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. Стекла подразделяются на природные и искусственные. К природным относят стекла, образованные в процессе деятельности вулканов (извержение магм), например обсидиановое стекло. К искусственным относят стекла и другие плавленые материалы, создаваемые из минеральных силикатных расплавов. Разделяются на следующие группы: стеклянные, каменные, шлаковые, ситаллы и шлакоситаллы.
Состав, структура и состояние стекла
Стекло не имеет определенной структурной химической формулы, в отличие от кристаллических тел. Состав стекол выражают суммой оксидов. В зависимости от вида и назначения строительное стекло содержит оксиды SiО2, Nа2О3; К2О; CaO; MgO; Аl2О3; Fе2О3; SО3; В2O3. Каждый из оксидов в процессе варки играет свою роль в формировании свойств стекла.
Поскольку стекло имеет нулевую пористость, его средняя плотность равна истинной и в зависимости от химического состава меняется в пределах от 2,2 до 7,5 г/см3. Большинство промышленных строительных стекол (оконное, полированное, профильное) имеет плотность 2,5…2,7 г/см3, в частности оконное стекло – 2,55 г/см3. Средняя плотность теплоизоляционных изделий из стекла составляет от 15 до 600 кг/м3.
Свойства стекла
Теплопроводность обычных стекол меняется в пределах от 0,5 до 1,0 Вт/(м·°С), а теплоизоляционных стеклоизделий 0,032…0,14 Вт/(м·°С). Теплоемкость стекол при комнатной температуре составляет 0,63…1,05 кДж/(кг°С). Из-за высокого коэффициента температурного расширения (910-6…1510-6) обычное стекло имеет относительно малую термостойкость.
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.
Звукоизолирующая способность стекла относительно высока. По этому показателю стекло толщиной 1 см соответствует кирпичной стене в полкирпича - 12 см.
Деформативные свойства. У стекла отсутствуют пластические деформации, то есть его разрушение носит абсолютно хрупкий характер, в отличие от всех других строительных материалов. Хрупкость является главным недостатком стекла, которое плохо сопротивляется удару. Прочность обычного стекла при ударном изгибе составляет всего 0,2 МПа. Модуль упругости стекол различного состава колеблется в пределах от 45 000 до 98 000 МПа (у кварцевого стекла 71 400 МПа).
Предел прочности на сжатие для различных видов стекла колеблется от 500 до 2000 МПа, например прочность оконного стекла 900…1000 МПа. На растяжение стекло работает в 15…20 раз хуже, чем на сжатие, поэтому прочность стекол на растяжение является одним из важнейших их механических свойств. При этом расчетный теоретическийпредел прочности при растяжении стекла составляет 12 000 МПа, а реальный (технический) – 30…100 МПа. Объясняется это наличием в стекле микронеоднородностей, микротрещин, внутренних напряжений, инородных включений и др. Особенно опасны повреждения и царапины на поверхности стекла, так как на этих дефектах возникает концентрация и усиление напряжений, разрушающих структуру. Предел прочности стекла при растяжении может быть увеличен химическим травлением поверхностного слоя, его оплавлением, полировкой, закалкой.
Химическая стойкость стекла зависит от его состава. Силикатное стекло обладает высокой химической стойкостью к большинству агрессивных сред за исключением плавиковой и фосфорной кислот.
О технологических свойствах. Важным является свойство стекла в пластичном состоянии принимать любую форму, в том числе вытягиваться в тончайшие нити, что невозможно для гетерогенных по структуре материалов. В строительстве используют стекловолокна диаметром 5…15 мкм, прочность при растяжении которых достигает 4000 МПа.
В целом материалы из стекла и расплавов обладают высокими показателями долговечности, отличными декоративными свойствами. Ведутся исследования в направлении коренного изменения свойств стекла, в частности устранения хрупкости, а также значительного повышения прочностных показателей.
Основы производства стекла
Основные сырьевые материалы – это кварцевый песок SiO2, сода Nа2СО3, доломит СаСО3МgСО3, известняк СаСО3, поташ К2СО3, сульфат натрия Nа2SО4, доменные шлаки, кварцесодержащие материалы, тетраборит кальция, стеклобой и др. Кроме того, вводятся также осветлители, которые способствуют удалению из стекломассы газовых пузырьков (сульфаты натрия и алюминия, калиевая селитра, мышьяковистый ангидрид); глушители, которые делают стекло непрозрачным (криолит, плавиковый шпат, двойной суперфосфат); красители для придания заданного цвета (кобальт - синий, хром - зеленый, марганец - фиолетовый, железо - коричневый и сине-зеленые тона и др.).
Производство строительного стекла состоит из следующих основных операций: подготовка сырьевых материалов; приготовление шихты; варка стекла в ванных или горшковых печах; формование изделий; их отжиг и при необходимости закалка.
Перемешивание измельченных компонентов в строго отдозированных количествах (погрешность не более 1%) производят в смесителях барабанного или тарельчатого типа. Готовую шихту загружают в ванную печь – бассейн, сложенный из огнеупорных материалов, или в горшковую печь. Топливом служит природный газ. При нагревании шихты до 600…900 °С происходит плавление и разложение ее компонентов с образованием оксидов натрия, калия, кальция, магния и выделением большого количества углекислого газа.
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 SiO2 и Аl2О3 - 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 вытягиванием, литьем, прокатом, прессованием и выдуванием. Формование листового стекла производится путем вертикального или горизонтального вытягивания ленты из расплава, прокатом или способом плавающей ленты (флоатспособ).
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.
Номенклатура изделий из стекла
1. Листовое стекло. Используется для остекления оконных и дверных проемов, витрин и внутренней отделки зданий. Листовое стекло подразделяется на: оконное; витринное; узорчатое; армированное; закаленное; многослойное (триплекс); увиолевое; теплопоглощающее и теплоотражающее; электропроводящее; поглощающее рентгеновские и радиоактивные лучи.
2. Архитектурно-строительное стекло
а) Светопрозрачные строительные изделия и конструкции изделия являются эффектив-
ным светопрозрачным строительным материалом для наружных и внутренних ограждений в жилых, общественных и промышленных зданиях и для остекления оконных проемов. В строительстве применяются: стеклоблоки, стеклопрофилит, стеклопакеты, стеклобетонные конструкции и стеклянная черепица.
б) Облицовочные изделия из стекла используют для облицовки стен многих зданий. К
ним относятся: цветное листовое стекло, стемалит, марблит, стекломрамор, стеклоплитка, эмалированная плитка, коврово-мозаичная плитка, смальта, стеклокрошка, пенодекор, порокерамзит, сигран, стекло-кристаллит, стеклокерамит, стеклокремнезит.
3. Пеностекло
Получается путем вспучивания при температуре размягчения размолотого стекла, смешанного с газообразователем (древесный уголь, известняк и др.). Пеностекло хорошо обрабатывается, склеивается, гвоздится, воздухопроницаемо и негигроскопично. Плотность пеностекла 15…700 кг/м3, коэффициент теплопроводности 0, 04-0,15 Вт/(м·°С), предел прочности при сжатии 0,1-15 МПа. Изготавливается в виде блоков 475400120 мм для тепловой изоляции строительных конструкций, промышленного оборудования, холодильников, и гранул в качестве особо легкого (насыпная плотность - 100-150 кг/м3) заполнителя в легких бетонах.
4. Стеклянное волокно и изделия из него - непрерывные нити (получают вытягиванием из расплава) для изготовления стеклопластиковых труб и резервуаров методом намотки на соответствующие оправки; стеклоткань для изготовления стеклотекстолитов на полимерном связующем, а также в строительстве при теплоизоляции трубопроводов; стекловолокнистый холст (тонкий листовой материал из переплетенных непрерывных волокон, скрепленных синтетическим связующим) для изготовления гидроизоляционных и кровельных материалов, в частности, стеклорубероида; рубленное стекловолокно (как армирующий элемент в бетонах и растворах) и стекловата(получают из алюмосиликатных расплавов с содержанием Al2O3 не менее 45%).
5. Стеклянные трубы
6. Техническое стекло (жаростойкое, химико-лабораторное, медицинское, светотехническое, кварцевое и др.) и эмали.
Ситаллых, шлакоситаллы и ситаллопласты
Ситаллы представляют собой стеклокристаллические материалы, полученные из стеклянных расплавов путем их полной или частичной кристаллизации. По структуре ситаллы представляют собой композиционные материалы со стекловидной аморфной непрерывной фазой – матрицей, наполненной мелкими (1-2 мкм) кристаллами. Толщина прослоек стеклофазы не превышает десятых долей микрона. Объем кристаллической фазы в ситаллах достигает 9095 %. Обладая поликристаллическим строением (аналог металла), ситаллы, сохраняя положительные свойства стекла, лишены его недостатков: хрупкости, малой прочности при изгибе, низкой теплостойкости. По своим физико-техническим свойствам ситаллы выдерживают сравнение с металлами.
Твердость ситаллов приближается к твердости закаленной стали. Термостойкость изделий из ситалла достигает 1100 °С. Ситаллы обладают высокой стойкостью к воздействию сильных кислот (кроме плавиковой) и щелочей. Отдельные виды ситаллов отличаются жаростойкостью и способностью паяться со сталью. Прочность ситаллов при сжатии - до 500 МПа. По внешнему виду ситаллы могут быть темного, серого, коричневого, кремового, светлого цветов, глухие и прозрачные. Сырьем для производства ситаллов являются те же природные материалы, что и для стекла, но к чистоте сырья предъявляются очень высокие требования. Кроме того, в расплав вводят добавки, катализирующие кристаллизацию при последующей термообработке. В качестве катализаторов кристаллизации применяют соединения фторидов или фосфатов щелочных и щелочноземельных металлов. Технология производства изделий из ситаллов не отличается от технологии производства изделий из стекла. Требуется лишь дополнительная термическая обработка стекла в кристаллизаторе.
В строительстве ситаллы используются для устройства полов промышленных цехов, в которых могут быть проливы кислот, щелочей, расплавов металлов, а также движение тяжелых машин.
Шлакоситаллы являются разновидностью ситаллов, производство которых получило наиболее широкое развитие. Это стеклокристаллические материалы, получаемые путем управляемой кристаллизации стекла, полученного на основе металлургических шлаков, кварцевого песка и некоторых добавок. Шлакоситаллы намного дешевле технических ситаллов.
Ситаллопласты - материалы, изготовляемые на основе фторопластов и ситаллов, отличаются более высокой химической стойкостью и износостойкостью, чем каждый из компонентов в отдельности. Применяются для изготовления изделий, работающих в условиях, где ни ситаллы, ни фторопласт не удовлетворяют по износостойкости к химическому сопротивлению.
Что бы оставить комментарий войдите
Комментарии (0)