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

Budowa szkła w skali atomowej
    Według najszerzej znanej teorii Zachariasena z 1932 r. przyjmuje się model struktury szkła, w którym budującą jednostką podstawową o losowej orientacji przestrzennej jest tetraedryczna jednostka strukturalna SiO₄.

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.

    W przeciwieństwie do budowy większości ciał stałych, położenie atomów w wewnętrznej strukturze szkła jest przypadkowe, a odległości między poszczególnymi atomami są znaczne.

    W zależności od procentowej zawartości różnych pierwiastków wbudowywanych w strukturę szkieletu krzemianowo-tlenowego, a przedostających się wraz z dodatkami w czasie procesu produkcyjnego, wyróżniamy kilka rodzajów szkła.

    W przypadku szkła krzemionkowego (przypadek b na rys. 2), każdy z tetraedrów współdzieli atomy tlenu umieszczone w rogach z sąsiednim atomem krzemu.

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.

    Najczęściej stosowanym w budownictwie szkłem jest szkło sodowe.

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]:
- SiO₂, podstawowy związek budujący wewnętrzną strukturę szkła
- Na₂O, związek powodujący modyfikację struktury wewnętrznej szkła. Przede wszystkim powoduje przerwanie połączeń krzem – tlen. Przyczynia się to do obniżenia wytrzymałości i zwiększenia rozszerzalności cieplnej oraz podwyższa ryzyko korozji powierzchniowej szkła.
- K₂O, związek o działaniu podobnym do tlenku sodu. Jony potasu charakteryzują się większym rozmiarem w stosunku do jonów sodu, przez co są mniej mobilne.
- CaO, związek powodujący modyfikację budowy wewnętrznej szkła. Hamuje ruchliwość jonów pierwiastków alkalicznych, co zwiększa wytrzymałość i trwałość szkieł zawierających jony Na⁺ i K⁺.
- Al₂O₃, związek o funkcji pośredniej między formowaniem a modyfikacją struktury wewnętrznej szkła. Może dołączać się do wewnętrznej struktury w formie tetraedrów AlO₄ o odmiennych od SiO₄ rozmiarach. Silnie hamuje proces krystalizacji, ale zarazem zwiększa lepkość szkła, co powoduje jego utrudnione topienie i formowanie.
- B₂O₃, związek biorący udział w formowaniu wewnętrznej struktury szkła. Przyczynia się do łączenia przerw strukturalnej siatki wewnętrznej szkła. Zmniejsza lepkość płynnej masy szklanej nie powodując przy tym negatywnych zmian wytrzymałości i rozszerzalności cieplnej szkła.
- PbO, nie jest związkiem budującym wewnętrzną strukturę szkła, ale ma zdolności do łączenia się z tetraedryczna jednostką strukturalną SiO₄.
- ZnO, podobnie jak tlenek wapnia powoduje modyfikację struktury wewnętrznej szkła.

Konsekwencje atomowej budowy szkła
    Nieuporządkowane przestrzennie rozmieszczenie atomów w strukturze wewnętrznej powoduje, że szkło nie jest materiałem plastycznym.

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.

    Nieregularne rozmieszczenie atomów w strukturze szkła pozwala przenikać przez nią porcjom fal świetlnych [6].

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.

    Z punktu widzenia konstruktorów kruchość i trudność w określeniu nośności (badania wytrzymałościowe wykazują dużą rozbieżność wartości naprężeń niszczących próbki identyczne pod względem wymiarów i własności materiału) powinny dyskwalifikować szkło, jako materiał, z którego wykonuje się elementy nośne.

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.

Budowa szkła w skali mikroskopowej
    Świeżo wyprodukowana tafla szklana w skali makroskopowej wydaje się być pozbawiona wszelkich nieciągłości materiałowych.

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.

    Badanie szkła pod mikroskopem ujawnia również liczne, wtopione w powierzchnię szklanych elementów ciała obce.

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].

    Jak wiadomo tafle szklane po wytworzeniu poddawane są licznym procesom obróbki. W czasie tych procesów dochodzi do kolejnych stadiów naruszenia powierzchni i krawędzi.

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.

    Uszkodzenia elementu szklanego powstają w wielu różnych stadiach procesu produkcyjnego.

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.

Konsekwencje budowy mikroskopowej szkła
    Jak wykazują badania szkło jest niezwykle wrażliwe na wszelkie uszkodzenia, także te o rozmiarach w skali mikroskopowej.

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].

Budowa szkła w skali makroskopowej
    W skali makroskopowej zakłada się, że szkło jest materiałem jednorodnym.

Ponadto, materiał ten wykazuje takie same własności fizyczne we wszystkich kierunkach, zatem przyjmuje się, że jest to materiał izotropowy.

Konsekwencje budowy makroskopowej szkła
    Dzięki izotropii szkła znajomość zaledwie dwóch modułów sprężystości E oraz ścinania G, wystarczy do określenia wartości współczynnika Poissona oraz związków fizycznych dla szkła [5].

Własności szkła

Własności fizyczne
    Gęstość właściwa szkła wynosi średnio 2500 kg/m³.

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
    Szkło nie wykazuje wyraźnej temperatury krzepnięcia, w jakiej następuje jego przejście ze stanu płynnego w stan stały (rys. 3).

    Dwie najważniejsze wielkości charakteryzujące właściwości termiczne szkła, przyjmują wartości:
- współczynnik przewodzenia ciepła szkła zwykłego (bez folii izolacyjnych):

- liniowy współczynnik rozszerzalności cieplnej:

Właściwości optyczne
    Najważniejszą wielkością optyczną, ze względu na zastosowanie szkła, jest przepuszczalność świetlna w zakresie promieniowania widzialnego.

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.

Właściwości chemiczne, odporność chemiczna szkła
    Odporność szkła na chemiczne działanie różnych substancji jest zależna od jego składu chemicznego.

Najbardziej odporne na chemiczne działanie substancji jest szkło krzemionkowe. Dużą odporność wykazuje także szkło borokrzemianowe.

Korozja spowodowana działaniem kwasów
    Ogólnie szkło wykazuje dużą odporność na działanie kwasów, za wyjątkiem kwasu fluorowodorowego, który rozpuszcza szkło w temperaturze 100^oC.

Korozja spowodowana działaniem zasad
    Uszkodzenie szkła przez zasady następuje w wyniku długotrwałego oddziaływania tych związków chemicznych na powierzchnię szklanego elementu.

Korozja spowodowana wodorotlenkami prowadzi do niszczenia struktury krzemianowo-tlenowej.

Odporność szkła na działanie zasad jest 100 razy mniejsza niż na działanie kwasów.

Korozja spowodowana działaniem wody (na podstawie: [4])
    Szkło tylko pozornie wykazuje odporność na działanie wody.

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:

    Przyłączone do atomu krzemu grupy wodorotlenowe nie mają możliwości utworzenia dalszych połączeń z atomami innych pierwiastków. Następuje więc poszerzanie się nieciągłości w przestrzennym szkielecie budującym szkło.

Stopniowy wzrost długości szczeliny w wyniku chemicznego oddziaływania wody przedstawiono schematycznie na rysunku 4.

    Woda powoduje także korozję powierzchniową tafli szklanych ułożonych poziomo, występujących np. w zadaszeniach.

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.

Mechaniczne właściwości szkła
    Szkło jako materiał konstrukcyjny stosowany w budownictwie pracuje w warunkach temperaturowych dużo niższych, niż najniższa granica zakresu temperatur przejścia fazowego (średnio ok. 600^oC).

W temperaturze pokojowej lepkość szkła jest wyższa niż 1919 MPa, zatem może ono być traktowane jako ciało stałe [5].

    Poniżej temperatury mięknienia szkło podlega prawu Hooke’a.

Przyrost odkształceń ε jest wprost proporcjonalny do przyrostu naprężeń σ wywołujących te odkształcenia. Uogólnione prawo Hooke’a można zapisać następująco:

 
gdzie:

-  wektor naprężeń

- wektor odkształceń

- [E] – macierz sprężystości

    Zależność między wektorem naprężeń { σ } a wektorem { ε } odkształceń w przypadku szkła jest ściśle liniowa, aż do momentu zniszczenia (rys. 5), które następuje gwałtownie, bez żadnych oznak wytężenia materiału.

Nie dotyczy to szkieł modyfikowanych, których wewnętrzna struktura jest przekształcana przez wprowadzenie jonów odpowiednich pierwiastków.

    Szkło niemodyfikowane chemicznie jest zatem materiałem kruchym, a nawet bardzo kruchym, który nie wykazuje żadnych makroskopowych odkształceń plastycznych.

Brak możliwości odkształceń plastycznych w szkle pociąga za sobą to, że szkło:
- nie wykazuje żadnych odkształceń trwałych; po ustąpieniu działania siły element szklany powraca do swojego pierwotnego kształtu;
- nie ulega pełzaniu;
- jest niezwykle podatne na lokalne przeciążenia – skupione siły o małych wartościach wywołują w elemencie szklanym bardzo duże naprężenia na niewielkim obszarze.

    Szkło jest materiałem izotropowym, co oznacza, że jego własności mechaniczne są takie same we wszystkich kierunkach [2].

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.

    Wartości modułu sprężystości E oraz współczynnika Poissona ν w zależności od rodzaju szkła przedstawiono w tabeli 2.

    W większości norm poświęconych projektowaniu elementów ze szkła sodowo–wapniowego (Na₂0-CaO-SiO₂), najczęściej stosowanego w budownictwie, podaje się następujące wartości stałych sprężystości:
- moduł sprężystości Younga E = 70 GPa
- współczynnik Poissona υ = 0,2

    Wartości te obowiązują zarówno w przypadku szkła hartowanego jak i niehartowanego.

    Pomiar wartości modułu sprężystości Younga E dla szkła przeprowadza się w próbach trójpunktowego lub czteropunktowego zginania.

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.

Literatura
[1] Crompton P. R., Assessment of design procedures for structural glass beams. A thesis for degree of Master of Science, Oxford University 1999.
[2] Gawęcki A., Mechanika materiałów i konstrukcji prętowych, Politechnika Poznańska, Poznań 1997.
[3] Holloway D. G., The Physical Properties of Glass, Wykeham Publications, London 1973.
[4] Lawn B. R., Wilshaw T. R., Fracture of brittle solids, Cambridge University Press, Cambridge 1975.
[5] Phalippou J., Verres. Propriétés et applications, Département Matériaux Laboratoire des Verres, Université de Montpellier II.
[6] www.glassonweb.com/articles/article/159/?myKeyword=transparent
[7] Klindt L. B., Klein W.: Szkło jako materiał budowlany, Arkady, Warszawa 1982.
[8] Ziemba B., Technologia szkła, PWN, Warszawa 1987.

inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne

więcej informacji: Świat Szkła 3/2009