Лекции / Лекция 6
.pdfкласс B (защита от проникновения) – выдерживают определённое число ударов молотком и топором с определённой силой (350 Дж) и скоростью (12,5 м/с);
класс S – пуленепробиваемые стекла. Защита предусматривается от двух видов оружия – автоматы и винтовки (класс BR) и охотничьи ружья (класс SG).
Пр и м е ч а н и е – Стандарт СТБ 51.2.06 определяет защитные стекла (антивандальные) как высокопрочные (противоударные, противовзломные и пуленепробиваемые) и предназначенные для остекления зданий учреждений банков, обменных пунктов валюты, а также объектов технического и бытового назначения, требующих повышенных прочностных характеристик, и других зданий.
В зависимости от стойкости к внешним воздействиям (к одиночному удару, прорубанию отверстия, воздействию стрелкового оружия и др.) такие стекла подразделяются на классы стойкости:
к взлому (Б1, Б2 и Б3) – показатель, характеризующий способность стекла противодействовать взлому с применением ударно-режущего инструмента. Противовзломное стекло (способное выдерживать многократные механические удары без образования сквозного отверстия, через которое может проникнуть человек) имеет, как правило, многослойную структуру (многослойное стекло) на основе стекла и полимера и временно препятствует умышленному прорубанию в нем отверстия, через которое может проникнуть человек. Например, стекло класса Б1 выдерживает от 30 до 50 ударов топора (колуна), Б2 – от 51 до 70 и Б3 – более 70 ударов;
к воздействию стрелкового оружия (1; 2; 2а; 3; 4; 5; 5а; 6 и 6а) – показатель стойкости стекла к воздействию пули заданного типа, выпущенной из определенного вида оружия с установленного расстояния. Пуленепробиваемое стекло может быть однослойным и многослойным и задерживающим пулю, выпущенную из огнестрельного стрелкового оружия, без пробоины, а также обеспечивать защиту от фрагментов
иосколков стекла. Например, стекло класса «1» противостоит выстрелу из пистолета Макарова (ПМ) с расстояния 5-ти метров, а класса «6а» – снайперской винтовке СВД с расстояния 5…10 м;
к стойкости к удару: мягким телом (СМ1…СМ4) и твердым предметом (А0; А1; А2 и А3) – показатель, характеризующий способность стекла противостоять воздействию предмета, брошенного с определенной высоты. Например, стекло класса А3 выдерживает удар стального шара массой 4 кг с высоты падения 9,5 м, класса СМ4 – мешка массой 45 кг с высоты падения 2 м;
к взрывостойкости (в зависимости от параметров ударной волны от ER1 до ER4 по ГОСТ EN 13541, J1…J7 и G1…G7 по ГОСТ Р 51136). К взрывобезопасным относят защитные стекла устойчивые к воздействию воздушной ударной волны (ВУВ) с нормируемыми параметрами без образования при этом вторичных поражающих осколков стекла, способных пробить контрольный экран-свидетель.
Получают защитные (антивандальные) стекла на основе многослойных, зака-
ленных и других типов стекол. Например, прочность на удар для отдельных видов многослойных стёкол в 12 раз превышает прочность одинарного стекла (рис. 6.11). При этом прочностные характеристики многослойных стёкол (как и масса 1 м2) напрямую зависят от толщины и количества стёкол и слоёв полимеров между ними.
21
Рис. 6.11. Испытание на удар и характер разрушения многослойного защитного стекла
П р и м е ч а н и е – 1. Из рекламы пуленепробиваемых стекол «За стеклом 3 млн. $. Сломавший стекло может их забрать».
Огнестойким считается стекло, способное в течение определенного периода времени выдерживать воздействие тепловых и механических нагрузок, возникающих во время пожара, и препятствующее распространению огня, продуктов сгорания и передачи теплового излучения. Характеризуется уровнями предела огнестойкости. Минимальный предел огнестойкости должен составлять 30 минут, далее следуют уровни предела огнестойкости 45, 65 минут и выше с шагом 30 минут.
Огнестойкость обычного листового стекла (в т. ч. оконного) по признаку потери целостности «Е» составляет 3…5 мин. Для повышения (обеспечения) огнестойкости светопрозрачных конструкций применяют армированные силикатные или боросиликатные стекла, устойчивые к длительному (до 30 мин) воздействию огня, но не препятствующие тепловому излучению. Применяются также композиционные многослойные стекла на основе пластичных клеевых композиций. Отличительной особенностью их является способность при воздействии высоких температур (150…3000°С) вспениваться с образованием теплозащитного коксового слоя.
Шумозащитное стекло (СТБ EN 12758 и СТБ ISO 12543), которое снижает воздушный шум потока городского транспорта. По структуре является многослойным
– в состав входят специальный звукопоглощающий полимерный слой или один (два) слоя бесцветной шумозащитной пленки PVB (поливинилбутираль), обеспечивающие повышенные звукоизолирующие свойства.
22
П р и м е ч а н и е – Прозрачное стекло хорошо пропускает видимую и инфракрасную часть спектра солнечного излучения. С увеличением толщины стекла незначительно изменяется прохождение света в видимой части солнечного излучения, но значительно увеличивается поглощение тепла стеклом.
Цветное стекло (тонированное) уменьшает суммарное проникновение солнечного тепла внутрь помещения, но при этом увеличиваются тепловые нагрузки на стекло, что может привести к деформациям стекла и росту микротрещин.
Применение покрытий на стекле позволяет снизить уровень поступающей внутрь помещения энергии без перегрева стекла.
Стекло с покрытием – базовое стекло, на которое нанесено покрытие с целью изменения одного или нескольких свойств (коэффициентов пропускания/отражения света или солнечного излучения, пропускания ультрафиолетового излучения, коэффициента эмиссии или показателей самоочистки поверхности и др.). Под покрытием понимается один или несколько тонких, сплошных слоев из неорганических материалов, нанесенных на поверхность базового стекла химическими, физическими и другими способами. Покрытие может наносится с одной или c обеих сторон стекла.
Химические способы представляют собой процессы, при которых покрытие на поверхности стекла образуется вследствие химических реакций из жидкости, пара или порошка.
Физические способы – процессы, при которых источник исходного материала покрытия в виде элемента, соединения или иона помещают в вакуум, и затем он конденсируется на поверхности стекла, образуя покрытие.
Стекла с покрытием количественно оцениваются следующими спектрофотометрическими показателями:
коэффициент пропускания ультрафиолетового излучения в диапазоне от 280 до 380 нм;
коэффициенты пропускания и отражения света, номинальный цвет при пропускании света и др. в диапазоне видимого излучения от 380 до 780 нм;
коэффициенты пропускания и отражения солнечного излучения, общего пропускания солнечной энергии (солнечный фактор) и др. в диапазоне солнечного излучения от 300 до 2500 нм;
коэффициенты излучательной способности и теплопередачи в диапазоне теплового излучения от 5 до 50 мкм.
Кроме того, такие стекла должны соответствовать требованиям на устойчивость
кконденсату, истиранию, аэрозольному туману нейтральной соли и кислотостойкости.
В зависимости от положения поверхности стекла с покрытием при остеклении, определяющей области применения, типа и степени воздействия окружающей среды в течение всего срока эксплуатации, стекла с покрытием относят к одному из следующих классов – A, B, C, D и S. У класса А, например, поверхность стекла с покрытием может быть расположена на наружной и внутренней стороне стеклопакета. Класс S – поверхность стекла с покрытием может быть расположена на наружной или внут-
ренней стороне остекления здания, но только для специальных областей применения,
23
например, в витринах магазинов. При этом, срок службы стекла с покрытием класса S всегда меньше по сравнению с классом А или В (СТБ EN 1096).
П р и м е ч а н и е – Прямая солнечная энергия (короткие волны или невидимая часть спектра), как и световые лучи, тоже частично поглощается, частично отражается стеклом (особенно темноокрашенным), а часть проходит внутрь помещения. Солнечный фактор слагается из энергии прямого прохождения и поглощенной стеклом энергии, которую оно передает внутрь. Косвенная солнечная энергия (длинные волны) передается тремя путями: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением. Считается, что 2/3 потери тепла из помещения происходят за счет теплового излучения и 1/3 – за счет теплопроводности и конвекции.
Солнцезащитные (теплозащитные) стекла (СТБ ЕН 1096, ГОСТ Р 54178 и 54169) предназначены для изготовления стеклопакетов и остекления светопрозрачных конструкций в жилых, общественных и производственных зданиях с целью защиты внутренних помещений от избыточного солнечного излучения. По механизму действия их подразделяют на три группы: преимущественно поглощающие или от-
ражающие излучение и комбинированные.
Стекла, поглощающие инфракрасную часть спектра, называют теплопоглощающими. Их выпускают окрашенными в массе оксидами металлов (железа, кобальта, никеля, хрома и др.) и с плёночными оксидно-металлическими покрытиями. Покрытие может быть нанесено с одной или обеих сторон. Цветовая гамма их достаточно разнообразна – голубые, зеленые, серые, янтарные, бронзовые и др.
Такие стекла поглощают солнечную радиацию преимущественно в инфракрасной области спектра и в зависимости от состава некоторую долю видимого света. Реально они поглощают 25…35% видимого света и 65…75% инфракрасных лучей, т. е. в 2…3 раза больше, чем обычное стекло. Наиболее сильно поглощает инфракрасное излучение оксид железа FeO, обеспечивая при этом наименьшее поглощение видимых лучей по сравнению с другими оксидами (CuO, CoO, NiO).
П р и м е ч а н и е – Солнцезащитное покрытие – то, которое придает стеклу повышенную отражающую способность в инфракрасной области спектра и защищает от избыточного солнечного излучения, т. е. с высоким коэффициентом отражения в инфракрасной области спектра.
В результате поглощения энергии «тёмные» теплопоглощающие стекла могут сильно нагреваться и подвергаться большим температурным деформациям. Их температура может превышать температуру окружающей среды на 40…50°С. При этом часть тепла может передаваться внутрь помещения, что тоже нежелательно. Поэтому устанавливать такие стекла нужно в наружном остеклении, предусматривать достаточный зазор и устраивать дополнительные компенсирующие прокладки между рамой и стеклом.
Теплоотражающие стекла получают путём нанесения на поверхность обычного бесцветного флоат-стекла покрытий в виде прозрачных плёнок (слоёв) толщиной менее 0,1 мкм. Такие плёнки должны обеспечивать достаточно высокое пропускание
24
видимого света (до 70%), воздействуя, в основном, на инфракрасное излучение, и могут быть металлическими (металлизированное стекло), оксидными, нитридными, полимерными, однослойными и многослойными. Теплоотражающий эффект у них может создаваться также и за счёт окрашивания поверхностного слоя базового стекла. Качество их определяется прежде всего спектрофотометрическими характеристиками и наличием или отсутствием пороков. Резать такое стекло следует по поверхности с нанесенным покрытием, применяя рекомендуемую изготовителем жидкость.
Энергосберегающие стекла получили свое название из-за специального оптического низкоэмиссионного (или энергосберегающего) покрытия, которое наносится на поверхность обычного прозрачного стекла для повышения его энергосберегающих свойств. Этот слой пропускает в помещение инфракрасное излучение (прямые солнечные нагревающие лучи), одновременно с этим препятствует выходу длинноволнового теплового излучения (инфракрасных волн) от отопительных приборов, отражая их внутрь помещения (рис. 6.12). Энергосберегающие стекла называют еще селективными стеклами.
Рис. 6.12. Схема работы стеклопакета с энергосберегающим стеклом
П р и м е ч а н и е – Отражение называется селективным, если коэффициент отражения неодинаков для света с различной длиной волны.
Параметром, характеризующим энергосберегающие свойства такого стекла, является излучательная способность (emissionsgrad). В физическом понимании излучательная способность – это энергия, излучаемая единицей площади в единичном интервале времени. Под излучательной способностью стекла понимают свойство его
25
поверхности отражать или поглощать направленное (невидимое человеческому глазу) инфракрасное тепловое излучение в диапазоне длин волн от 5 до 50 мкм. Характеризуется коэффициентом эмиссии (emissivity) ε – отношение мощности излучения поверхности к мощности излучения абсолютно черного тела (с нормальным коэффициентом эмиссии, равным единице) при той же температуре (ГОСТ EN 12898, ГОСТ Р 54168). В большинстве случаев поверхность имеет коэффициент излучения меньше 1,0. Различают также нормальный коэффициент эмиссии (нормальная излучательная способность) εn. Характеризует способность стекла отражать нормально падающее излучение и вычисляется, как разность между единицей и коэффициентом отражения (Rn) в направлении нормали к поверхности стекла
εn = 1 – Rn
У натрий-кальций-силикатного стекла коэффициент эмиссии ε = 0,837, у некоторых металлов (золото, серебро) эта величина находится в пределах 0,02…0,03, а у современных энергосберегающих стёкол – 0,2…0,04. Следовательно, чем меньше коэффициент эмиссии, тем меньше потери тепла. Стекло с оптическим покрытием, имеющим значение ε = 0,04, отражает обратно в помещение свыше 90% тепловой энергии, уходящей через окна. Поэтому энергосберегающие стекла называют ещё низкоэмиссионными.
Низкоэмиссионные (теплосберегающие, селективные) стёкла имеют на своей поверхности низкоэмиссионное (селективное) покрытие из оксидов металлов (серебра, меди, алюминия) толщиной до 600 нм с коэффициентом эмиссии менее 0,2. Низкоэмиссионным считается покрытие, при нанесении которого существенно улучшаются теплотехнические характеристики стекла – сопротивление теплопередаче остекления увеличивается, а коэффициент теплопередачи – уменьшается.
Термин «селективное» говорит о том, что стекло пропускает волны светового и теплового диапазонов выборочно (селективно). Оно прозрачно для человеческого глаза и хорошо пропускает солнечный свет (коротковолновое излучение), благодаря которому нагреваются стены, перекрытия, мебель и другие находящиеся в помещении предметы, но обладает способностью задерживать длинные инфракрасные волны, излучаемые в свою очередь нагретыми в помещении предметами, в т. ч. и от отопительных приборов. Излучаемое из помещения тепло, распространяясь в массе стекла и достигнув селективного покрытия, не может проникнуть сквозь него, и вынуждено «вернуться» обратно в помещение. Установленное в пакете такое стекло представляет собой как бы «зеркало», отражающее тепловые лучи и позволяющее сохранить в помещении тепло, вырабатываемое обогревающими устройствами и осветительными приборами.
Выпускается два типа низкоэмиссионных стёкол с различной природой покрытий (СТБ ЕН 1096, СТБ 2054). По технологии изготовления различают «k-стекло» (Low-E с твёрдым покрытием) и «i-стекло» (Double Low-E с мягким покрытием).
26
П р и м е ч а н и е – Аббревиатура «k-стекло» и «i-стекло» – это названия торговых марок.
Твердое покрытие наносится на обрабатываемую поверхность одновременно с процессом изготовления стекла на горячую флоат-ленту, после чего отжигается (ГОСТ 30733 и ГОСТ Р 54177). В результате слой оксида металла оседает на поверхности горячего стекла и становится неотделимой его частью. Образуется прочное и твёрдое покрытие, так называемое «k-стекло». У стёкол с твёрдым покрытием есть один относительно толстый слой толщиной порядка 400…600 нм. Он почти бесцветный и визуально незаметен. Величина излучательной способности k-стекла (ε) обычно имеет значение 0,15…0,18, коэффициент направленного пропускания света –
0,63…0,85.
Стекла с твёрдым покрытием более стойки к воздействиям абразивов, коррозии и моющим средствам, не разрушаются с течением времени, более прочные, но менее эффективны и дороже. Устанавливать такое стекло можно как в качестве внутреннего, так и наружного слоёв стеклопакета. Если в качестве внутреннего, то сохраняется тепло в помещении, т. е. уменьшаются затраты на отопление. Наружный слой позволяет уменьшить тепловой поток с улицы в помещение, что особенно важно в условиях жаркого климата. И в том и другом случае улучшаются показатели теплоизоляции. При ярком солнечном свете на окнах с k-стеклами можно видеть легкую дымку от напыления.
Мягкое покрытие наносится методом плазменного напыления в вакууме на уже готовое стекло. Получают, так называемое «i-стекло», с мягким покрытием, состоящим из нескольких слоёв (оксид-металл-оксид). Мягкое селективное покрытие (ГОСТ Р 54176 и ГОСТ 31364) – это, как правило, плёнки из серебра толщиной 10…20 нм и титана.
Качественными характеристиками стёкол с мягким покрытием являются внешние показатели, оптические искажения, коэффициент направленного пропускания света (0,81…0,86), коэффициент эмиссии (не более 0,06) и стойкость покрытия к воздействию воздушной среды, которая тоже оценивается коэффициентом эмиссии (после испытания стекла ε не должен превышать 0,06).
П р и м е ч а н и е – Анализ нейтральности i-стекла по 100-бальной шкале (где 0 баллов – черный цвет, а 100 баллов – нейтральный, полностью прозрачный материал) дает результаты в 98 баллов. Такой же коэффициент у обычного стекла без напыления составляет 99 баллов. Следовательно, напыление практически не влияет на его светопропускаемость, но теплозащитные свойства улучшаются.
Если сравнивать теплоизоляционные характеристики, то у стекла с мягким покрытием они выше, чем у стекла с твердым покрытием. Но стекло с мягким покрытием обладает пониженной абразивной стойкостью, ограниченно устойчиво к погодным и температурным воздействиям и плохо хранится. После вскрытия упаковки его
27
необходимо сразу устанавливать в стеклопакеты. Устанавливают стекло с мягким покрытием со стороны помещения покрытием внутрь стеклопакета.
6. Светопрозрачные изделия и конструкции
Стекло, которому в процессе изготовления приданы определенная форма и свойства называют изделиями (рис. 6.13). Стеклянные изделия и конструкции получают либо путем формования из расплава стекломассы, либо путем промышленной переработки листового стекла.
Рис. 6.13. Конструкции из закаленного стекла (лестницы)
Стеклоблоки (СТБ ЕН 1051, ГОСТ 9272) представляют собой изделия с герметически закрытой полостью, образованной в результате соединения двух отпрессованных стеклянных половинок (пластин, полублоков, коробок), с гладкими наружными и рифлеными или гладкими внутренними поверхностями. Каждая половинка выполнена из стекла толщиной не менее 8 мм. Поверхность стеклоблоков может быть прозрачной, матовой, цветной, светорассеивающей и светонаправляющей. Прозрачные стеклоблоки пропускают до 85% света, а с цветной и матовой поверхностью – около 50%. Внутри стеклоблоков находится частично разреженный воздух. Поэтому тепло- и звукоизоляционные свойства их на 15…20% выше, чем у обычного толстого стекла (рис. 6.14).
28
Рис. 6.14. Стеклоблоки и примеры использования стеклоблоков в интерьере помещений
По форме стеклоблоки могут быть квадратные, прямоугольные и их половинки, треугольные, угловые и даже круглые размером от 90х90х80 до 300х300х100 мм. Чаще всего толщина стеклоблоков от 80 до 100 мм. Торцевые стенки у них слегка вогнуты. Это позволяет при монтаже стен заливать в образующиеся промежутки скрепляющий раствор и тем самым усиливать прочность и монолитность конструкций. В зависимости от размера масса стеклоблоков составляет 1,2…7,0 кг, плотность – до 800 кг/м3, теплопроводность – 0,46 Вт/(м∙К), прочность при сжатии – 6…7 МПа.
По конструктивному исполнению стеклоблоки разделяются на однокамерные и двухкамерные. У двухкамерных между полублоков при сварке помещают пластинку из стеклянного волокна или тонкую стеклянную плёнку, что улучшает их теплоизоляционные свойства. Стеклоблоки используют для возведения светопрозрачных ненесущих внутренних и наружных стен зданий, где ощущается дефицит света и про-
29
странства, для украшения поверхностей независимо от назначения помещения и т. п. Причём смонтировать блоки можно в любой плоскости – вертикальной, наклонной и горизонтальной.
Стекло строительное профильное (стеклопрофилит) – погонажные длинномерные (до 7 м) изделия открытого и закрытого сечения, получаемые методом непрерывного проката ленты листового стекла и изгибанием ее при прохождении через формующее устройство. В результате изделие в поперечном сечении принимает заданный профиль: коробчатый, швеллерный, ребристый и др. (рис. 6.15).
Рис. 6.15. Образцы стеклопрофилита
Ширина изделий от 232 до 498 мм при толщине стекла 6…7 мм. Может быть цветным, бесцветным, армированным, неармированным, с гладкой (кованой), узорчатой или рифлёной поверхностью (СТБ ЕН 572-7, ГОСТ 21992). Коэффициент светопропускания стеклопрофилита – 0,39…0,88, теплопроводность – 0,76 Вт/м·К, термостойкость – 70°С. Применяют стеклопрофилит так же, как и стеклянные блоки для устройства светопрозрачных ограждений (наружных стен, перегородок, кровель) и внешней отделки фасадов зданий.
Стеклопакеты (ГОСТ ЕН 1279-1, ГОСТ 24866, ГОСТ Р 54175) представляют собой объёмные изделия из двух или трёх листов стекла (однокамерные, двухкамерные), герметично соединённых по контуру с помощью дистанционной рамки так, что между ними образуется замкнутая прослойка, заполненная сухим разреженным воз-
30