Портал о строительстве и ремонтных работах

Архивы за Сентябрь 2015

8.1. Общие сведения

Вяжущие вещества (В В) подразделяются на органические и минеральные. Объединение их в группу ВВ возможно благодаря единственному общему признаку — и те, и другие используются для получения связующих веществ в композиционных материалах. Больше они не имеют ничего общего. К органическим ВВ относят­ся битумы, дегти, полимеры. Эти вещества правильнее было бы называть связующими, так как многие из них (битумы, дегти, термопластичные полимеры) способны связывать наполнители без добавления других веществ и изменения химического состава, чего нельзя сказать о минеральных ВВ. Органические ВВ классифици­руются обычно по происхождению.

Минеральные ВВ подразделяются на воздушные, требующие су­хих условий твердения, и гидравлические, твердеющие как на воздухе, так и в воде. К воздушным относятся гипсовые и магне­зиальные ВВ, воздушная известь и ВВ на основе жидкого стекла; к гидравлическим — романцемент, гидравлическая известь, порт­ландцемент, его виды и разновидности, глиноземистый и расши­ряющиеся цементы.

Общими классификационными признаками минеральных ВВ являются:

1) порошкообразное состояние;

2) потребность в воде (иногда с добавками) для получения связующего;

3) способность отвердевать в результате химического взаимо­действия с водой (гидратации);

4) единство сырьевой базы (горные породы, отходы производ­ства);

5) единство технологических операций (обжиг, помол).

Стеклокристаллические материалы (СКМ) получают из твер­дого стекла путем управляемой частичной кристаллизации. Благо­даря разнообразной цветовой гамме и текстуре их применяют при отделке зданий и сооружений. Они имеют высокую прочность и долговечность, абсолютно устойчивы к выцветанию, негорючи.

По соотношению между кристаллической и стеклообразной фазами СКМ можно подразделить на две группы. Первую группу составляют авантюриновые стекла, стекломрамор, стеклокристал — лит и стеклокремнезит, в структуре которых преобладает стекло — фаза, а кристаллические образования — мелкие, равномерно рас­пределенные в ней. Вторую группу представляют ситаллы, в том числе шлакоситалл, а также сигран и неопариэс, в которых коли­чество кристаллической фазы (волластонита, анортита, пироксе — нов и др.) составляет более 50…60%.

Авантюриновые стекла — цветные стекла, обладающие эффек­том мерцания за счет мелких кристаллических включений соеди­нений хрома, железа, меди.

Стекломрамор — непрозрачное цветное стекло с мраморовид­ным рисунком.

Стеклокристаллит и стеклокремнезит получают путем спека­ния различных по составу и дисперсности гранул стекла с приме­нением наполнителей, порообразователей и других добавок.

Стеклокремнезит состоит из трех слоев: верхнего (декоратив­ного) — из цветного стекла; среднего (основного) — из глушено­го стекла; нижнего (с повышенной адгезией к цементному ра­створу) — с добавкой к стеклу кварцевого песка.

Ситаллы, известные под названиями «пирокерам» и «фотоке — рам» (США), «витрокерам» (ФРГ), «стеклокерам» (Великобрита­ния), «минельбит» (Венгрия), «девитрокерам» (Япония), по сво­ей природе и технологии получения занимают промежуточное положение между обычным стеклом и керамикой. Они отличают­ся от стекла тем, что имеют микрокристаллическое строение, а от керамики тем, что производятся из расплава сначала в стекло­образном (прозрачном), а затем в закристаллизованном виде.

Процесс кристаллизации обычных стекол является неуправля­емым и приводит к образованию неоднородной крупнокристал­лической структуры, имеющей пониженные прочность и термо­стойкость.

При введении в состав стекол веществ, способных образовы­вать центры (зародыши) кристаллизации (например, фторидов и фосфатов щелочных или щелочноземельных металлов, Ti02, Zr02, FeS и др.), получаются материалы высокого качества с однород­ной микрокристаллической структурой.

Зародышеобразователь (катализатор кристаллизации, или нук- леирующий агент) растворяют в расплаве стекла при температуре выше интервала, в котором происходит заметный рост кристал­лов. При охлаждении расплав переходит в стеклообразное состоя­ние, а катализатор выделяется равномерно по всему объему в виде субмикроскопических образований, которые могут содержать всего несколько атомов, а в 1 мм3 стекла образуются биллионы таких центров кристаллизации. После этого стекло повторно нагревают до определенной температуры и выдерживают в течение време­ни, необходимого для зарождения и роста кристаллов под дей­ствием катализатора.

Некоторые катализаторы (CdS, NaF, NaAlF6, NaSiF6) остаются в растворе при начальном охлаждении стекла, но выделяются в процессе повторного нагревадо нужной температуры. Часто нагрев ведут ступенями с выдержкой на каждой из них. На низшей ступе­ни происходит образование зародышей, а на высшей — развитие основных кристаллических фаз. Температура этого процесса не дол­жна вызывать размягчения стекла, иначе изделия деформируются. Содержание кристаллической фазы в таких материалах составляет 50… 95 %, а размеры кристалликов составляют от 400 А до 2 мкм.

Если кристаллы достаточно крупные (до 1 мкм и более), то стеклокристаллические материалы непрозрачны. При субмикрос­копических размерах кристаллов образуются прозрачные и полу­прозрачные (опаловые) разновидности светлых оттенков.

Прочность и твердость ситаллов значительно выше прочности и твердости исходного стекла, что объясняется наличием в их струк­туре равномерно распределенной по объему микрокристалличе­ской фазы, образующей жесткий каркас и выполняющей функ­цию упрочняющей арматуры. Стеклообразная фаза по аналогии с композиционными материалами играет роль связующего веще­ства. Предел прочности ситаллов при изгибе колеблется от 150 до 500 МПа, а модуль Юнга — от 8,8 ■ 104 до 14 ■ 104 МПа, что в 2 раза выше, чем у стекла.

Шлакоситалл — облицовочный материал из металлургических шлаков в виде листов и плит белого, темно-серого или черного

цвета. Цветные изделия получают нанесением на поверхность шла- коситалла керамических глазурей, закрепляемых обжигом.

Листовой шлакоситалл применяется для наружной и внутрен­ней облицовки стен, устройства полов, а также при производстве слоистых навесных панелей для стен и перегородок.

Сыгран — декоративный материал, напоминающий гранит, мрамор, яшму. Структура сиграна образована стеклофазой с вкрап­лениями сферолитоподобных кристаллических образований раз­мером до 1 см. Получают сигран различного цвета, с различным тоном окраски сферолитов и окружающей их стеклофазы.

Неопариэс (Neoparies и Neoparies-light), созданный в Японии фирмой Nippon Electric Glass, получают из стеклянных гранул размером 1…7 мм волластонитового состава спеканием и после­дующей кристаллизацией. Образующиеся при кристаллизации игольчатые кристаллы волластонита создают мраморовидный ри­сунок, проявляющийся при шлифовке и полировке поверхности изделий. Количество кристаллической фазы в материале составля­ет примерно 40 %. Материал окрашивают в различные цвета.

Пеностекло. Пеностекло получают спеканием тонкомолотого стекла, смешанного с небольшим количеством (1…5%) кокса или карбонатных пород, выделяющих газообразные продукты при температуре размягчения стекла и вспенивающих массу. В качестве сырья могут использоваться стекловидные горные породы (тра­хит, обсидиан, вулканический туф) или стеклянный бой. Тогда в технологическом процессе отсутствуют варка стекломассы и ее грануляция. Температура обжига зависит от состава сырья и со­ставляет обычно 600… 1 000°С. Повышение температуры при об­жиге осуществляется быстро (за 2…3 ч), а охлаждение медленно (до 20 ч). Медленное охлаждение (отжиг) исключает возникнове­ние внутренних напряжений. Охлажденные изделия распиливают и оправляют на циркульных пилах.

Плотность пеностекла составляет 150…700 кг/м3; коэффици­ент теплопроводности — 0,05…0,17 Вт/(м • °С); предел прочности при сжатии — 1… 15 МПа. Пеностекло может иметь значительное водопоглощение (5… 15%), поэтому в конструкциях его гидро — изолируют.

Пеностекло легко обрабатывается, склеивается вяжущими, обладает гвоздимостью. Получают также окрашенное пеностекло (черное, серое, фиолетовое, зеленое, синее), которое использу­ют для декоративно-акустических целей в виде облицовочных плит (иногда перфорированных). Недостатком пеностекла является его высокая стоимость.

Минераловолокнистые утеплители. В строительной практике принято различать минеральную вату, получаемую из шлаков или горных пород, и стекловату. По технологии получения и свой­ствам стеклянная и минеральная ваты имеют много общего. Сы­рьем для производства волокнистых утеплителей служат горные породы, металлургические доменные шлаки и стеклянная ших­та.

К горным породам, используемым при производстве минераль­ной ваты, относятся наименее кислые из магматических горных пород: габбро, диабаз, базальт.

Доменные шлаки являются побочным продуктом при получе­нии чугуна и состоят в основном из силикатов и алюмосиликатов кальция и магния. Их химический состав характеризуется содер­жанием следующих оксидов: CaO, MgO, Si02 А1203, Fe203 и др.

Шлаковую вату получают также из ваграночных, мартеновских шлаков и шлаков цветной металлургии.

Стеклянная шихта состоит из того же сырья, что и шихта для обычного стекла, с добавлением стеклобоя (отходов стекла).

Волокна минеральной ваты обычно имеют длину от 2 до 10 мм, их диаметр не превышает 8 мкм. Содержание неволокнистых вклю­чений (корольков), к которым относятся частицы размером более 0,25 мм, может составлять в зависимости от марки ваты не более

12.. .25 %. Максимальная температура эксплуатации минеральной ваты (без связующего) не должна превышать 600 °С, чтобы не произошло ее размягчения.

Стекловолокно бывает непрерывным и штапельным (длиной до 2 м). Непрерывное стекловолокно используют для получения армирующих наполнителей для пластмасс и других материалов в виде стеклянных нитей, ровингов, стеклотканей, стеклошпона и др. Для текстильной переработки применяют волокна диаметром

3.. .14 мкм. Теплоизоляционные изделия изготавливают преиму­щественно из штапельного стекловолокна, которое в зависимос­ти от диаметра подразделяется на микротонкое (менее 0,5 мкм), ультратонкое (0,5… 1,0 мкм), супертонкое (1…3 мкм), тонкое (3…11 мкм), утолщенное (11…20 мкм) и грубое (более 20 мкм).

Свойства стекловаты немного отличаются от свойств минераль­ной ваты. Стекловата обладает повышенной упругостью и не уплот­няется при вибрации, содержит очень мало неволокнистых включе­ний. Некоторые виды стекломатов при упаковке в рулоны сжимают до 75…40% от исходного объема. После распаковки стекловата благодаря упругости восстанавливает первоначальную толщину. Прочность стекловолокон на растяжение (Rp = 20…25 МПа) выше, чем минеральных, а температуростойкость (450 °С) ниже. Плот­ность и теплопроводность практически такие же, как у мине­ральной ваты.

Переработка расплава в волокно производится различными способами при обязательном условии стеклообразного (не крис­таллического) состояния волокон. Для этого расплав при вытяги­вании волокон подвергают очень быстрому охлаждению в течение (7… 10) 10-4 с. Способность расплава к волокнообразованию оп­ределяется в основном его вязкостью и поверхностным натяже­нием. Высокое поверхностное натяжение расплава способствует образованию корольков — каплевидных включений в минераль­ной вате. Высокая вязкость затрудняет переработку расплава в во­локна.

Оксиды Si02 и А1203 повышают, а CaO, MgO, Fe203 понижают вязкость расплава. Оксиды А1203, Fe203 повышают его поверхност­ное натяжение. Главным критерием при подборе компонентов шихты является модуль кислотности, равный отношению содержа­ния, %, кислотных оксидов к содержанию основных: Мк = (Si02 + + А1203)/(Са0 + MgO). При Мк < 1 сырье называют основным, а при Мк >1 — кислым.

С повышением Мк повышается водостойкость и химическая стойкость минеральной ваты. Минеральная вата Rockwool и Рагос, получаемая из горных пород, имеет Мк> 2. У шлаков Мк = 0,90… 1,16, поэтому к шлакам добавляют корректирующие компоненты. Шла­ковая вата менее долговечна, чем каменная.

Хорошей волокнообразующей способностью расплавы облада­ют при вязкости 5… 20 Па • с. Шлаковое сырье обеспечивает полу­чение указанной вязкости при температуре около 1 400 °С, а гор­ные породы — при температуре около 1 500 °С.

При дутьевом способе получения волокна вытекающая вниз из фильеры (отверстия) струя расплава раздувается на тонкие нити (2… 10 мкм) двумя встречными струями пара или воздуха, на­правленными вниз под углом к струе.

При центробежном способе струя жидкого расплава поступает на быстровращающийся (со скоростью 10 000 мин-1) диск цент­рифуги и под действием центробежной силы сбрасывается с него, распыляясь в волокна.

При центробежно-валковом способе расплав с температурой около 1 400 °С, вытекая из фильеры, проходит через систему го­ризонтальных вращающихся валков. Попадая на край верхнего вал­ка, расплав отбрасывается на расположенный ниже валок — и так несколько раз.

Центробежно-дутьевой способ сочетает в себе центробежное диспергирование расплава с последующим раздувом в волокна.

При центробежно-фильерно-дутьевом способе расплав поступа­ет в чашу вращающейся центрифуги, имеющей большое количе­ство отверстий диаметром 0,2… 2,0 мм. Под действием центробеж­ной силы расплав продавливается через отверстия и отбрасывает­ся в виде тонких струек, которые раздуваются в волокна. При этом способе получают практически бескорольковую вату с диаметром волокон 1 …2 мкм.

Способ раздува первичного волокна позволяет получать штапель­ное стеклянное волокно диаметром 0,2…0,6 мкм. Первичные во­локна вводят вдоль направления движения газового потока (рис. 7.6). Двухсекционная камера сгорания 3 снабжена водоохлаждае­мыми соплами с щелями размером 3×200 мм. Угол между направ­лением оси щели сопла и первичными волокнами составляет 8°. Первичные волокна диаметром 90… 140 мкм вытягиваются со ско­ростью 7,7 см/с валками 9 и подаются в камеру раздува. По мере удаления от сопла температура падает, а вязкость расплава растет. На расстоянии 15 и 40 мм температура составляет соответственно 1430 и 940°С, вязкость — 22,4 и 501 Па-с. Диаметр вторичных волокон зависит от скорости газового потока, скорости подачи и диаметра первичных волокон.

Изделия из минеральной ваты подразделяются на штучные (пли­ты, цилиндры, полуцилиндры, сегменты), рулонные (маты про­шивные и на синтетическом связующем), шнуровые (шнуры, жгуты) и сыпучие (гранулированная вата).

Связующие вещества, применяемые для получения минерало­ватных изделий, — это в основном битумы и синтетические смо­лы. Наиболее широко применяют фенолоформальдегидные и кар­бамидные смолы и поливинилацетатную эмульсию. Более пред­почтительным является фенольное связующее, поскольку карба­мидное связующее обладает меньшей водостойкостью.

Материалы горизонтально-слоистой структуры. Полученные во­локна (см. рис. 7.6), увлекаемые потоком воздуха, прокачиваемого сверху вниз через камеру волокноосаждения 8, оседают на при­емный конвейер 6 и образуют стекловатный ковер 7. При выходе из камеры волокноосаждения слой ваты подпрессовывается вал­ком и закатывается в рулоны либо передается на дальнейшую об­работку.

При изготовлении рулонного материала, мягких и полужест — ких плит связующее 4 наносят на волокна распылением в камере

Рис. 7.6. Схема получения стеклянного
волокна:

1 — электропечь, 2 — рама установки; 3 — камера сгорания; 4 — связующее; 5 — гидро — фобизатор; 6— приемный конвейєр; 7— стек­ловатный ковер; 8 — камера волокноосажде — ния; 9 — механизм вытягивания

волокноосаждения. Для придания минераловатным изделиям водооттал­кивающих свойств их одновременно обрабатывают гидрофобизатором 5, подавая его в камеру волокноосаж­дения.

При получении жестких и твердых минераловатных изделий используют способ пролива, при котором связу­ющее плоской струей подается на минераловатный ковер по всей его ширине. Для проникания свя­зующего в глубь ковра под ним создается вакуум. Излишки связу­ющего отжимаются уплотняющим валком.

Материалы пространственной структуры. Материалы простран­ственной структуры получают мокрым способом, при котором волокна смешивают с раствором или эмульсией связующего, фор­муют минераловатный ковер и подвергают его тепловой обработ­ке. Прочность на сжатие минераловатных изделий возрастает с ростом количества вертикально ориентированных волокон. Этим способом изготавливают плиты повышенной жесткости (ППЖ).

Материалы вертикальной слоистости. Они обладают наиболь­шей прочностью при сжатии, но теплопроводность их на 15… 20 % выше, чем у плит с горизонтальной слоистостью. Способы полу­чения таких материалов основаны на принципе, показанном на рис. 7.7, а. Плиты с горизонтальной слоистостью складывают в пакет и склеивают между собой, а затем разрезают по линии А—А. Материалы гофрированной структуры (рис. 7.7, 6) имеют высо­кую прочность и низкую теплопроводность. Гофрирование осуще­ствляется автоматическим гофрировщиком, устанавливаемым между камерами волокноосаждения и тепловой обработки.

Минераловатные плиты с горизонтальной слоистостью. Мине­раловатные плиты с горизонтальной слоистостью на синтетиче­ском или битумном связующем выпускаются марок 50, 75, 100, 125, 150, 175, 200, 225, 250. Марка означает верхний предел сред­ней плотности материала, кг/м3. Теплопроводность составляет 0,044…0,064 Вт/(м К); сжимаемость — от 45 до 3 %. Сжимаемость определяют по формуле

h = (Н- #о)100/#0,

где Я0 и Н — толщина образца при удельной нагрузке соответ­ственно 0,5 и 2,0 кПа.

Плиты выпускаются толщиной 40… 150 мм и размерами до 2х 1 м. Плиты марок выше 175 при условии гидрофобизации можно при­менять в качестве основания под кровельное покрытие без уст­ройства цементной стяжки.

Плиты повышенной жесткости. Их изготавливают только на синтетическом связующем по технологии либо мокрого формова­ния из минераловатной гидромассы с добавкой гидрофобизатора (плиты марки ППЖ-200), либо сухого формования гофрирован­ной структуры (плиты марок ППЖ-ГС-175 и ППЖ-ГС-200). Во­до поглощение этих плит по массе не превышает 30…40 %. Плиты предназначены для теплоизоляции перекрытий и покрытий без устройства стяжки и выравнивающего слоя, однако контакт изде­лий с воздухом должен быть исключен.

Маты минераловатные прошивные и шнуровые материалы. Их изготавливают без применения связующих веществ. Шнуры (жгу­ты) получают путем набивки ваты в оплетку, выполненную из стеклянных или хлопковых нитей. При изготовлении прошивных матов минераловатный ковер обкладывают стеклотканью, стек — лосеткой, асбестовой тканью, бумагой, картоном, металличе­ской сеткой и прошивают стеклянными или хлопковыми нитями. Маты могут изготавливаться и без обкладок. Выпускаются маты марок 75, 100 и 125. Размеры матов: длина —1…6 м; ширина — 0,5… 1,0 м; толщина — 40… 120 мм. Теплопроводность матов — от 0,044 до 0,046 Вт/(м — К); сжимаемость — от 55 до 30 %.

Изготовители и поставщики минераловатных теплоизоляцион­ных материалов: АО «Термостепс», АО «Комат» (г. Ростов), Бо — кинский ЗТМ, Назаровский завод ТИМ, Мальтинский ЗСМ, ЗАО «Минеральная вата» (плиты РУФ БАТТС), АКСИ (г. Челябинск),

Рис. 7.7. Получение структуры с
вертикальной слоистостью:

а — склеивание и разрезание (А—А); б
гофрирование

Пермский ЗТИ и др. Из иностранных производителей широко известна продукция фирм Рагос (Финляндия), Rockwool (Дания) и др.

Стекловатные изделия. Их выпускают в виде плит и матов. Пли­ты для верхнего (защитного) слоя имеют соединение «шпунт— гребень» и ветрозащитную облицовку из нетканого материала, алюминиевой фольги или стеклохолста. Гидрофобизованные из­делия имеют в маркировке букву Г после обозначения плотности. Широко известны изделия фирм ISOVER (Финляндия), URSA («Флайдерер-Чудово», Новгородская обл.) и др.

Каменное литье. Материалы из расплавленных горных пород могут быть плотными, ячеистыми или волокнистыми. Сырьем для них служат диабаз, базальт, сланцы, глины и искусственные сме­си, составленные из песка, известняков, доломитов.

Сырье расплавляют при температуре 1 350… 1 500 °С и заливают в формы, изготовленные из огнеупорной глины. В форму можно закладывать металлическую арматуру. Отлитые изделия подверга­ются кристаллизации при температуре 900…950°С в течение

1,5.. .2,5 ч, а затем медленно охлаждаются. Для получения равно­мерной структуры и ускорения кристаллизации в расплав вводят нуклеирующие (зародышеобразующие) добавки, служащие цент­рами образования кристаллов.

Светлые расплавы можно окрашивать оксидами металлов.

Плотность каменного литья — 2 700… 3 000 кг/м3; предел проч­ности при сжатии — 200…300 МПа. Изделия из каменного литья чрезвычайно стойки к химическим воздействиям, истиранию, мо­розному разрушению. Они применяются для наружной облицовки зданий, дорожных покрытий, получения труб, футеровки мель­ниц, мелящих тел и др.

Шлаковое литье. Для изготовления камней используют шлаки черных и цветных металлов. Лучшими из них являются кислые доменные шлаки. Технология получения изделий из шлаков мало чем отличается от каменного литья. Шлаковое литье используется в виде плит для мощения дорог, тротуаров, полов промышлен­ных зданий, а также применяется в виде специальных антикорро­зионных изделий (плиток, труб и др.). Плотность шлаковых кам­ней — 2700…3 000 кг/м3; предел прочности при сжатии — до 500 МПа.

Облицовочные изделия из стекла. Смальта — это кусочки цвет­ного стекла неправильной формы и небольших размеров (от 1 до 2 см2), применяемые для мозаичных работ. Обычно используют смальты из глушеного стекла, а также золотые и серебряные смаль­ты, получаемые путем горячей запрессовки золотой или серебря­ной фольги между двумя слоями стекла. Верхний слой (канта — рель) — бесцветный или цветной — имеет толщину не более 1 мм, нижний слой — обычно от 3 до 10 мм. Глушеные смальты могут иметь шероховатую или гладкую поверхность. Первые получают спеканием стеклянного порошка, вторые — литьем стекломассы.

Коврово-мозаичные облицовочные плитки представляют собой изделия из цветного глушеного или полуглушеного стекла в виде плиток размерами до 45×45 мм, наклеенных на бумажную основу. Лицевая поверхность плиток — гладкая; тыльная поверхность пли­ток может быть гладкой или рифленой. Эти плитки используются для изготовления орнаментальных и тематических мозаичных панно в интерьерах и на фасадах зданий.

Марблит — плоское, окрашенное в массе глушеное стекло, имеющее полированную, шлифованную или кованую лицевую и рифленую тыльную поверхность и выпускаемое в виде облицо­вочных плиток размерами от 50 х 100 до 200×300 мм или панелей размером до 2 500×4000 мм при толщине 5… 11 мм. Из марблита изготавливают также профилированные элементы, плинтуса и другие строительные детали.

Марблит выпускается самых разнообразных цветов с различ­ной степенью глушения и применяется как для внутренней, так и для наружной облицовки зданий.

Стемалит представляет собой листы из прозрачного стекла, покрытые с одной стороны керамическими легкоплавкими крас­ками, закрепленными на стекле в процессе термической обработ­ки, при которой краски оплавляются и прочно соединяются с поверхностью стекла.

В зависимости от способа термической обработки стемалит может быть отожженным или закаленным. Закаленный стемалит не допускает резки, сверления или какой-либо другой механи­ческой обработки, применяемой при использовании отожженно­го стекла, и поставляется заданной формы и размеров, иногда с крепежными отверстиями.

Эмалированные стеклянные плитки (размерами от 100×150 до 300×300 мм) — изделия, нарезаемые из отходов оконного стекла и покрываемые стекловидной эмалью. Эмаль (в основном титано­вая) в виде шликера наносится на плитки тонким слоем с помо­щью пульверизатора и закрепляется обжигом до плавления эма­ли.

Пленки из стекла. Пленочное стекло (стеклянная фольга) пред­ставляет собой ленту стекла толщиной 1… 100 мкм, получаемую либо вытягиванием непрерывной ленты из расплава через форму­ющее устройство, либо растягиванием листового стекла при его разогреве до температуры размягчения.

Чешуйчатое стекло получается в результате разделения тон­чайшего (от 5 до 1 мкм и менее) пленочного стекла на мелкие кусочки. Чешуйки должны быть настолько тонкими, чтобы они могли легко деформироваться и прилипать друг к другу. Чем тонь­ше пленки или чешуйки стекла, тем выше их прочность и гиб­кость. Их применяют в радиотехнике, оптике, а также при произ­водстве стеклопластиков.

Стеклопакеты состоят из двух или нескольких листов стекла, разделенных воздушными прослойками и герметически скреплен­ных по контуру путем сваривания, пайки или склеивания (рис. 7.3). Склеивание в настоящее время практически вытеснило все другие способы. При изготовлении клееного стеклопакета зазор между стеклами обеспечивает алюминиевый или оцинкованный стальной распорный профиль 5 коробчатого сечения. Полость про-

филя 5 заполняют влагопоглотителем (силикагелем) 6, что пре­пятствует запотеванию стекла изнутри. Между стеклом и профи­лем 5 прокладывают бутилкаучуковый жгутик, который при сдав­ливании стеклопакета на прессе расплющивается и образует скле­ивающий слой 8. Дополнительная герметизация стеклопакета осу­ществляется полисульфидной или полиуретановой мастикой (гер­метиком) 7.

Звуко — и теплоизоляционные свойства стеклопакета повыша­ются с увеличением толщины стекол, числа и ширины воздуш­ных промежутков. Ширина воздушных промежутков обычно со­ставляет 12…20 мм. Большее увеличение промежутков малоэф­фективно из-за роста конвекции.

Для звукоизоляции большое значение имеет резонансная ча­стота конструкции, которая должна быть ниже шумового диапа­зона частот. С этой точки зрения двухкамерные стеклопакеты це­лесообразно делать с разной шириной камер и толщиной сте­кол.

Межстекольное пространство иногда заполняют инертным га­зом (чаще всего аргоном). Это повышает тепло — и звукоизолирую­щие свойства стеклопакета, а также снижает вероятность появле­ния конденсата внутри него. Аргон применяют, если в стеклопа­кете устанавливаются теплосберегающие стекла. Звукоизоляцион­ные свойства улучшаются также при использовании стекол с шу­мопоглощающим покрытием.

Профильное стекло является погонажным изделием. Оно изго­тавливается изгибанием при прокате стеклянной ленты в соответ­ствии с заданным профилем поперечного сечения (рис. 7.4). Раз­личают профильное стекло открытого сечения (швеллерного, реб­ристого, Z-образного) и замкнутого сечения (коробчатого, оваль-

ного, треугольного). Профильное стекло может быть бесцветным и цветным, неармированным и армированным, с гладкой, риф­леной или узорчатой поверхностью. Профильное стекло применя­ется для ограждающих конструкций.

Пустотелые стеклянные блоки изготавливают сваркой по пери­метру двух прессованных половинок, внутренняя поверхность ко­торых может быть гладкой или рифленой, рассеивающей свет. Выпускаются стеклянные блоки квадратной и прямоугольной формы, неокрашенные и цветные (рис. 7.5). Они применяются для ограждений и остекления проемов в стенах и перегородках. Клад­ка блоков осуществляется на цементном растворе.

Листовое стекло может быть полированным и не полирован­ным. Для остекления окон используются стекла, как правило, тол­щиной 2,0…6,0 мм. Более толстые стекла (6,5… 12,0 мм) приме­няются для остекления витрин, витражей, световых фонарей.

Листовое узорчатое стекло имеет на одной или обеих поверх­ностях рельефный узор. Его получают горизонтальным прокатом. Узорчатое стекло может быть бесцветным или цветным. Толщина листов составляет 3,5; 5,0; 6,0 и 7,0 мм.

Селективные стекла изменяют спектральный состав проходя­щего через них излучения, которое в зависимости от длины волны X можно подразделить на три области: одну видимую (X — = 380…770 нм) и две невидимые (УФ — ультрафиолетовую {X = = 280…380 нм) и ИК — инфракрасную (X- 770…25 000 нм)). Сол­нечное излучение с длиной волны X < 280 нм полностью погло­щается атмосферой. Селективные стекла, пропуская одни свето­вые волны, поглощают или отражают другие. При изменении ви­димого спектра излучения возникает та или иная окраска стекол (цветные стекла), а общее светопропускание снижается. Если све — топропускание стекла в ИК или УФ области не такое, как у обыч­ного оконного стекла, то его относят к специальным строитель­ным стеклам — солнцезащитным, теплосберегающим, фотохром — ным, увиолевым, поглощающим УФ лучи.

Стекла с избирательным пропусканием получают тремя спо­собами:

1) модифицированием (окрашиванием) в массе (в состав сте­кольной шихты добавляют оксиды или соли металлов);

2) нанесением металлического, металлооксидного или соле­вого покрытия, что фактически является модифицированием тон­кого (толщиной несколько микрометров) поверхностного слоя стекла путем химического процесса или диффузионного внедре­ния химических элементов или соединений;

3) наклеиванием на стекло специальной полимерной плен­ки.

Цветное стекло бывает прозрачное и глушеное. Для окрашива­ния стекла в массе в его состав вводят оксиды металлов (марган­ца, хрома, железа, кобальта, никеля, меди, церия, титана, вана­дия), сернистые соединения железа, кадмия, свинца, меди, а также элементарную серу и селен. Например, введением окиси меди получают голубой цвет, а введением окиси хрома — зеле­ный.

Модифицирование поверхности стекла осуществляют в основ­ном электрохимическим способом, который легко совмещается с флоат-процессом. При контакте стекломассы с расплавленным ме­таллом, включенным в электрическую цепь в качестве анода, проис­ходит переход металлических ионов в стекло на глубину 1 …2 мкм. Роль катода выполняет вспомогательный электрод, введенный в стекломассу.

Солнцезащитные стекла обладают высоким сопротивлением прохождению коротковолновых инфракрасных (тепловых) лучей (с длиной волны А, = 770…2 500 нм), которые, проходя через обыч­ное стекло, нагревают помещение, что в летнее время нежела­тельно. Как правило, они имеют пониженное пропускание и в видимой области светового спектра. Солнцезащитные стекла можно подразделить на два вида: теплопоглощающие и теплоотражаю­щие (рефлективные).

Теплопоглощающие стекла модифицируют в массе ок­сидами железа, меди, кобальта, никеля. При этом стекло приоб­ретает ту или иную окраску за счет поглощения не только ИК излучения, но и некоторой части видимого спектра. Наиболее сильно поглощает И К радиацию закись железа FeO, обеспечивая наименьшее поглощение видимых лучей по сравнению с другими оксидами (CuO, СоО, NiO). Поэтому закись железа применяют для получения слабо окрашенных стекол. В отличие от силикатных фосфатные теплопоглощающие стекла являются практически бес­цветными.

Для синтеза теплопоглощающих пленок применяют как элект­рохимический способ (с анодом, чаще всего — из сплава свинца и меди), так и напыление металлических оксидов (например, ок­сидов олова и сурьмы, придающих синеватый цвет) или раство­ров солей на разогретую до 500… 800 °С поверхность стекла. Моди­фицированный слой получается в результате химических реакций в поверхностном слое.

В результате поглощения энергии теплопоглощающие стекла в летних условиях могут нагреваться до 60… 80 °С. Поэтому их уста­навливают в наружных слоях двойного остекления, обеспечивая естественную вентиляцию воздушной прослойки между стеклами. Этого не требуется при использовании теплоотражающих стекол.

Теплоотражающие стекла получают главным образом нанесением зеркального металлизированного слоя (путем испа­рения металла и оксидов в вакууме, катодного напыления или химического осаждения из растворов). Для получения максималь­ного отражения существенное значение имеет толщина получае­мой пленки. Обычно наносят пять слоев: четыре слоя — металло­оксидных, пятый слой — серебряный. Серебро почти полностью отражает излучение с длиной волны X > 760 нм. Зеркальные плен­ки могут быть бесцветными и цветными.

Теплосберегающие стекла позволяют сократить потери тепла из помещения через окна приблизительно на 35…40%, что очень актуально зимой. Такие стекла называют низкоэмиссионными, под­черкивая тем самым их низкую излучательную способность с наружной поверхности. Эти стекла не препятствуют прохождению в помещение коротковолнового И К излучения, но отражают волны длинноволнового инфракрасного диапазона (А. = 2 500…25000 нм), излучаемые в обратном направлении отопительными приборами и предметами интерьера. Такие свойства им придают два типа покрытий: металлооксидное (называемое твердым в связи с вы­сокой износоустойчивостью) и металлизированное (мягкое), ко­торое не обладает достаточной твердостью.

В соответствии с этим имеется два вида стекол: К-стекло с твер­дым металлооксидным покрытием (например, из окиси олова), образующимся на поверхности стекла в результате химической реакции при высокой температуре (пиролитический способ) и 1-стекло с мягким покрытием, получаемым вакуумным напыле­нием и представляющим собой структуру из трех (или более) че­редующихся слоев серебра и оксидов (ВЮ, ТЮ2 и др.). По своим теплосберегающим свойствам 1-стекло в 1,5 раза превосходит К-стекло, но покрытие его не износоустойчиво и поэтому может долго служить только внутри стеклопакетов. Стеклопакет ориен­тируют так, чтобы I-стекло находилось со стороны помещения.

При обычном двойном остеклении используют К-стекла, ко­торые устанавливают во внутреннем ряду покрытием, обращен­ным в межстекольное пространство. Наружным стеклом может быть обычное или солнцезащитное стекло. Температура теплозащитно­го стекла в зимний период в среднем на 5… 6 °С выше, чем у обыч­ного стекла.

Фотохромные стекла автоматически уменьшают светопропус — кание при избыточной интенсивности солнечного света и восста­навливают его при уменьшении излучения. Это достигается введе­нием в состав стекла галоидов серебра.

Увиолевые стекла обладают способностью пропускать ультра­фиолетовые лучи с X < 320 нм, которые благотворно влияют на жизнедеятельность человека, животных, растений. Обычное окон­ное стекло почти полностью поглощает эту часть ультрафиолето­вого спектра. Эти стекла изготавливаются из очень чистого сырья с минимальным количеством оксидов железа, титана и хрома.

Стекла, поглощающие УФ лучи, применяются для защиты му­зейных экспонатов, книг, картин и документов от выцветания. В от­личие от обычного оконного стекла эти стекла поглощают также и более длинные УФ волны. Их можно подразделить на три груп­пы:

1) бесцветные стекла (почти не поглощающие видимых лу­чей) с областью поглощения УФ излучения X < 360 нм;

2) слабо-желтые стекла, поглощающие лучи с X < 400 нм и, следовательно, захватывающие видимую область фиолетовых и частично синих лучей;

3) желтые стекла, поглощающие ультрафиолетовые, фиолето­вые и синие лучи с X < 420 нм.

Стекла для безопасного остекления применяют в строительстве, когда велика вероятность случайного или намеренного разруше­ния стекла. Безопасное стекло должно противостоять разрушению, но если разрушение произойдет, не должно образовываться круп­ных и острых осколков, опасных для людей и животных.

Защитные стекла согласно международной классификации под­разделяются на три класса: стекла класса А (стекла защиты от ван­дализма) рассчитаны на удар брошенного камня; стекла класса Б (стекла защиты от проникновения) выдерживают определенное число ударов молотка с энергией 350 Дж и скоростью 12,5 м/с; стекла класса В — пуленепробиваемые стекла.

Для безопасного остекления используют армированное стек­ло, закаленное стекло и многослойное стекло.

Листовое армированное стекло укреплено плоской металличе­ской сеткой, запрессованной внутрь стекла при прокате. Армиро­вание не повышает прочность стекла и даже снижает ее примерно в 1,5 раза, но сетка не позволяет осколкам разлетаться при разру­шении.

Закаленные и упрочненные стекла в строительстве используют, например, при остеклении куполов, световых фонарей, высот­ных фасадов. При разрушении такие стекла распадаются на мел­кие безопасные осколки с тупыми кромками. Закалка и другие способы упрочнения стекла рассмотрены в подразд. 7.6.

Безосколочное стекло (триплекс) — это стекло, состоящее из двух (или более) листов стекла, склеенных бесцветной или цвет­ной полимерной пленкой (например, поливинилбутиловой). При разрушении такого стекла осколки удерживаются эластичной про­кладкой и не разлетаются. В триплексах могут быть использованы солнцезащитные, теплосберегающие и другие стекла. Особо вы­сокопрочными являются триплексы из закаленных стекол.

Противопожарное стекло — это многослойное стекло с вспе­нивающимися при температуре около 120 °С промежуточными сло­ями. Благодаря возросшему термическому сопротивлению и поте­ре прозрачности имеет место резкое падение температуры по тол­
щине вспененной конструкции, препятствующее нагреву и вос­пламенению предметов за стеклом и обеспечивающее целостность крайнего слоя стекла со стороны защищаемого пространства, что исключает распространение пламени и продуктов горения.

Самоочищающееся стекло, впервые представленное в июне 2001 г. компанией Pilkington на Международной конференции по стек­лу, имеет прозрачное покрытие на основе оксида титана, облада­ющее рядом специфических свойств. Под воздействием ультрафи­олетового света и кислорода происходит разложение органиче­ских веществ на поверхности этого покрытия. Продукты разложе­ния легко смываются дождем. Однако неорганические загрязне­ния таким образом не удаляются.

Пороки стекла. Газовые включения — пузырьки газов (02, N2, СО, С02, S02, Н20 и др.), образующихся при варке в результате термического разложения продуктов и химических реакций.

Стекловидные включения — результат попадания в стекломассу инородных минеральных веществ.

Кристаллические включения: 1) нерастворившиеся в расплаве зерна исходных компонентов (песка, глинозема, известняка, мела и др.) или продукты разрушения огнеупоров; 2) продукты крис­таллизации стекломассы (рух — потеря прозрачности).

Методы упрочнения стекла. Термический метод упрочнения стек­ла сводится к его закалке путем нагрева выше температуры стек­лования /, и быстрого равномерного охлаждения в потоке воздуха. В результате закалки в стекле появляются остаточные напряже­ния, распределенные так, что наружные слои листа испытывают сжатие, а внутренние — растяжение. Это приводит к повышению термостойкости стекла и прочности при изгибе.

При разрушении закаленное стекло покрывается густой сетью трещин и распадается на мелкие осколки. Закаленное стекло очень чувствительно к ударам в края или углы. В этом случае его проч­ность уменьшается в 2 — 3 раза.

Химический метод упрочнения стекла основывается на удале­нии или «залечивании» (обычно на глубину 50… 150 мкм) поверх­ностных дефектов путем травления стекла (растворения поверх­ностных слоев), чаще всего — растворами плавиковой кислоты или ее смесей с серной, азотной или фосфорной кислотами.

Прочность при изгибе листового полированного стекла (тол­щиной 5…6 мм) при удалении с его поверхности дефектного слоя толщиной 100 мкм увеличивается примерно в 4,5 раза.

Другой вариант химического упрочнения стекла связан с на­несением на его поверхность кремнийорганических соединений, образующих тончайшие прозрачные пленки полиорганосилокса — нового и кремнекислородного [Si02]„ полимеров, которые сни­жают расклинивающее действие влаги в микротрещинах.

Термохимический метод упрочнения стекла основывается на изменении структуры и свойств поверхностного слоя стекла. Уп­рочнение достигается взаимодействием поверхности стекла, на­гретого выше температуры стеклования 1,, с кремнийорганиче — скими соединениями, аэрозолями некоторых неорганических со­лей, расплавами солей лития и др. Такой метод упрочнения наи­более эффективен.

При обработке нагретого силикатного стекла в расплавах со­лей лития ионы лития диффундируют в стекло на глубину около 100 мкм и вытесняют из него более крупные ионы натрия или калия. При этом коэффициент термического расширения поверх­ностного слоя стекла уменьшается. При охлаждении внутренние слои стекла уменьшаются в объеме сильнее наружных, вызывая сжатие поверхностных слоев, что упрочняет стекло.

Свойства стекла. В отличие от кристаллических веществ стекла изотропны, прозрачны и чрезвычайно хрупки. Свойства стекол

можно изменять термической, химической или механической об­работкой.

Обычное листовое стекло имеет плотность, равную 2 500… 2 600 кг/м3. Его твердость колеблется от 5 до 7 по шкале Мооса. Прочность стекла составляет: при сжатии — 500…2 000 МПа; при растяжении — 30…60 МПа; при изгибе — 35…70 МПа. Модуль упругости при растяжении находится в пределах (4,5… 8,5) • 104 МПа.

Получение стекла. Изготовление стекла включает в себя подго­товку сырьевых компонентов, составление шихты, варку стекла (расплавление шихты и гомогенизацию расплава), формование, отжиг, резку, шлифовку и полировку изделий, нанесение рисун­ка (для некоторых видов изделий).

Сырьем для производства бесцветного строительного стекла являются кварцевые маложелезистые пески, кальцинированная сода или сульфат натрия, известняк, доломит и др. Варят стекло в ванных печах непрерывного действия. В процессе варки при 800…900°С происходят твердофазовые реакции с образованием силикатов, которые спекаются с кремнеземом. При температуре около 1 200 °С спекшаяся масса расплавляется и происходит вза­имное растворение силикатов и кремнезема. При дальнейшем на­гревании до 1 400… 1 500°С из жидкой стекломассы выделяются газовые пузырьки, она осветляется и становится однородной.

Листовое стекло формуют машинным вытягиванием, горизон­тальным прокатом и флоат-процессом.

Способ машинной вытяжки стекла, разработанный Эмилем Фурко в 1902 г., используют при производстве плоского неполи­рованного стекла. Существует несколько разновидностей этого способа.

При лодочном способе вертикального вытягивания (рис.

7.2, а) ленту стекла 6 вытягивают из стекломассы 4 через сквоз­ную щель шамотной лодочки 3 с помощью асбестовых вытягива­ющих валков 7 машины. За время движения от лодочки до валков лента охлаждается водяными холодильниками 2 до состояния, ис­ключающего ее деформацию. Камера формования 5 отделена от остального пространства глухим ограждающим мостом 7, погру­женным в стекломассу на 50… 150 мм.

Безлодочный способ вертикального вытягивания стек­ла со свободной поверхности стекломассы обеспечивает более вы­сокое качество стекла и более высокую производительность. Не­обходимый для формования вязкостный контур стекла создается с помощью подвесных шамотных экранов 8 и холодильников 2 (рис. 7.2, б). Для выравнивания потока стекломассы, а также ее температуры и вязкости применяются шамотные тела 9, погружа­емые под уровень ванны.

Горизонтальный прокат заключается в пропускании вязкой стек­ломассы между двумя металлическими валками, охлаждаемыми

водой (рис. 7.2, в). При этом поверхность получается шероховатой (кованой), а стекло — непрозрачным. Поэтому после отжига стек­ло подвергают двухстороннему механическому шлифованию и полированию. При изготовлении узорчатого стекла верхний про­катывающий валок имеет рельефный рисунок. Прокатным спосо­бом получают также армированное стекло. При этом в формуемую ленту закатывают металлическую сетку.

Флоат-процесс, разработанный в 1959 г. фирмой Pilkington, позволяет получать стекло наиболее высокого качества. Формова­ние листа этим способом происходит на поверхности расплавлен­ного металла (рис. 7.2, г). Для предупреждения окисления металла во флоат-ванне предусмотрена азотно-водородная газовая среда.

После формования (при всех способах) лента стекла сразу же подвергается отжигу с целью снижения полученных при формо­вании температурных напряжений. Отожженное стекло поступает затем на участки резки, сортировки и упаковки листов.

В зависимости от вида стеклообразующих кислотных оксидов стекла подразделяются на силикатные (Si02), алюмосиликат­ные (А1203 и Si02), боросиликатные (В203 и Si02), бороалю­мосиликатные и др. Помимо стеклообразующих компонентов (А1203, Si02 и В203) стекла содержат также различные основные оксиды: Li20, К20, Na20, BeO, CaO, MgO, SrO, BaO, ZnO, CdO, PbO и др. В состав строительного (оконного) стекла кроме кремне­зема (Si02) входят Na20, СаО и небольшие количества MgO и А1203.

При высокой температуре (выше 1 000 °С) минеральные стек­ла образуют расплав, представляющий собой истинный раствор химических соединений. При быстром охлаждении стекольного расплава атомы не успевают выстроиться в строгом порядке, как

это происходит в кристаллах. Стеклообразная структура вещества по степени упорядочения частиц является промежуточной между беспорядком в расплаве и идеальным порядком в кристалличе­ском состоянии.

Стекла не имеют точки плавления; они характеризуются тем­пературным интервалом размягчения. Вязкость расплавленного стекла в среднем при 1 480… 1 500 °С составляет 9… 11 Па ■ с, а при затвердевании возрастает до 1012… 1013 Па-с (рис. 7.1). Стекло фор­муют, когда вязкость колеблется в диапазоне 102… 108 Па-с, что имеет место в сравнительно узком температурном интервале t2…t3 (800… 1 100°С). Ниже температуры стеклования (для силикат­ных стекол 400… 600 °С) стекло становится хрупким. Эта темпера­тура неодинакова для различных стекол; ей соответствует одина­ковая для всех стекол вязкость, равная 1012 Па • с.

Выше температуры t2 (приблизительно в диапазоне 700…850 °С) в стекле начинают проявляться свойства, характерные для жидко­сти. При этой температуре из стекла можно вытягивать тонкие нити.

Стекла имеют склонность к кристаллизации. Образующиеся кристаллы нарушают прозрачность и понижают прочность стекла. Для подавления кристаллизации в состав стекол вводят специ­альные добавки.