Bài giảng Vật liệu xây dựng - Chương 3: Vật liệu kính xây dựng

1Vật Liệu Xây Dựng (Construction Materials) Bô ̣ môn Vật liệu Silicat Khoa Công Nghệ Vật Liệu Đại học Bách Khoa Tp. Hô ̀ Chı ́Minh VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-2 Vật liệu kính xây dựng VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-3 Nội dung
Trạng thái thủy tinh
Các sản phẩm thủy tinh trong xây dựng
Ảnh hưởng thành phần nguyên liệu
Công nghệ sản xuất
Xử lý nhiệt cho thủy tinh
Một số tính chất của thủy tinh kính
Yếu tố môi trường VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-4 Trạng thái thủy tinh Tạo mầm Vô định hình Chảy lỏng Kết tinh tức thời Kết tinh tinh thể Mầm E (kJ) T (0C) 2VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-5 Trạng thái thủy tinh Thể tích Nhiệt độ Nhiệt độ Tinh thể Thủy tinh Lỏng Tốc độ làm nguội VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-6 Trạng thái thủy tinh
Tính đẳng hướng
Tính vô định hình ⇒ trong suốt VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-7 Các sản phẩm chính
Kính tấm mài bóng, dày 0,6 - 6,8 mm
Kính tấm kéo
Kính tấm cán
Kính tấm chịu lực, dày 6 mm - 8 mm
Kính tấm hoa văn, màu
Kính tấm chống nắng
Kính tấm hấp thụ, lọc (UV, IR hay ánh sáng)
Kính tấm phản xạ nhiệt (IR) VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-8 Các sản phẩm chính
Gương soi gồm kính và lớp tráng nền Ag, Cu, sơn bảo vệ.
Gốm thủy tinh chịu nhiệt (α=0 tới 800°C) 3VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-9 VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-10 Các sản phẩm chính
Sợi thủy tinh (glass fiber); từ thủy tinh trạng thái chảy thu được sợi dài, mảnh 0,1µm nếu dùng kỹ thuật kéo và sợi thô, ngắn nếu kỹ thuật thổi. VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-11 Tấm; Sợi φ 6µm + nhựa tổng hợp Cắt dọc thớ Cắt ngang thớ Hồi lưu Sợi thủy tinh màu vàng Thủy tinh trắng Buồng polymer hóa Nấu chảy Cát , thủy tinh vỡ Tạo sợi và phun chất kết dính VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-12 Các sản phẩm composite Lớp không khí khô Lớp kính Chắn 1 Chắn 2 Chêm Hạt hút ẩm
Kính tấm cường lực, kích thước 125-150cm, dày 3-10mm
Kính tấm xếp lá nhiều lớp
Kính 2 lớp cách nhiệt, cách âm 4VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-13 Ánh nắng mặt trời Khí trơ Phát xạ thấp Lớp phủ oxit KL Text = -10°C Tint = 15°C VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-14
Kính tấm có phủ lớp TiO2
Hiệu ứng quang xúc tác: dưới hiệu ứng UV, oxit titan trở thành chất xúc tác phân hủy các chất bẩn, hữu cơ, bụi.
Hiệu ứng dính ướt: nước trên bề mặt không đọng lại mà trôi theo lớp mỏng có tác dùng làm sạch bụi bẩn. VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-15 Một số yêu cầu thủy tinh xây dựng
Độ bền uốn
Độ bền kéo
Khả năng chịu nhiệt.
Độ bền hóa học
Khả năng hấp thụ ánh sáng.
Kích thước, hình dạng (Theo TCVN 1451- 1986)
Khối lượng thể tích. VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-16 Thành phần nguyên liệu
Thành phần hóa của kính xây dựng theo yêu cầu:
VD; Thành phần hóa của kính xây dựng theo phương pháp tạo hình kính nổi: %Al2O3 < 18 %CaO+MgO ≥ 12 %Na2O+K2O ≤ 14 %Fe2O3 < 0,1 5VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-17 Thành phần nguyên liệu VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-18 Cát cung cấp SiO2 ≤0.30.1≤ 0.1≤ 0.1≤ 0.3≥ 99.5 ± 0.5Hàm lượng % MKNFe2O3MgOCaOAl2O3SiO2Oxit
Vai trò; Là cấu tử tạo mạng, làm cho thủy tinh có nhiệt độ nóng chảy cao, độ nhớt, độ bền hóa, độ chịu nhiệt cao và hệ số giãn nở nhiệt thấp.
Thành phần hóa;
Kích thước hạt ≥ 0,6 mm: ≤ 0,5 % < 0,1 mm: ≤ 5,0 %
Độ ẩm: ≤ 5,0% VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-19 Pegmatit cung cấp Al2O3
Vai trò Al2O3 làm giảm khả năng kết tinh, tăng độ bền cơ học, độ bền hóa học và độ bền nhiệt, làm giảm hệ số dãn nở của thủy tinh.
Thành phần hóa;
Kích thước hạt: ≥ 0,6mm: ≤ 0,5% > 0,5mm: ≤ 5,0% < 0,1mm: ≤ 80,0%
Độ ẩm: < 1,0% VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-20 Đá vôi cung cấp CaO
Vai trò CaO giúp cho quá trình nấu và khử bọt thêm dễ và làm cho thủy tinh chịu đựng được tác dụng hóa học.
Thành phần hóa
Kích thước hạt đá vôi yêu cầu phải nhỏ hơn 2,5mm và ≥ 2,0mm: ≤ 1,0% < 0,1mm: ≤ 12,0%
Độ ẩm: < 1,0% 6VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-21 Sođa, Natri sunfat cung cấp Na2O
Vai trò Na2O có tác dụng hạ thấp nhiệt độ nấu, tăng tốc độ hòa tan các hạt cát, tăng tốc độ khử bọt do hạ thấp độ nhớt của thủy tinh.
Thành phần hóa của sođa % Na2CO3: ≥ 99,0 ± 0,5 %NaCl: ≤ 0,5 ± 0,1
Thành phần hóa của Natri sunfat % Na2SO4: ≥ 99,0 ± 0,5 %NaCl : ≤ 0,6 ± 0,1
Kích thước hạt : ≥ 1,0mm: ≤ 5,0% < 0,1mm: ≤ 12,0%
Độ ẩm của sođa và natri sunfat < 0,5% VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-22 Dolomit cung cấp MgO
Vai trò MgO làm giảm khuynh hướng kết tinh, làm tăng tốc độ đóng cứng của thủy tinh. Khi đưa vào cùng với Al2O3 độ bền hóa của thủy tinh cũng tăng lên.
Thành phần hóa của Dolomite
Kích thước hạt yêu cầu phải nhỏ hơn 2,5mm và ≥ 2,0mm: ≤1,0% < 0,1mm: ≤16,0%
Độ ẩm: < 1,0% VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-23 Nguyên liệu Than
Vai trò tác dụng quan trọng trong giai đoạn khử bọt của thủy tinh
Yêu cầu của than sử dụng trong sản xuất : hàm lượng C > 80%
Kích thước hạt sau khi nghiền yêu cầu phải nhỏ hơn 2,0 mm và ≥ 1,0mm : ≤1,5% < 0,1mm: ≤ 30,0%
Độ ẩm: < 3,0% VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-24 Tóm tắt các công đoạn
Nguyên liệu được gia công nghiền, định lượng và trộn đều.
Nấu chảy lò T=1200-1500°C
Tinh luyên và đồng nhất hóa ở T=1500°C
Tạo hình
Nung lại xử lý nhiệt
Làm nguội chậm hay tôi xử lý. 7VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-25 Pp thổi VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-26 Pp kéo tấm
Bề dày 0,6 - 6,2 mm Nguyên liệu Gia nhiệt Thủy tinh chảy Kéo VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-27 Pp cuộn dòng Lò nấu chảy Cuộn dòng Nấu lại Mài phẳng bề mặt Đánh bóng bề mặt Cắt tấm VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-28 Pp kính tấm nổi Lò nấu chảy Kính nổi trong bể Nấu lại Cắt tấm 8VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-29 Pp kính tấm nổi VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-30 Pp kính tấm nổi VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-31 Vai trò của độ nhớt Nhiệt độ L o g L o g ( ( đ đ ộ ộ n h n h ớ ớ t ) p a . s t ) p a . s Chảy lỏng Tạo hình Biến mềm Nấu lại Kéo căng VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-32 9VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-33 Sơ đồ sx kính tấm nổi VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-34 Giai đoạn nấu thủy tinh
Giai đoạn tạo silicat: kết thúc ở khoảng 10200C trong đó xảy ra các quá trình: - Tạo muối kép và hỗn hợp eutecti - Muối kép nóng chảy - Phân hủy nhiệt và phân hủy các muối kép - Tạo silicat
Giai đoạn tạo pha thủy tinh: - Giai đạn này xảy ra chậm, chiếm từ 60 – 70% thời gian của quá trình nấu. - Tốc độ tạo thủy tinh phụ thuộc vào tốc độ hòa tan của cát (khoảng 25% còn lại trong quá trình tạo silicat). VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-35
Giai đoạn khử bọt - Giaỉ phóng một phần bọt khí của các giai đoạn tạo silicat và tạo thủy tinh ra môi trường bên ngoài - Trong giai đoạn này, xảy ra đồng thời các quá trình thoát khí từ trong lòng thủy tinh ra môi trường và ngược lại.
Giai đoạn đồng nhất hóa: - Qúa trình đồng nhất hóa xảy ra nhờ khuếch tán. - Đồng nhất hóa các thành phần trong khối thủy tinh. - Trong giai đoạn này thường dùng cánh khuấy để tăng quá trình đồng nhất hóa của thủy tinh.
Giai đoạn làm nguội: - Làm tăng độ nhớt của thủy tinh để tạo hình sản phẩm (từ 14500 đến khoảng 12000C). VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-36 Tạo hình tấm dùng bể thiếc
Các thông số của quá trình tạo hình thủy tinh - Nhiệt độ của thủy tinh tại kênh dẫn : 1080 – 11300C - Nhiệt độ của đầu kính ra : 575 – 5950C - Nhiệt độ bên trong vòm bể 2500C. - Nhiệt độ của vật liệu bọc ngoài đáy 400C. - Nhiệt độ đầu ra nước làm mát < 600C - Mức thiếc: 75 – 77mm - Tiêu thụ hỗn hợp khí N2 + H2: 1350 m3/h. 10 VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-37 VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-38 VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-39
Quá trình nổi: - Thủy tinh chảy vào bể thiếc (spout lip) - Thủy tinh giãn ra ở H/E - Tạo hình băng kính với việc gia nhiệt bổ sung R/H - Làm nguội E/E - Đưa băng kính ra khỏi bể L.O.R
Đặc điểm quá trình nổi - Tấm kính có mặt phẳng, không biến dạng,không đánh bóng. - Ở đây tấm kính được đánh bóng bằng nhiệt ở phía trên, dưới. - Năng suất rất lớn phù hợp với việc sản xuất khối lượng lớn, giá thành rẻ hơn. - Sản xuất được nhiều độ dày khác nhau và bề rộng to. - Có thể điều khiển được từ xa, ổn định, ít người vận hành VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-40 Giai đoạn ủ kính
Mục đích của quá trình ủ, giảm ứng suất hình thành trong kính, tránh vỡ kính trong quá trình cắt bẻ.
Ủ nhiệt 11 VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-41 Kiểu phân bố ứng suất tốt VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-42
Dải nhiệt độ của các can nhiệt ở các khu của lò ủ trong trạng thái vận hành bình thường: Nhiệt độ phía trên của khu A: 510 – 580oC Nhiệt độ phía dưới của khuA: 525 – 605oC Nhiệt độ phía trên của khu B: 430 – 500oC Nhiệt độ phía dưới của khu B: 440 – 520oC Nhiệt độ phía trên của khu C: 320 – 390oC Nhiệt độ phía dưới của khu C: 325 – 405oC Nhiệt độ khu Ret: 90 – 130oC Nhiệt độ đầu vào của lò ủ: 600 ± 20oC Nhiệt độ đầu ra của lò ủ: 50 – 80oC
Những nhiệt độ đặt kể trên sẽ được điều chỉnh thích hợp tùy theo sự khác biệt của đầu ra, độ dày và ứng suất đặt thực tế của kính. VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-43 VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-44 Ủ dung dịch
Mục đích : tăng độ bền sốc nhiệt, đồ bền ứng suất theo bề dày.
Nâng nhiệt độ lên khoảng 650°C rồi làm lạnh nhanh và đồng nhất ở 300°C nhờ phun nước lạnh.
Ngâm trong bể dung dịch muối KNO3 ở 400°C trong vòng 12-36h. Ion K+ thay thế vị trí ion Na+, có kích thước lớn hơn làm tăng khả năng chịu nén bề mặt. Tấm kính có khả năng chịu lực cao với bề dày thông thường Rnén=200-300 MPa. 12 VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-45 Một số tính chất
Khối lượng thể tích: 2,4 → 6 (g/cm3)
Rnén = 200 → 1000 N/mm2
Rkéo = 20 → 100 N/mm2
Modun đàn hồi E = 6 – 8.104 N/mm2
Dễ vỡ, biến dạng bé hoặc phải xử lý nhiệt
Độ cứng, nhỏ hơn kim cương và một số kim loại
Tính không thấm VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-46 VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-47 Tính chịu nhiệt
Cách nhiệt tốt, tuy nhiên khả năng chịu sốc nhiệt kém
Nhiệt độ biến mềm 550°C
Hệ số biến dạng nhiệt tương đương bê-tông và khá bé
Kính thủy tinh thường 9,4.10-6
Thủy tinh pha lê 7,6.10-6
Thủy tinh pyrex, borosilicat 3,4.10-6
Trao đổi nhiệt với môi trường • dẫn nhiệt λ=1.0 W/mK • đối lưu • bức xạ VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-48 Hệ số trao đổi nhiệt K 2,86-12(kk)-6Kính 2 lớp 1,86-12(kk)-6Kính 2 lớp, cách nhiệt 1,56-12(argon)-6Kính 2 lớp cách nhiệt khí argon 5,76Kính thường Hệ số K (W/m2.K)Bề dày; mmLoại thủy tinh 13 VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-49 1. kính trắng 2. kính màu đồng 3. kính màu xám 4. kính màu xanh VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-50 Ảnh hưởng của bề dày VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-51 Tính bền sử dụng
Khi tiếp xúc trong môi trường nước hay trung tính thì;
Thủy phân thuận lợi trong môi trường bazơ pH>10 (xi-măng), dùng ZrO2 . VLXD-Vật liệu kính xây dựng 3-52 Yêu tố môi trường
Nguyên liệu sẵn có
Khai thác và gia công
Năng lượng dùng chế tạo
An toàn lao động
Tái chế
Rác thải