STICLA SI MATERIALELE DIN STICLA

STICLA SI MATERIALELE DIN STICLA

1. Generalitati. principii de fabricare

Sticlele sunt materiale rezultate din racirea rapida a unor topituri vascoase, avand aceleasi elemente de structura ca si cristalele, dar cu asezare in spatiu neordonata, ceea ce le imprima anumite proprietati specifice,

Astfel, starea sticloasa, fata de starea cristalina a aceleiasi substante, se caracterizeaza prin densitate mai redusa, continut mai ridicat de energie interna (este deci mai reactiva), nu are punct fix de topire ci prezinta la incalzire un domeniu de inmuiere (favorizeaza tehnologii de prelucrare), iar prin racirea brusca a topiturii apar tensiuni interne care determina rezistente scazute la soc si zgariere.

Datorita instabilitatii energetice, prezinta tendinta ca, in timp, sa treaca in forma cristalina (mai saraca in energie), proces numit devitrificare, ceea ce poate determina opacizarea sau pulverizarea.

Pentru realizarea de materiale de constructii se utilizeaza sticla de silicat, care este un amestec de SiO₂ (sub 80 %) si silicati complecsi de Na, K, Ca, Pb, Ba etc. in functie de natura sticlei.

Sticla se fabrica din nisip cuartos curat (mai ales fara oxid de fier care da sticlei culori inchise) la care se adauga fondanti (Na₂CO₃ sau K₂CO₃) pentru micsorarea temperaturii de obtinere a topiturii si stabilizanti (CaCO₃, Pb₃O₄ etc) care maresc rezistenta la actiunea apei. Pentru a imbunatatii calitatea sticlei sau procesul tehnologic, se mai adauga dupa caz: substante colorante, decolorante, opalizante sau substante care regleaza vascozitatea topituri.

Sticla obisnuita, din care se fabrica aproape toate materialele de constructie, este silico-calco-sodica, materiile prime fiind nisipul cuartos, soda calcinata si calcarul, care, macinate fin si omogenizate (pentru a intensifica reactiile chimice care incep inca din faza solida), sunt topite in cuptoare vana, la circa 1450 C.

Topitura omogenizata si afanata se fasoneaza, dupa caz, prin tragere, laminare, suflare, presare etc. Deoarece in timpul fasonarii, racirea topiturii de sticla se face brusc si neuniform in sectiunea produselor, apar tensiuni interne care maresc fragilitatea, astfel incat la zgariere sau lovire se sparg cu usurinta.

Pentru anularea tensiunilor interne, majoritatea produselor fasonate sunt supuse recoacerii, prin incalzire la circa 500 - 600° C urmata de racire lenta.

Procesul tehnologic se incheie prin finisarea si decorarea produselor din sticla. Materialele de constructie din sticla se finiseaza in general prin slefuire sau polizare.

2. Caracteristicile tehnice ale sticlei de constructie

Proprietatile chimice si fizico-mecanice ale sticlei depind de compozitia chimica, structura, starea de defecte, tensiuni interne etc.

Sticla obisnuita prezinta o transparenta ridicata pentru radiatii luminoase (60 - 95 % in functie de compozitie si calitate) si este putin permeabila pentru razele ultraviolete si infrarosii.

Sticla prezinta o remarcabila stabilitate dimensionala (pentru sticla de constructii coeficientul de dilatare termica liniara este apropiat de al otelului), nu este higroscopica, nu este combustibila si are proprietati electroizolante.

Sticla rezista bine la actiunea agentilor atmosferici, la actiunea acizilor, exceptie facand solutiile acidului fluorhidric. Solutiile bazice, chiar si apa curata, mai ales cea fierbinte, actionand timp indelungat asupra sticlei, o distrug la suprafata.

Sticla se caracterizeaza prin duritate si rezistente mecanice teoretice ridicate (determinate de natura legaturilor chimice). Rezistentele mecanice reale sunt mult mai reduse datorita compozitiei chimice variabile, defectelor de structura, defectelor de suprafata, tensiunilor interne, tratamentelor termice etc. Rezistenta la compresiune este importanta (pana la 200 N/mm²), insa rezistenta la intindere (pana la 20 N/mm²) este relativ redusa.

Sticla prezinta deformatii predominant elastice la solicitari mecanice (modulul de elasticitate 50.000 - 100.000 N/mm²); este deci casanta si nu rezista la socuri mecanice. De aceea, la contactul cu materiale dure, pot apare local forte ce depasesc limita de rupere, apare fisurarea si apoi spargerea.

Densitatea sticlei, in functie de compozitie, este cuprinsa in limitele 2200 - 6000/m³, sticla utilizata in constructii avand densitate de 2500 - 2600 kg/m³.

Coeficientul de conductivitate termica, in functie de compozitia chimica, are valori in limitele 0,33 - 1,34 W/mK.

3. Principalele materiale de constructie din sticla

3.1. Geamuri

Geamurile sunt materiale de constructii din sticla de cea mai larga utilizare. Pentru obtinerea lor, topitura de sticla se prelucreaza prin tragere (geamuri trase) sau prin laminare intre valturi (geamuri laminate).

Geamurile trase, plane transparente, de intrebuintare curenta, se folosesc ca elemente de inchidere a tamplariei exterioare si interioare. Sortarea pe calitati a geamurilor se face prin verificarea conditiilor tehnice de calitate referitoare la: culoare, planeitatea si paralelismul fetelor, stabilitate chimica, marimea si numarul defectelor sub forma de zgarieturi, incluziuni de gaze, incluziuni de corpuri straine sau de sticla cristalizata, prezenta stirbiturilor etc.

Geamurile laminate, finisate prin slefuire si polizare pe ambele fete, sunt geamuri de calitate superioara, destinate in principal confectionarii oglinzilor, vitrinelor si geamurilor securizate.

Geamurile securit se caracterizeaza prin rezistente superioare la incovoiere si soc, iar prin spargere nu dau bucati taioase. Aceste proprietati se datoresc unor tensiuni interne mari, echilibrate si astfel distribuite incat imbunatatesc comportarea la solicitari dinamice, maresc duritatea si elasticitatea sticlei.

Aceste geamuri se obtin prin taierea prealabila la dimensiunile necesare si supunerea la un tratament termic de calire (incalzire pana la inmuiere si racire brusca cu aer pe ambele fete). Datorita solidificarii rapide a straturilor exterioare si mai lente a stratului exterior, vor apare spre exterior eforturi de compresiune si in interior de intindere. Astfel, la solicitarea de incovoiere vor trebui depasite in primul rand eforturile de compresiune ale straturilor exterioare si rezistentele de rupere vor fi mult mai mari.

Geamurile de protectie tip securit se folosesc la ferestre, usi, glasvanduri, la cladiri cu public numeros (spitale, scoli, hoteluri, muzee, magazine), care trebuie sa fie protejat in cazul spargerii unor geamuri de dimensiuni mai mari.

Geamurile emailate securizate sunt geamuri colorate, netransparente, utilizate in special pentru realizari de fatade sau interioare decorative, la placarea peretilor etc.

Geamurile armate sunt obtinute prin laminare din sticla incolora sau colorata, in care se introduce in timpul fabricarii o plasa de otel, care in caz de spargere retine cioburile. Se folosesc la luminatoarele din acoperisurile halelor industriale, la peroane de gari, la parapetele pentru terase, balcoane, scari etc.

Geamurile ornament se fabrica prin laminare, din sticla incolora, valturile imprimand un model pe una din fete. Aceste geamuri se folosesc ca element de inchidere in cadrul tamplariei, in scopuri decorative, pentru locuri unde este necesar geam translucid.

Geamul termoizolant (termopan), este un produs prefabricat, confectionat din doua sau mai multe foi de geam, cu spatiu de aer uscat intre ele, inchis ermetic, fixate prin intermediul unui distantier si bine etanseizat pe contur (fig.1). Se utilizeaza in constructii civile si industriale unde este indicat ca suprafetele vitrate sa asigure si o buna izolare termica.

Figura 1. Geam termopan - detaliu de montare

Geamul termoabsorbant este un geam tras, colorat in masa, cu o compozitie speciala (un continut controlat in oxid feros) care absoarbe radiatiile infrarosii si o parte a radiatiilor luminoase. Se foloseste la constructii civile si industriale unde este necesara o protejare fata de efectul termic al razelor solare.

Geamul triplex este alcatuit din foi subtiri de geam lipite intre ele cu adezivi transparenti. Are rezistenta la soc mai buna si avantajul ca in cazul spargerii cioburile raman lipite.

Geamul profilit (cu profil U) poate fi armat sau nearmat si se caracterizeaza printr-o mare rigiditate. Se utilizeaza pentru realizarea de pereti translucizi la hale industriale, cladiri publice, garaje etc.

3.2. Produse din sticla pentru pereti si plansee luminoase

Aceste produse se fabrica prin turnare sau presare si servesc pentru realizarea de pereti sau plansee care sa imbunatateasca iluminatul natural al constructiilor.

Dale din sticla pentru pereti - au forma patrata cu concavitate pe o fata sau pe ambele fete pentru reducerea greutatii, iar pe canturi au santuri striate. Executarea peretilor luminosi se face prin asezarea dalelor pe cant cu resturile orizontale si verticale in prelungire. Rigidizarea se realizeaza prin introducerea in rosturi a unor bare din otel beton fixate in pasta de ciment (fig. 2.).

Figura 2. Dale de sticla pentru pereti - detaliu de montare

Pavelele rotalit se utilizeaza pentru executia de plansee luminoase la diferite constructi subterane. Ele au fata superioara striata pentru a fi antiderapante, partile laterale adancite si striate pentru a le asigura o buna aderenta cu betonul, iar fata inferioara este scobita pentru reducerea greutatii (fig. 3.). La executarea planseelor luminoase se asaza intai corpurile rotalit pe cofraj, cu scobitura in jos, iar in spatiul dintre ele se monteaza pe ambele directii bare din otel beton si apoi se umplu golurile cu un beton plastic confectionat cu un agregat marunt.

Figura 3. Dale rotalit - detaliu de montare

3.3. Produse din sticla pentru placare

Placi de sticla opaxit sunt placi groase de sticla opalizata, albe sau colorate, cu fata vazuta neteda, iar cea opusa cu striuri paralele pentru a asigura o mai buna aderenta la suport.

Se folosesc pentru placarea peretilor interiori ai incaperilor cu umiditate mare, inlocuind faianta.

Placile din sticla cristalizata, se obtin printr-o tratare termica speciala a unei sticle de o compozitie adecvata si se caracterizeaza prin proprietati fizico-mecanice superioare. Placile din sticla cristalizata pot fi albe sau colorate, mate sau lucioase si se utilizeaza pentru placarea peretilor sau pentru pardoseli in mediu umed, inlocuind placile de gresie ceramica.

Placutele de sticla-mozaic se obtin din sticla colorata, au suprafete mate sau lucioase, forma patrata si se caracterizeaza printr-o durabilitate mare si stabilitate a culorii. Se folosesc pentru finisari decorative prin placarea peretilor exteriori sau interiori.

3.4. Fire si fibre din sticla

Se fabrica din sticle speciale, a caror compozitie permite tragerea in fire sau fibrilizarea.

Fibrele continui se obtin din baghete, bile sau direct din topitura, prin tragere prin filiere, urmata de tratamente de antistatare, acoperire etc. si bobinate sub forma de manunchi rasucit denumit roving.

Ele se pot utiliza ca atare la obtinerea de tesaturi sau pot fi supuse unui proces de tocare obtinandu-se fibre cu dimensiuni controlate.

Fibrele se pot transforma in impaslituri prin procedee tehnologice speciale sau pot fi utilizate pentru obtinerea de materiale compozite armate dispers (polimer armati, beton armat cu fibre de sticla, ipsos armat cu fibre de sticla etc.).

Proprietatile fibrelor de sticla sunt determinate de compozitie si tehnologia de obtinere.

Rezistenta la intindere a fibrelor este mult mai mare decat a produselor turnate din aceeasi sticla. De exemplu, daca pentru fibra R_t = 1900 - 3900 N/mm², pentru sticla masiva R_t = 40 - 100 N/mm². Rezistenta la intindere a fibrelor variaza invers proportional cu diametrul (fig. 4).

Figura 4. Variatia rezistentei la tractiune a fibrelor de sticla cu diametrul

Fibrele de sticla isi pastreaza proprietatile intr-un interval limitat de temperatura.

Pentru obtinerea fibrelor de sticla se utilizeaza in principal urmatoarele tipuri de sticle:

Borosilicatica (denumita sticla E) cu urmatoarea compozitie oxidica: SiO₂ 50 - 56 %; Al₂O₃ 12 - 16 %; CaO 16 - 25 %; B₂O₃ 8 - 13 %; MgO 0 - 6 %; Na₂O +K₂O 0 - 3 %; TiO₂ 0 - 0,4 %.

Fibrele din sticla E au urmatoarele caracteristici:

R_t = (30 - 40).10³ daN/cm²;

la 760° C isi pierde proprietatile mecanice (incepe inmuierea la 846° C);

nu rezista la alcalii, drept care se pot utiliza pentru armarea polimerilor (PAS), ipsosului (IAFS) sau a altor matrici cu pH neutru slab acid.

Sub forma de impaslitura se utilizeaza ca atare sau sub forma asociata (cu bitum s.a.) pentru fabricarea de materiale electro sau hidroizolatoare. Împasliturile se realizeaza prin ancolarea fibrelor cu substante polimerice.

Zirconica, rezistenta la alcalii (RA), se produce sub forma de fire, rovinguri si fibre si are urmatoarea compozitie chimica: SiO₂ 71 %; ZrO₂ 16 %; Na₂O 11 %; Al₂O₃ 1 %; LiO₂ 1 %.

Se utilizeaza pentru armarea dispersa de matrici bazice (din ciment-nisip; ciment-cenusa de termocentrala), pentru fabricarea betoanelor armate cu fibre de sticla (BAFS).

În tabelul VIII-1. se prezinta proprietati ale fibrelor din sticla R4 comparativ cu alte tipuri de fibre utilizate pentru obtinerea de betoane (sau alte compozite) armate dispers.

Tabelul VIII-1. Caracteristicile fizico-mecanice ale unor fibre

3.5. Vata de sticla

Se obtine prin fibrilizarea sticlei obisnuite. Este un material usor (densitate in vrac 70 - 100 kg/m³) cu proprietati termoizolatoare.

Vata de sticla se utilizeaza ca atare sau sub forma de saltele, fasii (cusute pe carton sau plase din sarma zincata) pentru izolatii la temperaturi intre 0 - 500° C, izolata de umiditate.

3.6. Sticla poroasa

Se obtine din deseuri de sticla la care se adauga calcar, sulfat de sodiu cocs, substante care in timpul incalzirii formeaza gaze care difuzeaza in masa sticlei, conferindu-i la solidificare o structura poroasa (70 - 90 %) si o densitate aparenta mica (100 - 500 kg/m³).

Este un material termoizolator utilizat sub forma de blocuri, caramizi, placi sau ca material de umplutura.

Coroziunea si protectia suprafetei otelurilor - Subiectul 44

Coroziunea este una din cauzele principale ce determina scoaterea din uz a pieselor, instalatiilor si lucrarilor din metal. Otelul carbon este vulnerabil la actiunea coroziva a acizilor, gazelor si umezelii atmosferice. Otelul carbon folosit in medii in care este posibila aparitia actiunilor corozive trebuie protejat prin acoperiri, inlocuit cu oteluri rezistente la coroziune sau metale neferoase. Coroziunea poate fi generala sau localizata.

Coroziunea generala poate fi uniforma - adancimea de penetrare fiind aceeasi sau neuniforma

Coroziunea localizata poate fi: in pete, in puncte, pungi deschise in interior

Coroziunea poate fi chimica si electrochimica (urmare a aparitiei unor curenti electrici).

Coroziunea chimica

Toate metalele au o afinitate pentru oxigen, majoritatea metalelor fiind obtinute din oxizii lor, care constituie in principal, starea in care se gasesc in natura.

Coroziunea apare datorita prezentei umiditatii in aer, viteza de coroziune fiind marita in prezenta unor impuritati ca acizi si gaze (SO₂).

Fierul si otelul formeaza la suprafata un strat rosiatic de oxizi, numit rugina, strat care este poros si usor penetrat de oxigen, astfel incat procesul de oxidare continua pana la distrugerea completa a metalului.

Pentru stoparea procesului de ruginire, se utilizeaza tratamente cu substante - inhibitori de coroziune sau indepartarea completa a ruginii si protejarea metalului cu un strat de vopsea.

Coroziunea electrochimica

Cand doua metale diferite, imersate intr-un electrolit lichid, sunt asezate la mica distanta unul de celalalt, apare un curent electric. În pila electrochimica cu electrozi de zinc si cupru, Zn se afla la un potential negativ fata de solutie si electrodul de cupru si se corodeaza.

Metalul ce constituie electrodul unei celule electrochimice, care are potentialul de electrod mai negativ este denumit anodic fata de celalalt.

În procesul de galvanizare, tabla de otel este protejata prin acoperire cu zinc. Daca stratul protector de zinc este deteriorat partial si apa ajunge in contact cu cele doua metale, apare coroziunea electrochimica, de aceasta data fiind corodat zincul.

Protectia suprafetei otelurilor

Otelul este foarte utilizat in majoritatea activitatilor din constructii, el fiind totusi foarte vulnerabil in fata actiunilor corozive ale mediului, astfel incat el trebuie protejat prin acoperiri anticorozive.

Principalele metode de protejare a suprafetei otelului sunt:

acoperirea cu uleiuri, unsori sau inhibitori de coroziune;

vopsire;

placari cu metale rezistente la coroziune;

acoperiri metalice;

acoperiri prin electrodepunere;

acoperiri cu materiale plastice.

prelucrare la cald - cand otelul este prelucrat la cald, la temperaturi inalte, de exemplu laminarea, se formeaza la suprafata lui un strat compus din oxid negru de fier, rezultat din combinarea Fe cu O. Acest strat este dens si aderent, prevenind contactul dintre otel si oxigen.

Uleiurile si unsorile - uleiurile minerale si unsorile utilizate ca lubrifianti protejeaza suprafata pe care sunt intinse, impiedicand apa sa condenseze si sa intre in contact cu metalul. Aceste materiale ofera protectie numai pe o perioada limitata de timp.

Inhibitorii de coroziune - pot fi adaugati uleiurilor minerale pentru a obtine uleiuri anticorozive care pot asigura o protectie pe o perioda mai lunga.

Vopsirea - este protejarea otelului prin acoperirea suprafetei sale cu un strat de vopsea sau un material ce nu se oxideaza, ca bitum, asfalt. Înaintea vopsirii, suprafata metalului trebuie curatata temeinic de stratul de oxizi, rugina, grasimi.

Placarile cu metale rezistente la coroziune - utilizeaza metale neferoase sub forma de foi, pentru protejarea suprafetei metalului. Tabla de otel este introdusa intre doua foi de metal neferos rezistent la coroziune si este apoi laminata la grosimea dorita.

Acoperirile metalice - pot fi realizate utilizand mai multe metode:

cimentarea pulberilor neferoase;

imersare in baie de metal topit;

pulverizare.

Cimentarea pulberilor neferoase este procesul in care otelul este incalzit pentru cateva ore in strans contact cu pulberea de metal neferos. Temperatura este mentinuta putin sub temperatura de topire a metalului neferos. Pulberea neferoasa se cimenteaza de suprafata otelului prin difuziune si formeaza un strat compact .

Imersarea in baie de topitura se aplica in cazul acoperirii metalului cu staniu sau zinc.

Pulverizarea unei topituri metalice este metoda prin care otelul poate fi acoperit cu metale neferoase, in special aluminiu si zinc. Metoda consta in imprastierea topiturii metalice, in picaturi mici (spraiere) utilizand un dispozitiv special.

Electrodepunerea este un proces ce consta in acoperirea otelului cu un strat de metal neferos, utilizand pentru aceasta procedee electrochimice. Dintre metalele utilizate pentru    acoperiri, cele mai utilizate sunt: staniu, zinc, cupru, crom, nichel, cadmiu.

Acoperirile cu materiale plastice - o gama larga de materiale plastice poate fi folosita pentru obtinerea de invelisuri pentru otel, rezistente la coroziune.

Aceste acoperiri permanente exclud contactul dintre otel si atmosfera, impiedicand aparitia coroziunii.

Aceste invelisuri sunt rezistente si la alte tipuri de atac chimic si pot avea proprietati antiaderente, care le fac foarte utile in unele domenii ale industriei.