Материал: Лекция 6
«Пою перед тобой в восторге похвалу ‒ не камням дорогим, не злату, но стеклу…» (М.В. Ломоносов)
Лекция №6
СТРОИТЕЛЬНОЕ СТЕКЛО ИЗ МИНЕРАЛЬНЫХ РАСПЛАВОВ
1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
2.СЫРЬЕ И ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА СИЛИКАТНОГО СТЕКЛА
3.КАЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОСНОВНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СТЕКЛА
5.РАЗНОВИДНОСТИ ЛИСТОВОГО СТЕКЛА
6.СВЕТОПРОЗРАЧНЫЕ ИЗДЕЛИЯ И КОНСТРУКЦИИ
6.СТЕКЛО В АРХИТЕКТУРНО-ХУДОЖЕСТВЕННОМ ОФОРМЛЕНИИ
7.СТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ
1. Общие сведения
Стекло – это аморфное вещество, получаемое путём переохлаждения расплава независимо от его химического состава и температурной области затвердевания и обладающее в результате постепенного увеличения вязкости механическими свойствами твёрдого тела. Причём процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное должен быть обратимым. Процесс превращения стеклообразующего расплава в твёрдое состояние происходит постепенно, путём нарастания вязкости в широком интервале температур, минуя кристаллическую фазу (СТБ 2054 и ГОСТ 32539). Образование в стекле кристаллов является пороком и приводит к потере прочности, прозрачности и рассеянию света.
Стекло, как строительный материал имеет многовековую историю. Оно было и продолжает оставаться самым востребованным строительным материалом. +
1
П р и м е ч а н и е – 1. Стекло известно человечеству с доисторических времен:
как природный материал:
вулканического происхождения – обсидиан, получившего название по имени воина Обсидиана, который привез такой камень из Эфиопии в Рим,
и метеоритного происхождения – тектиты (от греч. расплавленный);
либо как искусственное стекло – силикатное, боратное, боросиликатное и др.
Искусственное стекло было изобретено за несколько тысяч лет до н. э. Считается, что стеклоделие, как самостоятельное ремесло, сложилось уже в середине II тыс. до н. э., в эпоху поздней бронзы.
2. Стекло иногда называют еще «переохлажденной жидкостью», не успевшей при остывании перейти в кристаллическое состояние. Однако не следует отождествлять понятия «переохлажденная жидкость» с понятием «твердое тело». Стекло – это, безусловно, твердое тело, но аморфного строения. Стеклообразное состояние вещества – это состояние вещества с аморфным строением, обладающее способностью в результате постепенного увеличения вязкости приобретать механические свойства твердого тела. Переход из твердого стеклообразного состояния в расплав и наоборот характеризуется температурным интервалом. Обратимость этого перехода и является отличительной особенностью стеклообразного состояния от других аморфных тел.
В строительстве используются как органические стекла «плексиглас» (полиметилметакрилат, полистирол, поликарбонат), так и неорганические – из минеральных расплавов. Но минеральные расплавы в зависимости от скорости охлаждения и ряда других условий могут затвердевать как в аморфном (стеклообразном), так и кристаллическом состоянии. Разница лишь в том, что если одни расплавы (силикатные) для получения стекла можно охлаждать часами, то для получения, например, металлических стёкол скорость охлаждения должна быть порядка ста градусов в секунду (106 град/сек.). При таких гигантских скоростях охлаждения атомы не успевают выстроиться в строгом порядке, как это происходит в кристаллах, и расплав затвердевает, не кристаллизуясь. В результате формируются твёрдые аморфные стеклообразные вещества с внутренней структурой аналогичной жидкости, и стеклообразное состояние является лишь частным случаем аморфного.
Следовательно, для каждого аморфного стеклообразного вещества есть два состояния:
при более высоких температурах они ведут себя как жидкости (пластичны);
при температурах ниже, так называемой, температуры стеклования (tg) (для силикатных стёкол tg составляет 400…600°С) – как твёрдые и хрупкие тела. Ниже температуры стеклования стекло становится хрупким.
Все стекла имеют искусственную аморфную стеклообразную структуру, но
вместе с тем при определённых условиях охлаждения могут иметь и кристаллическую или смешанную (аморфно-кристаллическую) структуру. Характерным признаком стеклообразного состояния вещества является также отсутствие чётко выраженной точки плавления. Их переход в расплавленное состояние происходит в интервале температур, т. е. при нагревании они размягчаются и постепенно переходят в жидкое состояние, при охлаждении – наоборот. Кроме того, стекло не является веществом с
2
определённым химическим составом и не может быть выражено химической формулой. Чаще всего его состав условно выражают суммой оксидов, входящих в шихту.
В отличие от кристаллических веществ, стёкла изотропны, прозрачны и чрезвычайно хрупкие. Прочность стекла при ударном изгибе составляет всего 0,2 МПа, а на сжатие, например, у оконного стекла − около 1000 МПа. Тем не менее, свойства стёкол можно изменять термической, химической и механической обработкой.
П р и м е ч а н и е – Стекло всегда ценили за два прекрасных качества: прозрачность и низкую теплопроводность. Чего стеклу не хватало, так это – прочности. Выражение – «хрупкое, как стекло» издавна вошло в поговорку – и не без основания.
И, тем не менее, возможности для повышения прочности стекла – есть. Считается, например, что истинная (теоретическая) прочность стекла ≈ в 200 раз больше, чем реальная (фактическая). Например, фактическая прочность обычного оконного стекла при растяжении и изгибе составляет лишь 30…90 МПа, а теоретическая может достигать 8…10 тыс. МПа.
Дело в том, что хрупкость стекла не является результатом его молекулярной структуры, а вызывается наличием поверхностных микротрещин, т. е. технологией изготовления. Другими словами – причиной низкой фактической прочности стекла служат микродефекты поверхности, внутренние напряжения, возникающие при охлаждении, и другие причины, которые могут быть устранены с развитием науки и технологий. Уже в настоящее время в лабораторных условиях получают тянутые стеклянные волокна прочностью более 7 тыс. МПа, а также пуленепробиваемые и другие стекла.
Способность веществ к стеклообразованию зависит также от их химического состава. Веществами (оксидами), расплавы которых при охлаждении способны переходить в стеклообразное состояние, являются кремнезём (SiO2), фосфорный ангидрид (P2O5), борный ангидрид (B2O3) и др. Называют их стеклообразующими, а стекла, образованные ими, – соответственно силикатное, фосфатное, боросиликатное (СТБ ЕН 1748-1), алюмосиликатное и др. Однако наиболее ярко эта способность выражена у кремнезёма (SiО2) и соединений на его основе – силикатов. Поэтому в промышленных масштабах наибольшее применение находит силикатное стекло (натрий- кальций-силикатное), основными компонентами которого являются диоксид кремния
иоксиды натрия и кальция.
Пр и м е ч а н и е – 1. Стекло разлагается в недрах земли через миллион лет.
2.При разрушении стекла трещина движется со скоростью около 5 тыс. км/час.
3.Самое толстое силикатное стекло, изготовленное человеком, имеет толщину 26 см (экран аквариума в г. Сиднее размером 7х4 м)
4.Стекло – одно из немногих материалов, которое может быть переработано, не теряя качества, на 100%.
5.Разрабатываются новые технологии получения стекла. Например, ученые создали сверхпрочное стекло, которое по прочности не уступает стали. В составе такого стекла до 50% оксида алюминия и другие компоненты.
2. Сырье и основы производства силикатного стекла
Сырьём для производства силикатного стекла (СТБ 2416) служат кремнезём
SiO2 (69…74%), оксиды кальция CaO (5…14%), натрия Na2O (10…16%), магния MgО
3
(0…6%), алюминия Al2O3 (0…3%) и в небольших количествах другие (вспомогательные) компоненты (0…5%). К ним относят осветлители (способствуют удалению из стекломассы газовых пузырьков), обесцвечиватели (устраняют сине-зеленые или желто-зеленые оттенки), глушители (придают стеклу светорассеивающие свойства или делают его непрозрачным), красители (окрашивают стекло в тот или иной цвет) и др.
Кремнезёмистым компонентом в составе сырьевой смеси (шихты) является кварцевый песок с максимальным содержанием кремнезёма SiO2 и минимальным содержанием окрашивающих оксидов. Оксид натрия вводится в виде технической кальцинированной соды (Na2CO3) или сульфата натрия (природного Na2SO4). Сода, сульфат натрия понижают температуру варки стекла и ускоряют процесс стеклообразования.
При варке смеси чистого песка и соды (SiO2 + Na2CO3) образуется полупрозрачная стеклообразная (сиропообразная) масса Na2SiO3, называемая натриевым жидким стеклом (силикат-глыба), способная растворяться в воде под действием давления пара 3…5 атм. Используя вместо соды карбонат калия (поташ) К2СО3, получают калиевое жидкое стекло. Называются такие продукты – растворимое стекло, жидкое стекло или силикатный клей и относят их к группе воздушных вяжущих веществ. Благодаря введению в шихту CaO (стабилизатор) в виде известняка CaCO3 или доломита CaCO3·MgCO3, стекло становится нерастворимым в воде. Следовательно, трёхкомпонентная шихта – песок, сода и известняк являются базовой смесью для производства обычного силикатного стекла.
П р и м е ч а н и е – Силикатное стекло – неорганическое стекло, основным компонентом которого является оксид кремния. Натрий-кальций-силикатное стекло – силикатное стекло, характеризующими компонентами которого являются оксиды натрия и кальция (ГОСТ 32539).
С целью улучшения технических характеристик стекла в его состав вводят другие компоненты. Например, для повышения скорости стекловарения и термостойкости стекла вводят оксид бора, прочности и химической стойкости – оксиды алюминия, для получения окрашенных или цветных стёкол – перекись марганца, оксид хрома и др. При введении оксидов свинца образуются стекла с высоким показателем преломления света – хрусталь. Сырьём для производства других стеклообразных минеральных расплавов (каменных, шлаковых) служат, соответственно, базальты, диабазы, базальто-доломиты, доменные металлургические и другие шлаки.
Современное стекольное производство состоит из следующих основных операций: подготовка сырья; приготовление шихты; стекловарение; формование изделий (выработка) и их отжиг. Для получения стекла указанные вещества очищают от примесей, размалывают, дозируют по массе, и готовят в смесителе шихту. Затем шихту расплавляют при температуре 1400…1500°С в ванных печах непрерывного или периодического действия. Расплавление шихты называется варкой стекла. Процесс варки
4
стекла делится на три стадии: провар шихты, осветление и студка (осторожное охлаждение или тепловая обработка). Варку стекла ведут по особому для каждого вида стекла режиму. После расплавления масса выдерживается при той же температуре до полного отделения всех примесей. Примеси, как правило, собираются на поверхности стекломассы в виде пены. В это время происходит также и обесцвечивание стекломассы путём введения специальных добавок, а также удаление пузырьков воздуха и газа. Переработка стекломассы в изделия осуществляется при температуре 1000…1100°С и называется выработкой.
По структуре материалы и изделия из стекла могут быть плотного, пористого, ячеистого, волокнистого, зернистого и других строений. По назначению стекло подразделяется на техническое, строительное и бытовое. Строительное стекло – на конструкционное, отделочное, теплоизоляционное, звукоизоляционное и др.
Наиболее массовым видом продукции строительного стекла является листовое стекло. Листовое прозрачное натрий-кальций-силикатное стекло (далее – силикатное) является основным видом продукции стекольных заводов и представляет собой плоские листы, у которых длина и ширина значительно превосходят толщину (ГОСТ 111 и ГОСТ Р 54170). Выработка листового стекла (далее – стекла) осуществляется вертикальным вытягиванием ленты (тянутое стекло), флоат-способом (флоат-стекло) и горизонтальным прокатом (рис. 6.1).
Рис. 6.1. Схема формование листового стекла: а, б соответственно лодочный и безлодочный способы вертикального вытягивания ленты стекла; в горизонтальный прокат; г флоат-процесс;
1 ограждающий мост; 2 холодильник; 3 шамотная лодочка; 4 стекломасса; 5 камера формования; 6 лента стекла; 7 вытягивающие валки; 8 шамотные экраны; 9 шамотное погружаемое тело; 10 печь для отжига; 11 валки роликового конвейера; 12 охлаждаемая плита; 13 охлаждаемые прокатывающие валки; 14 приемный лоток; 15 нагреватели; 16 расплав олова
5