Глава 6. Стеклянные и стеклокристалические материалы и изделия

6.1 Общие сведения

Стекло известно человечеству с доисторических времен либо как природный материал (вулканического происхождения – обсидиан и метеоритного – тектиты), либо как искусственный – силикатное, боратное, боросиликатное и др. Обсидиан и тектиты еще в каменном веке использовались людьми для изготовления примитивных орудий труда. Искусственное стекло было изобретено 2200 году до н.э. Его впервые начали изготовлять на северо-западе Ирана. Оно стало вторым после керамики обрабатываемым неметаллом из известных на тот период материалов.

В настоящее время материалы из стекла имеют, как правило, искусственную аморфную или стеклообразную и реже стеклокристаллическую структуру. Получают их путем переохлаждения из минеральных расплавов, содержащих стеклообразующие компоненты (оксиды кремния, бора, алюминия) или других – каменных, шлаковых и т. д. Переход из жидкого расплава в твердое состояние для таких материалов всегда обратим. В строительстве наибольшее применение получило силикатное стекло (далее по тексту «стекло»). Сырьем для его изготовления служат кварцевые пески, известняк (мел, доломит), сода и другие компоненты. Большое влияние на свойства строительных стекол оказывают вспомогательные составляющие: осветлители, обесцвечиватели, красители, глушители, окислители, восстановители.

Сырьем для производства материалов из других минеральных расплавов (каменных, шлаковых) служат, соответственно, базальты, диабазы, базальто-доломиты, доменные металлургические и другие шлаки.

Стеклокристаллические материалы получают путем направленной частичной кристаллизации. Общим признаком для них является наличие в структуре как стекловидной, так и кристаллической фаз. При этом кристаллическая фаза может составлять от 50 до 95%. Благодаря особенностям строения стеклокристаллические материалы обладают более высокими физико-механическими характеристиками.

По структуре материалы и изделия из минеральных расплавов могут быть плотного, пористого, ячеистого, волокнистого, зернистого, и других строений.

К основным видам стеклянных и стеклокристаллических материалов и изделий относят:

• листовые светопрозрачные и светорассеивающие стекла;

• светопрозрачные изделия и конструкции;

• облицовочные материалы и изделия;

• теплоизоляционные;

• стеклокристаллические;

• изделия из каменных расплавов.

6.2 Листовые светопрозрачные и светорассеивающие стекла

Листовое бесцветное прозрачное стекло (ГОСТ 111 и СТБ ЕН 572-1) является основным видом продукции стекольных заводов и применяется для остекления светопрозрачных строительных конструкций, мебели, а также изготовления стекол с покрытиями, зеркал, закаленного, многослойного и других изделий. Номенклатура такого стекла насчитывает десятки видов и разновидностей. Выпускается толщиной от 1 до 25 мм. Коэффициент направленного пропускания света стекла зависит от толщины листа и составляет 0,67…0,90.

Качество прозрачного стекла определяется оптическими искажениями и другими допускаемыми пороками (отклонениями в размерах, от плоскостности, прямолинейности кромок и прямоугольности углов и др.) и зависит прежде всего от технологии его получения. В соответствии с оптическими искажениями и допускаемыми пороками стекло подразделяют на марки М0, М1, М2, М3, М4, М5, М6, М7.

Надо отметить, что благодаря различным технологическим приемам за последние 4500 лет использования стекла вплоть до середины ХХ в. его прозрачность смогла увеличиться в 10 тысяч раз, а за следующие 30 лет – еще в 10 тысяч раз. Последнее произошло благодаря развитию химической технологии очистки кварца от примесей и получения оптического волокна. Для сравнения: стекло из новых материалов толщиной 1 км. прозрачнее обычного стекла толщиной 1 мм.

Листовое стекло выпускается полированным и неполированным. Неполированное листовое стекло формуют на машинах вертикального или горизонтального вытягивания ленты из вязкой стекломассы (СТБ ЕН 572-4). Однако качество стекла при таких способах производства получается недостаточно высоким. Для устранения имеющихся дефектов и повышения качества такое стекло приходиться подвергать дополнительной обработке, например, шлифовке и полировке, что сильно усложняет и удорожает процесс производства.

Стекло с более высоким качеством поверхности, сочетающего в себе высокие оптические свойства полированного и экономичного, получают флоат-способом (СТБ ЕН 572-2). При этом способе формование ленты стекла происходит на поверхности расплавленного металла (олова), находящегося в специальной ванне (рис.6.1). Плоскость стекла, соприкасающаяся с поверхностью расплавленного металла, получается ровной и идеально гладкой, т.е. полированной без дополнительных механических операций. В Республике Беларусь единственный производитель FLOAT-стекла – ОАО «Гомельстекло».

Оконное стекло. В классическом понимании это листовой прозрачный материал толщиной от 2 до 6 мм и размерами от 400х400 до 2000х2200 мм. Масса 1 кв.м. стекла составляет 2…5 кг. Оно может быть неполированным и полированным. Светопропускаемость, как правило, от 84 до 90%.

При выборе толщины и вида стекла для остекления оконных проемов руководствуются прежде всего этажностью зданий. Чем выше здание, тем больше ветровые нагрузки, а, следовательно, должны быть выше прочность и толщина стекла. В малоэтажном строительстве применяется, как правило, стекло толщиной 2,5…4 мм. Для более высоких этажей зданий -6мм и более, т.н. витринное стекло.

Витринное стекло является более крупногабаритным изделием. Оно имеет значительно большую прочность, толщину- от 6,5 до 12 мм и размеры от 1250х1700 до 3500х6000 мм. Тоже выпускается неполированным и полированным. Светопропускаемость- 75…83%.

Оконное и витринное стекла являются основными по объему производства и применения.

Стекло листовое узорчатое (ГОСТ 5533) имеет по всей поверхности на одной или обеих сторонах четкий рельефный повторяющийся рисунок (рис.6.2). Может быть как бесцветным, так и цветным. Цветное стекло получают из окрашенного в массе или нанесением на одну из поверхностей окиснометаллических покрытий. Предназначается для заполнения световых проемов и устройства внутренних ограждений в зданиях и сооружениях различного назначения.

Армированное стекло (ГОСТ 7481) изготовляют по способу непрерывного горизонтального проката с одновременным закатыванием внутрь листа сварной сетки из стальной проволоки диаметром 0,35…0,45 мм с защитным алюминиевым покрытием. Сторона квадратной ячейки составляет 12,5 или 25 мм. Сетка должна быть расположена по всей площади листа на расстоянии не менее 1,5 мм от поверхности стекла (рис.6.3). В результате получается светопропускающий материал, обладающий повышенной безопасностью и огнестойкостью при пожаре. При этом армирование стекла не увеличивает его механическую прочность, а в какой-то степени даже снижает, но зато при разрушении от механических и тепловых воздействий металлическая сетка удерживает осколки стекла и не позволяет им разлетаться и выпадать из переплетов.

Армированное стекло может иметь гладкую, кованую или рифленую узорчатую поверхность, быть плоским и волнистым, бесцветным или цветным. Толщина армированного стекла 5…7 мм, светопропускаемость (бесцветного) – 65…75 %.

Стекло закаленное строительное – сталинит (ГОСТ 30698) изготавливают из листов полированного, неполированного или узорчатого стекла на специальных закалочных установках. Для этого исходные листы стекла предварительно нагревают выше температуры размягчения (630…650^о С), а затем резко, но равномерно охлаждают в потоке воздуха или жидкости. При таком охлаждении сначала затвердевают наружные слои стекла и в них при последующем остывании внутренних слоев возникают остаточные напряжения сжатия. Внутренние же слои после остывания испытывают напряжения растяжения. В результате прочность закаленного стекла при изгибе и ударе повышается в 5…6 раз, термостойкость – в 2 раза. Изменяется также и характер разрушения стекла – оно распадается на мелкие осколки (размером 1…10 мм) с округленными гранями. Поэтому резать или сверлить такое стекло нельзя. Оно поставляется потребителю готовым к употреблению. По этой причине перед закалкой листы такого стекла нарезаются нужных размеров, в них делают требуемые отверстия и вырезы, подвергают другим видам механической обработки.

К недостаткам закаленного стекла следует отнести недопустимость длительного абразивного воздействия на поверхностные слои, процессов выщелачивания и коррозии, поскольку может нарушиться баланс напряжений, что и приведет к его разрушению.

Выпускается толщиной от 3 до 25 мм. Номинальные длина и ширина, а также форма стекла устанавливаются, как правило, договором (заказом) на изготовление. Светопропускаемость прозрачного закаленного стекла составляет не менее 84%. Предназначается для безопасного остекления светопрозрачных строительных конструкций (оконных и дверных блоков, витрин, элементов ограждения лоджий, балконов, структурного остекления фасадов и т.д.).

Стекло с низкоэмиссионным твердым покрытием (ГОСТ 30733). Последнее наносится в процессе изготовления и является стойким к внешним воздействиям. Коэффициент направленного светопропускания составляет 0,82…0,85. Выпускается толщиной 3, 4, 5 и 6 мм и максимальными шириной и длиной – 3210х6000 мм. Форма и размеры стекла сложной конфигурации оговариваются договором. Предназначается для остекления зданий и сооружений различного назначения с целью снижения теплопотерь через светопрозрачные конструкции. Правила монтажа, включая ориентацию покрытия устанавливаются проектной документацией на конструкции.

Многослойное стекло или ламинированное (ГОСТ 30826) состоит из двух или более листов стекла, склеенных вместе с помощью полимерной пленки или ламинирующей жидкости. В качестве стекол используются листовое, узорчатое, армированное, окрашенное в массе, упрочненное, солнцезащитное, энергосберегающее и др.

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 пленки или жидкости. Ламинирование тоже не меняет свойства листового стекла, но делает такое изделие более прочным при ударе и безопасным. Полимерная пленка исполняет только роль клея, скрепляющего стекла. Поэтому разрушение каждого из листовых стекол происходит также как и одинарных, но осколки при разрушении не разлетаются во все стороны, а удерживаются на полимерной пленке. В результате прочность на удар для отдельных видов многослойных стекол в 12 раз превышает прочность одинарного стекла.

В зависимости от назначения многослойные стекла подразделяют на безопасное (стойкое к ударам мягким и твердым предметами), пулестойкое, взрывобезопасное, огнезащитное, шумозащитное, морозостойкое и со специальными свойствами (например, с защитой от радиопомех, с биологической или информационной защитой, повышенной несущей способностью и др.). При этом стекла, стойкие к механическим воздействиям классифицируют в зависимости от вида воздействия:

• стойкие к удару мягким предметом (мешком массой 45 кг с высоты от 30 до 200 см), подразделяют на классы защиты СМ1…СМ4;

• стойкие к удару твердыми предметами подразделяют на классы защиты: Р1А…Р5А - от пробивания шаром массой 4,108 кг с высоты падения 150…900 см и суммарным числом ударов от 3 до 9 и Р6В…Р8В - от проникновения (ударами молотком и топором массой 2 кг и суммарным числом ударов от 30 до 70;

• взрывобезопасные стекла в зависимости от способности воспринимать предельную величину удельного импульса взрывной ударной волны от заряда ТНТ массой от 2 до 1000 кг и с расстояния от места возможного взрыва от 3 до 45 м подразделяют на классы защиты К1…К14;

• пулестойкие стекла в зависимости от стойкости к воздействию определенных видов огнестрельного оружия (от пистолета Макарова до автомата с расстояния 5…10 м) и боеприпаса подразделяют на классы защиты П1…П6а.

Многослойное огнезащитное стекло в зависимости от стойкости к воздействию огня подразделяют по времени (в минутах) наступления потери целостности Е.

Многослойные стекла выпускаются как в виде больших листов из которых затем нарезаются стекла нужных размеров, так и в виде готовых изделий требуемой формы и размеров.

Солнцезащитные стекла либо отражают, либо поглощают излучение. Их выпускают окрашенными в массе оксидами металлов (теплопоглощающие) и с покрытием поверхности тонкими (0,3…1 мкм) окисно-металлическими, керамическими, полимерными и другими покрытиями (теплоотражающие).

Теплопоглощающие стекла предназначены для защиты интерьеров зданий от воздействия прямого солнечного излучения и уменьшения солнечной радиации в помещениях. Они пропускают 65…75% света и 30…35% инфракрасных лучей. Способность пропускать или поглощать лучи при едином химическом составе у таких стекол зависит, прежде всего, от их толщины. При высоком коэффициенте поглощения света «темные» теплопоглощающие стекла сильно нагреваются и подвергаются большим температурным деформациям. Поэтому применять их в наружном остеклении не рекомендуется или предусматривать достаточный зазор между рамой стеклом.

Теплоотражающие стекла применяются для предотвращения нагрева помещений от солнечных и тепловых лучей. Они тоже поглощают часть инфракрасного излучения, но нагреваются значительно меньше, а светотехнические характеристики мало зависят от толщины листа. Благодаря таким стеклам температура в помещении летом гораздо ниже, контрастность и яркость освещаемых предметов меньше. В результате снижается утомляемость глаз, люди меньше устают.

К разновидностям таких стекол относят теплосберегающие или энергосберегающие. Они выпускаются с твердым и мягким покрытиями. Их применение позволяет сохранять в помещении зимой тепло, а летом прохладу. При этом расход электроэнергии сокращается примерно на 30% и одновременно повышается теплоустойчивость. Например, при наружной температуре -26^оС и внутренней +20^оС температура на внутренней поверхности стеклопакета из обычного стекла составляет +5^оС, из теплосберегающего с твердым покрытием +11^оС и мягким- +14^оС.

Пожаростойкие стекла согласно Международной классификации подразделяются на классы:

• Е – обеспечивают общую защиту от пламени и горячих газов. Например, бесцветное армированное огнестойкое не изолирующее стекло обеспечивает пожарозащиту в течение 30 минут и обозначается Е30. Толщина его 6,5 мм, светопропускаемость – 89%;

• I – обеспечивают защиту от высоких температур (теплоизолирующее стекло). Например, стекло класса ЕI представляет собой бесцветное, прозрачное ламинированное, у которого листы флоат-стекла скреплены между собой специальной мастикой. При соприкосновении с огнем мастика разбухает и превращается в изолирующую пену. Обеспечивает защиту в течение 30…60 мин. Является одновременно безопасным стеклом;

• R – высокостабильное стекло;

• W – тугоплавкое стекло и др.

Радиационнозащитное стекло защищает от радиации (рентгеновских лучей), имеет янтарный цвет и на 70% состоит из оксидов свинца.

В настоящее время на строительных рынках имеется большой выбор листового стекла специального назначения способный удовлетворить самые передовые и смелые дизайнерские решения. Использование их в строительстве придаст зданиям респектабельность и солидность. Например:

• тонированное стекло с легким оттенком коричневого, зеленого и других цветов. Для его получения обычное стекло нагревают до температуры 600…700^оС, затем пульверизатором наносят раствор специальной пленкообразующей соли. В результате химических реакций на поверхности стекла образуется тонкая, толщиной до 1мкм прозрачная пленка из оксидов металла. Такая пленка может быть токопроводящей, радиозащитной, теплопоглощающей (голубая), теплоотражающей (синяя), поглощающей ультрафиолетовые лучи (желтая), декоративной (зеленая), зеркальной и др. Тонированные и зеркальные стекла не только придают респектабельность и солидность зданиям и сооружениям, но и тщательно скрывают «внутренний мир» дома, оберегая личную жизнь его обитателей. Применение таких стекол для устройства дверей и перегородок внутри помещений придает интерьеру легкую интимность, неординарность и оставляет дизайнерам простор для фантазии.

• флоат-стекло с высоким светопропускамнием за счет снижения содержания в стекломассе железа;

• антирефлективное стекло, обеспечивающее максимальную прозрачность и не затрудняющее обзор. Идеально для остекления витрин магазинов, защиты музейных экспонатов и др.;

• ламинированное стекло с регулируемой прозрачностью в котором межстекольный слой состоит из специальных жидких кристаллов, способных по сигналу менять свое положение и делать стекло полностью непрозрачным;

• ламинированное стекло с электрообогревом – сочетает в себе безопасность и температурный комфорт, исключает появление конденсата.