Materiały pomocnicze do nauki przedmiotu „Materiały budowlane” na kierunku „Budownictwo” na Wydziale Inżynierii WAT. Na prawach rękopisu. Prawa autorskie zastrzeżone. Wyrażam zgodę na kserowanie wyłącznie na potrzeby studentów Wydziału Inżynierii WAT. mgr inż. Tadeusz Błażejewicz

SZKŁO BUDOWLANE

1. Skład szkła.

Szkło budowlane (szkło zwykłe) wg PN-EN 572-1 : 1999 jest szkłem sodowo-wapniowo-krzemianowym (Na₂O. CaO. SiO₂). Głównym surowcem do wyrobu szkła jest czysty piasek kwarcowy (piasek szklarski). Szkło czysto kwarcowe ma bardzo mały współczynnik rozszerzalności termicznej, dzięki czemu jest odporne na szoki termiczne. Ma wysoką odporność termiczną i chemiczną. Produkcja szkła kwarcowego jest trudna i droga ze względu na wysoką temperaturę topnienia kwarcu, dlatego szkło to w budownictwie nie jest stosowane (używane jest do wyrobu sprzętu optycznego i aparatury chemi-cznej). Dla obniżenia temperatury topnienia kwarcu do masy szklarskiej dodaje się topniki (sodę - źródło Na₂O). Powstające krzemiany sodowe są częściowo rozpuszczalne w wodzie (tworzą tzw. szkło wodne). Aby poprawić odporność szkła na wodę do masy wprowadza się stabilizatory - tlenki lub węglany pierwiastków dwu - i trójwartościowych, najczęściej CaCO₃ (źródło CaO). W zależności od proporcji składników otrzymuje się szkło o zróżnicowanej odporności hydrolitycznej (3 klasy odporności). Przy zbyt niskiej odporności hydrolitycznej szkło po pewnym czasie lekko powierzchniowo mętnieje wsku-tek wypłukania krzemianów alkalicznych. Typowe szkło budowlane zawiera:

- 69 ÷ 74% SiO₂ ,

- 12 ÷ 16% Na₂O ,

- 5 ÷ 12% CaO .

Przez zastąpienie sody (Na₂CO₃) węglanem potasu otrzymuje się szkło potasowe, bardziej przezroczyste, o ładniejszym połysku, które się lepiej formuje. Przez wprowadzenie do masy tlenków trójwartościowych (tlenek glinu, tlenek boru) otrzymuje się szkło o wyższej odporności na wodę, wyższej odporności chemicznej i termicznej (do wyrobu aparatury chemicznej i laboratoryjnej). Szkło można barwić w masie przez dodatek tlenków metali lub metali o rozdrobnieniu koloidalnym. Zastąpienie tlenku wapnia tlenkiem ołowiu daje szkło ołowiowe, o zwiększonym współczynniku załamania światła, stosowane do wyrobu kryształów i witraży. Masę szklarską topi się w wannach w temperaturze około 1300 - 1500^oC, a wyroby formuje po częściowym ostudzeniu masy do temperatury, w której lepkość szkła umożliwia formowanie.

2. Właściwości szkła.

Ze względu na stan skupienia szkło jest cieczą przechłodzoną o bardzo dużej lepkości. Wynikają stąd takie właściwości, jak.:

• struktura bezpostaciowa;

• izotropowość właściwości (właściwości jednakowe we wszystkich kierunkach);

• brak określonej temperatury topnienia (przy ogrzewaniu szkło mięknie, a po przejściu w ciecz jego lepkość maleje);

• całkowity brak porów;

• przezroczystość.

Gęstość szkła budowlanego wynosi 2500 - 2600 kg/m³ (1 m² szyby o grubości 4 mm waży około 10 kg - skrzydła okienne muszą mieć odpowiednią wytrzymałość). Szkło ma bardzo dużą wytrzymałość na ściskanie (około 400 MPa) i małą na rozciąganie (około 30 MPa), należy więc do materiałów bardzo kruchych. Szkło jest bardzo wrażliwe na działanie karbu - zapoczątkowana rysa może się przemieszczać prawie bez obciążenia. Zjawisko to wykorzystuje się przy cięciu szkła okiennego, nacinając twardym ostrzem na jednej powierzchni płytką, cienką, ciągłą ryskę i powodując jej rozszerzenie się na cały przekrój szyby przez lekkie postukiwanie w dolna powierzchnię szyby pod ryską. Również mikroryski i wady na powierzchni szkła znacznie obniżają jego wytrzymałość. Moduł sprężystości szkła jest dosyć wysoki - około 76000 MPa (2 ÷ 3 razy większy niż betonu). Wytrzymałość na zginanie jest rzędu 40 MPa (8 razy większa, niż betonu). Współczynnik przewodnictwa cieplnego λ szkła jest rzędu 1 ÷ 1,16 W/m ⋅ K (około 2 razy większy niż ceramiki czerwonej), dlatego okna zawsze stanowią mostki termiczne i podejmowane są różne próby zwiększenia ich termoizolacyjności. Współczynnik rozszerzalności termicznej szkła zwykłego jest rzędu 9 ÷ 10.10^-6/K (ruchy termicznej szyby mogą dochodzić do ± 0,5 mm/1 m wymiaru szyby). Przy szkleniu okien należy zawsze pozostawić luzy na ruchy termiczne szyby, zwłaszcza dla ram metalowych, które wykonują również własne ruchy termiczne. Szyby ogrzewają się szybciej, niż skrzydła okienne. Szkło zwykłe jest nieodporne na gwałtowne zmiany temperatury oraz na nierównomierne nagrzewanie - przy szybkim nagrzewaniu jednej powierzchni często pęka wskutek powstania naprężeń rozciągających na powierzchni zimnej. Szkło jest materiałem niepalnym i zachowuje postać do temperatury około 500^oC (początkowa faza pożaru). Szkło jest materiałem nie przewodzącym prądu elektrycznego. Szkło jest paroszczelne. Szkło jest odporne na działanie kwasów (za wyjątkiem kwasu fluorowodorowego, stosowanego do trawienia szkła). Szkło jest nieodporne na działanie zasad, w tym na działanie wapna zawartego w zaprawach cementowych i wapiennych oraz w betonach. Kontakt z zaprawą powoduje powstawanie powierzchniowych trwałych wżerów i utratę gładkości oraz przezroczystości szkła. Współczynnik przepuszczalności światła widzialnego przez szkło zwykłe zależy od grubości szyby; dla szyby o grubości 4 mm jest rzędu 87%.

Szkło zwykłe odbija 4 ÷ 8% promieniowania widzialnego, a pozostała ilość promieniowania zaabsorbowana przez szybę zamienia się na ciepło. Zniekształcalność obrazu przez szybę (oceniana przez obserwację muru przez szybę pod kątem do tafli) zależy od metody formowania szyby podczas produkcji. Największe zniekształcenia obrazu występowały w szybach produkowanych metodą Fourcaulta (przez wyciąganie tafli szklanej z dyszy do góry za pomocą systemu wałków). Duże ilości takich szyb są wbudowane w obiekty, a zniekształcanie obrazu polega na falistości powierzchni w kształcie prostokątów (ślad po wałkach ciągnących) różnie załamujących światło. Szkło o mniejszych zniekształceniach jest nadal produkowane metodą Pittsburga (metoda bezdyszowa - wyciąganie taśmy znak bloku formującego). Największą gładkość powierzchni wykazuje szkło wylewane w sposób ciągły na płaszczyznę roztopionego metalu (cyny) - tzw. szkło float. Przy szybkim stygnięciu w szkle mogą występować naprężenia wewnętrzne (widoczne w świetle spolaryzowanym w postaci układu barwnych prążków), które mogą powodować samorzutne pękanie wyrobów. Naprężenia wewnętrzne usuwa się poprzez nagrzanie szkła do około 500^oC i powolne studzenie.

3. Podział szkła budowlanego.

Szkło dzieli się na.:

• szkło płaskie (ciągnione, float, walcowane, zbrojone, warstwowe);

• kształtki szklane;

• włókna szklane;

• szkło piankowe;

• szkło profilowe.

3.1. Szkło budowlane płaskie (okienne).

Jest to podstawowy rodzaj szkła w budownictwie. Większość szkła jest obecnie produkowana metodą float (szkło ciągnione jest wycofywane z produkcji). Grubość szkła wynosi od 2 mm do 10 mm (dla ciągnionego) i do 25 mm dla szkła float. Stosowane obecnie dla typowych w budownictwie mieszka-niowym wielkości przeszkleń szyby mają grubość 4 mm, a nawet do 6 mm. Grubość szyby dobiera się w zależności od wielkości przeszklenia, wielkości obciążenia wiatrem (zależnie od strefy obciążenia wiatrem wg PN-77/B-02011) i wymaganej izolacyjności akustycznej R_w [dB]. Wymaganą izolacyjność akustyczną dobiera się wg zasad PN-87/B-02151-03 w zależności od poziomu hałasu (np.: dla hałasu 60 dB R_{w min} = 25 dB. Szyba zespolona 6 mm + ramka 16 mm + szyba wewnętrzna 4 mm redukuje hałas o 35 dB). Ponieważ masa szyb w typowych przeszkleniach dochodzi do 35 kg/m², a grubość pakietu szyby zespolonej do 26 mm, należy dobrać odpowiednio wytrzymały profil ramiaka okiennego i z odpowiednią głębokością wrębu szybowego.

Najbardziej znane systemy profili okiennych z polichlorku winylu to Veka, Rehau, Thyssen i Schűco (dla dużych przeszkleń). Profile wielokomo-rowe z PCW są wzmocnione wewnątrz kształtownikiem stalowym, dlatego termoizolacyjność okien z PCW jest o około 10% gorsza, niż drewnianych. W warunkach pożarowych PCW wydziela duże ilości toksycznych gazów. Okna z PCW mają za dużą szczelność, uniemożliwiają infiltrację powietrza i mogą przyczynić się do zapleśnienia pomieszczeń wskutek zawilgocenia. Aby tego uniknąć, okna powinny być wyposażone we wbudowane w ościeżnicę lub skrzydło okienne segmenty wentylacyjne o labiryntowym przepływie powietrza. Tzw. mikrowentylacja, polegająca na niewielkim uchyleniu skrzydła okiennego jest niewystarczająca, gdyż w zimie nie jest najczęściej stosowana przez użytkowników. Głównymi zaletami okien z PCW są:

• niewrażliwość na wahania wilgoci;

• odporność na starzenie;

• brak konieczności malowania;

• estetyczność.

Szkło okienne powinno być bezbarwne (dopuszcza się zielonkawy odcień w przekroju) i mieć dobrą krajalność. Wyróżnia się następujące odmiany szkła okiennego:

1. Szkło hartowane (ogrzane i szybko ochłodzone).

Ma 3 ÷ 5 razy większą wytrzymałość na zginanie, jest bardziej odporne na uderzenie i zmiany temperatury. Przy uderzeniu rozpada się na małe kawałki bez ostrych krawędzi. Nie daje się kroić - szyby muszą być zamówione na wymiar. Stosowane jest do szklenia drzwi i okien bezramowych, w obiektach użyteczności publicznej, w witrynach sklepowych, zalecane do szklenia okien budynków wysokich.

2. Szkło płaskie walcowane.

Występuje jako surowe (powierzchnia „młotkowana”) lub wzorzyste (ornamentowe), bezbarwne lub barwione, może być także zbrojone. Produkowane jest metodą walcowania gorącej masy szklanej (wyżłobienia na walcu odciskają ornament na jednej z płaszczyzn szyby). Szkło to stosuje się w miejscach, gdzie jest potrzebne światło rozproszone, to jest do szklenia drzwi wewnętrznych, ścianek działowych, osłon balkonowych, kabin prysznicowych.

3. Szkło płaskie zbrojone.

Szyby posiadają wtopioną siatkę stalową o grubości 0,5 mm, o oczkach kwadratowych plecionych lub zgrzewanych lub siatkę skręcaną sześciokątną. Grubość szyb jest rzędu 6 mm. Siatka zabezpiecza szkło przed rozpryskiwa-niem się po uderzeniu, zwiększa wytrzymałość szyby oraz odporność na uderzenia. Stosowane jest na świetliki, osłony przeciwwiatrowe, przeszklenia w zakładach przemysłowych.

d) Szkło płaskie warstwowe ochronne.

Szyby ochronne wg PN-EN 536 : 2000 są to wyroby o budowie warstwowej, o grubości od 5 do 100 mm, zbudowane z wielu warstw szkła sklejonych całopowierzachniowo przezroczystą folią lub elastyczną żywicą chemoutwar-dzalną. W zależności od odporności na uderzenie szkło to dzieli się na szkło bezpieczne (pękające po uderzeniu na drobne odłamki nadal sklejone folią w taflę i nie powodujące skaleczenia), szkło antywłamaniowe i kuloodporne.

e) Szkło absorpcyjne.

Masa szklana zawiera dodatki tlenków metali, nadających szkłu zabarwienie zielone, brązowe, szare lub niebieskie. W zależności od barwy szkło absorbu-je pewne długości fal promieniowania słonecznego zamieniając je na ciepło (szyba się nagrzewa). Najczęściej absorbowana jest podczerwień (niosąca energię cieplną), w ilości od 38 do 70%. Szyby absorpcyjne zabezpieczają pomieszczenia przed przegrzewaniem się przy nasłonecznieniu (szkło przeciwsłoneczne). Szyby te powinny być montowane jako szyby zewnętrzne (bo się nagrzewają), należy stosować miękkie uszczelki lub elastyczne kity dla umożliwienia ruchów termicznych, zaleca się, aby szkło było hartowane dla zwiększenia odporności na nagrzewanie. Szkło absorpcyjne w Polsce słabo się przyjęło, gdyż w okresie jesiennym, gdy nie działa jeszcze centralne ogrzewanie, zastosowanie szkła absorpcyjnego powodowało obniżenie temperatury w pomieszczeniach o 2 ÷ 4^oC, co dawało efekt niedogrzania pomieszczeń. Nazwy handlowe: Antisol, Optifloat, Arctic Blue.

6. Szkło refleksyjne.

Ma ono na wewnętrznej powierzchni szyby napyloną warstwę metalu szla-chetnego, odbijającą promieniowanie słoneczne i dającą efekt lustra (widzial-ność jednokierunkowa, tylko od strony pomieszczeń). Szkło to odbija do 90% promieniowania podczerwonego, zapobiegając przegrzewaniu pomieszczeń przy nasłonecznieniu. Przepuszcza ono około 40% promieniowania widzialnego, co daje efekt przyciemnienia pomieszczeń (dlatego jest chętnie stosowane w salach komputerowych). Szkło to może występować w różnych odmianach, różniących się barwą, stopniem odbicia światła, wielkością absorpcji i długością fali absorbowanego promieniowania, stopniem zahartowania itp. Szyby refleksyjne mogą mieć dodatkowo nałożone powłoki niskoemisyjne, zwiększające ich termoizolacyjność. Szkło refleksyjne stosowane jest głównie dla uzyskania ciekawych efektów architektonicznych.

7. Szkło niskoemisyjne.

Ma ono najlepsze właściwości termoizolacyjne spośród wszystkich odmian szkła okiennego. Szyby mają jedną z powierzchni napyloną tlenkiem cyny lub srebra, dzięki czemu odbijają selektywnie promieniowanie podczerwone i nie następuje przegrzewanie pomieszczeń przy nasłonecznieniu oraz wypro-mieniowywanie ciepła z pomieszczeń. Potoczną nazwą szkła niskoemisyjne-go, produkowanego metoda float jest szkło Termofloat. Dzieli się ono na 3 grupy:

• szkło twardopowłokowe K-Glass, najdłużej produkowane, ograniczające głównie straty wypromieniowania ciepła z budynku. Ze względu na twardość powłoki można je transportować bez większych wymagań i długo przechowywać. Produkowane są szyby o grubości 4 i 6 mm. Szyba zespolona jednokomorowa z powłoką K-glas ma współczynnik przenikania ciepła U_K (dla środka szyby) około 1,6 W/m²K;

• szkło miękkopowłokowe (nazwa handlowa Optitherm), o współczynniku U_K (dla środka jednokomorowej szyby zespolonej) równym około 1,3 W/m²K. Miękka powłoka tlenku srebra jest bardzo podatna na uszkodzenie, szkło powinno być jak najszybciej zespolone, a proces transportu, przechowywania i zespalania jest trudny;

• szkło miękkopowłokowe, z dwiema nałożonymi powłokami (nazwa handlowa Optiterm S), o współczynniku U_K równym około 1,1 W/m²K. Produkowane są szyby Optiterm o grubościach 4 i 6 mm.

Szkło twardopowłokowe jest droższe o około 10% od zwykłego, a cena szkła miękkopowłokowego jest trochę niższa od twardopowłokowego.

Wszystkie szyby ze szkła niskoemisyjnego są stosowane wyłącznie jako szyby zespolone, z powłoką od strony wnętrza komory.

3.2. Szyby zespolone.

Występują jako dwu- lub trzyszybowe (jedno- lub dwukomorowe). Szyby (najczęściej wewnętrzna zwykła i zewnętrzna ze szkła niskoemisyjnego) są roz-dzielone ramką dystansową aluminiową, uszczelnione na obwodzie, z wypełnie-niem komór suchym powietrzem lub argonem (aby nie zachodziło skraplanie wilgoci pomiędzy szybami). Optymalna grubość ramki wynosi od 12 do 16 mm, grubość szyby wewnętrznej najczęściej 4 mm, a zewnętrznej 4 do 6 mm. Izolacyjność cieplną okien określa się za pomocą współczynnika przenikania ciepła U_K . Dla okien w I, II i III strefie klimatycznej, w budownictwie mieszka-niowym U_K powinno wynosić nie więcej niż 2,6 W/m²K (dla całego okna, tj. szyby z ramką dystansową i ramiakiem). Większość producentów w materiałach oferowanych podaje U_K dla środka szyby (z pominięciem mostków cieplnych tworzonych przez ramkę dystansową i ramiak). Dla okien z PCW oszklonych szybą zespoloną Optiterm S (szyba zwykła 4 mm + ramka 16 mm + Optiterm S 6 mm), U_K dla środka szyby wynosi około 1,1 W/m²K, a dla całego okna około 2 W/m²K.

3.3. Kształtki szklane.

a) Luksfery.

Są to kształtki z barwionego w masie lub niebarwionego szkła, o podstawie kwadratowej 15 x 15 cm, 20 x 20 cm lub 24 x 24 cm oraz wzorzystej powierzchni licowej, dającej efekt światła rozproszonego. Służą do budowy doświetleń klatek schodowych, werand, balustrad, ścianek działowych. Są wypierane przez pustaki szklane, które są bardziej ozdobne i łatwiejsze do wbudowania.

b) Pustaki szklane.

Maja one kształt prostopadłościenny o podstawie kwadratowej (najczęściej 19 x 19 cm i grubości 8 cm), z hermetycznie zamkniętą komorą powietrzną w środku i wzorzystą powierzchnią licową. Mogą być bezbarwne, barwione w masie oraz bezbarwne z barwną folią wewnątrz komory. Przepuszczalność światła przez pustaki wynosi 50 ÷ 70%, uzyskuje się też efekt rozproszenia światła. Współczynnik przenikania ciepła U_K przez ściankę z pustaków wynosi 2,6 ÷ 3 W/m²K, a izolacyjność akustyczna około 40 dB. Stosuje się je do wypełnienia przegród doświetlających, efektownej dekoracji wnętrz, budowy kabin prysznicowych itp.

3.4. Szkło piankowe.

Płyty termoizolacyjne ze szkła piankowego otrzymuje się przez spienienie stopionego szkła przez dodatek substancji gazotwórczych: węglanu wapnia (szkło białe) lub węgla (szkło czarne). Szkło piankowe czarne ma trochę lepsze właściwości, gdyż zawiera więcej porów zamkniętych. Porowatość szkła jest rzędu 90%, pory są w większości zamknięte, a gęstość objętościowa wynosi od 150 do 180 kg/m³ (dosyć ciężki materiał termoizolacyjny). Współczynnik przewodnictwa cieplnego λ wynosi od 0,045 ÷ 0,050 W/mK (zbliżony do wełny mineralnej). Wytrzymałość na ściskanie wynosi 1 MPa (najwyższa spośród materiałów termoizolacyjnych). Szkło piankowe jest niepalne, o odporności termicznej od -200^oC do +150^oC (największy zakres z materiałów termoizolacyjnych). Nasiąkliwość jest niższa od 2%; szkło nie ulega korozji mikrobiologicznej. Jest to drogi materiał termoizolacyjny. Produkowane są płyty o grubościach od 3,5 cm do 12 cm i wymiarach 50 x 25 cm. Materiał stosowany jest do termoizolacji urządzeń chłodniczych, w budowie statków, do izolacji tarasów itp.

3.5. Włókno szklane.

1. Wata szklana - włókna srebrzystej barwy o grubości powyżej 35 μm, sztywne, ze szkła alkalicznego, stosowane były w postaci luźnej lub naszyte na tekturę falistą jako materiał termoizolacyjny do izolacji rurociągów ciepłowniczych. Sztywne włókna wbijają się w skórę powodując ropiejące, nie gojące się rany.

2. Wojłoki, maty, fizelina, rowing szklany i cięte włókno szklane ze szkła typu E. Są to włókna elastyczne, cienkie, o grubości około 5 μm, nie wbijające się w skórę, w postaci ciągłej (rowing), ciętej, lub uformowanej w maty, tkaniny i welony szklane przez sprasowanie i sklejenie żywicami syntetycznymi.

Wojłoki (Gullfiber) stosowane są jako materiał termoizolacyjny nie przenoszący żadnych obciążeń (w dachach między krokwiami, na stropie nieużytkowego poddasza).

Włókna, maty i tkaniny szklane stosowane są do zbrojenia żywic chemoutwardzalnych, głównie epoksydowych (włókna ze szkła E nie nadają się do zbrojenia zapraw i betonów, gdyż są nieodporne na alkalia).

Welony szklane stanowią nośnik pap asfaltowych. Cienkie tkaniny szklane są stosowane jako tapety i zasłony (niepalne).

3. Włókno cięte ze szkła cyrkonowego.

Stosowane jest do zbrojenia zapraw naprawczych cementowych w systemach naprawczych do skorodowanego żelbetu.

---