Техническая информация о строительном стекле. Основные показатели

СОСТАВ СТЕКЛА

В строительстве используется стекло следующего состава:

• кварц - сырье, в виде песка (70-72%);
• сода, катализатор реакции, карбонат и сульфат (около 14%);
• известь, стабилизатор, в твердой форме (около 10%);
• некоторые другие оксиды - алюминия, магния, используемые для повышения физических свойств стекла, включая сопротивление к атмосферным загрязнениям.

В окрашенное в массе стекло могут быть включены другие оксиды металлов.

ПРОИЗВОДСТВО СТЕКЛА (флоат метод)

1. Подготовка сырья

Смесь сырьевых компонентов (куда добавляется стекло для снижения температуры точки плавления) заряжается в топку и разбавляется водой, чтобы отделить нужные компоненты от грязи.

2. Расплав сырья

В топке процесс производства стекла проходит 3 главные стадии:

• плавка, когда сырье плавится при температуре 1550 С
• очищение, когда расплавленное стекло гомогенизируется (становится однородным) и из него удаляются пузырьки газа;
• смена температурного режима, когда расплав охлаждается до вязкого состояния, удобного для протягивания его через ванну с оловом.

3. Формирование поверхности стекла

Жидкое стекло выливается на поверхность ванны, наполненной расплавленным оловом, температура которого около 1000 С. Ванна сделана в виде ленты, толщина олова 6-7 мм. Благодаря высокой вязкости стекла оно не смешивается с жидким оловом, при этом обеспечивается очень гладкая контактная поверхность обоих материалов, что и определяет ровную качественную поверхность стекла. Толщина будущих листов стекла определяется количеством вылитого в ванну расплава стекла.

4. Отжиг стекла

После ванны с оловом твердое уже стекло в виде ленты проходит через холодный туннель, называемый "лер". Температура стекла постепенно понижается с 620 до 250 С. Процесс охлаждения продолжается до тех пор, пока состояние стекла не позволит его резать и обрабатывать.

5. Резка стекла

Охлажденная стеклянная лента нарезается на столах-автоматах на листы нужного размера.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТЕКЛА

• плотность - 2,5 (2,5 кг/м2)
• сопротивление давлению - 1000 Н/мм2 = 1000 Мпа. Это означает, что, чтобы раздавить 1 см3 стекла, необходимо нагрузить его весом 10 т.
• предел прочности на разлом: если сопротивление давлению у стекла высокое, то предел прочности на разлом значительно ниже. Сопротивление стекла на разлом: для обычного стекла - 40 Мпа (Н/мм2); для закаленного стекла - 120-200 Мпа (Н/мм2) в зависимости от толщины, обработки края, наличия отверстий и др.
• упругость: стекло очень упругий материал, оно не подвержено никакой деформации вплоть до разрушения. Однако стекло очень хрупкое и мгновенно разбивается при чрезмерном внешнем воздействии.
• Термальный шок: Поскольку стекло обладает низкой тепловой проводимостью, неравномерный нагрев или охлаждение листа стекла приводит к возникновению напряжения в материале (термальный шок). Это может служить причиной разрушения стекла.

Когда стекло установлено в раму, его обрамленные края закрыты от солнечного излучения. Это может привести к разнице температур в стекле, и к его разрушению. Риск термального шока снижается, когда используется солнцезащитное теплопоглощающее стекло.

Специальная закалка стекла против термального шока позволяет выдерживать разницу температур в 150-200 С.

Особенности освещения в зависимости от направления фасада

Северный фасад.

Помещения, выходящие на север, фактически не получают прямого солнечного света. Зато качество освещения таких комнат практически постоянно, поэтому окна студий художников обычно ориентированы на север. По этой же причине в североориентированных помещениях хорошо размещать комнаты для чтения, рабочие комнаты или компьютерные залы.

Остекление энергосберегающими стеклопакетами с селективными стеклами поможет уменьшить теплопотери в таких помещениях даже зимой.

Южный фасад

Южные помещения имеют максимальное количество солнечного света зимой (когда солнце находится низко), что помогает сохранить тепло в помещении. Летом же окна южного фасада могут быть по желанию затенены занавесками или жалюзи.

Восточный и западный фасады

Через восточные и западные окна в помещения попадает довольно много солнечной энергии летом (утром - в восточные, вечером - в западные). В это время солнце находится под низким углом, поэтому можно посоветовать обеспечить эти окна защитой от солнечной энергии, чтобы избежать перегрева и бликов. Особенно обратить внимание на восточные окна, т.к. когда на них попадает солнце (вторая половина дня), температура на улице бывает высокой, и вентиляция через окно недостаточна для охлаждения комнаты.

Для остекления окон южного, восточного и западного фасадов лучше всего использовать стекло, отражающее инфра-красное излучение и пропускающее дневной свет.

Определение характеристик окна

Выбор правильного размера окна.

Принимая во внимание энергетический баланс окна (энергия, требующаяся для нагрева, освещения и охлаждения комнаты), можно сказать, что поверхность остекленных участков должна составлять 35-50% от общей площади фасада.

Размещать окна следует в самом высоком положении. Самая верхняя часть окна освещает заднюю половину комнаты. Верхняя часть окна должна располагаться на высоте, равной как минимум половине глубины комнаты. Если это невозможно, может потребоваться дополнительное искусственное освещение.

Использование стекла в непрозрачных участках фасада (структурное остекление) не повысит освещенность комнаты, но позволит расширить поле зрения книзу, соединяя интерьер и внешнее пространство.

Чем меньше размер оконной рамы (чем больше площадь стекла) - тем больше освещенность. Стекло в единой раме понижает проникновение света до 80%, окно с мелкой расстекловкой (георгианский стиль) - до 45%.

Положение окна должно быть на уровне внутренней поверхности фасадной стены: когда окно "утоплено" в фасад, оно лучше защищено от воздействия осадков.

СТЕКЛО И СОЛНЕЧНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Достигающее Земли солнечное излучение состоит из: УФ-лучи - 3%, инфра-красное излучение - 55%, видимый свет - 44%. УФ-волны имеют длину 0,28-0,38 нм, видимый свет - 0,38-0,78 нм, инфра-красное излучение - 0,78-2,5 нм.

Когда солнечное излучение падает на стекло, оно частично отражается, частично поглощается стеклом, частично проходит сквозь стекло. Количество поглощенного, отраженного и пропущенного света зависит от толщины стекла, его оттенка и наличия и свойств дополнительного покрытия. Каждый вид стекла имеет свой коэффициент абсорбции, отражения и пропускания, которые рассчитываются в соответствии со стандартами, и применимы для длин световых волн от 0,3 до 2,5 нм.

Солнечный фактор

Солнечный фактор - это общее количество тепловой энергии от солнечного излучения (в %), попавшее в помещение через стекло. Солнечный фактор равен сумме пропущенной стеклом тепловой энергии и выделяемого стеклом тепла, поглощенного ранее.

Эффект "теплицы".

Солнечная энергия, попавшая в комнату, сперва поглощается предметами интерьера, затем выделяется в виде тепловой энергии инфра-красного длиннолучевого (больше 5мкм) диапазона. Даже обычное флоат-стекло практически непрозрачно для излучения с такой длиной волны. В итоге, энергия оказывается "пойманной в ловушку" в комнате. Оставаясь в помещении, энергия нагревает его, создавая "тепличный эффект".

Для предотвращения перегрева помещения необходимо: обеспечить нормальную вентиляцию; использовать шторы (таким образом, чтобы это не привело к риску термального шока); использовать солнцезащитные стекла, пропускающие только определенные длины световых волн.

Эффект "выцветания"

Известно, что некоторые материалы под воздействием прямых солнечных лучей теряют свой цвет, блекнут. Происходит это потому, что молекулярная решетка красящих компонентов материала постепенно ослабевает под воздействием энергии фотонов. Причиной этой реакции являются, в основном, УФ-излучение, в меньшей степени - короткие волны видимого спектра (синий, фиолетовый).

Когда материал поглощает солнечное излучение, он нагревается, что может привести к началу химических реакций, повреждающих его.

Обычно выцветанию более подвержены органические красители, чья молекулярная решетка менее стабильна, чем у красителей на минеральной основе.

СТЕКЛО и ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЯ

Эмиссивитет и способы его повышения

Теплообмен между двумя любыми поверхностями происходит 3 путями:

• теплопроводимость, т.е. передача тепла через объект или теплообмен между двумя объектами, находящимися в непосредственном контакте. Количество тепла, перешедшего от одной поверхности листа стекла к другой, зависит от разнице температур между поверхностями и тепловой проводимости материала. Тепловая проводимость стекла = 1,0 Вт/мК
• конвекция, теплообмен между твердой и газообразной (жидкой) средами. Этот вид теплообмена включает в себя движение воздуха.
• Излучение: нагретое тело выделяет инфра-красные лучи, поглощаемые более холодным телом. Такое излучение пропорционально эмиссивитету тел. Чем меньше эмиссивитет - тем слабее излучение.

Эмиссивитет обычного стекла = 0,89. Специальные виды стекол с низкоэмиссионным покрытием могут иметь эмиссивитет менее 0,10.

Поверхность тела теряет тепло вследствие всех 3х видов теплообмена: проводимость, конвекция, излучение. Если речь идет о теплопотерях строения, они обычно зависят от скорости ветра, температуры вне здания и эмиссивитета материалов строения. Теплопотери характеризуются коэффициентом внешнего теплообмена и внутреннего теплообмена.

Стандартные величины этих коэффициентов:

• Внешний he - 23 Вт/м2К
• Внутренний hi - 8 Вт/м2К

Теплопередача сквозь поверхность тела характеризуется коэффициентом теплопередачи U (К) объекта. U равен количеству переданного через объект тепла на м2 при разнице температур между средами 1 градус Цельсия. U может рассчитываться с использованием коэффициентов внешнего и внутреннего теплообмена. Чем ниже U, тем меньше утечка тепла из более нагретой среды в холодную.

U окна можно понизить, уменьшив любой из 3 видов теплообмена. Способы:

• Применение стеклопакета. Он обеспечивает лучшую теплоизоляцию, чем одинарное остекление. Принцип теплоизоляции стеклопакета заключается в том, что между стекол остается камера, наполненная сухим воздухом. Такая конструкция понижает теплопотери через конвекцию, а низкая теплопроводность воздуха уменьшает U стеклопакета. Например, U стекла 6 мм = 5,7 Вт/м2К, тогда как U стеклопакета 6-16-6 равна 2,7 Вт/м2К.
• Использование в стеклопакете стекол с низкоэмиссионным покрытием (Эко, Планитерм, Кул-лайт и др.), понижающим U стеклопакета.
• Использование в стеклопакете инертного газа (аргона) вместо воздуха. U воздуха - 1,6, U аргона - 1,3.

Солнечный фактор и энергетический баланс

С одной стороны, через окно тепло теряется из нагретой комнаты во внешнюю среду. С другой стороны, благодаря солнечному излучению тепло попадает через прозрачное стекло в комнату. Общее количество тепла, попавшее в комнату вследствие прохождения через стекло солнечной энергии и вследствие выделения стеклом поглощенного ранее тепла, описывается величиной "солнечный фактор". Чем он ниже, тем меньше тепла попадает в помещение благодаря солнечному излучению. Солнечный фактор окна зависит от его положения, интенсивности солнечного излучения и материала рамы.

Поскольку окно является одновременно источником убыли и прибыли тепла, можно говорить об энергетическом балансе. Он равен разнице между теплопотерями через окно и солнечным фактором. Когда солнечный фактор превышает теплопотери, можно говорить об отрицательном энергетическом балансе.

СТЕКЛО И ЗВУКОИЗОЛЯЦИЯ

Сила звука и спектральные характеристики

Сила звука описывается его интенсивностью или его давлением (Па). Обычно используют понятие уровня интенсивности или давления звука, пересчитываемого в логарифмической шкале, начинающейся от порога слышимости человека. Уровень интенсивности называется "громкостью", измеряется в дБ.

Высота звука описывается частотой звуковых колебаний. Человек слышит звук в пределах 16 - 20 000 Гц. Архитектурная акустика обычно изучает диапазон 50 - 5000 Гц. Частотный диапазон подразделяется на октавы. При увеличении на октаву частота звука удваивается.

Свойство материалов поглощать звуковые волны описывается коэффициентом звукоизоляции R. Он может быть вычислен на основании лабораторных измерений. Зная R материалов, используемых в строительстве, проектировщик может достигнуть желаемого понижения уровня шума внутри здания.

В строительной акустике обычно принимают во внимания 2 типа шумов:

• "розовый шум", сила звука которого одинакова на всех частотах звукового спектра - С;
• "шум дорожного движения", т.е. обычный шум оживленной магистрали - Ctr

В зависимости от комплектации и установки окна, оно поглощает звук высоких, средних или низких частот. Оптимальная звукоизоляция достигнута тогда, когда конструкция поглощает звуки тех частот, на которых внешний шум максимален. До недавнего времени при проектировании остекления не принимались во внимания все характеристики источника шума, что нередко вело к дорогостоящим попыткам удовлетворить всем условиям звукоизоляции. Чтобы это исключить, был введен общий коэффициент звукоизоляции Rw (C, Ctr), где C, Ctr - поправочные коэффициенты. Ctr используется тогда, когда основной источник шума - магистраль. В остальных случаях используется коэффициент C ("розовый шум"). Поправочные коэффициенты обозначаются отрицательными числами, в дБ, и отнимаются от известного Rw фасада или остекления, что в итоге и определяет требуемую звукоизоляцию конструкции.

Пример: Известен общий коэффициент звукоизоляции фасада Rw (C, Ctr) = 37 (-4, -9), т.е. звукоизоляция фасада - 37 дБ, и она понижается на 9 дБ из-за дорожного шума. В результате, звукоизоляция фасада для дорожного шума Ra, tr = 37-9=28 дБ. Таким же образом можно узнать действительную звукоизоляцию фасада для обычного шума, зная C.

В таблице приводятся значения Rw согласно EN 717-1 (тесты проводились в лаборатории Центром промышленного развития корпорации Сан-Гобен):

СТЕКЛО И ЗАЩИТА ОТ УДАРА

Благодаря современным технологиям производства, обработки и установки стекла можно достигнуть необходимой ударопрочности и безопасности. Уровень ударопрочности определяется 2 базовыми факторами:

• сила удара
• максимальная площадь приложения силы удара

В каждой стране существуют стандарты, определяющие требуемый уровень ударопрочности стеклянной конструкции на основании этих факторов.

Уровни ударопрочности

К ударопрочным стеклам относятся армированные, термически закаленные, укрепленные пленкой и ламинированные стекла.

Существует несколько уровней требуемой ударопрочности (подпадающие под соответствующие стандарты):

• безопасное стекло (исключающее риск повреждения человека в случае разбиения) - особенно важно при проектировании стеклянных крыш и ограждений ;
• защита от вандализма и разбиения (стандартный уровень защиты),
• Защита от вандализма и разбиения (усиленная защита, включает защиту от некоторых видов оружия, и тяжелых предметов - молотка, топора).
• Пулезащитное стекло (защита от пистолета) ,
• Пулезащитное усиленное стекло (защита от АКМ, винтовки).

Оконная рама и способ установки остекления также играет важную роль, когда необходимо обеспечение ударопрочности конструкции.

СТЕКЛО И ЗАЩИТА ОТ ОГНЯ

Пожаростойкость стекла

Пожаростойкость остекления не включает в себя не только специальное стекло, а всю конструкцию: рама, крепежные элементы, и др.

Для определения пожаростойкости материалы тестируются в лаборатории. Измеряются свойства материала, такие как - горючесть, способность усилить пламя, скорость сгорания, способность плавиться или дымиться, и др.

По результатам тестов материалы относятся к одной из категорий:

Пожаробезопасные:

негорючие

• трудновоспламеняющиеся
• трудногорючие

Обычные:

• огнестойкие
• огнеопасные
• крайне огнеопасные

Пожаростойкое стекло подразделяется на классы:

1. Класс Е - обеспечивает общую защиту от пламени и горячих газов;
2. Класс I - обеспечивает защиту от высоких температур (теплоизолирующее стекло)
3. Класс R - высокостабильное стекло
4. Класс W - тугоплавкое стекло, и др.

Так, если стекло обеспечивает защиту от пламени и газов в течении 30 мин., его обозначают E30; если стекло дополнительно обеспечивает и защиту от высоких температур, оно обозначается EI30, и т.д.

---