Реферат: Стекло и строительные материалы на основе органических вяжущих
Реферат: Стекло и строительные материалы на основе органических вяжущих
Министерство образования РФ
Санкт-Петербургский государственный
инженерно-экономический университет
Кафедра городского хозяйства
Отчет по лабораторной работе №2
Тема: «Стекло и строительные материалы на основе
минеральных вяжущих»
Выполнили: Васько О., Старовойтова И., Симкина И.
Группа №711
Проверила: Шибанова Т.В.
Санкт-Петербург
2003
Стекло,
твёрдый аморфный материал, полученный в процессе переохлаждения расплава. Для стекла
характерна обратимость перехода из жидкого состояния в метастабильное,
неустойчивое стеклообразное состояние. При определённых температурных условиях
кристаллизуется. Стекло не плавится при нагревании подобно кристаллическим
телам, а размягчается, последовательно переходя из твёрдого состояния в
пластическое, а затем в жидкое. По агрегатному состоянию стекло занимает
промежуточное положение между жидким и кристаллическим веществами. Упругие
свойства делают стекло сходным с твёрдыми кристаллическими телами, а отсутствие
кристаллографической симметрии (и связанная с этим изотропность) приближает к
жидким. Склонность к образованию стекла характерна для многих веществ (селен,
сера, силикаты, бораты и др.).
Состав некоторых промышленных стекол
Химический состав
Стекло
SiO2
B2О3
Al2O3
MgO
CaO
BaO
PbO
Na2O
K2O
Fe2O3
SO3
Оконное
71,8
—
2
4,1
6,7
—
—
14,8
—
0,1
0,5
Тарное
71,5
—
3,3
3,2
5,2
—
—
16
—
0,6
0,2
Посудное
74
—
0,5
—
7,45
—
—
16
2
0,05
—
Хрусталь
56,5
—
0,48
—
1
—
27
6
10
0,02
—
Химико-
лабораторное
68,4
2,7
3,9
—
8,5
—
—
9,4
7,1
—
—
Оптическое
41,4
—
—
—
—
—
53,2
—
5,4
—
—
Кварцоидное
96
3,5
—
—
—
—
—
0,5
—
—
Электрокол-
бочное
71,9
—
—
3,5
5,5
2
—
16,1
1
—
—
Электроваку-
умное
66,9
20,3
3,5
—
—
—
—
3,9
5,4
—
—
Медицинское
73
4
4,5
1
7
—
—
8,5
2
—
—
Жаростойкое
57,6
—
25
8
7,4
—
—
—
2
—
—
Термостойкое
80,5
12
2
—
0,5
—
—
4
1
—
—
Термометри-
ческое
57,1
10,1
20,6
4,6
7,6
—
—
—
—
—
—
Защитное
12
—
—
—
—
—
86
2
—
—
Радиационно-
стойкое
48,2
4
0,65
—
0,15
29,5
—
1
7,5
—
—
Стеклянное волокно
71
—
3—
3
8
—
—
15
—
—
—
Стеклом называют также
отдельные группы изделий из стекла, например строительное стекло, тарное
стекло, химико-лабораторное стекло и др. Изделия из стекла могут быть
прозрачными или непрозрачными, бесцветными или окрашенными, люминесцировать под
воздействием, например, ультрафиолетового и g-излучения, пропускать или
поглощать ультрафиолетовые лучи и т.д. Наибольшее распространение получило
неорганическое стекло, характеризующееся высокими механическими тепловыми,
химическими и др. свойствами. Основная масса неорганического стекла выпускается
для строительства (главным образом листовое) и для изготовления тары. Эти виды
продукции получают преимущественно из стекла на основе двуокиси кремния
(силикатное стекло); применение находят также и др. кислородные (оксидные)
стекла, в состав которых входят окислы фосфора, алюминия, бора и т.д. К
бескислородным неорганическим стеклам относятся стекла на основе халькогенидов
мышьяка (As2S3), сурьмы (Sb2Se3)
и т.д., галогенидов бериллия (BeFz) и т.д.По назначению различают:
строительное стекло (оконное, узорчатое, стеклянные блоки и т.д.), тарное стекло,
стекло техническое (кварцевое стекло, светотехническое стекло, стеклянное волокно и т.д.), сортовое стекло
и т.д. Вырабатываются стекла, защищающие от ионизирующих излучений, стекла
индикаторов проникающей радиации, фотохромные стекла с переменным
светопропусканием, стекло, применяемое в качестве лазерных
материалов,увиолевое стекло, пеностекло,
растворимое стекло и др. Растворимое стекло, содержащее около 75% 3102, 24% Na2O
и др. компоненты, образует с водой клейкую жидкость (жидкое стекло);
используется как уплотняющее средство, например для изготовления силикатных
красок, конторского клея, в качестве диспергаторов и моющих средств, для
пропитки тканей, бумаги и пр. Химический состав некоторых видов стекла
приведён в таблице.
Физико-химическиесвойства стекла. Свойства стекла зависят от сочетания входящих в их
состав компонентов. Наиболее характерное свойство стекла — прозрачность
(светопрозрачность оконного стекла 83—90%, а оптического стекла —до 99,95%).
Стекло типично хрупкое тело, весьма чувствительное к механическим воздействиям,
особенно ударным, однако сопротивление сжатию у стекла такое же, как у чугуна.
Для повышения прочности стекло подвергают упрочнению (закалка, ионный обмен,
при котором на поверхности стекла происходит замена ионов, например натрия, на
ионы лития или калия, химическая и термохимическая обработка и др.), что
ослабляет действие поверхностных микротрещин (трещины Гриффитса), возникающих
на поверхности стекла в результате воздействия окружающей среды (температура,
влажность и пр.) и являющихся концентраторами напряжений, и позволяет
повысить прочность стекла в 4—50 раз. Обычно для устранения влияния микротрещин
применяют стравливание или сжатие поверхностного слоя. При стравливании
дефектный слой растворяется плавиковой кислотой, а на обнажившийся бездефектный
слой наносится защитная плёнка, например из полимеров. При закалке
поверхностный слой сжимается, что препятствует раскрытию трещин. Плотность
стекла 2200—8000 кг/м3, твёрдость по минералогической шкале 4,5—7,5,
микротвёрдость 4—10 Гн/м2, модуль упругости 50—85 Гн/м2.
Предел прочности стекла при сжатии равен 0,5—2 Гн/м2, при изгибе
30—90 Гн/м2, при ударном изгибе 1,5—2 Гн/м2. Теплоёмкость
стекла 0,3—1 кдж/кг -К, термостойкость 80°— 1000 °С, температурный коэффициент
расширения (0,56—12) 109 1/К. Коэффициент теплопроводности стекла мало
зависит от его химического состава и равен 0,7—1,3 вт/(м. К).
Коэффициент преломления 1,4—2,2, электрическая проводимость 10-8—10-18
ом -1. см-1, диэлектрическая проницаемость 3,8—16.
Технология стекла.
Производство стекла состоит из следующих процессов: подготовки сырьевых компонентов,
получения шихты, варки стекла, охлаждения стекломассы, формования изделий, их
отжига и обработки (термической, химической, механической). К главным
компонентам относят стеклообразующие вещества (природные, например SiO2,
и искусственные, например Na2CO3), содержащие основные
(щелочные и щёлочноземельные) и кислотные окислы. Главный компонент большинства
промышленных стекол — кремнезём (кремния двуокись), содержание которого в
стекле составляет от 40 до 80% (по массе), а в кварцевых и кварцоидных от 96 до
100%. В стекловарении обычно в качестве источника кремнезёма используют
кварцевые стекольные пески, которые в случае необходимости обогащают. Сырьём,
содержащим борный ангидрид, являются борная кислота, бура и др. Глинозём
вводится с полевыми шпатами, нефелином и т.д.; щелочные окислы — с
кальцинированной содой и поташом; щёлочноземельные окислы — с мелом, доломитом
и т.п. Вспомогательные компоненты — соединения, придающие то или иное
свойство, например окраску, ускоряющие процесс варки и т.д. Например,
соединения марганца, кобальта, хрома, никеля используются как красители, церия,
неодима, празеодима, мышьяка, сурьмы — как обесцвечиватели и окислители, фтора,
фосфора, олова, циркония — как глушители (вещества, вызывающие интенсивное
светорассеяние); в качестве осветлителей применяют хлорид натрия, сульфат и
нитрат аммония и др. Все компоненты перед варкой просеиваются, сушатся, при
необходимости измельчаются, смешиваются до полностью однородной порошкообразной
шихты, которая подаётся в стекловаренную печь.Процесс стекловарения условно
разделяют на несколько стадий: силикатообразование, стеклообразование,
осветление, гомогенизацию и охлаждение («студку»).При нагревании шихты вначале
испаряется гигроскопическая и химически связанная вода. На стадии
силикатообразования происходит термическое разложение компонентов, реакции в
твёрдой и жидкой фазе с образованием силикатов, которые вначале представляют
собой спекшийся конгломерат, включающий и не вступившие в реакцию компоненты.
По мере повышения температуры отдельные силикаты плавятся и, растворяясь друг в
друге, образуют непрозрачный расплав, содержащий значительное количество газов
и частицы компонентов шихты. Стадия силикатообразования завершается при
1100—1200 °С. На стадии стеклообразования растворяются остатки шихты и
удаляется пена — расплав становится прозрачным; стадия совмещается с конечным
этапом силикатообразования и протекает при температуре 1150—1200 °С. Собственно
стеклообразованием называют процесс растворения остаточных зёрен кварца в
силикатном расплаве, в результате чего образуется относительно однородная стекломасса.
В обычных силикатных стеклах содержится около 25% кремнезёма, химически не
связанного в силикаты (только такое стекло оказывается пригодным по своей
химической стойкости для практического использования). Стеклообразование
протекает значительно медленнее, чем силикатообразование, оно составляет около
90% от времени, затраченного на провар шихты и около 30% от общей длительности
стекловарения.Обычная стекольная шихта содержит около 18% химически связанных
газов (СО2, SO2, O2 и др.). В процессе провара
шихты эти газы в основном удаляются, однако часть их остаётся в стекломассе,
образуя крупные и мелкие пузыри.На стадии осветления при длительной выдержке
при температуре 1500—1600 °С уменьшается степень пересыщения стекломассы
газами, в результате чего пузырьки больших размеров поднимаются на поверхность
стекломассы, а малые растворяются в ней. Для ускорения осветления в шихту
вводят осветлители, снижающие поверхностное натяжение стекломассы; стекломасса
перемешивается специальными огнеупорными мешалками или через неё пропускают
сжатый воздух или др. газ. Одновременно с осветлением идёт гомогенизация —
усреднение стекломассы по составу. Неоднородность стекломассы обычно образуется
в результате плохого перемешивания компонентов шихты, высокой вязкости
расплава, замедленности диффузионных процессов. Гомогенизации способствуют выделяющиеся
из стекломассы газовые пузыри, которые перемешивают неоднородные микроучастки и
облегчают взаимную диффузию, выравнивая концентрацию расплава. Наиболее
интенсивно гомогенизация осуществляется при механическом перемешивании
(наибольшее распространение эта операция получила в производстве оптического
стекла).Последняя стадия стекловарения — охлаждение стекломассы («студка») до
вязкости, необходимой для формования, что соответствует температуре 700—1000
°С. Главное требование при «студке» — непрерывное медленное снижение
температуры без изменения состава и давления газовой среды; при нарушении
установившегося равновесия газов образуется т. н. вторичная мошка (мелкие
пузыри).Процесс получения некоторых стекол отличается специфическими
особенностями. Например, плавка оптического кварцевого стекла в электрических
стекловаренных печах ведётся сначала в вакууме, а в конце плавки — в атмосфере
инертных газов под давлением. Производство каждого типа стекла определяется
технологической нормалью.Формование изделий из стекломассы осуществляется
механическим способом (прокаткой, прессованием, прессовыдуванием, выдуванием
и т.д.) на стеклоформующих машинах. После формования изделия подвергают
термической обработке (отжигу). В результате отжига (выдержки изделий при
температуре, близкой к температуре размягчения стекла) и последующего
медленного охлаждения происходит релаксация напряжений, появляющихся в стекле
при быстром охлаждении. В результате т. н. закалки в стекле возникают
остаточные напряжения, обеспечивающие его повышенную механическую прочность,
термостойкость и специфический (безопасный) характер разрушения в сравнении с
обычным стеклом (закалённые стекла применяют для остекления автомобилей,
вагонов и т.п. целей).
Строительное
стекло,
изделия из стекла, применяемые для остекления
световых проёмов, устройства прозрачных и полупрозрачных перегородок, облицовки
и отделки стен, лестниц и др. частей зданий. К строительному стеклу относят
также тепло- и звукоизоляционные материалы (пеностекло и стекловата) и
стеклянные трубы. Строительное стекло подразделяют на листовое оконное стекло,
полированное, витринное, армированное, узорчатое, цветное, профилированное, стеклоблоки,
стеклопакеты, марблит, коврово-мозаичное, увиолевое стекло,
стемалит и некоторые др. виды.
Оконное строительное
стекло вырабатывается в виде плоских листов размером от 400 Х 400 до 1600
Х 2200 мм и толщиной от 2 до 6 мм, плотность 2470—2500 кг/м2 средняя
прочность при симметричном изгибе 40Мн/м2 (400 кгс/см2),
светопропускание 84—87%.
Полированное
строительное стекло обладает минимальными оптическими искажениями,
применяется для остекления витрин и оконных проёмов в общественных зданиях, для
зеркал и т.д. Из полированного закалённого стекла толщиной 10—20 мм
изготовляют стеклянные полотна для дверей размером от 2200 Х 700 до 2600 Х 1040
мм.
Узорчатое строительное
стекло имеет с одной стороны рифлёную поверхность, предназначается для
рассеяния света. Размеры его от 400 Х 400 до 1200 Х 1800 мм при толщине 3—6,5
мм. Узорчатое строительное стекло с матовым или «морозным» рисунком используют
для остекления лестничных клеток, внутренних перегородок.
Цветное строительное
стекло может быть окрашенным по всей толщине или состоять из 2 слоев —
основного бесцветного и тонкого цветного: применяют для витражей, декорирования
мебели, остекления зданий.
Профилированное
строительное стекло — стекло с профилем швеллерного или коробчатого
типа (стекор). Применяется как стеновой материал (гаражи, киоски, автобусные
остановки и т.д.), толщина 6 мм, светопропускание 0,6—0,75%.
Марблит — прокатанное
глушёное цветное строительное стекло для облицовки стен внутренних помещений
промышленных и общественных зданий.
Стеклянные трубы
применяются в качестве трубопроводов на заводах химической и пищевой
промышленности и в сельском хозяйстве; характеризуются повышенной коррозионной
стойкостью в сравнении с металлическими. Потери на трение при протекании
жидкости в стеклянных трубах на 22% ниже, чем у новых чугунных, и на 6,5% ниже,
чем у новых стальных. Стеклянные трубы выпускаются с внутренним диаметром от 38
до 200 мм.