Powszechnie wiadomo, że szkło może być materiałem kruchym, ale jednocześnie jest też szeroko stosowane przez architektów i projektantów, w szczególności w zakresie projektowania i budowy dużych wieżowców. Szymon Piróg, Kierownik Biura Doradztwa Technicznego w Pilkington Polska wyjaśnia, jak zrozumienie wytrzymałości szkła umożliwia użycie go w różnych zastosowaniach.
Cechy szkła sprawiają, że jest ono niezwykłym materiałem. Każdy, kto kiedykolwiek potłukł na podłodze szklaną butelkę lub rozbił okno piłką, zrozumie, że w przeciwieństwie do większości powszechnie stosowanych materiałów budowlanych, takich jak metal, tworzywo sztuczne czy drewno, szkło jest materiałem kruchym. Cecha ta może być zarówno widowiskowa, jak i niepokojąca, jednak możemy produkować, przetwarzać i projektować szkło, które może być używane w wielu zastosowaniach wymagających bezpieczeństwa, ochrony i wytrzymałości.
Istnieje szereg czynników, które mogą wpływać na wytrzymałość szkła lub prowadzić do jego przedwczesnego uszkodzenia, począwszy od wielkości szklanej tafli, tempa obciążenia mechanicznego aż po emalie ceramiczne, ale ich zrozumienie może zapobiec uszkodzeniu szkła i sprawić, że będzie mogło być używane z powodzeniem w wielu zastosowaniach.
Pęknięcia – efekt środowiska
Jeśli naprężenia rozciągające w szkle są wystarczająco silne, pęknięcia mogą zacząć się pogłębiać aż do całkowitego pęknięcia szkła. Inaczej jest z metalami, w przypadku których można zapobiec złamaniu osłaniając i zatępiając wierzchołek pęknięcia, co pomaga zmniejszyć naprężenia przy wierzchołkach pęknięć i sprawia, że metal jest twardszy.
Wytrzymałość szkła jest bezpośrednio zależna od tempa poddawania go obciążeniu. Podczas tego samego badania im szybciej zostanie przyłożone obciążenie mechaniczne do szkła, tym szkło wykaże większą wytrzymałość. Powodem tego jest fakt, że szkło może być podatne na korozję chemiczną.
Korozja szkła to reakcja chemiczna powodowana przez wodę, ale może mieć miejsce tylko w obecności wystarczająco dużych pęknięć i wystarczająco wysokich naprężeń. Może to doprowadzić do procesów chemicznych na końcówkach pęknięć oraz ich bardzo powolnego pogłębiania, które po długim okresie prowadzą do pękania szkła. Im dłużej szkło jest poddawane naprężeniom podczas badań, tym częściej szkło jest narażone na korozję.
Wpływ temperatury
Zmiany temperatur odgrywają również istotną rolę w prawdopodobieństwie pęknięcia szkła podczas użytkowania. Gdy szkło poddane jest gwałtownym zmianom temperatury, szok termiczny może być na tyle poważny, że może spowodować pęknięcie. Może się to zdarzyć, gdy środek szyby staje się bardziej gorący niż jego zewnętrzna powierzchnia, co generuje naprężenia na zimnej powierzchni i może w końcu doprowadzić do uszkodzenia.
Podobna sytuacja jest wtedy, gdy szkło wystawione jest na działanie promieniowania słonecznego lub ogrzewania. Szkło absorbuje część ciepła, w wyniku czego jego temperatura wzrasta a szkło się rozszerza; w tym przypadku krawędzie szkła mogą pozostać zimne, co powoduje wzrost naprężeń rozciągających.
Pękanie termiczne często rozpoczyna się od krawędzi szyby pod kątem 90°. Z tego powodu często trudno jest zidentyfikować pękanie termiczne bez demontażu, ponieważ dowody mogą być ukryte w ramie.
Drukowanie na szkle
Przy projektowaniu atrakcyjnych i efektownych budynków popularnym wyborem architektów są szyby z sitodrukiem. Tafle szkła z nadrukiem emalii ceramicznej mogą być słabsze niż niezadrukowane szkło. Należy zwrócić szczególną uwagę na schemat nakładania emalii ceramicznej, aby upewnić się, że w emalii ceramicznej nie ma pustych miejsc lub niewypalonych fryt. Efekt ten może ulec pogorszeniu, jeżeli jest kilka warstw emalii jedna na drugiej – znalezienie wady zależy od tego, jak dużo emalii zostało nałożone.
Poprawa parametrów
Na szczęście, istnieje wiele rzeczy, które można zrobić, aby znacznie poprawić parametry szkła i zapewnić, że będzie wystarczająco wytrzymałe, aby można je było wykorzystać w zastosowaniach dla niego przeznaczonych. Za wytrzymałość szkła odpowiedzialny jest głównie stan jego powierzchni, więc należy się z nią obchodzić w odpowiedni sposób. Na przykład, sprawdzenie urządzeń do transportu szkła, aby były wolne od zanieczyszczeń, jest skutecznym sposobem na uniknięcie pękania szkła podczas produkcji. Podobnie, podczas transportu szkła ważne jest, aby upewnić się, że jest przechowywane przy wykorzystaniu niezanieczyszczonych materiałów separujących tafle, a możliwe przesuwanie się tafli między sobą ograniczone do minimum.
Wzmacnianie cieplne – zwane także hartowaniem – jest powszechnie wykorzystywaną metodą do poprawy wytrzymałości szkła i jest szczególnie skutecznym sposobem na zapobieganie ryzyka pękania termicznego. Podczas tego procesu, szkło ogrzewa się do temperatury około 650oC, a następnie gwałtownie chłodzi. Powierzchnia szkła zostaje szybko schłodzona, podczas gdy osiągnięcie temperatury otoczenia przez rdzeń szkła zajmuje więcej czasu. Z tego powodu w rdzeniu wytwarzają się naprężenia rozciągające, a na powierzchni są one równoważone naprężeniami ściskającymi. Wysokie naprężenia ściskające przy powierzchni sprawiają, że szkło hartowane ma zwiększoną wytrzymałość – zazwyczaj do pięciu razy większą niż zwykłe szkło oraz zwiększoną odporność na różnice temperatur.
Zrozumienie zastosowania
Zawsze należy dokładnie przeanalizować parametry wytrzymałości i odporności szkła zgodnie z jego przeznaczeniem. Pomoże to zarówno producentom, przetwórcom, jak i projektantom znaleźć najlepszy sposób na stosowanie tego wszechstronnego materiału w bezpieczny sposób.