Несмотря на хрупкость, одной из основных функций стекла изначально и до сих пор является защита. Стекло дарит человеку открытый прекрасный мир, отсекая пыль, жару, ветер, холод, дождь и снег. Собственно, вся архитектурная эволюция стекла, “оправленного” стенами, шла как бы в обратном направлении: сделать дом одновременно защищенным и максимально открытым. К этому шли сквозь века — от стрельчатых окошечек теремов до виртуально-зеркальных стен Нувеля и других корифеев новой эпохи. В наши дни искомый баланс, гармонию защищенности и открытости дома теперь можно создавать неисчислимыми способами — и архитектурными, и художественными.
Стекло представляет собой находящуюся в застывшем состоянии жидкость. Стекло — аморфное вещество, которое не обладает в твердом виде свойствами кристаллического вещества. Не имеет собственной точки плавления, а переходы из жидкого состояния в твердое и наоборот происходят в широкой температурной области, которая для стекла обычно составляет 500°С. Традиционными сырьевыми компонентами оконного стекла являются: кварцевый песок (69- 74%), сода (12-16%), известняк и доломит (5-12%).
История применения стекла в строительстве сравнительно молода и берет начало с конца прошлого столетия, несмотря на то что стекло как конструкционный материал известно человечеству с древнейших времен.
Самые древние образцы стеклянных изделий обнаружены в Египте. Речь идет о зеленой глазури, возраст которой оценивается приблизительно в 12 тыс. лет; из нее был изготовлен (приблизительно в 7000 г . до н. э.) голубой амулет — древнейшее из найденных до сих пор стекол.
В Ашмолейском музее в Оксфорде находятся черная стеклянная бусина и кусочек фаянса бирюзового цвета времен первой династии египетских фараонов, правившей в 4000 г . до н. э. Предполагают также, что стекло начали изготовлять не египтяне, а ассирийцы, которые экспортировали свои изделия в Египет. Однако находки стекла в Ассирии, близ Тель Асмера, расположенного северо-западнее Багдада, относятся к 2700-2600 гг. до н. э. — следовательно, они значительно моложе египетских.
Сосуды из глины и фарфора с цветной стекломозаикой периода с 1766 по 1122 г . до н. э. обнаружены в Китае. Однако Китаем не ограничивается развитие производства стекла на Дальнем Востоке — изделия из стекла, возраст которых относится к 2000 г . до н. э., найдены в Индии, Корее и Японии.
Приблизительно около 250 лет до н. э. произошло открытие первого стекольного завода в Александрии. А на рубеже новой эры была изобретена стеклодувная трубка. В летописных источниках в 50 году до нашей эры в связи с этим упоминается город Сидон*. Спустя некоторое время из готового стекла, используя метод выдувания, научились делать длинные стеклянные цилиндры, которые “раскрывали” и выпрямляли, получая плоский лист. Этот способ использовали вплоть до 1900-х годов для изготовления художественного стекла.
Римляне познакомились с производством стекла благодаря завоеванию Египта. Ко временам Римской империи относятся и древнейшие письменные упоминания о стекле. Они принадлежат Плинию Младшему ( 77 г . н. э), который в одной из своих книг описывает стекло и его производство.
Из Рима стеклоделие стало распространяться в Галлию, Британию и Германию. В конце I столетия н.э. стекло уже производилось в Кельне и Трире. С распадом Римской империи приходит в упадок и искусство изготовления стекла.
В XIII в. на острове Мурано, около Венеции, вновь расцветает стекольная промышленность. В конце средневековья производство стекла широко развивается в Германии. В 1688 г . француз Лука де Негу изобрел способ изготовления и шлифования больших зеркальных стекол. К этому времени следует относить и появление первых оконных стекол, бывших в то время большой редкостью.
Массовое производство стекла стало возможным только в конце прошлого столетия благодаря изобретению печи Сименса-Мартина и заводскому производству соды. В XIX в. появились первые машины-автоматы для изготовления изделий из полого стекла. И только в XX в. были разработаны различные способы вытягивания бесконечной ленты стекла: методы машинной вытяжки стекла Либби-Оуэнса, Фурко (Рис. 1), Питтсбурга.
По способу Эмиля Фурко, разработанному в 1902 году, стекло вытягивалось по вертикали из стекловаренной печи через прокатные вальцы в виде непрерывной ленты наружу, поступая в шахту охлаждения, в верхней части которой оно резалось на отдельные листы. Толщина стекла при этом регулировалась путем изменения скорости вытягивания.
Этот метод находит применение вплоть до настоящего времени. Стекло, получаемое этим методом, называется тянутым стеклом. Для изготовления витринных и зеркальных стекол тянутое и прокатное листовое стекло подвергают шлифовке и полировке.
Самым последним этапом в производстве листового стекла был так называемый флоат-метод, разработанный и запатентованный в 1959 году английским изобретателем Аластером Пилкингтоном. При этом процессе стекло поступает из печи плавления в горизонтальной плоскости в виде плоской ленты через ванну с расплавленным оловом для дальнейшего охлаждения и отжига. Огромным преимуществом флоат-метода, по сравнению со всеми предыдущими, является, кроме всего прочего, более высокая производительность, стабильная толщина и качество поверхности. По качеству поверхности такое стекло не уступает полированному — флоат-процесс вытесняет технику шлифовки и полировки стекла. Флоат-стекло характеризуется исключительной ровностью и отсутствием оптических дефектов. Наибольший размер получаемого стекла, как правило, составляет 5100- 6000 мм і 3210 мм , при этом толщина листа может быть даже меньше двух и достигать 25 мм . Получаемое стекло может быть прозрачным, окрашенным или иметь специально нанесенное покрытие. Стекло, получаемое при помощи флоат-метода, называется флоат-стеклом и в настоящее время является наиболее распространенным типом стекла. Схема производства флоат-стекла показана на Рис. 2.
Рис. 2. Схема производства стекла флоат-методом
Кроме обычных прозрачных стекол в строительстве применяются специальные стекла — стекла, окрашенные в массе, и стекла со специальным покрытием, называемые общим термином “низкоэмиссионные стекла”.
Окрашенное в массе стекло изготавливается из сырьевых материалов, в которые добавляются различные вещества для получения желаемого цвета. Наиболее распространенными являются цвета промежуточный между бронзовым и коричневым, серый и зеленый. При этом можно изготавливать стекла и других цветов. Окрашенные в массе стекла известны также как солнцезащитные или абсорбирующие стекла, поскольку они поглощают (абсорбируют) сами по себе больше солнечной тепловой энергии и света, чем обычные прозрачные.
Применение низкоэмиссионных стекол в конструкциях оконного и фасадного остекления позволяет решить широкий спектр архитектурно-строительных задач и является одним из наиболее перспективных направлений в мировой стекольной индустрии.
Определяющей идеей в низкоэмиссионных технологиях является напыление на поверхность флоат-стекла проводящего покрытия из цветных металлов или полупроводниковых оксидов, содержащего свободные электроны. За счет электропроводимости и явлений интерференции, вызванных наличием в покрытии свободных электронов, могут быть получены стекла, предназначенные для выполнения следующих функций:
• сокращение потерь тепла помещением за счет отражения тепловых волн в инфракрасном диапазоне;
• отражение солнечной радиации;защита помещений от электромагнитного излучения и радиоволн;
• отражение излучения в видимом диапазоне.
Напыление может наноситься как на прозрачные стекла, так и на стекла, окрашенные в массе, при этом возможно получение таких специфических конструкций, как электрообогреваемые стекла или “антистатические” стекла (защищенные от накопления статического электричества).
В зависимости от функционального назначения проектируемого остекления, в нем могут быть применены два типа покрытия, принципиально различающиеся по технологии нанесения.
1.“Твердое покрытие” (“Hard coating” — англ.) на основе оксида олова SnО2:F, называемое иначе “полупроводниковым покрытием”. Стекла с таким покрытием, как правило, обозначаются в специальной литературе термином “k-стекло”.
Наносится непосредственно на одной из стадий производства флоат-стекла (так называемая технология “on-line” — англ, “на линии”) за счет химической реакции пиролиза (разложения вещества под действием высоких температур). Во время этой реакции слой оксида олова оседает на поверхность горячего стекла, становясь неотделимой его частью. При этом образуется крепкое и прочное металлическое покрытие, обладающее химической, механической и термической стойкостью, равноценной стеклу без покрытия. Твердые покрытия устойчивы к воздействию погодных условий и выдерживают воздействия температур до 620°С.
2. “Мягкое покрытие” (“Soft coating” — англ.) на основе серебра — Ag, обозначаемое в литературных источниках как “i-стекло”.
Наносится на готовое флоат-стекло (технология “off-line” — англ, “вне линии”) и удерживается на нем силами молекулярного взаимодействия. Состоит из нескольких тонких слоев, выбор которых зависит от требуемых характеристик остекления: излучательной способности, светопропускания, а также оптических свойств — удаления нежелательного отражения.
В отличие от “твердых” покрытий, “мягкие” ограниченно устойчивы по отношению к погодным и температурным воздействиям. Однако при установке в стеклопакете покрытием в сторону воздушной камеры обладают долговечностью, сопоставимой с “твердыми” покрытиями. Принципиальный состав слоев “твердого” и “мягкого” покрытий приведен на Рис. 3.
При использовании стекла в светопрозрачных конструкциях с повышенными требованиями к безопасности (стеклянные крыши, наклонные остекленные плоскости фасадов и т.п.) применяют закаленные или ламинированные стекла.
Закалкой называют процесс термоупрочнения стекла, основанный на специфике его физических свойств. Как уже отмечалось, на температурной шкале стекло не имеет определенной точки затвердевания, при которой оно переходило бы из жидкого состояния в твердое. Поэтому его можно нагревать до температуры чуть выше той, при которой молекулы, как в вязкой жидкости, еще способны к пластическому сдвигу без появления внутренних напряжений. Если стекло нагреть так, чтобы весь его объем имел одинаковую температуру (чуть выше 570°С), а затем быстро охладить, то поверхность его затвердеет, в то время как внутренний слой еще останется пластичным. При дальнейшем постепенном охлаждении затвердеет и внутренняя часть. Однако она не сможет сжиматься с такой же силой, как до закалки, поскольку внешние, уже затвердевшие слои стекла не смогут теперь деформироваться без возникновения напряжений.
Таким образом, в результате термической обработки, которая заключается в нагревании стекла до температуры закалки и последующем быстром охлаждении, наружные слои его приходят в состояние сильного сжатия, а внутренние — в состояние растяжения. В результате в стекле образуется система напряжений, обеспечивающая его высокую механическую и термическую прочность по сравнению с обычным стеклом, которое может воспринимать только небольшие растягивающие усилия.
При разрушении закаленное стекло распадается на мелкие округленной формы осколки, которые не имеют острых режущих граней.
Под общим термином ламинирование понимают изготовление многослойных конструкций из стекла при помощи поливиниловой пленки или специального жидкообразного материала — смолы, а изготовленные таким образом конструкции называют ламинированными стеклами.
Ламинированное стекло может состоять из нескольких слоев одинаковых или разных по толщине и типу стекол, которые могут быть прямыми или криволинейнымии в соответствии с заданной формой. Толщина полученного ламинированного стекла зависит от количества стекол и их толщины, а также от толщины ламинирующих слоев.
Наиболее распространенным типом ламинированного стекла, применяемого в оконных и фасадных конструкциях различных классов безопасности, является так называемый триплекс — конструкция из двух стекол и промежуточного ламинирующего слоя. В отдельных случаях возможно наклеивание пленки на стекло с одной стороны — так называемая односторонняя ламинация.
Основным достоинством ламинированных многослойных конструкций из стекла является безопасность при разрушении. Поскольку при разрушении осколки стекла остаются “висеть” на эластичной пленке, не возникает опасности образования осколков стекла, способных нанести травму. При помощи ламинирования можно изготавливать конструкции, которые могут служить в качестве стекол, защищающих от взлома и взрывной волны, а также пуленепробиваемых, ударопрочных и огнезащитных стекол. Ламинированные стекла хорошо защищают также и от УФ излучения. При этом необходимо отметить, что ламинирование (в отличие от закалки) не увеличивает механическую прочность.
В основе пленочного ламинирования лежит принцип соединения пленки и стекол, предварительно вырезанных по заданному размеру. Отрезанные стекла моются, после чего выполняется операция сборки элемента, если нужно получить прямое стекло. Между заготовками стекол помещается пленка, толщина которой обычно равна 0.38 или 0.76 мм . Цветовую гамму ламинированных стекол можно расширить за счет использования как стекол различного цвета, так и различного цвета пленок, применяемых для ламинирования. Процесс ламинации является двухстадийным. После операции сборки следует операция предварительного ламинирования — стеклянные элементы подвергаются сжатию, так называемой “холодной правке” в роликовой правильной машине. После этого элемент нагревают до температуры 80-90°С. Эту окончательную стадию операции ламинирования называют “горячей правкой”.
Стекла, полученные методом жидкостного ламинирования, отличаются от стекол, заламинированных при помощи пленки, как самим способом производства, так и свойствами, которые приобретает готовое изделие. Среди особенностей, отличающих стекла, полученные жидкостным ламинированием, можно отметить следующие:
• одно или оба стекла могут иметь шероховатую поверхность;
• можно использовать низкоэмиссионные стекла с покрытием, тогда как горячее ламинирование с помощью пленки может испортить покрытие;
• можно использовать очень толстые стекла.
Многослойные стекла, полученные с помощью обычного жидкостного ламинирования, мало отличаются с точки зрения пропускания видимого света от обыкновенного прозрачного стекла. За счет добавления пигментов в ламинирующую жидкость можно изготавливать цветные жидкостноламинированные стекла. “Цветной эффект” можно усилить путем совместного использования окрашенных жидкостей для ламинирования со стеклами с зеркальной поверхностью.
При необходимости получения выразительных архитектурных решений стекло может быть подвергнуто молированию — изгибу. Молирование стекол производят в нагревательных камерах или печах с использованием специальных форм для придания нужной конфигурации. Перед молированием стекло вырезают в соответствии с задаваемой формой.
Для строительства, как правило, требуется производить гнутые стекла маленькими и кратковременно выпускаемыми сериями. Изготовление молированных стекол является сложной операцией и предполагает наличие у производителя особых знаний и навыков. Учитывая требования, предъявляемые к промышленному производству и к качеству готового продукта, в производстве гнутых стекол для нужд строительной промышленности используется так называемая техника формования на оболочках: стекло нагревают и гнут в специальных печах. Стекло при нагревании изгибается на поверхности специально изготовленной стальной формы, принимая желаемую форму. При производстве гнутого стекла стекло охлаждают таким образом, чтобы в готовом изделии было как можно меньше напряжений. Минимальный радиус изгибания стекла определяют в соответствии с его толщиной (Рис. 4), при этом размеры стекла, со своей стороны, зависят от производственного оборудования, имеющегося у изготовителя, и факторов, зависящих от формы конструкции. Следует также отметить, что гнутые стекла можно ламинировать.
Рис.4. Зависимость минимального радиуса изгиба от толщины стекла
