Konieczność zagospodarowania dużej ilości szkła, uzyskanego w wysokowydajnym procesie float, zmusiła producentów do szukania nowych jego zastosowań. Sprzymierzeńcem stał się tu rozwój nowoczesnego budownictwa. Uwzględniał on powszechne stosowanie szkła, które ze względu na swoją przezroczystość i estetyczny wygląd stanowiło atrakcyjny materiał budowlany. W nowatorskich projektach architektów małe, tradycyjne okna ustąpiły miejsca rozwiązaniom, w których różnorodność form i udział powierzchni oszklonych osiąga bardzo znaczne rozmiary. Duże przeszklenia budynków są miarą ich nowoczesności, a pełne światła pomieszczenia poprawiają jakość życia użytkowników.
Wprowadzenie
Obserwuje się tendencję do stosowania w budownictwie wyrobów o nowych cechach użytkowych, powstałych w wyniku przetwórstwa szkła płaskiego. Takim wyrobem jest szkło hartowane. Uzyskuje się go w procesie technologicznym polegającym na nagrzaniu szkła do odpowiedniej temperatury i następującym po nim gwałtownym jego schłodzeniu. Jakość tego procesu charakteryzuje stopień zahartowania szkła, decydujący o parametrach użytkowych wyrobu. Szkło hartowane zaliczane jest do szkieł bezpiecznych.
Charakterystyczny dla tego szkła sposób pękania na drobne, nieostre kawałki, ogranicza do minimum ryzyko poważniejszych obrażeń i zranienia człowieka, znajdującego się w jego sąsiedztwie. Towarzysząca temu pięcio-siedmiokrotna poprawa wytrzymałości mechanicznej, najsłabszej cechy szkła jako tworzywa, zmniejsza prawdopodobieństwo rozbicia szyby w wyniku przypadkowego uderzenia.
Cechy użytkowe, jakie uzyskuje szkło płaskie w procesie hartowania zakwalifikowały go do grona coraz częściej stosowanych materiałów budowlanych. W budownictwie szkło hartowane znalazło zastosowanie w oszkleniach zewnętrznych jako pojedyncze lub część składowa szyb zespolonych. Często szkło hartowane stosowane jest we wnętrzach budynków, w charakterze ścian działowych, drzwi, balustrad, schodów, a nawet szklanych podłóg. Szkło hartowane stanowi również element wyposażenia mebli oraz sprzętu gospodarstwa domowego. Może to być szkło bezbarwne, barwne, pokryte emaliami, powłokami lub foliami, których zadaniem jest nadanie szkłu odpowiednich właściwości.
Szkło hartowane powinno spełniać określone wymagania jakościowe. Wymagania te, jak również sposób przeprowadzenia badań, zostały opisane w normie PN-EN 12150-1 pt.: Szkło w budownictwie. Termicznie hartowane bezpieczne szkło sodowo-wapniowo-krzemianowe. Część 1: Definicje i opis. Dla zapewnienia komfortu stosowania szkła hartowanego pod kątem jego bezpieczeństwa, wszyscy producenci tego szkła zostali zobligowani do uzyskiwania certyfikatów zgodności jakości produkowanego szkła z wymogami w/w normy.
Fot. 1. Obraz siatki spękań uzyskany po rozbiciu szkła hartowanego
Badania szkła hartowanego
O jakości szkła hartowanego decyduje jego wygląd i parametry użytkowe w zakresie wytrzymałości mechanicznej i cech bezpieczeństwa. Wygląd szkła opisują jego kształt i wymiary, oraz jakość obróbki jego krawędzi i otworów.
Parametrami użytkowymi natomiast są:
• charakter siatki spękań, czyli sposób jego pękania po rozbiciu,
• wytrzymałość na uderzenie wahadłem z oponami,
• wytrzymałość na zginanie.
Oceny jakości szkła hartowanego dokonuje się przez przeprowadzenie stosownych badań i odniesienie ich wyników, do wymagań.
Sprawdzenie kształtu i wymiarów
Określenia kształtu i wymiarów szyby dokonuje się przez umieszczenie jej na szablonie stanowiącym układ dwu współśrodkowych prostokątów o bokach wzajemnie do siebie równoległych, z których większy powstał przez powiększenie, a mniejszy przez pomniejszenie wymiarów nominalnych szyby o dopuszczalną tolerancję. Wielkość dopuszczalnej odchyłki zależy od wymiarów nominalnych boków szyby, jej grubości oraz sposobu hartowania szkła. Dla najczęściej stosowanych szkieł, tj. hartowanych poziomo i o grubości mniejszej od 12 mm, dopuszczalne tolerancje wymiarowe przyjmują wartości: od 2,5 mm (dla wymiarów mniejszych lub równych 2000 mm) do 4,0 mm (dla wymiarów większych od 3000 mm). Uznaje się, że szyba mieszcząca się wewnątrz obszaru zawartego między zarysami tych dwu prostokątów posiada właściwy kształt i wymiary.
Grubość szyb sprawdza się mikrometrem w czterech punktach położonych na środku każdego boku i za każdym razem odnosi do dopuszczalnej, zależnej od grubości nominalnej i od rodzaju szkła tolerancji, wynoszącej:
- od 0,2 mm do 0,6 mm dla szkła płaskiego ciągnionego,
- od 0,5 mm do 1,0 mm dla szkła wzorzystego
- od 0,2 mm do 1,0 mm dla szkła float.
Fot. 2. Stanowisko do badania wytrzymałości szkła hartowanego na uderzenie wahadłem z oponami
Wypukłość szkła ocenia się ustawiając szybę na dłuższym boku w pozycji pionowej, na dwu podporach o przekroju kwadratowym w ten sposób, by na nich znalazły się punkty odpowiadające 1/4 i 3/4 długości szyby. Norma definiuje dwa rodzaje wypukłości: całkowitą i lokalną. Wypukłość całkowitą sprawdza się wzdłuż wszystkich obrzeży i przekątnych, natomiast wypukłość lokalną równolegle do każdego obrzeża w odległości 25 mm od niego. W obydwu przypadkach przykłada się do szyby prosty metalowy liniał, o długości co najmniej równej długości przekątnej szyby w przypadku wypukłości całkowitej, lub długości 300 mm, przy określaniu wypukłości lokalnej. Mierzy się szczelinomierzem maksymalną odległość liniału od wklęsłej powierzchni szkła. Miarą wypukłości całkowitej jest wartość tej odległości podzielona przez długość przekątnej lub długość boku (w zależności od tego, gdzie występuje), natomiast wypukłości lokalnej -wartość odchyłki na odcinku 300 mm. Maksymalne wartości wypukłości całkowitej dla szkła float i innych hartowanych poziomo szkieł wynoszą odpowiednio 0,003 i 0,004 mm/mm. Wypukłość lokalna dla wszystkich rodzajów szkieł hartowanych poziomo nie może przekraczać wartości 0,5 mm/300 mm.
Jakość wykonania szkła hartowanego, związana z poziomem jego obróbki przed hartowaniem, oceniana jest wizualnie. Obrzeża kwalifikuje się do jednego z rodzajów obróbki uznając je za: obrzeże zebrane lub zeszlifowane (z błyszczącymi obszarami), albo ze-szlifowane i wygładzone lub wypolerowane (bez obszarów błyszczących). W przypadku występowania otworów określa się ich wymiary, usytuowanie względem siebie, oraz względem naroży i krawędzi. Zaleca się by odległość obrzeża otworu od krawędzi szkła i odległość między obrzeżami dwu otworów była większa od podwójnej grubości szkła, a odległość obrzeża od naroża od sześciokrotnej grubości szkła.
Badanie charakteru siatki spękań
Charakter siatki spękań jest najważniejszym parametrem opisującym sposób pękania szkła po jego rozbiciu, decydującym o stopniu zagrożenia w obcowaniu użytkownika ze szkłem. Stwierdzenie, na ile to spękanie nosi cechy bezpieczeństwa, możliwe jest przez wykonanie badania zgodnie z punktem 8 normy PN-EN 12150-1. Przeprowadza się go dla 5 próbek szkła o określonym wymiarze 360x1100 mm.
Każdą z próbek szkła skleja się z drugą taką samą za pomocą taśmy klejącej. Rozbija się ją uderzając w punkcie znajdującym się na środku dłuższego boku, w odległości 13 mm od krawędzi szyby. Używa się do tego celu młotka o masie 75 g, punktaka uruchamianego siłą sprężyny, lub innego urządzenia o utwardzanym ostrzu. Zaleca się by promień krzywizny ostrza wynosił w przybliżeniu 0,2 mm. Uzyskany po rozbiciu obraz siatki spękań (fot. 1) ocenia się zliczając odłamki w wybranym kwadracie o boku 50 mm, oraz mierząc długość odłamków wydłużonych na całym obszarze rozbitej szyby.
Kwadrat ten rysuje się na szkle, przy pomocy szablonu, w miejscu największych odłamków i określa się ich liczbę w wyznaczonym przez niego obszarze. Przy zliczaniu przyjmuje się zasadę, że odłamki znajdujące się wewnątrz kwadratu traktuje się jako całe, natomiast przecięte przez boki kwadratu jako pół. Przy ocenie siatki spękań nie uwzględnia się pasa brzegowego o szerokości 25 mm i obszaru wewnątrz okręgu o promieniu 100 mm ze środkiem w punkcie uderzenia.
Wymagania w zakresie charakteru siatki spękań zależą od rodzaju szkła i jego grubości. Wymaganą minimalną liczbę odłamków w kwadracie o boku 50x50 mm podaje tabela 1.
Niedopuszczalne jest występowanie odłamków wydłużonych o długości przekraczającej 100 mm.
Badanie wytrzymałości szkła na uderzenie wahadłem z oponami
Badanie wahadłem z oponami odtwarza sytuację przypadkowego zderzenia człowieka z szybą. Przeprowadza się go zgodnie z punktem 9.5 normy PN-EN 12150-1, przy zastosowaniu metodyki opisanej w punkcie 5.3 normy PN-EN-12600, na stanowisku badawczym pokazanym na fot. 2. Zasadniczą częścią tego stanowiska jest rama metalowa i zawieszone na linie dwie opony, napełnione powietrzem o ciśnieniu 0,35 MPa. Zamocowane są one na metalowym trzpieniu i zawieszone na metalowej linie, tworząc końcówkę wahadła o masie 50 kg. Badaną szybę o wymiarach 876 x 1938 mm mocuje się w ramie metalowej, wyściełanej gumą o odpowiedniej twardości, zapewniając jej odpowiedni docisk. Stanowisko zaopatrzone jest w mechanizm podnoszenia opon na potrzebną wysokość.
Po zamocowaniu próbki opony podciąga się na wysokość 190 mm w stosunku do poziomu, zwalnia zaczep liny odciągającej tak, by opony spadając swobodnie, uderzyły w środek geometryczny próbki. Po uderzeniu dokonuje się oględzin próbki i w wypadku jej pęknięcia wybiera 10 największych, pozostałych w ramie odłamków, waży je i przelicza na powierzchnię. Badanie przeprowadza się na 4 próbkach. Jeżeli wszystkie badane próbki nie pękną, albo pękną bezpiecznie, badane szkło uzyskuje 3 klasę wytrzymałości na uderzenie wahadłem z oponami. Przez pękanie bezpieczne rozumie się sytuację, kiedy szkło rozpada się na drobne nieostre kawałki, a 10 największych z nich, wolnych od pęknięć, uwięzionych w ramie, wybranych po upływie 3 min od uderzenia, posiada łączną masę nie większą niż masa odpowiadająca 65 cm2 badanej próbki. Bierze się pod uwagę tylko te części odłamków, które nie są osłonięte przez ramę. Tak samo postępuje się w celu określenia klas wyższych 2 i 1, zrzucając opony z wysokości odpowiednio: 450 i 1200 mm. Dopuszcza się stosowanie próbek, które nie pękły przy uderzaniu ich wcześniej oponami spadającymi z niższej wysokości. Szkło, które uzyskało 3 klasę wytrzymałości na uderzenie wahadłem z oponami jest już szkłem bezpiecznym.
Fot. 3. Prasa do badania wytrzymałości szkła hartowanego na zginanie
Badanie wytrzymałości szkła na zginanie
Określenie wytrzymałości szkła hartowanego na zginanie dla szkła jest istotne szczególnie wtedy, kiedy zastosowanie naraża go na tego rodzaju oddziaływanie.
Badanie wytrzymałości szkła na zginanie przeprowadza się zgodnie z punktem 9.4 normy PN-EN 12150-1, w oparciu o metodykę opisaną w punkcie 7 normy PN-EN 1288-3, na urządzeniu wytrzymałościowym - prasie (fot. 3), poddając 10 próbek o wymiarach 360x1100 mm czteropunktowemu zginaniu. Wcześniej dokonuje się pomiarów długości, szerokości oraz grubości próbki. Próbkę umieszcza się na podporze z dwoma wyłożonymi gumą metalowymi wałkami o średnicy 50 mm, położonymi w odległości 1000 mm względem siebie. Takimi samymi dwoma wałkami odległymi od siebie o 200 mm, próbka naciskana jest od góry. Przy badaniu szkła emaliowanego próbkę układa się na podporze w taki sposób, by przy zginaniu następowało rozciąganie emaliowanej powierzchni szkła. Próbka zginana jest z szybkością 2±0,4 N/mm2s. Zginanie prowadzi się aż do jej zniszczenia. Odczytuje się wartość siły niszczącej.
Z jej wartości oblicza się wytrzymałość szkła na zginanie korzystając z wzoru:
w którym:
gdzie:
k - współczynnik wymiarowy, przy określaniu wytrzymałości całkowitej =1
Fmax - maksymalna siła niszcząca [N]
Ls - odległość między liniami środkowymi wałków podpierających [mm]
Lb - odległość między liniami środkowymi wałków zginających [mm]
B - szerokość średnia próbki [mm]
h - średnia (z 4 pomiarów wykonywanych na środku każdego boku) grubość próbki [mm]
σbG - naprężenie zginające próbki wywołane przez ciężar własny próbki [N/mm2]
p - gęstość szkła: 25 x 10-7 [kg/mm3]
g - przyśpieszenie ziemskie: 9,81 x 103 [mm/s2]
Notuje się ponadto wielkość strzałki ugięcia i czasu trwania zginania aż do pęknięcia próbki.
Wymagania w zakresie wytrzymałości szkieł na zginanie związane są z technologią ich wytwarzania. Zestawiono je w tabeli 2.
Podsumowanie
Coraz większa podaż szkła hartowanego na rynku materiałów budowlanych wymusza na producentach dbałość o bardzo dobrą jakość swoich wyrobów, która obok ceny i zmniejszania kosztów wytwarzania powinna stać się priorytetem. Nie bez znaczenia są tu też względy etyczne, które obligują wytwórców do uzyskania szkieł spełniających wszystkie kryteria bezpieczeństwa przy ich stosowaniu. Jest to szczególnie ważne, kiedy dotyczy zastosowań w budynkach użyteczności publicznej.
Zofia Pollak
ISIC OZ Kraków
więcej informacji: Świat Szkla 2/2005
