СМ Черных. Тема 1 Материалы из стеклянных и других минеральных расплавов Определение, краткие исторические сведения
 Скачать 3.77 Mb.
|
|
Тема 1 Материалы из стеклянных и других минеральных расплавов 1.1. Определение, краткие исторические сведения Материалы из стекла имеют искусственную аморфную структуру, получаемую из минерального расплава, содержащего стеклообразующие компоненты (оксиды кремния, бора, алюминия и др.). Процесс перехода из жидкого расплава в твердое стеклообразное состояние обратим. Это позволяет оценивать этот материал как сложную жидкую систему в переохлажденном состоянии. Кроме материалов из стекла выделяют материалы из каменных и шлаковых расплавов. В глубокой древности в странах Ближнего Востока (Сирии, Египте) стекло применяли для имитации драгоценных камней, изготовления предметов украшения, декорирования изделий из природного камня или керамики. Не случайно в древней архитектуре использовали декоративные характеристики стекла. Зодчие Древнего Рима в I в. до н.э., отдавая дань оригинальным свойствам стекла, декорировали стеклянными пластинками полы, стены, потолки, колонны общественных зданий. Еще ранее, с IV в. до н.э., в Месопотамии широко применялась стеклянная мозаика. Последняя, а также смальта, использовались с III в. до н.э. в Древней Греции. Великолепные мозаики создавались на территории Византийской империи в V—VI вв. (мозаика дворца императоров, собора Св. Софии в Константинополе и др.). С IX в. стекло для декоративной мозаики применялось во многих странах, а с XI в. в Киевской Руси мозаика украшала полы, стены, своды и колонны храмов в Киеве (Софийский собор, Михайловский монастырь), Новгороде, Полоцке, Чернигове и др. Большое значение в эстетике интерьеров в Венеции с XIV в. стало играть зеркальное стекло, производство которого с XVII в. стало массовым. С VI в. до н.э. в Римской республике стекло широко применялось для оконных проемов. При их заполнении использовалось литое толстое стекло с оплавленными краями. Качество оконного стекла в Европе достигло высокого уровня уже в IV в. в Византии. На протяжении более 19-ти веков стекло применялось для окон, представляющих проемы в несущей массивной стене. Особую роль в истории архитектуры с VI в. играли декоративные витражи. Стекло для них производилось вначале литьем, а затем цилиндрическим способом — методом выдувания. Готический стиль в архитектуре Франции XII в. характеризовался и расцветом витражного искусства — почти во всех городах храмы украшались витражами — наиболее известные находятся в Соборе Парижской Богоматери, в соборах Лана, Шартра, Пуатье и других. Для остекления оконных проемов в исторических зданиях изготавливают, в основном, листовые строительные стекла различных форм и размеров. Важнейшим требованием при реставрации является сохранение первоначальных рисунка оконного переплета, характера и толщины элементов обрамления, соответствующего материала. В противном случае первоначальному внешнему облику зданий наносится значительный урон. При повреждениях или утрате отдельных элементов витражей для воспроизведения утраченной части снимается цветная копия. Затем изготавливается картон с необходимой цветовой окраской; заказываются и изготавливаются утраченные цветные стекла и по установленному эскизу набирается часть или полностью весь витраж. Смонтированный и подготовленный к установке в производственной мастерской, витраж транспортируется на место для окончательного крепления на реставрируемом участке. Принципиально новым этапом в истории применения материалов из стекла, влияющего уже на конструктивные особенности и архитектурный образ зданий, стал период, начиная с XIX в. В это время коренным образом совершенствуется и технология производства листового стекла. Профили из стали, железобетон — те материалы, с которыми упомянутое стекло позволило отказаться от традиционных форм и геометрических размеров. Большие остекленные поверхности общественных зданий в большой мере определили их архитектурный облик (рис. 1.1). 1.2. Основы производства Сырье. Основные сырьевые компоненты для производства материалов из стекла — кварцевый песок, сода, мел, доломит, известняк, т.е. в стекломассу вводятся кислотные, щелочные и щелочноземельные оксиды. От их количества непосредственно зависят все основные эксплуатационно-технические свойства стекла. Большое влияние на свойства строительных стекол оказывают вспомогательные компоненты: осветлители, обесцвечиватели, красители, глушители, окислители, восстановители. Осветлители вводят в шихту для освобождения стекломассы от видимых пузырей, т.е. для ее осветления, чем ускоряется процесс стекловарения. Действие осветлителей заключается в том, что при нагревании они разлагаются с выделением большого количества газообразных продуктов. Улетучиваясь из стекломассы, они способствуют удалению из нее и других газов (пузырей). Обесцвечиватели вводят в стекломассу, чтобы устранить нежелательные сине-зеленые или желто-зеленые оттенки, которые стекломасса приобретает из-за примесей железа в сырьевых материалах. Стекло обесцвечивают и химическим, и физическим способами. Красители служат для окрашивания стекла в тот или иной цвет. Обычно в качестве красителей используют соединения металлов. По механизму их действия различают молекулярные и коллоидные красители. Молекулярные красители, введенные в стекломассу, растворяются в ней. Окраска таких стекол не изменяется при повторной тепловой обработке. К этой группе красителей относятся, главным образом, оксиды тяжелых металлов — марганца, кобальта, никеля, хрома, железа, урана. К коллоидным относятся те красители, которые при введении в стекломассу равномерно распределяются в ней в виде мельчайших коллоидных частиц, например, соединения золота, меди, селена, серебра.  Рис. 1.1 . План и макет высотного дома (архит. Мис ван дёр Роз, 1921 г.) Большинство светопрозрачных стекол варят в окислительной среде. Это делают, в основном, для перевода закисной формы железа (FeO), содержащейся в сырье, в его окисную форму (Fe2O3). Первая придает стеклу зеленоватый оттенок. Вместе с тем существует группа стекол (цветных), для варки которых требуется восстановительная среда. Для регулирования этих условий варки в стекломассу вводят окислители и восстановители. Сырьем для производства материалов из минеральных расплавов (каменных, шлаковых) служат, соответственно, базальтовые, диабазовые, базальто-доломитовые и другие породы, доменные металлургические шлаки. Основы технологии. Основные технологические операции при производстве материалов из стекла — варка и формование. Варка стекла производится в печах различного типа. Листовое светопрозрачное стекло варят в ванных печах непрерывного действия. При этом выделяют пять стадий стекловарения: силикатообразование при температуре 800—900 °С, стеклообразование (1100...1200 °С), осветление и гомогенизация (1400...1600 °С), студка (1100...1200°С). He менее важен этап формования стекломассы. При производстве материалов из стекла применяют следующие способы формования: прессование, прокат, вытягивание, формование на расплаве металла (флоат - способ). Последние два способа широко распространены при производстве листового стекла. Принцип вертикального вытягивания состоит в транспортировании снизу вверх с помощью валков машины ленты стекломассы (после студки) шириной до 3 м. Лента выдавливается из стекломассы с помощью погруженного в нее специального приспособления (шамотной лодочки). Флоат - способ— наиболее производителен и эффективен. Поверхность ленты стекла получается гладкой, не требующей шлифовки и полировки, нижняя — за счет контакта с предельно ровной поверхностью расплавленного металла, а верхняя — поверхностного натяжения. После формования материал подвергают отжигу. В результате снижаются полученные при формовании внутренние температурные напряжения, возникающие при более высокой скорости остывания наружных слоев стекла по сравнению с внутренними. Наружные слои стремятся к сжатию, а более нагретые внутренние препятствуют этому. Отделку лицевой поверхности стекла производят механическим, химическим способами и путем нанесения различных покрытий. Механическая обработка включает пескоструйную, ультразвуковую, резку, шлифование, гравирование и др. При пескоструйной обработке на те места прозрачного гладкого стекла, которые должны остаться нетронутыми, наклеивают шаблон (например, из плотной бумаги). Огневая полировка поверхности шероховатого стекла производится при высокой температуре. Химическая обработка включает травление и матирование (обработку поверхности парами фтористого водорода, плавиковой кислотой, матирующими пастами или другими веществами), химическое полирование, выщелачивание (для повышения светопропускания и получения «радужного» эффекта), декорирование цветными протравами (диффузия) и др. При обработке плавиковой кислотой на поверхность стекла при помощи трафарета наносят расплавленный парафин или воск. Кислота разрушает незащищенную поверхность стекла. Через определенное время кислоту смывают, а после подогрева стекла парафин или воск стирают ветошью. Покрытия на поверхность стекол наносят в виде слоев керамических и других красок, эмалей, фактурных посыпок, люстров, силиконовых растворов, солей и оксидов металлов и др. В результате воздействия нагревом ниже температуры размягчения стекла происходит сплавление поверхностного слоя с нанесенным покрытием (пиролитический процесс). Более эффективен магнетронный процесс, когда поверхностный слой не входит в структуру стекла. В этом случае получается материал более высокой качественной категории. Технологический процесс производства материалов из других минеральных расплавов включает следующие операции: подготовка сырьевых компонентов, плавка шихты в пламенных шахтных, ванных, вращающихся или дуговых электрических печах при 1400...1450 °С; охлаждение расплава до 1250 0С для стабилизации структуры и уменьшения усадочных дефектов в готовой продукции; литье в подогретые постоянные формы из чугуна или жароупорной стали или во временные силикатные формы; медленное (до 1 суток и более) охлаждение; механическая обработка поверхности и кромок. Для снижения возникающих при охлаждении внутренних напряжений отливки подвергают частичной кристаллизации — отжигу в специальных печах при 800...900 °С. Формование материалов осуществляется методами статического или центробежного литья. В производстве волокон, например из базальтового расплава, используют метод раздува струи расплава сжатым воздухом или паром. При изготовлении минеральной ваты расплав обычно получают в вагранке или в другом печном агрегате. Волокна образуются при воздействии подаваемого под давлением пара или воздуха па непрерывно вытекающую из вагранки струю расплава или при подаче пара на валки или диск центрифуги. Полученное минеральное волокно собирается в камере волокноосаждения на непрерывно движущейся сетке. В эту камеру вводят органические или минеральные связующие вещества для получения теплоизоляционных матов и плит. Производство материалов из шлаковых расплавов, прежде всего огненно-жидких шлаков металлургической промышленности, весьма выгодно и экономично: не требуется специальных плавильных печей и дополнительных затрат топлива. 1.3. Номенклатура Материалы из стекла и других минеральных расплавов можно разделить на две основные группы: светопрозрачные и непрозрачные (облицовочные, специального назначения: теплоизоляционные, звукопоглощающие, кислотоупорные). Светопрозрачные материалы и изделия. Наиболее распространено в строительстве оконное стекло — бесцветное с гладкими поверхностями. Листы оконного стекла выпускаются, например, шириной 250...1 600 мм, длиной 250...2 200 мм, толщиной 3...6 мм. Масса 1 м2 стекла 2...5 кг. Витринное стекло представляет собой крупногабаритные бесцветные листы, как правило, полированные. Один из наименьших размеров 1700 х 1250 мм, наибольших — 3500х6000 мм при толщине 5,5...10 мм. Отклонения от размеров листов полированного стекла по длине и ширине не должны превышать ± 3 мм, по толщине ± 0,5 и ± 0,4 мм (для стекла высшей категории качества). Флоат-стекло толщиной от 3 до 25 мм и с наибольшим размером 3,2 х 6 м, получаемое формованием на расплаве металла, не имеет оптических дефектов и получает все более широкое распространение Оконное и витринное стекла являются основными по объему производства и применения, но не исчерпывают богатой и разнообразной палитры стеклянных листовых материалов. Узорчатое, матовое и матово-узорчатое стекла отличаются оригинальными эстетическими характеристиками. Узорчатое стекло имеет на одной или обеих поверхностях четкий рельефный рисунок глубиной 0,5...1,5 мм. Обычно такое стекло изготавливают толщиной 3...6 мм прокаткой на машинах, верхний вал которых имеет соответствующий узор. Однако орнаментальный рельеф может быть создан и другими способами. Узорчатое стекло может быть бесцветным, цветным и армированным (см. ниже). Хорошо просвечивающее узорчатое стекло благодаря сплошному рельефному рисунку является светорассеивающим. Применяют такое узорчатое стекло для остекления дверей, перегородок и других ограждений для создания мягкого освещения и защиты от прямого солнечного света. Матовое стекло получают из оконного стекла толщиной 3...6 мм при помощи пескоструйной или химической обработки одной или обеих сторон. Матово-узорчатое стекло изготавливают аналогичной обработкой одной поверхности по трафарету с определенным рисунком (рис.1.2 ). Если на поверхность матированного стекла нанести слой столярного клея и подвергнуть его термообработке, то после снятия клея образуется матово-узорчатое стекло «мороз», имитирующее рисунок замерзшего стекла. К матово-узорчатым стеклам относится и стекло «метелица» с оригинальным рельефным рисунком из произвольно чередующихся участков с матовой и обычной поверхностью. 1  Рис.1.2. Некоторые виды рельефных рисунков на лицевой поверхности узорчатого (1, 2, 3) и матово-узорчатого (4) стекол Цветное стекло может быть однослойным, окрашенным в массе и двухслойным из бесцветной стекломассы с цветным накладным слоем толщиной 1 мм. Такое стекло обычно изготавливают десяти цветов: красное, синее, темно-синее, зеленое, лунно-белое, голубое, серое, молочное, желтое, лимонное. Толщина стекла 3...4.5 мм. Его применяют для декоративного остекления световых проемов, устройства перегородок, изготовления витражей. Армированное стекло имеет внутри параллельно поверхностям сварную светлую металлическую сетку из термообработанной стальной проволоки диаметром 0,35—0,45 мм. Стекломасса армируется в процессе формования способом проката. Прочность стекла при этом не увеличивается и даже снижается, но такое стекло безопасно — при разрушении от механических и тепловых воздействий осколки удерживаются металлической сеткой. Армированное стекло может иметь гладкую, кованую или узорчатую поверхность, быть плоским и волнистым, бесцветным и цветным. Армированное стекло служит для остекленения световых проемов и дверей (при повышенных требованиях к безопасности и огнестойкости остекления), фонарей верхнего света, для ограждения балконов, лоджий, лестниц, лифтовых шахт, устройства перегородок и светопрозрачных кровель. Закаленное стекло имеет сравнительно высокую механическую прочность и термостойкость. Это достигается обработкой листового стекла толщиной 4,5...6,5 мм — нагреванием до +640 ± 10 °С и последующим резким, но равномерным охлаждением поверхностей потоком воздуха, реже жидкостью. Закалка в 5...6 раз повышает прочность стекла при изгибе и ударе, в 2 раза увеличивает его термостойкость, совершенно изменяет характер разрушения материала — он распадается на мелкие осколки с округленными гранями. Закаленное стекло используют для остекления витрин и светопроемов общественных зданий, сплошных стеклянных дверей, перегородок и других ограждающих конструкций, к которым предъявляются требования повышенной стойкости к возможным ударным воздействиям. В современной архитектурно-строительной практике часто применяют, в т.ч. при больших площадях остекления, светопрозрачные стекла, позволяющие изменять тепловые и световые потоки. К таким стеклянным материалам относятся теплопоглощающие (введение в состав стекломассы оксидов железа, кобальта, селена), теплоотражающие (нанесение на поверхность тонких пленок металлов и их оксидов) и другие. Например, низкоэмиссионные стекла заметно снижают потери тепла, позволяют экономить энергетические затраты на отопление зданий и создают комфортный микроклимат в интерьерах. Эти материалы рационально применять с эксплуатационно-технической точки зрения, но они в большой мере определяют и внешний облик здания, сооружения. Не менее популярны многослойные стекла, среди которых выделяют стекла повышенной безопасности — триплекс — из двух листов, склеенных полимерной пленкой; повышенной безопасности и прочности, в т.ч. пуленепробиваемые — из склеенных листов закаленного стекла; а также стекла, изменяющие тепловые и световые потоки за счет соответствующих характеристик склеиваемых слоев. Например, электрохромное стекло имеет оригинальный токопроводящие слои, позволяющий, в зависимости от электронапряжения, изменять величину тепловых потоков и цвет материала в процессе эксплуатации. Термически стойкие пожаробезопасные конструкции получают с использованием предварительно напряженного боросиликатного стекла. Среди светопрозрачных изделий выделяют малогабаритные (блоки стеклянные пустотелые) и крупногабаритные (стеклополотна, стеклопакеты, стекла профильные и гнутые). Блоки стеклянные пустотелые получают сваркой по периметру двух прессованных полублоков, стекломасса которых может быть бесцветной или цветной. Внутренняя поверхность гладкая или с рельефным рисунком. В процессе герметической сварки в блоке создается частичное разрежение воздуха, повышающее теплоизоляционные свойства. Блоки имеют квадратную или прямоугольную форму, но могут быть и другой формы, в том числе криволинейной угловой. Масса блоков обычно 2,4 и 4,3 кг. Стеклоблоки предназначены для кладки наружных ограждений, перегородок, заполнения светопроемов в жилищно-гражданском и промышленном строительстве. |