Лекции / Лекция 6

кристаллических минералов. Удельная теплоёмкость большинства стёкол находится в пределах 300…800 Дж/(кг∙К), коэффициент линейного расширения – (5…9)10-6 К-1,

термостойкость (устойчивость к перепадам и резкой смене температур) – 40 К,

температура размягчения – 550…700°С.

Плотность строительного стекла находится в пределах 2500…2600 кг/м3. В то же время плотность кварцевого стекла составляет 2200 кг/м3, а самые тяжёлые стекла (содержащие оксиды свинца, висмута, тантала) достигают плотности 7500 кг/м3. Плотность теплоизоляционных стеклоизделий находится в пределах 15…500 кг/м3.

Прочностные свойства стекла, как конструкционного материала, характеризуются стандартными параметрами – прочностью (на сжатие, растяжение и изгиб), модулем упругости, твёрдостью и др. Листовое стекло имеет различную прочность на сжатие, растяжение и изгиб – сравнительно высокую на сжатие (700…1000 МПа), в 15…20 раз меньше на растяжение (30…85 МПа) и всего 15…20 МПа – на изгиб. Зависит прочность стекла в основном от однородности (наличия пороков), химического состава и прочности связей в стекле.

П р и м е ч а н и е ‒ Известный французский ученый Э. Фрейсине о прочностных характеристиках стекла и металла утверждал: «Основной возможный соперник металла – стекло. Оно не ржавеет, а хрупкость стекла не является результатом его молекулярной структуры. Она вызывается наличием поверхностных трещин».

Стекло практически не имеет пластических свойств, плохо сопротивляется действию изгибающих и ударных нагрузок. Модуль упругости (мера сопротивления стекла растяжению/сжатию при упругой деформации) в зависимости от химического состава составляет (48…83)∙103 МПа, коэффициент Пуассона (величина, характеризующая соотношение поперечной и продольной деформаций стекла при его растяжении/сжатии) – 0,11…0,3. Характеристикой твёрдости стекла может быть микротвёрдость, которая оценивается по вдавливанию алмазной пирамидки и составляет от 400 до 1200 МПа либо по шкале Кнупа (6 ГПа) и шкале Мооса ‒ в пределах 5…7.

По признаку потери целостности огнестойкость обычного оконного стекла составляет 3…5 мин (армированного ‒ 30 мин.).

П р и м е ч а н и е ‒ Спектрофотометрические свойства стекол (СТБ EN 410 и 12898) оцениваются количественно по показателям в диапазонах:

ультрафиолетового излучения (от 280 до 380 нм) – коэффициентом пропускания ультрафиолетового излучения;

видимого излучения (от 380 до 780 нм) – коэффициентами пропускания и отражения света, номинальным цветом при пропускании и отражении света и индексом цветопередачи;

солнечного излучения (от 300 до 2500 нм) – коэффициентами пропускания солнечного излучения, солнечной энергии (солнечный фактор) и затенения;

теплового излучения (от 5 до 50 мкм) – коэффициентами излучательной способности и теплопередачи.

11

5. Разновидности листового стекла

Общие сведения и классификация. Основным видом продукции стекольных предприятий строительного назначения является листовое стекло. Листовое бесцветное стекло выпускается толщиной от 1 до 25 мм и предназначается для остекления светопрозрачных конструкций и изготовления изделий строительного, технического и бытового назначения, в том числе закаленных и многослойных стекол, с покрытиями, зеркал, стеклопакетов, изделий для мебели, интерьеров и средств транспорта (ГОСТ Р 54170). Стекло строительного назначения применяется, как правило, в ограждающих конструкциях и выполняет определённые эксплуатационные функции: освещение помещений естественным светом, теплоизоляция помещений зимой и защита от перегрева летом, звукоизоляция, обеспечение безопасности (в т. ч. защита от вандализма), эстетические функции и др. Поэтому самым массовым видом продукции строительного стекла является оконное. В классическом понимании это листовой прозрачный материал толщиной от 2 до 6 мм и размерами от 1200…2160 мм до 1450…2880 мм. Оно может быть неполированным и полированным. Светопропускаемость оконного прозрачного стекла составляет, как правило, от 84 до 90%. Оно должно быть бесцветным либо с голубоватым или зеленоватым оттенком.

Более крупногабаритным листовым изделием является витринное стекло. Оно имеет большую прочность, толщину 8; 10 и 12 мм и размеры достигают 3,3х4,5 м. Используется в основном для оформления витрин, остекления больших световых проемов, устройства перегородок, изготовления зеркал, стеклопакетов и витражей.

Однако требования к ограждающим конструкциям, в т. ч. и светопрозрачным, по прочности, декоративности, безопасности, уровню различных видов защиты, спектральному диапазону пропускаемого излучения, тепловым и специальным характеристикам в последние годы значительно возросли. Вызвано это многими причинами. Известно, например, что существенным недостатком обычного листового стекла (так называемого «сырого стекла») является его хрупкость при ударных, термических, ветровых и других видах нагрузок. В результате при разрушении острые грани осколков стекла создают физическую угрозу безопасности людей. В целях предотвращения такой угрозы и других внешних агрессивных воздействий освоен выпуск т. н. безопасных или защитных стёкол, в определении которых трудно установить конкретные границы.

П р и м е ч а н и е ‒ 1. В любой момент оконное стекло верхних этажей здания, может превратиться в небольшую гильотину, причем без непосредственного участия человеческого фактора. Безопасные же стекла либо не образуют опасных осколков, либо удерживают их в конструкции окна. Т. е. безопасные изделия или стекла – те, которые при разрушении не представляют опасности для жизни и здоровья людей.

2. В странах ЕС существуют законодательные акты, предписывающие использовать в бытовом обращении, мебели, фасадном остеклении безопасное стекло, и это совершенно оправдано.

12

Безопасным принято считать стекло, которое имеет достаточную механическую прочность, выдерживает без разрушения удары мягким телом установленной массы и при разрушении не образует крупных осколков, представляющих угрозу для жизни и здоровья людей, либо осколки должны удерживаться, например, металлической сеткой, полимерной пленкой и т. п. (рис. 6.4).

Рис. 6.4. Разновидности безопасных стекол

Армированное стекло – это листовое стекло, внутри которого параллельно плоскости поверхности расположена металлическая проволока в виде сетки, т. н. «скелет-сетка» (СТБ 2420, ГОСТ 7481). Изготовляют по способу непрерывного горизонтального проката с одновременным закатыванием внутрь листа сварной или плетёной сетки из стальной проволоки диаметром 0,35…0,42 мм с защитным (чаще алюминиевым) покрытием. Сетка имеет квадратные, шестиугольные и других видов ячейки размером 12,5; 25 мм и др. и должна быть расположена по всей площади листа на расстоянии не менее 1,5 мм от поверхности стекла. Армирование стекла не увеличивает его механическую прочность, а в какой-то степени (≈ в 1,5 раза) даже снижает. От воров и вандалов оно тоже не спасает. Но зато при разрушении от механических и тепловых воздействий металлическая сетка удерживает осколки стекла на себе, не позволяя им разлетаться и выпадать из переплётов. Поэтому такое стекло относится к безопасным и огнестойким видам изделий (рис. 6.5).

Толщина армированного стекла составляет, как правило, 6…10 мм, коэффициент направленного пропускания света (бесцветного) – 0,77…0,81. В зависимости от

13

состояния поверхности и других показателей оно может быть полированное, узорчатое, бесцветное, окрашенное в массе, декоративное, волнистое и других видов.

Нарезают армированное стекло обычным способом, затем отделяют нарезанные листы друг от друга (проволока тонкая и не препятствует отделению), а выступающие по краям кончики проволоки откусывают плоскогубцами. Применяют армированное стекло как ударопрочное и огнестойкое для остекления светопрозрачных конструкций и изготовления изделий строительного, технического и бытового назначения, многослойных стёкол, стёкол с покрытиями, стеклопакетов, изделий для мебели и интерьеров.

Рис. 6.5. Разновидности армированного стекла

Стекло термически закалённое строительное (сталинит) изготовляют из листов полированного, неполированного или узорчатого стекла на специальных закалочных установках (СТБ EN 12150, ГОСТ 30698, ГОСТ Р 54162). Для получения закалённого стекла исходные листы стекла предварительно нагревают выше температуры размягчения, т. е. до перехода в пластическое состояние (650…680°С), а затем резко, но равномерно (контролируемо) охлаждают в потоке воздуха или жидкости (минеральные масла, кремнийорганические жидкости). При таком охлаждении сначала затвердевают наружные слои стекла и в них при последующем остывании внут-

14

ренних слоёв возникают остаточные напряжения сжатия. Внутренние же слои после остывания испытывают напряжения растяжения. В результате в стекле образуется система напряжений, обеспечивающая ему высокую механическую и термическую прочность (рис. 6.6…6.8). Прочность закалённого стекла при изгибе достигает 250 МПа (что в 5…7 раз выше, чем у обычного стекла), а температурный диапазон эксплуатации – от -150 до +300°С.

Рис. 6.6. Условное и стандартные испытания закаленного стекла на прочность

П р и м е ч а н и е ‒ По ГОСТ 30698 прочность на сжатие закаленного стекла составляет 700…900 МПа, прочность на изгиб: узорчатого – не менее 90 МПа, окрашенного в массе или с покрытием – 120 МПа.

15

Рис. 6.7. Разрушение обычного и закаленного стекла

Изменяется также и характер разрушения такого стекла – оно распадается на многочисленные мелкие осколки (размером 1…10 мм) с притупленными краями, не имеющими острых режущих граней. Вид и формат разрушения регламентирован стандартом. При разрушении в квадрате 50х50 мм в зависимости от вида и толщины стекла минимальное количество осколков должно составлять от 15 до 40, каждый из которых не должен быть крупнее 3 см2, а максимальная длина самого крупного осколка не должна превышать 100 мм.

Рис. 6.8. Термостойкость обычного (а) и закаленного (б) стекла

К недостаткам закалённого стекла следует отнести недопустимость длительного абразивного воздействия на поверхностные слои, процессов выщелачивания и коррозии, поскольку может нарушиться баланс напряжений, что и приведёт к его разрушению. Кроме того, оно легко разрушается от незначительного удара по торцу – в торце его прочность в 2…3 раза ниже той, что приходится на плоские поверхности листа. Резать или сверлить такое стекло тоже нельзя. Поставляется закаленное стекло потребителю только готовым к употреблению. Все виды механической обработки (нарезка, сверление) должны производиться до его закалки.

Выпускается закалённое стекло размерами от 500 до 3500 мм и толщиной от 3 до 25 мм. Номинальная длина и ширина, а также форма закалённого стекла устанавливается, как правило, заказом (договором) на изготовление. Светопропускание прозрачного закалённого стекла составляет не менее 84%. В зависимости от степени защиты выпускается 4-х классов: СМ1…СМ4. Чем выше класс защиты, тем прочнее стекло. Закаленное стекло маркируется штампом с английским словом «Tempered», что означает «закаленное стекло» или буквой «Т».

Закалённое стекло предназначается для безопасного остекления светопрозрачных строительных конструкций – оконных и дверных блоков; витрин; элементов ограждения лоджий, балконов, зенитных фонарей; изготовления мебели и предметов интерьера; структурного остекления фасадов и как составляющий элемент в многослойных системах. Безопасность такого стекла слагается из двух компонентов: без-

16

опасной эксплуатации и пассивной безопасности от проникновения. Разрушить закалённое стекло невооружённому человеку практически невозможно.

Производители гарантируют соответствие закаленного стекла требованиям стандарта при соблюдении условий эксплуатации, как правило, не мене 5 лет. Однако следует помнить, что в случае взрыва, даже такие осколки, направленные мощной взрывной волной, представляют собой серьезную опасность. Кроме того, имеют место случаи самопроизвольного разрушения изделий из закаленного стела по ряду причин, в том числе и по причине термошока (рис. 6.9).

Рис. 6.9. Самопроизвольное разрушение закаленного стекла

П р и м е ч а н и е ‒ Помимо термически закаленного стекла (СТБ ЕН 12150) различают стекло, выдержанное в горячих условиях термически закаленное (СТБ ЕН 14179), термоупрочненное (СТБ ЕН 1863) и химически упрочненное стекло (СТБ ЕН 12337). Термоупрочненное и химически упрочненное стекла разрушаются аналогично обычному отожженному стеклу. При разрушении получаются осколки с острыми краями, которые могут стать причиной порезов (СТБ ЕН 12600).

Стекло с полимерными пленками (ГОСТ 32563 и EN 15755) – это стекло, на которое наклеена специальная особо прочная пленка. Такая пленка, как правило, имеет многослойную конструкцию. Количество слоев, химический состав и физические характеристики ее зависят от назначения и достигаемого эффекта. Она может состоять из следующих слоев: антифрикционного (предохраняющего пленку от механических повреждений – царапин), прозрачного или окрашенного полиэстера, ламинирующего (клеевого), металлизированных, адгезива и др.

17

Пленка обладает достаточно высокой прочностью и создает на поверхности стекла небольшое напряжение сжатия. В результате стекло получается менее хрупкое, чем обычное. Качественными характеристиками такого стекла являются пороки внешнего вида (видимые невооруженным глазом недостатки, ухудшающие внешний вид и/или ограничивающие возможность использования стекла по назначению), оптические искажения, спектральные характеристики, коэффициент эмиссии, морозостойкость, долговечность и др. В условиях эксплуатации стекло с полимерной пленкой должно обладать одной или несколькими защитными функциями: безопасностью при эксплуатации (СМ1…СМ4); ударостойкостью (Р1А…Р5А); энергосбережением; солнцезащитой; защитой от ультрафиолетового и электромагнитного излучения; декоративностью (рис. 6.10) и др.

Рис. 6.10. Стеклянные изделия с полимерной декоративной пленкой

В зависимости от назначения оно подразделяется на классы защиты, которые указывают на способность стекла противостоять различным внешним воздействиям:

А1 – удерживает брошенный камень, не оставляя сквозного отверстия;

А2 – выдерживает удары тяжелыми металлическими предметами и максимально противостоит пробиванию отверстия для проникновения человека;

А3 – задерживает пулю травматического пистолета.

Стекло с наклеенной на него полимерной пленкой предназначается для безопасного остекления светопрозрачных строительных конструкций с повышенными эксплуатационными характеристиками (стеклопакетов, структурного остекления, элементов наклонного и горизонтального остекления, оконных и дверных блоков,

18

витрин, полов) и для других целей в соответствии со своими техническими характеристиками в жилых, административных и общественных зданиях.

Многослойное стекло (ламинированное от лат. lamina – пластинка) состоит из одного или нескольких листов неорганического стекла и плёночных или жидких (ламинирующая жидкость) полимерных и силикатных материалов, склеивающих и (или) покрывающих стекла (СТБ ISO 12543, СТБ ЕН 14449, ГОСТ Р 54171, ГОСТ Р 51136, ГОСТ 30826). В качестве базовых стёкол используются листовое бесцветное, узорчатое, армированное, полированное, окрашенное в массе, упрочнённое, закалённое, солнцезащитное, энергосберегающее, теплосберегающее, матированное, со специальными покрытиями и другие виды. Толщина органических плёнок, как правило, составляет от 0,38 до 0,76 мм и более. При этом плёнка может выполнять несколько функций: выполнять роль клея, защищать от появления осколков, шума, огня, ультрафиолета, придавать цвет и др. Варьируя стекла и плёнки, можно получать композиции, сочетающие в себе свойства безопасности и теплоизоляции, звукоизоляции, пожаробезопасности и др.

Кроме того, многослойные стекла могут включать в себя один или несколько промежуточных слоев, склеивающих или отделяющих друг от друга листы базового стекла и состоящих из неклейкой пленки или пластины, проволоки, сетки и т.п. Толщина ламинированных стёкол зависит от их количества, толщины стекла и ламинирующей пленки и наличия промежуточных слоев.

Процесс получения такого стекла довольно сложный, выполняется в несколько стадий и заканчивается, как правило, обработкой в автоклаве под воздействием тепла и давления, где происходит полимеризация плёнки или жидкости. Наиболее распространённой разновидностью ламинированного стекла является триплекс. Он представляет собой конструкцию из двух стёкол и промежуточного ламинирующего слоя (поливинилбутиральной плёнки). В отдельных случаях возможно наклеивание плёнки на стекло с одной стороны – так называемая «односторонняя ламинация».

П р и м е ч а н и е ‒ 1. Ламинирование – процесс, при котором для изготовления многослойного стекла промежуточный слой из твердой пленки между листами базового стекла или слой жидкости подвергают нагреванию и/или действию давления, ультрафиолетового излучения. Давление при этом может быть выше или ниже атмосферного. Существуют и другие способы ламинирования.

2. Триплекс – это русифицированное название торговой марки «Triplex».

Ламинирование тоже не меняет свойства листового стекла (не увеличивает прочность), но делает такое изделие более прочным при ударе и безопасным, а также хорошо защищает от ультрафиолетового излучения. Поэтому основным достоинством многослойного стекла является безопасность при разрушении. Разрушение каждого из листовых стёкол происходит также как и одинарных, но осколки при разрушении не разлетаются во все стороны, а удерживаются на полимерной плёнке.

19

В зависимости от назначения и других параметров ламинированные стёкла подразделяют на многослойные (не обладающее стойкостью к удару) и многослойные защитные: безопасное; стойкое к механическим воздействиям (ударостойкое, к пробиванию или прорубанию), стойкое к воздействиям стрелкового оружия (пулестойкое, пуленепробиваемое), взрывобезопасное; морозостойкое; жаропрочное; огнестойкое; шумозащитное; симметричное и ассиметричное; плоское и изогнутое; со специальными свойствами (с защитой от радиопомех, с биологической или информационной защитой, повышенной несущей способностью) и др.

Многослойные стекла выпускаются как в виде больших листов, из которых затем нарезаются стекла нужных размеров, так и в виде готовых изделий требуемого формата (гнутое, профильное и др.). Условное обозначение при поставках должно состоять из обозначения его вида, класса защиты, длины, ширины, толщины и обозначения стандарта. Применяют такое стекло для безопасного остекления светопрозрачных строительных конструкций с повышенными эксплуатационными характеристиками (стеклопакетов, элементов фасадного и структурного, наклонного и горизонтального остекления, оконных и дверных блоков, витрин, полов и т. п.) в административных, общественных и жилых зданиях, где есть необходимость в защите жизни людей и материальных ценностей.

П р и м е ч а н и е – В высотных зданиях (или выше 4-го этажа) в однокамерных стеклопакетах применяется, как правило, в качестве наружного стекла многослойное (триплекс), внутреннего – закаленное. Вместе они защищают людей, находящихся как внутри здания, так и прохожих снаружи. Кроме того, триплекс может состоять из 6 мм обычного стекла и 6 мм – низкоэмиссионного (задача которого – обеспечить тепловые характеристики стеклопакета) и вместе не допустить падение любых предметов из здания. Например, закаленное стекло толщиной 8 мм выдерживает удар тела спринтера массой 75 кг, налетевшего на стекло со скоростью 18 км/час.

Наряду с безопасными различают защитные стекла, обеспечивающие защиту людей и имущества от внешних воздействий (СТБ 51.2.06 и ГОСТ Р 51136). Причем на определенном уровне граница между определением безопасных и защитных стекол практически стирается.

К защитным стеклам, имеющим повышенную прочность или другие характеристики функционального назначения, как правило, относят: ударостойкое, взломостойкое, устойчивое к пробиванию или прорубанию, стойкое к воздействию стрелкового оружия (пулестойкое), взрывостойкое (взрывобезопасное), огнестойкое (пожаростойкое), морозостойкое, шумозащитное и др. Согласно Международной классификации в зависимости от источника опасности и уровня защиты они подразделяются на классы (классом защиты стекла является характеристика, показывающая его способность противостоять различным внешним воздействиям):

 класс А (защита от вандализма и разбиения) – рассчитаны на удар брошенного камня;

20