Стеклопакеты: проблемы и решения

А. А. Верховский, канд. техн. наук, заведующий лабораторией, НИИСФ РААСН

В. В. Щередин, начальник отдела технической поддержки, ООО «Гардиан Стекло Рязань»

И. М. Нанасов, научный сотрудник, НИИСФ РААСН

Е. В. Елизарова, НИИСФ РААСН

Д. И. Гальцев, ООО «Алютерра СК»

Стеклопакеты, лопнувшие «бабочкой»

Часто встречающийся тип разрушения стеклопакетов, который можно встретить в самом обычном окне. Данный тип разрушений часто имеет характерную форму «бабочки», пример приведен на рис. 1.

Рисунок 1. Характерное разрушение стеклопакета

Стеклопакеты разрушаются таким образом из-за избыточно высокого либо низкого давления газа в воздушной прослойке. Вообще стеклопакет по своему замыслу – конструкция герметичная, и совершенно естественно, что между давлением газа в камере (камерах) стеклопакета и атмосферным давлением зачастую возникает большой перепад. Это и приводит к разрушению стекла, на которое ложится вся нагрузка от разницы давлений. Рассмотрим ситуации, в которых подобный перепад давления становится критическим.

У стеклопакета соотношение высоты к ширине более 4 : 1. ГОСТ 24866–99 «Стеклопакеты клееные строительного назначения», п. 3.6 не рекомендует изготовление стеклопакетов с размерами менее 300×300 мм, а также с соотношением сторон более 5 : 1. Соотношение сторон введено неспроста.

Рассмотрим проблему поэтапно: имеется два крайних случая – квадратный стеклопакет с соотношением сторон 1 : 1 и прямоугольный с соотношением, к примеру, 4 : 1, оба стеклопакета с длинной стороной сопоставимого размера. Летом, при нагреве, воздух в воздушной прослойке нагревается больше температуры окружающей среды и расширяется, стеклопакет «раздувает». Из-за своей формы квадратный стеклопакет имеет возможность достаточно деформироваться без особых проблем для себя, прогиб стекол будет достаточно большой, разница давлений и напряжения на стекле, соответственно, маленькие. В узком же стеклопакете стекла не обладают возможностью достаточно деформироваться, чтобы скомпенсировать расширение воздуха, образуются напряжения на стекле, которые могут разрушить стеклопакет (рис. 2).

Рисунок 2. Деформация стекол в стеклопакете под действием разницы давлений

Аналогичная ситуация может складываться при установке стеклопакетов зимой в неотапливаемые помещения. Воздух в камерах стеклопакета сильно сжимается, что также может приводить к разрушению. ГОСТ 24866–99 регламентирует хранение и монтаж стеклопакетов исключительно в отапливаемых помещениях, при температуре воздуха в помещении не ниже +5 °C (п. 7.3, п. 8.8).

Ситуация усугубляется в следующих случаях:

• Стеклопакет двухкамерный с низкоэмиссионными стеклами – лучше держит тепло и больше нагревается. В данном случае разрушение обычно происходит только при условии неправильной эксплуатации либо при большом соотношении сторон.
• Стеклопакет двухкамерный с асимметричными дистанционными рамками – он деформируется, однако неравномерно, что приводит к еще большему увеличению напряжения на внешнем стекле маленькой камеры.
• Стеклопакет двухкамерный с асимметричными широкими рамками (14–16 мм) – аналогично предыдущему случаю.
• В составе стеклопакета есть окрашенное в массе стекло либо солнцезащитная темная пленка – стеклопакет поглощает намного больше солнечной энергии, что приводит к повышению температуры воздуха и увеличению разницы давлений.
• Стеклопакет изготовлен на другой высоте над уровнем моря, чем в месте его установки. Стеклопакет может иметь предрасположенность к разрушению, если он, например, изготовлен у моря, а затем доставлен в горную местность.

Разрушится стеклопакет или нет, также зависит от качества кромки стекол – сколы, плохой рез стекла и т. д. Как же можно уменьшить вероятность разрушения?

• По возможности избегать описанных выше вариантов.
• Обработать кромку стекол.
• Закалить стекло – разрушение от разницы давлений такому стеклопакету не страшно.

Интерференция, или «цветные полосы»

Иногда на архитектурных проектах на стеклах заметны вертикальные тонкие цветные полосы. Данные полосы зачастую заметны только при наличии падающего под острым углом солнечного света и под строго определенным углом осмотра и могут выглядеть следующим образом (рис. 3).

Рисунок 3. Вертикальные полосы на стеклопакете

Причина появления полос – явление интерференции (наложения) световых волн в стеклопакете из-за явления анизотропии (неоднородности) напряжений в закаленном стекле. При прохождении света через стеклопакет происходит многократное отражение света в параллельных внутренних и наружных поверхностях стекол с последующим наложением друг на друга (рис. 4).

Рисунок 4. Явление интерференции

В процессе термообработки в толще стекла появляются различные напряжения, что является неизбежным результатом процесса. Некоторые из данных картин напряжений могут быть видимыми при определенных условиях (солнечный свет, определенный угол падения света) и представлять собой пятна, параллельные полосы или другие фигуры.

Данный эффект гораздо лучше виден в поляризованном свете (например, через поляризационные очки) и иногда представляет собой т. н. «леопардовые пятна». При осмотре таких стекол через поляризационные очки отмечается резкое улучшение четкости картины, что также подтверджает природу данного явления.

Европейский стандарт EN 12150, часть 1 определяет эффект следующим образом (п. 9.2): «9.2 Анизотропия (иридесценция, радужный эффект). Процесс термоупрочнения создает различные напряжения в теле стекла. Эти области напряжений создают эффект двулучепреломления в стекле, который видим в поляризованном свете.

Когда термически упрочненное безопасное флоат-стекло рассматривается в поляризованном свете, области с напряжениями становятся видимы в качестве цветных фигур, иногда называемых “леопардовыми пятнами”».

Нормальный солнечный свет также может быть поляризованным. Степень поляризации зависит от погодных условий и положения солнца. Эффект двулучепреломления наиболее заметен при остром угле падения света либо при осмотре через поляризационные очки.

Согласно п. 4.1.6.3 «Проект межгосударственного стандарта. Стеклопакеты клееные строительного назначения. Технические условия»: «4.1.6.3. На стеклопакете допускаются параллельные радужные или концентрические полосы (явление интерференции), видимые под углом менее 60° к плоскости стеклопакета».

Причиной появления слегка видимых разноцветных полос на стеклопакетах является явление интерференции из-за анизотропии закаленного стекла. Согласно указанным в тексте письма нормативным документам, данное явление не является дефектом стекла либо стеклоизделия и не может служить основанием для предъявления претензий.

Термошок

Термошок – это явление разрушения стекла из-за наличия на нем градиента температур, возникающего из-за неравномерного нагрева одной или нескольких частей стекла (солнечное излучение, «тепловой мешок», темная пленка на самом стекле). В результате градиента температур и обусловленного нагревом расширения в стекле возникают напряжения, которые и приводят к разрушению. Разрушение от термошока имеет характерный вид (рис. 5).

Рисунок 5. Разрушение стекла от термошока

Подобное разрушение от термошока можно идентифицировать, посмотрев на край разрушенного стекла: разлом стекла во всех случаях будет перпендикулярен как самой плоскости стекла, так и его краю (рис. 6).

Рисунок 6. Начало разрушения стекла от термошока

Ниже указаны основные факторы, которые могут привести к разрушению стекла:

• Высокий коэффициент абсорбции (поглощения) солнечного излучения. Этот показатель может быть высок как из-за окраски стекла в массе, так и из-за темной тонирующей пленки. Чем выше данный показатель, тем больше риск разрушения. Согласно новому ГОСТ Р 54175–2010 «Стеклопакеты клееные. Технические условия», п. 5.2.7: «В случаях, когда в стеклопакетах для наружного остекления применяют неупрочненное стекло (в том числе многослойное), его коэффициент поглощения света должен быть не более 25%. Допускается вместо коэффициента поглощения света использовать при проектировании стеклопакетов коэффициент поглощения солнечной энергии стеклом. Для неупрочненного стекла (в том числе многослойного) он должен быть не более 50%. Стекло с более высоким коэффициентом поглощения света (или солнечной энергии) должно быть упрочненным».
• Падающая на фасад тень обуславливает наличие освещенной и неосвещенной зон на поверхности стекла.
• Наличие т. н. «теплового мешка», то есть зоны, из которой не отводится избыточное тепло (наличие теплоизоляции за стеклопакетом, наличие ниши в верхней части и т. д.).
• Наличие двух или более энергосберегающих покрытий в двухкамерном стеклопакете. По сути, является частным случаем «теплового мешка».
• Ориентация и наклон элементов фасада/здания, они оказывают влияние на инсоляцию поверхности стекла.
• Качество резки/обработки кромки стекла, толщина стекла. Хорошо обработанная кромка уменьшает верояность возникновения термошока.
• Климатические параметры: время года, колебания суточной температуры, широта места строительства и т. д.

Чтобы полностью избежать разрушения стекла в результате термошока, необходимо провести его закалку. Закаленное стекло является безопасным и не подвержено разрушению от перепада температур, который может возникнуть на фасаде здания.

Литература

1. Schittich, Staib, Balkow, Schuler, Sobek. Glass Construction Manual. 2nd revised and expanded edition. BIRKHAUSER, Berlin (Germany) Kosel GmbH & Co, 2007.
2. Dr. Wolfgang Wittner, Kommerling Chemishe Fabrik GmbH. Glass Performance Days. Conference Proceedings 2011. Glass Performance Days, Glaston Finland Oy, 2011.