Budowa wewnętrzna i właściwości szkła konstrukcyjnego |
Data dodania: 02.04.09 |
Szkło, dzięki swym własnościom, już wiele stuleci temu zyskało uznanie architektów i jest wciąż szeroko stosowane w nowoprojektowanych obiektach budowlanych.
Cechy, które są w przypadku szkła najbardziej cenione to: przeźroczystość, przepuszczalność promieni słonecznych, odporność na zarysowania i działanie szkodliwych warunków atmosferycznych.
Wszystkie te własności, jak i wiele innych (opisanych w dalszej części artykułu) wynikają z budowy wewnętrznej szkła, którą przedstawiono szczegółowo poniżej.
Budowa szkła
Na każdą taką jednostkę składa się jeden atom krzemu, usytuowany w centrum tetraedru oraz cztery atomy tlenu usytuowane w rogach tetraedru (rys. 1).
Połączenia między atomem krzemu i tlenu są kowalencyjne jonowe.
Budowa szkła krzemionkowego jest zbliżona do budowy kryształów krzemianów (np. kwarcu – przypadek a na rys. 2).
Wszystkie atomy struktury wewnętrznej szkła krzemionkowego są silnie ze sobą związane.
Sama struktura jest ciągła, ale równocześnie nieuporządkowana i zdeformowana w przeciwieństwie do struktury kryształów krzemianowych, w których układ atomów jest regularny.
Struktura wewnętrzna tego szkła jest pokazana na rys. 2 w podpunkcie c.
Dodatek sodu do krzemionki powoduje zerwanie ciągłości przestrzennej struktury, co wpływa na zmianę fizycznych własności szkła.
Przede wszystkim następuje obniżenie temperatury, w której szkło sodowe ulega stopieniu. Zmniejsza to znacznie koszty produkcji.
![]() Atomy i cząsteczki pierwiastków spotykane w wewnętrznej strukturze szkła i ich wpływ na budowę i właściwości szkła są następujące [3]:
Jak wiadomo, odkształcenie plastyczne powstaje m.in. na drodze poślizgu elementów budujących wewnętrzną strukturę ciała wzdłuż pewnych płaszczyzn, np. poślizg górnej warstwy atomów po warstwie dolnej.
W budowie szkła nie można wyodrębnić regularnych warstw atomów czy kryształów, które mogłyby się po sobie przesuwać [3]. Szkło jest zatem materiałem kruchym.
Zniszczenie przeciążonych elementów szklanych następuje nagle, bez żadnych oznak przekroczenia nośności.
Obrazowo zjawisko to można wytłumaczyć tym, że występujące pustki i przerwy między chaotycznie rozmieszczonymi atomami w strukturze szkła nie stanowią przeszkody przy przechodzeniu promieni świetlnych.
Bardziej naukowo zjawisko przenikania światła tłumaczy się obecnością wiązań kowalencyjno-spolaryzowanych, łączących atomy budujące wewnętrzną strukturę szkła.
W wiązaniach kowalencyjnych spolaryzowanych nie występują wolne elektrony, przez co padający promień światła nie ulega takim zjawiskom jak odbicie czy pochłanianie.
Wystąpienie tych zjawisk jest bowiem uwarunkowane obecnością niezwiązanych elektronów.
Mimo to, szkło jest bardzo chętnie stosowane przez architektów, gdyż jest jedynym materiałem dobrze przepuszczającym światło i jednocześnie bardzo twardym, odpornym na zarysowania, sztywnym, a jednocześnie relatywnie tanim w produkcji w porównaniu do innych dostępnych transparentnych materiałów, takich jak np. tworzywa sztuczne.
Jednak mikroskopowa analiza ujawnia, że już w procesach wytwórczych na powierzchniach wewnętrznych i zewnętrznych szklanego elementu pojawiają się zarysowania i pęknięcia. Rozmiary tych uszkodzeń są tak małe, że pozostają one niewidoczne gołym okiem.
Wtrącenia te to np. cząstki unoszącego się w hucie szkła kurzu, łatwo przyłączane do powierzchni wszystkich typów szkła, nawet w temperaturach dużo niższych niż temperatura mięknienia [3].
Szczególnie często powstają zarysowania powierzchni szkła podczas transportu
W procesach obróbki termicznej w powierzchnię szklaną zostają wtopione różnego rodzaju zanieczyszczenia, a podczas szlifowania dochodzi do wytworzenia kolejnych mikroskopowych rys.
Mają one charakter przypadkowy i nie można przewidzieć ani rozmieszczenia ani rozmiarów rys i zanieczyszczeń.
Wpływu obecności nieciągłości i obcych wtrąceń w strukturę elementu szklanego na jego wytrzymałość nie można zaniedbać.
Wszystkie zjawiska zaobserwowane w szkle, tj. niska wytrzymałość praktyczna w stosunku do wytrzymałości teoretycznej, duża zmienność wartości niszczących naprężeń elementów szklanych o tych samych rozmiarach, efekt skali, jak również spadek wytrzymałości w czasie można wytłumaczyć obecnością mikrouszkodzeń struktury wewnętrznej elementu szklanego [3].
Ponadto, materiał ten wykazuje takie same własności fizyczne we wszystkich kierunkach, zatem przyjmuje się, że jest to materiał izotropowy.
Twardość szkła, czyli odporność powierzchni szklanych na zarysowanie określa się wg mineralogicznej skali Mohsa.
Powierzchnia szkła jest odporna na wnikanie w głąb przedmiotów wykonanych z apatytu, lecz ulega zarysowaniu kwarcem, zatem twardość szkła wynosi 6–7.
Twardość powierzchni szkła zależy od jego rodzaju, co przedstawiono w tabeli 1.
![]()
Właściwości termiczne
- liniowy współczynnik rozszerzalności cieplnej:
Zależy ona od rodzaju szkła oraz od kąta padania światła i średnio wynosi 90%.
Obniżenie przepuszczalności świetlnej spowodowane jest absorpcją światła i zjawiskiem odbicia promieni świetlnych od powierzchni szkła.
Współczynnik załamania światła szkła okiennego n ≈ 1,52.
Najbardziej odporne na chemiczne działanie substancji jest szkło krzemionkowe. Dużą odporność wykazuje także szkło borokrzemianowe.
Korozja spowodowana wodorotlenkami prowadzi do niszczenia struktury krzemianowo-tlenowej.
Odporność szkła na działanie zasad jest 100 razy mniejsza niż na działanie kwasów.
Jak już wspomniano wcześniej, w strukturze szkła występują liczne pęknięcia, czyli nieciągłości przestrzennego szkieletu krzemianowo-tlenowego.
Obecność cząsteczek wody w okolicach wierzchołków pęknięć powoduje stopniowe powiększanie ich rozmiarów. Dzieje się to w wyniku hydrolizy.
W czasie tej chemicznej reakcji następuje przerwanie połączenia „krzem-tlen-krzem”, a następnie przyłączenie grup wodorotlenowych do każdego z atomów krzemu, co można zapisać:
Stopniowy wzrost długości
W wyniku długotrwałego zalegania wody na powierzchni tafli szklanej ze struktury szkła następuje wypłukanie sodu, wapnia czy potasu.
Objawem zajścia korozji jest matowienie powierzchni szklanej płyty.
W temperaturze pokojowej lepkość szkła jest wyższa niż 1919 MPa, zatem może ono być traktowane jako ciało stałe [5].
Przyrost odkształceń ε jest wprost proporcjonalny do przyrostu naprężeń σ wywołujących te odkształcenia. Uogólnione prawo Hooke’a można zapisać następująco:
Nie dotyczy to szkieł modyfikowanych, których wewnętrzna struktura jest przekształcana przez wprowadzenie jonów odpowiednich pierwiastków.
Brak możliwości odkształceń plastycznych w szkle pociąga za sobą to, że szkło:
Znajomość wielkości fizycznych – modułu sprężystości E oraz współczynnika Poissona ν – pozwala na wyznaczenie wszystkich składników macierzy sprężystości [E] dla szkła, a co za tym idzie, pozwala na jednoznaczne określenie związków fizycznych.
![]() W większości norm poświęconych projektowaniu elementów ze szkła sodowo–wapniowego (Na20-CaO-SiO2), najczęściej stosowanego w budownictwie, podaje się następujące wartości stałych sprężystości:
Wartości te obowiązują zarówno w przypadku szkła hartowanego jak i niehartowanego.
Wartość modułu E jest trudna do pomiaru w próbie rozciągania, ze względu na problemy związane z mocowaniem szklanych próbek.
Kruchość szkła powoduje, że w próbie rozciągania dochodzi do pęknięcia materiału w pobliżu uchwytów.
W takim przypadku zmierzone wartości E nie są zgodne z rzeczywistością.
Dobrosława Jaśkowska
Artykuł powstał na podstawie pracy magisterskiej Warunki pękania i zniszczenia szkła napisanej pod kierunkiem prof. dr. hab. inż. Tomasza Łodygowskiego i dr. inż. Witolda Kąkola w Zakładzie Komputerowego Wspomagania Projektowania Politechniki Poznańskiej. Literatura
wszystkie części cyklu artykułów:
- Kryterium pękania i zniszczenia szkła konstrukcyjnego , Dobrosława Jaśkowska, Świat Szkła 9/2008,
- Badania elementów szklanych w różnych warunkach obciążenia i pracy , Dobrosława Jaśkowska, Świat Szkła 1/2009,
- Budowa wewnętrzna i właściwości szkła konstrukcyjnego , Dobrosława Jaśkowska, Świat Szkła 3/2009
- Technologia szkła stosowanego w budownictwie , Dobrosława Jaśkowska, Świat Szkła 4/2009,
- Od biżuterii do materiału konstrukcyjnego , Dobrosława Jaśkowska, Świat Szkła 6/2009,
patrz też:
- Szkło jako materiał konstrukcyjny , Marcin Kozłowski, Świat Szkła 4/2010
- Łączniki punktowe w szklanych konstrukcjach , Barbara Szczerbal, Dariusz Włochal, Adam Glema, Tomasz Łodygowski , Świat Szkła 1/2009 - Projektowanie szklanych konstrukcji mocowanych punktowo , Barbara Szczerbal, Dariusz Włochal, Adam Glema, Tomasz Łodygowski , Świat Szkła 2/2009 - Badanie doświadczalne konstrukcji szklanych mocowanych punktowo , Barbara Szczerbal, Dariusz Włochal, Adam Glema, Tomasz Łodygowski , Świat Szkła 3/2009 - Analiza numeryczna konstrukcji szklanych mocowanych punktowo cz. 1 , Barbara Szczerbal, Dariusz Włochal, Adam Glema, Tomasz Łodygowski , Świat Szkła 4/2009 - Analiza numeryczna konstrukcji szklanych mocowanych punktowo cz. 2 , Barbara Szczerbal, Dariusz Włochal, Adam Glema, Tomasz Łodygowski , Świat Szkła 6/2009 inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne
więcej informacji: Świat Szkła 3/2009 |