СМ 2013

71

Глава 4.  СТРОИТЕЛЬНОЕ СТЕКЛО

Изделия из стекла широко применяются в строительстве, промышленности и в быту.

Стеклоделие было развито на территории Сирии, Египта, Китая за 3-4 тысячелетия до н. э., изготавливались цветные украшения, вазы, чаши.

В1748 г. М. В. Ломоносов основал в Петербурге лабораторию, в которой производил опыты с приготовлением цветных стекломасс, позднее он организовал производство цветного стекла в России.

Вземных условиях вещество (материя, обладающая массой покоя) может находится в четырех агрегатных состояниях – газ, жидкость, твердое тело и плазма. Переход из одного состояния в другое называется фазовым переходом: из твердого состояния в жидкое – плавлением, а из жидкого в твердое – кристаллизацией или образованием стекловидной структуры.

При охлаждении расплав (жидкая фаза) кристаллизуется с образованием кристаллов – твердых тел, имеющих форму правильных многогранников. Образование кристаллов является следствием упорядоченного расположения в них атомов, образующих трехмерную (кристаллическую) структуру. Характерными признаками кристаллов являются симметрия внешней формы и анизотропия. Кристаллическое состояние является равновесным состоянием твердых тел, ему соответствует минимум свободной энергии системы. Кристаллизация сопровождается выделением энергии в виде тепла, поэтому на графике 1, характеризующем изменение температуры вещества при охлаждении (рис. 4.1), появляется горизонтальная площадка, (А-В), в конце которой расплав превращается в твердое кристаллическое тело. Соответствующая этому превращению системы температура называется температурой кристаллизации.

При быстром охлаждении расплава и в тех случаях, когда вязкость расплава быстро повышается, изменение структуры при фазовом переходе не завершается. Вязкость расплавов стекловидных веществ посте-

пенно повышается до таких значений Tg, когда они приобретают свойства твердых тел; эти вещества не имеют постоянной температуры плавления (рис. 4.1). При нагревании происходит постепенный переход из твердого состояния в жидкое и эти процессы являются обратимыми. У расплавов стекловидных веществ ионы в процессе затвердевания организуются в отдельные упорядоченные группы, образующие несимметричный структурный каркас. Между кристаллитами находится аморфное вещество. Следовательно, стекло не является ни кристаллическим, ни аморфным телом, ни жидкостью. Стекло – форма твердого агрегатного состояния, которое называется стекловидным. Поэтому в отличие от кристаллических

72 Глава 4.  Строительное стекло

твердых тел стекла изотропны. На графике 2 (рис. 4.1) можно выделить три состояния стекловидных веществ – жидкое, вязкопластичное и твердое. Свойства стекол постепенно и непрерывно изменяются с изменением их температуры.

Следовательно стеклом называют аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплава независимо от их состава и температуры затвердевания.

Стекловидные вещества отличаются наличием элементов ближнего порядка (кристаллитов, кластеров) образующих несимметричный каркас при отсутствии элементов дальнего порядка – пространственной кристаллической структуры.

4.1.  Физические свойства расплава и стекла

Физические свойства расплава

К физическим свойствам расплава, определяющим условия производства стекла, относятся вязкость и скорость затвердевания.

Вязкость (внутреннее трение) – способность текучих тел оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Вязкость расплава должна изменяться в определенных пределах, в зависимости от способа формования и зависит от температуры и химического состава. Важную роль при формовании играет также скорость затвердевания – изменение вязкости во времени, которая характеризуется интервалом вязкости – разностью между двумя ее значениями, в пределах которой возможна пластическая деформация при формовании изделий.

Физические свойства стекла

Свойства стекол зависят от их химического состава, содержания в них стеклообразующих оксидов – SiO , Na O, CaO, Al O , MgO и др.

Средняя плотность силикатного стекла изменяется в пределах от 2,2 (кварцевое стекло) до 2,6 г/см³, при введении оксидов тяжелых элементов (свинца) плотность может повышаться до 7,0 г/см³.

Упругость стекол характеризуется модулем упругости Е, по сравнению с металлами она сравнительно невелика (5000-8000 кг/м²).

Предел прочности при сжатии оконного стекла – 90-100 кг/мм². Стекло работает на растяжение и растяжение при изгибе значительно хуже, чем

на сжатие: Rp стекла в 15-20 раз меньше Rсж.

Твердость стекла по минералогической шкале равна 6-7 единицам. Хрупкость характеризуется сопротивлением стекла удару; она зави-

сит от формы, размеров и толщины стекла. Стекло относится к хрупким материалам, и разрушается без заметной пластической деформации.

Теплопроводность стекла изменяется в пределах 0,7-1,3 Вт/(м·°С), повышается с ростом температуры.

73

Рис.  4.1.  Характер изменения температуры расплава при охлаждении

1 – кристаллизация; 2 – образование стекла

Термическое расширение. При резком нагревании или охлаждении в стекле возникают термические напряжения сжатия или растяжения и связанные с ними деформации, которые могут привести к разрушению стекла. Термическая устойчивость, сопротивляемость резким изменением температуры характеризуется коэффициентом линейного термического расширения (КЛТР). Высокой термостойкостью обладает кварцевое стекло. На термостойкость влияют форма, размеры и толщина стекла.

К оптическим свойствам стекол относятся пропускание, поглощение, рассеяние и отражение света. Отношение количества света, отраженного от поверхности стекла, к количеству света, падающего на поверхность, называется коэффициентом отражения. Часть падающего света поглощается стеклом. Отношение количества света, пропущенного стеклом, к общему световому потоку называется коэффициентом светопропускания (в долях единицы или процентах).

Для листового стекла толщиной 1 мм, коэффициент светопропускания составляет 88-90 %, поглощения – 0,5-3,0 %, отражения – 8-9 %.

Стекло относится к диэлектрикам, при температуре ниже 200 °С электропроводность стекол незначительна, так как электрический ток переносится ионами.

Химическая стойкость стекла зависит от его состава и реагентов, которые на него воздействуют. Состав и свойства стекол могут изменяться

74 Глава 4.  Строительное стекло

под воздействием окружающей среды. Вода растворяет компоненты стекол (выщелачивание поверхностного слоя).

4.2.  Сырьевые материалы и приготовление шихты

В строительстве применяются преимущественно оксидные стекла, содержащие различные стеклообразующие оксиды. Различают оксидные стекла нескольких типов: силикатные – SiO , алюмосиликатные – Al O , SiO , боросиликатные – B O , SiO , бороалюмосиликатные – B O , Al O , SiO и др.

Промышленные стекла содержат, как правило, не менее пяти компонентов. Однокомпонентным является кварцевое стекло, состоящее из SiO . Основой строительных стекол являются оксиды SiO – (60-75 %), Na О (K O) – (10-25 %), CaO – (0-10 %). Технические свойства стекол зависят от химического состава и содержания в них оксидов.

SiO – основной компонент строительных стекол, его содержание достигает 75 % массы. Для производства стекол применяют преимущественно кварцевые пески; пески, содержащие более 95 % кремнезема называют стекольными, они имеют белый или светло-серый цвет. Наиболее пригодными для варки стекла являются пески со средним размером зерна 0,15-0,40 мм (мелкие пески).

Al O – повышает вязкость расплава, прочность и химическую стойкость стекла, снижает КЛТР. Глинозем вводят в сырьевую шихту в виде Al O или Al O  · 3H O, используется также природное сырье, содержащее Al O – полевые шпаты, каолины, а также промышленные продукты – полевошпатовый­ и нефелиновый концентраты.

B O – снижает температуру плавления, вязкость расплава, КЛТР, повышает химическую и термическую стойкость стекла. В стекломассу вводится ортоборная кислота Н ВО , а также боросодержащие минералы – датолит, ашарит.

Оксиды Na O и K O – оксид натрия, так же как кремнезем, является важнейшей частью промышленных стекол. В сырьевую смесь вводится сода Na CO или сульфат натрия Na SO , которые понижают температура плавления и вязкость расплава. Поташ К СО повышает блеск и прозрачность стекла, применяется при производстве хрусталя.

CaO, MgO, PbO повышают прочность, химическую стойкость стекла. В сырьевую смесь вводятся известняк, мел, доломит, а также свинцовый глёт и свинцовый сурик, образующие оксиды свинца.

Шихта может также содержать стеклобой и вспомогательные компоненты – молекулярные и коллоидные красители, окислители и восстановители, глушители.

Молекулярные красители растворяются в стекломассе. Оксид марганца Mn O придает стеклам пурпурно-фиолетовую окраску, MnO  – оранжевую и красно-коричневую, CоO – синюю, Сr O – зеленую, NiO – красно-

75

фиолетовую, Fe O – желтую и коричневую, CuO – зеленовато-голубую окраску.

Коллоидные красители распределяются в стекле в виде частиц коллоидных размеров. Металлический селен окрашивает стекломассу в розовый цвет, хлорное золото AuCl – в ярко-красный цвет, азотнокислое серебро AgNO  – в желтый цвет.

Для получения непрозрачного стекла в сырьевую смесь вводят глушители – фторид кальция CaF , кремнефторид натрия Na SiF , криолит 3NaF · AlF .

4.3.  Производство стекла

Основные технологические операции при производстве стекла:

––подготовка сырьевых компонентов,

––расчет состава и приготовление сырьевой шихты,

––варка стекла,

––формование изделий,

––термическая обработка.

Подготовка сырья и приготовление сырьевой смеси (шихты).

Подготовка включает операции складирования сырьевых материалов, их обработки, дозирования и смешивания компонентов, подачи шихты в бункера-накопители и далее в бункера стекловаренных печей.

Поступающий на производство песок обогащают различными способами, сушат и просевают с целью удаления крупных фракций. Производятся дробление, сушка, помол и просеивание известняка, доломита и других кусковых материалов. Обработку иных компонентов, например соды, обычно не производят.

Расчет состава шихты выполняют по заданному составу стекла в процентах массы. При расчете считают, что сырьевые компоненты при варке разлагаются, оксиды переходят в стекломассу, а влага и газовая фаза удаляются.

Компоненты шихты дозируют в соответствии с расчетом и перемешивают. Шихта, поступающая в стекловаренную печь, должна быть однородной по химическому и зерновому составу.

Варка стекла. При диссоциации компонентов шихты (например, карбонатов натрия, калия, кальция и магния) выделяются газообразные продукты реакции. Большая часть газов улетучивается в атмосферу, но значительное количество остается в стекломассе как в растворенном состоянии, так и в виде пузырьков. Стекломассу перед выработкой необходимо освободить от пузырьков газа – осветлить. Скорость выделения пузырьков зависит от вязкости расплава, поэтому его температура постепенно повышается. Для того, чтобы получить пригодную для формования стекломассу необходимо выровнять ее химический состав

76	Глава 4.  Строительное стекло
Рис.  4.2.  Схема зон в ванной печи
1	– зона варки; 2 – зона осветления; 3 – зона студки;
4	– места выработки стекломассы

(гомогенизировать). Гомогенизация обеспечивается молекулярной диффузией и перемешиванием. Последней стадией подготовки стекломассы к выработке является ее охлаждение (студка), обеспечивающее необходимую для формования вязкость.

Стекло варят в ванных печах непрерывного и периодического дейст­ вия. Самые крупные печи имеют длину бассейна свыше 50 м, ширину до 10 м и глубину 1,5 м (рис. 4.2). Они футеруются огнеупорным кирпичом и могут вмещать до 2000 т стекломассы. Печь имеет варочный и выработочный бассейны, соединенные протоками. Шихта подается в загрузочные карманы, расположенные по боковым сторонам. Варочный бассейн отапливается природным газом. Печь проточная, шихта и стекломасса в ней перемещаются от загрузки к выработке.

По характеру процессов, протекающих в печи, и в зависимости от температуры стекломассы печь разделяют на четыре зоны – варки, осветления, студки и выработки. Шихта, загруженная в печь, с повышением температуры претерпевает превращения. При температуре выше 400 °С начинается диссоциация компонентов шихты с выделением газов, а также образование силикатов (натрия и кальция) и спекание. Эта стадия

77

Рис.  4.3.  Схема процесса формования ленты стекла лодочным способом 1 – первая пара валиков; 2 – лента стекла; 3 – холодильник; 4 – лодочка; 5 – утолщение ленты стекла (луковица); 6 – борт ленты стекла

варки называется силикатообразованием. При последующем повышении температуры шихта расплавляется, образуется непрозрачный расплав, содержащий пузырьки газов. После завершения процессов образования силикатов в расплаве остаются зерна кварцевого песка; процессы растворения кварца в расплаве называются стеклообразованием. По затратам времени стеклообразование занимает 60-70 % общей продолжительности варки.

Формование изделий из стекла. Применяются различные способы формования. В зависимости от типа изделия выбирают наиболее эффективный способ. Способы формования можно разделить на свободные, когда стекломасса не контактирует с твердой поверхностью (выдувание), и контактные, при которых изделия получают из стекломассы, находящейся в контакте с формующей поверхностью.

Вытягивание

Шамотный лодочный способ. На поверхность стекломассы помещается прямоугольный брус со сквозным продольным вырезом – лодочка (рис. 4.3). Если на стекломассу в щели лодочки опустить стальную гребенку

78 Глава 4.  Строительное стекло

Рис.  4.4.  Схема флоат-процесса 1 – взвешивание и смешивание сыпучих материалов;  2 – плавление

шихты;  3 – выравнивание на слое расплавленного олова; 4 – охлаждение листа до температуры резки;  5 – мойка и контроль; 6 – резка и закалка; 7 – упаковка и отправка

и поднимать ее вверх с помощью валиков, то за гребенкой потянется лента стекла. По обе стороны ленты устанавливаются холодильники, которые способствуют быстрому повышению вязкости стекломассы. Толщина листа регулируется изменением частоты вращения валиков, при увеличении частоты толщина листа уменьшается. Отформованная лента стекла постепенно охлаждается и от нее отрезают листы требуемых размеров. Листовое стекло способом вытягивания можно получить без лодочки. Для того чтобы избежать поперечного сжатия листа силами поверхностного натяжения, устанавливаются бортоформующие ролики.

Формование листового стекла на поверхности расплавленного металла (флоат-процесс). Формование листового стекла осуществляется в ванне на поверхности расплавленного олова (ванна расплава). Стекломасса из стекловаренной печи непрерывно подается в ванну расплава на формование, далее она растекается по поверхности расплава формуется (вытягивается) и охлаждается (рис. 4.4 и приложение, рис. А.35). Для того чтобы исключить окисление олова, формование ведут в газовой среде, состоящей из азота и водорода. При контакте стекломассы с поверхностью олова и полировке верхней поверхности листа получают листовое стекло высокого качества.

Прокатка. Стекломассу пропускают между охлаждаемыми валками, вращающимися навстречу друг другу. Способом непрерывной прокатки получают листовое стекло – оконное, узорчатое, армированное

79

Рис.  4.5.  Схема процесса прессования 1 – капля стекла;  2 – пресс-форма;  3 – ограничительное кольцо; 4 – керн;  5 – изделие;  6 – поддон

металлической сеткой. Если края листа загибают в форме швеллера или коробки, то получают профильное стекло (стеклопрофилит).

Выдувание. Порцию стекла раздувают воздухом под давлением. Воздух подают при помощи трубки или дутьевой головки. Выдувание производят в форме, где изделие охлаждается. Чаще используются разборные формы. Способом выдувания получают художественное стекло.

Прессование. Стекломассу распределяют в форме с помощью керна (рис. 4.5), прессованием получают крупные изделия – стеклоблоки, светильники.

Центробежное формование. Стекломассу помещают в форму, которая вращается с частотой 800-1200 об/мин. Под действием центробежной силы стекломасса распределяется по стенке формы. Такой способ применяют при производстве изделий, имеющих форму тела вращения – труб, цилиндров и др. Способ формования – периодический.

Термическая обработка стекла

Отжиг. Вследствие сравнительно невысокой теплопроводности стекла температура на поверхности и в центральной части изделия изменяется с разной скоростью. Из-за неравномерного охлаждения в стекле возникают напряжения, которые остаются после окончания процессов охлаждения (остаточные напряжения). Чем выше скорость охлаждения и толщина стенки изделия, тем выше уровень остаточных напряжений, которые могут быть причиной разрушения изделий. При медленном охлаждении происходит релаксация напряжений, что позволяет получить прочные и надежные в

80 Глава 4.  Строительное стекло

эксплуатации изделия. Процессы тепловой обработки, способствующие снижению остаточных напряжений до уровня, обеспечивающего длительную эксплуатацию изделий, называют отжигом. Отжиг осуществляется либо путем медленного снижения температуры, либо выдержкой при температуре, позволяющей осуществить быструю релаксацию напряжений (изотермическая выдержка), и считается качественным, если остаточные напряжения в стекле не превышают 5 % разрушающих напряжений. Отжиг производится в специальных печах – камерных, вагонеточных, циркуляционных.

Закалка. Закалкой называют процессы тепловой обработки стекла (нагревание и быстрое охлаждение), которые приводят к образованию равномерно распределенных напряжений сжатия в поверхностной части стекла и растяжения – во внутренней. Предел прочности при растяжении стекла в 15-20 раз ниже Rcж. Целью закалки является снижение максимальных напряжений растяжения в стекле путем повышения максимальных напряжений сжатия. Закалка повышает прочность (в том числе динамическую) и термостойкость стекла, предел прочности при сжатии повышается в 4-5 раз. Изделие равномерно нагревается до температуры закалки, которая зависит от химического состава стекла (для листового стекла – 600-650 °С), и затем быстро охлаждается.

4.4.  Стекло, применяющееся в строительстве

Листовое стекло

Листовое стекло по объему производства занимает первое место (более 50 % продукции). Оно служит для остекления оконных и дверных проемов, витрин, фонарей верхнего света.

Оконное стекло – бесцветное прозрачное, толщина листа 2; 2,5; 3; 4; 5 и 6 мм. Коэффициент светопропускания 84-87 % в зависимости от толщины листа. Поставляется в виде крупных листов шириной 400×1600 мм, длиной 400×2200 мм.

Витринное стекло – полированное и неполированное толщиной 6,5- 8,0 мм, применяется для остекления витрин и больших световых проемов в торговых и общественных зданиях. Полированное закаленное стекло применяют для остекления автомобилей, железнодорожных вагонов, самолетов и других транспортных средств, а также в строительстве.

Мебельное стекло – прозрачное, листовое, неполированное или полированное, а также цветное и узорчатое толщиной 3-9 мм.

Зеркальное стекло – прозрачное полированное или полученное фло- ат-способом толщиной 4-7,6 мм, применяется для изготовления зеркал.

Безопасные листовые стекла – при разрушении не образуют острых осколков. К ним относятся армированное, закаленное и многослойное стекло.