Потребительские характеристики стекла. Принципы выбора.

Стекло – прекрасное изобретение венецианских мастеров позднего Средневековья – было и остаётся одним из основных материалов, используемых при отделке жилых, промышленных и общественных зданий. Правильное определение взаимосвязей между предназначением и технологическими характеристиками данного материала является решающим условием обеспечения в помещениях необходимых условий комфортности и безопасности.

Эксплуатационные функции стекла

Остекление необходимо практически для всех зданий и сооружений. В зависимости от их назначения необходимые параметры остекления устанавливаются архитекторами проектов и согласовываются со строительными организациями. При этом проектные решения остекления должны быть тесно взаимосвязаны с условиями его эксплуатации, а также с возможностями самого материала.

Определяющими свойствами стекла считаются:

1. Комплекс оптических характеристик, прежде всего, светопроницаемость и коэффициент преломления.

2. Прочность, особенно важна в тех случаях, когда остеклению подвергаются большие пространства, либо при наличии существенных механических нагрузок на остеклённую поверхность.

3. Долговечность, в частности, при возникновении чрезвычайных ситуаций техногенного или внешнего характера.

Способность стекла к светопропусканию связана с тем, что именно этот материал практически полностью пропускает через себя весь спектр ультрафиолетового излучения. Напомним в этой связи, что весь диапазон солнечного излучения, которое попадает на Землю, составляет 300…2500 нм. Однако при этом собственно ультрафиолетовое излучение занимает сравнительно небольшую область — 300…380 нм, а на остальные составляющие – видимый свет и особенно инфракрасное, тепловое излучение – приходится соответственно 380…760 и 760…2500 нм. Таким образом, возникает хозяйственная потребность в наличии, как минимум, трёх типов стекла – пропускающего видимый свет, ультрафиолетовые и тепловые лучи.

Но в практике современного строительства часто возникает необходимость разработки комбинированного типа остекления, которое бы в различных сочетаниях препятствовало (или способствовало) проникновению в помещение нескольких видов излучения.

Выбор характеристик стекла должен также в той или иной мере учитывать электромагнитное излучение, которое в большинстве случаев сопровождает тепловое. Например, все предметы обстановки, которые находятся в обогреваемом интерьере, имеют температуру помещения. Если, для сравнения, принять такую температуру равной 20 °С (по абсолютной шкале 293 К), то усреднённая длина испускаемых электромагнитных волн составляет 16000 нм, и более. При этом не всё излучение проходит сквозь стеклянную поверхность. Меньшая часть его откладывается в материале, а большая – отражается светопропускающей поверхностью. Таким образом, при больших избыточных внешних температурах и значительной площади остекления, поверхность становится своего рода вторичным источником тепла, способствуя интенсификации процессов теплообмена с помощью конвекции.

Сравнительное соотношение процессов светопропускания и светопоглощения выглядит так. При толщине стекла 4 мм до 90% световой энергии электромагнитного излучения проходит сквозь материал, около 5% отражается, и примерно столько же – запасается материалом. Однако эта статистика справедлива только для видимой части спектра. Что касается ультрафиолетового и инфракрасного излучений, то тут картина меняется. Инфракрасные тепловые волны практически полностью поглощаются стеклянной поверхностью, в то время , как ультрафиолетовое излучение – только на 75…80%.

Таким образом, теплоизоляционные свойства стекла решающим образом зависят от длины волны светового излучения, которое воздействует на материал.

К сожалению, теплоизоляционные свойства обычного стекла достаточно скромные, а попытки их искусственного увеличения (например, за счёт установки многослойного остекления с промежуточными плёнками) зачастую приводят лишь к повышению массивности остекления.

Виды специальных стёкол и их особенности

С целью модифицирования потребительских свойств стекла производятся различные эксперименты по введению в состав исходного сырья специальных химических добавок. Они, не ухудшая оптические свойства материала, призваны значительно изменить его конечные теплоизоляционные характеристики.

Среди таких специальных стёкол необходимо выделить следующие их разновидности:

солнцезащитные стёкла, которые наиболее интенсивно поглощают именно ультрафиолетовое излучение;
«осветлённые» стёкла, которые отличаются улучшенными оптическими возможностями;
теплоотражающие стёкла, способные препятствовать поступлению избыточного теплового излучения;
возможны также комбинации из нескольких типов упомянутых материалов.

Методики практического получения таких стёкол разнообразны. Например, химическим путём (введением специальных добавок в исходные компоненты) можно видоизменять оптические характеристики конечного продукта. Механическим способом – нанесением специальных полимерных плёнок – пользуются с целью корректировки показателей поглощения электромагнитного излучения.

Иногда для достижения желаемого результата используются компоненты повышенной химической чистоты. Кроме этого, используются также дополнительные операции технологического процесса подготовки стекла, например, его шлифовка, полировка, поверхностная металлизация и т.д.

Эффективность этих методов можно оценить на примере стекла с увеличенной способностью к поглощению ультрафиолетового излучения. Преобладающая часть декоративного стекла, предусматриваемого для данных целей, снабжается цветным покрытием.

В этом случае эффективно отражается избыточное электромагнитное тепловое излучение, но не решается проблема теплового поглощения инфракрасного излучения, действующего параллельно с ультрафиолетовым. В результате этого помещения с цветными стёклами по-прежнему интенсивно нагреваются в жаркое время года. Более того, при наличии ветра или интенсивной работы систем кондиционирования, возрастает температурный градиент между внутренней и внешней температурами стеклянной поверхности. Интенсивность этого возрастания определяется толщиной стекла. Поскольку различные части остеклённой поверхности (при значительных её размерах) нагреваются неоднородно, то это может способствовать возникновению температурных напряжений в материале. Коэффициент термического расширения стекла весьма невелик, что вызывает появление термических напряжений, далее – трещин, и, наконец, разрушения стеклянной поверхности. Неравномерность нагрева стекла часто усугубляется конструкторскими решениями. Например, наличие многочисленных ограждающих профилей из стали (или иного материала, с повышенной теплопроводностью) способствует снижению температуры тех участков стекла, которые примыкают к таким профилям. В то же время центральная часть стеклянной перегородки нагревается более интенсивно.

Неравномерность нагрева стекла зависит от его вида. Например, термически напряжённое стекло, проходящее специальную упрочняющую обработку, повышает вероятность внезапного разрушения при перегреве. Тот же эффект наблюдается и при использовании стекла, имеющего повышенное значение коэффициента термического расширения. При использовании тонких (менее 4 мм толщиной) стёкол, их перегрев приводит к тепловой деформации отдельных участков (так называемый «эффект выпучивания»), что отрицательно сказывается на эстетичности стеклянной конструкции.

Влияние количества слоёв на эксплуатационные показатели стекла

Известно, что при увеличении число слоев стекла, его светопропускающие характеристики заметно снижаются. При этом, фактические параметры светопропускания, к сожалению, недостаточно стабильны, и у разных производителей могут заметно отличаться. Поэтому в случаях, где оптические показатели наиболее критичны для последующей эффективной эксплуатации стеклянных конструкций, выбор стоит производить именно по параметру светопропускаемости. Во вторую очередь при этом необходимо оценивать теплозащитные свойства стеклянных листов.

Согласно ГОСТ 111-90 нормативное значение светопропускаемости для стёкол марок М3 – М6, при толщине 4 мм для однослойного остекления, составляет не менее 85%, для двухслойного – не менее 71%, для трёхслойного – уже не выше 62%, а для четырёхслойного – не выше 54%, что в большинстве случаев не удовлетворяет архитекторов. В то же время для более высококачественного стекла марки М1 аналогичные показатели составляют соответственно 91%, 78%, 74% и 70%.

Дополнительным фактором для повышения светопропускаемости может быть также соответствующее изменение толщины стёкол.

Аналогичная корреляция справедлива также и для ультрафиолетового излучения. Однако тут необходимо учитывать и социальный фактор. Известно, что дефицит ультрафиолета способствует развитию некоторых заболеваний, которые особенно интенсивно развиваются в детском возрасте. При этом для многих регионов России характерен именно недостаток, а не избыток ультрафиолетового излучения. Поэтому для детских учреждений – детских садов, санаториев, поликлиник — в остеклении должны преобладать материалы, пропускающие данный спектр солнечного излучения.

Использование многослойного стекла со светоотражающими покрытиями сказывается, в основном, на эстетическом восприятии сооружений, поскольку на внешних плоскостях могут появляться более тёмные участки. Эстетические критерии преобладают также и в случае применения цветного стекла. Негармоничное сочетание стеклянных поверхностей с разным цветовым и габаритным решением иногда приводит к неадекватному восприятию возведённого здания или сооружения.

Таким образом, для удачного решения остекления зданий, необходимо принимать во внимание следующие потребительские характеристики стекла:

1. Соотношение эффективности светопропускания и светоотражения во всех частях спектра излучения.

2. Цветовой тон и интегральные показатели цветности стекла.

3. Коэффициент светопреломления.

4. Удельные показатели термического расширения материала.

5. Устойчивость от появления термических напряжений.

6. Усталость стекла под воздействие внешних факторов.

7. Механическая, термическая и химическая устойчивость — как самого стекла, так и поверхностных материалов, наносимых на него.

8. Наличие возможных оптических искажений.