Глава 4. Строительные материалы и изделия из силикатных расплавов

4.1. Общие сведения

Стеклом называют все аморфные тела, получаемые в результате переохлаждения расплава независимо от их химического состава и температурной области затвердения и обладающие в результате постепенного увеличения вязкости свойствами твердых тел. Переход от жидкого состояния в стеклообразное должен быть обратимым.

Стекла подразделяют на природные и искусственные. Природные образовались в результате деятельности вулканов, например абсидиановое стекло. Искусственные созданы трудом человека.

В стеклообразном состоянии могут быть многие вещества. В строительстве применяют в основном силикатное стекло с преобладанием диоксида кремния (кремнезема) — SlO2 — и в меньших количествах Al2O3, Nа2О, СаО, МgО. Например, оконное стекло состоит из SiО2 (71–72%), Nа2О (15,2%), Al2O3 (1,5%), СаО (7,8%), МgО (4,0%).

4.2. Сырьевые материалы

Сырьевые материалы, применяемые для получения стекла, подразделяют на основные и вспомогательные.

К основным относят кварцевый песок, кальцинированную соду, сульфат натрия, доломит, известняк, мел.

Кремнезем — SiO2 — вводится чаще всего в виде кварцевого песка с минимальным содержанием оксидов железа, Fe2О3 окрашивает стекло в желтый цвет, FeO — в голубой. При наличии Fe2О3 и FeO стекло приобретает зеленоватый оттенок.

Оксид натрия — Nа2О — вводится в виде кальцинированной соды Nа2СО3 или сульфата натрия Nа2SО4. При нагревании Nа2СО3 разлагается на Nа2О и СО2, а Nа2SО4 — на Nа2О и SО3. В стекломассе остается Nа2О; СО2 и SO3 — улетучиваются. Оксид натрия ускоряет стеклообразование и понижает температуру варки стекла.

Оксид кальция — СаО — вводится в виде известняка или мела СаСО3. Оксид магния МgО вводится в виде магнезита МgСО3 или доломита МgСО3 хСаСО3 хСаО, и МgО повышают химическую стойкость стекла. Оксид алюминия Al2О3 вводится в виде технического глинозема, полевых шпатов или каолинов. Он повышает тугоплавкость и химическую стойкость стекла.

К вспомогательным материалам относят осветлители, глушители, красители.

Осветлители — хлорид натрия (NaСl), сульфат натрия (Na2SO4) — вводят, чтобы освободить стекломассу от видимых пузырей. Разлагаясь, они выделяют газообразные продукты, которые, улетучиваясь, захватывают другие газы.

Глушители — соединения фтора, фосфора — придают стеклу светорассеивающие свойства.

Красители окрашивают стекло: оксид марганца Мn2O3 — в фиолетовый цвет, оксид хрома Cr2O3 — взеленый; соединения никеля NiO, Ni2O3, Ni(OH)2 придают красно-фиолетовую окраску, хлорное золото AuCl3 — цвета от нежно-розового до темно-красного, соединения серебра АgNO3 и AgCI — золотисто-желтый.

4.3. Производство стекла

Производство стекла состоит из подготовки сырьевых материалов, приготовления шихты, варки стекломассы, изготовления стеклянных материалов и изделий.

Подготовка сырьевых материалов включает их сушку и измельчение. Приготовление шихты заключается в дозировании и смешивании компонентов. Варка стекломассы производится в основном в стекловаренных печах непрерывного действия и включает несколько стадий: силикатообразование, стеклообразование, осветление, гомогенизацию и охлаждение.

Силикатообразование для оконного стекла протекает при температуре 800–900 ^oС. При этом образуются сложные силикатные соединения. Кремнезем изменяет свое кристаллическое строение. Завершается стеклообразование при температуре 1100–1200 ^oС. В расплаве заканчиваются все химические реакции и образуются сложные силикаты. Зерна кварца растворяются и переходят в расплав. Все превращения сопровождаются выделением большого количества газов.

Наиболее ответственной является стадия осветления. Она протекает при температуре 1400–1500 ^oС. Стекломасса освобождается от видимых газовых включений. Часть газов остается, растворяясь в стекломассе. Этот процесс ускоряется при введении осветлителей.

Гомогенизация (усреднение) протекает совместно с осветлением в результате интенсивного движения всех составляющих стекломассы.

Стекловарение завершается охлаждением стекломассы до температуры, позволяющей формовать из нее изделия. Для оконного стекла это 1100–1250 ^oС.

Формование стекла выполняется прессованием, выдуванием, прессовыдуванием, прокаткой, центробежным способом, на расплаве металла. Наиболее распространенное листовое стекло производится путем вертикального или горизонтального вытягивания ленты из вязкой расплавленной стекломассы. Метод вертикального вытягивания заключается в перемещении вверх с помощью валков ленты стекла, выдавленной через щель из погруженной в стекломассу шамотной лодочки.

Наиболее совершенным способом получения листового стекла является флоат-способ. Процесс формования происходит на поверхности расплавленного олова. Плоскость листа, соприкасающаяся с поверхностью металла, настолько гладкая, что не требует полировки.