Charakterisierung der Kratzanfälligkeit von Gläsern im by Sebastian Schula

By Sebastian Schula

Der spröde Werkstoff Glas wird immer häufiger für konstruktive Bauteile verwendet, sodass er heute baurechtlich den konventionellen Materialien des konstruktiven Ingenieurbaus nahezu gleichgestellt ist. Im Gegensatz zu duktilen Werkstoffen können mechanische Oberflächendefekte, wie beispielsweise Kratzer und Eindrücke, die Anwendbarkeit jedoch einschränken. Für Gläser im Bauwesen werden dabei maßgeblich die optische Qualität und auch die Materialfestigkeit beeinflusst.

Auf Grundlage bruchmechanischer Betrachtungen und eines umfangreichen Versuchskonzeptes wurde die Kratzanfälligkeit von kommerziellem Kalk-Natronsilikatglas charakterisiert, wobei thermisch entspannte als auch thermisch bzw. chemisch vorgespannte Glasarten berücksichtigt wurden. Dabei wurde konsequent zwischen einer optischen und einer statisch wirksamen Kratzanfälligkeit unterschieden. Hierzu wurde das aus einem spitzen Kontakt auf Glas resultierende charakteristische Risssystem analysiert und die wesentlichen Einflussparameter auf die Ausbildung und das Wachstum der differenzierten Risse untersucht. Hierbei wurden auch Risswachstumseffekte betrachtet, welche erst nach dem eigentlichen Kontaktvorgang stattfinden. Weiterführend wurde die Sanierung von mechanischen Oberflächendefekten auf Glasoberflächen untersucht. Neben einem abrasiven Polierverfahren wurde hierzu auch das Ätzen mit Flusssäure betrachtet.

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2). Generell gilt für alle konstruktiven Anwendungen aus Glas, dass neben der Gebrauchstauglichkeit auch die Gewährleistung prinzipieller Sicherheitsanforderungen zu erfüllen ist. Dabei sind die Besonderheiten des spröden Werkstoffes, die Einwirkungen und die daraus resultierenden Beanspruchungen zu berücksichtigen. Insbesondere aus gewöhnlicher Nutzung, wie beispielsweise Reinigung und Betretung, resultieren oberflächennahe Verschleißbeanspruchungen, welche sich bei einem linienförmigen Kontakt als Kratzer (Abb.

Sie treten im Netzwerk an die Bindungsstelle zwischen zwei Tetraedern und unterbrechen das Netzwerk. Das 2 Die Beimengung von 25% Natrium reduziert die Schmelztemperartur des Glases um etwa 54% (Le Bourhis, 2008). 18 2 Glas im Bauwesen ehemalige Brückensauerstoffatom wird hierdurch negativ geladen (O− ). Die chemische Reaktionsgleichung der Beimengung von Natriumoxid lautet ≡ Si − O − Si ≡ + Na2 O → ≡ Si − O− − Na+ + Na+ − O− − Si ≡ . 2) Zu den brückenbildenden Netzwerkwandlern in Kalk-Natronsilkatglas gehören positiv geladene Calciumionen (Ca2+ , Erdalkalimetall) und Aluminiumionen (Al3+ ).

Es zeichnet sich durch einen sehr geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten aus und besteht aus Siliciumoxid (SiO2 ), Bortrioxid (B2 O3 ), Natriumoxid (Na2 O), Kaliumoxid (K2 O) und Aluminiumoxid (Al2 O3 ). Die Gemengezusammensetzung im Bauwesen verwendeter Silikatgläser ist in Tab. 1 beschrieben. Physikalische und mechanische Eigenschaften der Gläser sind in Tab. 2 aufgeführt. In einer vereinfachten Vorstellung nach Zachariasen (1932) bilden Netzwerkbildner (Glasbildner) ein amorphes Netzwerk, in dessen Lücken andere Inhaltsstoffe (Netzwerkwandler) eingebaut sind.

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