Technologie Materiałów Budowlanych

Wykład 8

Szkło budowlane

Szkło

Szkło – według normy ASTM-162 (1983) szkło zdefiniowane jest jako nieorganiczny materiał, który został schłodzony do stanu stałego bez krystalizacji.

SiO2

Szkło

Szkło jest przezroczystą substancją nieorganiczną, nieskrystalizowaną, otrzymywaną przez topienie w temperaturze 1300-1500°C, a następnie chłodzenie surowców szklarskich – piasku kwarcowego z dodatkiem sody, wapienia i innych

Przy chłodzeniu masa szklana przechodzi w sposób ciągły ze stanu ciekłego w stan cieczy przechłodzonej o dużej lepkości, tj. w stan ciała stałego o strukturze bezpostaciowej

Z bezpostaciowego stanu skupienia wynika izotropowa struktura szkła i związane z tym właściwości, jednakowe w różnych kierunkach

Szkło - historia

Początki wyrobu szkła sięgają zamierzchłej starożytności

Szkło było znane już ponad 3000 lat p.n.e.

Pierwsze ośrodki szklarstwa powstały w Babilonie i Egipcie, ważnym ośrodkiem wyrobu szkła był Rzym, później Bizancjum

Do rozwoju produkcji szkła przyczyniło się uruchomienie w 1241 roku huty szkła we Włoszech, głównie do wyrobu luster

W Polsce wyrabiano szkło już w XII wieku (Poznań), w wieku XVI działało już 30 hut (sandomierskie, krakowskie)

Szkło - historia

Według rzymskiego historyka i pisarza Pliniusza Starszego to feniccy kupcy pierwsi wytopili szkło

Miało się to odbyć przypadkowo podczas palenia ogniska na plaży kwarc, który znajdował się w piasku pod wpływem temperatury przetopił się w niewielkie szklane przedmioty

Fulguryt (z łac. fulguritus

„ugodzony piorunem”),

piorunowiec

Szkło - historia

Technika wytwarzania cienkich, płaskich szyb okiennych została udoskonalona w XIV wieku we francuskiej Normandii. Pojedyncze szyby okienne, zwane gomółkami szklanymi, rzemieślnicy wytwarzali poprzez wydmuchiwanie.

Znaną była również technika polegająca na wydmuchiwaniu podłużnej bańki w kształcie walca (tzw. cholewy). Następnie odcinano końce, a powstały cylinder rozcinano wzdłużnie. Po rozprostowaniu otrzymywano niewielką taflę szkła okiennego

Szkło - historia

Stopione szkło przeznaczone na jedną szybkę wydmuchiwało się w dużą bańkę za pomocą piszczeli szklarskiej. Następnie bańkę się spłaszczało i przyczepiało do końcówki żelaznego pręta, o nazwie przylepiak, który robotnik obracał najszybciej, jak potrafił. Spłaszczona bańka szkła rozkładała się jak wachlarz i tworzyła koło o średnicy od 1 do 2 m. Z okrągłych, płaskich tafli szkła, odpowiednio przyciętych, wyrabiano małe okienka, przeznaczone głównie dla kościołów. "Wole oko" w środku koła było najmniej przezroczyste, ale wykorzystywano i te fragmenty, ponieważ szyby były bardzo kosztowne. Wytrawny szklarz był w stanie wykonać tą metodą ok. tuzina szyb dziennie i dlatego w średniowieczu szklane okna były drogim luksusem.

Szkło - historia

Rycina z 1023 roku, klasztor Montecassino

Szkło - historia

Huta szkła w Weibersbrunn

Szkło - historia

Szkło - historia

Witraż z XVI wieku

Witraże barwione

nanocząstkami

złota

Pałac Kryształowy (1854), pierwotnie wzniesiony w Hyde Parku w Londynie na Wielką Wystawę (1851), budynek miał 560 m długości i 33 m wysokości

Szkło - historia

Szkło - zalety

Przezroczystość, zdolność do przepuszczania światła i obrazu

Nienasiąkliwość, gładkość, twardość

Odporność na działanie czynników atmosferycznych i chemicznych

Mała ścieralność

Wysoka wytrzymałość na ściskanie, niepalność, nieprzepuszczalność gazów

Duża możliwość kształtowania wyrobów (od płaskich płyt, poprzez kształtki do cienkich włókien)

Szkło - wady

Kruchość

Wrażliwość na uderzenia

Rozpryskliwość

Mała odporność na szybkie zmiany temperatury

Edouard Benedictus: bezpieczne szkło (1878-1930)

cienki film kolodium (roztwór nitrocelulozy w

alkoholu)

1903 – Edouard Benedictus (francuski malarz, kompozytor, pisarz i chemik) upuścił szklaną butelkę na podłogę z twardego materiału – kawałki potłuczonego szkła nie rozpadły się a butelka pozostała w

prawie niezmienionym kształcie

Szkło w budownictwie

Materiał do szklenia otworów okiennych

Materiał konstrukcyjny

Materiał okładzinowy

Materiał izolacyjny

Materiał dźwiękochłonny

Materiał oświetleniowy

Materiał dekoracyjny

Przeszklone powierzchnie elewacji budynków mieszkalnych stanowią 20-40%,

a budynków użyteczności publicznej 60-100%

Klasyfikacja szkła

Szkło budowlane: płaskie walcowane i ciągnione, zespolone, hartowane, barwne nieprzejrzyste, piankowe, szkła budowlane są zazwyczaj szkłami sodowo-wapniowo-potasowo-krzemianowymi.

Szkło jenajskie zwane też szkłem boro-krzemianowym – wynalezione w Jenie, cechujące się stosunkowo niską temperaturą topnienia (ok. 400 °C), łatwością formowania i jednocześnie wysoką odpornością na nagłe zmiany temperatury. Jest ono stosowane w sprzęcie laboratoryjnym i kuchennym. Jego odmianą jest szkło pyrex, które posiada skład znacznie ulepszony w stosunku do szkła jenajskiego

Klasyfikacja szkła

Szkło ołowiowe (kryształowe): przepuszczalne dla ultrafioletu, o bardzo wysokim współczynniku załamania światła. Jest bezbarwne lub o odcieniu żółtym lub fioletowym. Gęstość 3,4–4,6 g/cm³. Używane do produkcji wyrobów dekoracyjnych, soczewek optycznych, przezroczystych osłon przed promieniowaniem rentgenowskim (o grubości równoważnej zwykle 2 lub 5 mm ołowiu) i promieniowaniem gamma.

Szkło optyczne: stosowane na potrzeby optyki. Trzech głównych producentów Schott (RFN), Ohara (Japonia), Corning (Francja). Ważne cechy takiego szkła to m.in. współczynnik załamania i gęstość

Klasyfikacja szkła

Szkło sodowe: CaO, SiO2, Na2O. Ma bardzo duże zastosowanie w życiu codziennym, wykonane są z niego np. opakowania szklane, szyby, szklanki.

Szkło sodowo-potasowe uszlachetnione barem

Surowce do produkcji szkła

Czysty piasek kwarcowy (SiO2) – szkło można uzyskać z samej krzemionki przez jej stopienie w temperaturze powyżej 1700°C – ochłodzony stop nosi nazwę szkła kwarcowego

Topniki (dodawane celem obniżenia temperatury topnienia i lepkości masy szklanej) – węglany (Na2CO3, K2CO3) a także siarczan sodowy – powstające szkło krzemowo-sodowe lub krzemowo-potasowe rozpuszcza się jednak w wodzie

Tlenki metali dwuwartościowych (pozwala na uzyskanie szkła nierozpuszczalnego), np. CaO

Surowce do produkcji szkła (tlenki do

modyfikacji)

Tlenek glinowy Al2O3 – (w postaci skaleni sodowo-wapniowych, glin ogniotrwałych, kaolinu) dodawany w ilości 8%, powoduje wzrost odporności szkła na działanie wody, zwiększa twardość i wytrzymałość mechaniczną szkła oraz odporność termiczną, utrudnia jednak topienie

Tlenek borowy B2O3 – (w postaci boraksu lub kwasu borowego) zmniejsza lepkość w wysokich temperaturach, zwiększa twardość i odporność chemiczną szkła, obniża współczynnik rozszerzalności termicznej

Surowce do produkcji szkła (tlenki do

modyfikacji)

Tlenek magnezowy MgO – (wprowadzany w postaci dolomitu) stabilizuje szkło, zwiększa lepkość masy szklanej, powoduje wzrost odporności chemicznej

Tlenek ołowiu PbO – (minia) zmniejsza lepkość, ale i odporność chemiczną szkła, zwiększa współczynnik załamania światła, nadaje piękny połysk (kryształy) i dźwięk

Surowce fotochromowe

Szkło o zmiennej przepuszczalności optycznej, zmieniające swą barwę pod wpływem promieniowania UV, a po jego usunięciu powracające do barwy pierwotnej

Zjawisko fotochromatyczne można uzyskać w szkle zawierającym halogenki srebra, molibdenian lub wolframian srebra

Właściwości optyczne szkła

Światło słoneczne padające

Światło odbite (LR – współczynnik

odbicia)

Światło przepuszczone (przepuszczalność światła

bezpośrednia LT – współczynnik

przepuszczalności światła)

Światło absorbowane (współczynnik absorpcji)

przepuszczalność + absorpcja + odbicie = 100%

Produkcja szkła budowlanego

Przygotowanie surowców

Sporządzenie zestawu szklarskiego

Wytwarzanie szkła

Formowanie wyrobów szklanych

Odprężanie

Obróbka wykończeniowa

Pakowanie, magazynowanie, transport

1. Przygotowanie surowców

Rozdrabnianie, sortowanie, przesiewanie, płukanie, suszenie

Surowcami są: piasek kwarcowy, Na2CO3 i Na2SO4 jako topniki, CaCO3 jako stabilizator, tlenki, np. Al2O3 i MgO, polepszające odporność szkła na czynniki atmosferyczne, niekiedy tlenki barwiące, dodatkiem jest rozdrobniona stłuczka szklana

2. Sporządzanie zestawu szklarskiego

Odważanie surowców wg receptury, mieszanie a także nawilżanie zestawu, niekiedy brykietowanie, granulowanie itp., oraz transport do zasypnika

W hutach o dużej produkcji czynności są zmechanizowane i zautomatyzowane

3. Wytwarzanie szkła

Topienie zestawu w temperaturze 1300-1500°C, w piecach topliwych przeważnie wannowych, o pracy ciągłej, pojemności do 800t masy szklanej

Klarowanie wytopionej masy, tj. odgazowanie, usuwanie pęcherzyków (głównie CO2 powstałego z rozkładu węglanów)

Studzenie, polegające na doprowadzeniu masy szklanej do temperatury i lepkości odpowiedniej do dalszego przetwarzania

Wytwarzanie szkła

Schemat wanny szklarskiej i układ temperatur na jej długości

4. Formowanie wyrobów szklanych

Ciągnienie masy szklanej

Walcowanie masy szklanej

Wylewanie i formowanie metodą termograwitacyjną (float)

Wytłaczanie w formach

Rozwłóknianie masy szklanej

Metoda ciągnienia

Polega na wyciąganiu masy szklanej do góry przez odpowiednie urządzenie zaopatrzone w wałki ciągnące i czółenka szamotowe

Wyciągnięta taśma szklana odpowiedniej grubości poddawana jest krojeniu na tafle wymiarowe

Wadą szkła ciągnionego są smugi i falistość powierzchni powstające podczas ciągnienia masy szklanej

Metoda ciągnienia

Schemat produkcji szkła ciągnionego metodą Pittsburgh:

1 - masa szklana

2 - blok formujący

3 - wstęga szkła

4 - chłodnice wodne

5 - chłodnice szybu

6 - szyb pionowy

7 - wałki ciągnące

Metoda walcowania

Polega na formowaniu na stołach walcowniczych za pomocą jednego walca (metoda z 1688 r) lub w maszynach walcowniczych (walcarki)

Tym sposobem może być formowane szkło surowe, wzorzyste, zbrojone i profilowe

Metoda wylewania termograwitacyjna

(float)

Zwana metodą Pilkingtona (od nazwiska wynalazcy, 1959 r) jest najbardziej obecnie rozpowszechnioną metoda poziomego formowania szkła

Płynna masa szklana jest w sposób ciągły wylewana na powierzchnię roztopionej cyny, znajdującej się w specjalnej wannie i ogrzewanej w atmosferze ochronnej (redukcyjnej), przepływając po powierzchni metalu

Warstwa szkła utrzymuje się na powierzchni cyny dzięki mniejszej od niej gęstości, uzyskując pod wpływem siły ciężkości i sił napięcia powierzchniowego kształt płyty (taśmy) o idealnie gładkich i równoległych płaszczyznach

Produkcja szkła płaskiego

a - załadowanie piasku b - piec c - warstwa stopionego szkła zastyga na powierzchni stopionej cyny d - chłodzenie e - dalsze chłodzenie na wałkach f - cięcie szkła przecinakiem