Применение керамических материалов в строительстве

3.3. Материалы и изделия из стеклорасплавов

Стеклом называют твердый аморфный материал, получаемый из переохлажденных жидких минеральных расплавов.

Стеклянные изделия люди изготавливают с древнейших времен. Почти 6 тысяч лет назад стекло делали в Египте и Месопотамии. В Риме первые стекольные мастерские были созданы в 1 веке до н.э. Римляне умели отливать стекло и изобрели стеклодувную трубку. Из Рима в VII – ХII вв. это ремесло распространилось в европейские страны. Наибольшего расцвета оно достигло в Венеции, которая была мировым центром стеклоделия до ХVI – XVII вв. Венецианские стеклянные изделия отличались разнообразием и имели большую художественную ценность. В 1635 году в России около Воскресенска был построен первый стекольный завод, на котором выдували оконное стекло и различные стеклянные изделия. Большую исследовательскую работу по химии и технологии стекла вел М.В. Ломоносов. Он заложил научные основы стеклоделия в России, разработал свыше 2 тысяч составов цветной мозаики. В основном стекло производилось ручным способом, это был тяжелый физический труд. В конце ХIХ – начале ХХ вв. был создан механизированный способ вытягивания листового стекла, построена первая ванная стекловаренная печь непрерывного действия.

В ХХ веке в производстве стекла широко стали применять машинную технику, было создано много новых видов стекла и изделий из него. Сегодня стекло является одним из важнейших искусственных строительных материалов. В Беларуси стеклоизделия в виде листового оконного и закаленного стекла, стеклянных труб, теплоизоляционных блоков из пеностекла и другие изделия выпускают Гродненский стеклозавод и завод им. Ломоносова в Гомельской области. Номенклатура выпускаемой продукции: листовое стекло, конструкционные, облицовочные и теплоизоляционные стеклянные изделия. На основе стекло- и шлакорасплавов созданы микрокристаллические материалы – ситаллы и шлакоситаллы, сочетающие в себе аморфную и кристаллическую структуру.

3.3.1. Общая технология изделий из стекла. Свойства стекол

Основным сырьем для изготовления стекла является чистый кварцевый песок (72 – 75%), известняк (СаСО₃), доломит (СаСО₃; MgСО₃), кальцинированная сода (Na₂CO₃), сульфат натрия и полевой шпат. Для придания специальных свойств – повышенной термостойкости, прочности, химической стойкости, светорассеивания, цвета – в состав вводят добавки.

Производство стекла включает следующие технологические процессы:

- подготовку сырьевых материалов, включающую их очистку, дробление, помол до определенного размера и сушку;

- дозирование компонентов и приготовление рабочей увлажненной (для исключения пылеотделения) смеси – шихты;

- подачу шихты в стекловаренные печи, где происходит ее расплавление сначала с образованием непрозрачного расплава, а затем при подъеме температуры до максимальной 1400 – 1500^оС – перемешивания и удаления газообразных продуктов, прозрачной стекломассы;

- охлаждение стеклорасплава на 200 – 300^оС для повышения вязкости;

- формовку изделий и их охлаждение по определенному режиму.

Одна из основных особенностей стекла – способность стекломассы поддаваться разнообразным способам формования. Ее можно заливать
в форму, штамповать, прокатывать между вальцами, прессовать, выдувать изделия сложной конфигурации, вытягивать в листы, трубки и нити. Отформованные изделия охлаждают в специальных печах и камерах. Если охлаждать медленно (отжиг), то возникающие при формовке остаточные напряжения ослабевают до нормы, что обеспечивает длительную и надежную эксплуатацию стеклянных изделий. Если повторно нагреть полученное изделие, а затем резко охладить, то можно получить равномерно распределенные остаточные напряжения сжатия во внешних слоях и растяжения во внутренних. Такой режим охлаждения называют закалкой. Его применение обеспечивает стеклу повышенную механическую прочность при ударе (в 5 – 7 раз) и изгибе, термостойкость (в 3 – 5 раз) и твердость
(с 5 до 7 по шкале Мооса). При разрушении закаленного стекла образуются мелкие осколки с тупыми нережущими краями. Если в исходную шихту ввести некоторые добавки (оксиды металлов или соединения фтора), то при повторном нагревании полученных изделий в стекле начинается процесс кристаллизации. Добавки, представляющие собой кристаллические вещества, играют роль катализаторов. В результате образуется сложная структура, содержащая 90 – 95% беспорядочно ориентированных микрокристаллов (размером менее 1 мк), остальное – стекловидная фаза. По свойствам стеклокристаллические материалы (ситаллы) занимают промежуточное положение между стеклом и керамикой. Они прочнее стекла, тверже высокоуглеродистой стали, легче алюминия, химически и термически устойчивы, обладают хорошими диэлектрическими свойствами, по коэффициенту расширения некоторые из ситаллов близки к кварцевому стеклу. Если в качестве исходного сырья используют шлаки черной металлургии, то получают шлакоситаллы с аналогичными свойствами [20].

Строительное стекло представляет собой биостойкий невозгораемый жесткий материал, обладающий высокой стойкостью к действию влаги, солнечной радиации и отрицательных температур. Свойства стекол зависят от химического состава. Так, их плотность изменяется в пределах 2200 – 8000 кг/м³, прочность при сжатии составляет 700 – 1000 МПа, при растяжении 30 – 80 МПа. Стекло обладает низкой термической устойчивостью (перепад температуры составляет не более 80^оС) и прочностью на удар.
С увеличением толщины изделия сопротивление удару, тепло- и звукозащитные свойства возрастают. По электрическим свойствам стекла относятся к диэлектрикам. Силикатные строительные стекла отличаются высокой химической стойкостью за исключением действия плавиковой и фосфорной кислот. Этот материал обладает уникальными оптическими свойствами: светопропусканием, которое достигает 92%, светопреломлением, отражением и рассеиванием света.