STRUKTURA I WŁAŚCIWOŚCI CHEMICZNE

Szkło jest nieorganicznym materiałem, który został schłodzony do ciała stałego bez krystalizacji. W przeciwieństwie do innych materiałów, szkło nie posiada uporządkowanej budowy krystalicznej. Przypomina bardziej ciecz lub gaz, ale molekuły, z powodu dużej lepkości, nie posiadają możliwości ruchu. Nie możemy jednoznacznie zakwalifikować szkła do ciał stałych ani cieczy, dlatego mówimy o strukturze amorficznej i nazywamy ten stan stanem szklistym.

Jednym z najważniejszych właściwości szkła jest jego doskonała chemiczna odporność na działanie substancji agresywnych, dlatego jest ono tak popularne w przemyśle chemicznryym. Czyni to szkło jednym z najbardziej trwałych materiałów konstrukcyjnych. Bardzo niebezpieczne dla powierzchni szkła są iskry, które występują w trakcie prac spawalni­czych. Jednym ze składników otuliny elektrod jest szkło wodne, które stopione łączy sie ze szkłem powodując charakterystyczne, brązowe plamy, spękania i muszelkowate odpryski.

Korozja spowodowana działaniem kwasów
Szkło cechuje się dużą odpornością na działanie kwasów. Wyjątek stanowi kwas fluorowodorowy, który rozpuszcza szkło w temperaturze 100◦C (dlatego kwas ten używany jest do trawienia szkła).

Korozja spowodowana działaniem zasad
Odporność szkła na działanie zasad jest 100 razy mniejsza niż na działanie kwasów. Jednak dojść do niej może tylko wtedy, gdy szkło wystawione jest na działanie ługów przez dłuższy czas, co jest możliwe przy określonych gazach przemysłowych (np. amoniak).

Korozja spowodowana działaniem wody
Szkło tylko pozornie charakteryzuje się odpornością na korozyjne działanie wody. Znane jest zjawisko matowienia poziomo lezących szyb, które narażone są na stały kontakt z wodą. To samo zjawisko można zaobserwować podczas przechowywania lub transportu tafli szklanych, ustawionych bez dystansów pomiędzy nimi. Także naturalna wilgotność środowiska powoduje korozję szkła poddanemu stałym naprężeniom utrzymującymi się przez długi czas. Każda cząsteczka H₂O, reagując ze strukturą krzemianową szkła, tworzy dwie grupy Si-OH. Grupy hydroksylowe nie łączą się ze sobą i pozostawiają przerwę w krzemianowej strukturze szkła. Kiedy reakcja ta ma miejsce w wierzchołku rysy, szczelina stopniowo, z pewnym, atomowym krokiem, powiększa się. Efekty tego procesu możemy zaobserwować postaci plam i zmatowienia powierzchni szkła. Wysoka wilgotność i duże zmiany temperatury przyspieszają procesy korozyjne. Procesy te można ograniczyć stosując specjalne powłoki uszlachetniające powierzchni szkła.

WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE

Najważniejsze cechy fizyczne szkła konstrukcyjnego przedstawia Tabela 1. Szkło jest materiałem idealnie sprężystym, izotropowym oraz kruchym. Nie posiada obszaru plastyczności i dlatego lokalne koncentracje naprężenie mogą być zredukowane przez redystrybucję sił wewnętrznych jak w przypadku innych materiałów konstrukcyjnych, jak na przykład stali.

Teoretyczna wytrzymałość czystego szkła krzemionkowego na rozciąganie, wynika­jąca z molekularnych wiązań, może osiągać32 GPa. Wartość tej wytrzymałości dla szkła budowlanego jest zdecydowanie mniejsza i wynosi w przybliżeniu 6,5-8,5 GPa. Jednak z badan pręta szklanego na rozciąganie wynika, że naprężenie rozciągające powodujące zniszczenie wynosi tylko 30-80 MPa. Przyczyn tak dużych rozbieżności pomiędzy teoretyczną i praktyczną wytrzymałości na rozerwanie należy szukać tym, że w rzeczywistości szkło nie jest materiałem ścisłym, lecz z licznymi przerwami i wadami, co jest charakterystyczne dla materiałów kruchych. Przykładowo, powierzchnia tafli szklanej posiada dużo głębokich mikrorys w odróżnieniu od powierzchni włókien szklanych. Im mniejszy przekrój włókna, tym mniej wad materia­łowych i co za tym idzie większa wytrzymałość na zerwanie.

Między wytrzymałością rozciąganego pęta szklanego oraz wytrzymałością na zginanie występuje wyraźna różnica. Jak przy innych materiałach, wytrzymałość na zginanie jest wyższa niż wytrzymałość na rozciąganie. Spowodowane jest to tym, że w przypadku czy­stego rozciągania naprężenia na całej wysokości przekroju są takie same, podczas gdy przy zginaniu maksymalne naprężenia rozciągające występują tylko w skrajnych włóknach, naj­częściej tam, gdzie występuje największe obciążenie. Wytrzymałość szkła na rozciąganie nie jest stałą wartością charakterystyczną dla tego materiału. Zależy od takich czynników jak: stan powierzchni elementu szklanego, jego wielkość, historia obciążenia, naprężenia szczątkowe oraz warunki pracy. Wytrzymałość na zginanie różni się dla poszczegól­nych rodzajów szkła poddanego obróbce cieplnej.

Wykres zależności naprężenia i odkształcenia dla szkła różni się innych materiałów konstrukcyjnych. Szkło zachowuje sie idealnie sprężyście do momentu zniszczenia. Nie zachodzi zjawisko pełzania oraz zmęczenia (z mechanicz­nego punktu widzenia). Jak wykazały badania, przeprowadzone przez Gy (1999), ugięcie szklanej tafli obciążonej równomiernie nie powinno wzrosnąć więcej niż 3% w ciągu 50 lat. Nie tylko dynamiczne obciążenia powodują kruche zniszczenie szkła. Również mo­menty zginające, lub obciążenia termiczne powodują deformacje i mogą doprowadzić do wyczerpania nośności i w efekcie zniszczenia. Szkło nie daje ostrzeżenia. O tym, czy dojdzie do spękania decyduje wiele czynników, takich jak: mikrozarysowania w struktu­rze szkła, poziom naprężeń, wysokość strefy rozciąganej w przekroju oraz czas trwania obciążenia.

Wytrzymałość długotrwała szkła
Elementy szklane bardzo często poddane są obciążeniom działającym przez długi czas, takie jak: ciężar własny, obciążenia stałe oraz śnieg. Badania prowadzone przez Sglavo (1999) wykazały, ze wytrzymałości szkła maleje w czasie. Zjawisko to nazwane zo­stało statycznym zmęczeniem (ang. static fatigue). Proces ten związany jest ze wzrostem mikropęknięć w strukturze szkła, spowodowanym głównie korozyjnym działaniem wody. Nawet po długim czasie obciążenia wytrzymałoś nie maleje do zera, ale utrzymuje się na stałym poziomie. Jak sugerują najwięksi produ­cenci szkła (Saint Gobain, Pilkington) minimalna wytrzymałość szkła poddanego obciąże­niom długotrwałym utrzymuje się na poziomie 7MPa.