Защитное стекло на практике. Использование TSG и TSG-H в строительстве

При использовании в строительстве структурного стекла предпочтительно применять термически закаленное, так как прочность на изгиб такого стекла значительно возрастает и не зависит от времени нагрузки.

Выделяют 2 основных класса закаленного стекла:

• TSG – поверхностное напряжение при сжатии 100-150 Мпа;
• HSG – около 4-60 МПа.

По стандартам минимальный изгиб требует соответственно 120 МПа для TSG [2], и 70 МПа для HSG [1].

TSG в основном используется при остеклении фасадов, как монолитное стекло или ламинированное безопасное стекло 90 (LSG из TSG). При ударе TSG распадается на довольно тупые кубические фрагменты, а значит, представляет меньший риск, по сравнению с флоат-стеклом, и, таким образом, оценивается как безопасное стекло (рис. 1).

Рис. 1 Разбитое TSG стекло с кубическими фрагментами.

Термически закаленное стекло используется почти всегда как ламинированное безопасное стекло (LSG), так как при разрушении оно ведет себя как флоат-стекло, поэтому его не безопасно использовать в одно стекло. Но грубые осколки HSG, которые включают в себя большие неповрежденные области (рис. 2), означают, что, при использовании ламинирующей пленки, стекло эффективно выдерживает изгиб. Поэтому LSG из HSG используется в строительстве, если не требуются дополнительные несущие мощности, например, застекленные крыши, где стекло лежит «мертвым грузом» и для него важно только напряжение при изгибе.

Совсем недавно, были разработаны новые более жесткие материалы для ламинации, например, модифицированный полиэтилен (ionoplast, SentryGlas Plus). Это означает, что LSG из TSG теперь имеют дополнительные несущие возможности, и поэтому в будущем использование их вновь возрастет. Особенно, как развитие термически закаленного стекла, известного как «супер-закаленное стекло» с поверхностными напряжениями при сжимании более 200 МПа.

Помимо дополнительных несущих возможностей у LSG из TSG есть существенный недостаток – отложенная спонтанная поломка в результате включения сульфида никеля (NiS) в стекло на этапе расплава (рис. 3). Включение измененных кристаллов в другой фазе во время термической закалки, а потом возращение к своей первоначальной фазе, увеличивает объем сферический включений на 4%, при этом внутреннее напряжение в стекле может составить более 600 МПа. Если включение, диаметром 50 микро метров и больше, будет находится в зоне деформации TSG, это вызовет поломку стекла [4, 8]. NiS включения наблюдали в битом стекле диаметром 100 и 600 микрометров.

Вероятность такой спонтанной трещины, по результатам производителей стекла, составляет 1 излом на 500 м² в стекле толщиной 8 мм (= 2х 10^-3) [6, 7]. Статистические исследования профессора Вернера (Технический Университет Дармштадта) в 1990 дали вероятность повреждения примерно 1х10^-4 в год на 1м2 стекла [9]. Поскольку эта величина значительно превышает допустимое значение вероятности повреждения новых компонентов в строительстве – 1х10^-6 за год выпуска - TSG (TSG-H) был выведен на рынок.

Согласно испытаниям в соответствии с DIN EN 14179 [3, 10] возращение NiS к своей первоначальной фазе ускоряется при температуре около 290 °С, а риск излома стекла определяется в течении 2-4 часов испытаний.

Однако, до сих пор не была выяснена вероятность появления включений в стекле во время испытаний по отношению к предыдущему состоянию. Со статистической точки зрения только 98,5% включений превращаются в термовыдержку [4, 5], так что скорость преобразования включений, которые теоретически оставлены без изменений, должны быть приняты во внимание, исходя из фактических условий строительства и механического поведения (критерий разрушений стекла).

В стекольной промышленности упрошенное значение вероятности повреждения дается в [7] – 1 излом на 20 000 м² TSG (около. 5 x 10^-5) для стекла толщиной 8 мм. Это не достаточно, так как не указан период. На основании срока службы здания, эта вероятность повреждения достаточна (1 х 10^-6 в год соответствует приблизительно 1 х 10^-4 в 50 лет и более), но фактическая вероятность повреждения может быть значительно меньше, чем 1 х 10^-6 в год.

Prof. Dr.-Ing. Jens Schneider
Institute for Materials and Mechanics in Construction, Technical University Darmstadt

Список литературы:

[1] DIN EN 1863-1
Glass in building – Heat strengthened soda lime silicate glass – Part 1: Definition and description; German version EN 1863-1:2000 Beuth Verlag GmbH, Berlin

[2] DIN EN 12150-1
Glass in building – Thermally toughened soda lime silicate safety glass – Part 1: Definition and description; German version EN 12150-1:2000 Beuth Verlag GmbH, Berlin

[3] DIN EN 14179-1
Glass in building – Heat soaked thermally toughened soda lime silicate safety glass – Part 1: Definition and description; German version EN 14179-1:2005 Beuth Verlag GmbH, Berlin

[4] Kasper, A. (2000) Nickel sulphide: Supplementary statistical data of the heat soak test. Glastech. Ber. Glass Sci. Technol. 73 (2000) no.11 pp. 356-360.

[5] Kasper, A. (2003) Fundamentals of Spontaneous Breakage Mechanism Caused by Nickel Sulfide. Conference proceedings, Glass Performance Days 2003, pp. 696-698.

[6] Kasper, A. (2009) Spontanbruch von Glas: ein Problem? [Spontaneous glass breakage: a problem?] Presentation at the symposium “Bauprodukt und Recht” (Construction Products and the Law), 24 June 2009, Mainz, Germany.

[7] Pilkington Deutschland AG (2007) Pilkington Glaskompendium No. 4: Die ESG-Heiblagerung [TSG heat soaking], issue 2007, ISSN: 1611-0951.

[8] Swain, M. V. (1981) Nickel sulphide inclusions in glass: An example of microcracking induced by volumetric expanding phase change. Journal of Materials Science 16 (1981) pp. 151–158.

[9] Worner, J. D., Schneider, J., Fink, A. (2001) Glasbau [Glass construction]. ISBN 3540668810. Springer-Verlag, Berlin

[10] Yousfi, O., Brechet, Y., Donnadieu, P., Kasper, A., Serruys, F. (2009) Proposal to enhance the heat soak test following EN-14179-1. Conference proceedings, Glass Performance Days 2009.