СТЕКЛО И СТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

6.1. Основные сведения о стекле и его свойствах

Стекло - твердый хрупкий материал, получаемый при охлаждении силикатных расплавов. Основной компонент стек­ла-диоксид кремния (70...75%). Кроме того, в состав стекла входят оксиды натрия, кальция, магния. Сырьем для его произ­водства служат кварцевые пески, сода, мел и другие широко распространенные материалы.

Стекла подразделяются на природные и искусственные. Природные образованы в результате деятельности вулканов (например, абсидиановое стекло), искусственные созданы тру­дом человека.

Область применения стекол зависит от их свойств. Важней­шими свойствами являются прочность, хрупкость, теплопро­водность, оптические свойства, термическая устойчивость. Плотность стекла составляет 2500...2700 кг/м³, предел прочно­сти при сжатии - 700... 1000 МПа и более, при растяжении - 30...60 МПа. Трещины, царапины снижают прочность при рас­тяжении в 4-5 раз.

Недостатком стекла является повышенная хрупкость. Оно плохо сопротивляется удару. Прочность при ударном изгибе составляет всего около 0,2 МПа, что ограничивает применение стекла.

Теплопроводность в зависимости от вида стекла составляет 0,5—1,0 Вт/(м °С). Температура начала размягчения суекла за­висит от химического состава. Для строительных стекол она равна 550...700 °С.

Светопропускание {прозрачность) стекла составляет от 0 до 97%, для оконного - примерно 88%. Оно измеряется коэффици­ентом пропускания т_с = // Iq, равным отношению световой энер­гии (/), прошедшей через стекло, к световой энергии (7₀), вошед­шей в него. Термическая устойчивость оконного стекла состав­ляет 80...90 °С. Оно плохо переносит резкое охлаждение.

6.2. Химический состав и технология производства стекла

Промышленные составы стекла содержат, как правило, не менее пяти компонентов, а специальные и оптические стекла могут содержать более десяти компонентов.

Однокомпонентное кварцевое стекло на основе диоксида кремния Si0₂, широко используемое в технике и быту, являет­ся наиболее простым по составу.

Двухкомпонентное (бинарное) щелочно-силикатное стекло состава Ме₂0 - nSi0₂, где Afe-Na, К; п = 2...4, так называемое растворимое (жидкое) стекло, имеет большое промышленное значение и широко применяется в строительстве для получения кислотостойкого цемента, а также при реставрационных работах.

Широкое применение находит многокомпонентное оксид­ное стекло. Основу промышленного стекла (оконного, архи­тектурно-строительного, сортового, автомобильного, тарного и др.) составляют композиции тройной системы Na₂0(K₂0)-Ca0-Si0₂ при содержании Si0₂ - 60...80% (по мас­се), СаО - 0...10, Na₂0 - 10...25%.

По содержанию неорганических соединений различают следующие классы стекол: элементарные, галогенидные, халь- когенидные, оксидные, сульфатные, нитратные, карбонатные, фосфатные и др.

Элементарные стекла образуются лишь при небольшом количестве элементов: сера (S), селен (Se), мышьяк (As), фос­фор (Р), углерод (С). Стеклообразные серу и селен удается по­лучить при быстром переохлаждении расплава, мышьяк - пу­тем сублимации в вакууме, фосфор - при нагревании под дав­лением более 100 МПа, углерод - в результате длительного пи­ролиза органических смол.

Галогенидные стекла получают на основе стеклообразую- щего компонента BeF₂. Многокомпонентные составы фторо- бериллатных стекол содержат также фториды алюминия, каль­ция, магния, стронция и бария.

Халькогенидные стекла получают в бескислородных систе­мах типа Ge - А1 - X, Ge - Sb -X, Ge - Р -X, где Х~ S, Se, Те. Они прозрачны в инфракрасной области спектра, обладают по­лупроводниковой проводимостью электронного типа, обнару­живают внутренний фотоэффект.

Оксидные стекла имеют важнейшее значение в технике и строительстве. Они представляют собой обширный класс со­единений. Наиболее легко образуют стекла оксиды Si0₂, Ge0₂, В₂0₃ А1₂Оз. Большая группа оксидов (Те0₂, ТЮ₂, Se0₂, Мо0₃, WO3, ВЮ₃, А1Р₃, Ga₂0₃, V₂0₃) образует стекла при сплавлении с другими оксидами или их смесями.

Производство стекла состоит из подготовки сырьевых ма­териалов, приготовления шихты, варки стекломассы, изготов­ления стеклянных материалов и изделий. Сырьевые материа­лы, применяемые для получения стекла, подразделяют на ос­новные и вспомогательные. К основным относят кварцевый пе­сок, кальцинированную соду, сульфат натрия, доломит, известняк, мел, к вспомогательным - осветлители, глушители, красители.

6.3. Виды листового стекла

В строительстве стекло применяют главным образом для остекления световых проемов (листовое стекло оконное, вит­ринное, закаленное, армированное и т.д.). Кроме того, его ис­пользуют как отделочный материал (цветные листы, крупные и мелкие плитки), а из стеклянного волокна получают стекло­пластики и стекловолокнистые теплоизоляционные материа­лы. Штучные стеклянные изделия (пустотелые блоки и стекло­профилит) применяют для устройства светопрозрачных ограж­дающих конструкций (перегородок, стен).

Листовое оконное стекло - наиболее распространенный вид плоского стекла. Его выпускают толщиной 2...6 мм и раз­мерами от 250x250 мм до 2000x2200 мм, светопропускание со­ставляет 84...90%. Существует несколько разновидностей лис­тового стекла.

Узорчатое стекло получают способом непрерывного проката, причем одна сторона стекла гладкая, а другая - тисне­ная, узорчатая. К узорчатому стеклу относятся стекла типа «мороз» и «метелица».

Стекло «мороз» изготавливают из листового оконного или витринного неполированного стекла путем специальной обра­ботки, в результате которой на поверхности образуется узор, на­поминающий заиндевевшее стекло. Его выпускают в виде лис­тов толщиной 4 и 5 мм, максимальные размеры - 1000x1800 мм.

Это стекло применяют для остекления внутренних и наружных световых проемов.

Стекло «метелица» получают путем формования ленты на расплаве металла (олова). Оно может быть бесцветным, цвет­ным или иметь поверхностный слой, окрашенный электрохими­ческим способом в результате ионного обмена и диффузии ио­нов металла в стекло. Одна поверхность стекла термически по­лированная, другая имеет неповторяющийся узор в виде высту­пающих над поверхностью листа волнистых участков, характер и регулярность которых могут быть заданы при производстве.

Армированное стекло получают непрерывным про­катом с одновременным закатыванием внутрь листа металли­ческой сетки. Оно может иметь гладкую или узорчатую поверх­ность, быть бесцветным или цветным.

Витринное неполированное стекло изготавлива­ют путем вертикального вытягивания. Его длина - 2350... 2950 мм, ширина - 1950...2950, толщина - 6,5 мм. Светопро- пускание стекла - не менее 84%.

Солнцезащитное стекло - это листовое стекло, за­держивающее инфракрасные и другие тепловые солнечные лу­чи. Его выпускают теплопоглощающим (окрашенным в массе оксидами металлов) и солнцезащитным с покрытиями из окси­дов металлов, прозрачными для видимых лучей и поглощаю­щими часть инфракрасного солнечного излучения.

Солнцезащитное теплопоглощающее стекло получают вве­дением в стекломассу добавок оксидов железа, меди, кобальта, которые окрашивают ее в зеленовато-голубоватые или серые тона. Светопропускание такого стекла составляет 65...75%, пропускание инфракрасных лучей - 30...35%.

К особым видам теплопоглощающего солнцезащитного стекла относят фотохромное стекло, обеспечивающее автома­тическое регулирование теплопоступлений в помещение. Его получают из натриево-бороалюмосиликатного стекла путем введения добавок серебра, церия, европия. При воздействии солнечных лучей они темнеют, при снижении радиации свето- прозрачность восстанавливается. Применяют такое стекло для остекления административных и производственных зданий

Закаленное стекло получают путем термической об­работки листового стекла, которое нагревают до температуры (640 ± 10) °С и быстро охлаждают. В результате прочность на удар и изгиб по сравнению с обычным стеклом повышается в5-6 раз. Применяют закаленное стекло в основном для остек­ления транспортных средств.

Цветное стекло вырабатывают или из окрашенной стекломассы, или путем плотного соединения при формовании бесцветного и тонкого цветного слоев.

У виолевое стекло получают из шихты определенного химического состава. Оно обладает способностью пропускать до 75% ультрафиолетовых лучей, поэтому применяется для остекления, например, оранжерей, теплиц.

Многослойное стекло состоит из нескольких листов обычного стекла, склеенных между собой прозрачной эластич­ной прокладкой. Наиболее широкое распространение получи­ло трехслойное стекло - триплекс, которое обладает высокой прочностью и безопасностью. В строительстве многослойное стекло используют в качестве дверных полотен, специальных перегородок и ограждений.

6.4. Конструктивные изделия из строительного стекла

Широко применяются конструктивные изделия из стекла: стеклоблоки, пакеты, стеклопрофилит, трубы, плитка, мозаи­ка и пр.

Пустотелые стеклянные блоки изготавливают квадратны­ми, прямоугольными из бесцветного или окрашенного стекла. Конструкции из стеклоблоков создают мягкое рассеянное освещение и обладают высокой тепло- и звукоизоляционной способностью. Стеклоблоки используются при заполнении проемов в наружных стенах, устройства покрытий и светопро- зрачных перегородок.

Стеклопакеты - это изделия из двух или трех слоев листо­вого стекла, между которыми имеются герметичные воздуш­ные прослойки. Оконные блоки из пакетного стекла обладают лучшими эксплуатационными показателями, чем блоки из обычного стекла в двойном переплете. Их применение в стро­ительстве приводит к экономии лесоматериалов и повышает индустриальность остекления зданий.

Стеклопрофилит - профильное стекло швеллерного или ко­робчатого сечения. Оно характеризуется высокой прочностью и может служить для остекления ог^тждений и самонесущих стен, для устройства внутри них перегородок, оконных проемов и прозрачных плоских кровель. Благодаря большим габаритам (длина до 7 м) при остеклении профильным стеклом отпадает необходимость в промежуточных рамных переплетах.

Дверные полотна изготавливают из закаленного бесцветно­го витринного стекла. Поверхность может быть полированная, неполированная, кованая, узорчатая, может покрываться цвет­ными керамическими красками, оплавленными при закалке. Размеры полотен - 2600х 1040 и 2400x900 мм, толщина - 10, 15 и 20 мм. Они имеют высокую прочность. Полотна из стекла толщиной 10 мм выдерживают, не разрушаясь, удар стального шара массой 800 г, брошенного с высоты 1,5 м, а при толщине 15...20 мм - с высоты 2,5 м.

Стеклянные трубы изготавливают из прозрачного стекла. Их выпускают диаметром 40...200 мм и длиной 1500...3000 мм. Трубы обладают высокой коррозионной стойкостью, водоне­проницаемостью. Их можно эксплуатировать при температуре от -50 до +100 °С и давлении до 0,6 МПа. Стеклянные трубы служат для сооружения трубопроводов, транспортирующих химически агрессивные жидкости, газы, пищевые продукты, сыпучие и другие материалы.

6.5. Отделочные изделия из стекла

Отделочные изделия изготавливают из стекла, окрашен­ного в массе (глушеного) или с поверхности. Применяются они для отделки зданий и сооружений. Облицовочные или ограж­дающие конструкции имеют повышенную долговечность, кра­сивый вид, экономичны при эксплуатации. Наиболее распро­странены коврово-мозаичные плитки, стемалит, плитки из глу­шеного стекла или эмалированные, марблит и стекломрамор, стеклянная крошка, смальта, стеклокремнезит.

Коврово-мозаичные плитки изготавливают из глушеного стекла в виде ковров на бумажной основе. Получают их спосо­бом непрерывного проката или прессования из стеклянного порошка с последующим отжигом. Прокатные плитки выпус­кают в основном размерами 21x21x4,5 мм, прессованные - 22x22x5 мм. Применяют их главным образом для наружной отделки зданий, реже - для внутренней.

Стемалит представляет собой листовое стекло, окрашен ное с внутренней стороны керамической эмалевой краской разных цветов. Закрепление краски на стекле и упрочнение стекла (закалка) происходит с помощью термической обработ­ки. Применяется стемалит для облицовки фасадов, внутренних стен и перегородок зданий, для ограждений балконов, лоджий.

Плитки из глушеного стекла изготавливают способом не­прерывного проката или горячего прессования. Оки могут иметь различный цвет, хотя чаще всего выпускаются молочно- белого цвета. Промышленность изготавливает преимущест­венно квадратные плитки размерами 150x150 мм или прямо­угольные размерами 250x140 мм. Их применяют для внутрен­ней облицовки поверхности стен производственных зданий, душевых, санузлов.

Эмалированные стеклянные плитки изготавливают из от­ходов оконного или витринного стекла размерами чаще всего 150x150 мм. Лицевую поверхность плиток покрывают слоем эмали, а затем подвергают термической обработке для ее за­крепления и отжига стекла. Их применяют для облицовки стен, столовых, кухонь, санузлов.

Марблит представляет собой прямоугольные или квадрат­ные плиты, изготовленные из глушеного стекла. Наружная поверхность листов обычно полированная, внутренняя - риф­леная. Декоративный марблит изготавливают из черного глу­шеного стекла с кристаллическими переливающимися вкрап­лениями. Стекломрамор имеет мраморовидную окраску и яв­ляется разновидностью марблита.

Стеклянная крошка получается дроблением отходов про­катного стекла, стекольного гранулята из глушеной белой или цветной стекломассы. Применяют ее для создания декоратив­ного эффекта при отделке бетонных поверхностей.

Смальтой называют кусочки глушеного цветного стекла размером до 20 мм. Ее отливают в виде плит, которые затем разбивают на кусочки. Применяют для отделки фасадов, изго­товления мозаичных панно.

Стеклокремнезит (стеклокристаллические плиты) изготав­ливают термообработкой гранул стекла в смеси с кремнезе­мом. Наружную поверхность плит подвергают огневому поли­рованию, в результате чего она приобретает высокие декора­тивные свойства - имитирует природный камень. Стеклокрем­незит применяют для наружной и внутренней облицовки стен, настилки полов.

6.6. Стеклокристаллические материалы

К стеклокристаллическим материалам относятся ситал- лы, шлакоситаллы и каменное литье. Их общий признак - на­личие в структуре как кристаллической, так и стекловидной фаз, что обусловливает высокие механические свойства, тер­мическую и антикоррозионную стойкость, низкую истирае­мость и т.д.

Ситаллы - продукт кристаллизации стекла. Процесс их изго­товления включает получение стекла определенного состава, формование из него изделий и специальную термообработку. Ситаллы вырабатываются из малощелочного стекла путем про­ката и прессования. Основное достоинство ситаллов как кон­структивных материалов - высокая механическая прочность, соизмеримая с удельной прочностью некоторых металлов.

Шлакоситаллы - дешевая разновидность ситаллов, приме­няемых в строительстве. Их изготавливают из расплава домен­ных металлургических шлаков и специальных добавок. Шла­коситаллы применяются для покрытия полов, наружной и внутренней отделки зданий, футеровки промышленного обо­рудования. Из шлакоситаллов можно изготавливать стеновые и облицовочные панели, кровли, ограждающие конструкции, санитарно-технические изделия и т.д.

Шлаковая пемза (термозит) представляет собой легкий за­полнитель для бетонов со средней плотностью 300...1100 кг/м³. Один из способов ее изготовления - вспучивание шлака в бас­сейне. Расплав шлака сливается в бассейн, в днище которого имеются трубы с отверстиями. Через эти отверстия подается под давлением вода. Испаряясь, она вспучивает шлак.

Каменное литье получают чаще всего из базальта или диа­база. Их плавят при температуре 1400...1500 °С и разливают в формы. Для снижения напряжений и образования кристалли­ческой структуры изделие после охлаждения отжигают при температуре 800...900 °С. Строительные изделия из каменного литья обладают высокой химической стойкостью, проч­ностью, твердостью. Их применяют в химической, металлур­гической и горнообогатительной промышленности для покры­тия полов, в качестве футеровочного материала в аппаратах, где возникают большие истирающие усилия.