Комплекс самостійного опрацювання з дисципліни «Будівельні матеріали»

Основні матеріали містять оксиди, які утворюють структуру скла й визначають його властивості. Так, оксид Na2O прискорює процес варіння, знижуючи температуру плавлення, але зменшує хімічну стійкість скла. Оксид СаО підвищує хімічну стійкість, оксид Al2O3 підвищує міцність, термічну і хімічну стійкість, оксид PbO підвищує показник світлозаломлення.

Допоміжні матеріали вводять для покращення реологічних характеристик скломаси, прискорення її варіння, забарвлення, освітлювання, сприяння кристалізації тощо.

Сировинні матеріали можуть застосовуватися як у вигляді природної сировини, так і у вигляді відходів хімічної, металургійної, гірничодобувної промисловості.

Технологія виготовлення скла й виробів на його основі передбачає такі операції та процеси: підготовку сировинних матеріалів, приготування скляної шихти, скловаріння, формування зі скломаси матеріалів та виробів, механічну, термічну й хімічну обробку виробів для підвищення експлуатаційних властивостей.

Таблиця 1 – Сировинні матеріали для виробництва скла

Групи матеріалівНазва

Основні матеріали

кремнеземисті, що містять SiO2,

55…75 мас. %

глиноземисті, що містять Al2O3,

2…25 мас. %

лужноземельні, що містять Na2O та К2O до 15 мас. %

Допоміжні матеріали

модифікатори для надання склу спеціальних властивостей

освітлювачі

кварцовий пісок, мелений пісок і кварцити

технічний оксид алюмінію, гідроксид алюмінію, польові шпати, пегматити, каолін, граніт, вулканічний попіл

сода, поташ, сульфати лужних металів

оксиди свинцю, барію, цинку, цирконію, титану, фосфору

селітра, хлорид натрію

Підготовка включає подрібнення та розмелювання крупних кусків, сушіння вологих матеріалів, класифікацію дисперсних матеріалів.

Приготування скляної шихти починається з усереднення, дозування та перемішування компонентів.

Скловаріння здійснюється у печах безперервної (ванні печі) і періодичної (горшкові печі) дії.

Процес варіння скла складається з п’яти етапів: силікатоутворення, склоутворення, освітлення, гомогенізації та охолодження.

На першому етапі утворюються силікати та інші проміжні сполуки, і внаслідок плавлення евтектичних сумішей з’являється рідка фаза. Утворені в шихті силікати разом з рідкою фазою та компонентами, які не прореагували, спікаються в щільну масу. Процес силікатоутворення звичайно розпочинається при температурі майже 725 оС і завершується майже при 1150 оС.

З подальшим підвищенням температури в розплаві завершуються реакції силікатоутворення, відбувається взаємне розчинення силікатів і надлишкового кремнезему, внаслідок чого утворюється скломаса, насичена газовими бульбашками. Процес склоутворення завершується при температурі майже 1250 оС.

Освітлення та гомогенізація скломаси відбуваються майже в одному інтервалі температур. З цією метою скломасу нагрівають до температури 1150…1600 оС. З підвищенням температури різко знижується в’язкість розплаву й відповідно полегшується видалення газових бульбашок.

Процес скловаріння завершується охолодженням скломаси на 300 оС, внаслідок чого вона набуває в’язкості, необхідної для формування виробів (витягування, прокатування, пресування, лиття тощо).

Формування виробів здійснюється різними методами: вертикальним та горизонтальним витягуванням, прокатуванням, способом плаваючої стрічки (флоат – спосіб), пресуванням, видуванням тощо.

Спосіб плаваючої стрічки є найбільш досконалим з усіх способів, відомих на цей час. Він дозволяє виготовляти скло з високою якістю поверхні. Особливістю цього способу є те, що процес формування стрічки протікає на поверхні розплавленого олова. Нижня поверхня скла виходить рівною за рахунок контакту з розплавленим металом, а верхня – завдяки дії сил поверхневого натягу скломаси. Після формування поверхня листового скла не потребує подальшого полірування.

Відпалювання – обов’язкова операція при виготовленні виробів. При швидкому охолодженні у виробах виникають великі внутрішні напруження, які можуть призвести до їх саморуйнування.

Гартування – ця операція застосовується для підвищення фізико-механічних характеристик скла і здійснюється доведенням скла до пластичного стану з подальшим різким охолодженням його поверхні.

Крім гартування, для покращення механічних властивостей застосовують травлення з наступним покриттям плівками, електрохімічну обробку поверхні, мікрокристалізацію.

Заключна стадія обробки включає операції шліфування, полірування, декоративної обробки.

Властивості скла. Структура скла зумовлює ряд його властивостей, у тому числі прозорість, міцність, стійкість до атмосферних впливів, водо- та газонепроникність.

Найбільш важливими для скла є не тільки оптичні властивості, але й механічні, оскільки його використання є багатоцільовим.

Оптичні властивості скла характеризуються прозорістю, світлопроникністю, світлопоглинанням, світловідбиванням, світлорозсіюванням тощо. Звичайні віконні стекла пропускають видиму частину світлового спектра й не пропускають інфрачервоних та ультрафіолетових променів. Світлопроникнення вимірюють коефіцієнтом пропускання, який визначається відношенням кількості світлової енергії, що пройшла крізь скло, до повної його енергії. Світло пропускання віконного скла при товщині 5 мм становить 84…87% і залежить не тільки від виду скла, а й кута падіння світлових променів.

У будівельних конструкціях скло зазнає дії розтягу вальних й ударних навантажень, рідше – дії стиску, тому основними характеристиками, що визначають його якість, є міцність при розтягу та крихкість.

Теоретична міцність скла при стиску становить більше 20000 МПа, а при розтягу – 12000 МПа, фактична – значно нижча (при стиску – 500…2000 МПа, при розтягу – 35…100 Мпа).

Однією з причин великої різниці між теоретичною і реальною міцністю скла є дефектність поверхні реального скла – наявність мікротріщин, що сильно послаблюють опір матеріалу впливу зовнішніх навантажень.

Вважають, що утворення поверхневих дефектів залежить від ступеня однорідності вихідної маси, способу і умов формування виробів, характеру механічної та термічної обробки, температури і вологості навколишнього середовища, тривалості дії навантаження, масштабного фактора.

Крихкість як показник деформативності є головним недоліком скла.