Архит._материал._-_Шеина_Ч1. Т. В. Шеина архитектурное материаловедение
 Скачать 23.57 Mb.
|
|
12 Стекло в архитектуре и дизайне Стекло – это неорганический продукт совместного плавления (1000…1500 о С) минеральных веществ и металлов, охлажденный до твердого состояния без кристаллизации. Стекло представляет собой однородную, аморфную и хрупкую твердую массу, не проницаемую для жидкостей и газов. Древнеримский историк Плиний старший (79 – 123 гг. до н.э.) писал, что: «стеклом мы обязаны финикийским морским купцам, которые, готовя пи- щу на стоянках, разводили на прибрежном песке костры и подпирали горшки кусками известняка, создав тем самым условия для возникновения стекломас- сы». Действительно исходным сырьем для изготовления стекла служат песок, известь и щелочь – органическая (зола растений – морские водоросли в муран- ском стекле) либо неорганическая (сода). Сегодня стекло является самым широко применяемым материалом в бы- ту, строительстве и на транспорте благодаря своим уникальным качествам: прозрачности, твердости, химической устойчивости к активным химическим реагентам и относительной дешевизне производства. Без него невозможно из- готовить оптические приборы, телевизоры, космические корабли и др. Наряду с сотнями миллионов квадратных метров оконного стекла вы- пускают из стекла прочные трубы, стекловолокно, стеклопластик, бронестекло, пустотелые строительные блоки и сложную, термостойкую лабораторную по- суду. Стекло успешно конкурирует с металлом. Строительное листовое стекло, стеклянные изделия различной номенклатуры и стекломатериалы широко при- меняются для остекления различных проемов, в ограждающих конструкциях, отделке и декорировании зданий, теплоизоляции и других целей. Это очень перспективный материал в самых различных отраслях народного хозяйства (рисунок 177). Рисунок 177 – Ли- стовое оконное стекло 12.1 История стекла Доисторические люди изготовляли мелкие изделия из горного хрусталя (бесцветного кварца) и вулканического стекла – обсидиана. Египтяне более 5000 лет назад знали способ изготовления цветного стекла, которым они покрывали посуду. Стеклянные флаконы для духов и мазей использовались в Египте 3000 240 лет назад. Самое раннее известное изделие из стекла – египетская цепочка, ко- торая датируется между 2750 и 2625 гг. до н.э. Светло-зеленые бусинки, разме- ром 9х9,5 мм (всего 115 фрагментов), были обнаружены в 1937 г. экспедицией Дэвида Шлумберга. Секреты египетских мастеров до нас не дошли – мы можем лишь догадываться о том, как древним египтянам удавалось, к примеру, "наса- живать" стеклянный парик одного цвета на сделанную в другой технике стек- лянную голову статуэтки. В парижском Лувре имеется один из самых ценных экспонатов – стеклянная скульптура из 19 династий фараонов. Рисунок 178 – Фрагмент археологи- ческих раскопок (NBP) До нас дошли 3 вазы, на которых стоит имя фараона Тутмозоса (1450 г. до н.э.). Он привел стекольщиков в Египет как военнопленных после удачной кампании в Азию. Археологам удалось обнару- жить и останки стекольных мастерских на восточном бере- гу Нила, работавших в 3500 г. до н.э. (рисунок 178). Позже стекло начали производить в Микенах (Греция). В IX в. до н.э. центром стеклоделия стала Александрия, откуда стекло распространилось в Рим. Первая «Инструкция» по производству стекла датируется 650 г. до н.э. Это глиняные таблички с указаниями как делать стекло, которые находились в библиотеке ассирийского царя Ашшурбанипала (626 г. до н.э.). В период между 27 г. до н.э. и 14 г.н.э. был открыт метод выдувания стек- ла. Нововведение приписывается сирийским мастерам, жившим в районе Вави- лона. Для выдувания стекла применялась тонкая металлическая трубка, мало изменившаяся с тех пор. Этот метод позволил существенно разнообразить формы стеклянных сосудов (рисунок 179). Рисунок 179 – Выдувание – специфический метод формования, применяемый в технике только к стеклу 241 На рубеже старой и новой эры в Риме появились первые стеклянные окна Песок, используемый при производстве стекла, имел примеси, и стекло приоб- ретало зеленоватый или мутновато-синий оттенок. Хотя подобные окна отли- чались плохими оптические свойствами, тем не менее они считались признаком роскоши. Цицерон говорил: «беден тот, чье жилище не украшено стеклом». Первые римские стекла имели толщину 1мм. Именно римляне в I в. до н.э. в Александрии стали использовать стекло в архитектурных целях – особенно после открытия бесцветного стекла . Его обес- цвечивали добавлением перекиси марганца. При раскопках в Помпее были найдены бесцветные оконные стекла размером 72х54 см значительной толщи- ны, но малопрозрачные. Прозрачного стекла, пригодного для оптических целей, в древности получено не было. По своему составу египетское и римское стекла почти не отличаются от простых сортов современного стекла: кремнезема – 57,9…69,4 %; щелочей – 14,9…30,5 %; извести – 3,4…5,6 %; небольшое количество оксидов железа, алюминия и магния. На Западе крупным центром стекольным производителем стал Кельн (Германия). Стекло было более изящное и витиеватое, чем александрийское. Сырье плавили в тиглях, из полученной полупрозрачной массы формировали изделия. На раннем этапе стеклоделия получали голубое и бирюзовое стекло, окрашенное медью. Позднее стали изготовлять синее стекло, окрашенное ко- бальтом. Со II в. до н.э. была освоена техника прессования стекла в открытых формах. Стеклоделие было также известно в Сирии, Финикии, Причерноморье и Китае (таблица 44). С начала XIII в. стекольная промышленность Венеции развивалась чрез- вычайно быстро. Совсем скоро венецианские стеклоделы не знали соперников ни в самой Италии, ни в Европе, и власти тщательно следили, чтобы секреты мастерства не проникали как-нибудь за пределы города. Поэтому все стеклян- ные заводы "прописали" на маленьком острове Мурано, в двух километрах к северо-востоку от Венеции. С тех пор венецианское стеклоделие неразрывно связано с этим обособленным участком суши, а стекло носит наименование му- ранского. В XV в. такое стекло чрезвычайно высоко ценилось во всей Европе (рисунок 180). Рисунок 180 – Венецианское стекло В XVI столетии слава муранского стекла становится поистине мировой. Сосуды смущают своей невесомо- стью, стеклянная масса поражает феноменальной чисто- той и прозрачностью. Изображения традиционной про- зрачной венецианской посуды можно во множестве встретить на полотнах итальянских живописцев. С XI в. немецкие мастера, а с XIII в. – венецианские разработали технологию листового стекла . Стеклодув вы- дувал стеклянную сферу – крутил в вертикальной плоско- сти, отчего она вытягивалась в цилиндр длиной до 3 и шириной до 4 см. Затем у цилиндра удаляли дно и его 242 Таблица 44 – Химические составы древних стекол Компонент Египетские Месопотамские, ассиро- вавилонские Индийские Римские Византийские Немецкие Французские XV в. до н.э. X в. до н.э. III в. н.э. V-IV вв. н.э. V в. н.э. XI-XIII вв. н.э. XII-XIII вв. н.э. Кремнезем SiO 2 63,78 66,11 66,60 68,10 66.22 53,78 52.41 Глинозем Al 2 O 3 2,24 1,81 4,14 2,52 2,62 3,33 4,07 Оксид железа Fe 2 O 3 0,90 1,22 2,44 0,81 1,26 0,46 1,24 Оксид кальция CaO 6,93 6,29 5,19 6,98 8,28 21,03 16,63 Оксид магния MqO 2,85 4,59 2,49 1,03 1,24 2,92 4,97 Оксид марганца MnO 0,58 0,91 0,09 0,50 0,58 1,69 1,65 Пятиоксид фосфора P 2 O 5 - - - - - 3,36 - Оксид калия K 2 О 1,90 2,35 3,14 1,13 0,98 9,99 16,05 Оксид натрия NaO 16,77 13,72 16,90 18,63 18,28 1,77 1,77 Сумма ∑ 95,95 97,00 99,90 99,70 98,46 98,33 98,80 укладывали на ровную плиту, затем помещали в печь и там разравнивали. По-видимому, именно это стекло было использовано венецианскими шлифовальщиками для изготовления очков. В 1454 г. в Венеции был издан за- кон о смертной казни за разглашение тайны получения венецианского стекла. Вплоть до XVI в. венецианское стекло считалось лучшим в мире. Франция стала центром производства листового стекла после изобрете- ния в 1688 г. процесса его отливки. Технология его производства заключалась в следующем. Расплавленное стекло выливалось на специальный стол и раскаты- валось до плоского состояния. Затем заготовка охлаждалась и полировалась с помощью специальных металлических дисков и очень мелкого абразивного песка. Окончательная полировка осуществлялась фетровыми дисками. Стекло обладало высокими оптическими свойствами. При обработке его тыльной сто- роны серебром получали зеркала. Массовое производство оконного стекла впервые было налажено фир- мой «Америкен Бостон энд Сэндвич гласс» после изобретения в 1827 г. стекло- прессовальной машины. Бельгиец Фуко в 1905 г. изобрел метод вертикального вытягивания из пе- чи непрерывного стеклянного «полотна» постоянной ширины, а Эмиль Бише- руа – вытягивание стекла между двумя роликами В 1910 г. французский ученый Эдуард Бенедиктус изобрел способ произ- водства особо прочного пуленепробиваемого стекла путем размещения специаль- ной целлулоидной пленки между двумя листами и запатентовал под названием «триплекс». Англия специализировалась на оптическом стекле (флинт глассе) , удобном для изготовления граненых изделий. В 1959 г. английская компания «Пилкинтон бразес LTD» предложила со- временную методику получения высокого качества полированного стекла с опти- ческими свойствами. На Руси стекло впервые явилось в ослепительном золотом блеске мону- ментальных мозаик киевских храмов – Десятинной церкви и Софии Киевской, поразив воображение своей светоносностью и подобием застывшим солнечным лучам. Звонкая, чистая полихромия мозаик, в которых образы святых предста- ют на золотом фоне, вдохновляла русских ювелиров XI –XIII вв., украшавших свои золотые изделия многоцветной перегородчатой эмалью – разновидностью стекла. Гривны, коты, рясы с христианской символикой обладают той же мо- щью и монументальностью, что и грандиозные мозаики. И в значительной сте- пени этот эффект достигался благодаря сочетанию золота и стекла, олицетво- ряющих в соответствии со средневековой эстетикой две ипостаси небесного света – прозрачность и блеск (таблица 45). Как самостоятельная область древнерусского прикладного искусства стеклоделие начинает формироваться в первой половине XI в. В Киеве, в слоях XI-XIII вв., раскопками вскрыты большие мастерские по изготовлению стек- лянных браслетов, бывших тогда модным женским украшением во всех рус- ских городах. Такая мастерская была обнаружена и при раскопках в Костроме. С XI в. на Руси развилось производство смальты для монументальных мозаик. Таблица 45 – Химические анализы древнерусских стекол для мозаики из Киева (XI в.) Показатель Софийский собор Киево-Печерская стеклодельная мастерская Цвет Сире- невый Жел- тый Зеле- ный Крас- ный Черный Синий Золотая смальта Светло- желтый Красный Золотая смальта Кремнезем SiO 2 42,20 27,39 54,36 65,65 40,98 70,64 58,43 32,60 66,64 65,68 Диоксид олова SnO 2 нет 3,72 нет нет нет нет нет 3.32 1,35 нет Диоксид титана TiO 2 0,95 0,27 0,72 0,31 следы 0,14 1,32 следы 0,12 следы Глинозем Al 2 O 3 0,95 0,27 0,72 0,31 2,47 2,96 1,32 0,18 2,02 3,02 Оксид железа Fe 2 O 3 1,98 0,07 0,56 3,42 1,23 1,22 0,23 0,12 3,42 0,70 Оксид свинца Pb 2 O 3 42,92 66,32 27,56 нет 41,62 нет 22,37 63,01 - - Оксид кальция CaO 3,20 0,14 3,14 8,48 3,40 7,02 0,45 0,2 8,48 12,22 Оксид магния MqO 1,42 0,14 0,70 3,33 2,40 1,34 0,40 следы 1,41 2,45 Сумма ∑ 99,86 100,2 99,65 100,3 99,96 100,5 99,96 99,43 99,54 84,07 Но трагическое для Древней Руси монголо-татарское нашествие в XIII в. безжалостно обрывает его развитие, которое возобновляется только в XVII в. За короткий отрезок времени древнерусское стеклоделие, по справед- ливому наблюдению Ю.Л. Щаповой, "повторило путь производства стекла в целом". Первый в России стекольный завод был построен около Можайска в 1635 г. шведом Елисеем Коэтом, второй, Измайловский завод под Москвой – в 1668 г., третий завод, у Тайпицких ворот в Москве – 1690 г, а в 1717г. по- строены Ямбургские заводы. Важнейшую роль в дальнейшем развитии стеклоделия в России сыг- рал государственный стекольный завод. Он был заложен Петром I в первые годы XVIII в. на Воробьевых горах под Москвой. К середине XVIII в. госу- дарственный стекольный завод он вместе с Ямбургскими заводами был пере- ведён в Петербург. Завод этот стал образцом для всех других стекольных предприятий страны, подлинной школой для русских мастеров стекольного дела и лабораторией освоения новой техники. В его работе принимали в раз- ное время участие видные русские специалисты в области искусства, науки и техники, в их числе М.В. Ломоносов, Т. де Томон, К. И. Росси, А. Н. Ворони- хин, В.П. Стасов, И. П. Кулибин и др. Русские рабочие – выдающиеся мастера стекольного дела – создавали на этом заводе замечательные произведения искусства, изумлявшие всю Ев- ропу и хранящиеся сейчас во дворцах и музеях (рисунок 181). Выдающуюся роль в развитии научного стеклоделия в России сыграл М. В. Ломоносов. В 1748 г. он организовал при Петербургской академии наук лабораторию, в которой проводил опыты с окрашиванием стекла, лично ва- рил смальту, разработав палитру цветной стеклянной мозаики . В 1753 г. им была построена для производства цветного стекла Усть-Рудицкая фабрика (близ Петербурга). Из сваренной здесь смальты Ломоносов сам и по его ука- заниям ученики выполнили ряд мозаичных произведений, в числе которых грандиозная цветная мозаичная картина «Полтавская баталия» (1762 – 1764 гг.). В 1764 г. был основан А. И. Бахметьевым в Никольском Пензенской гу- бернии крупный по тому времени завод для производства хрустальной посу- ды и зеркального стекла. Рисунок 181 – Изделия русских мастеров 246 В середине XVIII в. только в одной Москве работало 7 стекольных про- изводств, а в 1880 г. в России было уже 207 фабрик, на которых трудились 14 тыс. человек. В 1913 г. Россия производила 23,7 млн. м 2 оконного стекла. Были построены заводы в Донбассе, Нижнем Новгороде, Гомеле, Львове, Тюмени, Паневежисе и т.д. В настоящее время в странах СНГ функциониру- ют около 300 стекольных заводов, располагающих 900 стекольными печами. На листовое стекло из общего объема производства стеклянных изделий приходится 45 % (рисунки 182 – 184, таблица 46). Рисунок 182 – Сегодня в мире выпускается 90 млн. т стекла в год СНГ США Германия Рисунок 183 – Производство стеклянных изделий в странах СНГ, США и Германии Полтораста лет назад стекло варили только в огнеупорных сосудах. В них засыпали вручную шихту, состоящую из кварцевого песка, соды, мела, доломита и других материалов. Шихта при высокой температуре превраща- лась в прозрачную массу. Из жидкой стекломассы стеклодувы выдували раз- личные сосуды, бутылки, посуду или цилиндры, из которых затем получали листы стекла. Это был тяжелейший труд. В 30 гг. прошлого столетия в Рос- сии появились первые ванные печи для промышленного производства стекла, потребность в котором росла очень быстро. На каждом стекольном заводе устанавливались одна или несколько ванных печей, выпускавших за сутки тонны стекла. Современные ванные печи для варки оконного стекла – боль- шие сооружения, их длина несколько десятков метров. Шихту в печь загру- жают непрерывно по 10…15 т/час с помощью механических устройств. Печь вмещает более 2500 т стекломассы и дает в сутки более 350 т стекла. 12.2 Технология получения стекла Получение стекломассы включает в себя следующие операции. Подготовка сырьевых материалов и смешивание их до однородной массы.Заключается в сушке, измельчении в дробилках, просеивании и сме- шивании в определённых весовых отношениях сырьевых материалов в соот- ветствии с заданным химическим составом стекла в однородную шихту. 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 млн кв м млн кв м млн кв м 247 Таблица 46 – Характеристики листового строительного стекла Стекло Толщина стекла, мм Отклонения по толщине, мм Ширина и длина листов, м Отклонения по линей- ным размерам, мм Свето- про- пуска- ние, % минималь- ная максималь- ная Оконное 2 -0,1 +0,2 400x400 700x1250 +2 -3 87 2,5 -0,1 +0,2 400x500 750x1450 3 ±0,2 400x500 1000x1800 85 4 +0,2 -0,3 400x500 1200x2200 5 +0,2 -0,3 400x500 1600x2200 84 6 +0,4 400x500 1600x2200 Вит- рин- ное неполи- рованное 6,5-8 +0,5… -0,5 2350x1950 3000x4000 ±5 полиро- ванное 6,5-7 ±0,3...±0,5 2350x1950 4450x2950 Узорчатое 3-6,5 – 400x400 1200x1X00 ±3 40...60 Ар- миро ван- ное бесцветное 5,5 ±0,7 300x500 1400x1X00 60 цветное 6 ±1 300x600 800х 1 500 Мебельное Зеркальное 3-9 4-7,6 600х300 800х1800 Армированное 400х800 2000х1600 248 Сырье, применяемое для стекловарения, делится на основное и вспомо- гательное. Последнее служит для улучшения качества стекла и получения стекла с особыми свойствами. К основному сырью относятся: оксид кремния или кремнезём (молотый кварцевый песок фр. 0,2…0,5 мм без вредных примесей соединения железа и хрома, которые придают желтовато-зелёный цвета – 70…72 %); оксид натрия (кальцинированная сода – катализатор реакции около 14 %); оксид кальция (мел или известняк – стабилизатор около 10 %); оксид магния (доломит, маг- незит или жжёная магнезия) и оксид алюминия (глина или чистый глинозём) используются для повышения физических свойств стекла, включая сопро- тивление атмосферным изменениям. Оксид калия вводится в виде солей – кислой или азотнокислой (селитра). Он применяется главным образом в производстве посуды, цветных, оптических и некоторых технических стекол. Оксид лития используется при выработке опаловых и некоторых специальных стекол и даётся в виде содержащих литий минералов. Оксид бария применя- ется в виде углекислого, азотнокислого и (реже) сернокислого бария; исполь- зуется при производстве оптических стекол и хрусталя. В тех же производ- ствах находит применение оксид свинца (сурик или глёт). Оксид цинка (цинко- вые белила) применяется в производство оптических, химико-лабораторных и некоторых других стекол. В стекловарении используются также материалы, содержащие одновре- менно соответственные горные породы, доменный шлак, стеклянный бой и др. К вспомогательному сырью относятся: осветлители, обесцвечиватели, красители, глушители, а также восстановители (углеродистые вещества). В качестве осветлителей , способствующих удалению из стекла пузы- рей, применяют в небольших количествах сульфаты натрия и аммония, хло- ристый натрий, трехоксид и пятиоксид мышьяка в сочетании с селитрой и плавиковый шпат. Некоторые из этих веществ одновременно являются обес- цвечивателями . Химическое действие обесцвечивателей сводится к окисле- нию в стекле соединений железа. При применении физического методов обесцвечивания в шихту вводятся в незначительных количествах вещества, окрашивающие стекломассу в зелёный цвет (селен, соединения кобальта, марганца и др.). Рисунок 184 – Типы металлических сеток для армирования стекла: а – сварная, с квадратными ячейками; б – крупная, с шестиугольными ячейками 249 Окраска стекол обусловлена избирательным поглощением лучей света в определенных областях спектра, причем цветное стекло, хорошо пропуска- ет лучи определенной длины волны (цвета), которые мы видим, и в значи- тельной мере поглощает остальные лучи. Можно выделить три группы кра- сителей, окрашивающих силикатные стекла: ионные, молекулярные, колло- идные. К группе ионных красителей относятся катионы переходных и редкозе- мельных элементов (3d- и 4f-элементы), особенность электронного строения которых состоит в том, что в ионном состоянии они имеют не спаренные электроны или незаполненные орбитали. При введении таких катионов в лю- бую среду (прозрачные кристаллы, стекла и растворы) возникают типичные спектры поглощения, характерные для ионного состояния данного компо- нента. Цвет, который придают ионы стеклу, зависит от их валентного состо- яния. Группу молекулярных красителей составляют сульфиды, селениды и смешанные кристаллы сульфоселенидов тяжелых металлов – кадмия, сурь- мы, висмута, свинца, железа, серебра, меди и др. В стекле они присутствуют в виде равномерно распределенных микрокристаллических образований, размер которых не превышает 50 нм. Поглощение света обусловлено воз- буждением электронов из валентной зоны в зону проводимости соответству- ющего полупроводникового соединения. Группу коллоидных красителей составляют тяжелые металлы: Cu, Ag, Au, Pt, Bi, которые могут легко восстанавливаться из различных соединений в стекле до атомарного состояния и образовывать стабильные коллоидные частицы. Природа окрашивания стекол такими кристаллами состоит в рассе- янии света на коллоидных частицах металла. Коллоидная медь окрашивает стекла в оттенки красного цвета, золото – в красно-фиолетовый и пурпурный цвета, серебро – в желтый цвет. Молекулярная решетка красящих компонентов постепенно ослабевает под воздействием энергии фотонов УФ излучения. Рассеивающие свет, т.е. белые и мало прозрачные стекла, называются глухими или заглушенными. В зависимости от степени глушения различают молочные (наиболее заглушенные), опаловые и опалесцирующие. В качестве глушителей применяются различные фтористые соединения, фосфаты, соединения сурьмы, олова и др. Варка шихты в стекловаренных печах для получения однородной жид- кой стекломассы. Температуры плавления основных видов сырья, используемых в произ- водстве красок ( о С): размолотый кварц – 1713; борная кислота – 577 (при 70 о С разлагается до B 2 O 3 ); бура – 741; сурик – 888 (при 480… 540 о С разла- гается до PbO); полевой шпат – 1200; азотнокислый калий – 334; карбонат натрия – 853; карбонат калия – 909. 250 Стекловарение ведётся при температурах порядка 1400…1600 °С в три ста- дии. Первая стадия – провар , или варка в собственном смысле слова, когда происходит химическое взаимодействие между составными частями шихты и образование вязкой массы. Так как при нагревании из шихты обильно выде- ляются газы, то в вязкой массе оказывается огромное количество пузырьков. Во второй стадии, называемой очисткой или осветлением , происходит удаление пузырьков, а также растворение еще оставшихся нерастворёнными зёрен песка; в этой стадии стекло выдерживается в печи в течение несколь- ких часов при наиболее высокой температуре. Третья, заключительная, стадия – так называемая студка стекломассы, когда она охлаждается до такой температуры (в зависимости от процесса производства и, следовательно, вязкости), при которой становится возмож- ным и наиболее удобным изготовлять из неё те или иные изделия. Варка стекла производится в стекловаренных печах. Выбор того или иного типа пе- чи обусловливается видом применяемого топлива, ассортиментом вырабаты- ваемых изделий, размерами производства и прочее. Процесс варки стекла некоторых видов, например оптического, кварце- вого и стеклянного волокна, отличается специфическими особенностями. Так, при производстве оптического стекла, к которому предъявляются особо жёсткие требования в отношении постоянства оптических свойств, однород- ности, прозрачности и прочее, требуется на всех стадиях варки длительное размешивание массы. Прозрачное кварцевое стекло изготовляется из горного хрусталя в гра- фитовых тиглях, разогреваемых под вакуумом до 1900…2000 °С индукцион- ными токами высокой частоты либо прямым пропусканием электрического тока (электропроводность стекла значительно возрастает при повышении температуры). В конце варки в печь впускают воздух под атмосферным или повышенным (от компрессора) давлением. Другой способ варки этого стекла – сплавление кварцевого порошка в пламени кислородно-водородной горелки. Непрозрачное кварцевое стекло получается путём оплавления кварцевого песка на угольном или графитовом стержне, разогретом электрическим током до 1800 °С. Отжиг стекла (после ванны с оловом). Твердое стекло в виде ленты проходит через холодный туннель, называемый «лерх», в котором темпера- тура стекла снижается с 620 до 250 о С. |