Новые возможности: Клееные многофункциональные стеклоблоки из листового стекла и его отходов

В данной статье приведены результаты разработки альтернативных композитных конструкций и технологии производства сборных стеклоблоков с многофункциональными свойствами на основе листового стекла. При этом обращено внимание на использование отходов производства при переработке листового стекла для повышения эффективности его использования и снижения себестоимости блоков.
Предложенный новый технический подход предусматривает использование в композитной конструкции сборного блока стеклянных пластин с различными функциональными свойствами, изготовленных из отожженного, термически упрочненного, ламинированного или энерго­сберегающего, а также других видов стекол в соответствии с техническими требованиями и строительными нормами. Эти пластины прикреплены к монолитной или сборной коробчатой несущей стеклянной секции или силовой части из другого материала с использованием различных адгезионных веществ и дополнительных элементов. В отличие от прессованных аналогов, композитные сборные стеклянные блоки могут состоять из нескольких герметичных камер, чтобы снизить их теплопроводность. В структуре блока могут быть использованы элементы из отходов листового стекла, проблема утилизации которых является актуальной для предприятий по переработке строительного стекла.
Для оценки прочности и основных технических свойств некоторых композитных сборных стеклоблоков с размерами до 750 x 750 x 100 мм был выполнен комплекс экспериментальных и практических работ. Было показано, что клееные сборные блоки, изготовленные из исходного термоупрочненного и закаленного флоат-стекла с толщиной до 12 мм, могут быть эффективно использованы для внутренних и наружных строительных конструкций. Для обеспечения возможности оценки реальных экономических и технических преимуществ и результативного освоения производства клееных блоков с использованием не только высококачественного стекла, но и отходов переработки стекла, в условиях стеклозавода был организован опытный производственный участок. Для двух типов полых и сплошных клееных блоков были разработаны Технические требования.
Благодаря достижениям науки о прочности стекла и технологическому прогрессу в производстве базовых видов листового стекла и стеклянных элементов строительных конструкций, флоат-стекло все чаще используется в архитектурной практике как светопрозрачный конструкционный материал. Используя широкий диапазон возможных конструкционных и функциональных свойств композитных структур из различных видов стекла, может быть реализовано множество новых идей. Это могут быть бесцветные и тонированные, энергосберегающие и термически упрочненные, ламинированные, многофункциональные и несущие стеклоизделия, создаваемые на основе современных технических решений и передовых технологий.
На основе результатов исследований конструкционной прочности композитных материалов и элементов из стекла и керамики, выполненных в Институте проблем прочности им. Г.?С.?Писаренко НАН Украины при активной поддержке предприятий стекольной промышленности, был разработан новый технический подход, предложены конструкции и реализована технология производства нового типа сборных блоков из листового стекла. Главная идея разработки связана с решением проблемы повышения эффективности переработки и использования отходов листового стекла на предприятиях промышленности строительных материалов в связи с задачей повышения эффективности строительных стеклоблоков. Некоторые результаты разработки альтернативных композитных конструкций и технологии производства многофункциональных сборных стеклоблоков на основе разных видов листового стекла и его отходов обсуждены в этой статье.

Технический подход и структура композитных блоков
Современное стекло представляет собой перспективный светопрозрачный многофункциональный конструкционный материал с широким диапазоном эксплуатационных свойств. Однако во многих случаях потенциальные преимущества разных видов стекла и, особенно, их конструкционные свойства, используются в традиционных строительных стеклоизделиях неэффективно. Достижения науки в области прочности новых типов композитных структур и элементов на основе стекла и керамики, позволяющие снизить негативные последствия хрупкости этих материалов, остаются неизвестными широкому кругу производителей светопрозрачных строительных конструкций и используются в обычной производственной практике недостаточно.
Объем отходов стекла на предприятиях, выпускающих стеклопакеты и другие элементы светопрозрачных конструкций, может достигать 15…20% от общего объема переработки стекла, несмотря на применение автоматизированных столов раскроя листов и крупногабаритного стекла форматом Jumbo size (3,21 x 6,00 м) [1]. В связи с этим проблема уменьшения отходов стекла и их утилизации остается актуальной.
Указанные задачи были основными в настоящем исследовании, направленном на разработку новых композитных структур типа сборных стеклоблоков на основе листового стекла и его отходов.
В результате выполненного анализа было показано, что для традиционных стеклоблоков, спаянных из двух отдельных прессованных секций, характерен целый ряд недостатков. Прежде всего, это невозможность получения произвольных форм и ограниченные максимальные размеры блоков (не более 300 x 300 x 100 мм). Другими важными недостатками являются низкая прочность, недостаточная надежность, безопасность и защитные свойства блоков, которые обусловлены наличием значительных остаточных напряжений, повышенной внутренней и поверхностной дефектностью материала, а также их монолитной структурой. На рис. 1а показан фрагмент стенового проема с группой разрушенных от времени прессованных блоков.
Массивные обломки стекла, образующиеся в случае разрушения при длительной эксплуатации блоков, при падении с высоты являются опасными для людей и имущества (рис. 1б).

• Share

• Share

Толстые стенки и невозможность применения энергосберегающих стекол, растрескивание и разгерметизация во времени являются причинами низких теплоизоляционных свойств таких блоков по сравнению со стеклопакетами.
Блоки имеют обычно квадратную или прямоугольную форму и ограниченные технологическими возможностями размеры. Их прочность низка, так как в толстых стенках блоков есть внутренние остаточные напряжения, и известные технологии упрочнения стекла, например, закалка, не могут быть использованы при их специфическом производстве.
Разрушение паяных блоков имеет место под влиянием климатических условий и в случае, если бетонная кладка выполнена недостаточно тщательно, а также при экстремальном внешнем эксплуатационном нагружении или актах вандализма (рис. 2). Восстановление поврежденных паяных блоков в строительной кладке является трудной задачей, особенно, если заполненный блоками оконный проем находится на большой высоте. Поэтому частыми являются случаи длительной эксплуатации объектов с поврежденным светопрозрачным заполнением, сопровождающиеся значительными потерями тепла и нарушением водонепроницаемости стеновых конструкций на основе прессованных блоков.
Вследствие монолитной структуры разрушение лицевой или опорных поверхностей блоков затрагивает не только прилегающие участки блока, но и бетонных швов. Как видно из рис. 1 и 2, стеклянные обломки блоков имеют остроконечную форму, значительный вес и при падении могут причинить значительный урон.
В результате проведенного анализа на основе исследований конструкционной прочности листового стекла был разработан оригинальный технический подход, основанный на концепции композитных сборных стеклянных блоков. Принципиальная новизна этих блоков заключается в следующем. Они состоят из внутренней сборной несущей коробчатой секции или рамной структуры и двух функциональных стеклянных пластин, закрепленных вместе с использованием надлежащего адгезионного вещества.
Основой предложенной конструкции стала композитная силовая часть из монолитного или ламинированного стекла. В принципе, эта часть может быть выполнена в случае необходимости из любого достаточно прочного конструкционного материала, совместимого с листовым стеклом. В соответствии с дизайном объекта или с техническими возможностями различных производителей могут быть использованы стеклянная, металлическая или пластиковая несущая секция, а также керамическая, бетонная или деревянная рамная конструкции.
Несущая стеклянная коробчатая секция сборных блоков, разработанная в данном исследовании, состоит из склеенных вместе стеклянных пластин, чтобы использовать отходы листового стекла и простые технологии их обработки. Она связывает вместе функциональные пластины и воспринимает основные монтажные и эксплуатационные нагрузки.
При использовании различных по жесткости адгезивов связь между элементами конструкции блока может изменяться в широком диапазоне. Эластичные низкомодульные адгезионные композиции при определенных условиях могут обеспечить полную разгрузку функциональных пластин от монтажных воздействий. Повышение жесткости адгезива, например, в случае применения эпоксидных компаундов, позволяет дополнительно включить прочностные возможности функциональных пластин в общее сопротивление блока.
В предельно жестких композиционных адгезивах общее поведение таких блоков может приближаться к монолитным аналогам. Но при этом их сопротивление механическим нагрузкам и функциональные свойства могут быть значительно изменены в лучшую сторону с учетом требований рынка.
Предложенный подход предусматривает использование в конструкции блока различных функциональных стеклянных пластин, выполненных из качественного исходного, закаленного, ламинированного или энерго­сберегающего и других видов стекла в соответствии с проектными требованиями и строительными нормами.
Многофункциональные характеристики блоков могут быть реализованы с использованием соответствующего типа прочного, декоративного или специального стекла, а также других функциональных структурных компонентов. Для повышения теплового сопротивления блоков и остекления проема в целом вместо одной из пластин может быть использована сборная герметичная структура типа стеклопакета. Эта схема блока может представлять интерес для производителей, имеющих современные линии по производству стеклопакетов.
Для повышения прочности светопрозрачной конструкции и упрощения монтажа в структуру блока могут быть включены армирующие металлические элементы. При использовании специальных стекол или «интеллектуальных» стеклянных панелей блоки приобретают соответствующие дополнительные функциональные возможности, например, за счет «самоочищающегося» или фотохромного стекла, которые не могут быть реализованы на основе традиционных паяных стеклоблоков.
Принципиальная схема одного из исследованных типов композитного сборного блока показана на рис. 3.

• Share

Конструкция стеклоблока включает две прямоугольные функциональные стеклянные пластины, изготовленные из соответствующего высококачественного стекла. Очевидно, что форма и размеры функциональных стеклянных пластин, так же, как и декоративные свойства, параметры энергосбережения и другие характеристики, могут существенно отличаться от традиционных аналогов. Прочность этих пластин является важным параметром, если в условиях эксплуатации блок может испытывать воздействие высоких внешних термических и механических нагрузок.
При использовании молированных стеклоэлементов, например, пологих сферических панелей, меняется не только форма блоков и декоративные характеристики светопрозрачного остекления, но и его механическое сопротивление, например, при действии бокового давления, ударной волны. Очевидно, что функциональные пластины могут быть разными в конструкции блока с учетом технических требований, отвечающих запросам практики.
Это является одним из преимуществ предложенного технического подхода. Важной представляется возможность управления механическим поведением функциональных пластин и блока в целом на докритической и закритической стадиях нагружения. В первом случае могут быть использованы закаленные пластины. Для повышения сопротивления на закритической стадии могут быть рекомендованы ламинированные структуры — триплекс, сложные армированные композиты на основе стекла, полимера и металлической арматуры.
Конструкция коробчатой секции в блоке (поз. 3, рис. 3) основана на использовании двухслойных стеклянных пластин 2, склеенных с применением специального недорогого неорганического вяжущего материала. Могут быть применены также другие прозрачные или непрозрачные адгезивы, разработанные для строительных конструкций. В соответствии с целью разработки для снижения себестоимости блока были использованы отходы стекла.
В результате выполненного анализа и опытных оценок было показано, что из-за технических ограничений и особенностей соответствующих технологий и оборудования для обработки стекла высококачественные и прочные пластины могут быть эффективно использованы в качестве структурных элементов конструкции коробчатой секции только в случае достаточно больших размеров блока (желательно с габаритами более 300 x 300 мм). Для повышения прочности блока в этом случае в конструкцию силовой части могут быть включены тщательно обработанные механически, а также термически упрочненные стеклоэлементы из полностью закаленного и термо­упрочненного стекла, а также детали из традиционного или специального ламинированного стекла.
Функциональные пластины прикреплены к несущей монолитной или сборной стеклянной коробчатой части с использованием различных адгезионных материалов и дополнительных элементов.

Результаты разработки и оценка прочности блоков
Для оценки основных технических свойств некоторых сборных блоков с размерами до 750 x 750 x 100 мм были выполнены комплексные экспериментальные и практические работы. Некоторые результаты разработки и экспериментальной оценки прочности этих блоков даны ниже.
На рис. 4 представлен один из разработанных типов сборных блоков с габаритами 200 x 200 x 100 мм, выполненный с использованием отходов листового стекла. Несущая секция была собрана из монолитных 10 мм пластин со шлифованными кромками. Обе функциональные пластины сделаны из 4 мм стекла. Структура и размеры блока выбраны подобными характеристикам традиционных паяных блоков, чтобы сделать способ укладки блоков близким к обычному. Вес блока 2 кг, что меньше, чем у паяного аналога. Толщина функциональных пластин может быть увеличена в соответствии с конкретными техническими требованиями по механическому сопротивлению блока.
Механические свойства пластин некоторых форм и размеров из стекла разных толщин оценивали отдельно при испытании на поперечный изгиб.

• Share

При исследовании были использованы специальные и стандартные образцы из отожженного и закаленного бесцветного флоат-стекла толщиной h = 4…12  мм:

300 x 300 x h, площадь 810 сm2.
Образцы были изготовлены по промышленной технологии с применением современного оборудования для резки и механической обработки листового стекла. Края образцов были зашлифованы и отполированы при обычных технологических режимах изготовления строительных стеклянных элементов.
Параметры испытаний на изгиб образцов по 4-точечной схеме (расстояние между нижними и верхними опорами — L и l, соотношение l/L и площадь рабочей части Ftp) даны в таб­лице 1.

Таблица 1

• Share

Таблица 2

• Share

Некоторые образцы были испытаны с параметрами, указанными в скобках, чтобы оценить влияние схемы нагружения на результаты испытаний. Было показано, что результаты, полученные при разных схемах нагружения, были почти одинаковы для образцов с одинаковой толщиной, и они были сопоставимыми для всех трех типов размеров образцов.
Были использованы гидравли­чес­кие испытательные машины ZD-4 и ZD-40. Скорость повыше­ния изгибающих напряжений при испытании находилась в пределах 0,2…2 MПa/с в зависимости от гибкости образца и в соответствии со схемой его нагружения.
В таблице 2 показаны некоторые результаты по прочности на изгиб отожженного стекла, полученные для различного состояния стекла и с использованием разных образцов. Были испытаны образцы, изготовленные из листов свежего стекла. Некоторые образцы до испытаний хранились 4 года в лабораторных условиях.
В дополнение были использованы некоторые литературные данные по прочности отожженного стекла других авторов [2, 3].
Главная установленная тенденция — это снижение прочности листового флоат-стекла при увеличении толщины листов.
Длительное хранение и небрежное обращение являются неприемлемыми для прочной продукции из упрочненного стекла, так как сильно снижают прочность стекла и увеличивают разброс результатов. Низкое исходное качество стекла и недостаточный уровень механической обработки края стеклянных элементов, плохо проконтролированные при переработке стекла, являются причинами низких значений среднего и очень низкого уровня минимальной прочности на изгиб — до 25…30 МПа. Это было убедительно показано при статистически достоверных испытаниях [2].
Экспериментальная оценка прочности сборных блоков, представленных на рис. 4, была сделана при сжатии с использованием специальной методики испытания. Схема механических испытаний блоков при сжатии показана на рис. 5.
Испытания были выполнены на гидравлической механической машине ZD-40 в диапазоне нагрузок до 10000 кг. Погрешность не превышала 10 кг.

• Share

Рис. 5. Схема механических испытаний сборных блоков

Для моделирования эксплуатационного механического нагружения блока в строительной стеклянной конструкции два блока собирали вместе использованием бетонного вяжущего шва. Для распределения сжимающей силы по верхней и нижней поверхностям сборного испытательного узла в качестве опор были прикреплены стандартные кирпичи.
При испытаниях контролировали разрушение стеклянных элементов блоков и разрушение бетонного шва.
Первые признаки повреждения блоков, такие как слабое потрескивание, были зарегистрированы только при нагрузке 800 кг. При этом не было отмечено осыпания бетона.
Более интенсивные звуковые сигналы были зарегистрированы при более высокой нагрузке в диапазоне 1300…1400 кг. Но видимые повреждения блоков не отмечались. На первой стадии испытаний максимальная нагрузка была 2100 кг.
Разрушение блока произошло на второй стадии нагружения при нагрузке 2?000 кг. Было обнаружено, что верхняя стеклянная пластина несущей секции просела. При этом нагрузка упала до 1?800 кг, и один из кирпичей разрушился.
Дистанция между функциональными квадратными стеклянными пластинами обоих блоков была 4…5 мм. Она была заполнена бетоном. Длительность затвердевания бетона до механических испытаний была 2 недели.
Важным является то, что все функциональные стеклянные пластины не были повреждены. Таким образом, возможность торможения трещин на соединениях разных структурных стеклянных элементов является важным преимуществом данных блоков в сравнении с паяными аналогами. В случае разрушения одной из функциональных пластин другая пластина и несущая коробчатая секция остаются целыми и невредимыми.
Для оценки эксплуатационных свойств сборных блоков были выполнены специальные экспериментальные строительные работы. Пример экспериментального строительного остекления на основе нестандартных стеклоблоков с габаритами 300 x 200 x 100 мм и зеркальных стеклянных блоков представлен на рис. 6.
Следующие эксперименты, выполненные по разработке упрочненных сборных блоков с габаритными размерами до 750 x 750 мм, показали, что эти блоки на основе исходного, термоупрочненного и закаленного флоат-стекла с толщиной до 12 мм могут быть эффективно использованы для внутренних и наружных строительных конструкций при повышенных эксплуатационных нагрузках.
Декоративные блоки в стене показаны на рис. 7.

• Share

Рис. 6. Сборные стеклоблоки, смонтированные для испытаний в реальных условиях эксплуатации: а) — прямоугольные блоки из бесцветного стекла; б) — зеркальные квадратные стеклоблоки

• Share

Рис. 7. Декоративные композитные блоки из различных цветных стекол

• Share

Рис. 8. Схема светопрозрачных сплошных композитных блоков для строительного остекления

В данном исследовании были также разработаны сплошные сборные блоки, показанные на рис. 8. Они предназначены для использования в качестве светопрозрачных несущих или декоративных элементов для стеновой кладки и различных строительных конструкций — стен, половых покрытий, ступеней лестниц и ограждающих конструкций.
Эти специальные блоки состоят из двух сплошных стеклянных пластин 1, слоев 2 из отходов стекла и адгезионного вещества 3 (рис. 8). Множество видов строительных блоков и несущих элементов могут быть сконструированы на основе технического подхода, предложенного в данной работе.
Опытный производственный участок, организованный в условиях Киевского завода стеклоизделий, дал возможность оценить реальные экономические и технические преимущества и возможные результаты освоения производства композитных клееных блоков с использованием не только высококачественного стекла, но также и отходов переработки стекла. Для двух типов полых и сплошных клееных стеклоблоков были разработаны Технические условия [4]. Эти блоки были запатентованы в Украине [5].

Заключение
Предложен и экспериментально апробирован в лабораторных и производственных условиях новый технический подход к созданию новых композитных структур типа сборных стеклянных блоков из листового стекла и его отходов.
Разработаны и внедрены в промышленное производство конструкции и технология изготовления мно­го­­функциональных сборных стро­ительных блоков с использованием листового стекла и его отходов.
Показано, что разработанные технические решения обеспечивают эффективное использование в композитной конструкции сборного блока стеклянных пластин с различными функциональными свойствами, изготовленных из отожженного, термически упрочненного, ламинированного или энергосберегающего, а также других видов стекла в соответствии с техническими требованиями и строительными нормами.
Блоки имеют значительные преимущества по сравнению с традиционными паяными строительными стеклоблоками. При использовании отходов стекла может быть получен дополнительный экономический эффект.

Благодарности
Разработка была выполнена при финансовой поддержке Национальной Академии наук Украины по научно-техническому проекту N?9 [1]. Техническая помощь была оказана Киевским заводом стеклоизделий и компанией «Альтис-Гласс». Ряд технических аспектов производства блоков отрабатывался с участием Константиновского казенного научно-производственного предприятия «Кварсит».

Ссылки
1. Родичев Ю.М., Маслов В.П., Бодунов В.Е. и др. — Разработка технологии изготовления новых стеклоизделий с использованием отходов листового стекла и создание опытного участка для их производства. — (укр.). — Веб-стра­ни­ца Института проблем прочности им. Г.С. Писаренко НАН Украины по проекту 709. — 2009. — http://www.innovations.nas.gov.ua/Years/2007/709/Pages/default.aspx
2. Veer F.A., Louter P.C., Bos F.P. The strength of architectural glass.- Challenging Glass. Conference on Architectural and Structural Applications of glass. — Faculty of Architecture, Delft University of Technology. — May 2008. — pp 419–428.
3. Сorti R., Kaonpaa A., Nikkila A.-P. Effect of different edges treatments on the 4-point bending strength of normal and tempered glass.-GPD-2005 Conf. Proc. — Tampere. — Finland. — 2005. — pp 50–53.
4. Технические требования «Стеклоблоки клееные из листового стекла и его отходов. — (укр.). — Институт проблем прочности им. Г.С. Писаренко НАН Украины. — Kиeв. — 2007. — 8 с.
5. Патент Украины на полезную модель 29478, МПК Е04С1/00. Стеклоблок. — Маслов В.П., Родичев Ю.М., Луцейко Ю.С., Солодовников Н.А., Музыка Ю.К.. — № u200711218; Подано 10.10.07; Опубликовано 10.01.08, Бюллетень № 1, (укр.).

---

Родичев Ю.М.,
к.т.н., Институт проблем прочности им. Г.С. Писаренко НАН Украины, Киев,
Луцейко Ю.С.,
Завод стеклоизделий, Киев, Музыка Ю.К., компания Альтис-Гласс, Киев,
Трегубов Н.Ф. ,
д.э.н., Kонстантиновское КНПП «Кварсит», Koнстантиновка, Донецкая область.