производственных зданиях. Стеклянные двери декоратив­ны и отвечают современным архитектурным требованиям.