СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Стекло и его свойства

Стеклом называют все аморфные тела, получаемые путем пере­охлаждения расплавов независимо от их химического состава и тем­пературной области затвердевания, обладающие в результате посте­пенного увеличения вязкости механическими свойствами твердых тел, причем процесс перехода из жидкого состояния в стеклообраз­ное должен быть обратимым. Признаками стеклообразного состоя­ния вещества является отсутствие четко выраженной точки плавле­ния, гомогенность и изотропность. В стеклообразном состоянии мо­гут быть получены многие вещества.

Стекло способно образовывать называемые стеклообразующими оксиды Si02, Р205 и В203 без каких-либо добавок. Однако в боль­шинстве случаев сырьевой массой для производства стекол является многокомпонентная шихта, содержащая помимо стеклообразующего оксида различные добавки.

В строительстве используют почти исключительно силикатное стекло, основным компонентом которого является диоксид кремния Si02.

Стекло не является веществом с определенным химическим соста­вом, который может быть выражен химической формулой, поэтому со­став стекла условно выражают суммой оксидов. Состав строительных стекол в зависимости от вида и назначения содержит оксиды (в % по массе): Si02 — 64-73,4; Na203 — 10-15,5; K20 — 0-5; CaO — 2,5-26,5; MgO — 0-4,5; A1203 — 0-7,2; Fe203 — 0-0,4; S03 — 0-0,5; B203 - 0-5.

Каждый из оксидов играет свою роль в процессе варки форми­рования свойств стекла. Оксид натрия ускоряет процесс варки, по­нижая температуру плавления, но уменьшает химическую стойкость стекла. Оксид калия придает блеск и улучшает светопропускание. Оксид кальция повышает химическую стойкость стекла. Оксид алю­миния повышает прочность, термическую и химическую стойкость стекла. Оксид бора повышает скорость стекловарения. Для получе­ния оптического стекла и хрусталя в шихту вводят оксид свинца, повышающий показатель светопреломления.

Сырье для производства стекла

Сырьевые материалы для производства стекла разделяются на основные и вспомогательные.

К основным относятся минеральное сырье и некоторые продук­ты промышленности: кварцевый песок, сода, доломит, известняк, поташ, сульфат натрия. Кроме того, в последнее время стали широко использоваться отходы различных отраслей промышленности — доменные шлаки, кварцесодержащие материалы, тетраборит каль­ция, стеклобой и др.

Минеральное сырье, как правило, имеет большое количество примесей и непостоянный состав. Примеси условно разделяются на две группы:

ухудшающие качества стекломассы (оксиды железа, хрома, титана, марганца, ванадия);

соответствующие основным компонентам состава стекла (оксиды алюминия, кальция, магния, калия, натрия).

Примеси первой группы придают стеклу нежелательную окра­ску, а также могут привести к образованию пороков в стекле в виде включений. Примеси второй группы обычно учитываются при рас­чете рецепта шихты.

Вспомогательные сырьевые материалы (осветлители, глушите­ли, красители и др.) вводят в шихту для ускорения варки стекла и придания ему требуемых свойств.

Осветлители (сульфаты натрия и алюминия, калиевая селит­ра, мышьяковистый ангидрид) способствуют удалению из стекло­массы газовых пузырьков.

Глушители (криолит, плавиковый шпат, двойной суперфос­фат) делают стекло непрозрачным.

Красители придают стеклу заданный цвет — соединения: ко­бальта — синий, хрома — зеленый, марганца — фиолетовый, желе­за — коричневый и сине-зеленые тона и т. д.

Основы производства стекла

Производство строительного стекла состоит из следующих ос­новных операций: обработка сырьевых материалов; приготовление шихты, варка стекла, формование изделий и их отжиг.

Обработка включает дробление и помол материалов, посту­пающих на завод в виде кусков (доломит, известняк, уголь), сушку влажных материалов (песок, доломит, известняк), просеивание всех компонентов через сита заданного размера.

Приготовление шихты включает операции усреднения, дозиро­вания и смешения. Шихта считается качественной, если отклонение от заданного состава ее не превышает 1%.

Стекловарение производится в специальных стеклоплавильных печах непрерывного (ванные печи) или периодического (горшковые печи) действия. При нагревании шихты до 1100-1150 °С происходит образование силикатов сначала в твердом виде, а затем в расплаве. При дальнейшем повышении температуры в этом расплаве полно­стью растворяются наиболее тугоплавкие компоненты Si02 и А120з— образуется стекломасса. Эта масса неоднородна по составу и настолько насыщена газовыми пузырьками, что ее называют ва­рочной пеной. Для осветления и гомогенизации температуру стек­ломассы повышают до 1500-1600 °С. При этом вязкость расплава снижается, облегчается удаление газовых включений и получение однородного расплава. Стекловарение завершается охлаждением (студкой) стекломассы до температуры, при которой она приобрета­ет вязкость, требуемую для выработки стеклоизделий.

Формование изделий производится различными методами: вы­тягиванием, литьем, прокатом, прессованием и выдуванием. Формо­вание листового стекла производится путем вертикального или гори­зонтального вытягивания ленты из расплава (рис. 6.1), прокатом или способом плавающей ленты (флоат-способ). Метод вытягивания применяют для получения стекла толщиной 2-6 мм. Лента вытяги­вается из стекломассы вращающимися валками машины через ло­дочку (огнеупорный брус с продольной прорезью) или свободной поверхности стекломассы (безлодочный способ).

Флоат-способ является на­иболее совершенным и высо­копроизводительным из всех способов, известных в настоя­щее время. Он позволяет полу­чать стекло с высоким качест­вом поверхности. Особенно­стью способа является то, что процесс формования ленты стекла протекает на поверхно­сти расплавленного олова в результате растекания стекло­массы. Поверхности листового стекла получаются ровными и гладкими и не требуют даль­нейшей полировки.

Отжиг — обязательная операция при изготовлении изделий. При быстром охлаж­дении для закрепления формы изделий в них возникают большие внутренние напряже­ния, которые могут привести даже к самопроизвольному разрушению стеклоизделий.

Закалка — эта операция применяется при получении стекла с повышенной в 4-6 раз при сжатии и 5-8 раз при изгибе прочностью по сравнению с обычным стеклом. Закалка проводится доведением стекла до пластического состояния и затем резким охлаждением по­верхности.

Заключительная обработка изделий включает в себя операции шлифования, полирования, декоративной обработки.

Структура и свойства стекла и стеклоизделий

В процессе производства стекла и особенно на стадии его охла­ждения возникает такая структура, которая может быть охарактери­зована как промежуточная между полной беспорядочностью частиц жидкого расплава и полной упорядоченностью частиц вещества в
кристаллическом состоянии. В стекле наблюдается лишь ближний порядок расположения частиц, что и обусловливает изотропность его свойств.

Плотность обычного строительного силикатного стекла — 2 г/см3. В зависимости от содержания различных добавок стекла специального назначения имеют плотность от 2,2 до 6,0 г/см3.

Плотность теплоизоляционных стеклоизделий меняется в преде­лах 15-600 кг/м3.

Прочность и деформативность стекла. Расчетный теоретиче­ский предел прочности при растяжении стекла составляет 12 ООО МПа, технический — 30-90 МПа, что объясняется наличием в стекле микронеоднородностей, микротрещин, внутренних напряже­ний, инородных включений и др. Предел прочности при сжатии стекла может составлять 600-1000 МПа и более. Предел прочности стеклянных волокон диаметром 4-10 мкм достигает 1000-4000 МПа. Модуль упругости стекол различного состава колеблется в пределах (4,5-9,8)-104 МПа. У стекла отсутствуют пластические деформации.

Хрупкость является главным недостатком стекла, которое плохо сопротивляется удару. Прочность обычного стекла при ударном из­гибе составляет всего 0,2 МПа.

Оптические свойства стекол являются их важными свойствами и характеризуются показателями светопропускания (прозрачности), светопреломлением, отражением и рассеиванием. Обычные сили­катные стекла пропускают всю видимую часть спектра и практиче­ски не пропускают ультрафиолетовые и инфракрасные лучи. Коэф­фициент направленного пропускания света стеклами достигает 0,89.

Теплопроводность стекол меняется от состава в пределах 0,5- 1,0 Вт/(м °С). Теплопроводность теплоизоляционных стеклоизделий составляет 0,032-0,14 Вт/(м °С). Из-за малого значения коэффициен­та температурного расширения (9-10‘6—15* 10"6) обычное стекло имеет относительно малую термостойкость.

Теплоемкость стекол при комнатной температуре составляет 0,63-1,05 кДж/(кг °С).

Звукоизолирующая способность стекла относительно высока. По этому показателю стекло толщиной 1 см соответствует кирпич­ной стене в полкирпича — 12 см.

Химическая стойкость стекла зависит от его состава. Силикат­ное стекло обладает высокой химической стойкостью к большинству агрессивных сред за исключением плавиковой и фосфорной кислот.