玻璃作为建筑材料的特性与属性
玻璃作为建筑材料的特性与属性
玻璃作为建筑材料，以其独特的透明性、耐候性和多功能性，在现代建筑中扮演着越来越重要的角色。从传统的窗户玻璃到现代的结构玻璃，其特性与应用不断拓展。本文将详细介绍玻璃作为建筑材料的主要特性和属性，帮助读者全面了解这一重要材料。
玻璃的基本定义与历史
根据《牛津建筑词典》的作者James Stevens Curl和Susan Wilson所述，“玻璃是一种半透明或全透明的硬质、脆性材料，由硅酸盐（通常是沙子）与碱性钠或钾盐熔融而成，加入其他成分后形成。它似乎是在罗马帝国时期开始用于大型建筑的窗户玻璃。”
现代建筑中玻璃的应用
在当代建筑中，玻璃的使用日益广泛，人们对透明建筑元素的需求不断增加。传统上，玻璃作为单层板与承重框架配合使用。如今，玻璃作为建筑材料，也被用作主要的结构构件，如玻璃鳍片、墙面和梁。
根据Laufs Wilfried和Luible Andreas（2003）在《现代建筑中玻璃的使用介绍》中的观点，玻璃是一种神奇的建筑材料，可以根据其特性应用于门、窗和建筑立面。它为人们提供了多种选择，包括安全性、环境功能（自清洁、阳光和热量透过率、能见度）以及耐磨性等。
玻璃的主要特性
1. 硬度与脆性
玻璃是一种硬质材料，具有很好的抗冲击能力。然而，它也是一种脆性材料，当受到负载时会立即断裂。
2. 耐候性
玻璃具有良好的耐候性，能够承受雨水、阳光和风的侵蚀。它能够吸收、反射和折射光线，使我们能够控制和利用自然光，影响日常活动并调节身心健康。玻璃具有很好的尺寸稳定性，因为其热膨胀值很低（即与其他材料相比，温度变化引起的体积变化很小）。
3. 绝缘性
玻璃是很好的热、电和电磁辐射绝缘体，因为它对可见光的透过率有很好的绝缘反应。某些特殊类型的玻璃对紫外线、红外线和X射线的透过率有很高的抵抗力。当使用适当的厚度时，它对声音的透过也有很好的抵抗力。
4. 化学稳定性
玻璃能够在不同环境条件下或酸性环境中抵抗化学反应的影响。它对大多数化学物质都有很好的抵抗力，包括无机碱和酸溶液，如氨和硫酸。
5. 颜色与形状多样性
玻璃可以被吹制、拉伸和压制成各种颜色、形状和类型，市场上根据其用途、尺寸要求和安全要求提供各种产品。
6. 透明度
透明度是玻璃的一个特性，它创造了与外部世界的视觉联系。随着技术的发展，透明玻璃也可以被改变，使其变得不透明。
7. 防火玻璃
根据Laufs Wilfried和Luible Andreas（2003）的研究，现代玻璃产品可以提供长达120分钟的防火保护。当温度超过120°C时，透明玻璃会变成不透明状态，这是通过特殊的透明凝胶实现的。
8. 性能改良
还可以改变玻璃的一些特性以适应不同的用途。主要的表面处理过程如下，它们的名字本身表明了玻璃可以根据其在建筑中的用途而改变的不同特性。
表面处理工艺列表：
防雾涂层：这是一种防雾处理，可以减少水滴的表面张力，使其分散成一层看不见的薄片，从而提供清晰无雾的视野。
防反射涂层：这是一种减少反射的处理，可以产生较少的眩光。许多涂层由交替层的透明薄膜组成，具有不同的折射率。
化学强化玻璃：
这是一种在低于玻璃熔点的温度下进行的表面处理。它包括安全玻璃、钢化玻璃、钢丝网玻璃和夹层玻璃。在破碎时，它会碎成较大的块，不像非钢化玻璃那样尖锐。但在夹层玻璃的情况下，当破碎时，它会将玻璃碎片固定在一起，这是因为两层玻璃之间有一层中间膜。
它提供了改进的抗刮擦、抗冲击性能，以及弯曲强度和温度稳定性的增加。钢化玻璃在火灾紧急情况下可以防止玻璃掉落。
防腐涂层：它有助于保护玻璃表面免受水、热和湿度等污染物的腐蚀，因此具有防水性。
脱碱涂层：这是一种表面改性过程，适用于含有碱离子的玻璃。在这里，创建了一个含有比原始浓度更低的碱离子的薄表面。这种表面组成的改变改变了表面的性质，从而增强了抗腐蚀性。
氢致暗化层：这是一种化学过程，可以干扰光线的通过。
隔热涂层或双层玻璃：
它由两层或三层玻璃组成，中间有真空或气体填充的空间，以减少通过建筑围护结构的热量传递。它特别用于低频和高频声音的热或声绝缘。
- 喷砂和酸蚀工艺（磨砂玻璃）：
酸蚀处理是一种永久性化学过程，它使玻璃表面呈现出天鹅绒般的质感，显著降低其透明度，但不影响光线透过。这是一种古老的在玻璃上印制图像的方法。
喷砂是用沙子喷射玻璃表面的过程，使其表面呈现出类似牛奶的白色外观。这通常使用高速机器对玻璃面板进行沙粒喷射。
低辐射涂层：它允许最小化红外线和紫外线的透过量，而不会减少进入家中的光线量。这是一种帮助减少热量传递的涂层。
热解涂层：这是一种高性能涂层，是在浮法玻璃制造过程中在高温下应用并烧结到玻璃上的低辐射涂层。
自洁涂层：它使玻璃表面能够自行保持清洁。
智能薄膜涂层：
当施加电压、光或热时，它可以改变光的透过率。这是一种可以调整光透过率的涂层。
防水涂层：它有助于在玻璃表面形成亲水性表面。
溶胶-凝胶涂层：制备热稳定的、透明的超疏水二氧化硅薄膜。
玻璃的物理性质
1. 玻璃密度
建筑用玻璃的密度约为2500千克/立方米（在20°C温度下），这意味着每平方米每毫米厚度的平板玻璃质量为2.500千克。
2. 玻璃抗压强度和抗拉强度
玻璃的抗压强度为1000牛顿/平方毫米（10197.2千克/平方厘米）（在20°C温度下），非常高。这意味着需要10吨的负载才能打破一个1厘米的玻璃立方体。
玻璃的抗拉强度远低于其抗压强度。对于退火玻璃，其抗拉强度（挠度）为40牛顿/平方毫米（407.88千克/平方厘米）（在20°C温度下）；对于钢化玻璃，其抗拉强度为120至200牛顿/平方毫米（1223.66至2039.43千克/平方厘米）（在20°C温度下）。
3. 玻璃杨氏模量或弹性模量
任何材料的杨氏模量是其刚度的度量。杨氏模量的值越大，表示玻璃越硬。玻璃的杨氏模量为70千帕（在20°C温度下）（混凝土的杨氏模量为30至50千帕（在20°C温度下））。
4. 玻璃泊松比
泊松比直接关系到材料在某一方向受力时的伸长和收缩，也被称为横向收缩系数。当玻璃被拉伸时，其横截面积会减小。玻璃的泊松比为0.22。
5. 玻璃线性膨胀或热膨胀系数
线性膨胀是温度每变化1°C时的伸长量。线性热膨胀系数为9×10-6米/°C。
结论
正如建筑与土木工程的作者Jelena Savic等人所述，没有玻璃就很难想象现代建筑。它成功地为建筑外观做出了贡献，同时具有反射、弯曲、传输和吸收光线的精确能力。因此，用户可以根据上述要点有效地选择玻璃的正确应用。基于玻璃的重要特性和属性，它可以被认为是未来建筑施工的最佳材料之一。