Состав, структура, свойства и получение строительного стекла

Виды керамических строительных изделий

Информация о видах и разновидностях материалов, а также сведений из ГОСТов не является предметом изложения на лекциях. На лекциях следует излагать то, «где есть что понимать» (мысль выдающегося педагога Константина Дмитриевича Ушинского).

Наиболее сжато информация о видах керамических строительных изделий изложена в нашем учебном пособии: В.Н.Андреев, В.М.Зверев, Б.Н.Мельков. Материаловедение. – СПб: изд-во СПбГПУ, 2004, стр.19-23. Разумеется, можно пользоваться и любыми другими учебниками и пособиями.

Стеклом называют аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплавов (без кристаллизации). Стеклами называют все тела, полученные таким образом, независимо от химического состава и температурной области затвердевания расплава. Стекло образуется, если при охлаждении расплава вязкость его повышается настолько, что кристаллизация становится невозможной. Из-за большой вязкости стекло приобретает свойства твердого тела, оставаясь по признакам атомно-молекулярного строения жидкостью. В стекле, как и в жидкостях, существует так называемый ближний порядок в расположении частиц, в то время как в твердых кристаллических телах – дальний порядок (есть определенное расстояние между частицами – параметр решетки; начиная отсчет этого расстояния от одной частицы сколь угодно много раз, всегда будем попадать на очередную частицу – атом или ион).

У стекла, в отличие от кристаллических тел, отсутствует точка плавления. При нагревании оно постепенно размягчается вплоть до образования расплава, при охлаждении снова затвердевает.

Химический состав неорганических стекол выражается в пересчете на оксиды. Это означает, что записанных в составе стекла оксидов нет в свободном состоянии, они связаны в соединения.

В строительстве используются исключительно силикатные стекла, где главным, так называемым стеклообразующим оксидом, является SiO₂. Более 90 % строительного стекла – это оконное стекло. Примерный химический состав оконного стекла: SiO₂ – 70… 73 %; Na₂O – 13… 15 %; СаО – 8… 10 %; MgO – 1… 4 %; Al₂O₃ – 0.5… 1 %; K₂O – до 1 %; SO₃ – до 0,5 %; Fe₂O₃ – не более 0,1 % [стоит запомнить первые три оксида]

От оконного стекла отличаются по химическому составу цветные стекла (окрашенные в массе). Синее стекло содержит кобальт, зеленое – хром, ярко-желтое – кадмий (в перечисленных случаях в стекле содержится, конечно, не металл, а его соединения). Металлы, распределенные в стекле в виде коллоидных частиц, также придают стеклам окраску: золото дает рубиновое (красное) стекло, серебро – золотисто-желтое, селен – розовое, медь – голубое.

Кроме прозрачных стекол, существуют и непрозрачные – глушеные. Для глушения стекла при его получении добавляют плавиковый шпат, криолит, суперфосфат и др.

По макро- и микроструктуре стекло – абсолютно непористый аморфный материал (поризуют только специальное теплоизоляционное пеностекло). На атомно-молекулярном уровне стекло – смесь незакристаллизовавшихся силикатов натрия, кальция, калия и др. элементов, указанных в составе. В теме «Минералы и горные породы» отмечалось, что в структуре кристаллических силикатов существуют анионы – цепочки кремнекислородных тетраэдров, между которыми удерживаются электростатическими силами (ионными связями) катионы металлов. Отличие строения стекла лишь в том, что в нем нет упорядоченных цепей и колец из кремнекислородных анионов, есть только короткие «обрывки» этих цепей.

Из свойств отметим сначала те, которые отличают стекло от других материалов. Это, прежде всего, хрупкость. У стекла отсутствуют пластические деформации, закон Гука выполняется вплоть до момента разрушения. Стекло имеет малое сопротивление ударному изгибу – всего 0.2 МПа. Прозрачность стекла характеризуется коэффициентом светопропускания, который для оконного стекла составляет 90... 92 %. Оконное стекло не пропускает ультрафиолетовые лучи. В соляриях, медицинских учреждениях можно использовать специальное увиолевое стекло, которое практически не содержит в своем составе железа и пропускает до 25 % ультрафиолета. Повышенное содержание железа, например, в теплозащитном стекле способствует задерживанию не только ультрафиолетового, но и инфракрасного (теплового) излучения.

Механические свойства листового стекла: предел прочности при растяжении 30... 90 МПа, при сжатии – 600... 1000 МПа, твердость 5... 7 по шкале Мооса.

Теплопроводность стекла 0,5... 1 Вт/м.К. Из-за малого коэффициента линейного температурного расширения стекло имеет малую термостойкость. Стекло обладает неплохой звукоизолирующей способностью. По этому показателю стекло толщиной 1 см соответствует кирпичной стене в полкирпича – 12 см.

Получение стекла – сложный высокотемпературный энергоемкий процесс - осуществляется на стекольных заводах. Сырьем для получения оконного стекла служат три основных материала: чистый кварцевый песок (в составе песка дает главный стеклообразующий оксид SiO₂), сода Na₂CO₃, мел CaCO₃ (эти вещества при варке стекла выделяют СО₂, способствуют осветлению стекломассы). Другие сырьевые материалы также дают в составе стекла вещества, регулирующие определенные технологические, физические или механические свойства стекла.

Различают листовое стекло и стеклоизделия. Технологический процесс их производства отличается, прежде всего, способом формования. Для листового стекла используется вытягивание и прокатка, для стеклоизделий применяют также формование методами прессования, штамповки, отливки, выдувания.

Получение листового стекла складывается из следующих основных операций:

• подготовка сырьевой шихты (дробление и смешивание измельченных компонентов сырья);
• расплавление шихты в стекловаренных печах при температуре около 1500˚С и варка до полного выделения газов и осветления стекломассы;
• формования листа путем непрерывного вытягивания ленты и отрезания в конце при остывании листов требуемого размера;
• термическая, механическая или химическая обработка стекла с целью придания ему определенных свойств.

Вытягивание заключается в том, что стекломасса тянется за приставленной к ней рамкой, подхватывается роликами, между которыми и катится постепенно остывающий лист. При прокатке стекломасса выливается в желоб с плоским дном, имеющий ширину листа и прокатывается валиком до требуемой толщины. Интересен флоат-способ прокатки, при котором дно желоба представляет собой расплавленный металл. Поверхность стекла, соприкасающаяся с металлом, получается абсолютно гладкой, не требующей полировки. Прокаткой получают толстое витринное стекло.

К термической обработке стекла относят отжиг и закалку. Отжигу подвергают все виды стекла. Он заключается в медленном охлаждении по заданному режиму с целью снятия внутренних напряжений. Неотожженное листовое стекло растрескивается при попытке разрезать его на более мелкие листы. Закалка заключается в быстром охлаждении стекла, предварительно подогретого до 600... 650˚С. Закаленное стекло выдерживает падение стального шара весом 800 г с высоты одного метра. При разрушении оно дает неострые осколки.

К механической обработке некоторых видов стекла относят шлифовку и полировку. К химической обработке можно отнести, например, травление растворами плавиковой кислоты для создания непрозрачного рисунка на стекле или просто для получения матовой поверхности.