Тема 3.2.Стекло, ситаллы и каменное литье

Цель: изучить стекло, ситаллы и каменное литье

Знать: Основные сведения о стекле, Производство стекла, Основные свойства стекла, Виды стекла, Виды отделочных стекол,

Изделия из стекла, Ситаллы и шлакоситаллы, Каменное и шлаковое стекло

Ход занятия:

 

1. Основные сведения о стекле

Стеклами называют переохлажденные жидкости, не успевшие при остывании перейти в кристаллическое состояние. Иными словами, стекла — это жидкости, имеющие бесконечно большую вязкость. Отличительная черта стекол — изотропность — одинаковость свойств во всех направлениях.

Расстекловывание является браком стеклоизделий.

Этот же процесс, но проводимый направленно с целью частичной или полной кристаллизации расплава, используется для получения стеклокристаллических материалов — ситаллов и каменного литья.

В строительстве, за малым исключением, применяют силикатное стекло, из простейшего минерального сырья: кварцевого песка, мела, соды и других компонентов (далее вместо термина «силикатное стекло» будет использоваться термин «стекло»).

Прозрачность и возможность окраски стекла в любые цвета, высокая химическая стойкость, достаточно высокая прочность и твердости электроизоляционные и многие другие ценные свойства делают стекло незаменимым строительным материалом.

 

2. Производство стекла

Современное стекольное производство включает в себя три этапа: подготовка сырья, стекловарение и формование стеклоизделий.

Подготовка сырья. Химический состав обыкновенного оконного стекла по основным оксидам следующий: Si0₂ — 71...72 %; Na₂0 — 15…16%; CaO - 5...7 %; MgO - 3...4 %; A1₂0₃ - 2...3 %; содержание Fe₂O₃ не более 0,1 %, так как оксиды железа придают стеклу зеленовато-коричневый («бутылочный») цвет и снижают светопропускание. Основные оксиды вводятся в сырьевую шихту в виде следующих веществ.

Кремнезем (Si0₂), Глинозем (А1₂0₃), Оксид натрия (Na₂0), Оксид кальция (СаО) и магния (MgO).

Красители для стекла могут быть молекулярными и коллоидными. Стекловарение. Обычное стекло получают в непрерывно действующих ванных печах с полезным объемом до 600 м³ и суточной производительностью более 300 т.

Стекловарение — главнейшая операция стекольного производства. На первой стадии этого процесса — силикатообразовании — щелочные компоненты образуют с частью кремнезема силикаты, плавящиеся уже при 1000... 1200° С. В этом расплаве при дальнейшем нагревании растворяются наиболее тугоплавкие компоненты Si0₂ и А1₂6₃. Образующаяся при этом масса неоднородная по составу и насыщена газовыми пузырьками.

Удаление пузырьков и полная гомогенизация расплава осуществляется на второй наиболее длительной стадии стекловарения — стеклообразовании — при температуре 1400... 1600° С. Третья заключитель ная стадия — студка — охлаждение стекломассы до температуры, при которой она приобретает оптимальную для данного метода формования стеклоизделий вязкость.

Формование. Метод выработки (формования) зависит от вида изделия. Для получения строительного стекла используют вытяжку, прокат, прессование.

Основной вид строительного стекла - листовое. Получают стекла толщиной до 6 мм. Суть метода сводится к следующему.

Лента стекла формуется из стекломассы лодочкой, стекломасса выдавливается в щель лодочки и отгягивается вверх валками машины в виде ленты шириной до 4,5 м. Проходя между холодильниками от лодочки до первой пары валков, стекломасса охлаждается настолько, что становится твердой и валки не оставляют на ней отпечатков (I зона). Далее стекло валками подается в шахту высотой 5—7 м. В нижней части шахты производится отжиг стекла (II зона). В верхней части стекло охлаждается окончательно и, выходя на отломочную площадку, нарезается на требуемые размеры.

Способ получения высококачественного стекла - флоат-метод, при котором горячая стеломасса выливается на поверхность расплавленного металла и формуется на нем. Преимущества флоат-метода — стабильная толщина листа и высокое качество поверхности, не требующее дальнейшей полировки.

 

3. Основные свойства стекла

 

Плотность стекла зависит от химического состава и для обычных строительных стекол составляет 2400...2600 кг/м³. Плотность оконного стекла — 2550 кг/м³

Пористость и водопоглощение стекла практически равны 0 %.

Механические свойства. Стекло в строительных конструкциях чаще подвергается изгибу, растяжению и удару и реже сжатию, поэтому главными показателями, определяющими его механические свойства, следует считать прочность при растяжении и хрупкость.

Составляет от 30 до 60 МПа. Это объясняется тем, что в стекле имеются ослабленные участки (микронеоднородности, дефекты поверхности, внутренние напряжения).

Прочность стекла при сжатии высока — 900...1000 МПа, т. е. почти как у стали и чугуна. В диапазоне температур от — 50 до + 70° С прочность стекла практически не изменяется.

Хрупкость — главный недостаток стекла. Основной показатель хрупкости — отношение модуля упругости к прочности при растяжении E/Rp. У стекла оно составляет 1300... 1500.

Твердость стекла, представляющего собой по химическому составу вещество, близкое к полевым шпатам, такая же, как у этих минералов, и в зависимости от химического состава находится в пределах 5...7 по шкале Мооса.

Оптические свойства стекла характеризуются светопропусканием (прозрачностью), светопреломлением, отражением, рассеиванием и др. Обычные силикатные стекла, кроме специальных (см. ниже), пропускают всю видимую часть спектра (до 88...92 %) и практически не пропускает ультрафиолетовые и инфракрасные лучи.

Теплопроводность различных видов стекла мало зависит от их состава и составляет 0,6...0,8 Вт/(м • К).

Коэ фициент линейного температурного расширения (КЛТР) стекла относительно невелик (для обычного стекла 9 • 10⁶ К^-1 . Она состовляет 70...90° С.

Звукоизолирующая способность стекла довольно высока. Стекло толщиной 1 см по звукоизоляции приблизительно соответствует кирпичной стене в полкирпича — 12 см.

Химическая стойкость силикатного стекла — одно из самых уникальных его свойств. Стекло хорошо противостоит действию воды, щелочей и кислот (за исключением плавиковой и фосфорной).

 

Виды стекла

Листовое стекло:

Листовое оконное стекло вырабатывается шести марок толщиной 2; 2,5; 3; 4; 5 и 6 мм. Ширина листов — 250...1600 мм, длина — до 2200 мм. Масса 1 м² — 2...5 кг. Светопропускание — не менее 87 %. К дефектам оконного стекла относятся газовые включения (пузырьки), свиль и «полосность» (неровность поверхности)

Витринное стекло — листовое стекло толщиной 6...10 мм и размером до 3500 х 6000 мм. Витринное стекло, как правило, делают полированным.

Светорассеивающее стекло пропускает свет, но не дает сквозно видимости. Оно может быть матовое или узорчатое.

Увиолевое стекло — стекло, пропускающее большую долю ультра - фиолетовых лучей (45...75 %), получают из сырья с минимальными примесями оксидов железа, хрома и титана.

Специальное листовое стекло

Теплоизоляционные стекла отличаются от обычных тем, что благодаря специальному тонкому покрытию на внутренней стороне стекла они снижают долю теряемого через стекло тепла путем отражения инфракрасной части спектра («тепловых лучей») обратно вовнутрь помещения. Светопропускание таких стекол немного ниже, чем у обычных,— 72..79 %.

Теплозащитные (солнцезащитные) стекла выполняют обратную функцию: они отражают часть падающей на них лучистой энергии, но пропуская ее в помещение.

Защитные стекла — стекла с повышенными прочностными свойствами, не раскалывающиеся на опасные остроугольные осколки. Для получения стекол, более прочных и безопасных по сравнению с обычным листовым стеклом, существует несколько способов.

Закаленное стекло получают специальной термической обработкой стекла. При этом в нем создаются сжимающие напряжения, за счет чего повышается прочность на изгиб в 5...8 раз и прочность на удар в 4...6 раз. При разрушении такое стекло распадается на мелкие (5...10 мм) кусочки кубической формы, безопасные для человека.

Армированное стекло получают путем запрессовки в расплавленную массу во время ее проката чистой сетки из хромированной стальной проволоки. Эта сетка удерживает осколки стекла при его повреждении.

Ламинированное стекло реализует парадоксальную идею упрочнения стекла с помощью эластичной полимерной пленки, запрессованной между слоями стекла. При ударе по стеклу возникает трещина, идущая в глубь стекла. Когда трещина встречает на своем пути полимерную пленку, последняя, деформируясь, поглащает энергию развития трещины и останавливает ее.

 

5. Виды отделочных стекол

 

Листовое декоративное стекло в последние годы широко применяется при возведении общественных зданий. Особенной популярностью пользуются металлизированные зеркальные стекла различных оттенков (золотистые, голубые, серые и т. п.).

Стемалит — листы витринного стекла, покрытые с внутренней стороны керамической краской, закрепленной термообработкой. Стемалит имеет богатую гамму оттенков (более 25 цветов). Размер листом 400x900 и 1100x 1500 мм.

Марблит — листы, отформованные из цветного глушеного стекла толщиной 6...12 мм. Лицевая поверхность марблита — полированная, тыльная — рифленая. Стеклянная плитка может быть получена по различным технологиям и различных размеров.

Стеклянная эмалированная плитка получается нанесением на прямоугольные плитки из стекла размером от 100 х 100 до 200 х 200 мм глазури (эмали) с последующей термообработкой для ее закрепления.

Плитки стеклянные коврово-мозаичные (размером 20 х 20 и 25 х 25 мм) изготовляют прокатом из цветной глушеной стекломассы рифленым валком. Полученную ленту разламывают на плитки, которые лицевой стороной наклеивают на крафтбумагу.

Смальта — кусочки цветного глушеного стекла неправильной формы размером около 20 мм; получают разламыванием более крупных плиток. Стеклокристаллит, стеклокремнезит и другие виды отделочных плиток. Их получают спеканием до полной монолитизации смеси гранул стекла, горных пород и т. п. на стекольной или керамической связке.

Декоративная крошка из цветного стекла «эрклёз» используется для получения декоративных бетонов методом втапливания крошки в поверхность свежеотформованного бетона.

 

6. Изделия из стекла

Из стекла изготовляют широкую номенклатуру изделий: стеклопакеты, стеклоблоки, стеклопрофилит, кровельные волнистые листы, дверные полотна и др.

Стеклопакеты — наиболее распространенный вид изделий из стекла. Получают стеклопакеты из двух (одинарный стеклопакет) или трех (двойной стеклопакет) листов стекла, герметично соединенных между собой по контуру. Между листами стекла находится прослойка из сухого воздуха или инертного газа. Соединение листов в стеклопакет может осуществляться склейкой, пайкой или сваркой.

Стеклопакеты применяют для остекления окон и других световых проемов.

 

Стеклянные блоки целесообразно использовать в тех случаях, когда необходимо получить светопрозрачную ограждающую конструкцию с хорошими тепло- и звукоизоляционными характеристиками.

Стеклоблоки вырабатываются из горячей стекломассы на пресс-амтоматах, формующих половинки блоков, а затем сваривающие их.

Стеклопрофилит — длинноразмерные (до 5 м) профилированные элементы из стекла, изготовляемые методом зонтального проката. Стеклопрофил может быть коробчатого и таврового (образного) профиля.

Стеклянные трубы благодаря высокой химической стойкости, гладкое поверхности и прозрачности с успехом соперничают с металлическими. В ряде областей (например, химическая и пищевая промышленность) их применение предпочтительнее.

Стекловолокно получают путем продавливания стекольного расплава через тончайшие фильеры (отверстия в твердых материалах) с последующей вытяжкой и намоткой на бобины. Из стекловолокна получают стеклянные ткани и стекловойлок, которые используют как армирующий компонент при производстве стеклопластиков или в качестве основы в рулонных кровельных и гидроизоляционных материалах (например, стеклоизол, стеклорубероид).

Пеностекло — блоки из вспученного в момент нахождения в расплавленном состоянии стекла. По структуре и свойствам пеностекло поминает вулканическую пемзу и используется как теплоизоляционный материал.

 

Ситаллы и шлакоситаллы

Ситаллы — стеклокристаллические материалы, получаемые путем правленной частичной кристаллизации стекол. Структура ситаллов напоминает микробетон, где наполнителем являются кристаллы, а вяжущим — прослойки стекла.

Сырье для производства ситаллов такое же, как и для стекла, но в расплав вводятся вещества-модификаторы, обеспечивающие направленную кристаллизацию.

Для строительных целей весьма перспективны шлакоситаллы, по лучаемые на основе металлургических шлаков и модификаторов CaF₂, ТiO₂ и др. У шлакоситаллов очень высокая прочность (R_сж =300...600 МПа; R_изг = 90...120 МПа), износостойкость и химическая стойкость. По долговечности шлакоситалл может конкурировать с природными каменными материалами (гранит, габбро и т. п.).

Применение шлакоситаллов перспективно для химической промышленности (трубы, плитки, детали насосов), в гидротехнике (для облицовки турбинных камер, водосливов), в дорожном строительстве и т. п.

 

 

Каменное и шлаковое стекло

 

Из горных пород и металлургических шлаков методом литья из расплавов можно получить разнообразные строительные материалы с высокими эксплуатационными свойствами.

Сырье. В качестве исходного сырья для производства каменного литья применяют магматические (базальт, диабаз) и осадочные (доломит, известняк, песок) горные породы.

Производство литых каменных изделий начинается с подготовки и плавления (1400...1500° С) сырьевой шихты. Полученный расплав вливается в формы и подвергается медленному охлаждению для прохождения кристаллизации. Свойства каменного литья. Изделия из каменного литья по своей однородности и техническим свойствам превосходят природные каменные материалы.

Плотность каменного литья 2700...3000 кг/м³; пористость — не более 1...2%; поры замкнутые, что обеспечивает нулевое водопоглощение и высочайшую морозостойкость.

Прочность при сжатии составляет 200...250 МПа, при изгибе — 30...50 МПа, твердость 6...7 (по шкале Мооса), износостойкость очень высокая. Для каменного литья характерна очень высокая и универсальная химическая стойкость.

Применение. Основными видами литых каменных изделий являются облицовочные плитки, брусчатка для мощения дорог, мелющие тела и облицовка для мельниц, трубы. Диэлектрические свойства каменного литья используются в производстве электроизоляционных изделий.

Каменное литье светлых тонов применяют как материал для облицовки уникальных зданий и сооружений, а также для изготовления архетектурных деталей и скульптуры.