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 (рисунок 1).
Рисунок 1 — Стеклянные панели в навесном вентилируемом фасаде [1]
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».
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 %.
Технология изготовления
Производство низкоэмиссионных стекол сложное, требующее специальных технологических линий и строгого соблюдения технических условий изготовления. Поэтому получить энергосберегающее стекло в кустарных условиях невозможно. Среди лучших (Франция), «Pilkington» (Великобритания), PPG (США), «Glavelbel» (Россия).
Стекло с низкоэмиссионным твердым покрытием изготавливают путем осаждения отражающих материалов на горячую, порядка 600oС, поверхность стекла. Полученное таким способом покрытие устойчиво к механическому воздействию, не вступает в химическую реакцию с компонентами воздуха, не требует специальных условий хранения, простое в обработке.
По другой технологии слои низкоэмиссионного покрытия стекла наносятся один за другим (мягкий способ). Первым напыляется серебро. Толщина слоя — 15 нм. Затем защитные слои из оксидов никеля, кремния, олова, титана. Полученная пленка чувствительна к механическому воздействию, кислороду и влаге (окисляется). Поэтому i-стекло не может долго храниться, в стеклопакете обязательно ставится внутрь камеры. Еще одно важное требование — закачка в камеру инертных газов, замещающих кислород с полной герметизацией.
Установщики окон утверждают: применяемые герметики не в состоянии удержать аргон или ксенон весь эксплуатационный период. Примерно через 5-7 лет инертный газ замещается воздухом, а напыление исчезает. И это у компаний с современным оборудованием. У малых предприятий аргон улетучивается уже через 1-2 года. Для предотвращения окисления серебра на Западе предусмотрена подкачка инертного газа.
В России также — по ГОСТ Р54176-2010: «Национальный стандарт Российской Федерации. Стекло с низкоэмиссионным мягким покрытием. Технические условия» в окнах из такого стекла должны быть клапаны для подкачки аргона. Но пока никто их не видел. Производители объясняют сложившуюся ситуацию двойной герметизацией: внутренний слой из бутиловой ленты, наружный из полисульфида или полиуретана. Поэтому клапан не нужен. Насколько эффективна такая защита, сказать сложно — используется около 5-6 лет. Пока на форумах жалоб на уход инертного газа нет.
Несмотря на недостатки, производство стекла с мягким напылением постоянно растет: превысило 65% от всего объема низкоэмиссионного стекла.
Хрупкость
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 (рисунок 2).
Рисунок 2 — Сравнение механического поведения стали и стекла при растягивающем нагружении [1]
Итог.
Фраза одного из героев культового российского фильма «Бумер» — «не мы такие, жизнь такая» — вполне соответствует суровым реалиям сегодняшнего жизненного уклада. Поэтому в настоящее время, особенно у жильцов квартир, расположенных на первых этажах, остро встает вопрос об обеспечении безопасности жилища. Помимо монтажа видеокамеры на окно и установки двери с видеонаблюдением, необходимо позаботиться и о защите оконного проема.
На сегодняшний день существует несколько вариантов оснащения современного окна стеклами, предназначенными для выполнения задач разного рода. Можно выбрать каленое стекло, а можно и стекло с повышенными противовзломными характеристиками – «Триплекс». В любом случае то, как будет обеспечиваться защита окна, и насколько она будет эффективна, целиком и полностью зависит от требований, предъявляемых к организации безопасности охраняемого помещения и финансовых возможностей хозяина .
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.
Исследование бетона
Процесс производства бетона
Бетон изготавливается смешиванием цемента, песка, щебня и воды (соотношение их зависит от марки цемента, фракции и влажности песка и щебня), а также небольших количеств добавок (пластификаторы, гидрофобизаторы, и т. д.). Цемент и вода являются главными связующими составляющими при изготовлении бетона. Теоретически для гидратации цемента достаточно В/Ц = 0,2, однако у такого бетона слишком низкая пластичность, поэтому на практике используются В/Ц = 0,3—0,5.
Химический состав бетона
Цемент. Его важным свойством является то, что он кристаллизуется и застывает при увлажнении. Из всех материалов, применяемых в производстве бетона, цемент самый дорогой. Определить примерную прочность будущего бетона можно так: разделим марку цемента на 2 (для портландцемента) или на 3 (для всех остальных).
Щебень. Чаще всего применяется гранитный щебень, что обусловлено его хорошими эксплуатационными характеристиками и повсеместным распространением.
Вода. Качеству ее предъявляются повышенные требования, так как для получения качественного бетона необходимо, чтобы вода была чистой без использования примесей. [7]
Физические свойства бетона
Прочность. Бетон относится к материалам, которые хорошо воспринимают сжимающие усилия и плохо сопротивляются растяжению. Для восприятия растягивающих нагрузок конструкции армируют. Арматура обладает высоким сопротивлением растяжению.
Плотность. С повышением плотности улучшаются такие свойства, как прочность, водонепроницаемость, морозостойкость. Водонепроницаемость зависит от пористости и структуры пор бетона. Микропоры и капилляры размером более 105 см доступны для фильтрации воды.
Морозостойкость. Перед испытаниями бетон насыщают водой. При замерзании вода в порах бетона увеличивается в объеме на 9% и вызывает большие внутренние напряжения, которые постепенно разрушают его структуру.
Область применения бетона
Особо тяжёлый бетон. Особо тяжёлые бетоны предназначены для специальных, защитных сооружений (от радиоактивных воздействий); изготовляются на портландцементах и природных или искусственных заполнителях.
Лёгкий бетон. Лёгкие бетоны изготовляют на гидравлическом вяжущем и пористых искусственных или природных компонентах. Существует много разновидностей лёгкого бетона.
Особо лёгкий бетон. Особо лёгкие бетоны используют главным образом как теплоизоляционные материалы.
Основные достоинства и недостатки бетона
Свойства бетона дают возможность создавать объекты необходимой архитектурной и строительной формы. Сравнительно небольшая стоимость конструкций, которая достигается за счет использования локального сырья. Процесс получения бетонной смеси и бетонных конструкций полностью механизирован и автоматизирован. Бетон и железобетон можно применять как в монолитных, так и в сборных конструкциях разнообразных назначений и типов. Бетон имеет высокие показатели огнестойкости и долговечности.
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.
Низкоэмиссионное стекло – революция в энергосбережении
Низкоэмиссионное стекло – это стекло со специальным незаметным глазу покрытием и низким эмиссивитетом – способностью к пропусканию тепла, благодаря чему получило название низкоэмиссионное. Зимой стекло отражает тепло от отопительных предметов обратно в помещение, сокращая теплопотери.
Фото: И-стекло сохраняет тепло в помещении зимой Появление низкоэмиссионного стекла изменило архитектурный облик современных зданий. Панорамные окна в пол, полностью стеклянные фасады, небоскребы из стекла – все это стало возможным благодаря новой прорывной технологии.
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.
Рисунок 3 — Производство флоат-стекла [1]
Флоат-процесс дает возможность получать стекло толщиной от 0,5 до 25 мм, но в строительстве обычно применяются стекла от 2 до 19 мм.
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 (рисунок 4).
Рисунок 4 — Производство прокатного стекла [1]
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.
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.
Преимущества:
- Стекло, которое поглощает, преломляет или пропускает свет. Его можно сделать прозрачным или полупрозрачным, что добавит необычайной красоты к зданию.
- Стекло пропускает до 80% доступного естественного дневного света в обоих направлениях без пожелтения, помутнения или выветривания.
- Стекло полностью устойчиво к атмосферным воздействиям. Он не может быть затронут воздействием ветра, дождя или солнца и может сохранить его внешний вид и целостность.
- Стекло не ржавеет, оно не разлагается постепенно.
- Стекло имеет гладкую глянцевую поверхность.
- Стекло позволяет естественному свету войти в дом, даже если это двери и окна, и так далее.
- Это отличный изолятор против электричества. Невозможно провести электрический ток. Доступный в разновидностях цветов, и когда мы объединяем стеклянный лист в ламинированных или изолированных единицах, они меняются по цвету и внешнему виду.
- Его можно вдувать, натягивать и прижимать к любой форме, и, следовательно, он используется для общих целей остекления в строительстве, на фасадах магазинов, строительных дверях и окнах и мастерских. Он также используется для мебели после ламинирования фанерой или металлическим листом.
- Стекло обеспечивает идеальный способ демонстрации продукта.
- Это также с глубоким пониманием науки о стекле и технологии, использующей процесс слияния, чтобы вести индустрию дисплея с ее превосходным жидкокристаллическим дисплеем (LCD).
- Стекло на 100% пригодно для повторного использования и не разрушается во время процесса рециркуляции, поэтому его можно снова и снова перерабатывать без потери качества или чистоты.
- Стекло устойчиво к ультрафиолетовому излучению, поскольку оно не подвергается атаке ультрафиолетовым излучением, и, следовательно, трещины, обесцвечивание или дезинтеграция не произойдет.
- Стекло превосходно устойчиво к истиранию, поэтому оно будет сопротивляться износу поверхности, вызванному плоской трением и контактом с другим материалом.
- Стекло стабильно в широком диапазоне температур. Он используется для каминного стекла, высокотемпературных легких линз и дровяных печей, кухонных вершин и высокотемпературных зон.
- Он не подвержен влиянию шума, воздуха, воды и большинства кислот из-за обесцвечивания, изменения степени блеска, размягчения, набухания, отслоения покрытий и пузырей не произойдет.
- Стекло также защищает от внешних барьеров.
- Стекло обладает способностью сделать структуру более привлекательной, изысканной и придает красоту зданию. Он используется для достижения архитектурного вида для внешнего оформления.
- При использовании в интерьерах стекло экономит место.
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.
Полосность и волнистость
Полосность и волнистость встречаются в неполированном листовом стекле.
Полосность представляет собой неровности, расположенные на ленте стекла в направлении вытягивания. Такие неровности на поверхности стекла рукой не ощутимы и незначительно искажают изображение просматриваемых через стекло предметов.
Волнистость – глубокая полосность. Она легко ощутима рукой и сильно искажает изображение предметов при рассматривании их через такое стекло.
Основные причины образования полосности и волнистости в стекле:
- неоднородность сырья
- плохое смешивание состава
- непостоянство температурного режима ванной печи, где варят стекло
- неисправность щели в лодочках, с помощью которых тянется лента стекла и др.
Стекло с волнистостью и полосностью для крупногабаритных зеркальных изделий совершенно непригодно.
Механическоя 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.
Рисунок 5 — Флоат-стекло с различным качеством кромок (снизу вверх):
без обработки; шлифованная и полированная [1]
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.
Как определить наличие такого стекла у стеклопакета
Визуально определить наличие низкоэмиссионного стекла в стеклопакете сложно. Не каждый специалист сможет это сделать. Избежать обмана у продавца или фирмы-изготовителя можно, не прибегая к использованию специального прибора. Для этого нужно:
- попросить сертификат соответствия;
- посмотреть маркировку на дистанционной рамке — в конце набора цифр, показывающую формулу стеклопакета, должно стоять обозначение стекла с напылением — «I» (мягкое), «K» (жесткое), «SELEKT» (мультифункциональное).
- поднести к стеклу зажженную спичку или зажигалку. У обычного стеклопакета отражение пламени одного цвета, белого или желтого, у стекла с напылением — разное. Обычно присутствует синий или красный оттенок второго язычка пламени.
Закаленное стекло
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 (рисунок 6). Высокая энергия, которая запасается в этом стекле обеспечивает то, что при разрушении оно разбивается на мелкие кусочки (рисунок 7в), которые не представляют большой опасности.
Рисунок 6- Остаточные напряжения в стеклах [2]
Рисунок 7 — Типы разрушения стекол (не в масштабе):
а) отожженное флоат-стекло; б) термоупрочненное стекло; в) закаленное стекло [1]
Виды энергосберегающих стекол
1) Твёрдое энергосберегающее покрытие (к-стекло)
Для придания флоат-стеклу энергосберегающих свойств на поверхность еще горячего стекла методом пиролиза в процессе производства на флоат-линии наносится тонкий слой специального металлооксидного покрытия. Такое покрытие, «спекаясь» со стеклом, отличается особой прочностью, и поэтому называется «твердое покрытие».
2) Мягкое энергосберегающее покрытие (I-стекло)
Получение I-стекла предполагает нанесение на его поверхность оптического низкоэмиссионного покрытия на основе окислов металлов с использованием высоковакуумного производственного оборудования, оснащенного системой магнетронного распыления.
Термоупрочненное стекло
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.
Недостатки защитных стекол для смартфонов
Во-первых, найти качественную защиту или воспользоваться богатым разнообразием товара могут только владельцы популярных моделей смартфонов. Больше всех страдают владельцы новинок, которым приходится ждать, пока на рынке появится подходящий вариант. Вырезать стекло под экран, как это практикуют с пленкой, не получится.
Во-вторых, далеко не все приветствуют дополнительную толщину, даже если этот показатель не превышает пары миллиметров. Дополнительный объем действительно может оказаться лишним, если использовать чехлы, подогнанные под определенные размеры.
Третий часто встречающийся недостаток защитных стекол — отсутствие или низкое качество олеофобного покрытия. Это является причиной быстрого запачкивания дисплея, появления жирных разводов и отпечатков пальцев.
Свиль и шлир
Свиль – нити стекла, идущие в произвольном направлении и располагающиеся в большинстве случаев группами. Шлир – резко выраженная грубая свиль. Иногда шлиры бывают в виде сплошных полос. Такие шлиры чаще встречаются в литом и прокатном стекле.
Участки стекла со свилью или шлиром искажают изображение рассматриваемых через стекло предметов; кроме того, неоднородная, со свилью и клиром, стекломасса не обладает достаточной механической и термической стойкостью.
Причины появления свили и шлира:
- плохое перемешивание шихты
- неправильный режим варки стекла
- попадание в стекломассу капель стекла от свода печи и отколовшихся частиц огнеупорного материала.
Свиль и шлир в листовом стекле, предназначенном для серебрения, не допускаются. Исключение составляет едва заметная свиль в виде единичных волосков, не ощутимых наощупь и невидимых в стекле на свет.
Мошка и пузыри
Мошка и пузыри представляют собой газообразные включения в стекломассу в виде разной формы и размера пузырей (мошки – мелкий пузырь размером 0,5-0,8 мм), которые появляются в стекле во время его варки в результате взаимодействия материалов, входящих в состав шихты: песка, соды, солей, мел и известняка и др. Эти пороки могут образоваться также во время отливки и прокатки стекла.
Мошка и пузыри портят внешний вид стекла и уменьшают степень сопротивляемости его разъедаю¬щим веществам, и поэтому в стекле, предназначенном для изготов¬ления зеркал, мошка и пузыри допускаются в незначительном количестве и только разбросанными по всей поверхности стекла.
Иногда в стекле встречается белый или синевато-белый непрозрачный щелочный пузырь. Особенно он заметен на посеребренном стекле, для изготовления зеркал такое стекло непригодно.
