Szkło budowlane bezpieczne
Szkło bezpieczne - jego rodzaje

Rozwój nowoczesnego budownictwa zmierzający do osiągnięcia jak najlepszych efektów w wyglądzie i funkcjonalności budynków uwzględnia powszechne stosowanie szkła. Coraz częściej jest to szkło bezpieczne. Co to jest szkło bezpieczne? Szkło bezpieczne to takie które ogranicza do minimum zagrożenie dla zdrowia osób przebywających w pobliżu oszklenia i w pomieszczeniach oszklonych. Zagrożenie mogą stanowić odłamki z rozbitego szkła, a także ogień, gazy i promieniowanie cieplne - objawy towarzyszące pożarom. Zasadniczo szkła bezpieczne dzieli się na hartowane i klejone.

Szkło hartowane uzyskuje się w procesie technologicznym polegającym na ogrzaniu szkła w piecu hartowniczym do temperatury około 650°C i gwałtownym jego schłodzeniu strumieniami sprężonego powietrza w chłodnicy. Szkła hartowanego nie można poddawać żadnej obróbce dlatego przed hartowaniem należy mu nadać żądany kształt, wykończyć krawędzie i wywiercić otwory. W wyniku procesu hartowania, jako skutek nierównomiernego, wynikającego z małej przewodności cieplnej szkła odbioru ciepła, na powierzchni szkła powstają trwałe naprężenia ściskające, a wewnątrz rozciągające. Taki układ naprężeń w szkle hartowanym powoduje że posiada ono 5-7-krotnie większą wytrzymałość mechaniczną niż szkło zwykłe-odprężone, a także ma większy zakres odporności na szoki temperaturowe wynoszący 200-300°C. Przy przekroczeniu wytrzymałości szkła następuje jego rozbicie. Charakterystyczny dla szkła hartowanego jest sposób jego pękania po rozbiciu na drobne nieostre kawałki, ograniczający do minimum ryzyko zranienia człowieka. Szkła hartowane mają skłonność do samoistnego pękania, dlatego powinny być wygrzewane w piecu przez 4 godziny w temperaturze 300°C w procesie tzw. Heat-Soak-Testu, celem wyeliminowania sztuk niedobrych. Szkła hartowane produkowane są jako płaskie i gięte, barwne i bezbarwne, gładkie i wzorzyste. Mogą być pokryte warstwą emalii ceramicznej nanoszonej na szkło metodą natrysku lub sitodruku, wtapiającej się w procesie hartowania w powierzchnię szkła, lub innymi powłokami trwale lub nietrwale związanymi ze szkłem celem nadania mu odpowiednich właściwości. Są to powłoki przeciwsłoneczne odbijające promieniowanie w zakresie widzialnym i bliskiej podczerwieni, zapobiegające przegrzaniu wnętrz i niskoemisyjne odbijające długofalowe promieniowanie podczerwone, ograniczające straty ciepła ze środka na zewnątrz pomieszczeń. Powłoki te powstają z metali przejściowych lub ich związków (przeważnie tlenków) w procesie nanoszenia próżniowego lub pyrolizy. Ostatnio pojawił się nowy rodzaj szkieł hartowanych pokrywanych warstwą silikonu.
Szkło klejone powstaje w wyniku połączenia jednej lub kilku tafli szkła lub materiału organicznego z jedną lub wieloma warstwami sklejającymi. Ponieważ samo klejenie nie podnosi wytrzymałości szkła, szkło zwykłe można zastąpić szkłem hartowanym lub zbrojonym. Warstwę sklejającą stanowi folia lub żywica z materiału organicznego. Wytrzymałość mechaniczna szkieł klejonych żywicami jest mniejsza niż klejonych foliami, przewyższają je natomiast dźwiękochłonnością. Szkło klejone zarówno folią jak i żywicą, uderzone pęka, ale zachowuje przy tym swój kształt i przejrzystość, odłamki są przyklejone do warstwy sklejającej co ogranicza niebezpieczeństwo zranienia nimi osób znajdujących się w jego pobliżu.
Do sklejania szyb najczęściej stosowana jest folia poliwinylobutyralowa o grubości 0,38 lub 0,76 mm, charakteryzująca się bardzo dobrą przyczepnością do szkła. Folia oprócz zasadniczego celu jakim jest sklejanie szkła może spełniać dodatkowe funkcje. W zastosowaniach specjalnych posiada właściwości elektroprzewodzące, pochłaniające lub odbijające promieniowanie w określonych zakresach widma.
Klejenie szkła foliami odbywa się w dwustopniowym procesie tzw. sklejania wstępnego i właściwego. Klejenie wstępne ma za zadanie usunięcie powietrza zamkniętego w przestrzeni między warstwami i połączenie folii ze szkłem. Można to uzyskać przepuszczając szybę między dwoma gumowymi wałkami o odpowiednim nacisku i jej ogrzewanie. Inny sposób to odsysanie powietrza z szyby umieszczonej w worku lub uszczelkach gumowych. Proces klejenia właściwego odbywa się w autoklawie w temperaturze 120-145°C i przy ciśnieniu 120-140 MPa i trwa od 2 do 4 godzin. Spotyka się autoklawy próżniowo-ciśnieniowe w których zachodzi równocześnie wstępne i właściwe sklejanie szkła.
Żywice do sklejania szkła to przeważnie poliuretany. Mogą one być jedno lub wieloskładnikowe, bezbarwne, zabarwione lub z zatopionymi w nich elementami dekoracyjnymi. Technologia produkcji szkieł klejonych żywicą polega na wlewaniu jej, w postaci ciekłej, między dwie szyby i utwardzanie jej przez podgrzewanie lub naświetlanie lampą UV. Szyby połączone są na obrzeżach taśmą klejącą tworzącą między nimi pewien dystans odpowiadający grubości warstwy jaką chce się uzyskać.
W obydwu technologiach uzyskiwania szkieł klejonych wymagane jest dokładne umycie szkła, a sam proces sklejania powinien odbywać się w warunkach uniemożliwiających dostanie się czegokolwiek między szkło i warstwy sklejające.
Jednym z rodzajów szkieł klejonych jest szkło ognioodporne i o właściwościach ognioodpornych. Szkło ognioodporne zawiera warstwę sklejającą która w wysokiej temperaturze nabiera cech materiału ognioodpornego. Szkło klejone o właściwościach ognioodpornych powstaje ze szkła które w swojej naturze posiada właściwości ognioodporne. Jako materiał do produkcji szkieł ognioodpornych obok szkła zwykłego, stosowane może być szkło zbrojone, hartowane lub wzmacniane chemicznie, a przy wysokich wymaganiach odporności ogniowej tworzywo szklanokrystaliczne.
Warstwę sklejającą stanowi lepka ciecz rozpuszczalna w wodzie, dająca się łatwo nanosić na szkło. Jest nią przeważnie szkło wodne lub sole glinu, sodu lub potasu. Przy dużych wymiarach szyb warstwę sklejającą wzmacnia się siatką drucianą i/lub włóknami szklanymi. Może ona zawierać wypełniacz w postaci talku lub sproszkowanego szkła.
Technologia produkcji szyb ognioodpornych polega na naniesieniu warstwy ognioodpornej przez rozlewanie jej na zimnym lub ciepłym szkle lub natryskiwaniu jej na szkło w strumieniu ciepłego powietrza. W obydwu przypadkach, uzyskana warstwa suszona jest w temperaturze 30-50°C, w celu usunięcia z niej nadmiaru wody. Szkło z warstwą ognioodporną łączone jest z drugim szkłem poprzez sklejanie folią lub żywicą.
Szkło ognioodporne i o właściwościach ognioodpornych chroni przez określony czas przed promieniowaniem cieplnym i przed wydostawaniem się dymu, gazów i płomienia z pomieszczeń gdzie się pali. Warstwa sklejająca pod wpływem wysokiej temperatury traci wodę i pęczniejąc stanowi zaporę dla rozprzestrzeniania się pożaru i szkodliwego jego oddziaływania na otoczenie.

Wymagania i badania dla szkła budowlanego bezpiecznego

Produkowane szkła bezpieczne muszą sprostać pewnym wymaganiom jakościowym. Wymagania te ujmuje polska norma PN-B-13083:1997 pt. „Szkło budowlane bezpieczne”. Norma uwzględnia zarówno szkła hartowane, hartowane emaliowane jak i klejone w tym klejone ognioodporne. Szkło hartowane budowlane znajduje się na liście wyrobów podlegających obowiązkowej certyfikacji na znak B i każdy wyrób będący przedmiotem obrotu handlowego w Polsce, zarówno krajowy jak i zagraniczny, musi ten znak posiadać. Ocena jakości szkieł klejonych w tym ognioodpornych odbywa się na zasadzie dobrowolności. O jakości szkieł bezpiecznych budowlanych decyduje ich wygląd, a przede wszystkim ich właściwości użytkowe. Parametry użytkowe charakteryzujące szkła bezpieczne budowlane zestawiono w tabeli 1. Najbardziej istotnym parametrem charakteryzującym szkło hartowane bezpieczne jest sposób jego pękania po rozbiciu czyli charakter siatki spękań, będący odzwierciedleniem jego stopnia zahartowania. Ważnym parametrem jest jego wytrzymałość mechaniczna określana poprzez uderzenie szyby workiem, kulą lub jej równomierne obciążenie słupem wody. Dla szkła klejonego obok wytrzymałości na uderzenie workiem istotna jest również jego odporność na oddziaływanie środowiska tj.: wysoką temperaturę, wilgoć i promieniowanie.

Procedury badawcze dotyczące badań wytrzymałościowych są próbą symulacji sytuacji, jakie mogą zaistnieć w rzeczywistości. Badanie workiem odtwarza sytuację zderzenia się szyby z człowiekiem, a badanie kulą zachowanie się szyby przy uderzeniu jej małym przedmiotem. Badanie odporności na obciążenie równomierne ma na celu sprawdzenie reakcji szyby zabudowanej w elewacji na parcie wiatru.
Wytrzymałość na uderzenie workiem sprawdza się na stanowisku (fot. 1), którego zasadniczą część stanowi zawieszony na linie metalowej worek o masie 45 kg, stanowiący końcówkę wahadła, spadający z określonej wysokości i uderzający w środek geometryczny szyby. Szyba umocowana jest między dwoma, skręcanymi śrubami ramami drewnianymi, wyścielanymi gumą o odpowiedniej twardości. Wyrób można zakwalifikować do szkieł bezpiecznych jeżeli próbki poddane badaniu na uderzenie workiem nie pękają lub pękają w sposób bezpieczny. O pękaniu bezpiecznym mówimy wtedy, gdy:
• w przypadku szkła klejonego w szkle tworzą się pęknięcia i szczeliny, nie powstaje jednak otwór lub rozdarcie przez które mogłaby przejść swobodnie kula o średnicy 76 mm, a jeżeli po upływie 3 minut od uderzenia jakieś odłamki oderwą się od próbki to ich łączna masa nie powinna być większa niż masa odpowiadająca 100 cm2 próbki i masa największego z nich nie może przekroczyć 44 cm2 próbki,
• w przypadku szkła hartowanego próbka rozpada się na drobne kawałki, a masa 10 największych wolnych od pęknięć, pozostałych w ramie odłamków, wybranych po upływie 3 min od rozbicia, przy uwzględnieniu ich części nie osłoniętych ramą, nie przekracza masy odpowiadającej 65 cm2 badanej próbki. W zależności od wyniku badania szkła bezpieczne kwalifikuje się do jednej z klas wytrzymałości na uderzenie workiem. Klasę A, B lub C uzyskują szyby które nie pękły lub pękły bezpiecznie przy spadku swobodnym worka z wysokości odpowiednio: 1219, 457 i 305 mm.
Charakter siatki spękań to obraz sposobu rozpadania się szkła w wyniku jego rozbicia, powstały na papierze światłoczułym i utrwalony na nim przez naświetlenie i wywołanie w parach amoniaku. Papier umieszcza się między dwoma jednakowymi szybami z których jedna ulega rozbiciu. Rozbicie następuje w wyniku uderzenia szyby hartowanej w środek dłuższego boku w odległości 13 mm od jego krawędzi, młotkiem o masie około 75 g, zakończonym twardym zaokrąglonym ostrzem. Uzyskany obraz ocenia się zliczając ilość odłamków w dowolnie wybranym kwadracie o boku 50×50 mm i mierząc długość odłamków wydłużonych. Przy ocenie nie uwzględnia się pasa brzegowego o szerokości 25 mm i strefy w promieniu 100 mm wokół punktu uderzenia. Minimalna ilość odłamków w tym kwadracie, nie mniejsza niż 20 sztuk, oraz nieobecność odłamków o długości przekraczającej 10 cm na całym analizowanym obszarze kwalifikuje wyrób jako dobry.
Wytrzymałość na uderzenie kulą sprawdza się umieszczając szybę w pozycji poziomej na metalowej podporze, wyścielonej gumą o odpowiedniej twardości. Na szybę spuszcza się swobodnie kulę o masie 227 g z wysokości zależnej od grubości badanego szkła. Szkło poddane takiej próbie nie powinno pękać.
Wytrzymałość na równomierne obciążenie oznacza się z wartości ciśnienia niszczącego taflę szkła emaliowanego, zamocowaną poziomo na dwu dłuższych bokach, w ramie metalowej uszczelnionej gumą. Ciśnienie słupa wody przenoszone jest na jej powierzchnię od dołu poprzez przeponę gumową. Wytrzymałość oblicza się z oznaczonej wartości ciśnienia niszczącego z uwzględnieniem grubości szkła. Przy obciążeniu próbki od strony nie emaliowanej nie powinna ona być mniejsza od 75 MPa.

Odporność na działanie czynników środowiska

Odporność na wysoką temperaturę bada się podgrzewając szybę w wodzie do temperatury 100°C i przetrzymując ją w tej temperaturze przez dwie godziny.
Odporność na promieniowanie sprawdza się poddając szkło, umieszczone w obrotowym bębnie, działaniu promieniowania wysyłanego przez specjalną lampę przez 100 godzin przy temperaturze 45°C.
Odporność na działanie wilgoci określa się przetrzymując szkło przez 2 tygodnie w warunkach klimatycznych odpowiadających wilgotności względnej 95% i temperaturze 50°C.

Po przeprowadzeniu każdego z trzech testów sprawdza się skutki oddziaływania czynników środowiska dokonując oględzin szkła pod kątem występowania w nim wad takich jak pęcherze, rozklejenia, zmętnienia i inne. W szkle poddanym promieniowaniu określa się ponadto zmianę przepuszczalności światła jako skutek jego oddziaływania na szkło. Nie może ona być większa niż 10%.

Zastosowanie szkieł bezpiecznych

Szkła bezpieczne budowlane znalazły szerokie zastosowanie. Głównym ich odbiorcą jest budownictwo stosujące go na oszklenia zewnętrzne w postaci fasad i wewnętrzne w charakterze ścian działowych i drzwi. W oknach szkła bezpieczne stosowane są przeważnie jako część składowa szyby zespolonej. W budynkach użyteczności publicznej szczególnie tych o dużym zagrożeniu pożarowym stosowane są szkła ognioodporne. Szkła te montowane są w ramach z zastosowaniem materiałów uszczelniających, które pod wpływem temperatury stają się plastyczne umożliwiając w ten sposób rozszerzanie się oszklenia podczas pożaru. Coraz powszechniej szkło bezpieczne stosowane jest jako element wyposażenia mieszkań, biur i urzędów: mebli, okienek kasowych, kabin prysznicowych, kuchni, gazowych i lodówek. W nowoczesnych wnętrzach pojawiają się schody, a w salach widowiskowych - podłogi szklane.
Należy przypuszczać, że w trosce o bezpieczeństwo użytkowników budynków szczególnie budynków użyteczności publicznej szkło zwykłe zastępowane będzie coraz częściej szkłem bezpiecznym.

Mgr inż. Zofia Pollak
Instytut Szkła
i Ceramiki O/Z Kraków