|
|
6.1.1. Составы и основные свойства
стекла
В строительстве применяются различные виды листового и
строительно-архитектурного стекла, в промышленности и других отраслях
народного хозяйства широко используются разнообразные виды технического
стекла: оптическое, кварцевое, светотехническое, закаленное листовое,
триплекс — трехслойное, гнутое — моллированное, химико-лабораторное,
медицинское, электродное, специальные стекла для атомной техники и др.
Основным видом стекла, используемым в строительстве, является оконное
листовое, по объему производства которого наша страна занимает первое место в
мире, выпуская ежегодно около 250 млн. м2.
Свойства стекла определяются прежде всего составом
входящих в него оксидов. Главными стеклообразую- щими оксидами являются
оксиды кремния, фосфора и бора, в соответствии с чем стекла называют
силикатными, фосфатными или боратными. Подавляющее большинство промышленных
стекол является силикатными. Фосфатные стекольные расплавы применяют в
основном для производства оптических, электровакуумных стекол, боратные — для
специальных видов стекол (рент- генопрозрачных, реакторных и др.). Смешанные
боро- силикатные стекла применяют для изготовления оптических и термически
устойчивых стеклоизделий.
Химический состав стекол в значительной степени влияет на
их свойства. Строительное стекло содержит 71,5—72,5% Si02, 1,5—2% А1203,
13—15 % Na20, 6,5— 9 % СаО, 3,8—4,3 % MgO и незначительное количество других
оксидов (Fe203, К2О, S03). Увеличение содержания оксидов А120З, СаО, ZnO,
В20з, ВаО повышает прочность, твердость, модуль упругости стекла и снижает
его хрупкость. Повышенное содержание Si02, А120з, В20з, Fe203 увеличивает
теплопроводность. Окси-ды щелочных металлов, а также СаО, ВаО повышают
температурный коэффициент линейного расширения, a Si02, Al203, ZnO, В203,
Zr02 уменьшают его. Введение в состав стекла оксида свинца взамен части Si02
и Na20 вместо К20 приводит к повышению блеска и световой игры, что позволяет
получать хрустальные изделия. Добавки фторидов и пятиокиси фосфора уменьшают
свето- прозрачиость стекол, позволяют получать «глушеные», непрозрачные
стеклоизделия. Таким образом, варьирование химического состава стекол
позволяет изменять их свойства в нужном направлении в соответствии с областью
их использования.
Стекло как строительный материал обладает целым рядом
ценных качеств, не свойственных другим материалам, и прежде всего,
светопрозрачностью при высокой плотности и прочности, в связи с чем оно
является незаменимым материалом для светопроемов.
Плотность обычного строительного стекла составляет 2,5
т/м3. С увеличением содержания оксидов металлов с низкой молекулярной массой
(В20з, 1Л0г) плотность стекла понижается до 2,2 т/м3, с увеличением
содержания оксидов тяжелых металлов (свинца, висмута и др.) плотность
повышается до 6 т/м3 и более.
Прочность при сжатии стекла достигает 700—1000 МПа,
прочность при растяжении значительно ниже — 30—80 МПа. Прочностные показатели
изделий из стекла зависят не только от состава, но и от целого ряда других
факторов: способа получения, режима тепловой обработки, состояния
поверхности, размеров изделия. Низкая прочность стекла при растяжении и
изгибе обусловлена наличием на его поверхности микротрещин,
микронеоднородностей и других дефектов. Теоретическая прочность стекла при
растяжении, рассчитанная различными способами, достигает 10000 МПа.
Для повышения прочности стекол применяют различные
технологические приемы: повышение температуры отжига, закалку, травление и
комбинированные методы, покрытие поверхности различными пленками, микрокрн-
сталлизация, армирование, триплексование и др. При травлении стекла
плавиковой кислотой происходит растворение поверхностного слоя и удаление
наиболее опасных дефектов, в результате чего прочность стекла повышается в
3—4 раза и более. Закаливание отожженных стекол увеличивает прочность в 4—5
раз. Комби
нированные способы закалки и травления позволяют
значительно повысить прочность стекла (до 800—900 МПа). Упрочнение стекла
после травления путем нанесения силиконовой пленки приводит к повышению
прочности стекла в 5—10 раз.
Термохимический способ упрочнения стекол заключается в
закалке с последующей обработкой кремнийорга- пической жидкостью, что
позволяет получить закаленное стекло с защитной кремнекислородной пленкой и
прочностью при изгибе до 550—570 МПа.
На прочность стекла при растяжении и изгибе в значительной
мере влияет размер изделия. Так, прочность на растяжение стеклянного волокна
диаметром Ю-3 мм достигает 200—500 МПа, что значительно выше показателей для
массивного стекла. Воздействие длительных нагрузок снижает прочность стекла
примерно в 3 раза, после чего значение этого показателя стабилизируется.
Наступает так называемое явление усталости стекла, которое обусловлено
влиянием окружающей среды, и прежде всего воды. Прочность стекла изменяется с
изменением температуры. Стекло имеет минимальную прочность при +200 °С,
максимальную при —200 °С и +500 °С. Увеличение прочности при понижении
температуры объясняют уменьшением действия поверхностно- активных веществ
(влаги), а при высоких температурах (до 500 °С) возможностью появления
пластических деформаций.
Модуль упругости стекол лежит в пределах 45000— 98000 МПа.
Отношение модуля упругости к прочности при растяжении (Е/Rp) — так называемый
показатель хрупкости стекла — достигает 1300—1500 (у стали он составляет
400—450, у резины — 0,4—0,6). Чем больше показатель хрупкости материала, тем
при меньшей деформации напряжение в материале достигает предела прочности.
Стекла являются типично хрупкими материалами. Они
практически не испытывают пластической деформации и разрушаются, как только
напряжение достигает предела упругой деформации. Хрупкость стекла — величина
обратная ударной прочности. Ударная прочность при изгибе обычного стекла
составляет 0,2 МПа, закаленного — 1—1,5 МПа. Хрупкость можно снизить
увеличением содержания в стекле оксидов В203, А1203, MgO, а также закалкой
стекол, травлением кислотой и другп-
ми способами его упрочнения. Твердость обычных силикатных
стекол составляет 5—7 по шкале Мооса. Кварцевое стекло и боросодержащие
малощелочные стекла имеют большую твердость.
Теплоемкость промышленных стекол колеблется в пределах
0,3—1,1 кДж/(кг-°С), увеличиваясь с повышением температуры и содержания
оксидов легких металлов.
Теплопроводность обычных стекол невысока, при температуре
до 100 °С она составляет 0,4—0,88 Вт/(м-°С). Наибольшая теплопроводность у
кварцевых стекол — 1,34 Вт/(м-°С), а наименьшая — у стекол с большим
содержанием щелочи.
Температурный коэффициент линейного расширения обычных
строительных стекол сравнительно невысок, он лежит в пределах (9—15) • Ю-6
°С-1, увеличиваясь с повышением содержания в стекле щелочных металлов.
Наименьший температурный коэффициент линейного расширения у кварцевого
стекла: 5- 10^7°С-1.
Термостойкость стекол определяется совокупностью
термических свойств (теплоемкостью, теплопроводностью, температурным
коэффициентом линейного расширения), а также размерами и формой изделия.
Кварцевые и боросиликатные стекла имеют наибольшую термостойкость.
Тонкостенные изделия более термостойки, чем толстостенные.
Электрические свойства стекла оцениваются объемной и
поверхностной электропроводностью. Электропроводность определяет возможность
применения стекол в качестве изоляторов и учитывается при расчете режимов
работы стекловаренных электропечей. При нормальной температуре объемная
электрическая проводимость стекол мала (Ю-13—Ю-15) Ом_1-см-1. С возрастанием
температуры она повышается. Увеличение содержания в составе щелочных оксидов,
особенно оксида лития, повышает электропроводность стекол. Закалка стекол
приводит к увеличению их электропроводности, кристаллизация — к ее
уменьшению.
Стекло обладает уникальными оптическими свойствами:
светопропусканием (прозрачностью), светопреломлением, отражением,
рассеиванием. Светопропускание стекла достигает 92 %. Оно находится в прямой
зависимости от его отражающей и поглощающей способности. Показатель
преломления для обычных строительных стекол составляет 1,46—1,51. Он
определяет светопро- пусканне стекол при разных углах падения света. При
изменении угла падения света с 0° (перпендикулярно плоскости стекла) до 75°
светопропускание уменьшается с 92 до 50 %. Коэффициент отражения может быть
снижен или увеличен путем нанесения на поверхность стекла специальных
прозрачных пленок определенной толщины и с меньшим или большим показателем
преломления, избирательно отражающих лучи с определенной длиной волны.
Поглощающая способность стекла в значительной степени
зависит от его химического состава, увеличиваясь с повышением содержания
оксидов тяжелых металлов, и от толщины изделий. Многие специальные виды
стекол (например, солнцезащитные) отличаются значительным светопоглощением—до
40 %.
Обычные силикатные стекла хорошо пропускают всю видимую
часть спектра и незначительную часть ультрафиолетовых и инфракрасных лучей.
Поглощение ультрафиолетовой области спектра достигается
увеличением содержания в стекле оксидов титана, свинца, хрома, сурьмы,
трехвалентного железа и сульфидов тяжелых металлов. Поглощение инфракрасной
области спектра достигается при окраске стекла Fe2+ и Сг2+. Кварцевые стекла
хорошо пропускают коротковолновую инфракрасную и ультрафиолетовую области
спектра, а сернистомышьяковые стекла — длинноволновые инфракрасные излучения.
Для пропускания ультрафиолетовых лучей содержание оксидов железа, титана и
хрома в стекольной шихте должно быть минимальным. Стекла, пропускающие
рентгеновские лучи, содержат оксиды легких металлов — L20, ВеО, В20з. Таким
образом, изменяя химический состав стекол и применяя различные
технологические приемы, можно получать специальные виды стекол с солнце- и
теплозащитными свойствами, предопределяющими теплотехнические и
светотехнические показатели светопрозрачных ограждений.
Химическая устойчивость стекол характеризует их
сопротивляемость разрушающему действию водных растворов, атмосферных
воздействий и других агрессивных сред. Силикатные стекла отличаются высокой
стойкостью к большинству химических реагентов, за исключением плавиковой и
фосфорной кислот. Химическая устойчивость силикатных стекол объясняется
образованием при воздействии воды, кислот и солей защитного нерастворимого поверхностного
слоя из гелеобразной крем- некислоты — продукта разложения силикатов.
|