Структура и свойства стекла и стеклоизделий

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) SiO₂. Кремнезем сам по себе без добавления каких-либо дру­гих веществ при охлаждении расплава способен образо­вывать стекло, как и некоторые другие оксиды (P_SO₅, В₂О₃); 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 SiO₂ —71...72%; Na₂O— 14...15%; СаО -6,5.-7 %; MgO- 4 %; А1₂О₃- 2 %).

Свойства.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 12 000 МПа, практически эта величина ниже в 200...300 раз, в зависимости от размера образца колеблется от 30 до 60 МПа (при сжатии — 700...1000 МПа и 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 — 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 Rp/E (для стекла оно составляет 7,5-10-⁴...6,5-10-4 для стали 2,5-10-³...2,2-10~³, а для каучука 2,5...1,5) и высокая скорость и отсутствие пре­пятствий для распространения трещин. Оптические свойства стекла характеризуются светопропусканием (прозрачностью),    светопреломлением отражением, рассеиванием. Обычные   силикатные стекла, кроме специальных , пропускают всю видимую часть спектра и практически не пропускают ультрафиолетовые    и    инфракрасные лучи. Показатели преломления строительного стекла (1,50...1,52)  определяет силу отраженного света и светопропускание стекла при 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 Вт/(м-°С). Коэффициент линейного темпера­турного расширения стекла относительно невелик, 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 S1O2.

Сырье. Основные компоненты строительных стекол — SiO₂; Аl2Оз; Na2O; CaO; MgO — образуются в стекломассе При нагреве и последующем плавлении так называемых главных сырьевых материалов. Главные сырьевые материалы вводят в стекольную шихту, как правило, в виде природных соединений. Кремнезем SiO2 — основной стеклообразующий оксид, вводят в шихту в виде кварцевого песка или молотых песчаников и кварцитов с минимальным содержа­нием примесей (Fe, Ti), снижающих светопропускание стекла. Глинозем А1_гО₃ поступает в стекольную шихту в составе полевых шпатов, каолина, а для высокосорт­ных стекол — в виде чистого оксида алюминия. Увели­чение содержания SiO₂ и А1₂О₃ повышает тугоплавкость и химическую стойкость стекла. Оксиды натрия Na₂O и калия К2О 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 СаО и магния MgO 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, лабораторное) 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 (сульфаты натрия и аммония и др.) спо­собствуют удалению из 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).

Листовое стекло - основной вид стекла, используемый для остек­ления оконных и дверных проемов, витрин и внутренней отделки зданий.

Оконное стекло производится трех марок: полированное, непо­лированное улучшенное, неполированное. Оконное стекло произво­дится толщиной от 2,0 до 6,0 мм максимальных размеров в зависимо­сти от толщины от 1000x1600 мм, а минимальных 400x500 мм. Све-топропускание оконных стекол 84-89%.

Витринное стекло производится двух марок: М7 - полированное и М8 - неполированное, толщиной 6,5-12 мм и максимальных разме­ров 3000x6000 мм. Применяется для остекления витрин, витражей и окон общественных зданий. Светопропускание витринных стекол 75-

Стекло листовое узорчатое имеет на одной или обеих сторонах четкий рельефный узор и изготовляется способом проката. Узорчатое стекло бывает бесцветным и цветным, окрашенным в массе или нане­сением на поверхность его пленок оксидов различных металлов. Применяется для декоративного остекления оконных и дверных про­емов, внутренних перегородок, крытых веранд и т.д. Для этих же целей применяется листовое стекло "мороз", имеющее на одной сто­роне узор, напоминающий заиндевевшее стекло.

Армированное листовое бесцветное и цветное стекло для уст­ройства световых проемов, фонарей верхнего света, ограждений в зданиях и сооружениях различного назначения. Армированное стекло может иметь обе поверхности или одну поверхность гладкими, риф­леными или узорчатыми. Для армирования применяется сварная или крученная сетка из стальной проволоки со светлой поверхностью или с защитным алюминиевым покрытием. Диаметр проволоки сетки 0,45-0,60 мм. Сетка имеет квадратные или шестиугольные ячейки размерами 12,5 и 25 мм. Армированное стекло отличается повышен­ной прочностью и огнестойкостью. Светопропускание бесцветного армированного стекла 65-75%.

Увиолевое стекло пропускает 25-75% ультрафиолетовых лучей и применяется для остекления оранжерей и заполнения оконных про­емов в детских и лечебных учреждениях. Такое стекло получают из шихты с минимальными примесями оксидов железа, титана, хрома.

Закаленное стекло является безопасным, так как при разрушении распадается на мелкие осколки с тупыми нережущими краями. В строительстве применяют для устройства дверей, перегородок, по­толков.

Многослойное стекло (триплекс), армированное или неармиро­ванное, состоит из нескольких листов стекла, прочно склеенных ме­жду собой прозрачной эластичной прокладкой, чаще всего из поли-винилбутирольной пленки. При ударе оно не дает осколков и являет­ся безопасным.

Теплопоглощающее стекло предназначено для защиты интерье­ров зданий от воздействия прямого солнечного излучения и умень­шения солнечной радиации в помещениях. Стекла голубого, серого и

бронзового оттенков получают введением в состав стекломассы ок­сидов кобальта, железа или селена. Задерживая большое количество инфракрасных лучей, стекло нагревается и подвергается большим температурным деформациям. Поэтому при остекленении следует предусматривать достаточный зазор между рамой и стеклом.

Применяется с целью уменьшения нагрева солнцем помещений жилых, культурных, общественных и промышленных зданий.

Тешюо сражающее стекло применяется для нагрева помещений от солнечных и тепловых лучей. Изготавливается нанесением на по­верхность тонких (0,3-1 мкм) пленок металлов и их оксидов. Свето­пропускание стекол 30-70%, а пропускание тепла 40-60%. В связи с тем, что в таких стеклах большая часть инфракрасных лучей не по­глощается, а отражается, само стекло почти не нагревается. Вследст­вие уменьшения излучения из помещения они повышают теплозащи­ту зимой. Стекла имеют различную окраску: золотистую, голубую, оранжевую и др.

Электропроводящее стекло применяется в строительстве для стеклопакетов, используемых как источники тепла. Электропроводя­щие прозрачные покрытия наносятся на стекло с целью обогрева стекла и предотвращения запотевания. Покрытие получают напыле­нием на поверхность стекла тонкой (0,5 мкм) пленки солей металли­ческого серебра.

Стекло устойчивое к радиоактивным излучениям применяется при строительстве АЭС и предприятий по изготовлению изотопов. Для поглощения радиоактивных лучей используются стекла с высо­ким содержанием свинца и бора. Например, тяжелое свинцовое стек­ло плотностью 6200 кг/м"¹, содержащее 80% оксида свинца, по своей защитной способности в этом отношении эквивалентно стали.

Стеклянная черепица изготовляется в некоторых странах для устройства светопрозрачных фонарей в кровлях из керамической или бетонной черепицы.

Трубы стеклянные и фасонные части к ним применяются для напорных, безнапорных и вакуумных трубопроводов, используемых для транспортировки жидких, газообразных и твердых веществ с раз­личными физико-химическими свойствами (за исключением плави­ковой кислоты) при температуре от -50°С до +120°С, Стеклянные трубы производятся диаметром условного прохода от 40 до 200 мм и диной от 1500 до 3000 мм. Основными недостатками стеклянных труб является хрупкость и невысокая термостойкость (около 40°С).

Облицовочные    изделия из   стекла

Широкий класс облицовочных стекольных и стеклокристалличе-ских материалов разработан в последние два десятилетия. По струк­турно-агрегатному состоянию они подразделяются на три основные группы: аморфные (цветное листовое стекло, стемалит, марблит, стекломрамор, стеклоплитка, эмалированная плитка, коврово-мозаичная плитка, смальта, стекло крошка); гетерогенные аморфные системы на основе стекла и газовоздушной смеси (коврово-мозаичная плитка, глушенная газо воздушны ми включениями; пено-декор, порокерамзит, мозаичная плитка; пемза, спеченная из стекло-порошка); гетерогенные стеклокристшишческие материалы, со-стоягцие из стекловидной и кристаллической фаз (сигран, стекло-кристаллит, стекло керамит, стекло крем незит).

Цветное листовое стекло изготавливается на основе обычного и термоупрочненного стекла. Окраска поверхности осуществляется электрохимическим способом. Листы главным образом бронзового цвета имеют светопропускание 1,5-2%. Применяются для деко­ративного остекления окон, дверей, перегородок, мебели, изготовле­ния витражей и светильников. Для внутренней облицовки и устрой­ства перегородок применяется декоративный триплекс - листы с за­прессованной между ними цветной или декоративной пленкой или тонкой тканью. В Японии производится- триплекс с декоративной пленкой, имитирующей природный камень оникс.

Стемалит - изделия из листов плоского стекла, внутренняя сторо­на которых в процессе изготовления окрашена керамической эмале­вой краской и подвергнута термообработке, при которой происходит

закрепление эмали на стекле и его упрочнение. Покрытие может быть защищено тонким слоем алюминия, наносимого в вакууме. Сте­кольные заводы выпускают стемалит 27 различных цветов толщиной 5-7,5 мм с размерами от 400x900 до 1500x1100 мм. Основное назна­чение - облицовка стен зданий.

Марблит - листовое изделие из цветного глушенного стекла тол­щиной 5-25 мм с полированной лицевой поверхностью и рифленой тыльной стороной.

Стекломрамор - разновидность марблита, имеющая мраморовид-ную окраску различных цветов. Применяется для декоративно-защитной облицовки стен зданий, покрытия полов, оформления ин­терьеров, антикоррозионной защиты строительных конструкций и футеровки резервуаров.

Облицовочная плитка - изделия из неокрашенного или цветного глушенного стекла размерами от 50x50 до 150x150 мм и толщиной 4-9 мм. Термостойкость плиток 40-45°С. Лицевая поверхность плиток может быть гладкой или с различными рельефными узорами, тыльная сторона - рифленой или шероховатой, что обеспечивает лучшее сцеп­ление с раствором.

Эмалированная плитка изготовляется из цветного оконного или узорчатого стекла путем его резки, нанесения на одну из поверхно­стей непрозрачной эмали и ее сплавления. Размеры плиток от 100x100 до 200x200 мм, а толщина 4-6 мм. Предназначена для внут­ренней облицовки зданий различного назначения.

Плитки стеклянные облицовочные коврово-мозаичные и ков­ры из них являются одним из наиболее эффективных облицовочных материалов. Они долговечны, обладают морозостойкостью и гигие­ничностью, надежно защищает фасадьГ стен зданий от воздействия внешней среды. Выпускаются размерами 21x21x5 и 46x46x5 мм. В различных странах выпускаются плитки до сотни различных цветов и оттенков размерами от 10x10 до 50x50 мм квадратные, прямоуголь­ные, угловые и круглые по форме. Фирма "Ла Валде" в Италии про­изводит 66 цветов венецианской стеклрмозаики. Там же фирма "Му-ранита" выпускает стекломозаику 96 цветов.