Sustenabilitatea sticlei utilizată în construcții

Sustenabilitatea sticlei utilizată în construcții

Sticla este unul dintre cele mai preferate materiale cu aplicații pe scară largă, cum ar fi un material de construcție, utilizat în containere și vase, ca ferestre în industria auto, în aplicații nanotehnologice, cum ar fi fibrele optice etc.

Multe calități fac sticla atractivă, deoarece este transparent, inert din punct de vedere chimic, ecologic, durabil, puternic, ușor de disponibil și relativ ieftin. Nu există alt material disponibil pe scară largă care să posede aceste calități.

În industria construcțiilor, sticla a fost folosită în mod tradițional ca geamuri în clădiri, dar utilizarea sticlei ca material principal de construcție a devenit din ce în ce mai populară în ultimii 25 de ani.

Dar, cât de sustenabilă este sticla? La această întrebare a căutat să se răspundă în studiul cu titlul ”Sustainability of glass in construction”, realizat de Michael Achintha, de la University of Southampton, UK.

Veche de când lumea

Progresele recente în tehnologia sticlei și considerentele arhitecturale, de sustenabilitate și de mediu promovează utilizarea sticlei în clădiri. Este greu de imaginat vreo clădire modernă fără ferestre/fațade din sticlă. Utilizarea sticlei pentru a construi clădiri bine luminate și spațioase a devenit mai proeminentă.

Principalul compus al sticlei este siliciul (SiO2), care este constituentul principal al nisipului. Sticla naturală, care există de milioane de ani, s-a format atunci când anumite tipuri de roci s-au topit ca urmare a fenomenului de temperatură ridicată, cum ar fi erupțiile vulcanice și fulgere, apoi s-au răcit și s-au solidificat rapid (Le Bourhis, 2008).

Este posibil ca oamenii din epoca de piatră să fi folosit sticla naturală ca unelte datorită rezistenței sale ridicate și clarității. Cea mai veche utilizare a sticlei fabricate poate fi în jurul anului 3500 î.Hr. în Egipt, unde sticla colorată a fost folosită ca bijuterii și ca vase pentru depozitarea lichidelor (IStructE, 2014).

Sticla fabricată conține cantități considerabile de diverși oxizi metalici, în principal sodă (Na2O) și var (CaO), în plus față de siliciul constituent principal. Prin urmare, este cunoscut sub denumirea de ”sticlă soda-calcică-silice” sau ”sticlă soda-var”.

Sticla de sodalim este cel mai utilizat tip de silice-sticlă din lume. De obicei, sticla soda-calcică conține 69–74% siliciu, 5–14% var, 10–16% sodă și alte ingrediente minore, cum ar fi magneziul (MgO) și alumină (Al2O3) (Haldimann și colab., 2018).

Funcția sodei este de a scădea punctul de topire al sticlei sodo-calcice la o valoare între 400 și 600 oC față de cea de 1723 C a siliciului (Le Bourhis, 2018).  Acest punct de topire scăzut permite producerea în vrac de sticlă soda-calcică.

Tipuri de sticlă

Sticla care conține doar siliciu și sodă va avea o durabilitate slabă și este adesea solubilă în apă; adăugarea de var face sticla mai durabilă. Sticla de siliciu pură este încă folosită în aplicații speciale, de exemplu, în ferestrele navelor spațiale unde sticla este expusă la temperaturi de până la 1200 C.

Alte soiuri de silica-sticlă, care posedă proprietăți specifice includ sticla borosilicată, sticla cu oxid de plumb (sticlă de cristal) și sticla aluminosilicata. În sticla borosilicată, oxidul boric (B2O3) este utilizat în loc de sodă în sticla sodo-calcică. Sticla borosilicată are o rezistență ridicată la schimbările de temperatură, drept urmare, este folosită în mod obișnuit în vase de gătit de uz casnic.

Sticla cu oxid de plumb conține 18-40 % oxid de plumb (PbO) în loc de sodă în sticla de sodo-var (IStructE, 2014). Datorită densității sale mari, sticla cu oxid de plumb are un indice de refracție ridicat și, ca urmare, sticla cu oxid de plumb are proprietăți optice atractive. Sticla cu oxid de plumb este folosită pentru a produce obiecte perfect clare și fără cusur, cum ar fi sticlăria.

Sticla aluminosilicat conține aproximativ 20% alumină și cantități mici de var, magnezie și oxid boric, dar doar o cantitate foarte mică de sifon. Sticla aluminosilicat are capacitatea de a rezista la temperaturi ridicate și este utilizată în mod obișnuit pentru a fabrica fibră de sticlă și polimeri armați cu fibră de sticlă.

Sticla sodo-calcică sub formă de foi plată este tipul de sticlă cel mai utilizat în industria construcțiilor; discuția din acest capitol se limitează la soda-calar, foi de sticlă plate. Cititorii interesați de alte tipuri de sticlă ar trebui să se refere la text specific subiectului (de exemplu, Le Bourhis, 2008).

Producția de foi de sticlă

Procesul de sticlă float, care a fost dezvoltat inițial de Pilkington Brothers în 1959 (Haldimann et al., 2018), este cel mai comun proces de fabricare a foilor de sticlă plate. Peste 80–85% din producția globală de sticlă flotată este utilizată în industria construcțiilor (Glass for Europe, 2015a). În procesul de sticlă flotată, ingredientele (silice, var, sifon etc.) sunt mai întâi amestecate cu calcin (sticlă spartă reciclată) și apoi încălzite într-un cuptor la aproximativ 1600 C pentru a forma sticlă topită.

Sticla topită este apoi alimentată pe partea superioară a unei băi de staniu topită. O panglică de sticlă plată de grosime uniformă este produsă prin curgerea sticlei topite pe baia de staniu sub încălzire controlată. La sfârșitul băii de staniu, sticla este răcită lent și apoi este introdusă în camera de recoacere pentru o răcire treptată controlată în continuare.

Grosimea panglicii de sticlă este controlată prin schimbarea vitezei la care panglica de sticlă se deplasează îne recoacere lehr. De obicei, sticla este tăiată în foaie mare de 3 m x 6 m. Prin acest proces sunt produse comercial foi de sticlă plană cu grosimea de 2-22 mm. De obicei, pe piață este disponibilă sticlă cu grosimea de până la 12 mm, iar la cerere poate fi disponibilă sticlă mult mai groasă.

Odată fabricată, sticla float, cunoscută și sub denumirea de sticlă recoaptă, este uneori prelucrată în continuare pentru a produce sticlă călită și/sau sticlă laminată. Sticla călită este cunoscută și sub numele de sticlă călită și este mai rezistentă decât sticla float. Sticla laminată are performanțe îmbunătățite după spargere, siguranță la impact, rezistență la foc îmbunătățită și proprietăți speciale precum controlul zgomotului.

Alegerea sticlei ca material de construcție

O combinație unică de proprietăți fizice, optice, chimice și termice fascinante face din sticla materialul de construcție cel mai preferat în clădirile moderne. Utilizarea adecvată a ferestrelor din sticlă, ușilor, acoperișurilor, scărilor, pereților despărțitori etc. face clădirile luminoase, aerisite, eficiente din punct de vedere energetic și, de asemenea, sporește confortul ocupanților.

Caracteristica cea mai izbitoare care contribuie la utilizarea pe scară largă a sticlei în clădiri este transparența acesteia la lumina vizibilă. Datorită absenței subdiviziunilor interne, cum ar fi limitele granulelor în microstructură, sticla nu împrăștie lumina și, ca urmare, este transparentă.

Sticla are, de asemenea, suprafețe netede, deoarece în timpul formării moleculele lichidului supra-răcit nu sunt forțate să se dispună în geometrii cristaline rigide și pot urma tensiunea superficială. Evoluțiile recente ale produselor din sticlă de înaltă tehnologie extind gama de aplicații ale sticlei dincolo de cele doar decorative, la roluri funcționale și structurale.

Lumina, confortul, bunăstarea, stilul, siguranța, securitatea și durabilitatea se numără printre beneficiile care pot fi obținute prin utilizarea adecvată a produselor din sticlă moderne în clădiri.

Proprietăți chimice și termice

Una dintre proprietățile cheie ale sticlei este inerția sa chimică și rezistența generală la mediul expus. Sticla este unul dintre cele mai durabile materiale folosite în industria construcțiilor. Inerția chimică este atribuită microstructurii sale: o rețea neregulată de atomi de siliciu și oxigen cu părți alcaline între ele.

Sticla este, de asemenea, un izolator electric, deoarece nu există particule încărcate, cum ar fi electroni liberi în metale sau ioni într-un fluid electrolit care se poate mișca creând un curent electric. Coeficientul de dilatare termică al sticlei sodo-var este de 8–9×10-6 K -1 și acesta este de o mărime similară cu cel al celor două materiale de construcție cele mai utilizate pe scară largă, betonul (12×10-6 K -1) și oțelul (11– 13×10-6 K -1).

Căldura specifică a sticlei (cantitatea de căldură necesară pentru a crește temperatura unității de masă a sticlei cu 1 K) este de 0,8 Jg-1K -1. Conductivitatea termică a sticlei (cantitatea de căldură transmisă printr-o unitate de grosime – într-o direcție normală cu o suprafață a unității de suprafață – datorită gradientului de temperatură unitar în condiții de stare staționară) este de 1 Wm-1K -1.

Căldura specifică relativ scăzută, conductivitatea termică ridicată și utilizarea unor volume mai puține de material înseamnă că elementele de sticlă au o masă termică mai mică decât cea a structurilor echivalente din beton/oțel/zidărie.

Fisurarea prin coroziune sub tensiune

În ciuda caracteristicilor sale bine-cunoscute de inerție chimică, sticla este susceptibilă la fisurarea prin coroziune sub tensiune: micile defecte cresc încet atunci când sunt expuse la solicitări de deschidere a fisurilor în prezența apei sau a vaporilor de apă. Acest fenomen este cunoscut și sub denumirea de ”oboseală statică” sau ”creștere lentă a fisurilor”.

În mod obișnuit, sub solicitări de întindere moderate, fisurile subcritice din sticla de silice se pot propaga la viteze de 10-12 până la 10-5 ms-1 (Lechenault și colab., 2011). Mecanismul de fisurare prin coroziune sub tensiune este complex și, în ciuda faptului că problema a fost studiată încă din anii 1960 (Wiederhorn, 1968; 1969), procesul nu este încă pe deplin înțeles.

Acoperiri de suprafață

Proprietăți precum aspectul vizual, proprietățile optice și termice ale sticlei flotante pot fi modificate prin aplicarea acoperirilor de suprafață. De exemplu, acoperirile pot regla anumitelungimi de undă ale luminii vizibile și nevizibile care sunt reflectate și/sau transmise prin sticlă și, prin urmare, sunt capabile să controleze energia solară care trece prin sticlă sau să reflecte energia termică înapoi în interiorul clădirii. Acoperirile pot fi aplicate offline sau online.

Acoperirile offline sunt aplicate după fabricarea și tăierea sticlei, de obicei prin scufundarea geamurilor de sticlă în soluții chimice sau prin evaporarea metalelor pe suprafețe în vid. Acoperirile care conferă diferite culori, reflectivitate și proprietăți termice sunt aplicate 5 moduri.

Acoperirile online sunt aplicate în timp ce sticla este fierbinte și încă în lehr și, ca rezultat, formează o legătură puternică cu sticla și sunt de obicei mai durabile decât acoperirile offline.

Controlul solar și acoperirile cu emisivitate scăzută (low-e) sunt aplicate în mare parte online. Acoperirile multifuncționale sunt utilizate în produsele moderne din sticlă hightech, acoperirile nu afectează negativ proprietățile dorite ale sticlei originale.

Sticla ca material de construcție

Creșterea la nivel mondial a emisiilor de CO2 din cauza consumului ridicat de energie semnalează o alarmă pentru societate să se concentreze mai mult pe clădiri cu emisii reduse de carbon și eficiente din punct de vedere energetic.

Este nevoie de profesioniști în industria construcțiilor și, de asemenea, ca guvernele să fie bine versate în proiectarea unui mediu construit durabil. Sticla se dovedește a fi un material de construcție foarte atractiv, care oferă oportunități pentru dezvoltarea de anvelope de clădiri inovatoare, eficiente din punct de vedere energetic.

Sticla are, de asemenea, o utilizare neprețuită în tehnologiile de energie solară regenerabilă, cum ar fi sistemele fotovoltaice și în colectoarele solare termice.

Construcții cu emisii reduse de carbon și durabile

În termeni simpli, durabilitatea este utilizarea mai prudentă a resurselor naturale pentru protecția mediului. Se anticipează că populația globală va crește la 9 miliarde de oameni în 40 de ani de la populația actuală de aproximativ 7,2 miliarde.

Acest lucru ridică provocări mari pentru dezvoltarea și întreținerea infrastructurilor cheie, cum ar fi locuințele, energia, transportul, comunicațiile, deșeurile și apa, compensând în același timp impacturile negative economice, sociale și de mediu. Construcțiile durabile sunt necesare pentru a îmbunătăți sănătatea socială și ecologică pe termen lung a infrastructurilor cheie.

Se estimează că piața mondială a construcțiilor și industria construcțiilor durabile vor crește cu peste 70% și, respectiv, 23% până în 2025 (comparativ cu 2012), ca urmare a cerințelor de reglementare cu emisii reduse de carbon și a cerințelor sociale mai mari pentru produse mai ecologice.

Clădiri cu emisii scăzute de carbon și eficiente din punct de vedere energetic

Deși în unele industrii (de exemplu, producerea de energie electrică), industria construcțiilor nu a făcut încă progrese semnificative, deși au fost deja întreprinse măsuri extinse pentru reducerea amprentei de carbon. Clădirile reprezintă în prezent aproape 45% din emisiile totale de carbon (The Royal Academy of Engineering, 2020).

Amploarea provocării în reducerea amprentei de carbon a clădirilor este imensă. Industria construcțiilor trebuie să adapteze paradigma cu emisii scăzute de carbon. Designul clădirilor cu emisii scăzute de carbon și eficiente din punct de vedere energetic este destul de diferit de designul clădirilor tradiționale ”foame de energie” din secolul al XX-lea. Sunt necesare proiecte creative și analize de inginerie rigoroase.

O clădire ”verde” ar trebui să cuprindă șase caracteristici principale ale durabilității: locații durabile, eficiență în utilizarea apei, energie și atmosferă, materiale și resurse, calitatea mediului interior și inovație în design (US Green Building Council, 2012).

Amprenta de carbon a unei clădiri este, în general, echivalentul CO2 al tuturor gazelor cu efect de seră asociate construcției și exploatării clădirii pe toată durata de viață.

Amprenta de carbon este dublă:

(1) Carbonul de capital (denumit și carbon încorporat) este carbonul total încorporat al materialelor și al procesului de construcție și

(2) Carbonul operațional este carbonul asociat cu operarea și întreținerea, de exemplu, combustibil fosil necesar pentru iluminat, încălzire și toate celelalte operațiuni de zi cu zi ale clădirii.

Reducerea amprentei de carbon este fundamentală pentru economia globală pe termen lung, sustenabilitatea socială și a mediului. Deși paradigma cu emisii scăzute de carbon este o provocare enormă, aplicarea acesteia stimulează inovația în proiectare și construcție, unde reducerile de capital și carbonul operațional asigură eficiența resurselor și beneficii economice.

Aplicațiile sticlei pentru reducerea emisiilor de carbon operațional

Multe clădiri construite în secolul al XX-lea depind în principal de energia din combustibili fosili pentru a le face locuibile. Deoarece nevoia de clădiri durabile este mai presantă ca niciodată, eficiența energetică este principalul motor al clădirilor moderne.

Clădirile eficiente din punct de vedere energetic sunt necesare pentru a limita decalajul tot mai mare dintre reglementările privind carbonul și ceea ce este livrat efectiv în prezent. Deși clădirile cu energie zero pot fi construite prin instalarea de surse regenerabile de energie alături de clădirile convenționale, astfel de proiecte sunt costisitoare și nu sunt durabile.

Sticla oferă soluții de design dinamic, care au potențialul de a face clădirile să fie eficiente din punct de vedere energetic prin utilizarea luminii naturale și a câștigului solar, economisind în același timp energia. Sticla este cea mai izbitoare caracteristică în designul clădirilor moderne.

Caracteristicile și beneficiile sticlei în clădiri

Energia necesară pentru încălzire, răcire, iluminare și ventilare a clădirilor convenționale contribuie la o mare parte a amprentei totale de carbon. Prin combinarea cunoștințelor de Fizică a ingineriei construcțiilor (adică, exploatarea științelor naturii care se referă la performanța clădirilor și a designului lor de interior și exterior), împreună cu utilizarea creativă a sticlei în anvelopele clădirilor, este posibil să se reducă cererea de energie artificială.

Cea mai frapantă proprietate a sticlei sodo-calcice este transparența sa la lumina vizibilă (lungime de undă, 750 nm). Sticla are un indice de refracție de 1,5, iar reflexia luminii vizuale este de aproximativ 4% pe suprafață; prin urmare, transmisivitatea unei foi de sticlă (adică două suprafețe) este mai mare de 90% (Haldimann et al., 2008).

Prin aplicarea unor acoperiri speciale de suprafață, transmisivitatea sticlei poate fi îmbunătățită și mai mult, iar astfel de sticlă de înaltă transmisivitate sunt disponibile pe piață. Datorită transparenței sticlei, fie că este o fereastră sau o fațadă complet vitrată, poate oferi o lumină naturală neprețuită în clădiri.

Iluminarea naturală este esențială pentru funcționarea clădirilor și, de asemenea, ajută la îmbunătățirea sănătății și productivității și la reglarea ceasului biologic al ocupanților. Proiectarea adecvată a iluminatului natural poate evita necesitatea iluminatului artificial pentru cea mai mare parte a zilei/anului și, în consecință, poate duce la economii de 30-50% în factura totală de energie a anumitor clădiri (Aboulnaga, 2006). 7

Deși iluminarea naturală poate fi asigurată cu ușurință prin ferestre/fațade din sticlă, este necesar să se monitorizeze intensitatea, distribuția, strălucirea, redarea culorii etc., pentru a crea un nivel ridicat de stimulare. medii interioare de calitate.

Pentru a obține un design bun al iluminatului, trebuie luați în considerare mulți factori: caracteristicile geamurilor și orientarea acesteia, elementele de control solar, cum ar fi jaluzelele și jaluzelele, geometria și organizarea spațiului clădirii, proprietățile suprafeței pereților interioare și distanța și orientare fata de ferestre/ geam.

Proiectele ineficiente ar putea duce nu numai la iluminarea naturală slabă, dar ar putea afecta negativ confortul și productivitatea ocupanților. Sistemele de iluminare naturală ar trebui să fie lipsite de prea mult amplificare solară, luminozitate, strălucire, iluminare neuniformă etc. Controlul solar poate fi realizat prin utilizarea sticlei de control solar special concepute.

Este posibil să se compenseze strălucirea care interferează cu sarcinile de lucru, cum ar fi ecranele computerului, prin utilizarea umbririi exterioare, jaluzelele, jaluzelele reflectorizante, geamurile cu transmisie scăzută și amplasarea optimă a ferestrelor / geamurilor.

Furnizarea de ferestre înalte cu plafon înclinat împreună cu rafturi luminoase care redirecționează lumina, aduce lumina zilei adânc în spațiile interioare fără supraîncălzire și strălucire. Deci, încă un beneficiu major care conduce la economia de energie.

infoconstruct