Стекло как строительный материал

Современная архитектура и гражданское строительство все чаще применяет стекло как конструкционный строительный материал. Привычное применение стекла в строительстве зданий — это заполнение проемов окон, дверей и фасадов. Однако иногда стекло включают в конструкции, где оно выполняет не только свою функцию светопрозрачного ограждения, а такие строительные элементы как полы, колонны и облицовочные панели.

Ниже представлен обзор процессов изготовления стекла, его состава, особенностей свойств и применения в строительстве как конструкционного материала. Применяемые термины соответствуют отечественным стандартам, в том числе, ГОСТ 32539-13 «Стекло и изделия из него. Термины и определения».

Еврокод для стекла

В настоящее время не существует международно признанных норм по проектированию стеклянных элементов конструкций, таких, как известные европейские стандарты Eurocode для других строительных материалов. В будущем планируется создать такой стандарт и для стекла [2].

Строительное силикатное стекло

Обычно, когда говорят о стекле, то имеют в виду группу силикатных стекол, которые составляют около 95 % общего производства стекла. Эти стекла массового производства содержать около 70 % двуокиси кремния, то есть кварцевого песка. Поскольку кварцевый песок имеет очень высокую температуру плавления (около 1700 º) к нему добавляют щелочные оксидные флюсы, которые снижают температуру плавления. Щелочноземельные оксиды добавляют для повышения твердости и химической стойкости стекла.

В строительной промышленности в основном применяются различные варианты натрий-кальций-силикатных стекол, которые имеют следующий химический состав [1]:

• Диоксид кремния (SiO2): 69-74 %
• Оксид кальция (CaO): 5-14 %
• Оксид натрия (Na2O): 0-6 %
• Оксид магния (MgO): 0-6 %
• Оксид алюминия (Al2O3): 0-3 %
• Другое: 0-5 %.

Прозрачность

Стекло является прозрачным для солнечного излучения в спектре видимого света и длинноволнового ультрафиолетового света (UV-A). Вместе с тем, стекло является непроницаемым для коротковолнового ультрафиолетового света (UV-B и UV-C).

Хрупкость

Сравнение механического поведения стали и стекла при растягивающем нагружении [1]

Стекло является типичным хрупким материалом. Максимальное удлинение при разрушении стекла составляет всего около 0,1 %. Отсутствие пластической деформации стекла не дает возможности предсказывать его разрушение, как это делается, например, для стали.

Физические свойства

Натрий-кальций-силикатное стекло имеет следующие механические и физические свойства:

• плотность (при 18 ºС): 2500 кг/м3;
• модуль упругости: 70000 Н/мм2;
• коэффициент Пуассона: 0,2;
• средний коэффициент термического расширения: 9 × 10-6 К-1

Прочность при растяжении

Теоретическая прочность стекла при растяжении, которая основана на физических расчетах, составляет от 5000 до 8000 Н/мм2. Однако из-за неизбежных поверхностных дефектов реальная прочность стекла значительно ниже. Поскольку высокая концентрация напряжений на трещинах не перераспределяется из-за отсутствия пластичности, то изгибная прочность отожженного стекла на практике снижается до 30-80 Н/мм2.

Изгибная прочность флоат-стекла зависит от многих факторов, среди которых:

• размер поверхностной трещины;
• сторона стекла по отношению к оловянной ванне;
• размер стеклянного изделия или образца;
• длительность приложения нагрузки;
• влияние внешней среды, например, влаги.

Прочность при сжатии

В отличие от прочности при растяжении практическая прочность при сжатии достигает очень высоких величин. Независимо от наличия поверхностных дефектов прочность на сжатие силикатных стекол находится между 400 и 900 Н/мм2.

Химическая стойкость

Силикатные стекла обладают высокой стойкостью к воздействию многих химических веществ. Большинство кислот и щелочей не повреждают стекло. Единственным исключением является фтороводородная кислота, которая поэтому применяется для декоративного травления стекла.

Стекло обладает высокой стойкостью к воде, но постоянное присутствие воды может приводить к его повреждению и коррозии, что проявляется в виде матовых пятен.

Стекло может повреждаться в промышленной загрязненной атмосфере, содержащей аммиак, а также в результате контакта со штукатуркой, мокрым бетоном или щелочными чистящими средствами.

Производство стекла

Начальной стадией всех методов изготовления стекла является процесс плавления. Смесь исходных материалов засыпается на вход плавильной ванны, а на выходе их нее выходит вязкая стеклянная масса, из которой далее различными методами формуют листы стекла.

Флоат-стекло

До 1950-х годов все листовое стекло изготавливали путем непрерывных автоматизированных процессов прокатки или вытяжки, которые были аналогами древних ручных методов. Для получения листового стекла с высокими оптическими свойствами его подвергали длительному, трудоемкому и дорогому процессу шлифования и полировки.

Флоат-метод производства стекла, которые был разработан британской компанией Pilkington в 1950-тые годы, произвел переворот в стекольной промышленности. Этот метод обеспечивает высокое качество поверхности стекла без какой-либо дополнительной обработки.

Стекло подается при температуре около 1050 ºС из плавильной ванны в так называемую флоат-ванну, где оно разливается тонкой лентой на поверхности жидкого олова. Это обеспечивает листовому стеклу параллельность его сторон, плоские поверхности и полную, без искажений, прозрачность. В флоат-ванне стекло остывает до температуры около 600 ºС, при которой оно имеет достаточную прочность для того, чтобы извлечь его из оловянной ванны и передать в печь отжига и далее для дальнейшего охлаждения.

Флоат-процесс дает возможность получать стекло толщиной от 0,5 до 25 мм, но в строительстве обычно применяются стекла от 2 до 19 мм.

Производство флоат-стекла

Прокатное стекло

Современное производство прокатного стекла включает формирование непрерывной ленты стекла при прохождении ее при температуре около 1200 ºС между двумя валками. Толщина прокатного стекла составляет от 3 до 15 мм. После прокатки стекло передается в печь отжига и затем для дальнейшей обработки.

Светопроницаемость прокатного стекла хуже, чем флоат-стекла и зависит от толщины и поверхностной текстуры. Тем не менее, прокатное стекло находит свое применение в различных стеклянных изделиях. Рифленое и ажурное стекло получают при прокатке с применением текстурированного нижнего валка. Армированное стекло также получают при прокатке стекла путем введения проволочной сетки между валками.

Производство прокатного стекла [1]

Тянутое стекло

При изготовлении тянутого стекла непрерывную стеклянную ленту тянут вертикально вверх из расплава стекла. Этот процесс дает стеклу далеко не оптимальное оптическое качество, которое характерно для стекол исторических зданий. Поэтому этот метод применяют в основном для изготовления стекол при реставрации старинных зданий с намеренным введением поверхностных дефектов, характерных для старинного стекла. Толщина тянутого стекла составляет от 2 до 12 мм.

Бесцветное и цветное стекло

Силикатные стекла имеют слегка зеленоватый оттенок, который хорошо виден на кромке стекла (рисунок 5). Этот оттенок вызывается оксидом железа, который в различных пропорциях содержится в песке. Совершенно бесцветное стекло получают из исходной смеси с минимальным содержанием оксида железа. Это достигается путем специальной химической обработки исходной смеси.

Все листовые стекла могут быть окрашены. Это достигается путем добавки различных металлических оксидов в плавильную ванну или путем последующего процесса окрашивания.

Механическая обработка

Стекло обычно режут путем нанесения глубокой царапины и затем легкого удара. Реже применяют пилы с алмазными наконечниками или водяную струю. Очень тонкие стекла можно резать лазером.

При резке стекла образуется довольно рваная кромка, которую часто шлифуют или полируют, чтобы удалить неровности и сколы (рисунок 5). Это делают, чтобы снизить возникающие на кромке растягивающие напряжения и, тем самым, повысить стойкость стекла к разрушению.

Сверление отверстий в стекле выполняют полыми сверлами с алмазными наконечниками, которые сверлят отверстие с обеих сторон стекла. Кроме того, для выполнения отверстий могут применяться водяные струи.

Нанесение покрытий

Нанесение покрытий из тонкого слоя металлов или оксидов металлов — это наиболее важный способ модификации стекла. Их наносят или вовремя изготовления стекла, то есть на еще мягкую и горячую поверхность, или в ходе отдельной операции уже после изготовления стекла. Покрытия, которые наносят в ходе изготовления стекла обычно значительно более прочные, чем те, которые наносят на уже готовые стекла.

Гнутое стекло

Гнутое стекло изготавливают при температуре стекла около 600 °С. Это делают или на горизонтальной роликовой машине, или в случае малых партий, с применением гравитационного метода. Гравитационный метод заключается в том, что плоский лист стекла кладут сверху выпуклой или вогнутой «матрицы» и затем нагревают. Под действием гравитации стекло принимает форму матрицы.

Закаленное стекло

Остаточные напряжения в стеклах [2]

Принцип действия закалки на прочность стекла заключается в том, что в его поверхностном слое создаются высокие сжимающие остаточные напряжения. Эти напряжения компенсируют возможные растягивающие напряжения в поверхности стекла и предотвращают рост трещин и разрушение стекла.

Стекло нагревают до температуры 620-650 °С и затем резко охлаждают струями воздуха с обеих сторон до комнатной температуры. В результате закалки в поверхностных слоях стекла образуются сжимающие остаточные напряжения величиной 100-150 Н/мм2. Высокая энергия, которая запасается в этом стекле обеспечивает то, что при разрушении оно разбивается на мелкие кусочки, которые не представляют большой опасности.

термоупрочненное стекло

Типы разрушения стекол (не в масштабе):
а) отожженное флоат-стекло;
б) термоупрочненное стекло;
в) закаленное стекло [1]

Термоупрочненное стекло подвергается той же обработке, что и закаленное стекло, кроме того, что процесс охлаждения ведется более медленно. Это дает более низкие сжимающие напряжения, чем в закаленных стеклах (рисунок 6)

В отличие от закаленных стекол термоупрочненные стекла разрушаются с образованием довольно крупных кусков стекла, но значительно меньших, чем у отожженного флоат-стекла (рисунок 7). Это дает им преимущество при применении в многослойных стеклах: после разрушения они удерживаются полимерной пленкой на месте. Кроме того, термоупрочненное стекло можно подвергать механической обработке, например, сверлению, что невозможно для закаленных стекол.

Многослойное стекло

Многослойное безопасное стекло состоит из двух или нескольких листов стекла соединенных между собой поливинилбутиловой пленкой толщиной 0,38 мм. В отличие от закаленного безопасного стекла после разрушения многослойное стекло сохраняет часть своей несущей способности, а отдельные куски удерживаются пленкой на месте установки стекла.