Tema5.VIDRIO

5/12/2018

Te ma 5.VIDRIO - slide pdf.c om

Tema 5.- VIDRIO. 1.- Introducción. Usos. Historia. Clasificación. Los vidrios forman un grupo familiar de cerámicas. La nobleza del vidrio reside en un conjunto de cualidades que son la transparencia óptica, la resistencia, el aislamiento y la facilidad con que puede fabricarse. Difícil es imaginarse hoy en día una sociedad que no utilice el vidrio. Todos nosotros lo conocemos por su fragilidad, su transparencia, su peso, sus diferentes formas y colores. Lo empleamos sin mayor problema, sabiendo que con un golpe no muy fuerte se puede romper. El vidrio se ha convertido en un elemento vital en la arquitectura de nuestros días, donde la búsqueda de máximas superficies vidriadas para obtener las mejores visuales y la mayor iluminación natural, se contrapone con la necesidad de lograr la mayor eficiencia energética y los más elevados estándares de seguridad. Esto ha derivado en una ampliación exponencial de la oferta de productos transparentes, y en una sofisticación cada vez mayor de sus tecnologías de producción, para dar respuesta a las más heterogéneas demandas de diseño y confort. Por ello la decisión del tipo de vidrio a utilizar, su espesor, tamaño, color, proporción y su forma de sujeción, merece ser estudiada en profundidad para cada caso en particular, teniendo en cuenta los parámetros de seguridad, resistencia estructural, aislamiento térmico y acústico requeridos para su diseño. La correcta elección de un vidrio, aunque su costo sea elevado, permite disminuir el costo final de otros rubros como las carpinterías, el aire acondicionado, dispositivos de oscurecimiento y seguridad. En la actualidad existen cristales de 6 mm. de espesor, totalmente incoloros, que permiten filtrar hasta el 70 % de la radiación infrarroja y el 99,5% de la ultravioleta; o cristales de 12 mm. que detienen un proyectil calibre 9mm. Por tanto, el vidrio es una solución a problemas de: - Aislamiento térmico y acústico - Ahorro energético - Resistencia estructural - Seguridad física - Protección de personas y bienes (vidrios anti-robo, anti-intrusión y antibalas) - Decoración (vidrio curvo, vidrio serigrafiado, satinado, arenado) El vidrio es un material resistente, pero también es frágil y peligroso cuando sufre roturas. Y por este motivo debería evitarse su uso intuitivo o irresponsable, que es utilizar un tipo de vidrio que no sea adecuado para el uso que se le da. Sin embargo, con la única excepción de la ciudad de Mendoza, los códigos de edificación de nuestro país no dicen nada sobre el uso seguro del vidrio. A simple vista, todos los vidrios son iguales. Pero en caso de impacto o rotura no lo son. Ahí radica la diferencia entre el vidrio crudo común y el vidrio de seguridad, templado o laminado. Este es el más recomendable ante el riesgo de impacto humano debido a su forma de rotura. El vidrio laminado suele astillarse como consecuencia de un impacto muy fuerte, pero sigue cumpliendo su función de cerramiento, sostenido por la lámina de PVC. En cambio, el vidrio templado - aunque es el más resistente- se rompe pero lo hace en trozos muy pequeños y sin aristas cortantes, de forma que no presenta riesgos de heridas para las personas, como el parabrisas de un auto.

http://slide pdf.c om/re a de r/full/te ma 5vidr io

1

1/123

5/12/2018


El vidrio es un material sano y puro. Por ello, constituye un envase ideal para los productos alimenticios que pueden ser conservados durante largos periodos de tiempo sin alteración de su gusto ni de sus aromas. El vidrio ofrece también múltiples posibilidades de formas, colores y puede decorarse por medio de varias técnicas. La botella o el tarro pueden por lo tanto ser personalizados en función de su contenido. Revelan su valor y sus cualidades y permiten al producto afirmar su marca así como su posición en el mercado. Las aplicaciones típicas son recipientes, ventanas, lentes y fibra de vidrio. En la figura 1.1 pueden verse las diversas aplicaciones del vidrio, las cuales ponen de manifiesto que es un material indispensable.

Figura 1.1.- Usos del vidrio

Además puede presentarse con diferentes formas y procesos de fabricación:


2

2/123

5/12/2018


- V. PLANO - V. HUECO - V. MOLDEADO MOLDEADO - V. en TUBOS - V. en FIBRAS - V. de OPTICA - V. ARTISTICO - V. ESPECIALES

y con una gran diversidad de características y excelentes propiedades:

- OPTICAS : TRANSPARENCIA, COLOR, REFLEXION ... - MECANICAS : INDEFORM., RESIST. A LA ABRASION - TERMICAS : AISLAMIENTO, RESIST. AL FUEGO, ... - ACUSTICAS : ATENUACION ACUSTICA, ... - QUIMICAS : ESTABILIDAD, RESIST. AL AMBIENTE, ... - ELECTRICAS : RESISTIVIDAD, AISLAMIENTO, ... y la posibilidad de combinarlas en un solo producto En la figura 1.2 pueden verse las exigencias para el vidrio plano como material de construcción. MISIONES

ESTETICA y DISEÑO

FUNCIONES DEL VIDRIO - TRANSPARENCIA - COLOR - DIMENSIONES / FORMAS

- AISLAMIENTO TERMICO

CONFORT

- AISLAMIENTO ACUSTICO - TRANSMISION OPTICA / CALIDAD

- RESISTENCIA MECANICA

SEGURIDAD

- PROTECCION BIENES / PERSONAS - DURABILIDAD

Figura 1.2.- Exigencias para el vidrio plano como material de construcción.


3

3/123

5/12/2018


Datos del sector del vidrio. Vidrio plano. En la figura 1.3 se da la producción mundial de vidrio plano, en el año 2002, por compañías. La producción alcanzo los 35 millones de toneladas (1 tonelada son en promedio, aproximadamente, 125 m2).

Figura 1.3.- Producción mundial de luna flotada en el año 2002 por compañías. En la figura 1.4 se da el tanto por ciento de producción por países y zonas del mundo.


4

4/123

5/12/2018


Figura 1.4.- Tanto por ciento de producción de vidrio plano por países y zonas del mundo. En la tabla 1.1 se da el volumen de producción y el valor de los productos de vidrio plano para la construcción por sectores. Tabla 1.1.- Volumen de producción y valor de los productos de vidrio plano para la construcción.

Por su parte, en la tabla 1.2 se da el volumen de producción y el valor de los productos de vidrio plano para la industría del automóvil.

Tabla 1.2.- Volumen automóvil.de producción y e valor de los productos de vidrio plano para la industria del

El tanto por ciento de la producción europea por compañias y la distribución de los centros de producción pueden verse en la figura 1.5. La capacidad total está alrededor de 8 millones de toneladas.


5

5/123

5/12/2018


Figura 1.5.- Producción europea de luna flotada en el año por compañías. Distribución de los centros de producción. La producción española de luna flotada es de, alrededor, del millón de toneladas, estando situadas las fábricas en: Avilés (Asturias) (Figura 1.6), Arbós (Tarragona) que pertenecen a Saint Gobain, Tudela (Navarra) (Figura 1.7), Llodio (Alava), que pertenecen a Guardian y Sagunto (Valencia), que pertenece a Pilkington/Asahi.


6

6/123

5/12/2018


Figura 1.6.- Fabrica de Avilés (Asturias)

Figura 1.7.- Fábrica de Tudela (Navarra) En la figura 1.8 pueden verse diferentes edificaciones con fachadas realizadas en vidrio.


7

7/123

5/12/2018


Figura 1.8.- Diferentes edificaciones con fachadas realizadas en vidrio.


8

8/123

5/12/2018


Datos del sector de envases de vidrio. Las ocho empresas que integran ANFEVI (Asociación Nacional de Fabricantes de Envases de Vidrio) vendieron en el año 2002 un total de 2051975 toneladas de vidrio, correspondientes a 6.540.907.000 botellas y tarros, lo que supone colocar en el mercado diariamente 17.9 millones de envases. En el periodo comprendido entre 1993 y 2002, el incremento obtenido en las toneladas vendidas supera el 52% (Figura 1.9) y el referido a las unidades alcanza el 48% (Figura 1.10 ). Durante el año 2002 a cada español le correspondió una media de 163.5 envases.

Figura 1.9.- Evolución de las toneladas vendidas

Figura 1.10.- Evolución de botellas y tarros vendidos. 10 http://slide pdf.c om/re a de r/full/te ma 5vidr io

9

9/123

5/12/2018


El sector vidriero español, en línea con las necesidades de sus clientes y de la sociedad en general, está impulsando la personalización de los envases factor que, cada vez con más frecuencia, cobra especial relevancia como auténtica herramienta de marketing, no sólo en el ámbito nacional sino también en el internacional. así como a una mayor acentuación en envases de más capacidad. Los segmentos de mercado con mayor desarrollo el pasado año han sido los de aceite y vinagre, el área de tarros con especial incidencia en conservas, zumos y alimentos infantiles, las botellas para vino y los envases para agua. Por otra parte, la familia de tarros ha sido la que ha tenido una mayor proyección en 2002 con unas ventas totales de 1729 millones de unidades, lo que supone un incremento del 4.5 % respecto al ejercicio anterior. La cifra de exportaciones de envases de vidrio en el pasado ejercicio se acercó a los 900.000.000 de unidades. Sin embargo, esta cantidad es muy superior ya que el mayor número de exportaciones de los envases se realiza con producto, sirviendo de apoyo a las ventas de los clientes de las empresas asociadas en el exterior. Por lo que se refiere a los resultados económicos, las ocho empresas integradas en la Asociación han cerrado 2002 facturandodel602.62 millones de euros (más de(Figura 1000001.11 millones de pesetas), lo que ha supuesto un incremento 5.7% sobre el ejercicio precedente ).

Figura 1.11.- Evolución de la facturación. ANFEVI está integrada por ocho grupos empresariales que, en conjunto, generan empleo directo a 4000 personas aproximadamente. El sector mantiene una política continuada de I + D, dirigida a mejoras en el proceso de fabricación, entre las que destacan incremento de productividad, empleo de hornos y mecheros de última generación –lo que permite un considerable ahorro energético-, o aligeramiento de los envases. Las empresas son: BA Vidrio, BSN Glasspack, Crisnova, Saint –1.12 Gobain Montblanc, Saint – Gobain Vicasa,asociadas Vidrala, Vidrieras Canarias y Vidriera Rovira. En la figura pueden verse diferentes tipos de envases de vidrio.


10

10/123

5/12/2018


Figura 1.12.- Diferentes tipos de envases de vidrio. Durante 2002 los 27 hornos de las ocho compañías que forman parte de ANFEVI absorbieron más de 1763 millones de botellas y tarros para fabricar otros nuevos envases con la misma calidad y seguridad que los originales, Es decir, más de uno de cada tres envases volvió al lugar donde se había producido. Esta cifra supone un incremento del 10.04 % respecto a 2001, año en que la industria vidriera asociada a ANFEVI utilizó para la fabricación de botellas y tarros nuevos un total de 1.602.229.940 envases. Desde 1982, año en que la industria vidriera puso en marcha el circuito de reciclado de envases de vidrio, hasta 2001 se han reciclado cerca de 22000 millones de envases, si a esta cantidad se le suman los más de 1763 millones de botellas y tarros reciclados el pasado año, nos acercamos a 2000 millones de envases que se han utilizado para fabricar otros. En la figura 1.13 se dan, por Comunidades Autónomas, los envases absorbidos por la industria vidriera en 2002 para la fabricación de nuevos envases (procedentes de contenedores).


11

11/123

5/12/2018


Figura 1.13.- Envases absorbidos por la industria vidriera en 2002 procedentes de contenedores. El envase de vidrio tiene un reciclado integral e indefinido en el tiempo (Figura 1.14 ), no generando residuos que puedan perjudicar al medio ambiente. Con un envase reciclado se fabrica un envase nuevo

Figura 1.14.- Reciclado integral de los envases de vidrio. Historia. Los historiadores coinciden en considerar que el vidrio fue descubierto aproximadamente 2.500 años antes de Jesucristo, en Egipto y en Mesopotamia. Primero fue utilizado como adorno y se estima que aproximadamente 1.500 años antes de Jesucristo, aparecieron los primeros objetos de vidrio destinados a contener alimentos. La técnica utilizada consistía en moldear las tazas, los jarros y otras copas, en una estructura de arena o de arcilla.


12

12/123

5/12/2018


El descubrimiento del soplado fue la primera gran innovación vidriera. Intervino a principios de nuestra era, en Palestina y Siria. Consistía en recoger el vidrio en fusión con el extremo de la caña hueca dentro de la cual se sopla para dar al objeto la forma deseada. Esta técnica se difundió en todo el occidente y se utilizó hasta la era moderna. A partir del siglo XI, Venecia se convirtió en la capital europea de la fabricación del vidrio. Más tarde, en el siglo XIV se descubrió la técnica del vidrio plano en Normandía (Francia). La primera industria vidriera se desarrolló en el siglo XVIII, a través de un cierto número de fábricas. Algunas producían más de 1 millón de botellas al año. No obstante, la cantidad era limitada, ya que estas botellas se soplaban todavía con la boca Con la revolución industrial, en el siglo XIX, numerosos progresos fueron realizados en la industria vidriera. La utilización del carbón, en lugar de la madera, para calentar los hornos mejoró el funcionamiento de éstos. Las primeras máquinas de automatización de la producción fueron introducidas en las fábricas. Por último, el soplado con la boca fue progresivamente sustituido por el chorro de aire comprimido en moldes metálicos. Se puede considerar que la industria del vidrio moderna nació a partir de este momento. En el siglo XX es cuando se convirtió en una industria de masa, medio de la instalación de hornos de fuego continuo y de los progresos realizados en el campo de lapor automatización de la producción. Éstos darán paso al desarrollo de una producción en grandes series. A lo largo del siglo, no cesará de integrar los avances tecnológicos y en particular, desde hace ya bastantes años, las técnicas de procesamiento automatizado. En la figura 1.15 pueden verse los hitos más destacables de la historia del vidrio.

Figura 1.15.- Hitos más destacables de la historia del vidrio.


13

13/123

5/12/2018


La clasificación general de los productos de vidrio teniendo en cuenta sus diferentes formas y proceso de elaboración y sus usos puede verse en la figura 1.16.

Figura 1.16.- Clasificación general de los productos de vidrio teniendo en cuenta sus diferentes formas y proceso de elaboración y sus usos http://slide pdf.c om/re a de r/full/te ma 5vidr io

14

14/123

5/12/2018


2.- Definición. Características del estado vítreo. La definición adoptada por la A.S.T.M. considera que un vidrio es un producto inorgánico fundido que se ha enfriado hasta un estado rígido sin experimentar cristalización. Si únicamente se consideran sus principales propiedades técnicas, el vidrio común puede definirse como un producto inorgánico amorfo, constituido predominantemente por sílice (Un vidrio típico de cal y sosa esta formado por aproximadamente 70% en peso de SiO 2, el resto es principalmente Na2O y CaO ) , duro, frágil y transparente, de elevada resistencia química y deformable a alta temperatura. Morey propone la siguiente definición: un vidrio es una sustancia inorgánica en una condición análoga a la de su estado líquido y continua con éste, que, como consecuencia de un cambio reversible en su viscosidad durante el enfriamiento, ha alcanzado un grado de viscosidad tan elevado como para poder considerarse rígida a efectos prácticos. Los materiales en el estado sólido se clasifican en cristalinos, no cristalinos o amorfos y semicristalinos. En los cristalinos, los átomos adoptan disposiciones ordenadas y repetitivas formando estructuras tridimensionales periódicas, un ejemplo clásico son los metales y sus aleaciones. En los amorfos no existe ordenamiento periódico. El vidrio y algunos materiales plásticos como el poliestireno son ejemplos comunes. La figura 2.1(a) es una representación bidimensional de un sólido cristalino. La figura 2.1(b) representa el mismo sólido pero con estructura amorfa. Las moléculas de un vidrio no están colocadas en un orden repetitivo de largo alcance como ocurre en un sólido cristalino, sino que cambian su orientación de una manera aleatoria en todo el sólido El dióxido de silicio (Si02), presenta esta propiedad según como sea enfriado, cuando es cristalino forma el cuarzo y cuando es amorfo forma el vidrio. Los semicristalinos presentan una parte amorfa y otra cristalina, materiales plásticos como el polietileno y el polipropileno son ejemplos típicos. Desde un punto de vista estructural, los sólidos amorfos se clasifican según si están compuestos por redes tridimensionales no periódicas (vidrio), individuales de cadena larga (polimeros naturales y plásticos) a ordenaciones intermedias entremoléculas estos dos casos limite (cristales líquidos). Una particularidad de los vidrios es su comportamiento frente a la solidificación , la cual es diferente a la de un material cristalino, como puede verse en la figura 2.2 , en la que se representa el volumen especifico (inverso de la densidad) frente a la temperatura para ambos tipos de materiales. Así, los vidrios carecen de un verdadero punto de fusión o temperatura de liquidus, que sólo presentan los sólidos cristalinos y que es la temperatura a la cual la fase cristalina coexiste en equilibrio con la fase fundida. Los cuerpos vítreos pasan de un modo reversible de su forma fundida en estado líquido al estado rígido o congelado sin la aparición de ninguna nueva fase en el sistema. El paso de una forma a otra transcurre, por lo tanto, sin variar el número de grados de libertad del sistema, a diferencia de la transición líquido-sólido caracterizada por la aparición de una nueva fase y la disminución consiguiente en uno de sus grados de libertad. Durante el enfriamiento de un liquido que forma un sólido cristalino bajo solidificación (p. ejemplo: un metal puro) tiene lugar una disminución continua de volumen A - B. Cuando se alcanza la temperatura de fusión Tm , sobreviene su cristalización, que se acusa por una marcada discontinuidad caracterizada por una brusca contracción B - C. A partir de ese momento la fase cristalina se halla en equilibrio estable y, al proseguir su enfriamiento (C – D ), continúa contrayendo, aunque en menor proporción que el fundido, debido a que su coeficiente de dilatación es más pequeño ( Figura 2.2 ) . Por el contrario, un líquido que forma un vidrio bajo enfriamiento, no cristaliza, sino que sigue un camino como el A - - D. No existe un punto de solidificación o fusión definido. El liquido de este tipo se vuelve más viscoso a medida que su temperatura va disminuyendo y se transforma desde un estado plástico, blando y elástico a un estado vidrioso, quebradizo y rígido en un margen reducido de temperaturas, donde la pendiente de la curva del volumen especifico frente a la temperatura es marcadamente decreciente. http://slide pdf.c om/re a de r/full/te ma 5vidr io

15

15/123

5/12/2018


(a)

(b)

Figura 2.1. Representación gráfica de las diferencias estructurales entre un cristal (a) y un vidrio (b). El punto de intersección de las dos pendientes de esta curva define un punto de transformación, en el cual el material se vuelve más sólido que liquido, Ilamado temperatura de transición vítrea, T g. Con mayores velocidades de enfriamiento se originan valores más elevados de T g . Por debajo de esta temperatura, se considera que el material es un vidrio, por encima, primero es un líquido subenfriado, y, finalmente, un líquido. Un vidrio se comporta, por encima de su temperatura de transición vítrea, como un líquido viscoso (subenfriado). Bajo esfuerzo, grupos de átomos de silicato pueden deslizarse unos sobre otros, permitiendo la deformación permanente del vidrio. Las fuerzas interatómicas resisten la deformación, pero, si la tensión aplicada es suficientemente alta, sondel incapaces de prevenir flujo viscoso. medida que se incrementa la temperatura del vidrio, la viscosidad vidrio disminuye y seelfacilita el flujo A viscoso.

Figura 2.2.- Comparacion del comportamiento del volumen especifico con la temperatura de materiales cristalinos y no de cristalinos. materiales cristalinos solidifican a la temperatura de fusion Tm. La temperatura transitionLos vitrea,T g, es una caracterfstica del estado no cristalino.


16

16/123

5/12/2018


3.- Cristaloquimica del vidrio. La diferencia estructural entre los sólidos cristalinos y los vidrios estriba en que, en los primeros, sus unidades constituyentes (iones, átomos o moléculas) se disponen con una ordenación geométrica y una periodicidad de largo alcance en las tres direcciones del espacio formando una red perfectamente definida. Cada red se caracteriza porque dichas unidades guardan siempre las mismas posiciones relativas y porque, tanto la distancia que existe entre ellas, como los ángulos que forman las direcciones de su secuencia de colocación son siempre constantes. El fragmento reticular más pequeño que puede existir conservando todos los elementos de simetría del cristal recibe el nombre de celdilla elemental. Esta porción unitaria viene representada por un paralelepípedo, cuyas dimensiones representan los parámetros estructurales del cristal. Por su parte los vidrios no cuentan con una ordenación reticular. Sus iones constituyentes se hallan irregularmente dispuestos formando una estructura más o menos distorsionada, debido a que, bajo las condiciones de enfriamiento en que tuvo lugar su formación, no pudieron ordenarse con la regularidad geométrica de un cristal (Las unidades no guardan una disposición regular.). A diferencia de los de los sólidos cristalinos cuyos espectros de difracción de rayos X presentan un diagrama (Difractograma) constituido por una serie de líneas de interferencia, los espectros de los vidrios sólo presentan bandas difusas. 3.1.- Polarización iónica. Una estructura cristalina o vítrea puede considerarse en principio formada por una serie de iones positivos y negativos que se disponen alternadamente formando un empaquetamiento compacto. Las diferentes posibilidades de agrupamiento vienen determinadas por condicionamientos de tipo geométrico y de tipo eléctrico. Las limitaciones geométricas que regulan estas disposiciones espaciales dependen del tamaño de los iones que las constituyen. Aunque no sea rigurosamente cierto, se acostumbra a considerar esférica la forma de los iones y a definir a éstos radio.precisos, Ya que un un átomo, debidoena la vibración sus nubes electrónicas, carecepor de su límites su ión, radiolosemismo defineque convencionalmente función de lademínima distancia que le separa de otro ión contiguo, tomando dicha distancia de equilibrio como la suma de los radios de ambos iones. El valor del radio de un ión depende en primer lugar del signo de su carga. Así, si se compara su tamaño con el del átomo neutro del que proceden, los iones positivos son siempre más pequeños y tanto más, cuanto más elevada sea su carga, debido a la contracción orbital producida por efecto del exceso de la carga positiva contenida en el núcleo. Contrariamente los iones negativos son siempre más voluminosos que el átomo neutro original.

ION NEGATIVO

ATOMO NEUTRO

ION POSITIVO

Por otra parte, el radio de un ión depende del número de iones de signo opuesto que se sitúen a su alrededor, así como del tamaño y de la carga de estos iones circundantes, puesto que ambas magnitudes determinan a su vez el poder polarizante o capacidad de deformación que ejercen sobre las nubes electrónicas del ión central.


17

17/123

5/12/2018


Los aniones son mucho más polarizables que los cationes. En éstos, debido a su carga positiva en exceso, sus órbitas electrónicas se hallan fuertemente atraídas hacia el núcleo y, por lo tanto, resultan mucho menos sensibles a la acción deformadora de los iones de su alrededor. La polarizabilidad o deformabilidad de los cationes es tanto menor cuanto más elevada sea su carga y más pequeño sea su radio, como por ejemplo sucede en el P5+ y Si4+. En cambio manifiestan, como es lógico, un fuerte poder polarizante sobre otros cationes más débiles y muy especialmente sobre los aniones. A medida que un anión se va deformando, disminuye su polarizabilidad y al mismo tiempo, su capacidad de apantallamiento. 3.2.- Coordinación iónica. En la cristaloquímica la valencia de los elementos pierde parte de su significación, pues el número de iones que rodean a otro de carga opuesta no depende del valor de ésta. En una red cristalina o en un retículo vítreo cada ión positivo se rodea de un determinado número de aniones formando un conjunto al que se denomina poliedro de coordinación. El número de aniones que se disponen alrededor del catión central recibe el nombre de índice u orden de coordinación. El radio de un catión depende, pues, del número de aniones con que se coordine, y su variación en función del indice de coordinación viene dada por la fórmula de Born:

p =   rm  m  r p

1 n −1

donde r p y r m representan los radios del catión en coordinación de orden p y m respectivamente, y n es una constante, cuyo valor es aproximadamente igual a 9. De aquí se deduce que, cuando un determinado catión pasa de una coordinación 6 a otra de orden 8, su radio aumenta multiplicándose por 1.036, mientras que si su coordinación disminuye pasando de 6 a 4, su radio se reduce en el factor 0.95. De la observación de los radios iónicos de los elementos que con más frecuencia intervienen en la composición se deduce la fuerte desproporción que existe entre el gran tamaño del ión O2- y eldedelosla vidrios mayoría(Tabla de los3.2.1) cationes. 

Tabla 3.2.1.- RADIOS IÓNICOS [ A ] DE ALGUNOS ELEMENTOS CORRESPONDIENTES A UN ÍNDICE DE COORDINACIÓN IGUAL A 6.

Como para formar una estructura estable los iones deben agruparse en un empaquetamiento lo más compacto posible, la estructura cristalina o vítrea de todos los compuestos constituidos por óxidos viene determinada fundamentalmente por los voluminosos iones oxígeno que, a su vez, han de disponerse en estrecho agrupamiento alrededor de los cationes situados en los huecos intersticiales. Hay dos características de los iones que determinan la estructura cristalina: ç 1.- El valor de la carga eléctrica de los iones componentes. 2.- Los tamaños relativos de los cationes y aniones.


18

18/123

5/12/2018


Con respecto a la primera característica, el cristal debe ser eléctricamente neutro, o sea, todas las cargas positivas de los cationes deben ser equilibradas por un número igual de cargas negativas de los aniones. La fórmula química de un compuesto indica el cociente entre los cationes y los aniones, o sea, la composición para la cual se produce este equilibrio. Por ejemplo, en el fluoruro de calcio, cada ión de calcio tiene una carga de +2 (Ca2+) mientras que cada ión de flúor tiene asociada una Bola carga negativa (F -). Por consiguiente, el numero de iones F - debe ser el doble del de iones Ca2+, lo cual se refleja en la formula química CaF2. El segundo criterio depende del tamaño de los radios iónicos de los cationes y aniones, r C y r A, respectivamente. Puesto que los elementos metálicos proporcionan electrones al ser ionizados, los cationes son generalmente menores que los aniones, por tanto el cociente

r C r A

es menor que la unidad. Cada catión prefiere tener a su

alrededor tantos aniones vecinos mas próximos como sea posible. Los aniones también desean un número máximo de cationes como vecinos más próximos. Las estructuras estables de los materiales se forman cuando los aniones que rodean un catión están todos en contacto con el catión, tal como se ilustra en la figura 3.2.1.

Figura 3.2.1.- Configuraciones estables e inestables de la coordinación entre aniones y cationes. El numero de coordinación (o sea, el número de aniones mas próximos a un catión) esta relacionado con el cociente entre los radios de los cationes y de los aniones. Para cada numero de coordinación especifico, existe un valor critico o mínimo de

r C r

para el cual este contacto entre catión y anión se establece.

Las diferentes disposiciones geométricas que pueden adoptar los aniones al disponerse tangencialmente entre sí y al catión central dependen de los tamaños relativos de sus radios. La correspondencia que existe entre esta relación de radios

r C

, el índice de coordinación y la disposición geométrica adoptada se representa en la

r

tabla 3.2.2. En la figura 3.2.2 puede verse las geometrías de coordinación para varios cocientes entre los radios del catión y del anión.


19

19/123

5/12/2018


Tabla 3.2.2 .- COORDINACIÓN ADOPTADA POR LOS CATIONES EN FUNCIÓN DE LA RELACIÓN DE RADIOS

Para cocientes

r C r

menores que 0.155, el catión, el cual es muy pequeño, esta unido a dos aniones de una forma

lineal. Si

r C r A

tiene un valor entre 0.155 y 0.225, el numero de coordinación del catión es 3 (Triangular) Esto significa que

cada catión esta rodeado por tres aniones en forma de un triangulo equilátero plaño, con el catión situado en el centro. A medida que va aumentando el radio del catión, las tres esferas aniónicas se van separando y dejan de ser tangentes entre sí manteniendo su tangencia sólo con el catión central hasta que, al alcanzarse la relación 0.225 el hueco es de tal tamaño, que hace posible la coordinación tetraédrica. A partir de ese valor el catión central se rodea de cuatro aniones que se disponen en los vértices de un tetraedro regular. Tres de estas cuatro esferas tienen su centro en un mismo plano y la cuarta en un plano superior. El catión se sitúa en el hueco que dejan libre las cuatro esferas, tangentemente a ellas. El numero de coordinación es 4 (Tetraedrica) para

r C r A

entre 0.225 y 0.414. En este caso cada catión esta colocado

en el centro de un tetraedro, con los aniones en los cuatro vértices. Al alcanzarse la relación 0.414 el hueco es de tal tamaño, que hace posible la coordinación octaédrica. Para

r C

entre 0.414 y 0.732, el catión esta en el centro de un octaedro rodeado por seis aniones, uno en cada

r

vértice, tal como también se muestra en la figura 3.2.2. Al alcanzarse la relación 0.732 el hueco es de tal tamaño, que hace posible la coordinación cúbica. El número de coordinación es 8 (Cúbica) para

r C r

entre 0.732 y 0.902, con aniones en todos los vértices de un

cubo y un catión en el centro. Para un cociente de radios mayor que 0.902 el numero de coordinación es 12.


20

20/123

5/12/2018


Figura 3.2.2.- Números y geometrías de coordinación para varios cocientes entre los radios del catión y del anión. La manera de calcular el límite inferior de la relación de radios se reduce a un sencillo cálculo geométrico. En el caso de que un catión se halle unido a un solo anión o a dos aniones en disposición lineal o angular no cabe limitación alguna la elrelación susradios. radios, ya que dos esferas o tres esferas pueden ser siempre tangentes, cualquiera queensea valor dedesus


21

21/123

5/12/2018


Coordinación triangular. En una coordinación triangular el catión se sitúa en el centro de un triángulo equilátero en cuyos vértices se disponen tangentemente entre sí los tres aniones coordinados (Figura 3.2.3).

Figura 3.2.3.- Representación esquemática de la coordinación triangular. El límite inferior de la relación que deben guardar sus radios se calcula del modo siguiente: cos30 =

AB OA

=

r A rC

+ rA

luego: 1 − cos30 r A = cos30

r C

r cos30 = r (1 − cos30) C

A

≈ 0.155

Coordinación tetraédrica. En una coordinación tetraedrica el catión esta colocado en el centro de un tetraedro, con los aniones en los cuatro vértices (Figura 3.2.4). El límite inferior de la relación que deben guardar sus radios se calcula del modo siguiente: AM

=

AO

AD AC

y como AM = r A AD = 2r A y AO = r A + r C resulta :

2r A r A + r C = AC r A

Por otra parte: 2

AN = AD2 − ( AD 2 ) = 4 A2r − A2r = Ar 3 MN = AN2 − AM2 = 3r 2A − r 2A = r A 2 Luego: AC = AD2 + MN2 = (2 rA)2 + 2 r2A = 6 r2A = rA 6


22

22/123

5/12/2018


Figura 3.2.4.- Representación esquemática de la coordinación tetraedrica. Sustituyendo el valor hallado de AC en la expresión 2r A = r A + r C se tiene: AC r A

2r A r A 6

=

r A + r C r A


2 6

=

r A + r C r A

de donde:

r C r A

=

6 −2 2

=

6 2

− 1 ≈ 0.225

23

23/123

5/12/2018


Coordinación octaedrica. En una coordinación octaedrica el catión esta colocado en el centro de un octaedro, con los aniones en sus seis vértices (Figura 3.2.5).

Figura 3.2.5.- Representación esquemática de la coordinación octaedrica. El límite mínimo de la relación dearadios para que el catión pueda rodearse de seis aniones adoptando una coordinación octaédrica se calcula partir de: cos45 =

AB OA

=

r A rC

+ rA

luego: rC cos45 = r A (1 − cos45)

r C r A

=

1 − cos45 cos45

≈ 0.414

Por encima de este valor resulta estable la coordinación octaédrica, la cual se mantiene hasta que la relación de radios llega a ser 0.732.


24

24/123

5/12/2018


Coordinación cúbica. En una coordinación cúbica el catión se rodea de ocho aniones colocados en los vértices de un cubo (Figura 3.2.6).

Figura 3.2.6.- Representación esquemática de la coordinación cúbica. El límite mínimo de la relación de radios para que el catión pueda rodearse de ocho aniones adoptando una coordinación cúbica se calcula a partir de: AC

r A

AD´ = Ar + C r

r A r A + r C

=

2r A 2r A 3

y como AC = 2r A y AD’ = LCUBO 3 = 2r A 3

r A r A + r C

=

2 2 3

de donde:

r C r A

resulta:

= 3 − 1 ≈ 0.732

Desde que se alcanza esta relación resulta posible la coordinación cúbica y el catión se rodea de ocho aniones. Esta coordinación es estable hasta que se alcanza la relación 0.902 y se hace posible la coordinación icosaédrica de doce aniones.


25

25/123

5/12/2018


Coordinación icosaedrica. En una coordinación icosaedrica el catión se rodea de doce aniones colocados en los vértices de un icosaedro (Figura 3.2.7).

Figura 3.2.7.- Representación esquemática de la coordinación icosaedrica.


26

26/123

5/12/2018


El límite mínimo de la relación de radios para que el catión pueda rodearse de doce aniones adoptando una coordinación icosaedrica se calcula a partir de: 2r A + 2rC = D Por otra parte: d 2 + L2

D=

= d 2 + 4r 2 A

donde d es la diagonal de un pentágono de lado L = Arista. De la figura se deduce: 2 L 5 d1 = L2 + ( L 2 ) = L2 + L 4 = 2 2

( )

por lo que: d=

L L 5 + 2 2

L 1+ 5 2

(

=

) = 22r ( 1+ 5 ) = r (1 + 5 ) A

A

Sustituyendo este valor de d en la expresión que nos da D se obtiene: D=

2

d 2 + 4r A2 = r 2 A(1 + 5 ) + 4r 2 A= r A 10 + 2 5

y, finalmente, sustituyendo este valor de D en 2r A + 2rC = D , resulta: r A 10 + 2 5 = 2r A

+ 2r C

o bien: 2r C = r A ( 10 + 2 5 − 2) r C r A

Alcanzada la relación

r C

=

10 + 2 5 2

− 1 ≈ 0.902

≈ 0.902 se hace posible la coordinación icosaedrica de 12 aniones.

r A

Considerando los cationes que más frecuentemente forman la red de los vidrios, pueden predecirse, a partir de sus radios, las configuraciones que han de adoptar, suponiendo que los aniones que les rodeen sean siempre O2-: Silicio: =

Boro: =

r ( Si 4+ )IV RO2−

r ( B 3+ )


0.37 = 0.28 1.32

(coordinación tetraédrica)

III

RO2−

=

r ( P 5+ ) Fósforo: =

=

RO2−

0.23 1.32

= 0.17 (coordinación triangular)

IV

0.32 = 1.32 = 0 24 (coordinación tetraédrica)

27

27/123

5/12/2018


El catión Al3+ puede disponerse en coordinación tetraédrica o en coordinación octaédrica, ya que la relación de su tamaño con respecto al del oxígeno se halla muy próxima al valor límite de estabilidad de ambas coordinaciones: r ( Al 3 + )

IV

RO2− r ( Al 3+ )VI RO2−

=

0.54 = 0.41 (coordinación tetraédrica) 1.32

=

0.57 = 0.43 (coordinación octaédrica) 1.32

Así, pues, son las coordinaciones triangular y tetraédrica las que predominan en la estructura de la mayoría de los vidrios. 4.- La unidad básica estructural de los vidrios de silicato. Los silicatos son materiales compuestos principalmente por silicio y oxigeno, los dos elementos más abundantes en la corteza terrestre. En lugar de caracterizar las estructuras cristalinas de estos materiales en

4-

4 términos4.1de). celdillas unidad, es más utilizar varias combinaciones de están tetraedros de en SiOlos (Figura Cada átomo de silicio estaconveniente unido a cuatro átomos de oxigeno, los cuales situados vértices del tetraedro. El átomo de silicio esta colocado en el centro. Puesto que esta es la unidad básica de los silicatos, frecuentemente se considera una entidad cargada negativamente (- 4).

Figura 4.1 .- Un tetraedro silicio-oxigeno SiO4 . A menudo los silicatos no son considerados iónicos puesto que tienen un significativo carácter covalente en los enlaces Si -- O, los cuales son direccionales y relativamente fuertes. Las varias estructuras de los silicatos se originan a partir de las distintas maneras en que las unidades de SiO 4 pueden combinarse en distribuciones de una, dos o tres dimensiones. Los cuatro electronesapareándose que presentados el átomo de en silicio en su capa se disponen, ésteorbitales se halla 3p en estado fundamental, de ellos un orbital 3s y externa situándose los otros cuando dos en los diferentes. Esta disposición electrónica sólo le permitiría al silicio la formación de dos enlaces covalentes y de uno coordinado. http://slide pdf.c om/re a de r/full/te ma 5vidr io

28

28/123

5/12/2018


3s2

3p6

La aportación de una pequeña cantidad de energía basta sin embargo para producir el desacoplamiento de uno de los electrones s y elevarle al nivel de un orbital p, lo que determina un estado de excitación del átomo y una mayor reactividad (Figura 4.2.b). En este estado se produce por interacción entre el orbital esférico s y los tres3 orbitales alargados p una hibridación de los mismos para dar lugar a la formación de cuatro orbitales q o sp (Figura 4.2.c) de igual forma y con el mismo contenido energético. Puesto que sus cuatro electrones respectivos tienen el mismo spin, estos cuatro orbitales se repelen mutuamente alejándose entre sí lo más posible. El mayor alejamiento se consigue cuando se orientan hacia los cuatro vértices de un tetraedro (Figura 4.3). Cada uno de estos orbitales puede albergar a dos electrones con spines antiparalelos. En el caso de los silicatos el segundo electrón de cada orbital es aportado por un átomo de oxígeno, estableciéndose entre éste y el silicio un enlace mixto iónico - covalente.

Figura 4.3.- Diferentes estados de los electrones en los orbitales de un átomo de silicio: (a) estado fundamental; (b) estado de excitación o de valencia (c) estado de hibridación sp3.

2s 2px

2pz

2py

Orbitale s atómicos de l carbono e n s u e stado Fundame ntal

3 sp

s p3

R e acomodo Es pacio-Ene rgé tico

109.5o 109.5o C

Carbono con 4 orbitale s hibridos s p3, dirigidos hacia los

Te trahe dro re gular

ve rtice s de un te trahe dro re gular

Figura 4.3.- Orientación espacial de los cuatro orbitales híbridos sp3 de un átomo de silicio. http://slide pdf.c om/re a de r/full/te ma 5vidr io

29

29/123

5/12/2018


La estructura tetraédrica proporciona al grupo [SiO 4] una gran estabilidad, no sólo por el perfecto acoplamiento geométrico de esta coordinación, sino también desde el punto de vista electrostático, ya que la cuadruple carga positiva del silicio queda neutralizada por las cargas procedentes de cada uno de los cuatro oxígenos circundantes. 5.- Estructura de los vidrios. La estructura de un vidrio de óxidos puede considerarse formada principalmente por voluminosos iones oxígeno dispuestos en coordinaciones predominantemente tetraédricas o triangulares, unidas entre sí por pequeños iones formadores (Si4+, B3+, P5+, etc.), aportados por los óxidos formadores. El conjunto constituye una red distorsionada entre cuyos huecos se sitúan los iones modificadores alcalinos o alcalinotérreos. Vidrios de silicato. Muchos vidrios inorgánicos están basados en el oxido de silicio, SiO2, como formador de vidrio. La unidad fundamental en los vidrios de sílice es el tetraedro SiO44-, en donde un alomo (ión) de silicio (Si4+) se encuentra covalentemente enlazado a cuatro átomos de oxigeno, como se ve en la figura 5.1.1.

Figura 5.1.- Tetraedro silicio-oxigeno SiO4 En las variedades de sílice cristalina, los tetraedros de SiO 44- se encuentran unidos compartiendo vértices en una disposición regular, produciendo una red en el espacio con un orden de largo alcance, como se representa en la figura 5.2.a. A altas temperaturas, estas cadenas se deslizan fácilmente entre si debido a las vibraciones térmicas. Sin embargo, a medida que se enfría la fusión, la estructura se vuelve rígida. En un vidrio corriente de sílice, los tetraedros están unidos por sus vértices formando una red dispersa sin orden de largo alcance (parte inferior de la figura 5.2.b). A la extensión continua y a la propagación tridimensional de sus unidades tetraédricas, unidas entre sí por los cuatro vértices, debe la sílice vítrea sus buenas características mecánicas, su bajo coeficiente de dilatación térmica y su elevada resistencia química. Por estas cualidades, entre otras, serian los vidrios de sílice pura los más deseables para muchas aplicaciones. La principal limitación práctica que presentan es su elevado punto de fusión y su gran viscosidad, por lo que requerirían temperaturas de elaboración hoy por hoy inalcanzables en las condiciones habituales de fabricación.


30

30/123

5/12/2018


(a)

(b) Figura 5.2.- Esquema bidimensional de una red de sílice en forma cristalina (a) y formando un vidrio (b). La adición de óxidos modificadores a la sílice determina roturas parciales de la red que debilitan su cohesión, disminuyen su estabilidad y consecuentemente rebajan su temperatura de reblandecimiento. El oxígeno aportado por estos óxidos representa un exceso sobre el de la red del vidrio. Por ello, por cada molécula de óxido modificador que se añada a la sílice, se rompe un enlace Si-O-Si para poder incorporar el oxígeno adicional. De esta manera los dos silicios vecinos ya no quedan unidos a un mismo oxígeno, sino a dos diferentes: + ≡ Si—O—Si ≡ + Na2O ⇒ ≡ Si—O Na + Na+O- — Si ≡

Así demás, se creanconstituyendo dos oxígenos no puente a su vez, se reticular unen a un(Figura solo átomo lugar de a dos los puntos de que, discontinuidad 5.3). de Lasilicio, carga en negativa libre de como cada oxígeno no puente se neutraliza con la positiva del catión modificador. Por su parte, los cationes modificadores tenderán a rodearse, en el interior de los huecos donde se alojen, de tantos oxígenos como determinen sus exigencias de coordinación. Cuanto mayor sea la proporción de óxido alcalino incorporado, mayor será el número de puntos de rotura y más se debilitará la red. Ello se manifiesta en una disminución de la temperatura de reblandecimiento, en un debilitamiento de la rigidez mecánica, en un aumento del coeficiente de dilatación térmica, en un empeoramiento de la resistencia al choque térmico y en un mayor riesgo de desvitrificación. De acuerdo con esto un vidrio de sílice puede incorporar cantidades crecientes de óxidos modificadores hasta una determinada proporción para no la cual resulte tan pequeña se produzca la desvitrificación. Los cationes entranla encohesión la red, reticular pero permanecen como iones que metálicos enlazados iónicamente en intersticios de la red. Estos iones promueven la cristalización del vidrio al Ilenarse algunos de los intersticios. http://slide pdf.c om/re a de r/full/te ma 5vidr io

31

31/123

5/12/2018


La adición de óxidos alcalinotérreos y, en general, de cationes divalentes también origina roturas de la red, pero el deterioro reticular resulta en parte compensado porque, gracias a su doble carga positiva, tales cationes actúan como iones puente entre dos oxígenos (Figura 5.4 ). Algunos óxidos no pueden formar vidrios por si mismos, pero pueden incorporarse a una red existente. Estos óxidos son conocidos como óxidos intermediarios. Un importante papel en la estructura de los vidrios de silicato es el que desempeña el Al 2O3, incluso incorporado en cantidades relativamente pequeñas. El ión Al3+ puede adoptar, de acuerdo con su radio iónico, la función de modificador de red en coordinación octaédrica, siempre que exista un número suficientemente elevado de oxígenos no puente o, lo que es lo mismo, una elevada proporción de iones modificadores. Por otra parte, también puede actuar como formador en coordinación tetraédrica reemplazando parcialmente al silicio. Sin embargo, como la proporción de oxigeno que contiene el Al2O3 por cada aluminio es menor que la que corresponde a cada silicio en el SiO2, el alumimo tiene que tomar prestados oxígenos no puente de la red para poder completar su configuración tetraédrica. Por eso, cuando se sustituyen dos moléculas de SiO2 por una de Al2O3, se produce la pérdida de un oxígeno no puente y se sutura así uno de los puntos de rotura de la red (Figura 5.4). Por lo tanto, la incorporación de Al2O3 al vidrio aumenta su cohesión reticular y fortalece la estructura. Los óxidos intermedios se adicionan a los vidrios para obtener unas propiedades especiales. Por ejemplo, los vidrios de aluminosilicato pueden resistir mayores temperaturas que el vidrio común.

Figura 5.3.- Reticulo distorsionado de un vidrio de sílice modificado por la incorporación de Na 2O. El cuarto atomo de oxigeno de cada tetraedro [SiO 4+] se halla situado por encima o por debajo 4 del plano de la figura.


32

32/123

5/12/2018


Figura 5.4.- Representación esquematica de la estructura de un vidrio de silicato conteniendo Na2O, CaO y Al2O3. 6.- Tipos de vidrios. Una carga de vidrio comercial puede llegar a constar de una mezcla de siete a doce materias primas diferentes, pero en general esta formada por cuatro a seis , elegidos de materiales como la arena, la piedra caliza, la dolomita, la ceniza de sosa, el ácido bórico, el bórax, materiales feldespáticos y compuestos de plomo y bario. Además de estos, en la mayor parte de las cargas comerciales, es común que se incluya vidrio de desecho en la cantidad de 15 – 30 %. El vidrio de desecho (CALCIN) se compra o se obtiene de la práctica de producción normal. La lista que se va a dar refleja las composiciones aproximadas y propiedades más significativas de los tipos principales de vidrio. Se dan los porcentajes en peso de los óxidos y elementos principales. Las propiedades detalladas dependen de la composición exacta y pueden ser sensibles a cambios pequeños en las materias primas secundarias. Composición de los vidrios. La constitución química de los vidrios puede representarse por la formula general: Anhidrido + MO + M'2O El anhidrido es el SiO2, que puede reemplazarse en mayor o menor grado por B2O3, TiO2, P2O5 o As2O3. Los metales monovalentes ( M´) son generalmente el Na y K, y los divalentes ( M) Ca, Ba, Mg, Pb, Zn, Cu o Zr.


33

33/123

5/12/2018


El vidrio no puede expresarse correctamente por medio de fórmulas, por variar sus componentes entre límites más o menos amplios El vidrio ordinario puede responder a una formula aproximada: 1 2.5SiO2 .   CaO. 5Na2O 2 El vidrio de ventanas se representa por la fórmula: 5SiO2 .CaO .Na2O

y el cristal por la siguiente: 6SiO2 .PbO .K 2O A continuación se da la relación de los distintos tipos de vidrios. Vidrio de sílice pura. SiO 2: 99.5% + Utilizado principalmente por su baja expansión térmica, alta temperatura de servicio y, cuando es muy puro, por su transparencia a un amplio rango de longitudes de onda en el espectro electromagnético y a las ondas sonoras (Alta transmisión espectral). También tiene buena resistencia química, eléctrica y dieléctrica. Su desventaja es la muy elevada temperatura necesaria para su fabricación, aun cuando se puede producir por hidrólisis del SiCl4, pero en cualquiera de los dos casos es caro. Se usa para los espejos ligeros para los telescopios transportados por satélites, reflectores de rayos láser, crisoles especiales para la fabricación de cristales sencillos puros de sílice para transistores y como un tamiz molecular que deja pasar el hidrogeno y el helio. Vidrio de sosa, cal y sílice. SiO 2 : Na 2O: CaO:

70 % 15 % 10 %

La adición de sosa (Na2O) y, a veces, potasa (K 2O) y de CaO a la sílice baja el punto de ablandamiento en 800-900 °C (desde 1600 °C hasta alrededor de 730 °C ), por lo que es más fácil su fabricación. A este tipo de vidrios se les adiciona entre 1 y 4 % de MgO para prevenir la desvitrificación y también se les incorpora de 0.5 a 1.5 % de alúmina para aumentar su duración aumentando su resistencia química. Las propiedades eléctricas pueden variar ampliamente con la composición. Son los vidrios de fabricación más corrientes y constituyen alrededor del 90% de todo el vidrio producido. Se utilizan para vidrios planos, objetos prensados y soplados y productos ligeros para los que no se precise una alta resistenciaesquímica y una resistencia al calor,óptico como moderno ventanas,suele frascos, bombillas El "crownglass" de este tipo, aunalta cuando el crownglass contener oxido eléctricas, de bario, enetc. lugar de cal. Vidrio de borosilicato. SiO2: B2O3: Al 2O3:

60 – 80 % 10 – 25 % 1–4%

La sustitución de óxidos alcalinos por oxido de boro en la red vítrea de la sílice da lugar a vidrios de más baja expansión térmica.elCuando B2O3 entra en de la los red vidrios de la de sílice, su de estructura y reduce considerablemente punto deel reblandecimiento sílice.debilita El efecto debilitamiento se atribuye a la presencia de boros tricoordinados planares.


34

34/123

5/12/2018


Tiene baja expansión térmica, alrededor de un tercio de la del vidrio a la sosa y cal, se puede hacer con buena resistencia química y una elevada resistencia dieléctrica y se usa en donde se necesitan combinaciones de estas dos propiedades. Su elevada temperatura de ablandamiento lo hace más difícil de trabajar que los vidrios a la sosa y cal y al plomo. Se utiliza para utensilios de vidrio para laboratorios, tubería industrial, termómetros para temperaturas elevadas, espejos de telescopios grandes, utensilios domésticos para cocina, como los "Pyrex", bulbos para lámparas muy calientes y tubos electrónicos de alto watiaje. Los vidrios borosilicatados (vidrios Pyrex) tienen buena resistencia al choque térmico (pequeños coeficientes de dilatación térmica) y buena estabilidad química y se usan ampliamente en la industria química para equipos de laboratorio, tuberías, hornos y faros de lámparas reflectoras. Vidrio de aluminosilicato. SiO2: Al2O3: CaO: B2O3:

5 - 60 % 20- 40 % 5 - 50 % 0 - 10 %

Otroelvidrio expansión y químicamente que tieneesuna de servicio que vidriodedebaja borosilicato pero que, de maneraresistente correspondiente, mastemperatura difícil de fabricar. Se usamas paraelevada tubos de alto rendimiento de aplicación militar, tubos para ondas viajeras y para muchas aplicaciones semejantes a las del vidrio de borosilicato. El vidrio de aluminosilicato sin boro es especialmente resistente a los álcalis. Casi lodos los utensilios de vidrio para laboratorio se fabrican de vidrio de borosilicato, de vidrio de aluminosilicato o de un vidrio conocido como de aluminoborosilicato, que contiene cantidades muy aproximadamente iguales de Al2O3 y de B2O3. La elección depende de la aplicación, de este modo, el de aluminosilicato se usa para aplicaciones a temperaturas elevadas o cuando se necesita un vidrio resistente a los álcalis. El de alumino-borosilicalo es ligeramente mejor que el de borosilicato respecto a la resistencia química pero tiene una expansión térmica un poco mayor. Composición y propiedades de algunos vidrios comerciales. En la tabla 6.1 se recoge la composición de algunos tipos de vidrios más importantes. Tabla 6.1.- Composición y característica de algunos vidrios comerciales comunes.


35

35/123

5/12/2018


En la tabla 6.3 se recoge un conjunto de propiedades de dos tipos de vidrios. En ella se puede ver que un vidrio común de ventanas, que tiene 70 % de sílice, por lo que esta muy modificado, es sencillo trabajar con el a 700 °C. Sin embargo el vidrio Pyrex, con 80 % de sílice, tiene menor cantidad de modificadores, mejor resistencia al choque térmico (ya que su expansión térmica es menor), pero es más difícil trabajar con el, ya que requiere una temperatura superior a los 800 °C. Tabla 6.3.- Algunas propiedades de los vidrios más característicos.

Como curiosidad, en la figura 6.1 puede verse un vidrio con cristales líquidos, en la que se da su composición, su funcionamiento y uno de sus posibles usos. VIDRIOS CON CRISTALES LIQUIDOS 

Composición de base



vidrio

Funcionamiento OFF

ON

films intercalarios film con cristales líquidos

TRASLUCIDO

TRANSPARENTE

film PET capa ITO matriz polímero CRISTALES LIQUIDOS

ON

? ? ?

OFF

Figura 6.1.- Vidrio con cristales líquidos. Principio de funcionamiento.Usos. http://slide pdf.c om/re a de r/full/te ma 5vidr io

36

36/123

5/12/2018


.7.- Materias primas. Las materias primas empleadas para la fabricación de los vidrios convencionales pueden clasificarse, siguiendo un criterio basado en el papel que desempeñan durante el proceso de fusión, en cuatro grupos principales: 1.- Vitrificantes 2.- Fundentes 3.- Estabilizantes 4.- Componentes secundarios Desde el punto de vista estructural, los vitrificantes corresponden a los óxidos formadores de red, los fundentes, a los óxidos modificadores, y los estabilizantes a aquellos óxidos que, bien porque pueden actuar de ambas maneras, o bien por su carácter intermedio, no son asimilables a ninguno de los dos grupos anteriores. Entre los componentes secundarios se incluyen las materias primas que se incorporan en proporciones generalmente minoritarias, con fines específicos, pero cuya intervención no es esencial en lo que a la formación de vidrio se refiere. Tales componentes pueden ser afinantes, colorantes, decolorantes, opacificantes, grangrupo variedad y la diferente forma en que pueden asentarse en el retículo vítreo impidenfluidificantes, clasificarlos enetc. unSu único estructural. En la tabla 7.1 pueden verse compendiados los elementos que comprende cada uno de estos grupos, y a continuación estudiaremos cada uno de ellos separadamente dando las indicaciones generales y sus efectos sobre el vidrio. Según su procedencia se pueden clasificar en: A.- Materiales de minas y canteras: Arena, caliza, dolomía, feldespatos, etc. B.- Productos químicos fabricados: Carbonato de sodio, borax, ácido bórico, hidrato de aluminio, etc. C.- Subproductos: Vidrio de desecho (calcin), escoria de horno alto beneficiada, etc. Vitrificantes. Bajo esta denominación genérica se agrupan todas las sustancias típicamente formadoras de vidrio La sílice es el constituyente principal de la mayoría de los vidrios comerciales, en los que interviene formando aproximadamente las tres cuartas partes de su composición. La sílice libre o combinada constituye la especie química más abundante de la corteza terrestre, en la que interviene en un 6O %, formando parte de una gran diversidad de minerales, de rocas y de restos de origen orgánico. Las fuentes principales de esta materia prima son el cuarzo, las cuarcitas, las arenas y areniscas de cuarzo, de origen sedimentario, y la tierra de infusorios. Sin embargo, de todas ellas, y exceptuando las pequeñas aportaciones indirectas de sílice que resultan del empleo de feldespatos y de algunos otros silicatos que ocasionalmente forman parte de la mezcla, puede considerarse que es la arena de cuarzo la única que masivamente consume la industria vidriera. Los tres factores principales que limitan la utilidad de una arena como materia prima para la fabricación de vidrio son sus características mineralógicas, químicas y granulométricas.


37

37/123

5/12/2018


Tabla 7.1.- Elementos constituyentes del vidrio.


38

38/123

5/12/2018


Fundentes. La finalidad de este grupo de componentes es favorecer la formación de vidrio, rebajando su temperatura de fusión, y facilitar su elaboración. Los óxidos que así actúan son los modificadores de red y, dentro de ellos, son los alcalinos los que mejor cumplen este cometido. La adición de fundentes viene limitada por la estabilidad del vidrio. La incorporación de óxidos modificadores a la red vítrea determina la apertura de enlaces Si – O - Si y, por lo tanto, la creación de iones oxígeno no puente. Ello trae consigo una disminución de la cohesión del retículo que se manifiesta generalmente en un detrimento de las propiedades del vidrio (aumento del coeficiente de dilatación térmica, debilitamiento de la resistencia mecánica y de la estabilidad química, disminución de la viscosidad, mayor tendencia a la desvitrificación, etc.). Estabilizantes. Se considerarán el que más frecuentemente interviene en la composición de los vidrios industriales que es el aluminio. El ión aluminio puede actuar como modificador de red en coordinación octaédrica o como formador de red en coordinación tetraédrica [AlO4] alternando con los iones silicio. La formación de coordinaciones tetraédricas exige una mayor proporción de oxígeno que la que corresponde a la fórmula del óxido introducido (Al 2O3). Para satisfacer estos requerimientos, parte de los oxígenos no puente se unen al ión aluminio, convirtiéndose en oxígenos puente que hacen disminuir el número de enlaces y aumentar la cohesión del retículo vítreo. La incorporación de alúmina al vidrio lleva aparejado, por lo tanto, un aumento de la resistencia mecánica, un mejoramiento de la estabilidad química, una elevación de la refractariedad, una disminución del coeficiente de dilatación térmica y, consecuentemente, una mejor resistencia al choque térmico. Por otra parte, la presencia de trabajo alúminay reduce la tendencia a la desvitrificación, aumentaEsto la viscosidad del vidrios vidrio, ensancha su intervalo de eleva considerablemente su tensión superficial. hace que los aluminosos, además de requerir temperaturas de fusión más altas, presenten mayores dificultades para su afinado. En la mayoría de los vidrios sódico-cálcicos comerciales es frecuente la incorporación de Al2O3 en una proporción del 1 al 3 %. Este contenido es mucho mayor en los vidrios especiales que hayan de estar sometidos a altas temperaturas durante su uso. Dependiendo de la proporción de alúmina que haya de introducirse en el vidrio y de las especificaciones requeridas en cada caso, se pueden emplear diferentes fuentes aluminosas naturales o de síntesis. Las materias primas que más se utilizan habitualmente para aportar alúmina al vidrio son los feldespatos, cuyos representantes más típicos son los de las series de las ortoclasas y de las plagioclasas, así como la anortita (CaO.Al2O3.2SiO2). Su uso es recomendable porque son compuestos que funden a temperaturas relativamente bajas y se incorporan fácilmente al vidrio sin producir perturbaciones. Componentes secundarios. Además de las materias primas, en forma de óxidos comentadas anteriormente, en la fabricación de los vidrios entran a formar parte otras sustancias, que dan al vidrio el aspecto y textura de una variada gama de manufactura. Así, n la composición de los vidrios intervienen habitualmente otros constituyentes minoritarios con funciones determinadas: colorantes, decolorantes, opacificantes, clarificantes, fluidificantes, etc. En la tabla 7.2 se muestran los distintos compuestos utilizados en la coloración del vidrio.


39

39/123

5/12/2018


Tabla 7.2.- Elementos utilizados en la coloración del vidrio.

Los opacificantes incorporados a la masa vítrea, comunican aspectos opacos. Como opacificantes se emplean: el talco, criolita, fosfato tricalcico y fluoruro calcico; este ultimo se emplea también como fundente y clarificante debido no a su fusibilidad (1300 °C), sino a que volatiliza al oxido silícico en forma de fluoruro de silicio, que es un gas que clarifica y homogeniza la masa, pero la perdida de oxido silícico la calidad vidrio único. y además el fluoruro calcico ataca a los crisoles, por lo que se debe de disminuye evitar emplearlo comodel fundente En la tabla 7.3 se exponen las composiciones de algunos vidrios industriales. Tabla 7.3.- Composiciones de algunos vidrios industriales.

Finalmente en la tabla 7.4 se da un análisis (Composición centesimal) de la luna incolora y de varios colores.


40

40/123

5/12/2018


Tabla 7.4.- Composición centesimal de la luna incolora y de varios colores.

8.- Proceso de elaboración del vidrio. La elaboración del vidrio es un proceso largo y complejo que comienza con el enfornamiento de la mezcla y termina con la salida del producto frío a la desembocadura del túnel o del arca de recocido. El proceso puede considerarse dividido en seis etapas más o menos diferenciadas (Figura 8.1): 1.- Reacción de los componentes y formación de vidrio. 2.- Disolución del excedente de sílice sin reaccionar. 3.- Afinado y homogeneización. 4.- Conformación. Reposo y acondicionamiento térmico. 5.6.- Enfriamiento y recocido. Las cuatro primeras etapas se suceden sin solución de continuidad dentro del horno con arreglo a un programa térmico cuidadosamente establecido que, de modo general, comprende un aumento progresivo de la temperatura hasta un máximo de unos 1550 ºC, seguido de un enfriamiento y de un período de estabilización en el que la masa vítrea debe alcanzar la rigurosa homogeneidad térmica requerida para su inmediata conformación. El conjunto de esas cuatro etapas recibe el nombre de fusión del vidrio. Tal denominación es incorrecta, ya que no sefases trata cristalinas, de una fusión propiamente dicha, asino una líquida. serie de Por reacciones que, la formación de distintas conducen finalmente unadefase analogía contrasalgunos procesos metalúrgicos resultaría más propio hablar de fundición o, más correctamente, de vitrificación o de formación de vidrio. Sin embargo, el extendido uso de ese término en el lenguaje vidriero común hace muy difícil que pueda desarraigarse y ser sustituido por otro. http://slide pdf.c om/re a de r/full/te ma 5vidr io

41

41/123

5/12/2018


Figura 8.1.- Etapas básicas del proceso de producción de vidrio. Dependiendo del tipo de vidrio fabricado, las etapas de conformado, enfriamiento y transformación sufren pequeñas variaciones tal y como se indica en los siguientes diagramas de flujo:


42

42/123

5/12/2018


Una vez que las materias primas están pesadas, mezcladas y con la cantidad de a gua necesari a pa ra obtener una humedad correcta, (4 - 4.5 %), son llevadas al horno mediante una cinta transportadora e introducidas en el mismo mediante una máquina llamada enfornadora (Figura 8.2 ). La subida de temperatura en la mezcla que se va a fundir es muy lenta, porque el aire en ella incluido actúa de aislante. La acumulación de calor es muy grande y el interior de la masa permanece durante largo tiempo frío.

Figura 8.2.- Enfornadora: (a).- Vista lateral (b).- Vista superior La formación del vidrio comprende una serie de transformaciones físicas y reacciones químicas a alta temperatura, en virtud de las cuales la mezcla vitrificable se convierte en una masa vítrea. Durante este proceso los componentes de la mezcla experimentan múltiples modificaciones, tanto físicas como químicas. Entre los fenómenos físicos se pueden citar los siguientes: -- La de cada de constituyente y la de los(Transformaciones productos de reacción La fusión modificación su estado cristalino cristalinas) - Desprendimiento de gases - Una volatilización parcial. http://slide pdf.c om/re a de r/full/te ma 5vidr io

43

43/123

5/12/2018


Entre los fenómenos químicos se tienen: - Evaporación de agua de humedad. - Una deshidratación de ciertos constituyentes (Sales hidratadas). - Una disociación de carbonatos, sulfatos y en fabricaciones de color de nitratos. - Una asociación de los óxidos liberados (Reacciones entre las distintas especies químicas). La simultaneidad con que se producen algunas de estas transformaciones fisicoquímicas, por una parte, y el elevado número de componentes que intervienen en los sistemas de la mayoría de los vidrios, por otra, hacen muy complejo el estudio de los equilibrios de todas estas reacciones. 9.- Procedimientos de conformado del vidrio plano. Bajo la denominación de vidrio plano se incluye todo aquél que haya sido conformado laminarmente. Las láminas no tienen que ser rigurosamente planas, sino que pueden estar curvadas o presentar un relieve impreso en su superficie. Con arreglo a su procedimiento de fabricación el vidrio plano puede clasificarse en la forma indicada en la tabla 9.1. TABLA 9.1.- Procedimientos de fabricación del vidrio plano.

De los procedimientos anteriores el más utilizado hoy en día es de flotado. Procedimiento de flotado (Figura 9.1). En el año 1959 y tras un gran esfuerzo tecnológico, la firma británica Pilkington Brothers dio a conocer un nuevo procedimiento de fabricación de vidrio plano por el método de flotado que había de constituir una auténtica revolución industrial de este sector, ya que en la actualidad prácticamente todos los vidrios usados en la construcción son fabricados por flotado.


44

44/123

5/12/2018


Figura 9.1.- Procedimiento de fabricación de vidrio plano flotado. La importante y original aportación de este procedimiento radica en la posibilidad de obtener directamente una lámina de vidrio pulida por ambas caras, sin necesidad de ser sometida a ninguna operación posterior de desbaste y pulido. El vidrio adquiere por su cara superior un pulido al fuego y por la inferior, el pulido especular que le comunica la superficie libre del baño de estaño fundido sobre el que se desliza. Para proteger al estaño de su oxidación es preciso mantener en la cámara una atmósfera reductora que se consigue haciendo pasar una corriente de nitrógeno con un 0.5 % de hidrógeno. El vidrio se funde en un horno cuba de grandes dimensiones (Figura 9.2), cuyo origen es el horno MartinSiemens de siderurgia, con la particularidad de de queentrada los hornos paraenforne, vidrio son devidrio coladafluye continua, es decir, la composición entra continuamente por la boca llamada y el sin interrupción por la boca de salida llamada canal. Los hornos de fusión de vidrio constan fundamentalmente de una cuba rectangular construida en refractario electrofundido, cerrada en su parte superior por una bóveda también en material refractario. El conjunto de refractarios está soportado por herrajes metálicos. A cada uno de los lados y por encima de la cuba están emplazados los quemadores, cuyos ejes son perpendiculares al eje longitudinal del horno. A continuación de cada quemador y también a ambos lados se encuentran las cámaras que ponen en comunicación el laboratorio con la chimenea.


45

45/123

5/12/2018


Figura 9.2.- Horno de fusión. Planta y alzado.


46

46/123

5/12/2018


El esquema elemental de funcionamiento de un horno calentado por fuel está representado en la figura 9.3. En la sección del dibujo están quemando los mecheros de la parte izquierda.

Figura 9.3.- Esquema de funcionamiento de un horno de fusión La particularidad de estos hornos es la de que los humos calientes que abandonan el laboratorio no van directamente a la atmósfera a través de la chimenea, sino que pasan por una cámara o regenerador (Figura 9.4), constituido por un emparrillado de refractario, en el cual dejan retenido parte de su calor. El aire necesario para la combustión, llamado aire secundario, entra a su vez a través de la cámara opuesta impulsado por un ventilador.

Figura 9.4.- Regenerador de un horno de fusión.


47

47/123

5/12/2018


Cada cierto tiempo, normalmente entre 20 y 30 minutos, se realiza automaticamente la inversión, ocurriendo las cosas de forma totalmente simétrica a la descrita. Con ello el aire asciende ahora por donde antes descendían los humos, recogiendo el calor retenido en el emparrillado caliente, favoreciendo de este modo la combustión a base de recuperar el calor que se había perdido precalentando el aire de combustión.. En la figura 9.5 está representada la curva en largo de la evolución de la temperatura de un horno de fusión de vidrio para fabricación de lunas.

Figura 9.5.- Evolución de la temperatura de un horno de fusión en el sentido longitudinal. Para realizar el trabajo de soporte del vidrio, se necesitaba un metal que fuese líquido en el intervalo de temperaturas de 600 - 1000 ºC. y con una densidad mayor que la del vidrio, además la tensión de vapor del metal fundido a laque temperatura de afuncionamiento más elevada, deberíaelser lo más posible. entre los metales se ajustaban estas dos condiciones e incluyendo precio, el baja estaño resultóEscogiendo ser el más idóneo. Además el estaño tiene la característica del débil (cercano a nulo) ángulo de mojado entre el vidrio y el. El baño de estaño fundido es de unos 30 cm de profundidad y flotando sobre él se extiende y avanza el vidrio horizontalmente (Figura 9.6).

Figura 9.6.- Baño de estaño.


48

48/123

5/12/2018


El vidrio vertido por el labio sobre el estaño, y sometido exclusivamente a la acción de las fuerzas naturales, comienza a extenderse hasta que se alcanza el espesor de equilibrio a la vez que es suavemente conducido hacia la salida del baño, esta extensión cesa cuando el espesor alcanza los 7 mm por producirse en este punto el equilibrio de fuerzas. A partir de dicho momento la hoja mantiene este espesor y la correspondiente anchura, progresando a lo largo del baño en un régimen de temperatura descendente, hasta alcanzar los 900 ºC , zona en la cual por tener la viscosidad adecuada, el efecto de tracción de la extendería produce un estirado con la consiguiente pérdida de espesor y anchura, este estirado cesa cuando la temperatura de la hoja pasa a ser de 800 ºC. A partir de este punto el vidrio se acondiciona para que llegue a la salida del baño y entre en los rodillos a la temperatura de 600 ºC aproximadamente. Por el procedimiento anterior, se pueden fabricar espesores próximos a los 6 mm, pero a partir de éstos hacia abajo se presenta un serio problema, pues al incrementar la velocidad de extendería, el aumento de estirado se traduce en una disminución de anchura, pero permaneciendo constante el espesor. Es por las limitaciones expuestas por lo que con la técnica de fabricación que nos ocupa, solo podemos fa bricar espesores 5 y 6 mm., dependiendo el valor real obtenido dentro de estos límites de la velocidad de extendería queentre se utilice. La necesidad de obtener espesores alejados del de equilibrio, en uno y otro sentido, ha conducido a introducir en el proceso elementos capaces de oponerse a la flotación natural del vidrio, esto se ha conseguido con las máquinas denominadas Top – Rolls (T. R.) Se trata en esencia de máquinas consistentes en una barra que gira accionada por un motor de velocidad variable, y cuyo extremo de trabajo va provisto de una rueda dentada que se "clava" en la cara superior del vidrio en los bordes de la hoja que flota. Su papel consiste en "sujetar"a la de vidrio impidiéndola flotar,consiguiendo es decir estrechar o ensanchar según ela caso, obligándola a avanzar la lámina velocidad marcada por la máquina, de esta forma controlar voluntad por medio de la regulación de velocidad de los T.R., la tendencia del vidrio a volver al espesor de equilibrio. Los T.R. se utilizan siempre por parejas colocadas una sobre cada borde de la lamina de forma simétrica. El número de parejas a utilizar en cada uno, depende del espesor que se desee obtener, necesitándose mas pares de T.R. cuanto más nos alejemos del espesor de equilibrio en uno ú otro sentido. Con esta técnica se pueden obtener espesores entre 1.7 y 12 mm ambos inclusive, en condiciones industriales normales. Para obtener espesores superiores al de equilibrio, y fundamentalmente por encima de los 12 mm donde la técnica de T.R. está al límite de sus posibilidades, existe otro método de fabricación substancialmente distinto que es la técnica de barreras. El problema se nos plantea ahora en sentido contrario, se trata de conseguir espesores por encima de los 7 mm. de equilibrio, por lo tanto no podemos permitir que el vidrio se extienda sobre el estaño a su libre albedrío. El procedimiento consiste en colocar desde la entrada del baño y a lo largo de éste, una serie de barreras refrigeradas de grafito, que forman una especie de canal en el centro por el que tiene que discurrir necesariamente el vidrio. Este canal tiene una anchura igual a la del vidrio final que queremos obtener, y es fácil comprender que con una anchura y un tonelaje definidos, el espesor obtenido será función de la velocidad con que la extendería arrastra la hoja dentro del baño.


49

49/123

5/12/2018


Las barreras de grafito se prolongan en el baño hasta el punto en que la temperatura sea 1o suficientemente baja (y por lo tanto la viscosidad alta), como para que la hoja de fuerte espesor formada, discurra a partir de aquel sin tender a esparcirse perdiendo espesor y ganando anchura. El número de barreras a utilizar es directamente proporcional al espesor y al tonelaje. Para mejor comprensión de todo lo expuesto, en la figura 9.7 pueden ver representados esquemáticamente los tres tipos de fabricación.

Figura 9.7.- Esquemas de fabricación de luna flotada.


50

50/123

5/12/2018


En la figura 9.8 está representada la curva en longitud de la temperatura de un baño de flotado.

Figura 9.8.- Temperatura del baño de flotado en función de la longitud . Reflecta float. Con esta técnica se produce un vidrio semireflectante, por depósito de una delgada película de silicio sobre la superficie superior de la lámina. El gas_silano (SiH4) en ausencia de oxígeno y agua y a temperaturas superiores a los 400 ºC, se descompone para formar -silicio elemental y producir hidrógeno como subproducto según la reacción pirolítica : SiH4

→ Si + 2H2

E1 método aprovecha las condiciones adecuadas que ofrece el baño Float en temperatura, atmósfera interior, etc., para provocar la reacción pirolítica y el consiguiente proceso de depósito. Básicamente el proceso consiste en distribuir uniformemente gas silano a un caudal y concentración adecuados sobre la lámina de vidrio, y permitir que el gas se descomponga formando un recubrimiento de silicio en la superficie superior. Se requiere un equipo adicional para control y regulación del gas silano, así como un aparato distribuidor para introducirlo en el baño y ponerlo en contacto con la hoja de vidrio (Figura 9.9).


51

51/123

5/12/2018


Figura 9.9.- Esquema de fabricación de reflecta float. La lámina sale del túnel de extendería a una temperatura de 180 ºC, aproximadamente, temperatura a la cual es capaz de soportar el contacto directo con la atmósfera ambiente sin romperse por choque térmico. Su transporte sigue siendo sobre rodillos metálicos hasta que la temperatura desciende a 125 ºC aproximadamente, entre ésta y 60 ºC los rodillos pueden ser de arandelas de silicona, y a partir de esta última y hasta la ambiente de arandelas de goma (Figura 9.10 ).

Figura 9.10.- Transporte del vidrio sobre rodillos El corte del vidrio se realiza tallando una huella en la superficie que profundiza alrededor de 20 µ m , y ejerciendo posteriormente una presión bajo el trazo por la cara opuesta, que obligue a la lámina a deformarse provocando su rotura a lo largo de la huella.


52

52/123

5/12/2018


De la luna flotada se obtienen tres tipos de productos, en función de las dimensiones a las que se efectúa el corte, hoja entera (H.E.), travers y primitivos. Naturalmente, cada uno de estos productos tiene una posterior utilización o transformación diferente en cada caso. Hoja entera. Se denomina H.E. a la dimensión 6.06 m x A.F., -siendo A.F., el ancho de fabricación, generalmente , 3.18 m .En algunas líneas de fabricación Float, toda la producción se corta en esta modalidad, no existiendo la posibilidad de explotar directamente ninguno de los otros dos tipos de productos. La H.E. se destina a obtener por recorte posterior volúmenes de grandes dimensiones, o bien reinyectada en una instalación de explotación indirecta a la obtención de travers y primitivos a partir de ella. Travers . Se conoce con este nombre a las dimensiones A.F, x 0.70 a 2.55 m . Existiendo entre ambos largos todas las dimensiones intermedias de diez en diez centímetros. De este tipo de producto se obtienen posteriormente espejos de las diferentes dimensiones por recorte después de platearlos, volúmenes de medidas más pequeñas para acristalamiento, etc. Algunas instalaciones más evolucionadas que las citadas en el apartado anterior, están dotadas para obtener directamente de su línea de producción travers, además de H.E. Primitivos. Volúmenes pequeños cuyo destino final es el acristalamiento de vehículos. Las dimensiones son muy variadas, del orden de 1.53 x 0.72 m los mayores y 0.69 x 0.34 m los más pequeños, con una gama intermedia amplísima, puesto que para la fabricación posterior de cada luna de cada vehículo es necesario partir del primitivo adecuado, cuya dimensión debe de ser la final con una sobredimensión del orden de los 3 cm. en cada sentido. 10.- Propiedades de los vidrios.10.1.- Densidad. La densidad de un material se define como la cantidad de masa contenida en la unidad de volumen. Sus dimensiones son, por lo tanto, ML -3 . La densidad, que en la mayoría de los vidrios sódico - cálcicos se mantiene alrededor de 2.5 g

g cm

3

, puede variar ampliamente entre el valor de 2.15 g

de algunos vidrios de borosilicato y el de 6 cm 3 que presentan los vidrios con alto contenido de oxido de plomo (Tabla 10.1.1). cm

3

No se puede decir que la densidad figure entre las principales propiedades del vidrio, ya que para la mayoría de sus aplicaciones su importancia es pequeña. No obstante, aunque por si misma reviste escaso interés, la densidad puede ser un medio muy útil de control de la homogeneidad del vidrio, pues constituye un índice muy sensible capaz de detectar pequeñas variaciones de composición. Por otra parte, dado que la densidad es una medida del grado de compactación estructural, de su valor pueden deducirse conclusiones acerca de las modificaciones de la configuración geométrica del retículo vítreo, del cambio de coordinación de los iones formadores, de la variación de tamaño de los huecos intersticiales, etc.


53

53/123

5/12/2018


Tabl a 10.1.1.- Densidad de algunos vidrios a temperatura ambiente.

10.2.- Propiedades mecánicas. El comportamiento del vidrio ante los distintos tipos de esfuerzos mecánicos a que puede encontrarse sometido durante su us0 (tracción, compresión, torsión, impacto, penetración) constituye en general una importante limitación para algunas de sus aplicaciones. Si bien su dureza y, como consecuencia, su resistencia al rayado le colocan en una situación de ventaja con respecto a otros materiales, su fragilidad y su baja resistencia a la fractura no le permiten competir con muchos de ellos. La resistencia mecánica de los vidrios en la practica se halla, sin embargo, muy por debajo de la que con arreglo a su estructura deberían tener, ya que no suele llegar a alcanzar ni siquiera el 0.5 % del valor teóricamente calculado. Esta enorme diferencia entre el valor real y el teórico, que puede resultar restrictiva para muchos usos del vidrio, al mismo tiempo abre esperanzadoramente un amplio margen de posibilidades para su reforzamiento mecánico mediante diversos tratamientos. Durante su uso el vidrio puede estar sometido a esfuerzos mecánicas de diferente tipo: tracción, compresión, torsión, impacto y penetración. El comportamiento del vidrio bajo estos esfuerzos depende de varios factores, entre los que se encuentran la rigidez de los enlaces entre las moléculas que lo constituyen y principalmente, el estado de su superficie. En la superficie del vidrio existen fisuras microscópicas que actúan como lugares de concentración de las tensiones mecánicas y en consecuencia, como centros de iniciación de posibles fracturas. Debido a la imposibilidad de eliminar estos defectos microscópicos, la resistencia mecánica real del vidrio esta muy por debajo de su resistencia teórica. Otra de las consecuencias de estas microfisuras superficiales es que la resistencia a la compresión de un vidrio es mucho más elevada que la resistencia a la tracción, por lo que un vidrio rompe siempre a tracción. No es posible dar un valor preciso de la resistencia a tracción, ya que el valor característico de esta resistencia mecánica esta asociado con el estado de la superficie y le influye de manera notable la duración de la aplicación de la carga. Anelasticidad. Bajo determinadas condiciones los vidrios presentan una variación de su comportamiento elástico en función del tiempo de actuación de la carga. Este efecto puede comprobarse sometiendo una fibra a una tensión de tracción10.2.1 constante largo hasta intervalo de tiempo valor y suprimiéndola partir de un moméenlo dado (Figura ). Paradurante tiemposuncortos, un determinado t„ existe unaa proporcionalidad lineal entre el alargamiento de la fibra y el tiempo de actuación de la tensión (deformación instantánea).


54

54/123

5/12/2018


Por encima de t1 y hasta t2 esta proporcionalidad desaparece y la velocidad de deformación va disminuyendo. En el intervalo (t 2 - t1), lo mismo que en el anterior, el alargamiento es reversible, pero dentro de el la fibra ya no recupera instantáneamente su longitud inicial al cesar la fuerza deformadora (deformación temporal).

Figura 10.2.1.- Deformación de una fibra de vidrio sometida a una carga constante en función del tiempo. Entre t2 y t3 se produce una deformación plástica ∆ l3 - ∆ l2 irreversible. Si a partir de t 3 se hace cesar la tensión, primero tiene lugar entre t 3 y t4 un acortamiento instantáneo de la misma magnitud que el alargamiento instantáneo inicial ∆ l1„ seguido en el intervalo de t 4 a t5 de una relajación o recuperación elástica retardada, quedando finalmente a partir de t 5 una deformación plástica residual permanente, cuyo valor es igual a la deformación ∆ l3 - ∆ l2 La diferencia entre la deformación ideal y la realmente obtenida recibe el nombre de anelasticidad. Estemanifiesto comportamiento elásticopor retardado y, por dependiente del tiempo, de puede ponerse también de en los vidrios la pérdida de consiguiente, energía mecánica o amortiguamiento las oscilaciones que experimentan cuando se someten a una vibración mecánica. Valores medios del módulo de elasticidad, para diferentes tipos de vidrio, son los siguientes: - Vidrio "Pyrex" - Luna pulida y vidrio plano - Vidrio de botellas de champagne - Sílice vítrea

6.5x1010 Pa. 7.3x1010 Pa. 8.0x1010 Pa. 7.2x1010 Pa.

Resistencia mecánica. La resistencia mecánica de un material puede definirse como la resistencia que opone a la acción de fuerzas mecánicas externas o internas. Su valor teórico depende de la rigidez de los enlaces entre sus elementos constituyentes. Los valores de resistencia mecánica obtenidos experimentalmente en los vidrios raramente llegan a aproximarse a su valor teórico, sino que, por lo general, se hallan situados dos o tres órdenes de magnitud por debajo de este. Así, los vidrios comunes de silicato suelen presentar una resistencia mecánica comprendida entre 50 y 100 MPa.. Sin embargo, estos valores pueden aumentar considerablemente bajo determinadas condiciones. Así, el vidrio pulido al fuego, muestra inmediatamente después de haber sido sometido a esta operación, una resistencia aproximadamente doble de la que tenía inicialmente. En varillas de vidrio recién estiradas, cuya superficie se haya mantenido totalmente inalterada, su resistencia asciende hasta un valor de unos 600 MPa, y en varillas tratadas superficialmente con ácido fluorhídrico se han llegado a medir resistencias de 3400 MPa. Este valor se acerca a la resistencia media de 6000 MPa que se ha obtenido en fibras de vidrio muy delgadas. http://slide pdf.c om/re a de r/full/te ma 5vidr io

55

55/123

5/12/2018


La notable discordancia entre los valores calculados y los observados, y la fuerte dispersión de resultados en una misma serie de muestras, han sido objeto de numerosas investigaciones y de un cuidadoso análisis de los distintos factores que pueden provocarlas. Entre ellos cabe destacar el estado de degradación de la superficie del vidrio, las condiciones experimentales en que se lleve a cabo el ensayo y el tratamiento y forma de las probetas. Para explicar la baja resistencia mecánica que presenta el vidrio en la practica, se han formulado varias teorías basadas en la existencia, hoy unánimemente admitida, de grietas muy pequeñas o microfisuras de forma semieliptica (por lo que también reciben el nombre de bolsas), producidas en la superficie del vidrio, que actúan como lugares de concentración de las tensiones mecánicas aplicadas y, en consecuencia, como centros de iniciación de la fractura. Sobre la aparición de estos microscópicos defectos superficiales existen varias hipótesis. Mientras que la explicación mas generalmente aceptada es que se trata de lesiones producidas por abrasión durante la normal manipulación del vidrio, también se ha señalado la posibilidad de que se formen durante su enfriamiento, por efecto de diferente contracción de recintos microheterogéneos del vidrio, o como resultado de las tensiones originadas en la superficie limite de las fases separadas. Medida de la resistencia mecánica. El método más utilizado en la práctica para la medida de resistencia mecánica del vidrio es el que se basa en la determinación de la resistencia a la flexión de una probeta de forma prismática o cilíndrica. El ensayo debe realizarse con una máquina que conste de un dispositivo de regulación que permita una velocidad uniforme de incremento de carga, y que disponga de un indicador que señale la carga a la que se produce la rotura. Puede emplearse el sistema llamado de tres puntos, dos de apoyo de la probeta y otro de aplicación de carga (Figura 10.2.2). En el caso de probetas prismáticas el módulo de rotura MR , se calcula por aplicación de la fórmula: 6

M

R

= 10 F

3L 2ab 2

(10.2.1)

MAX

siendo FMAX la fuerza máxima, L la distancia entre apoyos, a la anchura de la muestra y b su espesor. Expresando la fuerza en N y las longitudes en mm, el módulo de rotura resulta dado en

N m2

.

Para muestras cilíndricas la fórmula anterior viene expresada en función del diámetro D de la probeta: MR

= 106 F MAX

8L

(10.2.2)

3

π D

y en el caso de muestras tubulares, en función de los diámetros exterior D e interior d de la probeta: MR

= 106 F MAX

8L

π (D 4 − d 4 )

(10.2.3)

Una distribución de carga más uniforme y una mayor precisión que con el anterior se obtiene con el sistema de cuatro puntos, dos de los cuales sirven de apoyo a la probeta y los otros dos, para aplicación de la carga (Figura10.2.2 ). Cuando se trata de muestras prismáticas el valor del módulo de rotura se obtiene mediante la expresión: MR


= 106 F MAX

3 ( La

− Lc )

2ab 2

(10.2.4)

56

56/123

5/12/2018


que, en el caso de muestras en forma de varilla queda modificada según: MR

= 106 F MAX

y, para muestras tubulares: MR

8 ( La

− Lc )

π D 3

8 L −L 6 MAX a c 10 F = π ((D 4 − d 4))

(10.2.5)

(10.2.6)

Los valores obtenidos mediante el empleo de ambos sistemas suelen presentar una elevada dispersión, ya que dependen en gran parte de las microfisuras existentes en la superficie del vidrio y muy especialmente de los defectos de borde, que pueden provocar una rotura anticipada de la probeta para cargas inferiores a las que debería soportar. Ello obliga a efectuar en cada ensayo un elevado número de determinaciones para poder obtener un resultado representativo.

Figura 10.2.2.- Representación esquemática de diferentes métodos de determinación del módulo de rotura por aplicación de esfuerzos de flexión: (a) método de los tres puntos (b) método de los cuatro puntos y (e) método de los anillos coaxiales. Los efectos de borde pueden evitarse, y con ello reducirse apreciablemente la dispersión de las medidas, empleando el método del doble anillo, en el que la probeta, consistente en una placa circular de vidrio, colocada sobre un soporte anular, se somete a un esfuerzo de flexión por una carga aplicada mediante otro anillo coaxial al anterior y de menor diámetro que éste (Figura 10.2.2). El módulo de rotura se calcula a partir de la fórmula: MR

 R2 − r 2 R − µ + + µ 1 1 Ln ( ) ( )   r  2π b 2  2c 2

= FMAX

3

(10.2.7)

donde b es el espesor de la probeta, R el radio del anillo soporte, r el radio del anillo de carga, c el radio de la probeta, y µ el coeficiente de Poisson.


57

57/123

5/12/2018


El método anterior es aplicable a probetas cuadradas, en cuyo caso la dimensión c debe sustituirse por el valor medio de los radios de las circunferencias circunscrita e inscrita. Otra forma habitual de evaluar en la práctica el comportamiento mecánico del vidrio es midiendo su resistencia al impacto, que puede definirse como el valor máximo de la energía mecánica que puede absorber la muestra de vidrio sin romperse. El ensayo suele realizarse con el péndulo de Charpy o por el método llamado de caída de bola, que consiste en dejar caer una bola de acero de masa conocida desde alturas crecientes hasta que se produce la rotura de la pieza. La resistencia al impacto se calcula a partir de la expresión: E = mgh siendo m la masa de la bola y h, la altura mínima de caída para la cual se produce la rotura. En otras modalidades de realización de este ensayo, empleadas especialmente en el control de vidrio para automóviles, el impacto se efectúa con un punzón o con un saco de lastre. Este tipo de ensayos permite medir de un modo práctico la fragilidad de la pieza de vidrio. El impacto es una aplicación de carga instantánea que produce una compresión en la cara de la pieza que lo recibe. Si elmecánica espesor de piezaaesromperse. suficientemente grueso para amortiguarla vibraciónnoproducida, absorberá la energía sinlallegar De lo contrario, si la onda de vibración se amortigua en su recorrido, llegará a la cara opuesta y se manifestará en ella produciendo un esfuerzo de tracción, que será el responsable de la rotura. En el caso de que, por defectos de recocido, existieran en dicha cara tensiones de tracción, éstas se sumarían a las producidas por el impacto, haciendo disminuir la resistencia mecánica efectiva de la pieza. La presencia de tensiones de compresión, producidas de forma controlada, ejerce contrariamente un efecto favorable. Resistencia a la flexión. Cuando un vidrio esta trabajando a flexión, tiene una cara sometida a tracción y la otra a compresión. La resistencia a la rotura por flexión será: - Para un vidrio recocido sin defectos visibles, del orden de 40 MPa. - Para un vidrio templado, del orden de 100 Mpa. Resistencia a la compresión. La resistencia del vidrio a la compresión es muy elevada (1000 MPa), por lo que en sus aplicaciones normales es prácticamente imposible la rotura del vidrio por compresión. Resistencia a la tracción. La resistencia a la tracción para el vidrio recocido es del orden de 40 MPa y para el vidrio templado de 100 MPa (dos veces y media superior). Varía según: - Duración de la carga. La instantánea es superior a la permanente (en este caso la resistencia disminuye un 40 %). - Humedad. Disminuye en un 20 % (a menos que se impregne el vidrio con petróleo o tolueno). - Temperatura. A más temperatura, menos resistencia. - Su corte. Hay un aumento de resistencia, en orden creciente, según el estado de su arista: Diamante, aristas arenadas, requemado de aristas y canto pulido - Estado de la superficie. Depende de la calidad de su pulido. - Los componentes y sus proporciones.


58

58/123

5/12/2018


Las tensiones de trabajo admisibles que se utilizan normalmente en el dimensionado de los vidrios son:

10.3.- Microdureza. La mayor o menor resistencia mecánica de un material se, manifiesta por su dureza, cualidad que puede definirse como laenresistencia quedeopone cuerpoy apulido ser penetrado otro. característica reviste especial interés práctico los procesos corte,untallado del vidriopor y de ellaEsta depende la vulnerabilidad y, por lo tanto, el estado de conservación de su superficie. Desde el punto de vista físico, la dureza del vidrio proporciona una apreciable información acerca del grado de rigidez estructural. Debido a que la medida de esta magnitud se efectúa normalmente en varios puntos y sobre zonas muy reducidas de la superficie, presenta la ventaja de no resultar afectada ni por el estado de la superficie ni por sus microdefectos, los cuales suelen desvirtuar los valores de la resistencia mecánica obtenidos por otros procedimientos que, en realidad, en vez de medir la resistencia intrínseca del vidrio, miden la de sus ponlos más débiles. En los métodos estáticos se acostumbra a utilizar dos tipos diferentes de puntas piramidales, denominadas de Vickers y de Knoop, de secciones cuadrada y romboidal respectivamente (Figura 10.3.1). En los dos casos el valor de la microdureza se obtiene en función de la carga aplicada P, de la diagonal L de la huella producida y de una constante que depende de los ángulos de la pirámide. La microdureza Vickers viene dada por la expresión: 2P cos β H V = (10.3.1) L2 Como en la pirámide Vickers el ángulo β formado por sus caras vale 22°, la expresión anterior puede escribirse: 1.854P H V = (10.3.2) L2


59

59/123

5/12/2018


Análogamente la microdureza Knoop se obtiene a partir de:

H K =

 α  ctg  β     2 2 

2Ptg 

L2

(10.3.3)

En este caso L representa la longitud de la diagonal más larga, α el ángulo formado por las aristas longitudinales, y β el de las aristas transversales, que valen α = 172° 30' y β = 130°. Por lo tanto, la expresión anterior queda reducida a: H K =

En ambas fórmulas la microdureza se obtiene en

14230P

(10.3.4)

L2

Kp cuando P se expresa en pondios y las diagonales en mm 2

µ m .

Figura 10.3.1.- Impresión de una punta de diamante Vickers sobre una superficie de vidrio, y microfisuras producidas como consecuencia de la indentación.

Al cesar la aplicación de la carga, el vidrio experimenta una parcial recuperación que varía inversamente con la magnitud de la carga aplicada. Cuanto mayor es la carga, menor eselástica la recuperación. Por lo tanto, para cargas pequeñas se obtienen valores aparentes de microdureza superiores a los que resultan de las fórmulas anteriores cuando se emplean cargas más elevadas. Para corregir este efecto debe introducirse un término de corrección k, característico de cada vidrio, que se calcula midiendo las huellas L1 y L2 obtenidas para dos cargas diferentes P 1 y P2 teniendo en cuenta la relación de proporcionalidad: P1 P2

=

L1 + k L2 + k

(10.3.5)

Otro método de por medida de la dureza del vidrio se basa la determinación de su resistencia la abrasión, que viene dada la cantidad de material extraído de en la superficie del vidrio cuando éste sea somete a la acción de un agente abrasivo de un tamaño determinado a una velocidad dada.


60

60/123

5/12/2018


La dureza aumenta, en general, con el contenido en sílice y disminuye con el de plomo. Varía de 6 a 7 en la escala de Mohs. El diamante y el carborundum lo rayan, pero ciertos aceros extraduros, cementados o fuertemente templados también lo rayan. Fragilidad. Por su incapacidad para sufrir mínimas deformaciones ni elásticas ni plásticas, el vidrio es uno de los materiales más frágiles que se conocen. Esta acritud o fragilidad se corrige mediante el recocido, que es un calentamiento seguido de un enfriamiento lento. Este tratamiento coincide con el de igual nombre aplicable a los metales. Resistencia a la abrasión. Es 16 veces más resistente que el granito. 10.4.- Propiedades térmicas. Es un material mal conductor del calor, lo que explica que salte en pedazos cuando se le calienta parcialmente por el desequilibrio las dilataciones. Las propiedades térmicas del vidrio se pueden describir por tres constantes intrínsecasentre al material: 10.4.1.- Calor específico, ce. La cantidad de calor dQ necesaria para producir una elevación de temperatura dT en un cuerpo dado es directamente proporcional a la masa del cuerpo y depende de la naturaleza de éste, del intervalo de temperatura y de las condiciones de presión y volumen a que se lleve a cabo su calentamiento. El cociente diferencial entre el calor aportado y el aumento de temperatura experimentado se define como la capacidad calorífica del cuerpo: dQ

C = dT

(10.4.1.1)

Cuando esta magnitud se refiere a 1 kg de masa se obtiene el calor específico que más propiamente debe denominarse capacidad calorífica específica. Entonces, el calor específico es la cantidad de valor necesaria para elevar 1° C la temperatura de 1 kg de material, es decir: ∆Q ce = (10.4.1.2) m∆T Como el valor especifico varia con la temperatura del material, se suele dar su valor a 20° C. A esta temperatura el valor del calor específico es: 3

ce = 0.72 .10

kJ/kg.K

10.4.2.- Conductividad térmica , k. En los vidrios hay que distinguir dos formas de transmisión del calor. Una es por conducción térmica, cuando se propaga sucesivamente a través de las partículas que se hallan en contacto, y otra es por radiación térmica, ya que el vidrio se comporta como un medio más o menos transparente a la energía radiante. Estos dos mecanismos de transporte están determinados por dos coeficientes característicos de transmisión del material que corresponden a su conductividad calorífica λ C y a su conductividad a la radiación λ R , respectivamente. La suma de ambos el valor de casi la conductividad calorífica efectiva. Mientras quelas a temperaturas bajas lacoeficientes transmisiónproporciona calorífica tiene lugar exclusivamente por conducción, a partir de temperaturas en que comienza a producirse emisión luminosa, se establece la transmisión por radiación, en comparación con la cual el transporte térmico por el primer mecanismo resulta prácticamente despreciable.


61

61/123

5/12/2018


Conductividad térmica por conducción. La conductividad calorífica de los vidrios varía, en función de su composición, así se tiene: - Vidrio corriente

0.93

- Vidrio "Pyrex"

1.05

W m.K W

m.K W 1.28 m.K W 0.70 m.K

- Sílice vítrea - Flint - glass denso

Otra manera de expresar la conducción del calor es mediante la constante de difusividad térmica K que se halla relacionada con la conductividad calorífica a través del inverso del calor específico c e y de la densidad ρ según la expresión: λ C

K = c e ρ

(10.4.2.1)

La difusividad indica la velocidad de propagación del calor a través del material y, lo mismo que un coeficiente de difusión, se expresa en

cm 2 . Su valor en los vidrios comunes se halla comprendido entre 4.10 -1 y 30.10-7 s

cm 2 . s

El calor se propaga por conducción en los medios materiales continuos, transmitiéndose las vibraciones térmicas de un átomo o de un ión a otros átomos o iones colindantes. En la transmisión calorífica no tiene lugar ningún tipo de transporte de materia. Conductividad térmica por radiación. En la transmisión calorífica de los vidrios por radiación intervienen dos factores diferentes. Por una parte, la energía térmica radiante emitida por el vidrio que, de acuerdo con la ley de Stefan - Boltzmann, es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta: (10.4.2.2) E = σ T 4 -12

J

siendo σ la constante de radiación igual a 5.746x10 s.cm .K . 2

4

Por otra parte tiene mucha influencia el coeficiente ε de absorción de la radiación por el vidrio, cuyo valor varía grandemente en función de la longitud de onda de la radiación. Para una longitud de onda determinada o para un estrecho intervalo de longitudes de onda en que no varíe ε, el coeficiente de transmisión calorífica por radiación viene dado por: 16σ n 2T 3 λ R = (10.4.2.3) 3ε siendo n el índice de refracción del vidrio. Este coeficiente, lo mismo que el de transmisión por conducción, resulta expresado en

J . m.s.K


62

62/123

5/12/2018


De acuerdo con la fórmula anterior, la conductividad por radiación aumenta con la tercera potencia de la temperatura absoluta y disminuye al aumentar el coeficiente de absorción del vidrio. Por ejemplo, los vidrios que contienen óxido de hierro, que bajo la forma ferrosa determina una fuerte absorción en la zona infrarroja, transmiten peor el calor radiante que los vidrios incoloros. Este mecanismo es de la máxima importancia en el calentamiento de las capas de vidrio más profundas de los hornos balsa. 10.4.3.- Coeficiente de dilatación lineal , α. La dilatación que experimentan la mayoría de los materiales por acción del calor es una consecuencia del incremento de su energía interna, que determina una mayor amplitud de las vibraciones térmicas moleculares y, por lo tanto, un mayor distanciamiento entre sus constituyentes estructurales. Este aumento dimensional viene dado para cada material por un factor característico dependiente de la temperatura, denominado coeficiente de dilatación. Este puede referirse al volumen (coeficiente de dilatación cúbica, β), a la superficie (coeficiente de dilatación superficial, γ) o a una sola dimensión (coeficiente de dilatación lineal, α). Cuando la temperatura de un cuerpo sólido se eleve desde un valor T hasta otro T + ∆ T, su longitud L0 sufrirá un alargamiento ∆ L dado por la expresión: ∆ L = L0 α ∆ T L = L0 (1 + α ∆ T) , y el coeficiente de dilatación medio entre ambas temperaturas viene dado por la relación: α =

1 ∆ L L0 ∆T

(10.4.3.1)

y puede definirse como el alargamiento experimentado por la unidad de longitud al elevarse su temperatura un grado. Sus unidades son en K -1 .Con gran aproximación se cumple que β = 3 α y γ = 2 α . En la práctica se acostumbra, por su mayor sencillez, a determinar experimentalmente el coeficiente de dilatación lineal, y es su valor el que suele tomarse como referencia para caracterizar a los materiales en este aspecto. Dado que el coeficiente de dilatación varía con la temperatura, su valor real a una temperatura determinada se calcula en función de la pendiente de la curva de dilatación térmica en ese punto: α =

1 dL L0 dT

(10.4.3.2)

Por la misma razón, cuando se toma un valor medio de α, deben indicarse mediante subíndices las dos temperaturas que limiten el intervalo en que se haya medido; por ejemplo, α 20-400. Los sólidos cristalinos no pertenecientes al sistema regular presentan diferentes coeficientes de dilatación según las direcciones de los ejes cristalográficos. En cambio, en los cuerpos isótropos, como los vidrios ideales, su valor se mantiene constante, cualquiera que sea la dirección en que se mida. La variación dimensional de un material en función de la temperatura discurre de un modo continuo en tanto no se produzcan cambios estructurales; pero, si durante su calentamiento tiene lugar alguna transformación (modificaciones polimórficas, cristalización o desvitrificación, puntos de transición, etc.), esta se manifiesta en la curva dilatométrica por una discontinuidad, tanto mas pronunciada cuanto mas profunda sea aquella.


63

63/123

5/12/2018


El coeficiente de dilatación es una de las características de mayor importancia tecnológica de los vidrios, que influye sobre algunas de sus propiedades (resistencia al choque térmico), limita su utilización para ciertas aplicaciones (fabricación de termómetros, sistemas ópticos, uniones vidrio-vidrio o vidrio con otros materiales) y condiciona el desarrollo de ciertas etapas del proceso de fabricación (recocido, tensionado, etc.). El comportamiento dilatométrico de los vidrios depende fundamentalmente de su composición y de su historia térmica. Para el vidrio, en el intervalo de 20 a 200° C, el coeficiente de dilatación lineal es α = 9 x 10 -6 K -1

Así un vidrio de 1.5 m de longitud que pasa de 15 a 35 ° C, sufre una dilatación de:

∆ L = 9 x 10-6x 1500 x 20 = 0.27 mm A título orientativo se exponen en la tabla 10.4.3.1 los coeficientes de dilatación de algunos vidrios. Tabla 10.4.3.1.- Coeficiente de dilatación α y temperatura de transformación de algunos vidrios.

10.4.4.- Resistencia al choque térmico. El comportamiento del vidrio frente a los cambios bruscos de temperatura es una propiedad que depende de varios factores. Cuando una pieza de vidrio se somete a un enfriamiento rápido desde una temperatura inferior a la de recocido, su baja conductividad térmica impide que el calor se disipe uniformemente y así se establece un gradiente de temperatura. Entre las capas de vidrio de la superficie, que se enfrían antes y, por lo tanto, contraen más aprisa, y las del interior, se establecen tensiones de tracción cuya magnitud depende principalmente de la diferencia de temperatura y del coeficiente de dilatación térmica del vidrio.


64

64/123

5/12/2018


Si las tensiones así originadas sobrepasan el límite de elasticidad del vidrio, se produce su rotura. La diferencia máxima de temperatura ∆ T que puede soportar una varilla de vidrio viene dada por la expresión:

∆T =

2σ t (1 − µ )

(10.4.4.1)

α E

en la que σt representa la resistencia a la tracción , µ la constante de Poisson, α  el coeficiente de dilatación lineal y E el módulo de elasticidad. Admitiendo que entre la resistencia a la tracción y la resistencia atérmica la flexión se cumple aproximadamente la relación: σf = 2 σt (10.4.4.2) puede escribirse: σ (1 − µ ) ∆T = f (10.4.4.3) α E

También se acostumbra a expresar la resistencia al choque térmico mediante un coeficiente K cuyo valor se calcula a partir de la fórmula de Winkelmann: K

=

σ f α E

f

λ

(10.4.4.4)

c ρ

siendo f un factor de forma, k la conductividad térmica, c el calor específico y ρ la densidad. Cuanto mayor sea el valor de K mayor será la resistencia al choque térmico. De todas las magnitudes que figuran en la expresión anterior, el coeficiente de dilatación térmica α  es, junto con el factor de forma f, el que puede presentar mayor variación de unos vidrios a otros y, por lo tanto, el que tiene mayor influencia sobre la resistencia al choque térmico. La resistencia de una pieza de vidrio a los cambios bruscos de temperatura puede calcularse indirectamente una se de suele las fórmulas partir de en laslos magnitudes que figuran en ellas. En la práctica, mediante sin embargo, recurriranteriores, a métodosadirectos, que las piezas a ensayar, una vez estabilizada su temperatura, se introducen, bajo condiciones determinadas, en un baño de agua mantenido a una temperatura inferior. De esta manera se determina la diferencia máxima de temperatura que pueden soportar sin romperse ni agrietarse. Es del orden de 60° C (resiste más el choque "calor-frío" que al contrario). Para productos templados: 240° C. 10.5.- Propiedades eléctricas. Conductividad eléctrica. Dieléctrico de primer orden, adquiriendo múltiples aplicaciones en este aspecto, su conductividad eléctrica es proporcional a la temperatura. 10.6.- Propiedades ópticas. 10.6.1.- Introducción. El Sol tiene una temperatura superficial de 5700 K. A esta temperatura emite una radiación cuyo máximo se encuentra en una longitud de onda de 500 nanómetros (zona central de la radiación visible). Esta radiación es parcialmente absorbida al atravesar la atmósfera terrestre. La distribución de energía en la superficie de la Tierra se detalla en la grafica de la figura 10.6.1.1.


65

65/123

5/12/2018


Figura 10.6.1.1.- Distribución de energía en la superficie de la Tierra. Eje X: λ (nm), Eje Y: W/m2.nm De esta energía un 1 % es radiación ultravioleta, un 53 % corresponde a luz visible (380 a 780 nm) y un 46 % a infrarrojo. Cuando esta energía incide en un material puede ser reflejada, transmitida o absorbida. Así, cuando un haz de radiación de intensidad I0 incide sobre un medio transparente (Figura 10.6.1.2), como es el vidrio, experimenta parcialmente una reflexión en cada una de las caras que atraviesa, sufre una absorción por efecto de la masa que recorre y, finalmente, tras desviarse de su dirección de incidencia por efecto de la refracción, emerge con una velocidad inferior a la inicial, cumpliéndose que la suma de las intensidades de la radiación reflejada IR , absorbida IA y transmitida IT, es igual a la intensidad de la radiación incidente:

I R

+ I A + IT = I 0 (10.6.1.1)

Figura 10.6.1.2.- Comportamiento de un haz luminoso al incidir sobre una superficie plana transparente.


66

66/123

5/12/2018


10.6.2.- Reflexión. La reflexión se produce siempre que existe un cambio de medio, la cantidad de luz reflejada depende del ángulo de incidencia y de los índices de refracción de los dos medios La parte de la radiación que se refleja al incidir sobre una superficie pulida de vidrio transparente sigue las leyes generales de la reflexión. La relación entre la intensidad del haz reflejado IR y la del haz incidente I0 se denomina reflectancia: R=

IR

(10.6.2.1)

I0

y define el denominado coeficiente de reflexión R, que es una característica propia del medio reflectante y que depende de su índice de refracción. Esta pérdida de intensidad luminosa se produce en cada cara límite al pasar la luz de un medio transparente a otro de distinto índice de refracción. Cuando la incidencia tiene lugar perpendicularmente a la superficie, se cumple, de acuerdo con la relación de Fresnel: 2

R = 

n1

n2

 n +− n   1 2

(10.6.2.2)

En el caso de que uno de los dos medios sea aire, puede escribirse:

 n −1 R =   n +1

2

(10.6.2.3)

Si el haz incide oblicuamente, el valor de R depende del ángulo de incidencia θ 0 y del ángulo de refracción θ . La intensidad de luz reflejada viene dada por la expresión general: IR = I R =

2 I 0  sen (θ − θ0 )



2  sen 2 (θ + θ0 ) 

+

tg 2 (θ − θ0 ) 



tg 2 (θ + θ0 ) 

(10.6.2.4)

2

n −1 No obstante, la expresión R =   puede aplicarse con validez hasta ángulos de incidencia de 20º.  n +1

De acuerdo con tal expresión, la pérdida por reflexión que sufre un haz de luz cuando incide sobre un vidrio ordinario de índice de refracción n = 1.5 es de: 2 (1.5 − 1) = 0.04 2 (1.5 + 1) por cada cara, es decir, cada vez que el haz luminoso atraviesa una superficie límite vidrio - aire, su intensidad se reduce en un 4 %. Por lo tanto, en un vidrio ordinario la intensidad luminosa, después de la incidencia sobre la primera cara, quedará reducida al 96 % y al atravesar la segunda cara volverá a disminuir en un 0.04 del 96 %, quedando reducida a un 92.16 %.


67

67/123

5/12/2018


Así, pues, de un modo general (Figura 10.6.2.1), la intensidad del haz después de su reflexión en la primera cara del vidrio, se reduce a: I1 = I0 − I0R (10.6.2.5) Teniendo en cuenta que en su recorrido a través del vidrio el haz también experimenta una absorción, la intensidad con que llega al punto 2 de la segunda cara límite es:

I1 = ( I0 − I0R ) e −ε cd

(10.6.2.6)

y, como al atravesar la segunda cara vuelve a experimentar una reflexión, la intensidad con que finalmente emerge es: I3

2 = ( I0 − I0R ) e −ε cd − ( I0 − I0R ) e −ε cd  R = I0 (1 − R ) e −ε cd

(10.6.2.7)

Para disminuir las pérdidas de luz por reflexión se recurre a recubrir la superficie del vidrio por una delgada película de un material que tenga un índice de refracción menor que el del vidrio y un espesor tal que permita producir una interferencia entre los rayos luminosos reflejados por el vidrio y los reflejados por la película aplicada, disminuyendo así la reflexión del conjunto.

Figura 10.6.2.1.-Cambios de intensidad luminosa de un rayo de luz después de sufrir dos reflexiones sucesivas y una absorción por una placa de vidrio. La reflexión mínima se consigue cuando las intensidades de la luz reflejada en las dos caras límite de la película sean iguales: n0 nP = (10.6.2.8) nP nV que, considerando el índice de refracción del aire n 0 igual a la unidad, resulta: nP http://slide pdf.c om/re a de r/full/te ma 5vidr io

= nV

(10.6.2.9) 68

68/123

5/12/2018


y cuando: ε P =

λ

(10.6.2.10)

4

siendo n P el índice de refracción de la película depositada, n V el del vidrio, e P el espesor de la capa y λ la longitud de onda de la luz empleada. En la práctica estos recubrimientos se suelen realizar por deposición en vacío de películas delgadas de MgF2, CaF2, SiO2, etc. con un espesor de 140 nm. Un efecto análogo puede conseguirse por extracción de los álcalis del vidrio en la misma profundidad. 10.6.3.- Refracción. Cuando un haz luminoso pasa del aire al vidrio y, en general, siempre que pase de un medio a otro ópticamente más denso, sufre una desviación en su trayectoria acercándose a la normal y cumpliéndose que: n=

seni

(10.6.3.1)

senr

llamando n al índice de refracción, i al ángulo de incidencia y r al ángulo de refracción. Unicamente en el caso de que el haz incida perpendicularmente a la superficie no se desviará. Si, por el contrario, el haz emerge del vidrio al aire, se desvía alejándose de la normal. La emergencia del rayo será posible siempre que su incidencia sobre la superficie de separación de ambos medios se produzca con una inclinación inferior a un valor determinado, denominado ángulo límite. Para este valor el haz emerge formando un ángulo de 90° con la normal, o sea, de forma rasante a la superficie, pero, bajo cualquier incidencia superior, no tiene lugar su emergencia, pues se produce su reflexión total. El valor del ángulo límite varía con el índice de refracción del medio según la relación: senr =

1 n

(10.6.3.2)

Considerando que en los vidrios n suele oscilar entre 1.5 y 1.7, su ángulo límite varía entre 42° y 36° respectivamente. El cambio de dirección que experimenta la luz al pasar de un medio a otro se debe a la diferencia de velocidad con que se propaga en cada medio. La relación entre la velocidad de la luz en el vacío, c o y la que alcanza en el vidrio, c, determina su índice de refracción: n=

c 0 c

(10.6.3.3)

Como la velocidad de la luz en el vacío es máxima, resultará siempre co > c y, por lo tanto, n > 1. Al aumentar la longitud de onda de la luz, su velocidad de propagación aumenta y el índice de refracción disminuye. Por esta razón, el índice de refracción debe referirse siempre a una longitud de onda determinada.


69

69/123

5/12/2018


Desde el punto de vista óptico, se acostumbra a caracterizar los vidrios por su índice de refracción referido a las radiaciones correspondientes a líneas espectrales bien definidas. Convencionalmente se han tomado como referencia las radiaciones cuyas longitudes de onda se indican a continuación: - λ F = 486.1 nm (línea Hβ o F azul del espectro del hidrógeno) - λ D = 589.3 nm (línea media amarilla del espectro del sodio) - λ C = 656.3 nm (línea Hα o C roja del espectro del hidrógeno) Los respectivos índices de refracción correspondientes a estas líneas se designan por n F, n D y n C . Modernamente se ha acordado tomar como referencia las longitudes de onda correspondientes a las siguientes líneas espectrales. - λ F = 479.99 (línea azul del espectro del cadmio) - λ e = 546.07 (línea verde del espectro del mercurio) - λ C = 643.85 (línea roja del espectro del cadmio) Sus índices de refracción se designan por n F , n e y n C , respectivamente. Como índice de refracción principal se toma n D o modernamente ne. 10.6.4.- Absorción. La absorción es la parte de la luz incidente que se convierte en energía térmica dentro del material. La absorción óptica del vidrio se produce como resultado de la interacción de sus componentes con la radiación que incide sobre él. Del amplio espectro que abarca la radiación electromagnética (Figura 10.6.4.1) sólo capítulo el pequeño intervalo que comprende la zona visible, la ultravioleta y la infrarroja próxima. Cuando un material se somete a la acción de una radiación electromagnética, puede absorber parte de su energía que transforma generalmente en calor. El aumento que experimenta en su contenido energético puede expresarse de un modo sencillo en primera aproximación por la suma de las variaciones de la energía electrónica, de vibración y de rotación:

∆hν = ∆Eelec + ∆Evibra + ∆Erot

(10.6.4.1)

Figura 10.6.4.1.- Espectro continuo de radiación electromagnética. La absorción óptica es una función del espesor d de la muestra, de la concentración c de la sustancia absorbente y del coeficiente de extinción molar e, que es una magnitud característica que depende de la composición del vidrio, de la temperatura a la que se efectúe su medida y de la longitud de onda empleada.


70

70/123

5/12/2018


Llamando I0 a la intensidad de la radiación incidente e I a la de la radiación transmitida por el medio absorbente se cumple: I

= I0e −ε cd

(10.6.4.2)

que es la expresión de Lambert - Beer. La concentración de la especie absorbente se acostumbra a expresar en moles por litro y el espesor en cm, por lo que ε resulta en l.mol-1 cm -1 . Si se tienen en cuenta las pérdidas por reflexión que experimenta el haz en cada una de las dos superficies límite de la lámina de vidrio debe escribirse: I

2

= I0 (1 − R ) e −ε cd

(10.6.4.3)

La relación T =

I I 0

(10.6.4.4)

se denomina transmitancia. El logaritmo neperiano de su valor inverso recibe el nombre de absorbancia:

 I 0  = ε cd   I 

A= Ln 

(10.6.4.5)

y el logaritmo decimal del mismo se define como densidad óptica:

 I 0  = ε cd   I  2.303

D = Log 

(10.6.4.6)

Estas magnitudes dependen del espesor de la muestra y de la concentración de absorbente, como puede verse en los espectros de la figura 10.6.4.2.a, correspondientes a distintos espesores de un mismo vidrio sodico cálcico con un 0.13 % de Cr 2O3. Por eso, para caracterizar mejor, con independencia de tales variables, el comportamiento de absorción óptica del vidrio debe recurrirse preferentemente a la determinación de la absortividad: a=

A

(10.6.4.7)

d

que constituye una característica propia del vidrio independiente de su espesor, o bien al cálculo de su coeficiente de extinción o de absorción molar, llamado también absortividad molar: ε =

A cd

(10.6.4.8)

que para un mismo vidrio es una característica específica de los iones absorbentes, independiente de su concentración y del espesor de la muestra (Figura 10.6.4.2.b). La absorción óptica de los vidrios debe representarse, por lo tanto, como la variación espectral continua de e en función de la longitud de onda de la radiación. No obstante, en muchos casos, se hace uso de los espectros de transmitancia, en los que es necesario hacer constar el espesor de la muestra y la concentración de absorbente.


71

71/123

5/12/2018


Para ciertos fines es conveniente expresar la radiación en número de ondas (cm -1) o en términos de energía, referidos a eV o a erg. La equivalencia entre las diferentes formas de expresión es: 104 . m - 1 < > 1.24 eV < > 1.99x10-12 erg.

Figura 10.6.4.2.- Espectro de absorción óptica de un vidrio de silicato sodico - cálcico ordinario con 0.13 %e Cr 2O3. Izquierda: curvas de transmitancia para diferentes espesores. Derecha: curva de variación del coeficiente deextinción molar. Para describir el comportamiento óptico de un acristalamiento se utilizan los siguientes parámetros: Factor de transmisión luminosa o Transmisión Luminosa (TL): Haz luminoso transmitido a través del cristal con relación al haz luminoso incidente expresado por la norma CIE D65, cuya densidad espectral varía de 380 nm a 780 nm. Factor de reflexión luminosa o Reflexión Luminosa (RL): Haz luminoso reflejado por el cristal con relación al haz luminoso incidente por la norma CIE D65. Transmisión Ultravioleta (UV): Fracción de la radiación ultravioleta (campo espectral entre 280 y 380 mm.) Transmisión Energética Directa (TED): Fracción del haz energético solar transmitido directamente a través del cristal sin variar la longitud de onda, es decir el tanto por ciento de la energía solar que atraviesa el vidrio en relación a la energía solar incidente.


72

72/123

5/12/2018


Reflexión Energética (RE): Fracción del haz energético solar reflejado por el cristal Absorción Energética (AE): Fracción del haz energético solar absorbido por los cristales que forman el muro acristalado. Esta absorción por parte del vidrio repercute en un aumento de su temperatura y en la reemisión de la energía absorbida, queserá automáticamente reflejada hacia el exterior y el interior en cantidades variables que dependerán de las características de los cristales (tratamiento del vidrio), de la velocidad del aire en el interior o en el exterior, así como de las temperaturas externa e interna (condiciones ambientales). Factor solar (FS) o transmisión energética solar: El factor solar es la relación entre la cantidad energética solar total que entra en el edificio a través del acristalamiento y la cantidad energética solar incidente. Esta energía total es la suma de la energía que entra por transmisión directa (TED) y la energía cedida por los cristales del ambiente interior (factor de reemisión térmica hacia el interior) una vez calentado por la absorción energética (AE). La reemisión térmica consiste en transferencias térmicas por convección y por radiación en el infrarrojo lejano de la parte de radiación solar incidente que es absorbida por el vidrio Estos cálculos se basan en los criterios siguientes: 1.- Posición de la luz solar a 30º por encima del horizonte en un plano perpendicular a la fachada; 2.- Temperatura ambiente igual a la temperatura ambiente exterior; 3.- Coeficiente de intercambio térmico superficial: - interior: 8 - exterior: 23

W m 2 .K W m 2 .K

En la figura 10.6.4.3 se clarifican los conceptos de distribución energética anteriores. Coeficiente “ Shading” (SC) El coeficiente “ Shading” puede encontrarse directamente en las tablas de energía calculadas para el acondicionamiento de aire. Se obtiene un coeficiente dividiendo el factor solar pro 0.87 que es el factor solar que corresponde a un vidrio claro de 3mm. Coeficiente “ Shading” de onda corta (SWSC) Transmisión energética directa dividida por 0.87 Coeficiente “ Shading” de onda larga (LWSC) Parte de la energía absorbida y liberada al interior dividida por 0.87.


73

73/123

5/12/2018


- Σ Χι.εi(λ).δ T (λ) = (1 − ρ)2 . 10 Ext .

r = Coef. de Reflexión de la cara vidrio-

E.S. incidente (Ei = 100)

aire Ci = Concentración de los colorantes

εi (λ) = Absortividad de los colorantes d = Espesor del vidrio

Reflexión (R)

Transmisión (TL ) (TE (A) Absorción )

Transmisión térmica = f(K) Reemisión exter. (R’e)

Int .

Reemisión inter. (R’i)

FACTOR SOLAR (FS = TE + R’i)

Figura 10.6.4.2.- Comportamiento de la energía solar incidente sobre un vidrio.


74

74/123

5/12/2018


10.7.- Estabilidad química. 10.7.1.- Resistencia al agua. El agua ataca al vidrio disolviendo algunos de sus componentes lo que se manifiesta por pequeñas perdidas de masa. La intensidad del ataque depende de varios factores: la temperatura, el tiempo de contacto, la composición del vidrio, la agitación y el estado de la superficie. A temperatura ambiente el ataque es insignificante, la perdida de masa después de estar sumergido durante horas es prácticamente inapreciable. AI aumentar la temperatura, la intensidad del ataque crece exponencialmente tal como se muestra en la figura 10.7.1.1.

Figura 10.7.1.1.- Ataque del agua al vidrio en función de la temperatura. 10.7.2.- Resistencia a los agentes atmosféricos. El ataque del vidrio por agentes atmosféricos puede ocasionar la aparición en su superficie de manchas y desescamaciones. El principal responsable de dicho ataque es el agua contenida en la atmósfera que se condensa frecuentemente sobre la superficie fría del vidrio. Esta pequeña cantidad de agua superficial es mas peligrosa que gran cantidad de agua fluyendo ya que da lugar a una disolución concentrada de NaOH que ataca al vidrio. Resulta por consiguiente aconsejable evitar en lo posible la condensación. Teóricamente, tan sólo el HF le ataca y disuelve con producción de fluoruros. No obstante, los vidrios comunes en caliente y con el concurso de la humedad y del CO 2 atmosférico, pueden ser atacados por las bases y los ácidos minerales enérgicos, como sucede en algunos locales de higiene, establo, estercoleros e instalaciones de tratamientos de basuras y aguas residuales. En todo caso, la resistencia química es proporcional al contenido de SiO2 e inversa a los álcalis sodio y potasio, siendo éstos más resistentes que los sódicos.


75

75/123

5/12/2018


10.8 .- Propiedades acústicas. El aislamiento acústico total de una pared es prácticamente igual al proporcionado por la parte peor aislada de la misma. Las ventanas suelen constituir el punto débil en la atenuación acústica de un cerramiento. El ruido pasa a través de una ventana por diferentes caminos, la falta de aislamiento en uno de estos caminos hace prácticamente inútiles las demás soluciones. En general cuanto más grueso es el vidrio mayor atenuación proporciona, sin embargo si se duplica el espesor solamente se ganan 4 dB de atenuación. Otro de los inconvenientes del vidrio es que con los espesores normalmente utilizados posee una frecuencia de resonancia que cae dentro de la banda audible, lo que puede disminuir su eficacia como aislante. Los valores del aislamiento de una ventana se deben determinar mediante ensayo. Sin embargo, se pueden estimar estos aislamientos en función del tipo de acristalamiento y de la clase de carpintería según la norma básica N B E-CA-82: A.- Ventanas de carpintería sin clasificar: R < 12 dB(A) B.- Ventanas de carpintería clase A - 1 y cualquier tipo de acristalamiento: R < 15 dB(A) C.- Ventanas de carpintería clase A - 2 y acristalamiento de una o dos hojas separadas por cámara de aire: R = 13.3 log e + 14.5

en dB(A)

donde: e = Espesor del acristalamiento si este es de una sola hoja e = Media de los espesores de las hojas, cuando sean dos y la cámara de aire interior sea igual o inferior a 15 mm de los espesores de las hojas, cuando sean dos y la cámara de aire interior sea mayor de 15 mm. e = Suma D.- Ventanas de carpintería clase A - 2 y acristalamiento laminar constituido por hasta 4 laminas de vidrio, de espesor no superior a 8 mm cada una, unidas por capas adhesivas plásticas de espesor superior a 0.4 mm: R = 13.3 log e + 17.5 en dB(A) donde e es el espesor total del acristalamiento. E.- Ventanas de carpintería clase A - 3 y acristalamiento de una o dos hojas separadas por cámara de aire: donde :

R = 13.3 log e + 19.5

en dB(A)

e = Espesor del acristalamiento si este es de una sola hoja e = Media de los espesores de las hojas, cuando sean dos y la cámara de aire interior sea igual o inferior a 15 mm e = Suma de los espesores de las hojas, cuando sean dos y la cámara de aire interior sea mayor de 15 mm. F.- Ventanas de carpintería clase A - 3 y acristalamiento laminar constituido por hasta 4 laminas de vidrio, de espesor no superior a 8 mm cada una, unidas por capas adhesivas plásticas de espesor superior a 0.4 mm. R = 13.3log e + 22.5 en dB(A) donde e es el espesor total del acristalamiento. http://slide pdf.c om/re a de r/full/te ma 5vidr io

76

76/123

5/12/2018


11.- Transformaciones del vidrio. 11.1. Tipos de cantos. Durante el proceso de corte, los vidrios son rayados en su superficie mediante una herramienta cuyo punto de contacto con el vidrio tiene una dureza superior a este, a continuación se ejerce una presión sobre la zona rayada anteriormente y el vidrio parte por esa zona de forma regular, una vez realizada esta operación en los bordes de los vidrios se han producido unas pequeñas fisuras que pueden ser el origen de roturas por choque térmico sobre todo si se trata de vidrios absorbentes. Las recomendaciones de los profesionales del vidrio es tratar de eliminar esas fisuras mediante un pulido industrial sobre los bordes de los vidrios. Esta operación supone un costo adicional del producto, pero aumenta su resistencia mecánica y se gana en seguridad tanto para los manipuladores e instaladores de los vidrios como las personas ajenas a estos. De forma general se utilizan los siguientes tipos de cantos:

11.2.- Vidrio templado. El templado del vidrio va a tener una gran importancia sobre su resistencia mecánica. La resistencia de una pieza de vidrio puede aumentarse introduciendo de forma intencionada tensiones residuales superficiales de compresión. Los principales métodos de reforzamiento mecánico del vidrio son el temple térmico y el temple químico. 11.2.1.- Temple térmico. La mayor parte del vidrio de seguridad templado que se fabrica de forma industrial se obtiene mediante un tratamiento térmico denominado temple térmico del vidrio. En este proceso las piezas de vidrio, deben tener su forma definitiva antes de entrar en el horno de temple, puesto que una vez templadas, no se puede realizar ninguna manufactura sobre ellas. En esta técnica, la pieza de vidrio se calienta hasta una temperatura superior a la temperatura de transición vítrea, aunque inferior a la temperatura de ablandamiento. A continuación se enfrían bruscamente, bien por inmersión en un baño de sales fundidas, de aceite o de siliconas o, lo que es mucho más frecuente, haciendo incidir sobre su superficie multitud de chorros de aire frío.


77

77/123

5/12/2018


Durante dicho enfriamiento apresurado, y debido a la baja conductividad térmica del vidrio, se originan tensiones residuales debido a las diferencias en las velocidades de enfriamiento de las regiones superficiales y de las regiones del interior, pues la disipación térmica no tiene lugar con la misma velocidad en toda la masa, sino que se establece un gradiente temperatura desde el centro de la pieza hacia su superficie. Las capas exteriores, que enfrían más de prisa, alcanzan su rigidez y contraen antes que las interiores todavía calientes y en estado plástico. Inicialmente, la superficie se enfría más rápidamente y, una vez que alcanza una temperatura inferior al punto de deformación, adquiere rigidez. En este momento, el interior, al enfriarse más lentamente, está a una temperatura superior (superior al punto de deformación) y, por tanto, todavía es plástica. Al continuar el enfriamiento, el interior intenta contraerse en un grado mayor que el que ahora le permite la superficie rígida exterior, que impide que aquella contraiga en la medida que debería. Así, el interior tiende a tirar hacia dentro de la parte exterior, o bien a imponer tensiones radiales hacia el interior. Como consecuencia, la superficie del vidrio queda sometida a fuerzas de compresión, dirigidas paralelamente a ella, y el interior, a fuerzas de tracción, cuyas intensidades varían de acuerdo con un gradiente análogo al gradiente térmico que se estableció en el momento de su enfriamiento, como muestra la figura 11.2.1.1. La magnitud las elevada tensionessea generadas será tanto cuanto mayor sea 11.2.1.2 el gradiente térmico decir, cuanto demás la temperatura demayor calentamiento (Figura ), más baja inicial sea la (es de enfriamiento, mayor sea el espesor del vidrio y menor su conductividad térmica) y cuanto más alto sea su coeficiente de dilatación. De este modo, la superficie queda sometida a fuerzas de compresión y el interior a fuerzas de tracción, cuyas intensidades varían de acuerdo con el gradiente térmico que se estableció en el momento de su enfriamiento. Estas tensiones originan ciertas deformaciones en los vidrios que pueden ser origen de distorsiones ópticas. La elección de las dimensiones de los vidrios juega un papel importante en las deformaciones de los mismos.

Figura 11.2.1.1.- Distribución de tensiones residuales a temperatura ambiente sobre la sección de una placa de vidrio.


78

78/123

5/12/2018


Figura 11.2.1.2.- Diagramas de distribución de tensiones en un vidrio para diferentes tiempos de tratamiento de temple, partiendo de distintas temperaturas iniciales y de un espesor fijo de 0.61 cm. 11.2.2.- Temple químico. El temple químico consiste en la generación de tensiones de compresión producidas por una modificación superficial de la composición química del vidrio. Los diferentes procedimientos empleados para esta finalidad pueden dividirse en los dos grupos siguientes. 1.- Creación de capas superficiales de menor coeficiente de dilatación que el vidrio base. La formación de estas capas se lleva a cabo a temperaturas superiores a la de relajación del vidrio. Durante el enfriamiento del conjunto el interior contrae en mayor medida que la superficie y ésta queda sometida a compresión. Este resultado puede conseguirse de varias maneras. Recubrimiento del vidrio por otro de menor coeficiente de dilatación. La idea básica es sencilla y está fundada en el mismo principio que se aplica en los vidriados cerámicos y en los esmaltes sobre metal. Este tipo de vidrio doble fue desarrollado por Schott en 1891. Su aplicación práctica presenta ciertas dificultades de ejecución, ya que las composiciones de menor coeficiente de dilatación suelen tener mayor temperatura de reblandecimiento y el calentamiento al que hay que someter las piezas puede originar deformaciones del vidrio base.


79

79/123

5/12/2018


Desalcalinización superficial del vidrio. Cuando el vidrio se calienta en una atmósfera húmeda de SO 3, tiene lugar una extracción de los iones alcalinos de la superficie por un proceso de intercambio con los iones hidrógeno del vapor de agua y se forman grupos OH-. En una fase posterior se produce una deshidratación a expensas de dichos grupos, que lleva consigo el establecimiento de oxígenos puente y la creación de una película superficial de bajo coeficiente de dilatación enriquecida en sílice. Este tratamiento ofrece mayores ventajas en cuanto al mejoramiento de la resistencia química del vidrio que desde el punto de vista mecánico, pues las capas de sílice que se obtienen son demasiado delgadas para defender el material de las acciones abrasivas a las que ha de enfrentarse durante su uso. Intercambio de iones sodio por iones litio. La idea del reemplazamiento de iones alcalinos de la superficie del vidrio por otros de menor tamaño se debe a Hood y Slookey. El intercambio de ambos iones se realiza por inmersión del vidrio en una sal de litio fundida, a una temperatura superior a la de relajación, hasta obtener un gradiente de difusión del espesor deseado. Como la capa creada por la penetración de los iones litio tiene menor coeficiente de dilatación que el resto del vidrio, durante elPor enfriamiento se produce diferencial que genera tensiones de compresión en la superficie. este procedimiento se una han contracción llegado a obtener en vidrios de silicoaluminato resistencias de unos 500

MN m2

. Estos valores muy satisfactorios fueron el punto de partida para el desarrollo

de otra técnica de cambio iónico: la desvitrificación superficial. Desvitrificación superficial. Sometiendo el vidrio a una desvitrificación superficial controlada, que conduzca a la formación de fases cristalinas de menor coeficiente de dilatación que el del vidrio, se pueden conseguir resultados análogos o superiores a los indicados en el apartado anterior. Este método ha sido empleado con particular éxito en vidrios de silicoaluminato de litio, en los que la cristalización superficial de β-espodumena y de β-eucriptita, con coeficientes de dilatación prácticamente nulos, han permitido conseguir, con espesores de capa de 60 a 80 µm, módulos de rotura de 700 a 800

MN m2

.

Como variante de este procedimiento se han empleado como material de partida vidrios de silicoaluminato sódico o de composiciones mixtas de sodio y litio, que han sido sometidos a un intercambio iónico por inmersión en sulfato de litio fundido. Simultáneamente al proceso de cambio se produce en la capa cambiada la desvitrificación superficial con formación de las mismas fases que en el caso anterior. 2.- Intercambio superficial de iones del vidrio por otros de mayor tamaño. De lodos los procedimientos de temple químico es éste el que, dentro de sus limitaciones, ofrece mayor interés práctico. Las capas tensionadas se forman en este caso por sustitución de iones alcalinos de la superficie por otros más voluminosos que entran forzadamente en los huecos reticulares que dejan vacantes los iones salientes y producen una compresión reticular superficial. A diferencia de los métodos anteriores, el proceso de cambio tiene que realizarse en este caso a temperaturas inferiores a la de transformación del vidrio, ya que, si no, los nuevos iones se acomodarían sin dificultad y no se crearían tensiones de ningún tipo. La efectividad del reforzamiento depende del espesor de capa, de la tensión generada por el cambio de volumen iónico y de la relajación de las tensiones producidas. La rotura de los materiales cerámicos casi siempre se origina a partir de una grieta que se inicia en la superficie mediante una carga de tracción. Para causar la rotura de una pieza de vidrio templado, la magnitud de la tensión aplicada debe ser suficientemente grande para, en primer lugar, superar los esfuerzos residuales de compresión http://slide pdf.c om/re a de r/full/te ma 5vidr io

80

80/123

5/12/2018


y además tensionar suficientemente la superficie para iniciar una grieta, la cual entonces puede propagarse. Para un vidrio no templado, la grieta se originara a una tensión inferior y, por consiguiente, la resistencia será menor. El vidrio templado se utiliza en aquellas aplicaciones para las cuales se desea una alta resistencia, lo cual incluye a puertas grandes, parabrisas de automóvil y lentes. El templado completo da una mejor resistencia mecánica y hace del vidrio un producto de seguridad, puesto que en caso de rotura, los trozos son muy pequeños y los riesgos de producir accidentes son prácticamente nulos. En la figura 11.2.2.1 se puede ver el esquema de fragmentación del vidrio.

Figura 11.2.2.1.- Esquema de fragmentación del vidrio. Las principales características mecánicas de los vidrios templados son: - Mayor resistencia al choque mecánico (Impacto). Una luna templada de 8 mm. de espesor resiste el impacto de una bola de acero de 500 gr. de peso, dejada caer de una altura de 2 m. sin velocidad inicial, estando la luna templada apoyada en dos listones separados 1 m. La misma bola, dejada caer desde 30 cm. de altura, rompe una luna pulida del mismo espesor. - Mayor resistencia a la compresión. La luna templada ofrece una resistencia a la compresión equivalente a la del acero de fundición. - Mayor resistencia a la flexión. El módulo de trabajo a flexión es de 50 MPa, con un coeficiente de seguridad de 3.5 aproximadamente. Los vidrios templados poseen una gran resistencia al choque térmico, pudiendo soportar cambios bruscos de temperatura. http://slide pdf.c om/re a de r/full/te ma 5vidr io

81

81/123

5/12/2018


Los vidrios templados, tanto claros como de colores, no presentan diferencias externas apreciables en relación con los simples o recocidos corrientes, pero no pueden ser cortados, taladrados ni trabajados después de su temple, por lo que es preciso encargarlos al taller a medida exacta y con las perforaciones, ranuras o rebajas requeridas. Las patentes más conocidas son: SECURIT, DURLUX, CLARIT,... 11.3.- Vidrios termoendurecidos . Los vidrios termoendurecidos nos Ilevan a un reforzamiento de la resistencia mecánica, pero estos no se consideran un producto de seguridad, ya que en caso de rotura los trozos son de una gran dimensión y pueden ocasionar accidentes. El proceso de fabricación es similar al del vidrio templado, pero varía la forma de enfriamiento. En los vidrios termoendurecidos, el enfriamiento es mucho más lento, por lo que las tensiones superficiales son inferiores y por tanto tienen una resistencia mecánica mas baja. 11.4.- Vidrio laminado (Figura 11.4.1). vidrio laminado esta compuesto por muy dos obuenas más vidrios simplesdeunidos por medio de láminas de butiral dey El polivinilo (un material plástico con cualidades adherencia, elasticidad, transparencia resistencia). La característica mas sobresaliente del vidrio laminado es su resistencia a la penetración, por lo que resulta especialmente indicado para la protección de personas y bienes. El tipo laminar más sencillo está compuesto por dos hojas de vidrio plano corriente fuertemente adheridas por intermedio de un plástico transparente; aumentando el número de hojas de una y otra clase, pueden obtenerse vidrios blindados, resistentes al impacto de armas de fuego ligeras En caso de rotura los fragmentos de vidrio quedan adheridos a la lámina de butiral, con lo que se reduce el riesgo de accidente. La presencia del butiral mejora también las propiedades acústicas, ya que disminuye el fenómeno de radiación resonancia. usaelelbutiral. vidrio laminado como protección contra la radiación ultravioleta, ya que dicha es También absorbidasepor Los espesores de butiral utilizados normalmente son: 0.38 mm (1); 0.76 mm (2); 1.14 mm (3); 1.52 mm (4). Para designar un vidrio laminado se indican los espesores de los vidrios en milímetros seguidos del número de láminas de butiral deseadas. Así un vidrio 64-2 está compuesto por dos hojas de vidrio de 6 y 4 mm de espesor pegadas mediante una lámina de butiral de 2x0.38 = 0.76 mm.

Figura 11.4.1.- Estructura del vidrio laminado. Forma de la rotura ante un impacto


82

82/123

5/12/2018


Estos vidrios, pueden ser manipulados como los corrientes, pudiendo cortarse, taladrarse, biselarse, grabarse o delustrarse. Las patentes más conocidas son: DUPLEX, VITROLES, TRIPLEX, PREVENTOR, SALVAVIDAS, etc. Aparte de sus ventajas, estos vidrios tienden a ser reemplazados totalmente por los vidrios templados de lámina única En la figura 11.4.2 se muestra el estado tensional de los vidrios templados termica y químicamente y de los vidrios laminares. Zona en compresión

TEMPLE TERMICO

Zona en extensión

100 N / mm2

Zona en compresión

200 N / mm2

Zona en compresión

TEMPLE QUIMICO

2

Zona en compresión Zona en extensión

1.000 N / mm2

Zonas en extensión

VIDRIO LAMINAR Film de PVB transparente

25 N / mm

Superficies en compresión

< 40 N / mm2

Figura 11.4.2.- Estado tensional de los vidrios templados termica y químicamente y de los vidrios laminares. 11.5.- Vidrio coloreado en masa. Es un vidrio en el cual, durante el proceso de fabricación, se le han añadido óxidos metálicos que le dan un color característico con el consiguiente aumento de la absorción. El vidrio coloreado se utiliza fundamentalmente como protección solar. Debido a la gran absorción de energía solar, es necesario el templado para evitar la rotura por choque térmico. Los cristales de color pueden encontrarse en bronce o en gris, variando la intensidad del mismo según el espesor del vidrio. Armoniza fácilmente con el conjunto de materiales utilizados en las fachadas de los edificios modernos, pues ofrece un aspecto externo poco reflectante 11.6.- Vidrios recubiertos con capas metálicas. Vidrios reflectivos. Son vidrios en los que se ha depositado, sobre una de sus superficies, una o varias capas metálicas mediante una serie de técnicas. Estos tipos de vidrios brindan la posibilidad de tener un gran control sobre la transmisión de luz y de energía, así como conseguir diferentes aspectos estéticos. Con los recubrimientos se obtienen los vidrios reflectivos, con los que se podrá disfrutar de una óptima transmisión de la luz diurna, sin desagradables deslumbramientos ni fatiga visual. Al mismo tiempo permite una mayor intimidad evitando que se pueda observar desde el exterior. Los vidrios reflectivos retienen hasta aun 94% de los rayos ultravioletas nocivos, evitando la decoloración y el deterioro de los productos plásticos, sin que pueda afectar el crecimiento de las plantas. Además, la absorción de energía se reduce al mínimo. http://slide pdf.c om/re a de r/full/te ma 5vidr io

83

83/123

5/12/2018


La función básica del vidrio reflectivo y cristal de color, bronce o gris es reducir la entrada del calor en el verano, mientras que el vidrio de baja emisividad, tiene por fin principal disminuir las pérdidas de calor en invierno. En las zonas climáticas en las que el aire acondicionado es necesario, es deseable limitar buena parte de la energía radiante solar. Los vidrios con multicapas metálicas son la solución ideal para este propósito. También se pueden combinar estos recubrimientos con vidrio coloreados en masa, lo que provoca que el color en reflexión cambie, dándose así un amplio rango de colores y propiedades de protección solar. Una clase especial de vidrios con una fina capa de óxidos metálicos, de gran resistencia que le permite ser utilizado como cristal monolítico o en doble carpintería, la constituyen los vidrios de baja emisividad en los que la capa metálica es prácticamente transparente a la radiación solar visible, reflejando en cambio la radiación del infrarrojo. Esta característica permite una reducción importante de la ganancia solar, a la vez que mantiene un alto coeficiente de transmisión luminosa. Como cristal aislante puede conseguir valores del coeficientes k particularmente favorables. Aunque la principal función de este tipo de vidrio es el control solar, después de su tratamiento o ensamblaje en doble acristalamiento, puede convertirse en un producto multifunción que ofrecerá, según las necesidades, funciones de aislamiento térmico reforzado, aislamiento acústico, seguridad y protección contra incendios. Los procesos de metalización son: Plateado. Este procedimiento es el más generalizado. Su técnica se fundamente en la calidad que tienen las sales de plata de precipitar, en presencia de ciertos elementos reductores, una película metálica homogénea, constituida por cristales microscópicos que, en conjunto, forman una superficie brillante de gran poder reflectante. La película de plata es protegida con barnices especiales y algunas veces por una capa de cobre (generalmente por galvanoplastia). Las cualidades de estos elementos protectores deben responder a las exigencias siguientes: - Resistencia mecánica y química (rayas y ataques químicos producidos por agentes atmosféricos). - Impermeabilidad a los líquidos (particularmente agua) y a los gases. Las pinturas de protección suelen estar constituidas a base de goma dammar, betún de Judea o minio, como componentes principales. Actualmente se utilizan pinturas plásticas. La protección por cobreado se puede obtener por electrólisis o a pistola, aplicándose directamente en ambos casos sobre la plata. Bombardeo iónico en alto vacío, este tratamiento se realiza a baja temperatura, por lo que no afecta a la planimetría del vidrio. Ejemplo de este proceso es la pulverización catódica al vacío de una capa de óxidos metálicos o la deposición catódica al vacío de varias capas de metales sobre un vidrio incoloro o sobre un vidrio de color. Pirólisis a muy alta temperatura, lo que confiere a la capa una resistencia extrema y una gran estabilidad en el tiempo. La capa, que de esta forma se integra completamente en el vidrio, confiere al vidrio su característica estética y sus propiedades de control solar, pudiendo colocarse en la cara exterior (cara 1) o en la interior (cara 2). Gracias al duro revestimiento pirolítico, ofrecen una excepcional resistencia a las condiciones más severas del entorno como: cambios bruscos de temperatura, contaminación química y corrosión, garantizando también una gran estabilidad en el tiempo tanto en su aspecto como en su eficiencia.


84

84/123

5/12/2018


Metalización en vacío. Esta técnica consiste en la obtención de una capa reflectante obtenida por vacío. Este sistema se utiliza principalmente para la fabricación de lámparas. Otros procesos de metalización. Se pueden obtener por vía química, espejos con otros materiales, como son el cobre, oro (descomposición de cloruro de oro), depósitos de sulfuro de plomo, etc. Debido a su resistencia y durabilidad, resulta sencillo cortar, templar, esmaltar, curvar, laminar y ensamblar en doble acristalamiento. Combinando la posición de la capa, el espesor y el color del acristalamiento, se obtiene un abanico de posibilidades que dan respuesta a cada necesidad específica. En la tabla 11.6.1 se dan la espectrofotometría y las propiedades térmicas del vidrio de control solar SGG ANTELIO de la compañía Saint-Gobain y en la tabla 11.6.2 las del SGG ANTELIO-DOBLE ACRISTALAMIENTO SGG CLIMALIT CONTROL SOLAR.

Tabla 11.6.1.- Espectrofotometría y las propiedades térmicas del vidrio de control solar SGG ANTELIO. SGGANTELIO - vidrio monolítico 6 mm CARA

RlE RlI

Tl %

% %

64 64 51 51 33

%

SGG ANTELIO

67 67 47 47 54

31 31 32 26 30

0.77 0.77 0.66 0.68 0.51

5.7 5.7 5.7 5.7 5.7

ESMERALDA

2

54

21 30 11 33 12 23 55 0.47 0.47 0.55

5.7

SGG ANTELIO INCOLORO

34 34 20 20 11

g ISO Ae g EN 9050 U SC % 410 M1 W/(m².K) % (DIN)

ReE ReI

1 2 1 2 1

SGG ANTELIO PLATA

31 31 26 32 21

TUV Te % %

25 23 26 19 23

23 25 19 26 12

11 13 23 30 44

0.67 0.67 0.57 0.59 0.45

0.67 0.67 0.58 0.60 0.44

Tabla 11.6.2.- Espectrofotometría y las propiedades térmicas del vidrio de control solar SGG ANTELIODOBLE ACRISTALAMIENTO SGG CLIMALIT CONTROL SOLAR. SGGANTELIO - DOBLE ACRISTALAMIENTO SGG CLIMALIT CONTROL SOLAR 6 (12) 6 VIDRIO INTERIOR

VIDRIO EXTERIOR SGG ANTELIO PLATA SGG ANTELIO INCOLORO SGG ANTELIO ESMERALDA SGG ANTELIO HABANA

CON SGGPLANILUX COMO

CARA

Tl %

RlE %

RlI %

TUV %

Te %

ReE %

Ae1 %

Ae2 %

g EN 410 g ISO 9050 M1 (DIN)

SC

U - AIRE W/(m².K)

1 2 1 2

61

35

33

24

52

28

12

8

0.59

0.59

0.68

2.8

61

35

33

24

52

26

13

9

0.59

0.59

0.68

2.8

42

34

29

14

41

28

24

7

0.49

0.49

0.56

2.8

43

28

34

14

41

21

31

7

0.50

0.50

0.57

2.8

1 2 1 2

49

32

25

9

28

24

45

3

0.36

0.35

0.41

2.8

49

24

32

9

29

13

55

3

0.37

0.37

0.43

2.8

22

34

17

4

24

27

45

4

0.32

0.33

0.37

2.8

22

12

35

4

24

11

61

4

0.34

0.35

0.39

2.8

En la figura 11.6.1 pueden verse fachadas realizadas con vidrio de control solar SGG ANTELIO.


85

85/123

5/12/2018


Figura 11.6.1.- Fachadas realizadas con vidrio de control solar SGG ANTELIO. Los vidrios coloreados de control solar se destinan a aplicaciones muy variadas: oficinas, comercios, centros de enseñanza, edificios industriales, viviendas... Se recomienda también en verandas y miradores. 11.7.- Vidrios serigrafiados. En los vidrios serigrafiados, se depositan en una de sus caras esmaltes vitrificables por el sistema de impresión serigráfica. Posteriormente se someten al proceso de templado. En dicha operación el esmalte queda vitrificado formando masa con el vidrio y adquiriendo las mismas propiedades que el vidrio templado normal excepto su resistencia al choque mecánico, la cual esta condicionada por la superficie esmaltada, el espesor de los esmaltes, las dilataciones, etc. Además de las ventajas propias del vidrio templado, con el vidrio decorado se puede dar a las superficies exteriores de los edificios una gran variedad de terminaciones, y cambiar las propiedades fotoenergéticas del vidrio. Consejos para su utilización: - Cuando existan diferencias elevadas de temperatura en la superficie del vidrio (sol-sombra). - Cuando estén expuestos a zonas de vientos fuertes y en función de la carpintería utilizada. - En cargas de nieve y situaciones de vidrios colocados en planos inclinados. - Choques mecánicos en general. - Cuando se proyecte directamente el aire acondicionado y la calefacción. - En el caso del vidrio serigrafiado, el comportamiento de algunos colores puede variar ligeramente según el espesor del vidrio, por lo tanto no conviene mezclar grosores para una igualdad total. - Hay que tener en cuenta la iluminación al colocar el vidrio serigrafiado, ya que iluminaciones diferentes y distintos ángulos de incidencia del sol pueden variar su tonalidad. La flexibilidad que ofrece el serigrafiado permite conseguir una gran variedad de aspectos estéticos y propiedades: control de la ganancia solar, decoración, enmascaramiento, distribución de luz, etc.


86

86/123

5/12/2018


Figura 5.8.7.1.- Vidrio serigrafiado 11.8.- Vidrios con cámara (Figura 11.8.1). Están formados por dos o mas lunas separadas entre si por una cámara de aire o algún otro gas deshidratados. La separación entre las lunas la proporciona un perfil de aluminio en cuyo interior se introduce el deshidratante. El conjunto permanece estanco mediante sellado con silicona a lo largo de todo el perímetro. Este producto, con su bajo coeficiente de transmisión térmica, es un buen aislante térmico, disminuyendo las perdidas de calor respecto a un vidrio simple (monolítico). Por otra parte, la superficie interior del acristalamiento permanece a una temperatura próxima a la de la habitación, aumentando la sensación de confort junto a la ventana y disminuyendo el riesgo de condensaciones en invierno.


87

87/123

5/12/2018


1) Vidrio (flotado, templado, laminado, etc.) 2) Vidrio (flotado, templado, laminado, etc.) 3) Espaciador metálico. 4) Cámara de aire. 5) Desecante. 6) Ranura. 7) Butilo 8) Silicona

Figura 11.8.1.- Esquema de un doble acristalamiento. Vidrio con cámara.


88

88/123

5/12/2018


Según su composición permite reducir hasta un 60% el ingreso del calor solar y disminuir las perdidas de calor, respecto de un vidrio simple, a la mitad. 11.9.- Vidrio armado (Figura 11.9.1) Vidrio translúcido, incoloro, al cual se ha incorporado durante su fabricación una malla interior de alambre de acero de 12x12 mm para aumentar su resistencia al impacto. El alambre no hace al vidrio más fuerte o resistente, solo actúa como soporte temporal del vidrio evitando el desprendimiento de los fragmentos de vidrio roto y evitando la caída de fragmentos de vidrio rotos. Una de sus caras es lisa y la otra posee una textura que transmite la luz en forma difusa. Una de las propiedades más significativas del vidrio armado es que permite retardar la propagación del fuego en aberturas. Retarda la propagación del fuego entre 30 y 60 minutos (dependiendo del tamaño del paño). Tradicionalmente empleado en edificios industriales, el vidrio armado también es aplicado en techos y antepechos de viviendas, escuelas, hospitales y edificios públicos en general.

Figura 11.9.1.- Vidrio armado. Forma de la rotura ante un impacto 11.10.-Vidrios planos traslúcidos. Son aquellos productos de vidrio en los cuales los rayos luminosos al atravesarlos sufren difusiones más o menos intensas, por lo que la visión a su través no es clara, sino borrosa. Se fabrican por tres sistemas distintos: Por el ácido fluorhídrico. Ataca a los vidrios, originando fluoruros de silicio, ácido fluorhídrico y fluorsilicato sódico, potásico o cálcico, todos ellos opacos. El material se expone a la acción del HF si se desea que quede semitransparente y a la del H2SiF6 , de 30 a 45 minutos, si ha de quedar opaco. El método permite el grabado, sin más que proteger aquellas zonas que se desea queden sin ataque mediante barnices especiales. Por el chorro de arena. Dirigiendo sobre la lámina de vidrio un chorro de arena silícea de canto vivo, proyectada con la suficiente fuerza y velocidad para que superficie resulte áspera, lo origina pérdida de transparencia, pero no de translucidez. Los vidrios asílatratados reciben el nombre deque deslustrados o esmerilados.


89

89/123

5/12/2018


Por impresión. Durante la fabricación, mientras el material está tierno, de un dibujo o grabado. Son todos los vidrios colados, con las siguientes variantes y calidades: Vidrio colado bruto. Es la propia luna sin recibir los tratamientos de desbastado y pulido. Baldosa gravada. De espesor entre 17 y 20 mm., llevando impreso en una de sus caras un dibujo en relieve para aumentar su adherencia. Baldosilla. Vidrio colado, similar al anterior pero de espesor comprendido entre los 3 y los 8 mm. Vidrio catedral. Vidrio colado que ofrece en una de sus caras un "martillado" ondulado, procedente de un rodillo laminador que lo hace poco transparente. El espesor normal es de 3 a 4 mm. Vidrio impreso. Vidrio colado también en una de cuyas caras posee un dibujo monótono, procedente del rodillo laminador cuya misión es quitarle transparencia. Se fabrica claro y en colores, siendo su espesor normal de 3 a 4 mm. 11.11.- Vidrios planos opacos. Son aquellos que impiden totalmente la visión a su través. Existen las siguientes variedades: Opalina pulida. Es un vidrio colado y laminado por una sola cara, quedando la otra en bruto o impresa con estrías para favorecer la adherencia. También recibe el nombre de marmolita, opaxita, etc. Su coloración es variable (blanca, coloreada); los espesores varían de 7 a 14 mm. y su uso es para enchapados y recubrimientos. Opal masivo. Es un vidrio soplado o estirado, es decir, de reducido espesor (1,80 a 2,75 mm.), de color blanco opalino, merced a la adición de criolita y fosfato cálcico en la masa, translúcido y gran difusor con múltiples aplicaciones en Luminotecnia. Opal doblado. Es un vidrio claro corriente, recubierto durante la fabricación por una o por ambas caras con una delgada lámina de opal masivo. 11.12.- Vidrios ondulados o curvados. El cristal curvado nació a principios de siglo como una necesidad de los arquitectos e interioristas para encontrar nuevas formas que dieran elegancia, belleza y prestigio a sus proyectos. Hoy en día, casi 100 años después el cristal curvado ha pasado a ser un elemento de arquitectura e interiorismo indispensable en la mente de los más prestigiosos prescriptores actuales. El cristal curvado recocido se obtiene a partir del calentamiento del cristal plano hasta su punto de plasticidad, dándole su forma deseada mediante el uso de moldes (Figura 11.12.1).


90

90/123

5/12/2018


Figura 11.12.1.- Esquema de fabricación del cristal curvado Una de las ventajas del cristal curvado es la flexibilidad de formas que se pueden realizar. Ello permite al diseñador trabajar con un material al cual puede infundir su propio estilo y personalidad. Características técnicas. Espesores del cristal: 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 15, 19, 25 mm. (1/8, 1/6, 1/5, 1/4, 1/3, 2/5, 1/2, 3/5, 3/4, 1") Dimensiones máximas: 5800 x 2400 mm (228 x 94") Flecha máxima: 1000 mm (39") Colores de cristales: Gris, Bronce, Verde, Azul, Rosa Tipos de cristales que se pueden curvar: Incoloro, extraclaro, tintado, reflectantes y bajos emisivos (sólo los de tipo pirolítico). Terminología (Figura 11.12.2). A: ALTURA Distancia entre los dos extremos del canto recto. C: CUERDA Segmento de recta que une los extremos del arco (distancia entre los dos cantos rectos). D: DESARROLLO Longitud que comprende los segmentos curvos y los, eventualmente, rectos. F: FLECHA Parte del diámetro perpendicular a una cuerda, comprendida entre ésta y la circunferencia. E: ESPESOR Distancia entre ambas caras del vidrio. R: RADIO Recta que une el centro de un círculo con cualquiera de los puntos de su circunferencia. ÁNGULO α: Mayor o menor abertura que forman entre sí dos líneas o planos que se cortan. Todos estos datos pueden ir referidos a la parte interior o exterior del vidrio, según convenga

Figura 11.12.2.- Terminología de los cristales curvados. Relaciones geométricas.


91

91/123

5/12/2018


Tolerancias (Figura 11.12.3).

Figura 11.12.3.- Tolerancias de los cristales curvados. En el caso de composiciones laminadas o de doble acristalamiento, se tomará como referencia el vidrio de mayor espesor. En la figura 11.12.4 pueden verse las curvas más comunes y en la figura 11.12.5 los radios mínimos.

Figura 11.12.4.- Curvas más comunes

Figura 11.12.5.- Radios mínimos según el espesor del vidrio (mm).


92

92/123

5/12/2018


Cristal curvado aislante. El cristal curvado aislante es un acristalamiento aislante térmico y acústico compuesto por dos o más cristales separados entre sí delimitando una cámara estanca (Figura 11.12.6 ). El conjunto queda posteriormente sellado en todo su perímetro con silicona, garantizando de esta forma la estanqueidad de la cámara de aire del acristalamiento.

Figura 11.12.6.- Tipos de cristales curvados aislantes. Ventajas - Permite disminuir el efecto "pared fría" en las zonas más cercanas al acristalamiento y evita la aparición de condensaciones en la superficie del cristal. - Total impermeabilidad a la entrada de vapor de agua en el interior de la cámara de aire (índice de penetración a la humedad I < 0,01) Se puede fabricar en diferentes composiciones en función de las necesidades de aislamiento térmico, acústico y de seguridad de cada proyecto. También se puede fabricar en multicámara. En la tabla 11.12.1 se dan las propiedades térmicas y acústicas. Tabla 11.12.1 .- Propiedades térmicas y acústicas.


93

93/123

5/12/2018


Aplicaciones. En exteriores, el vidrio curvado se utiliza fundamentalmente, en fachadas de edificios (Figura 11.12.7), bóvedas, escaparates, ascensores panorámicos, espejos convexos de seguridad, tejas, puertas rotativas, barandas, rótulos, etc. Las aplicaciones de interior más comunes, son en vitrinas frigoríficas y de muebles, mesas, barandillas de escalera, mamparas de oficinas y baños, cabinas de seguridad, sistemas de iluminación, recubrimiento de columnas, etc.

11111Figura 11.12.7.- Fachadas de vidrio con cristal curvado en las esquinas. Existe cristal curvado de seguridad compuesto por dos o más lunas de float unidas entre sí por interposición de láminas de polivinil butyral que impide, en caso de rotura, el desprendimiento del cristal. Según el espesor, características y número de cristales e intercalarios de polivinil butyral, puede utilizarse en varios tipos de aplicaciones. Nivel A. Seguridad física. • fachadas de edificios • ventanas • puertas rotativas columnas panorámicos • ascensores • antepechos de balcones y escaleras • lucernarios • suelos, etc. Nivel B. Antiagresión • escaparates • centros oficiales • chalets • centros de control y procesos de datos


94

94/123

5/12/2018


Nivel B. Antirrobo • escaparates • exposiciones de arte • bancos, cajas de ahorro, etc.

Figura 11.12.8.- Utilizaciones del cristal curvado de seguridad. Tambien existe vidrio curvado templado, el cual se consigue mediante un proceso de calentamiento, curvatura y rápido enfriamiento vidrio (Figura ). Elpermanentes resultado es que una incrementan transformación estable de la estructura molecular del vidriodel que produce unas11.12.9 tensiones la resistencia mecánica a la flexión, compresión e impacto del vidrio.

Figura 11.12.9.- Esquema de fabricación del vidrio curvado templado. 11.13.- Vidrio autolimpiable. El vidrio autolimpiable es un vidrio normal resistente, con recubrimiento especial en el exterior, incoloro y autolimpiable que requiere una menor de limpieza y mejora la visión durante yy después de al la lluvia si se compara con el vidrio float frecuencia normal. Además de ofrecer una buena durabilidad resistencia rayado, se puede tratar como el vidrio float normal en la mayoría de los casos.


95

95/123

5/12/2018


En condiciones normales, su recubrimiento exclusivo destruye los contaminantes orgánicos de la superficie y aumenta la acción de deslizamiento del agua en la superficie recubierta, lo que permite eliminar fácilmente la suciedad y reducir en gran medida la limpieza manual. El vidrio autolimpiable esta caracterizado por una exclusiva doble acción. Cuando se expone a la luz del día, el recubrimiento reacciona de dos formas. 1.- Mediante un proceso ‘fotocatalítico’, el recubrimiento reacciona con los rayos ultravioletas de la luz natural del día para descomponer y desintegrar la suciedad orgánica. 2.- La segunda parte del proceso tiene lugar cuando la lluvia o el agua entra en contacto con el vidrio. Dado que el vidrio es hidrófilo , en lugar de formar pequeñas gotas, el agua se extiende uniformemente sobre la superficie y, a medida que se desliza, arrastra con ella la suciedad. En comparación con el vidrio convencional, el agua se seca muy rápidamente y sin dejar las antiestéticas manchas de secado . El recubrimiento funciona continuamente, eliminando la suciedad siempre que llueve. Desde determinados ángulos, el efecto de espejo es ligeramente superior al del vidrio normal y presenta un leve tinte azul. Por lo demás, el vidrio es igual a cualquier otro. No tiene efecto sobre su resistencia, y sólo reduce la cantidad de luz y energía que lo atraviesa, aproximadamente, en un 7%. El recubrimiento está perfectamente adherido al vidrio, por lo que sólo puede deteriorarse si la propia superficie del vidrio resulta dañada, por ejemplo, por objetos punzantes, limpiadores abrasivos o lana de acero. Las pruebas han mostrado que no se descascarilla ni se decolora y que el recubrimiento dura tanto como el propio vidrio. En la figura 11.13.1 puede verse la diferencia entre la suciedad de una ventana con vidrio normal y autolimpiable, que no se limpiado en seis meses

Figura 11.13.1.- Diferencia entre la suciedad de una ventana con vidrio normal y autolimpiable.


96

96/123

5/12/2018


11.14.- Moldeados de vidrio. Piezas de vidrio translúcico, macizas o huecas, que se obtienen por el prensado de una masa fundida de vidrio en unos moldes especiales de los que toman su forma. Se destinan a la construcción de pisables y paramentos verticales. Por su fabricación, los moldeados de vidrio forman dos grupos: Moldeados dobles (Figura 11.14.1). Son aquellos formados por dos elementos independientes que, soldados entre sí en el proceso de fabricación, originan una sola pieza, con una cámara de aire a baja presión. Moldeados sencillos (Figura 11.14.2) Constan de un solo elemento macizo que ha sido constituido en el molde, desapareciendo por tanto la fase de soldado.

Figura 11.14.1.- Moldeados de vidrio dobles

Figura 11.14.2.- Moldeados de vidrio sencillos


97

97/123

5/12/2018


Dimensiones de utilización. Moldeados sencillos: Las dimensiones máximas de utilización para tabiques verticales sencillos son : 6 m² con una dimensión máxima de 3 m. Moldeados dobles: En tabiques verticales dobles, las dimensiones máximas de utililización son : 20 m² con una dimensión máxima de 5 m. Moldeados pisables: Las dimensiones de utilización dependerán : - Número de apoyos de la placa ( dos, tres o cuatro lados apoyados ) - Tipo de Moldeado - Sobrecarga en

Kg m2

- Dimensiones del hueco a cubrir Puesta en obra. Moldeados sencillos Principios generales de colocación: - Los tabiques no podrán ser en ninguna de sus dimensiones superiores a 3 m. Para huecos de dimensiones mayores, se fraccionaran en tantos paneles como sea necesario, introduciendo entre ellos las correspondientes juntas de dilatación y estanquidad. - Los tabiques deberán ir independientes de la obra, mediante una junta de dilatación perimentral. - Los redondos de acero (armadura) no deberán estar en contacto con el vidrio, y, además, deberán ir totalmente cubiertos por el hormigón. Junta de independencia. Los paneles irán desligados del resto de la obra, observándose los correspondientes juegos de fondo y teniendo en cuenta las posibles flexiones de las vigas. Nervio de mortero Entre Moldeados: 1 cm mínimo Perimetral: 5 cm en superficies ≤ 1m² y 6 cm en superficies > 1m² Armadura Acero AEH400 π 5 mm. Entre moldeados: 1 varilla π 5 mm Perimetral: - Paneles de superficie = 1 m² : 1 varilla π 5 mm. - Paneles de superficie > 1 m² : 2 varillas π 5 mm. Mortero. Dosificación. - 1 volumen de cemento tipo I o II, categoría 32.5 - 3 volúmenes de arena de río lavada http://slide pdf.c om/re a de r/full/te ma 5vidr io

98

98/123

5/12/2018

FIJACIÓN SUPERIOR MOLDEADOS


JUNTA

HORIZONTAL

TIPO

ENTRE

FIJACIÓN INFERIOR

Moldeados dobles. Principios generales de colocación. - Los tabiques no podrán ser en ninguna de sus dimensiones superiores a 5 m ni exceder 20 m² de superficie. Pasando de estas dimensiones deberán fraccionarse en varios paneles, introduciendo entre ellos juntas de dilatación y estanquidad. - Los tabiques deberán ir independientes de la obra mediante una junta de dilatación perimetral. La armadura no deberá estar en contacto con el vidrio y estará totalmente cubierta por el hormigón. Nervio de mortero. - Entre Moldeados: mínimo 1 cm - Perimetral: mínimo 3.5 cm Armadura. -Entre Moldeados: mínimo 1 cm - Tabiques de hasta 4 m. de longitud. Llevarán dos varillas de Acero AEH 400 π 5 mm en cada nervio horizontal, y una varilla de π 5 mm en cada nervio vertical, colocada a tresbolillo. - Tabiques de 4 a 5 m. de longitud. Llevarán dos varillas de Acero AEH 400 π 5 mm en cada nervio horizontal, y una varilla de o 6mm en cada nervio vertical, colocada a tresbolillo.


99

99/123

5/12/2018


Mortero. Dosificación. - 1 volumen de cemento tipo I o II, categoría 35 - 3 volúmenes de arena de río lavada FIJACIÓN SUPERIOR

FIJACIÓN INFERIOR

FIJACIÓN LATERAL

JUNTA TIPO ENTRE MOLDEADOS

Moldeados pisables. Juntas. De independencia y dilatación: Las placas deberán ir desligadas perimetralmente del resto de la obra así como entre ellas. Nervio de mortero. - Entre Moldeados: 3,4 ó 5 cm - Perimetrales: ( 3 + 1.5 X espesor de la placa) cm - La entrega de la placa en los apoyos será como mínimo (1,5 X espesor de la placa) cm. Armadura: Acero AEH400 - El diámetro se determinará en cada caso según dimensiones y sobrecarga. - En ningún caso el o de acero estarán en contacto con el vidrio. - Siempre deberá ir embebida en el hormigón y a distancia no inferior a 1 cm del exterior de la placa. http://slide pdf.c om/re a de r/full/te ma 5vidr io

100

100/123

5/12/2018


Hormigón. Dosificación. - 1 volumen de cemento tipo I o II, categoría 32.5 - 3 volúmenes de arena de río lavada - Diámetro del árido < 1 cm APOYO PERIMETRAL

JUNTA ENTRE MOLDEADOS

APOYO INTERMEDIO


101

101/123

5/12/2018


El aislamiento térmico de un moldeado cumple estas tres funciones: reducir la conducción térmica en el material, que corresponde a la transferencia de calor mediante electrones; reducir las corrientes de convección térmica que pueden establecerse en espacios llenos de aire o líquido, y reducir la transferencia de calor por radiación, que corresponde al transporte de energía térmica por ondas electromagnéticas. La conducción y la convección no tienen lugar en el vacío, y este es el principio físico que provoca que los moldeados dobles tengan un mayor aislamiento térmico, ya que durante el proceso de fabricación del moldeado se produce una soldadura de vidrio en caliente que provoca que el aire que queda atrapado entre las dos caras, quede en depresión con respecto a la presión atmosférica y por tanto mejore su capacidad de aislante térmico Las superficies de alta reflectividad pueden reducir la radiación, principalmente el calentamiento del sol. De este modo las superficies de vidrio del moldeado reflejan parte del flujo térmico proveniente de la radiación térmica En los materiales de construcción, los espacios de aire proporcionan un aislamiento adicional, lo que motiva el moldeado doble tenga una conductividad térmica comparable a un acristalamiento aislante de dobleque cristal. Las propiedades aislantes empeoran si el aire interior del aislante adquiere humedad, ya que las partículas de agua actúan como conductores térmicos, pero este problema no puede afectar a los moldeados dobles. Como resultado de lo expuesto, el coeficiente de conductividad térmica k depende del modelo y tamaño del moldeado (se indica el valor medio de la gama) y del material de unión entre moldeados, bien entendido que una unión deficiente disminuirá por si misma las propiedades aislantes de la pared, techo o suelo. Moldeado sencillo

Moldeados dobles

Moldeado pisable

Gemax k ºK = 5.2 W/m². Catolux k = 4.8 W/m² .ºK

k = 3.4 W/m² .ºK

Novalux k = 5.6 W/m² .ºK

En el supuesto de una pared simple, aceptable para una pared de moldeados, la obtención de un buen aislamiento acústico viene condicionada por las siguientes variables: Peso por unidad de superficie: A mayor peso, mayor

aislamiento.

Rigidez: La pared debe ser débilmente rígida. Estanqueidad.

Estas condiciones se cumplen en cuanto al producto de vidrio colocado en una pared, ya que el peso de una pared de un moldeado de espesor 80 mm, por unidad de superficie, es de 1.00

kN m2

, lo cual garantiza

por la ley de masas un aislamiento en torno a los 40 dB. Por lo que se refiere a la estanqueidad, los defectos en las juntas de albañilería, las rendijas en puertas y ventanas, las juntas de paneles prefabricados, etc., pueden dar lugar a las 'fugas acústicas' o 'puentes acústicos'. Estas fugas dejan pasar fundamentalmente las frecuencias agudas, que son a las que el oído tiene mayor sensibilidad. Esto implica que una realización inadecuada de estas juntas pueda disminuir considerablemente, las propiedades de aislamiento acústico del moldeado.


102

102/123

5/12/2018


Los índices de atenuación acústica respecto a la referencia ambiente en dB (A) es la siguiente: Moldeado sencillo

Moldeados dobles

30 dB (A)

35 dB (A)

El comportamiento de estos moldeados al fuego, en los ensayos realizados, los clasifica como elementos parallamas entre hora y media y dos horas. En la figura 11.14.3 pueden verse varias realizaciones con moldeados de vidrio.

Figura 11.14.3.- Realizaciones con moldeados de vidrio.


103

103/123

5/12/2018


Figura 11.14.3.- Realizaciones con moldeados de vidrio. 11.15.- Tejas de vidrio (Figura 11.15.1). Su forma concuerda exactamente con uno de los modelos de teja cerámica de mayor difusión (teja de Levante o de Valencia). La colocación de las tejas de vidrio es idéntica a la de las tejas de cerámica. Se fijarán sobre las correas, atándolas con alambre y en ningún caso se utilizará cemento para ligarlas entre sí.

Figura 11.15.1.- Tejas de vidrio.


104

104/123

5/12/2018


12.- Ejemplos prácticos. La elección correcta de un vidrio para una aplicación concreta, requiere considerar una serie de características diferentes. En la mayor parte de las obras de vidriado es preciso evaluar, por lo menos, los 10 siguientes aspectos: 1.- Color y aspecto. 2-. Transparencia, traslucidez y opacidad. 3.- Transmisión de luz visible. 4.- Transmisión de calor solar radiante. 5.- Aislamiento térmico. 6.- Aislamiento acústico. 7.- Resistencia. 8.- Flexión bajo cargas dinámicas o estéticas. 9.- Espesor adecuado. 10.- Cumplimiento de criterios de seguridad. 12.1.- Dimensionamiento de vidrios. La elección del espesor del vidrio está directamente relacionada con las presiones a las que va a estar sometido. Existen reglas de cálculo sencillas que nos permiten conocer de una manera aproximada el espesor necesario. La resistencia a flexión del vidrio es el parámetro más importante a la hora de la elección del espesor del vidrio. Se puede caracterizar la resistencia de un vidrio a la flexión por el valor de la tensión necesaria para la ruptura del vidrio en extensión. Dicha tensión de ruptura tiene los valores siguientes: daN

Vidrio recocido:

400 a 450

Vidrio templado:

1200 a 2000

Vidrio semi-templado:

800 a 1300

cm 2

daN cm 2

daN cm 2

Exceptuando ciertos casos los acristalamientos para la construcción se pueden calcular con la fórmula de TIMOSHENKO:


105

105/123

5/12/2018


El espesor mínimo a dar a los acristalamientos planos monolíticos sometidos a una presión uniformemente repartida, será ( fórmula válida para los apoyos continuos en 4 lados ó 2 lados opuestos) : l 2 e = β P σ

(12.1.1)

4

para flechas de poca importancia: f

= α P l 3 e

siendo: e = Espesor nominal de fabricacíon del vidrio (mm). f = Flecha en el centro del vidrio (mm). l = Lado menor del vidrio (m), (o borde libre para los vidrios con apoyo sobre 2 lados). P = Presión uniformemente repartida en Pa (comprende el peso propio del vidrio). σ = Tensión de trabajo del vidrio a flexión en MPa ( N/mm2 ).

α y β = Coeficientes adimensionales que dependen de la relación L/l, siendo L el lado más grande del vidrio (m) y l el lado menor (m) (Tabla 12.1.1) Teniendo en cuenta los coeficientes de seguridad, las tensiones de trabajo, σ, utilizadas normalmente son las dadas en la tabla 12.1.2. Dimensiones de utilización. La determinación de las dimensiones de utilización de los productos vítreos en cerramientos exteriores de los edificios dependerá de su naturaleza y del lugar de su situación. La tabla 12.1.3 "Carga total de viento q en

Kp m2

fija los espesores, longitud y ancho de los vidrios para las

diferentes presiones debidas a la acción del viento, según la zona eólica y situación topográfica del edificio.


106

106/123

5/12/2018


Tabla 12.1.1.- Valores de los coeficientes adimensionales α  y β en función de la relación

L l

.

Acristalamientos con apoyo en 4 lados

L/l

1,0

α 0,6444

β 0,2668

1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 2,5 3,0 4,0 5,0

0,7722 0,8958 1,0138 1,1236 1,2250 1,3181 1,4014 1,4778 1,5458 1,6069 1,8236 1,9403 2,0333 2,0569

0,3138 0,3583 0,3999 0,4382 0,4732 0,5048 0,5332 0,5587 0,5815 0,6017 0,6728 0,7105 0,7400 0,7476

Caso de acristalamientos apoyados sobre 2 lados opuestos

“l” es la distancia entre apoyos

2.0653

0.750

Caso de acristalamiento sobre 2 apoyos

La flecha de los bordes libres esta limitada a: – 1/100 de la distancia entre apoyos para vidrios simples ( monolíticos ) o laminar, – 1/150 de la distancia entre apoyos para los vidrios aislantes, bajo los efectos del viento definidos según la NBE-AE 88.


107

107/123

5/12/2018


Tabla 12.1.2.- Tensiones de trabajo, σ, utilizadas normalmente según el tipo de vidrio. 2

Tensiones de trabajo admisibles MPa (N/mm ) cargas de corta duración Cargas de corta (viento…)

Cargas permanentes (peso propio, nieve, agua...)

Recocido SGGSGG PLANILUX, SGG PARSOL, ANTELIO Templado SGG SECURIT Endurecido SGG PLANIDUR Vidrio Esmaltado y templado SGG EMALIT Laminado SGG STADIP medida fija Laminado SGG STADIP (cortado a sierra) Impreso SGG DECORGLASS / SGG MASTERGLASS

20 50 35

10 40 20

35

25

20 16

10 8

18

9

Impreso armado SGG DECORGLASS ARMADO Impreso templado SGG SECURIT con SGG DECORGLASS / SGG MASTERGLASS Vidrio Impreso esmaltado y templado SGG EMALIT CONTRAST

16

8

40

30

30

20

Tipos de Vidrio

Se aplicará un coeficiente reductor de 0.8 sobre la tensión de trabajo admisible, cuando la superficie del vidrio haya sido tratada al ácido o a la arena. Las presiones de viento quedan establecidas por la NBE - AE88 “Acciones en la Edificación “, desarrollada en la NTE-ECV “ Estructuras-Cargas de Viento”. 1.- Ambito de aplicación: Cargas de viento en edificios hasta 60 m de altura. 2.- Zona eólica: Se determina por las coordenadas geográficas del emplazamiento en el mapa siguiente:


108

108/123

5/12/2018


3.- Carga total de viento sobre edificios. Para edificios de planta rectangular o combinación de rectángulos, se considerará una presión p a barlovento y una succión s a sotavento, sobre cada metro cuadrado de la fachada del edificio, cuya suma q se obtiene en función de la altura H sobre el nivel del suelo, de la zona eólica y de la situación topográfica del emplazamiento del edificio. Se considera situación topográfica expuesta: las costas, cumbres de montaña , desfiladeros, bordes de meseta y aquellos lugares en que pueden preverse vientos locales de intensidad excepcional. Para el cálculo de la carga sobre acristalamientos u otras superficies en que pueda haber huecos abiertos se tomará el valor q. Tabla 12.1.3.- Carga total de viento q en


Kp m2

.

109

109/123

5/12/2018


En la tabla 12.1.4 se da la conversión de la velocidad de viento en presión dinámica. Tabla 12.1.4.- Conversión de la velocidad de viento en presión dinámica.


110

110/123

5/12/2018


Cálculo del espesor de los acristalamientos planos, simples recocidos y sin armar. En la práctica, teniendo en cuenta los coeficientes de seguridad, normalmente admitidos, para los acristalamientos simples planos, recocidos y sin armar, se adoptará un espesor nominal "e" igual o mayor que el espesor mínimo de fabricación, em, calculado por las fórmulas siguientes:

en las cuales: e = espesor del acristalamiento en mm. L = lado mayor del acristalamiento en m. l = lado menor del acristalamiento en m (o longitud de los bordes libres para los acristalamientos enmarcados en 2 lados) S = superficie del acristalamiento en m2. P = presión convencional en Pa. Nota: Un acristalamiento enmarcado en 3 lados es similar a un acristalamiento enmarcado en 4 lados donde una de las dimensiones es igual a la longitud del borde libre y la otra, a 3 veces la longitud del lado adyacente de ese borde libre. Se observa, que si el vidrio está colocado en dos apoyos el espesor del vidrio es sólo función de la dimensión sin apoyo, siendo independiente de la dimensión apoyada. Otros tipos de acristalamientos. Como todos los tipos de vidrio no tienen, para el mismo espesor, la misma resistencia mecánica, se introducen unos factores de equivalencia que permiten a partir de un espesor calculado y conociendo el tipo de vidrio a utilizar calcular el espesor real a usar.


111

111/123

5/12/2018


Entonces para vidrios distintos al vidrio plano recocido, el espesor, e t, se obtiene multiplicando el mínimo teórico, e, por el coeficiente ε  de la tabla 12.1.5, es decir:

et = ε e Tabla 12.1.5.- Valores del coeficiente ε en función del tipo de vidrio. Tipo de vidrio

ε

Vidrios armados

1.2

Vidrio endurecido o semitemplado

0.90 P ≤ 900 Pa

0.80

P > 900 Pa

0.75

Dos láminas del mismo espesor

1.30

Tres láminas del mismo espesor

1.60

Dos vidrios

1.50

Tres vidrios

1.70

Vidrios templados

Vidrios laminados Vidrios aislantes

En el caso de acristalamientos laminados y aislantes, el espesor, et, es la suma de los espesores, em, de los componentes del acristalamiento (cuando la diferencia del espesor de esos componentes sea menor o igual a 2 mm. Para los acristalamientos templados, deben tomarse distintos coeficientes, en función de la presión, a fin de evitar flechas importantes. En los cálculos, los vidrios templados de los acristalamientos laminados o aislantes se consideran como recocidos. Limitaciones particulares de los acristalamientos simples recocidos armados y no armados. Para los acristalamientos simples recocidos, se adoptarán las limitaciones siguientes, cualesquiera que fueran los resultados de los cálculos anteriores: Espesor nominal (mm) 3

Ancho máximo (m) 0,66

4

5

6

0,92

1,50

2,00

• Acristalamientos exteriores a más de 50 m de altitud : espesor nominal mínimo = 6 mm. • Acristalamientos de más de 5 m2, espesor mínimo nominal: - 6 mm, si la parte baja del acristalamiento está a más de 0.60 m del suelo - 8 mm, si está a menos de 0,60 m.


112

112/123

5/12/2018


• Acristalamientos de más de 1 m2 con un borde libre accesible: - 8 mm si la dimensión del borde libre es = 2 m, - 10 mm si la dimensión del borde libre es > 2 m. • Los bordes libres accesibles no deberán tener corte vivo. • No se admiten vidrios con los bordes libres en los pasillos. Ejemplo de dimensionamiento: Acristalamiento situado en Zaragoza, zona eólica Y, a 6 m de altura y en zona expuesta, carga de viento (Ver tabla 12.1.3): 82

Kp m2

≈ 820 Pa

Supongamos un vidrio de dimensiones 2x1.5 m y estudiaremos los casos de cuatro y dos apoyos. 4 apoyos.

Para esta situación podríamos utilizar las siguientes composiciones: un vidrio recocido de 8mm, un vidrio templado de 5 mm, o un vidrio laminado 4+4 mm. 2 apoyos (lado libre 2 m).

Para esta situación podríamos utilizar las siguientes composiciones: un vidrio recocido de 12 mm, un vidrio templado de 10 mm, o un vidrio laminado 8+8 mm. 12.2.- Condensaciones. Con el siguiente ejemplo se pretende demostrar el efecto del valor del coeficiente de transmisión térmica sobre la posibilidad de condensaciones en el interior del edificio. Supondremos una temperatura exterior de 0º C y una temperatura interior de 20º C, y calcularemos la posibilidad de condensación para dos acristalamientos diferentes, vidrio simple de 6 mm y doble acristalamiento con bajo poder emisivo. Vidrio simple. Coeficiente de Transmisión Térmica (Vidrio monolítico): U = 5.7

W m 2 .K

Para que no se produzca condensación la Humedad Relativa del aire en el interior debe ser como máximo igual a Hi = 40 %


113

113/123

5/12/2018


Doble acristalamiento con bajo poder emisivo. Constante de Transmisión Térmica (Doble acristalamiento, bajo poder emisivo): U = 1.6

W m 2 .K

Para que no se produzca condensación la humedad relativa del aire en el interior debe ser como máximo igual a Hi = 79 % 12.3.- Ahorro energético. El acristalamiento cumple una función térmica cuando produce una reducción de los intercambios térmicos (frío - calor) entre los dos ambientes que separa. Esto se consigue disminuyendo el valor del coeficiente de transmisión térmica, U (cantidad de calor por unidad de tiempo, expresado en vatios, transmitido a través de una superficie de 1m2 por cada grado de diferencia entre el interior y el exterior). La forma de llegar a valores U adecuados para acristalamientos, es realizar la combinación de cristales simples con otros elementos que aporten un mayor grado de aislamiento térmico. El aire desecado en espesores de 6 a 12 mm, cuando permanece en reposo proporciona un excelente aislamiento térmico. Pueden fabricarse acristalamientos aislantes con una o varias cámaras según sea el grado de aislamiento que se desee obtener. Los más corrientes son de una cámara con dos cristales, conocidos como Doble acristalamiento o doble vidriado hermético (DVH). Los de dos cámaras y tres cristales se denominan triple acristalamiento. La principal ventaja que aportan estos productos es el ahorro de energía para refrigerar o calentar ambientes. Se aumenta el confort en las proximidades de las superficies acristaladas y en todo el recinto al suprimirse los movimientos de aire que se producen por diferencias de temperaturas. Se reduce la posibilidad de que exista condensación (efecto de pared fría), manteniéndose la transparencia de los cristales aún en condiciones de humedad y de temperaturas extremas. El acristalamiento aislante puede añadir además otras prestaciones en función de las características de los cristales utilizados en su composición. En un acristalamiento existen tres posibles mecanismos de transmisión de valor: Conducción: El valor se transmite por conducción a través de un medio material (sólido, liquido o gas). Las moléculas calientes comunican parte de su energía de vibración a sus vecinas mas frías continuando dicho proceso a lo largo de todo el material. Convección: Esta forma de transmisión del valor es propia de líquidos y gases. La diferencia de temperatura provoca diferencias de densidad que a su vez, dan lugar a movimientos en el fluido, así el más caliente sube y es reemplazado por otro mas frío. Radiación: Todo cuerpo emite energía electromagnética de manera continua. La cantidad de energía y el espectro de emisión dependen depor la temperatura cuerpo y de propiedades emisivas. Este mecanismo no precisa de contacto material lo que tiene del lugar incluso en sus el vacío.


114

114/123

5/12/2018


El coeficiente de transmisión térmica "U" tiene en cuenta los tres mecanismos de transmisión de calor (Figura 12.3.1). Un valor de U pequeño nos indica un buen aislamiento térmico y las pérdidas térmicas serán pequeñas. El valor "U" depende en gran medida de la existencia de cámara de aire y de su espesor, así como del tratamiento superficial de los vidrios. Si se utiliza un vidrio de baja emisividad, las pérdidas por radiación son mucho menores. Otra consecuencia de tener un coeficiente de transmisión térmica menor es que en invierno se evitan en gran medida las condensaciones en la parte interna del acristalamiento, ya que esta no alcanza una temperatura tan baja como en el caso de valores U más altos. Acristalamientos monolíticos. El coeficiente U del cristal incoloro de color y del cristal reflectivo monolíticos varía muy poco y solo de acuerdo con el espesor del cristal.

ACRISTALAMIENTOS MULTIPLES funciones :

- Disminución de la TRANSMIS. DE CALOR - Reducción del efecto “pared fria” COEF. de TRANSMISION DE CALOR K (U-value) = (w / m2.ºC)

1 1 + he

Σe 1 1 + + λ ha hi interior ( 21 ºC)

interior ( 21 ºC)

Ejemplos :

exterior ( - 10 ºC)

∆t = 11 ºC

∆t = 23 ºC VIDRIO ( - 2 ºC)

VIDRIO ( +10 ºC) exterior ( - 10 ºC)

Figura 12.3.1.- Coeficiente de transmisión térmica "U". Efecto de los acristalamientos múltiples. Acristalamientos aislantes, con vidrio de baja emisividad. Los acristalamientos con cristales de baja emisividad, permiten reducir las pérdidas térmicas por la radiación hacia el exterior a través del cristal. Empleándose en doble acristalamiento, este disminuye las pérdidas térmicas entre un 35 % a un 50% en relación a un doble acristalamiento tradicional. La combinación de un cristal exterior como el cristal incoloro o el reflectivo y un cristal de baja emisividad interior, permiten obtener un doble acristalamiento que ofrece una alta protección contra la radiación solar excesiva y una alta reducción de las pérdidas térmicas en invierno.


115

115/123

5/12/2018


Las altas propiedades de estabilidad y resistencia en los agentes químicos de su capa metálica, permiten utilizar el cristal de baja emisividad en acristalamiento monolítico, en doble acristalamiento o en carpintería de doble chasis. En este último caso el coeficiente k varía entre 1.45 y 1.8

W m 2 .K

de acuerdo:

espacio de aire entre el cristal de baja emisividad y el otro cristal; - el coeficiente U del chasis. Ensamblado en acristalamiento aislante, este cristal permite disminuir los riesgos de condensación sobre la cara interna de dicho acristalamiento. Para una temperatura interior de 20 ºC y una humedad relativa del 70 %, la condensación aparecerá en la cara interior, para una temperatura exterior de: + 4ºC para un doble acristalamiento tradicional ( 3.0

W m 2 .K

)

- 4ºC para un doble acristalamiento el cristal de baja emisividad sin gas ( 1.9

W m 2 .K

)

Cabe remarcar que la temperatura de la hoja interior del doble acristalamiento aislante de este tipo será superior a la de una hoja de un doble acristalamiento aislante tradicional. Gracias a la supresión de las zonas frías, el espacio habitable aumenta considerablemente. Cristales para antepechos con vidrios reflectivos El coeficiente de aislamiento térmico de un cristal de baja emisividad esmaltado, es idéntico a los cristales monolíticos incoloro y reflectivo no esmaltados. El coeficiente U puede considerarse mejorado, gracias a la aplicación de un material aislante al dorso del cristal reflectivo esmaltado. Cristal laminado El coeficiente U de un cristal laminado es idéntico al de un vidrio monolítico. Para obtener niveles de seguridad elevados, se recurre a combinaciones de vidrios de diferente espesor unidos con la ayuda de una película de PVB, variables en número y espesor. En consecuencia, el coeficiente k de los cristales gruesos podrá mejorarse: - cerca del 10% para cristales de 25 mm de espesor; - cerca del 25% para cristales de 50 mm de espesor. En lavarios tabla tipos 12.3.1deyvidrio. en la figura 12.3.2 se pueden ver valores del coeficiente de transmisión térmica, U, para Tabla 12.3.1.- Valores del coeficiente de transmisión térmica, U, para varios tipos de vidrio.


116

116/123

5/12/2018


ACRISTALTO. SIMPLE (6 mm)

DOBLE ACRISTALTO.

TRIPLE ACRISTALTO.

K (U-value) (W/ m2 . ºC)

DOBLE ACRISTALTO. (Con capa Low-ε)

1,8

5,7

1,9

2,8

DOBLE ACRISTO. (Con capa Low-ε y ARGON)

1,5

DOBLE ACRISTO. (Con AERO-GEL TRASPARENTE)

DOBLE ACRISTALTO. (Con VACIO)

0,9

0,6

Figura 12.3.2.- Aislamiento térmico de los acristalamientos. Control del asoleamiento: Para procurar el control de la incidencia de la radiación solar sobre el acristalamiento es determinante la definición del tipo de cristal a utilizar en posición exterior en la unidad de DVH (Doble vidriado hermético). Con cristales tonalizados en su masa y con la utilización de películas reflectivas incorporadas a los mismos se logran valores muy adecuados de transmisión de luz y de energía solar rechazada. Es posible reducir la cantidad de luz solar que ingresa al ambiente de 88 % (cristal común simple) a valores del orden del 25 % (DVH con cristal exterior color y reflectivo). En relación a la cantidad total de energía que ingresa al ambiente podemos pasar de valores de 83 % para un cristal simple común a valores del orden de 30 % en el caso de un DVH con cristal exterior tratado. La cámara de aire estanca se obtiene con un perfil separador de aluminio, el cual posee su cara interna calada y aloja en su interior sales que desecan la humedad del aire contenido. Los cristales se unen a este perfil separador porque cordones barrera estanqueidad), sellado silicona estructural ocupade el butilo espacio(primera generado por ladecara exterior delluego perfilsey realiza la cara un interna de con los cristales (segunda barrera de estanqueidad). Se pueden realizar cámaras con espesores de 6 mm, 9 mm, o 12 mm. Las dimensiones máximas de fabricación son 1.60 m.x 2.40 m. En la figura 12.3.3 se dan los balances energéticos de distintos tipos de acristalamientos


117

117/123

5/12/2018


V. INCOLORO (6 mm)

V. PARSOL GRIS

V. PARSOL VERDE 100

100

100 5

5

7

82 3

8

49

44 38

13

11

35

FS 57

FS 85

FS 60

V. REFL. SOLAR/TERMICO

V. REFLECTASOL

(Capa REFL. + Capa Low-e)

(Capa REFL. s/I 6mm) 100

100

100

90 39 11

46

41

4 39

FS 50 14

6

FS 45

Figura 12.3.3.-. Balances energéticos de distintos tipos de acristalamientos. Ejemplo de ahorro energético. Como ejemplo de ahorro energético vamos a calcular el ahorro en refrigeración que nos supondría el empleo de un doble acristalamiento con bajo emisivo con las siguientes característica: Factor Solar (FS) = W

38 % y coeficiente de transmisión térmica U = 1.6

2

, en comparación con un vidrio simple de 6 mm,

m .K

FS = 85 % y U = 5.7

W m 2 .K

.

Calcularemos este ahorro para un edificio con una fachada de 50 m2 de acristalamiento, orientado al sur. Flujo de calor. Por conducción: Si queremos calcular el flujo de calor a través de un acristalamiento de área S, en un periodo de tiempo t, en el que la diferencia de temperatura entre el exterior y el interior es ∆T , tenemos que realizar la siguiente operación: QC = USt ∆T Por radiación: El flujo por radiación viene dado por: QR

= ( FS ) I ∆T kJ

donde (FS) es el factor solar, I es la intensidad de radiación media 1884.15 m 2 , S es la superficie del acristalamiento y t es el número de horas de sol.


118

118/123

5/12/2018


Para determinar el ahorro de refrigeración en todo el verano se definen los siguientes coeficientes: Grados - día de calor: Resulta de multiplicar el número de días en los que la temperatura media en el exterior es superior a la temperatura interior del edificio por la diferencia entre la temperatura media exterior y la temperatura interior. Para Zaragoza se tiene un valor de 240 grados-día de calor. Horas de Sol en verano: Es el número de horas de sol durante los días en los que la temperatura media exterior es superior a la temperatura interior del edificio. En Zaragoza el número de horas de sol en verano es 1433 h. Con todo esto la ganancia de calor total en verano es: Para un vidrio simple de 6 mm. Por conducción:

QC = USt ∆T

x 50m 2 x 24hx 240K = 1641600 kJ 2 = 5.7 mW .h

Por radiación:

QR

= (FS )ISt = 0.85x1884.15

Total:

QT

= QC + QR = 1641600 + 114749445.4 = 116391045.4 kJ

kJ m

2

x 50m 2 x1433h = 114749445.4

kJ

Para un vidrio doble con bajo emisivo. Por conducción:

QC = USt ∆T

x 50m 2 x 24hx 240K = 460800 kJ = 1.6 mW 2 .h

Por radiación:

QR

= (FS )ISt = 0.38x1884.15

Total:

QT

= QC + QR = 460800 + 51299752.05 = 51760552.05 kJ

kJ m2

x 50m 2 x1433h = 51299752.05

kJ

Con lo cual conseguiremos un ahorro relativo de energía de: 116391045.4 – 51760552.05 = 64630493.35 kJ Con un rendimiento de 2000 frigorías = 8374 kJ (Una frigoria es la cantidad de calor que tenemos que sustraer a 1 Kg de agua a 15 ºC, para disminuir su temperatura en 1 ºC, es decir una kilocaloría negativa) por KWh nos supone un ahorro de 7718 KWh, es decir unas 2200

ptas m2

. Una kilocaloría son 4.187 kJ.

En la figura 12.3.4 puede verse el mapa de zonificación de España por grados día año (Temperatura media en el exterior es inferior a la temperatura interior del edificio). Se divide a España en 5 zonas climatológicas y se da para cada una de ellas los límites máximo y mínimo de los grados-día anuales con base 15/15, es decir, que se parte de una temperatura interior base t i de 15 ºC y una temperatura media exterior tm ,con quebase lógicamente no puedeciudades sobrepasar los 15 ºC. En la tabla Estos 12.3.2valores los valores anuales para de los grados-día 15/15 de distintas y localidades españolas. se utilizarian el calculo del ahorro energético de calefacción, que es lo contrario del ejemplo analizado.


119

119/123

5/12/2018


Zona

Temperatura exterior

Grados/día anuales. 15-15

Zona A

3

Zona B

1

401 a 800

Zona C

-1

801 a 1300

Zona D

-4

1300 a 1800

Zona E

-6

> 1800

≤

400

Figura 12.3.4.- Mapa de zonificación de España por grados día año.


120

120/123

5/12/2018


Tabla 12.3.2.- Grados-día con base 15/15: valores anuales


121

121/123

5/12/2018


En la tabla 12.3.3 pueden verse las temperaturas aconsejadas para cada una de las dependencias, de distintos tipos de locales. Tabla 12.3.3.- Temperatura interior recomendada según el tipo de local.

En la tabla 12.3.4 se indican las condiciones exteriores de cálculo en distintas localidades de España.


122

122/123

5/12/2018


Tabla 12.3.4.- Temperatura exterior de calculo.


123/123

Tema5.VIDRIO

Recommend Documents