будмат 5

Лекция 5 

Лекція 5. Матеріали та вироби зі скла. Склокристалічні матеріали 

 

5.1. Класифікація скла й сировина для його виготовлення 

5.1.1. Класифікація скла 

Склом називають усі аморфні тіла, виготовлені переохолодженням розплавів, основою яких є силікатна основа (SiO2 та сполуки на його основі): піски, глини, базальти, шлаки, золи, склобій і ін. Унаслідок поступового збільшення в’язкості вони набувають властивостей твердих тіл, причому процес переходу з рідкого стану в склоподібний має бути оборотним. 

Залежно від основних склоутворювальних компонентів за хімічним складом розрізняють такі класи скла: 

1) оксидні: 

силікатні (SiO2); алюмосилікатні (Al 2O3 ,SiO2); боросилікатні (В2О3 ,SiO2); силікатитанатні (SiO2 ,ТiO2); алюмосилікофосфатні (Al 2O3 ,SiO2 Рв2O5) і ін. 

2) безкисневі (елементарні S, Al, С, Sе). 

За призначенням скло класифікують так: 

архітектурно-будівельні; світлотехнічні; безпечні; скляні труби; скловолокно; газоскло; тарне скло і т.д. 

 

5.1.2. Основні сировинні матеріали 

Сировинні матеріали для виробництва скла умовно поділяють на основні й допоміжні. Основні матеріали містять оксиди, які утворюють основу скла і визначають його властивості. Основні сировинні матеріали вводять до складу шихти у вигляді природних сполук: 

а) кремнезем (SiO2)- основна частина всіх силікатних стекол. Становить 55...75 % суміші. Уводиться у вигляді кварцового піску, мелених пісковиків і кварцитів. 

б) глинозем (Al2O3) становить 2…25 % суміші. уводиться у вигляді технічного оксиду алюмінію, польових шпатів, каолінів, граніту, вулканічного попелу. 

в) оксиди кальцію (СаО) і магнію (МаО) уводять у кількості до 25 % у вигляді вапняку, крейди, мармуру. 

г) оксиди лужних металів (Na2O, Ka2O) у кількості до 15 % вводять для зниження температури варіння. 

 

5.1.3. Допоміжні сировинні матеріали 

Допоміжні матеріали (окислювачі, відновники, прискорювачі, барвники, глушники, освітлювачі) уводять для поліпшення реологічних характеристик скломаси, прискорення її варіння й змінювання властивостей скла. 

Окислювачі та відновники застосовують при варінні стекол спеціального призначення, створюючи окислювальне та відновлювальне середовище. Як окислювачі застосовують нітрати, миш’як, оксид марганцю, а як відновлювачі – речовини, що містять вуглець (вугілля, тирсу, кокс). 

Як прискорювачі варіння застосовують фтористі сполуки. 

Барвниками скла є сполуки марганцю (чорний, фіолетовий), кобальту (яскраво-синій), хрому (жовто-зелений), міді (червоний) і ін. 

Глушники вводять до складу скла, щоб воно набуло здатності розсіювати світло. Застосовують для цього сполуки фтору, фосфору, олова. 

Освітлювачі сприяють вивільненню скломаси від газових включень. Як освітлювачі використовують селітру, оксиди миш’яку, хлорид натрію та ін. 

 

5.2. Технологія виготовлення й властивості скла 

5.2.1. Технологія виготовлення скла 

Технологія виготовлення скла передбачає такі стадії та операції:  

1) обробка сировинних матеріалів (подрібнення, сушіння, сортування); 

2) виготовлення скляної шихти (дозування й перемішування компонентів); 

3) скловаріння – температурний процес, під час якого суміш перетворюється на однорідний розплав. Скло вариться у ванних печах безперервної дії. Варіння починається при температурі 725 С0 і закінчується при 1250 С0. Освітлення скломаси відбувається при температурі 1500...1600 С0. Процес скловаріння закінчується охолодженням скломаси до температури 300…400 С0. При цьому маса набуває в’язкості, необхідної для формування виробів. 

4) формування – склу надається форма виробу. Розрізняють вертикальне й горизонтальне витягування; прокатування; флюат-спосіб, який ґрунтується на вільному розтіканні скломаси на підкладці з розплавленого олова; пресування; видування; пресовидування. 

5) термічна й хімічна обробка виконується для зняття термічних напружень при нерівномірному охолодженні й підвищення експлуатаційних властивостей скла. 

 

5.2.2. Властивості скла 

Скло має аморфну структуру. Це зумовлює ряд специфічних властивостей: прозорість, міцність, стійкість до атмосферних впливів, водо- та газонепроникність. У будівельних конструкціях скло зазнає вигину, розтягу й ударних впливів, рідше – стиску. Тому, основними характеристиками, що визначають його якість, є міцність при розтягу та крихкість. 

Міцність скла при розтягу становить Rp = 35…100 МПа, при стиску 500…2000 МПа. Густина скла становить 2450…2550 кг/м3, теплопровідність 0,40…0,82 Вт /(м*Ко). Скло має високу звукоізоляційну здатність (скло товщиною 1 см відповідає цегляній стіні товщиною в півцеглини). 

Крихкість скла є його основним недоліком і характеризується відношенням модуля пружності Е [ (4,5…9,8)*104 МПа] до границі міцності при розтягу Rp.  Показник крихкості для скла Е/ Rp = до 1500, сталі – до 500, гуми – 0,4…0,6. 

Оптичні властивості скла характеризуються прозорістю. Звичайні віконні стекла пропускають видиму частину світлового спектра і не пропускають інфрачервоних та ультрафіолетових променів. Світлопропускання скла становить 84…87 %. 

 

5.3. Види скла і вироби з нього. Склокристалічні матеріали 

5.3.1. Види скла і вироби з нього  

  • Скло листове віконне – використовується для скління віконних та дверних рам, вітражів у будівлях і спорудах. випускають його завтовшки 2…6 мм і максимальним розміром 2200*1600 мм. Допускається наявність блакитнуватого чи зеленуватого відтінку. 

  • Вітринне неполіроване скло відрізняється тільки більшими розмірами. Товщина ³ 6,5 мм. 

  • Вітринне поліроване скло виготовляється флюат-способом. Поверхня такого скла не утворює спотворень при зображенні. Товщина 5,5…6,5 мм. 

  • Увіольове скло характеризується здатністю пропускати промені ультрафіолетового діапазону (³ 25 %). Виготовляють із скломаси з мінімальним умістом оксидів заліза (£ 0,01 %), титану й хрому. Застосовують для скління вікон у дитячих, медичних закладах, оранжереях. 

  • Візерунчасте скло відрізняється від звичайного наявністю на одній або обох поверхнях рельєфного візерунка. Світлопропускання 65...75 %. Різновидами такого скла є декоративне скло типу “мороз”, “заметіль”. 

  • Армоване скло виготовляють методом безперервного прокатування з одночасним армуванням металевою сіткою. Воно характеризується підвищеною безпечністю й вогнетривкістю. 

  • Кольорове листове скло виготовляється двох видів: забарвлене у масі (глушене) і накладне (на одну з поверхонь наносять шар забарвленого скла завтовшки 0,2…1,5 мм). 

  • Скло марбліт виготовляється забарвленим у масі. Товщина 5…12 мм. Для забезпечення зручності закріплення за допомогою розчинів, зворотний бік роблять із нарізкою чи рифленим. 

  • Сигран – матеріал, виготовлюваний методом пересування скломаси у вигляді плиток. Поверхня імітує граніт. Тильна сторона рифлена. 

  • Скляні порожнисті блоки виготовляють методом пересування півблоків та зварювання їх у порожнистий блок. усередині блоку утворюється повітряна порожнина. Лицева поверхня гладенька або рифлена. З таких блоків робляться стіни (склопакети). 

 

5.3.2. Склокристалічні матеріали 

Ситали. Структура нагадує мікробетон. Наповнювачем є кристалічна фаза, а в’яжучим – прошарки скла між кристалами. Розмір кристалів < 1 мКм. Листки й плитки із ситалів використовують як облицювальний матеріал, футеровку резервуарів хімічної промисловості, виготовлення труб. 

Шлакоситали. До складу шихти вводять гранульований доменний шлак, кварцовий пісок і каталізатори кристалізації (сульфат натрію, оксиди хрому, титану, марганцю). Виготовляють білого й темно-сірого кольорів. Можна вводити барвники, зафарбовувати поверхню кольоровими керамічними фарбами. 

Камінне литво – камінний виріб, який отримується плавленням вивержених і осадових гірських порід або шлаків. Ці вироби за своїми якостями переважають природні камені. З них виготовляють плити, труби й інші деталі, які можуть працювати у суворих кліматичних або важких експлуатаційних умовах. 

 

5.4 Розчинне та рідке скло 

Розчинне скло – скловидний сплав, що складається з лужних силікатів. Загальна формула його R2О.nSіО2, де R2О – лужний оксид (Nа2О, К2О), n- силікатний модуль. Значення силікатного модуля може змінюватися від 1 до 6,5. В будівництві найчастіше використовують натрійове розчинне скло з модулем 1,5-3. Калійове скло з модулем 4-4,5 використовують основним чином для отримання силікатних фарб. Випускають розчинне скло у вигляді твердого моноліту (силікат-глиби), який подрібнюють на куски, або дрібнозернистого продукту (силікат-грануляту). Для його отримання використовують шихту, що включає кремнеземистий та лужний компоненти, наприклад, пісок та соду або сульфат натрію. Шихту плавлять у скловарних печах при 1100-1400°С. 

Силікат-глиба утворюється при повільному охолодженні розплаву на повітрі, силікат-гранулят - при охолодженні у проточній воді. Розчинення силікату-глиби у воді проводять в автоклавах під тиском 0,3-0,8 МПа. Гранулят можна розчинювати при атмосферному тиску і температурі 90-100 °С. 

Водний розчин силікатів лужних металів називають рідким склом. Його можна отримати як із розчинного скла, так і безпосередньо у автоклавах обробкою аморфних кремнеземистих продуктів у розчинах їдких лугів. 

Рідке скло являє собою колоїдний розчин густиною 1,4-1,5 г/см3, у закритих посудинах воно може зберігатися дуже довго, на повітрі повільно затвердіває. Суть процесу твердіння полягає у випаруванні рідкої фази, підвищенні концентрації вільного колоїдного кремнезему та його наступній коагуляції та ущільненні. Вуглекислий газ повітря нейтралізує луги, що містяться у водному розчині та сприяє коагуляції кремнезему. Суттєво прискорює процес твердіння рідкого скла добавка кремнефтористого натрію та деякі інші речовини. 

Характерна особливість рідкого скла - висока клеюча здатність, яка у З-5 разів вища, ніж у цементів та інших мінеральних в'яжучих. Завдяки цьому його широко використовують для склеювання картону, паперу, дерев'яних та силікатних виробів і т.п. 

Для закріплення ґрунту під фундаментами, захисту від ґрунтових вод при проходженні шахт та тунелів використовують силікатизацію - нагнітання у ґрунт рідкого скла разом з розчинами добавок крізь систему перфорованих труб. 

Рідке скло служить затворювачем кварцових кремнійфтористих кислототривких цементів - продуктів сумісного подрібнення або змішування кварцового піску та кремнійфтористого натрію. Виготовляють два типи таких цементів: І - для кислототривких замазок, ІІ - для бетонів та розчинів. Вони різняться вмістом кремнійфтористого натрію та строками тужавлення. Кислототривкі цементи використовуються для склеювання хімічно стійких матеріалів, футеровки різних апаратів та захисних покрить будівельних конструкцій. Кислототривкі цементи не можна використовувати  в умовах дії лугів,  фтористоводневої та кремнійфтористоводневої кислот, киплячої води та водяної пари. 

Відмінною особливістю розчинів та бетонів на основі рідкого скла поряд з кислотостійкістю є також висока жаростійкість.