Tema 5.- VIDRIO. 1.- Introducción. Usos. Historia. Clasificación. Los vidrios forman un grupo familiar de cerámicas. La nobleza delvidrio reside en un conjunto de cualidades que son la transparenciaóptica, la resistencia, el aislamiento y la facilidad con que puedefabricarse. Difícil es imaginarse hoy en día una sociedad que no utilice el vidrio.Todos nosotros lo conocemos por su fragilidad, su transparencia, supeso, 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 denuestros días, donde la búsqueda de máximas superficies vidriadas paraobtener las mejores visuales y la mayor iluminación natural, secontrapone con la necesidad de lograr la mayor eficiencia energética ylos más elevados estándares de seguridad. Esto ha derivado en unaampliación exponencial de la oferta de productos transparentes, y enuna sofisticación cada vez mayor de sus tecnologías de producción, paradar 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 enprofundidad para cada caso en particular, teniendo en cuenta losparámetros de seguridad, resistencia estructural, aislamiento térmico yacústico requeridos para su diseño. La correcta elección de un vidrio, aunque su costo sea elevado, permitedisminuir el costo final de otros rubros como las carpinterías, el aireacondicionado, dispositivos de oscurecimiento y seguridad. En la actualidad existen cristales de 6 mm. de espesor, totalmenteincoloros, que permiten filtrar hasta el 70 % de la radiacióninfrarroja y el 99,5% de la ultravioleta; o cristales de 12 mm. quedetienen un proyectil calibre 9mm. Por tanto, el vidrio es una solución a problemas de:

- Aislamiento térmico y acústico - Ahorro energético - Resistencia estructural

1

- 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 peligrosocuando sufre roturas. Y por este motivo debería evitarse su usointuitivo o irresponsable, que es utilizar un tipo de vidrio que no seaadecuado para el uso que se le da. Sin embargo, con la única excepciónde la ciudad de Mendoza, los códigos de edificación de nuestro país nodicen nada sobre el uso seguro del vidrio. A simple vista, todos los vidrios son iguales. Pero en caso de impactoo rotura no lo son. Ahí radica la diferencia entre el vidrio crudocomún y el vidrio de seguridad, templado o laminado. Este es el másrecomendable ante el riesgo de impacto humano debido a su forma derotura. El vidrio laminado suele astillarse como consecuencia de un impacto muyfuerte, pero sigue cumpliendo su función de cerramiento, sostenido porla lámina de PVC. En cambio, el vidrio templado - aunque es el másresistente- se rompe pero lo hace en trozos muy pequeños y sin aristascortantes, de forma que no presenta riesgos de heridas para laspersonas, como el parabrisas de un auto. El vidrio es un material sano y puro. Por ello, constituye un envaseideal para los productos alimenticios que pueden ser conservados durantelargos periodos de tiempo sin alteración de su gusto ni de sus aromas. El vidrio ofrece también múltiples posibilidades de formas, colores ypuede decorarse por medio de varias técnicas. La botella o el tarropueden por lo tanto ser personalizados en función de su contenido.Revelan su valor y sus cualidades y permiten al producto afirmar sumarca así como su posición en el mercado. Las aplicaciones típicas sonrecipientes, ventanas, lentes y fibra de vidrio. En la figura 1.1 pueden verse las diversas aplicaciones del vidrio, lascuales ponen de manifiesto que es un material indispensable.

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Figura 1.1.- Usos del vidrio Además puede presentarse con diferentes formas y procesos de fabricación:

-V. PLANO-V. HUECO

-V. 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

3

... - MECANICAS : INDEFORM., RESIST. ALA ABRASION - TERMICAS : AISLAMIENTO,RESIST. AL FUEGO, ...

-ACUSTICAS : ATENUACION ACUSTICA, ...-QUIMICAS : ESTABILIDAD, RESIST. ALAMBIENTE, ...

-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 comomaterial de construcción.

Figura 1.2.- Exigencias para el vidrio plano como material deconstrucción.

Datos del sector del vidrio. Vidrio plano.

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MISIONES FUNCIONES DEL VIDRIO

ESTETICA yDISEÑO

CONFORT

SEGURIDAD

-TRANSPARENCIA-COLOR-DIMENSIONES / FORMAS

-AISLAMIENTO TERMICO-AISLAMIENTO ACUSTICO-TRANSMISION OPTICA / CALIDAD

-RESISTENCIA MECANICA-PROTECCION BIENES / PERSONAS-DURABILIDAD

En la figura 1.3 se da la producción mundial de vidrio plano, en el año2002, 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 yzonas del mundo.

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Figura 1.4.- Tanto por ciento de producción de vidrio plano porpaíses y zonas del mundo.

En la tabla 1.1 se da el volumen de producción y el valor de losproductos de vidrio plano para la construcción por sectores.

Tabla 1.1.- Volumen de producción y valor de los productos de vidrioplano para la construcción.

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

plano para la industria del automóvil.

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

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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 detoneladas, estando situadas las fábricas en: Avilés (Asturias) (Figura1.6), Arbós (Tarragona) que pertenecen a Saint Gobain, Tudela(Navarra) (Figura 1.7), Llodio (Alava), que pertenecen a Guardian ySagunto (Valencia), que pertenece a Pilkington/Asahi.

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Figura 1.6.- Fabrica de Avilés (Asturias)

Figura 1.7.- Fábrica de Tudela (Navarra)

En la figura 1.8 pueden verse diferentes edificaciones con fachadasrealizadas en vidrio.

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Figura 1.8.- Diferentes edificaciones con fachadas realizadas en

vidrio.

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

Figura 1.9.- Evolución de las toneladas vendidas

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Figura 1.10.- Evolución de botellas y

tarros vendidos. 10 El sector vidriero español, en línea con las necesidades de susclientes y de la sociedad en general, está impulsando lapersonalización de los envases factor que, cada vez con más frecuencia,cobra especial relevancia como auténtica herramienta de marketing, nosólo en el ámbito nacional sino también en el internacional. así como auna mayor acentuación en envases de más capacidad. Los segmentos de mercado con mayor desarrollo el pasado año han sidolos de aceite y vinagre, el área de tarros con especial incidencia enconservas, zumos y alimentos infantiles, las botellas para vino y losenvases para agua. Por otra parte, la familia de tarros ha sido la que ha tenido una mayorproyección 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 ejerciciose acercó a los 900.000.000 de unidades. Sin embargo, esta cantidad esmuy superior ya que el mayor número de exportaciones de los envases serealiza con producto, sirviendo de apoyo a las ventas de los clientesde las empresas asociadas en el exterior. Por lo que se refiere a los resultados económicos, las ocho empresasintegradas en la Asociación han cerrado 2002 facturando 602.62 millonesde euros (más de 100000 millones de pesetas), lo que ha supuesto un

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incremento del 5.7% sobre el ejercicio precedente (Figura 1.11).

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 sectormantiene una política continuada de I + D, dirigida a mejoras en elproceso de fabricación, entre las que destacan incremento deproductividad, empleo de hornos y mecheros de última generación –lo quepermite un considerable ahorro energético-, o aligeramiento de losenvases. Las empresas asociadas son: BA Vidrio, BSN Glasspack, Crisnova, Saint –Gobain Montblanc, Saint – Gobain Vicasa, Vidrala, Vidrieras Canarias yVidriera Rovira. En la figura 1.12 pueden verse diferentes tipos deenvases de vidrio.

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Figura 1.12.- Diferentes tipos de envases de vidrio.

Durante 2002 los 27 hornos de las ocho compañías que forman parte deANFEVI absorbieron más de 1763 millones de botellas y tarros parafabricar otros nuevos envases con la misma calidad y seguridad que losoriginales, Es decir, más de uno de cada tres envases volvió al lugardonde se había producido. Esta cifra supone un incremento del 10.04 % respecto a 2001, año en quela industria vidriera asociada a ANFEVI utilizó para la fabricación de botellas y tarros nuevos un totalde 1.602.229.940 envases. Desde 1982, año en que la industria vidriera

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puso en marcha el circuito de reciclado de envases de vidrio, hasta2001 se han reciclado cerca de 22000 millones de envases, si a estacantidad se le suman los más de 1763 millones de botellas y tarrosreciclados el pasado año, nos acercamos a 2000 millones de envases quese han utilizado para fabricar otros. En la figura 1.13 se dan, por Comunidades Autónomas, los envasesabsorbidos por la industria vidriera en 2002 para la fabricación denuevos envases (procedentes de contenedores).

Figura 1.13.- Envases absorbidos por la industria vidriera en 2002procedentes 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 medioambiente. Con un envase reciclado se fabrica un envase nuevo

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Figura 1.14.- Reciclado integral de los envases de vidrio.

Historia. Los historiadores coinciden en considerar que el vidrio fue descubiertoaproximadamente 2.500 años antes de Jesucristo, en Egipto y enMesopotamia. Primero fue utilizado como adorno y se estima queaproximadamente 1.500 años antes de Jesucristo, aparecieron losprimeros objetos de vidrio destinados a contener alimentos. La técnicautilizada consistía en moldear las tazas, los jarros y otras copas, enuna estructura de arena o de arcilla. El descubrimiento del soplado fue la primera gran innovación vidriera.Intervino a principios de nuestra era, en Palestina y Siria. Consistíaen recoger el vidrio en fusión con el extremo de la caña hueca dentrode la cual se sopla para dar al objeto la forma deseada. Esta técnicase 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 lafabricación del vidrio. Más tarde, en el siglo XIV se descubrió latécnica del vidrio plano en Normandía (Francia). La primera industriavidriera se desarrolló en el siglo XVIII, a través de un cierto númerode fábricas. Algunas producían más de 1 millón de botellas al año. Noobstante, la cantidad era limitada, ya que estas botellas se soplabantodavía con la boca Con la revolución industrial, en el siglo XIX, numerosos progresosfueron realizados en la industria vidriera. La utilización del carbón,en lugar de la madera, para calentar los hornos mejoró elfuncionamiento de éstos. Las primeras máquinas de automatización de la

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producción fueron introducidas en las fábricas. Por último, el sopladocon la boca fue progresivamente sustituido por el chorro de airecomprimido en moldes metálicos. Se puede considerar que la industriadel vidrio moderna nació a partir de este momento. En el siglo XX es cuando se convirtió en una industria de masa, pormedio de la instalación de hornos de fuego continuo y de los progresosrealizados en el campo de la automatización de la producción. Éstosdarán paso al desarrollo de una producción en grandes series. A lolargo del siglo, no cesará de integrar los avances tecnológicos y enparticular, desde hace ya bastantes años, las técnicas de procesamientoautomatizado. En la figura 1.15 pueden verse los hitos más destacablesde la historia del vidrio.

Figura 1.15.- Hitos más destacables de la historia delvidrio.

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

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Figura 1.16.- Clasificación general de los productos de vidrio teniendo

en cuenta sus diferentes formas y proceso de elaboración y sususos

2.- Definición. Características del estado vítreo. La definición adoptada por la A.S.T.M. considera que un vidrio es unproducto inorgánico fundido que se ha enfriado hasta un estado rígido sinexperimentar cristalización. Si únicamente se consideran sus principales propiedades técnicas, elvidrio común puede definirse como un producto inorgánico amorfo,constituido predominantemente por sílice (Un vidrio típico de cal y sosaesta formado por aproximadamente 70% en peso de SiO2, el resto esprincipalmente Na2O y CaO ) , duro, frágil y transparente, de elevadaresistencia química y deformable a alta temperatura. Morey propone la siguiente definición: un vidrio es una sustanciainorgánica en una condición análoga a la de su estado líquido y continuacon éste, que, como consecuencia de un cambio reversible en su viscosidaddurante el enfriamiento, ha alcanzado un grado de viscosidad tan elevadocomo para poder considerarse rígida a efectos prácticos. Los materiales en el estado sólido se clasifican en cristalinos, nocristalinos o amorfos y semicristalinos. En los cristalinos, los átomosadoptan disposiciones ordenadas y repetitivas formando estructurastridimensionales periódicas, un ejemplo clásico son los metales y susaleaciones. En los amorfos no existe ordenamiento periódico. El vidrio yalgunos materiales plásticos como el poliestireno son ejemplos comunes. La figura 2.1(a) es una representación bidimensional de un sólidocristalino. La figura 2.1(b) representa el mismo sólido pero conestructura amorfa. Las moléculas de un vidrio no están colocadas en unorden repetitivo de largo alcance como ocurre en un sólido cristalino,sino que cambian su orientación de una manera aleatoria en todo el sólidoEl dióxido de silicio (Si02), presenta esta propiedad según como seaenfriado, cuando es cristalino forma el cuarzo y cuando es amorfo formael vidrio. Los semicristalinos presentan una parte amorfa y otracristalina, materiales plásticos como el polietileno y el polipropilenoson ejemplos típicos. Desde un punto de vista estructural, los sólidos amorfos se clasificansegún si están compuestos por redes tridimensionales no periódicas(vidrio), moléculas individuales de cadena larga (polimeros naturales yplásticos) a ordenaciones intermedias entre estos dos casos limite 19

(cristales líquidos). Una particularidad de los vidrios es su comportamiento frente a lasolidificación , la cual es diferente a la de un material cristalino,como puede verse en la figura 2.2 , en la que se representa el volumenespecifico (inverso de la densidad) frente a la temperatura para ambostipos de materiales. Así, los vidrios carecen de un verdadero punto defusión o temperatura de liquidus, que sólo presentan los sólidoscristalinos y que es la temperatura a la cual la fase cristalina coexisteen equilibrio con la fase fundida. Los cuerpos vítreos pasan de un modo reversible de su forma fundida enestado líquido al estado rígido o congelado sin la aparición de ningunanueva fase en el sistema. El paso de una forma a otra transcurre, por lotanto, sin variar el número de grados de libertad del sistema, adiferencia de la transición líquido-sólido caracterizada por la apariciónde una nueva fase y la disminución consiguiente en uno de sus grados delibertad.

Durante el enfriamiento de un liquido que forma un sólido cristalino bajosolidificación (p. ejemplo: un metal puro) tiene lugar una disminucióncontinua de volumen A - B. Cuando se alcanza la temperatura de fusión Tm,sobreviene su cristalización, que se acusa por una marcada discontinuidadcaracterizada por una brusca contracción B - C. A partir de ese momentola fase cristalina se halla en equilibrio estable y, al proseguir suenfriamiento (C – D ), continúa contrayendo, aunque en menor proporciónque 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, nocristaliza, sino que sigue un camino como el A - - D. No existe unpunto de solidificación o fusión definido. El liquido de este tipo sevuelve más viscoso a medida que su temperatura va disminuyendo y setransforma desde un estado plástico, blando y elástico a un estadovidrioso, quebradizo y rígido en un margen reducido de temperaturas,donde la pendiente de la curva del volumen especifico frente a latemperatura es marcadamente decreciente.

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(a) (b)

Figura 2.1. Representación gráfica de las diferencias estructuralesentre un cristal (a) y un vidrio (b).

El punto de intersección de las dos pendientes de esta curva define unpunto de transformación, en el cual el material se vuelve más sólido queliquido, Ilamado temperatura de transición vítrea, Tg. Con mayoresvelocidades de enfriamiento se originan valores más elevados de Tg . Pordebajo 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 desilicato pueden deslizarse unos sobre otros, permitiendo la deformaciónpermanente del vidrio. Las fuerzas interatómicas resisten la deformación,pero, si la tensión aplicada es suficientemente alta, son incapaces deprevenir el flujo viscoso. A medida que se incrementa la temperatura delvidrio, la viscosidad del vidrio disminuye y se facilita el flujoviscoso.

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Figura 2.2.- Comparacion del comportamiento del volumen especifico con la

temperatura de materiales cristalinos y no cristalinos. Losmateriales cristalinos solidifican a la temperatura de fusion Tm.La temperatura de transition vitrea,Tg, es una caracterfstica delestado no cristalino.

3.- Cristaloquimica del vidrio. La diferencia estructural entre los sólidos cristalinos y los vidriosestriba en que, en los primeros, sus unidades constituyentes (iones,átomos o moléculas) se disponen con una ordenación geométrica y unaperiodicidad de largo alcance en las tres direcciones del espacioformando una red perfectamente definida. Cada red se caracteriza porquedichas unidades guardan siempre las mismas posiciones relativas y porque,tanto la distancia que existe entre ellas, como los ángulos que formanlas direcciones de su secuencia de colocación son siempre constantes. Elfragmento reticular más pequeño que puede existir conservando todos loselementos de simetría del cristal recibe el nombre de celdilla elemental.Esta porción unitaria viene representada por un paralelepípedo, cuyasdimensiones representan los parámetros estructurales del cristal. Por su parte los vidrios no cuentan con una ordenación reticular. Susiones constituyentes se hallan irregularmente dispuestos formando unaestructura más o menos distorsionada, debido a que, bajo las condicionesde enfriamiento en que tuvo lugar su formación, no pudieron ordenarse conla regularidad geométrica de un cristal (Las unidades no guardan unadisposición regular.). A diferencia de los de los sólidos cristalinos 22

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 principioformada por una serie de iones positivos y negativos que se disponenalternadamente formando un empaquetamiento compacto. Las diferentesposibilidades de agrupamiento vienen determinadas por condicionamientosde tipo geométrico y de tipo eléctrico. Las limitaciones geométricas queregulan estas disposiciones espaciales dependen del tamaño de los ionesque las constituyen. Aunque no sea rigurosamente cierto, se acostumbra a considerar esféricala forma de los iones y a definir a éstos por su radio. Ya que un ión, lomismo que un átomo, debido a la vibración de sus nubes electrónicas,carece de límites precisos, su radio se define convencionalmente enfunción de la mínima distancia que le separa de otro ión contiguo,tomando dicha distancia de equilibrio como la suma de los radios de ambosiones. El valor del radio de un ión depende en primer lugar del signo de sucarga. Así, si se compara su tamaño con el del átomo neutro del queproceden, los iones positivos son siempre más pequeños y tanto más,cuanto más elevada sea su carga, debido a la contracción orbitalproducida por efecto del exceso de la carga positiva contenida en elnúcleo. Contrariamente los iones negativos son siempre más voluminososque el átomo neutro original.

ION NEGATIVO ATOMO NEUTRO ION POSITIVO Por otra parte, el radio de un ión depende del número de iones de signoopuesto que se sitúen a su alrededor, así como del tamaño y de la cargade estos iones circundantes, puesto que ambas magnitudes determinan a suvez el poder polarizante o capacidad de deformación que ejercen sobre lasnubes electrónicas del ión central.

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Los aniones son mucho más polarizables que los cationes. En éstos, debidoa su carga positiva en exceso, sus órbitas electrónicas se hallanfuertemente atraídas hacia el núcleo y, por lo tanto, resultan muchomenos sensibles a la acción deformadora de los iones de su alrededor. Lapolarizabilidad o deformabilidad de los cationes es tanto menor cuantomás elevada sea su carga y más pequeño sea su radio, como por ejemplosucede en el P5+ y Si4+. En cambio manifiestan, como es lógico, un fuertepoder polarizante sobre otros cationes más débiles y muy especialmentesobre los aniones. A medida que un anión se va deformando, disminuye supolarizabilidad y al mismo tiempo, su capacidad de apantallamiento. 3.2.- Coordinación iónica. En la cristaloquímica la valencia de los elementos pierde parte de susignificación, pues el número de iones que rodean a otro de carga opuestano depende del valor de ésta. En una red cristalina o en un retículovítreo cada ión positivo se rodea de un determinado número de anionesformando un conjunto al que se denomina poliedro de coordinación. Elnúmero de aniones que se disponen alrededor del catión central recibe elnombre de índice u orden de coordinación. El radio de un catión depende, pues, del número de aniones con que secoordine, y su variación en función del indice de coordinación viene dadapor la fórmula de Born:

1

rp p n−1

= rm m

donde rp y rm representan los radios del catión en coordinación de ordenp y m respectivamente, y n es una constante, cuyo valor esaproximadamente igual a 9. De aquí se deduce que, cuando un determinadocatión pasa de una coordinación 6 a otra de orden 8, su radio aumentamultiplicándose por 1.036, mientras que si su coordinación disminuyepasando 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 másfrecuencia intervienen en la composición de los vidrios (Tabla 3.2.1) sededuce la fuerte desproporción que existe entre el gran tamaño del ión O2-

y el de la mayoría de los cationes.

Tabla 3.2.1.- RADIOS IÓNICOS [ A ] DE ALGUNOS ELEMENTOS CORRESPONDIENTES 24

A UN ÍNDICE DE COORDINACIÓN IGUAL A 6.

Como para formar una estructura estable los iones deben agruparse en unempaquetamiento lo más compacto posible, la estructura cristalina ovítrea de todos los compuestos constituidos por óxidos viene determinadafundamentalmente por los voluminosos iones oxígeno que, a su vez, han dedisponerse en estrecho agrupamiento alrededor de los cationes situados enlos huecos intersticiales. Hay dos características de los iones que determinan la estructuracristalina: ç 1.- El valor de la carga eléctrica de los iones componentes. 2.- Los tamaños relativos de los cationes y aniones. Con respecto a la primera característica, el cristal debe sereléctricamente neutro, o sea, todas las cargas positivas de los cationesdeben ser equilibradas por un número igual de cargas negativas de losaniones. La fórmula química de un compuesto indica el cociente entre loscationes y los aniones, o sea, la composición para la cual se produceeste equilibrio. Por ejemplo, en el fluoruro de calcio, cada ión decalcio tiene una carga de +2 (Ca2+) mientras que cada ión de flúor tieneasociada una Bola carga negativa (F-). Por consiguiente, el numero deiones F- debe ser el doble del de iones Ca2+, lo cual se refleja en laformula química CaF2. El segundo criterio depende del tamaño de los radios iónicos de loscationes y aniones, rC y rA, respectivamente. Puesto que los elementos metálicos proporcionan electrones al serionizados, los cationes son generalmente

rC menores que los aniones, por tanto el cociente es menor que la unidad. Cada catión prefiere tener a su rA

alrededor tantos aniones vecinos mas próximos como sea posible. Losaniones también desean un número máximo de cationes como vecinos máspróximos. Las estructuras estables de los materiales se forman cuando los aniones 25

que rodean un catión están todos en contacto con el catión, tal como seilustra en la figura 3.2.1.

Figura 3.2.1.- Configuraciones estables e inestables de lacoordinación entre aniones y cationes.

El numero de coordinación (o sea, el número de aniones mas próximos a uncatión) esta relacionado con el cociente entre los radios de los cationesy de los aniones. Para cada numero de coordinación especifico, existe

rC un valor critico o mínimo de para el cual este contacto entre catión y anión se establece. rA

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

rC esta relación de radios , el índice de coordinación y la disposición geométrica adoptada se representa en la rA

tabla 3.2.2. En la figura 3.2.2 puede verse las geometrías decoordinación para varios cocientes entre los radios del catión y delanión. Tabla 3.2.2 .- COORDINACIÓN ADOPTADA POR LOS CATIONES EN FUNCIÓN DE LA

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RELACIÓN DE RADIOS

rC

Para cocientes menores que 0.155, el catión, el cual es muypequeño, esta unido a dos aniones de una forma rA

lineal.rC

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

cada catión esta rodeado por tres aniones en forma de un trianguloequilátero plaño, con el catión situado en el centro. A medida que vaaumentando el radio del catión, las tres esferas aniónicas se vanseparando y dejan de ser tangentes entre sí manteniendo su tangencia sólocon el catión central hasta que, al alcanzarse la relación 0.225 elhueco es de tal tamaño, que hace posible la coordinación tetraédrica. A partir de ese valor el catión central se rodea de cuatro aniones que sedisponen en los vértices de un tetraedro regular. Tres de estas cuatroesferas tienen su centro en un mismo plano y la cuarta en un planosuperior. El catión se sitúa en el hueco que dejan libre las cuatroesferas, tangentemente a ellas.

rC

El numero de coordinación es 4 (Tetraedrica) para entre 0.225 y0.414. En este caso cada catión estacolocado rA

en el centro de un tetraedro, con los aniones en los cuatro vértices. Alalcanzarse la relación 0.414 el hueco es de tal tamaño, que haceposible la coordinación octaédrica.

rC

Para entre 0.414 y 0.732, el catión esta en el centro de un octaedrorodeado por seis aniones, uno en cada rA

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vértice, tal como también se muestra en la figura 3.2.2. Al alcanzarse larelación 0.732 el hueco es de tal tamaño, que hace posible lacoordinación cúbica.

rC

El número de coordinación es 8 (Cúbica) para entre 0.732 y 0.902,con aniones en todos los vértices de unrA

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

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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 sereduce a un sencillo cálculo geométrico. En el caso de que un catión se halle unido a un solo anión o a dosaniones en disposición lineal o angular no cabe limitación alguna en la

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relación de sus radios, ya que dos esferas o tres esferas pueden sersiempre tangentes, cualquiera que sea el valor de sus radios. Coordinación triangular. En una coordinación triangular el catión se sitúa en el centro de untriángulo equilátero en cuyos vértices se disponen tangentemente entre sílos tres aniones coordinados (Figura 3.2.3).

Figura 3.2.3.- Representación esquemática de lacoordinación triangular.

El límite inferior de la relación que deben guardar sus radios se calculadel modo siguiente:

cos30= AB = rA OA rC +rA

luego:

rC cos30 = −rA(1cos30) rC =

1

−cos30 ≈ 0.155 rA cos30

Coordinación tetraédrica. 30

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

AM = AD + 2rA = rA +rC y como AM = rA AD = 2rA y AO = rA rC resulta :

AO AC AC rA

Por otra parte:

Luego:

AC = AD2 + MN2 = (2 )rA 2 + 2rA

2 = 6rA2 = rA 6

31

AN = )( 22 2 24 32 AAAADAD r r r=− − =

MN = 2 2AN AM− = 2 23 2A A Ar rr − =

Figura 3.2.4.- Representación esquemática de la coordinación

tetraedrica. Sustituyendo el valor hallado de AC en la expresión

= rA +rC setiene: 2rA

AC rA

2rA = rA +rC 2 = rA +rC de donde: rC = 6 −2= 6 −1≈ 0.225 r r r 2 2A AA A

32

6 6r

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

Figura 3.2.5.- Representación esquemática de la coordinaciónoctaedrica.

El límite mínimo de la relación de radios para que el catión puedarodearse de seis aniones adoptando una coordinación octaédrica se calculaa partir de: 33

cos45= AB = rA OA rC +rA

luego:

rC cos45 = rA(1−

cos45) rC =

1

−cos45 ≈ 0.414 rA cos45

Por encima de este valor resulta estable la coordinación octaédrica, lacual se mantiene hasta que la relación de radios llega a ser 0.732. Coordinación cúbica. En una coordinación cúbica el catión se rodea de ocho aniones colocadosen los vértices de un cubo (Figura 3.2.6).

34

Figura 3.2.6.- Representación esquemática de lacoordinación cúbica.

El límite mínimo de la relación de radios para que el catión puedarodearse de ocho aniones adoptando una coordinación cúbica se calcula apartir de:

AC = rA y como AC = 2r y AD’ = L3 = 2r3 resulta: AD´ r + r A CUBO A

A C

rA

rA + rC

=

2rA

A

3 rA

rA + rC

= 2 de donde:

2 3

rC = −3 1≈ 0.732 rA

Desde que se alcanza esta relación resulta posible la coordinación cúbicay el catión se rodea de ocho aniones. Esta coordinación es estable hasta

35

2r

que se alcanza la relación 0.902 y se hace posible la coordinaciónicosaédrica de doce aniones. Coordinación icosaedrica. En una coordinación icosaedrica el catión se rodea de doce anionescolocados en los vértices de un icosaedro (Figura 3.2.7).

36

Figura 3.2.7.- Representación esquemática de la coordinaciónicosaedrica.

37

El límite mínimo de la relación de radios para que el catión puedarodearse de doce aniones adoptando una coordinación icosaedrica secalcula a partir de: 2rA + =2rC D Por otra parte:

D = d2 + =L2d2 +4rA2

donde d es la diagonal de un pentágono de lado L = Arista. De la figura se deduce:

por lo que:

d = 5) 2 2

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

D = d2 +4rA2 = rA

2(1+5)2 + 4rA2 = rA 10+ 2 5

y, finalmente, sustituyendo este valor de D en 2rA + =2rC D , resulta:

rA 10+2 5 = 2r

A +2rC

o bien:

rC = rA 2

Alcanzada la relación rC ≈ 0.902 se hace posible lacoordinación icosaedrica de 12 aniones. rA

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

38

2Cr = 2)

25(10Ar −+

10

25 1 0.902

+ − ≈

d1 = ( ) ( )2 222 52 4 2

LLLL L=+ + =

( ) ( ) (25 1 151 52 2A

ArL LL r+ = = ++ = +

siempre O2-: ( 4+)IV

r Si 0.37Silicio: = = = 0.28 (coordinación tetraédrica)

R 2− 1.32O

( 3+)III

r B 0.23 R 2− 1.32Boro: = = = 0.17 (coordinación triangular)

O

( 5+)IV

r P 0.32 R 2− 1.32Fósforo: =

= = 0 24 (coordinación tetraédrica)

O

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: ( 3+)IV

r Al 0.54 R 2− 1.32== 0.41 (coordinación tetraédrica)

O

( 3+)VI

r Al 0.57 = = 0.43 (coordinación octaédrica) R 2−

1.32O

Así, pues, son las coordinaciones triangular y tetraédrica las quepredominan 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 yoxigeno, los dos elementos más abundantes en la corteza terrestre. Enlugar de caracterizar las estructuras cristalinas de estos materiales entérminos de celdillas unidad, es más conveniente utilizar varias 39

combinaciones de tetraedros de SiO44- (Figura 4.1). Cada átomo de silicio

esta unido a cuatro átomos de oxigeno, los cuales están situados en losvértices del tetraedro. El átomo de silicio esta colocado en el centro.Puesto que esta es la unidad básica de los silicatos, frecuentemente seconsidera una entidad cargada negativamente (- 4).

Figura 4.1 .- Un tetraedro silicio-oxigeno SiO4

. A menudo los silicatos no son considerados iónicos puesto que tienen unsignificativo carácter covalente en los enlaces Si -- O, los cuales sondireccionales y relativamente fuertes. Las varias estructuras de lossilicatos se originan a partir de las distintas maneras en que lasunidades de SiO4 pueden combinarse en distribuciones de una, dos o tresdimensiones. Los cuatro electrones que presenta el átomo de silicio en su capa externase disponen, cuando éste se halla en estado fundamental, apareándose dosde ellos en un orbital 3s y situándose los otros dos en los orbitales 3pdiferentes. Esta disposición electrónica sólo le permitiría al silicio laformación de dos enlaces covalentes y de uno coordinado.

3s2 3p6 La aportación de una pequeña cantidad de energía basta sin embargo paraproducir el desacoplamiento de uno de los electrones s y elevarle alnivel de un orbital p, lo que determina un estado de excitación del átomoy una mayor reactividad (Figura 4.2.b). En este estado se produce por 40

interacción entre el orbital esférico s y los tres orbitales alargados puna hibridación de los mismos para dar lugar a la formación de cuatroorbitales q o sp3 (Figura 4.2.c) de igual forma y con el mismo contenidoenergético. Puesto que sus cuatro electrones respectivos tienen el mismo spin, estoscuatro orbitales se repelen mutuamente alejándose entre sí lo másposible. El mayor alejamiento se consigue cuando se orientan hacia loscuatro vértices de un tetraedro (Figura 4.3). Cada uno de estos orbitalespuede albergar a dos electrones con spines antiparalelos. En el caso delos silicatos el segundo electrón de cada orbital es aportado por unátomo de oxígeno, estableciéndose entre éste y el silicio un enlace mixtoiónico - covalente.

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

estado de hibridación sp3.

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Figura 4.3.- Orientación espacial de los cuatro orbitales híbridossp3 de un átomo de silicio.

La estructura tetraédrica proporciona al grupo [SiO4] una granestabilidad, no sólo por el perfecto acoplamiento geométrico de estacoordinación, sino también desde el punto de vista electrostático, ya quela cuadruple carga positiva del silicio queda neutralizada por las cargasprocedentes de cada uno de los cuatro oxígenos circundantes. 5.- Estructura de los vidrios. La estructura de un vidrio de óxidos puede considerarse formadaprincipalmente por voluminosos iones oxígeno dispuestos en coordinacionespredominantemente tetraédricas o triangulares, unidas entre sí porpequeños iones formadores (Si4+, B3+, P5+, etc.), aportados por los óxidosformadores. El conjunto constituye una red distorsionada entre cuyoshuecos 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 sílicees el tetraedro SiO4

4-, en donde un alomo (ión) de silicio (Si4+) seencuentra covalentemente enlazado a cuatro átomos de oxigeno, como se veen la figura 5.1.1.

Figura 5.1.- Tetraedro silicio-oxigeno SiO4 En las variedades de sílice cristalina, los tetraedros de SiO4

4- seencuentran unidos compartiendo vértices en una disposición regular,produciendo una red en el espacio con un orden de largo alcance, como serepresenta en la figura 5.2.a. A altas temperaturas, estas cadenas sedeslizan fácilmente entre si debido a las vibraciones térmicas. Sinembargo, a medida que se enfría la fusión, la estructura se vuelverígida. 42

En un vidrio corriente de sílice, los tetraedros están unidos por susvértices formando una red dispersa sin orden de largo alcance (parteinferior de la figura 5.2.b). A la extensión continua y a la propagación tridimensional de sus unidadestetraédricas, unidas entre sí por los cuatro vértices, debe la sílicevítrea sus buenas características mecánicas, su bajo coeficiente dedilatación térmica y su elevada resistencia química. Por estascualidades, entre otras, serian los vidrios de sílice pura los másdeseables para muchas aplicaciones. La principal limitación práctica que presentan es su elevado punto defusión y su gran viscosidad, por lo que requerirían temperaturas deelaboración hoy por hoy inalcanzables en las condiciones habituales defabricación.

(a)

(b)

Figura 5.2.- Esquema bidimensional de una red de sílice en formacristalina (a) y formando un vidrio (b). La adición de óxidos modificadores a la sílice determina roturasparciales de la red que debilitan su cohesión, disminuyen su estabilidady consecuentemente rebajan su temperatura de reblandecimiento. El oxígenoaportado por estos óxidos representa un exceso sobre el de la red delvidrio. Por ello, por cada molécula de óxido modificador que se añada ala sílice, se rompe un enlace Si-O-Si para poder incorporar el oxígenoadicional. De esta manera los dos silicios vecinos ya no quedan unidos aun mismo oxígeno, sino a dos diferentes:

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≡Si—O—Si≡ + Na2O ⇒ ≡Si—O-Na+ + Na+O- — Si≡

Así se crean dos oxígenos no puente que, a su vez, se unen a un soloátomo de silicio, en lugar de a dos como los demás, constituyendo puntosde discontinuidad reticular (Figura 5.3). La carga negativa libre de cadaoxígeno no puente se neutraliza con la positiva del catión modificador.Por su parte, los cationes modificadores tenderán a rodearse, en elinterior de los huecos donde se alojen, de tantos oxígenos comodeterminen sus exigencias de coordinación. Cuanto mayor sea la proporción de óxido alcalino incorporado, mayor seráel número de puntos de rotura y más se debilitará la red. Ello semanifiesta en una disminución de la temperatura de reblandecimiento, enun debilitamiento de la rigidez mecánica, en un aumento del coeficientede dilatación térmica, en un empeoramiento de la resistencia al choquetérmico y en un mayor riesgo de desvitrificación. De acuerdo con esto unvidrio de sílice puede incorporar cantidades crecientes de óxidosmodificadores hasta una determinada proporción para la cual la cohesiónreticular resulte tan pequeña que se produzca la desvitrificación. Loscationes no entran en la red, pero permanecen como iones metálicosenlazados iónicamente en intersticios de la red. Estos iones promueven lacristalización del vidrio al Ilenarse algunos de los intersticios. La adición de óxidos alcalinotérreos y, en general, de cationesdivalentes también origina roturas de la red, pero el deterioro reticularresulta 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 puedenincorporarse a una red existente. Estos óxidos son conocidos como óxidosintermediarios. Un importante papel en la estructura de los vidrios de silicato es el quedesempeña el Al2O3, incluso incorporado en cantidades relativamentepequeñas. El ión Al3+ puede adoptar, de acuerdo con su radio iónico, lafunción de modificador de red en coordinación octaédrica, siempre queexista un número suficientemente elevado de oxígenos no puente o, lo que 44

es lo mismo, una elevada proporción de iones modificadores. Por otraparte, también puede actuar como formador en coordinación tetraédricareemplazando parcialmente al silicio. Sin embargo, como la proporción de oxigeno que contiene el Al2O3 por cadaaluminio es menor que la que corresponde a cada silicio en el SiO2, elalumimo tiene que tomar prestados oxígenos no puente de la red para podercompletar su configuración tetraédrica. Por eso, cuando se sustituyen dosmoléculas de SiO2 por una de Al2O3, se produce la pérdida de un oxígeno nopuente y se sutura así uno de los puntos de rotura de la red (Figura5.4). Por lo tanto, la incorporación de Al2O3 al vidrio aumenta sucohesión reticular y fortalece la estructura. Los óxidos intermedios se adicionan a los vidrios para obtener unaspropiedades especiales. Por ejemplo, los vidrios de aluminosilicatopueden resistir mayores temperaturas que el vidrio común.

Figura 5.3.- Reticulo distorsionado de un vidrio de sílice modificado por

la incorporación de Na2O. El cuarto atomo de oxigeno de cadatetraedro [SiO4

4+] se halla situado por encima o por debajo delplano de la figura.

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Figura 5.4.- Representación esquematica de la estructura de un vidrio desilicato conteniendo Na2O, CaO y

Al2O3. 6.- Tipos de vidrios. Una carga de vidrio comercial puede llegar a constar de una mezcla desiete a doce materias primas diferentes, pero en general esta formadapor cuatro a seis , elegidos de materiales como la arena, la piedracaliza, 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 incluyavidrio 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 ypropiedades más significativas de los tipos principales de vidrio. Se danlos porcentajes en peso de los óxidos y elementos principales. Laspropiedades detalladas dependen de la composición exacta y pueden sersensibles a cambios pequeños en las materias primas secundarias.

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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 gradopor B2O3, TiO2, P2O5 o As2O3. Los metales monovalentes ( M´) songeneralmente el Na y K, y los divalentes ( M) Ca, Ba, Mg, Pb, Zn, Cu oZr. El vidrio no puede expresarse correctamente por medio de fórmulas, porvariar sus componentes entre límites más o menos amplios El vidrioordinario 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 .K2O A continuación se da la relación de los distintos tipos de vidrios. Vidrio de sílice pura. SiO2: 99.5% + Utilizado principalmente por su baja expansión térmica, alta temperaturade servicio y, cuando es muy puro, por su transparencia a un amplio rangode longitudes de onda en el espectro electromagnético y a las ondassonoras (Alta transmisión espectral). También tiene buena resistenciaquímica, eléctrica y dieléctrica. Su desventaja es la muy elevadatemperatura necesaria para su fabricación, aun cuando se puede producirpor hidrólisis del SiCl4, pero en cualquiera de los dos casos es caro. Se usa para los espejos ligeros para los telescopios transportados porsatélites, reflectores de rayos láser, crisoles especiales para lafabricación de cristales sencillos puros de sílice para transistores ycomo un tamiz molecular que deja pasar el hidrogeno y el helio. Vidrio de sosa, cal y sílice.

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SiO2: 70 %Na2O: 15 %CaO: 10 % La adición de sosa (Na2O) y, a veces, potasa (K2O) y de CaO a la sílicebaja el punto de ablandamiento en 800-900 °C (desde 1600 °C hastaalrededor de 730 °C ), por lo que es más fácil su fabricación. A estetipo de vidrios se les adiciona entre 1 y 4 % de MgO para prevenir ladesvitrificación y también se les incorpora de 0.5 a 1.5 % de alúminapara aumentar su duración aumentando su resistencia química. Laspropiedades eléctricas pueden variar ampliamente con la composición. Son los vidrios de fabricación más corrientes y constituyen alrededor del90% de todo el vidrio producido. Se utilizan para vidrios planos, objetosprensados y soplados y productos ligeros para los que no se precise unaalta resistencia química y una alta resistencia al calor, como ventanas,frascos, bombillas eléctricas, etc. El "crownglass" es de este tipo, auncuando el crownglass óptico moderno suele contener oxido de bario, enlugar de cal. Vidrio de borosilicato.

SiO2: 60 – 80 %B2O3: 10 – 25 %Al2O3: 1 – 4 % La sustitución de óxidos alcalinos por oxido de boro en la red vítrea dela sílice da lugar a vidrios de más baja expansión térmica. Cuando el B2O3

entra en la red de la sílice, debilita su estructura y reduceconsiderablemente el punto de reblandecimiento de los vidrios de sílice.El efecto de debilitamiento se atribuye a la presencia de borostricoordinados planares. Tiene baja expansión térmica, alrededor de un tercio de la del vidrio ala sosa y cal, se puede hacer con buena resistencia química y una elevadaresistencia dieléctrica y se usa en donde se necesitan combinaciones deestas dos propiedades. Su elevada temperatura de ablandamiento lo hacemás difícil de trabajar que los vidrios a la sosa y cal y al plomo. Seutiliza 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 lámparasmuy calientes y tubos electrónicos de alto watiaje. Los vidrios borosilicatados (vidrios Pyrex) tienen buena resistencia alchoque térmico (pequeños coeficientes de dilatación térmica) y buena

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estabilidad química y se usan ampliamente en la industria química paraequipos de laboratorio, tuberías, hornos y faros de lámparas reflectoras. Vidrio de aluminosilicato.

SiO2: 5 - 60 %Al2O3: 20- 40 %CaO: 5 - 50 %B2O3: 0 - 10 % Otro vidrio de baja expansión y químicamente resistente que tiene unatemperatura de servicio mas elevada que el vidrio de borosilicato peroque, de manera correspondiente, es mas difícil de fabricar. Se usa paratubos de alto rendimiento de aplicación militar, tubos para ondasviajeras y para muchas aplicaciones semejantes a las del vidrio deborosilicato. El vidrio de aluminosilicato sin boro es especialmente resistente a losálcalis. Casi lodos los utensilios de vidrio para laboratorio se fabricande vidrio de borosilicato, de vidrio de aluminosilicato o de un vidrioconocido como de aluminoborosilicato, que contiene cantidades muyaproximadamente iguales de Al2O3 y de B2O3. La elección depende de laaplicación, de este modo, el de aluminosilicato se usa para aplicacionesa temperaturas elevadas o cuando se necesita un vidrio resistente a losálcalis. El de alumino-borosilicalo es ligeramente mejor que el deborosilicato respecto a la resistencia química pero tiene una expansióntérmica un poco mayor. Composición y propiedades de algunos vidrios comerciales. En la tabla 6.1 se recoge la composición de algunos tipos de vidrios másimportantes.

Tabla 6.1.- Composición y característica de algunos vidrioscomerciales comunes.

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En la tabla 6.3 se recoge un conjunto de propiedades de dos tipos devidrios. En ella se puede ver que un vidrio común de ventanas, que tiene70 % de sílice, por lo que esta muy modificado, es sencillo trabajar conel a 700 °C. Sin embargo el vidrio Pyrex, con 80 % de sílice, tiene menorcantidad de modificadores, mejor resistencia al choque térmico (ya que suexpansión térmica es menor), pero es más difícil trabajar con el, ya querequiere 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 cristaleslíquidos, en la que se da su composición, su funcionamiento y uno de susposibles usos.

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Figura 6.1.- Vidrio con cristales líquidos. Principio defuncionamiento.Usos.

.7.- Materias primas. Las materias primas empleadas para la fabricación de los vidriosconvencionales pueden clasificarse, siguiendo un criterio basado en elpapel que desempeñan durante el proceso de fusión, en cuatro gruposprincipales: 1.- Vitrificantes

2.- Fundentes 3.- Estabilizantes

4.- Componentes secundarios Desde el punto de vista estructural, los vitrificantes corresponden a losóxidos formadores de red, los fundentes, a los óxidos modificadores, ylos estabilizantes a aquellos óxidos que, bien porque pueden actuar deambas maneras, o bien por su carácter intermedio, no son asimilables aninguno de los dos grupos anteriores. Entre los componentes secundarios se incluyen las materias primas que se

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incorporan en proporciones generalmente minoritarias, con finesespecíficos, pero cuya intervención no es esencial en lo que a laformación de vidrio se refiere. Tales componentes pueden ser afinantes,colorantes, decolorantes, opacificantes, fluidificantes, etc. Su granvariedad y la diferente forma en que pueden asentarse en el retículovítreo impiden clasificarlos en un único grupo estructural. En la tabla 7.1 pueden verse compendiados los elementos que comprendecada uno de estos grupos, y a continuación estudiaremos cada uno de ellosseparadamente dando las indicaciones generales y sus efectos sobre elvidrio. 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, ácidobórico, hidrato de aluminio, etc. C.- Subproductos: Vidrio de desecho (calcin), escoria de horno altobeneficiada, etc. Vitrificantes. Bajo esta denominación genérica se agrupan todas las sustanciastípicamente formadoras de vidrio La sílice es el constituyente principalde la mayoría de los vidrios comerciales, en los que interviene formandoaproximadamente las tres cuartas partes de su composición. La sílice libre o combinada constituye la especie química más abundantede la corteza terrestre, en la que interviene en un 6O %, formando partede una gran diversidad de minerales, de rocas y de restos de origenorgánico. Las fuentes principales de esta materia prima son el cuarzo, lascuarcitas, las arenas y areniscas de cuarzo, de origen sedimentario, y latierra de infusorios. Sin embargo, de todas ellas, y exceptuando laspequeñas aportaciones indirectas de sílice que resultan del empleo defeldespatos y de algunos otros silicatos que ocasionalmente forman partede la mezcla, puede considerarse que es la arena de cuarzo la única quemasivamente consume la industria vidriera. Los tres factores principales que limitan la utilidad de una arena comomateria prima para la fabricación de vidrio son sus características 52

mineralógicas, químicas y granulométricas.

Tabla 7.1.- Elementos constituyentes del vidrio.

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Fundentes. La finalidad de este grupo de componentes es favorecer la formación de 54

vidrio, rebajando su temperatura de fusión, y facilitar su elaboración.Los óxidos que así actúan son los modificadores de red y, dentro deellos, son los alcalinos los que mejor cumplen este cometido. La adición de fundentes viene limitada por la estabilidad del vidrio. Laincorporación de óxidos modificadores a la red vítrea determina laapertura de enlaces Si – O - Si y, por lo tanto, la creación de ionesoxígeno no puente. Ello trae consigo una disminución de la cohesión delretículo que se manifiesta generalmente en un detrimento de laspropiedades 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 delos vidrios industriales que es el aluminio. El ión aluminio puede actuar como modificador de red en coordinaciónoctaédrica o como formador de red en coordinación tetraédrica [AlO4]alternando con los iones silicio. La formación de coordinacionestetraédricas exige una mayor proporción de oxígeno que la que correspondea la fórmula del óxido introducido (Al2O3). Para satisfacer estosrequerimientos, parte de los oxígenos no puente se unen al ión aluminio,convirtiéndose en oxígenos puente que hacen disminuir el número deenlaces y aumentar la cohesión del retículo vítreo. La incorporación de alúmina al vidrio lleva aparejado, por lo tanto, unaumento de la resistencia mecánica, un mejoramiento de la estabilidadquímica, una elevación de la refractariedad, una disminución delcoeficiente de dilatación térmica y, consecuentemente, una mejorresistencia al choque térmico. Por otra parte, la presencia de alúminareduce la tendencia a la desvitrificación, aumenta la viscosidad delvidrio, ensancha su intervalo de trabajo y eleva considerablemente sutensión superficial. Esto hace que los vidrios aluminosos, además derequerir temperaturas de fusión más altas, presenten mayores dificultadespara su afinado. En la mayoría de los vidrios sódico-cálcicos comerciales es frecuente laincorporación de Al2O3 en una proporción del 1 al 3 %. Este contenido esmucho mayor en los vidrios especiales que hayan de estar sometidos aaltas temperaturas durante su uso. Dependiendo de la proporción de alúmina que haya de introducirse en el 55

vidrio y de las especificaciones requeridas en cada caso, se puedenemplear diferentes fuentes aluminosas naturales o de síntesis. Las materias primas que más se utilizan habitualmente para aportaralúmina al vidrio son los feldespatos, cuyos representantes más típicosson los de las series de las ortoclasas y de las plagioclasas, así comola anortita (CaO.Al2O3.2SiO2). Su uso es recomendable porque soncompuestos que funden a temperaturas relativamente bajas y se incorporanfácilmente al vidrio sin producir perturbaciones. Componentes secundarios. Además de las materias primas, en forma de óxidos comentadasanteriormente, en la fabricación de los vidrios entran a formar parteotras sustancias, que dan al vidrio el aspecto y textura de una variadagama de manufactura. Así, n la composición de los vidrios intervienenhabitualmente otros constituyentes minoritarios con funcionesdeterminadas: colorantes, decolorantes, opacificantes, clarificantes,fluidificantes, etc. En la tabla 7.2 se muestran los distintos compuestos utilizados en lacoloración del vidrio.

Tabla 7.2.- Elementos utilizados en la coloración delvidrio.

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Los opacificantes incorporados a la masa vítrea, comunican aspectosopacos. Como opacificantes se emplean: el talco, criolita, fosfatotricalcico y fluoruro calcico; este ultimo se emplea también comofundente y clarificante debido no a su fusibilidad (1300 °C), sino a quevolatiliza al oxido silícico en forma de fluoruro de silicio, que es ungas que clarifica y homogeniza la masa, pero la perdida de oxido silícicodisminuye la calidad del vidrio y además el fluoruro calcico ataca a loscrisoles, por lo que se debe de evitar emplearlo como fundente único. En la tabla 7.3 se exponen las composiciones de algunos vidriosindustriales.

Tabla 7.3.- Composiciones de algunos vidrios industriales.

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

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

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8.- Proceso de elaboración del vidrio. La elaboración del vidrio es un proceso largo y complejo que comienza conel enfornamiento de la mezcla y termina con la salida del producto fríoa la desembocadura del túnel o del arca de recocido. El proceso puedeconsiderarse dividido en seis etapas más o menos diferenciadas (Figura8.1): 1.- Reacción de los componentes y formación de vidrio. 2.- Disolución del excedente de sílice sin reaccionar. 3.- Afinado y homogeneización. 4.- Reposo y acondicionamiento térmico. 5.- Conformación. 6.- Enfriamiento y recocido. Las cuatro primeras etapas se suceden sin solución de continuidad dentrodel horno con arreglo a un programa térmico cuidadosamente establecidoque, de modo general, comprende un aumento progresivo de la temperaturahasta un máximo de unos 1550 ºC, seguido de un enfriamiento y de unperíodo de estabilización en el que la masa vítrea debe alcanzar larigurosa homogeneidad térmica requerida para su inmediata conformación.

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El conjunto de esas cuatro etapas recibe el nombre de fusión del vidrio.Tal denominación es incorrecta, ya que no se trata de una fusiónpropiamente dicha, sino de una serie de reacciones que, tras la formaciónde distintas fases cristalinas, conducen finalmente a una fase líquida.Por analogía con algunos procesos metalúrgicos resultaría más propiohablar de fundición o, más correctamente, de vitrificación o de formaciónde vidrio. Sin embargo, el extendido uso de ese término en el lenguajevidriero común hace muy difícil que pueda desarraigarse y ser sustituidopor otro.

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 seindica en los siguientes diagramas de flujo:

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Una vez que las materias primas están pesadas, mezcladas y con lacantidad de agua necesaria para obtener una humedad correcta, (4 - 4.5%), son llevadas al horno mediante una cinta transportadora eintroducidas en el mismo mediante una máquina llamada enfornadora (Figura8.2). La subida de temperatura en la mezcla que se va a fundir es muylenta, porque el aire en ella incluido actúa de aislante. La acumulaciónde calor es muy grande y el interior de la masa permanece durante largotiempo frío.

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Figura 8.2.- Enfornadora: (a).- Vista lateral (b).- Vista superior La formación del vidrio comprende una serie de transformaciones físicas yreacciones químicas a alta temperatura, en virtud de las cuales la mezclavitrificable se convierte en una masa vítrea. Durante este proceso loscomponentes de la mezcla experimentan múltiples modificaciones, tantofísicas como químicas. Entre los fenómenos físicos se pueden citar lossiguientes:

-La fusión de cada constituyente y la de los productos de reacción -La modificación de su estado cristalino (Transformacionescristalinas)

-Desprendimiento de gases - Una volatilización parcial.

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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 colorde nitratos.

-Una asociación de los óxidos liberados (Reacciones entre lasdistintas especies químicas).

La simultaneidad con que se producen algunas de estas transformacionesfisicoquímicas, por una parte, y el elevado número de componentes queintervienen en los sistemas de la mayoría de los vidrios, por otra, hacenmuy 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 sidoconformado laminarmente. Las láminas no tienen que ser rigurosamenteplanas, sino que pueden estar curvadas o presentar un relieve impreso ensu superficie. Con arreglo a su procedimiento de fabricación el vidrioplano 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 deflotado. Procedimiento de flotado (Figura 9.1). En el año 1959 y tras un gran esfuerzo tecnológico, la firma británicaPilkington Brothers dio a conocer un nuevo procedimiento de fabricaciónde vidrio plano por el método de flotado que había de constituir una 62

auténtica revolución industrial de este sector, ya que en la actualidadprácticamente todos los vidrios usados en la construcción son fabricadospor flotado.

Figura 9.1.- Procedimiento de fabricación de vidrio planoflotado.

La importante y original aportación de este procedimiento radica en laposibilidad de obtener directamente una lámina de vidrio pulida por ambascaras, sin necesidad de ser sometida a ninguna operación posterior dedesbaste y pulido. El vidrio adquiere por su cara superior un pulido alfuego y por la inferior, el pulido especular que le comunica lasuperficie libre del baño de estaño fundido sobre el que se desliza. Para

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proteger al estaño de su oxidación es preciso mantener en la cámara unaatmósfera reductora que se consigue haciendo pasar una corriente denitrógeno 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 laparticularidad de que los hornos para vidrio son de colada continua, esdecir, la composición entra continuamente por la boca de entrada llamadaenforne, y el vidrio fluye sin interrupción por la boca de salida llamadacanal. Los hornos de fusión de vidrio constan fundamentalmente de una cubarectangular construida en refractario electrofundido, cerrada en su partesuperior por una bóveda también en material refractario. El conjunto derefractarios está soportado por herrajes metálicos. A cada uno de los lados y por encima de la cuba están emplazados losquemadores, cuyos ejes son perpendiculares al eje longitudinal del horno.A continuación de cada quemador y también a ambos lados se encuentran lascámaras que ponen en comunicación el laboratorio con la chimenea.

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

El esquema elemental de funcionamiento de un horno calentado por fuelestá representado en la figura 9.3. En la sección del dibujo estánquemando los mecheros de la parte izquierda.

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Figura 9.3.- Esquema de funcionamiento de un horno de fusión

La particularidad de estos hornos es la de que los humos calientes queabandonan el laboratorio no van directamente a la atmósfera a través dela chimenea, sino que pasan por una cámara o regenerador (Figura 9.4),constituido por un emparrillado de refractario, en el cual dejan retenidoparte de su calor. El aire necesario para la combustión, llamado airesecundario, entra a su vez a través de la cámara opuesta impulsado por unventilador.

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Figura 9.4.- Regenerador de un horno de fusión.

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

Figura 9.5.- Evolución de la temperatura de un horno de fusión enel sentido longitudinal.

Para realizar el trabajo de soporte del vidrio, se necesitaba un metalque fuese líquido en el intervalo de temperaturas de 600 - 1000 ºC. y conuna densidad mayor que la del vidrio, además la tensión de vapor delmetal fundido a la temperatura de funcionamiento más elevada, debería serlo más baja posible. Escogiendo entre los metales que se ajustaban aestas dos condiciones e incluyendo el precio, el estaño resultó ser elmás idóneo. Además el estaño tiene la característica del débil (cercano anulo) ángulo de mojado entre el vidrio y el. El baño de estaño fundido es de unos 30 cm de profundidad y flotandosobre él se extiende y avanza el vidrio horizontalmente (Figura 9.6).

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Figura 9.6.- Baño de estaño.

El vidrio vertido por el labio sobre el estaño, y sometido exclusivamentea la acción de las fuerzas naturales, comienza a extenderse hasta que sealcanza el espesor de equilibrio a la vez que es suavemente conducidohacia la salida del baño, esta extensión cesa cuando el espesor alcanzalos 7 mm por producirse en este punto el equilibrio de fuerzas. A partir de dicho momento la hoja mantiene este espesor y lacorrespondiente anchura, progresando a lo largo del baño en un régimen detemperatura descendente, hasta alcanzar los 900 ºC , zona en la cual portener la viscosidad adecuada, el efecto de tracción de la extenderíaproduce 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 lasalida del baño y entre en los rodillos a la temperatura de 600 ºCaproximadamente. Por el procedimiento anterior, se pueden fabricar espesores próximos alos 6 mm, pero a partir de éstos hacia abajo se presenta un serioproblema, pues al incrementar la velocidad de extendería, el aumento deestirado se traduce en una disminución de anchura, pero permaneciendoconstante el espesor. Es por las limitaciones expuestas por lo que con la técnica defabricación que nos ocupa, solo podemos fabricar espesores entre 5 y 6mm., dependiendo el valor real obtenido dentro de estos límites de lavelocidad de extendería que se utilice. La necesidad de obtener espesores alejados del de equilibrio, en uno y 68

otro sentido, ha conducido a introducir en el proceso elementos capacesde oponerse a la flotación natural del vidrio, esto se ha conseguido conlas máquinas denominadas Top – Rolls (T. R.) Se trata en esencia de máquinas consistentes en una barra que giraaccionada por un motor de velocidad variable, y cuyo extremo de trabajova provisto de una rueda dentada que se "clava" en la cara superior delvidrio en los bordes de la hoja que flota. Su papel consiste en "sujetar" la lámina de vidrio impidiéndola flotar,es decir estrechar o ensanchar según el caso, obligándola a avanzar a lavelocidad marcada por la máquina, consiguiendo de esta forma controlar avoluntad por medio de la regulación de velocidad de los T.R., latendencia del vidrio a volver al espesor de equilibrio. Los T.R. se utilizan siempre por parejas colocadas una sobre cada bordede la lamina de forma simétrica. El número de parejas a utilizar en cadauno, depende del espesor que se desee obtener, necesitándose mas pares deT.R. cuanto más nos alejemos del espesor de equilibrio en uno ú otrosentido. Con esta técnica se pueden obtener espesores entre 1.7 y 12 mmambos inclusive, en condiciones industriales normales. Para obtener espesores superiores al de equilibrio, y fundamentalmentepor encima de los 12 mm donde la técnica de T.R. está al límite de susposibilidades, existe otro método de fabricación substancialmentedistinto que es la técnica de barreras. El problema se nos plantea ahora en sentido contrario, se trata deconseguir espesores por encima de los 7 mm. de equilibrio, por lo tantono podemos permitir que el vidrio se extienda sobre el estaño a su librealbedrío. El procedimiento consiste en colocar desde la entrada del baño y a lolargo de éste, una serie de barreras refrigeradas de grafito, que formanuna especie de canal en el centro por el que tiene que discurrirnecesariamente el vidrio. Este canal tiene una anchura igual a la del vidrio final que queremosobtener, y es fácil comprender que con una anchura y un tonelajedefinidos, el espesor obtenido será función de la velocidad con que laextendería arrastra la hoja dentro del baño. Las barreras de grafito se prolongan en el baño hasta el punto en que latemperatura sea 1o suficientemente baja (y por lo tanto la viscosidadalta), como para que la hoja de fuerte espesor formada, discurra a partir 69

de aquel sin tender a esparcirse perdiendo espesor y ganando anchura. El número de barreras a utilizar es directamente proporcional al espesory al tonelaje. Para mejor comprensión de todo lo expuesto, en la figura 9.7 pueden verrepresentados esquemáticamente los tres tipos de fabricación.

Figura 9.7.- Esquemas de fabricación de luna flotada.

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En la figura 9.8 está representada la curva en longitud de latemperatura 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 deuna delgada película de silicio sobre la superficie superior de lalámina. El gas_silano (SiH4) en ausencia de oxígeno y agua y a temperaturassuperiores a los 400 ºC, se descompone para formar -silicio elemental yproducir hidrógeno como subproducto según la reacción pirolítica :

SiH4 → Si + 2H2 E1 método aprovecha las condiciones adecuadas que ofrece el baño Float entemperatura, atmósfera interior, etc., para provocar la reacciónpirolítica y el consiguiente proceso de depósito. Básicamente el proceso consiste en distribuir uniformemente gas silano aun caudal y concentración adecuados sobre la lámina de vidrio, y permitirque el gas se descomponga formando un recubrimiento de silicio en lasuperficie superior. 71

Se requiere un equipo adicional para control y regulación del gas silano,así como un aparato distribuidor para introducirlo en el baño y ponerloen contacto con la hoja de vidrio (Figura 9.9).

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 contactodirecto con la atmósfera ambiente sin romperse por choque térmico. Sutransporte sigue siendo sobre rodillos metálicos hasta que la temperaturadesciende a 125 ºC aproximadamente, entre ésta y 60 ºC los rodillospueden ser de arandelas de silicona, y a partir de esta última y hasta laambiente de arandelas de goma (Figura 9.10).

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Figura 9.10.- Transporte del vidrio sobre rodillos

El corte del vidrio se realiza tallando una huella en la superficie queprofundiza alrededor de 20 µm , y ejerciendo posteriormente una presiónbajo el trazo por la cara opuesta, que obligue a la lámina a deformarseprovocando su rotura a lo largo de la huella. De la luna flotada se obtienen tres tipos de productos, en función de lasdimensiones a las que se efectúa el corte, hoja entera (H.E.), travers yprimitivos. Naturalmente, cada uno de estos productos tiene unaposterior 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 defabricación, generalmente , 3.18 m .En algunas líneas de fabricaciónFloat, toda la producción se corta en esta modalidad, no existiendo laposibilidad de explotar directamente ninguno de los otros dos tipos deproductos. La H.E. se destina a obtener por recorte posterior volúmenes de grandesdimensiones, o bien reinyectada en una instalación de explotaciónindirecta 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 diezen diez centímetros. De este tipo de producto se obtienen posteriormenteespejos de las diferentes dimensiones por recorte después de platearlos,volúmenes de medidas más pequeñas para acristalamiento, etc. Algunasinstalaciones más evolucionadas que las citadas en el apartado anterior,están dotadas para obtener directamente de su línea de produccióntravers, además de H.E. Primitivos. Volúmenes pequeños cuyo destino final es el acristalamiento de vehículos.

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Las dimensiones son muy variadas, del orden de 1.53 x 0.72 m los mayoresy 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 esnecesario partir del primitivo adecuado, cuya dimensión debe de ser lafinal 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 contenidaen la unidad de volumen. Sus dimensiones son, por lo tanto, ML-3. Ladensidad, que en la mayoría de los vidrios g

sódico - cálcicos se mantiene alrededor de 2.5 3 , puede variar ampliamente entre el valor de 2.15 cm g g de algunos vidrios de borosilicato y el de 6 que presentan los

vidrios con alto contenido 3 3 cm cm de oxido de plomo (Tabla 10.1.1). No se puede decir que la densidad figure entre las principalespropiedades del vidrio, ya que para la mayoría de sus aplicaciones suimportancia es pequeña. No obstante, aunque por si misma reviste escasointerés, la densidad puede ser un medio muy útil de control de lahomogeneidad del vidrio, pues constituye un índice muy sensible capaz dedetectar pequeñas variaciones de composición. Por otra parte, dado que la densidad es una medida del grado decompactación estructural, de su valor pueden deducirse conclusionesacerca de las modificaciones de la configuración geométrica del retículovítreo, del cambio de coordinación de los iones formadores, de lavariación de tamaño de los huecos intersticiales, etc.

Tabla 10.1.1.- Densidad de algunos vidrios a temperaturaambiente.

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10.2.- Propiedades mecánicas. El comportamiento del vidrio ante los distintos tipos de esfuerzosmecánicos a que puede encontrarse sometido durante su us0 (tracción,compresión, torsión, impacto, penetración) constituye en general unaimportante limitación para algunas de sus aplicaciones. Si bien su durezay, como consecuencia, su resistencia al rayado le colocan en unasituación de ventaja con respecto a otros materiales, su fragilidad y subaja resistencia a la fractura no le permiten competir con muchos deellos. La resistencia mecánica de los vidrios en la practica se halla, sinembargo, muy por debajo de la que con arreglo a su estructura deberíantener, ya que no suele llegar a alcanzar ni siquiera el 0.5 % del valorteóricamente calculado. Esta enorme diferencia entre el valor real y elteórico, que puede resultar restrictiva para muchos usos del vidrio, almismo tiempo abre esperanzadoramente un amplio margen de posibilidadespara su reforzamiento mecánico mediante diversos tratamientos. Durante su uso el vidrio puede estar sometido a esfuerzos mecánicas dediferente tipo: tracción, compresión, torsión, impacto y penetración. Elcomportamiento del vidrio bajo estos esfuerzos depende de variosfactores, entre los que se encuentran la rigidez de los enlaces entre lasmoléculas que lo constituyen y principalmente, el estado de susuperficie. En la superficie del vidrio existen fisuras microscópicas queactúan como lugares de concentración de las tensiones mecánicas y enconsecuencia, como centros de iniciación de posibles fracturas. Debido ala imposibilidad de eliminar estos defectos microscópicos, la resistenciamecánica real del vidrio esta muy por debajo de su resistencia teórica. Otra de las consecuencias de estas microfisuras superficiales es que la 75

resistencia a la compresión de un vidrio es mucho más elevada que laresistencia 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 queel valor característico de esta resistencia mecánica esta asociado con elestado de la superficie y le influye de manera notable la duración de laaplicación de la carga. Anelasticidad. Bajo determinadas condiciones los vidrios presentan una variación de sucomportamiento elástico en función del tiempo de actuación de la carga.Este efecto puede comprobarse sometiendo una fibra a una tensión detracción constante durante un largo intervalo de tiempo y suprimiéndola apartir de un moméenlo dado (Figura 10.2.1). Para tiempos cortos, hasta undeterminado valor t„ existe una proporcionalidad lineal entre elalargamiento de la fibra y el tiempo de actuación de la tensión(deformación instantánea). Por encima de t1 y hasta t2 esta proporcionalidad desaparece y lavelocidad de deformación va disminuyendo. En el intervalo (t2 - t1), lomismo que en el anterior, el alargamiento es reversible, pero dentro deel la fibra ya no recupera instantáneamente su longitud inicial al cesarla fuerza deformadora (deformación temporal).

Figura 10.2.1.- Deformación de una fibra de vidrio sometida a una cargaconstante en función del tiempo. Entre t2 y t3 se produce una deformación plástica ∆l3 - ∆l2 irreversible.Si a partir de t3 se hace cesar la tensión, primero tiene lugar entre t3 yt4 un acortamiento instantáneo de la misma magnitud que el alargamientoinstantáneo inicial ∆l1„ seguido en el intervalo de t4 a t5 de unarelajación o recuperación elástica retardada, quedando finalmente apartir de t5 una deformación plástica residual permanente, cuyo valor es

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igual a la deformación ∆l3 - ∆l2 La diferencia entre la deformación ideal y la realmente obtenida recibeel nombre de anelasticidad. Este comportamiento elástico retardado y, por consiguiente, dependientedel tiempo, puede ponerse también de manifiesto en los vidrios por lapérdida de energía mecánica o amortiguamiento de las oscilaciones queexperimentan cuando se someten a una vibración mecánica. Valores medios del módulo de elasticidad, para diferentes tipos devidrio, son los siguientes:

- Vidrio "Pyrex" 6.5x1010 Pa. -Luna pulida y vidrio plano 7.3x1010 Pa. - Vidrio de botellas de champagne 8.0x1010 Pa. - Sílice vítrea 7.2x1010 Pa.

Resistencia mecánica. La resistencia mecánica de un material puede definirse como laresistencia que opone a la acción de fuerzas mecánicas externas ointernas. Su valor teórico depende de la rigidez de los enlaces entre suselementos constituyentes. Los valores de resistencia mecánica obtenidosexperimentalmente en los vidrios raramente llegan a aproximarse a suvalor teórico, sino que, por lo general, se hallan situados dos o tresórdenes de magnitud por debajo de este. Así, los vidrios comunes desilicato suelen presentar una resistencia mecánica comprendida entre 50 y100 MPa.. Sin embargo, estos valores pueden aumentar considerablemente bajodeterminadas condiciones. Así, el vidrio pulido al fuego, muestrainmediatamente después de haber sido sometido a esta operación, unaresistencia aproximadamente doble de la que tenía inicialmente. Envarillas de vidrio recién estiradas, cuya superficie se haya mantenidototalmente inalterada, su resistencia asciende hasta un valor de unos 600MPa, y en varillas tratadas superficialmente con ácido fluorhídrico sehan llegado a medir resistencias de 3400 MPa. Este valor se acerca a laresistencia media de 6000 MPa que se ha obtenido en fibras de vidrio muydelgadas. La notable discordancia entre los valores calculados y los observados, yla fuerte dispersión de resultados en una misma serie de muestras, hansido objeto de numerosas investigaciones y de un cuidadoso análisis de

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los distintos factores que pueden provocarlas. Entre ellos cabe destacarel estado de degradación de la superficie del vidrio, las condicionesexperimentales en que se lleve a cabo el ensayo y el tratamiento y formade las probetas. Para explicar la baja resistencia mecánica que presenta el vidrio en lapractica, se han formulado varias teorías basadas en la existencia, hoyunánimemente admitida, de grietas muy pequeñas o microfisuras de formasemieliptica (por lo que también reciben el nombre de bolsas), producidasen la superficie del vidrio, que actúan como lugares de concentración delas tensiones mecánicas aplicadas y, en consecuencia, como centros deiniciación de la fractura. Sobre la aparición de estos microscópicos defectos superficiales existenvarias hipótesis. Mientras que la explicación mas generalmente aceptadaes que se trata de lesiones producidas por abrasión durante la normalmanipulación del vidrio, también se ha señalado la posibilidad de que seformen durante su enfriamiento, por efecto de diferente contracción derecintos microheterogéneos del vidrio, o como resultado de las tensionesoriginadas en la superficie limite de las fases separadas. Medida de la resistencia mecánica. El método más utilizado en la práctica para la medida de resistenciamecánica del vidrio es el que se basa en la determinación de laresistencia a la flexión de una probeta de forma prismática o cilíndrica.El ensayo debe realizarse con una máquina que conste de un dispositivo deregulación que permita una velocidad uniforme de incremento de carga, yque disponga de un indicador que señale la carga a la que se produce larotura. Puede emplearse el sistema llamado de tres puntos, dos de apoyode 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 poraplicación de la fórmula:

MR =106F

MAX 3L

2 (10.2.1) 2ab

siendo FMAX la fuerza máxima, L la distancia entre apoyos, a la anchurade la muestra y b su espesor.

NExpresando la fuerza en N y las longitudes en mm, el módulo de rotura resulta dado en 2 . 78

m Para muestras cilíndricas la fórmula anterior viene expresada en funcióndel diámetro D de la probeta:

MR =106FMAX π 8DL3 (10.2.2)

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

MR =106FMAX π (D d84

L− 4) (10.2.3)

Una distribución de carga más uniforme y una mayor precisión que con elanterior se obtiene con el sistema de cuatro puntos, dos de los cualessirven 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 delmódulo de rotura se obtiene mediante la expresión:

6 3(L La − c ) 2abMR =10 FMAX 2 (10.2.4)

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

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6 8(L La − c ) π(D d− )

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

Figura 10.2.2.- Representación esquemática de diferentes métodos de 80

y, para muestras tubulares:

MR =10 FMAX 3 πD (10.2.5)

8(L L−) MR =106FMAX

a4 c4 (10.2.6)

determinación del módulo de rotura por aplicación de esfuerzosde flexión: (a) método de los tres puntos (b) método de loscuatro puntos y (e) método de los anillos coaxiales.

Los efectos de borde pueden evitarse, y con ello reducirseapreciablemente la dispersión de las medidas, empleando el método deldoble anillo, en el que la probeta, consistente en una placa circular devidrio, colocada sobre un soporte anular, se somete a un esfuerzo deflexión por una carga aplicada mediante otro anillo coaxial al anterior yde menor diámetro que éste (Figura 10.2.2). El módulo de rotura se calcula a partir de la fórmula:

3 R2 −r2 R MR = FMAX 2 (1−µ) 2+(1+µ)Ln r (10.2.7)

2πb 2c donde b es el espesor de la probeta, R el radio del anillo soporte, rel radio del anillo de carga, c el radio de la probeta, y µ elcoeficiente de Poisson. El método anterior es aplicable a probetas cuadradas, en cuyo caso ladimensión c debe sustituirse por el valor medio de los radios de lascircunferencias circunscrita e inscrita. Otra forma habitual de evaluar en la práctica el comportamiento mecánicodel vidrio es midiendo su resistencia al impacto, que puede definirsecomo el valor máximo de la energía mecánica que puede absorber la muestrade vidrio sin romperse. El ensayo suele realizarse con el péndulo deCharpy o por el método llamado de caída de bola, que consiste en dejarcaer una bola de acero de masa conocida desde alturas crecientes hastaque se produce la rotura de la pieza. La resistencia al impacto secalcula a partir de la expresión:

E = mgh siendo m la masa de la bola y h, la altura mínima de caída para la cualse produce la rotura. En otras modalidades de realización de este ensayo, empleadasespecialmente en el control de vidrio para automóviles, el impacto seefectúa con un punzón o con un saco de lastre. Este tipo de ensayospermite medir de un modo práctico la fragilidad de la pieza de vidrio. El impacto es una aplicación de carga instantánea que produce unacompresión en la cara de la pieza que lo recibe. Si el espesor de la

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pieza es suficientemente grueso para amortiguarla vibración producida,absorberá la energía mecánica sin llegar a romperse. De lo contrario, sila onda de vibración no se amortigua en su recorrido, llegará a la caraopuesta y se manifestará en ella produciendo un esfuerzo de tracción, queserá el responsable de la rotura. En el caso de que, por defectos derecocido, existieran en dicha cara tensiones de tracción, éstas sesumarían a las producidas por el impacto, haciendo disminuir laresistencia mecánica efectiva de la pieza. La presencia de tensiones decompresión, producidas de forma controlada, ejerce contrariamente unefecto favorable. Resistencia a la flexión. Cuando un vidrio esta trabajando a flexión, tiene una cara sometida atracción y la otra a compresión. La resistencia a la rotura por flexiónserá: -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), porlo que en sus aplicaciones normales es prácticamente imposible la roturadel vidrio por compresión. Resistencia a la tracción. La resistencia a la tracción para el vidrio recocido es del orden de 40MPa 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 (eneste caso la resistencia disminuye un 40 %).

-Humedad. Disminuye en un 20 % (a menos que se impregne el vidrio conpetróleo o tolueno).

-Temperatura. A más temperatura, menos resistencia. -Su corte. Hay un aumento de resistencia, en orden creciente, según elestado de su arista: Diamante, aristas arenadas, requemado de aristas ycanto pulido

-Estado de la superficie. Depende de la calidad de su pulido. - Loscomponentes y sus proporciones.

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

10.3.- Microdureza. La mayor o menor resistencia mecánica de un material se, manifiesta porsu dureza, cualidad que puede definirse como la resistencia que opone uncuerpo a ser penetrado por otro. Esta característica reviste especialinterés práctico en los procesos de corte, tallado y pulido del vidrio yde ella depende la vulnerabilidad y, por lo tanto, el estado deconservación de su superficie. Desde el punto de vista físico, la dureza del vidrio proporciona unaapreciable información acerca del grado de rigidez estructural. Debido aque la medida de esta magnitud se efectúa normalmente en varios puntos ysobre zonas muy reducidas de la superficie, presenta la ventaja de noresultar afectada ni por el estado de la superficie ni por susmicrodefectos, los cuales suelen desvirtuar los valores de la resistenciamecánica obtenidos por otros procedimientos que, en realidad, en vez demedir la resistencia intrínseca del vidrio, miden la de sus ponlos másdébiles. En los métodos estáticos se acostumbra a utilizar dos tipos diferentes depuntas piramidales, denominadas de Vickers y de Knoop, de seccionescuadrada y romboidal respectivamente (Figura 10.3.1). En los dos casos elvalor de la microdureza se obtiene en función de la carga aplicada P, de

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la diagonal L de la huella producida y de una constante que depende delos ángulos de la pirámide. La microdureza Vickers viene dada por laexpresión:

HV = 2Pcos

2 β (10.3.1) L

Como en la pirámide Vickers el ángulo β formado por sus caras vale 22°,la expresión anterior puede escribirse:

HV = 1.854 2 P (10.3.2) L

Análogamente la microdureza Knoop se obtiene a partir de:

α β2Ptg ctg

HK = 2 2 2 (10.3.3) L

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

HK = 14230

2 P (10.3.4)

L

KpEn ambas fórmulas la microdureza se obtiene en 2 cuando P se expresa en pondios y las diagonales en

mmµm .

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Figura 10.3.1.- Impresión de una punta de diamante Vickers sobre unasuperficie de vidrio, y microfisuras producidas comoconsecuencia de la indentación.

Al cesar la aplicación de la carga, el vidrio experimenta una parcialrecuperación elástica que varía inversamente con la magnitud de la cargaaplicada. Cuanto mayor es la carga, menor es la recuperación. Por lotanto, para cargas pequeñas se obtienen valores aparentes de microdurezasuperiores a los que resultan de las fórmulas anteriores cuando seemplean cargas más elevadas. Para corregir este efecto debe introducirseun término de corrección k, característico de cada vidrio, que se calculamidiendo las huellas L1 y L2 obtenidas para dos cargas diferentes P1 yP2 teniendo en cuenta la relación de proporcionalidad:

P L + k

1 = 1 (10.3.5) P2 L2 + k

Otro método de medida de la dureza del vidrio se basa en la determinaciónde su resistencia a la abrasión, que viene dada por la cantidad dematerial extraído de la superficie del vidrio cuando éste se somete a laacción de un agente abrasivo de un tamaño determinado a una velocidaddada. La dureza aumenta, en general, con el contenido en sílice y disminuye conel de plomo. Varía de 6 a 7 en la escala de Mohs. El diamante y elcarborundum lo rayan, pero ciertos aceros extraduros, cementados ofuertemente templados también lo rayan.

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Fragilidad. Por su incapacidad para sufrir mínimas deformaciones ni elásticas niplásticas, el vidrio es uno de los materiales más frágiles que seconocen. Esta acritud o fragilidad se corrige mediante el recocido, quees un calentamiento seguido de un enfriamiento lento. Este tratamientocoincide 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 enpedazos cuando se le calienta parcialmente por el desequilibrio entre lasdilataciones. Las propiedades térmicas del vidrio se pueden describir portres constantes intrínsecas al material: 10.4.1.- Calor específico, c e. La cantidad de calor dQ necesaria para producir una elevación detemperatura dT en un cuerpo dado es directamente proporcional a la masadel cuerpo y depende de la naturaleza de éste, del intervalo detemperatura y de las condiciones de presión y volumen a que se lleve acabo su calentamiento. El cociente diferencial entre el calor aportado yel aumento de temperatura experimentado se define como la capacidadcalorífica del cuerpo:

dQ C = (10.4.1.1)

dT Cuando esta magnitud se refiere a 1 kg de masa se obtiene el calorespecífico que más propiamente debe denominarse capacidad caloríficaespecífica. Entonces, el calor específico es la cantidad de valornecesaria 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 sueledar su valor a 20° C. A esta temperatura el valor del calor específico 86

es: ce = 0.72 .103 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 travésde las partículas que se hallan en contacto, y otra es por radiacióntérmica, ya que el vidrio se comporta como un medio más o menostransparente a la energía radiante. Estos dos mecanismos de transporteestán determinados por dos coeficientes característicos de transmisióndel material que corresponden a su conductividad calorífica λC y a suconductividad a la radiación λR , respectivamente. La suma de ambos coeficientes proporciona el valor de la conductividadcalorífica efectiva. Mientras que a temperaturas bajas la transmisióncalorífica tiene lugar casi exclusivamente por conducción, a partir delas temperaturas en que comienza a producirse emisión luminosa, seestablece la transmisión por radiación, en comparación con la cual eltransporte térmico por el primer mecanismo resulta prácticamentedespreciable. Conductividad térmica por conducción. La conductividad calorífica de los vidrios varía, en función de sucomposición, así se tiene:

W- Vidrio corriente 0.93

m K.W

- Vidrio "Pyrex" 1.05 m K.W

- Sílice vítrea 1.28 m K.W

- Flint - glass denso 0.70 m K. Otra manera de expresar la conducción del calor es mediante la constantede difusividad térmica K que se halla relacionada con la conductividadcalorífica a través del inverso del calor específico ce y de la densidadρ según la expresión:

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λ

K = C (10.4.2.1)

ceρ La difusividad indica la velocidad de propagación del calor a través delmaterial y, lo mismo que un coeficiente

cm2 -1 -7 de difusión, se expresa en . Su valor en los vidrios comunes se halla comprendido entre 4.10 y 30.10 scm2

.s

El calor se propaga por conducción en los medios materiales continuos,transmitiéndose las vibraciones térmicas de un átomo o de un ión a otrosátomos o iones colindantes. En la transmisión calorífica no tiene lugarningún tipo de transporte de materia. Conductividad térmica por radiación. En la transmisión calorífica de los vidrios por radiación intervienen dosfactores diferentes. Por una parte, la energía térmica radiante emitidapor el vidrio que, de acuerdo con la ley de Stefan - Boltzmann, esproporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta: E =σT4 (10.4.2.2)

siendo σ la constante de radiación igual a5.746x10-12

J2

4 . s cmK. .

Por otra parte tiene mucha influencia el coeficiente ε de absorción dela radiación por el vidrio, cuyo valor varía grandemente en función de lalongitud de onda de la radiación. Para una longitud de onda determinada opara un estrecho intervalo de longitudes de onda en que no varíe ε, elcoeficiente de transmisión calorífica por radiación viene dado por:

16σn T2 3

λR = 3ε (10.4.2.3)

88

siendo n el índice de refracción del vidrio. Este coeficiente, lo mismoque el de transmisión por conducción,

Jresulta expresado en

.m s K..

De acuerdo con la fórmula anterior, la conductividad por radiaciónaumenta con la tercera potencia de la temperatura absoluta y disminuye alaumentar el coeficiente de absorción del vidrio. Por ejemplo, los vidriosque contienen óxido de hierro, que bajo la forma ferrosa determina unafuerte absorción en la zona infrarroja, transmiten peor el calor radianteque los vidrios incoloros. Este mecanismo es de la máxima importancia enel calentamiento de las capas de vidrio más profundas de los hornosbalsa. 10.4.3.- Coeficiente de dilatación lineal , α . La dilatación que experimentan la mayoría de los materiales por accióndel calor es una consecuencia del incremento de su energía interna, quedetermina una mayor amplitud de las vibraciones térmicas moleculares y,por lo tanto, un mayor distanciamiento entre sus constituyentesestructurales. Este aumento dimensional viene dado para cada material porun factor característico dependiente de la temperatura, denominadocoeficiente de dilatación. Este puede referirse al volumen (coeficientede dilatación cúbica, β), a la superficie (coeficiente de dilataciónsuperficial, γ) o a una sola dimensión (coeficiente de dilatación lineal,α). Cuando la temperatura de un cuerpo sólido se eleve desde un valor T hastaotro T + ∆ T, su longitud L0 sufrirá un alargamiento ∆ L dado por laexpresión: L = L0 (1 + α∆ T) , ∆ L = L0α∆ T y el coeficiente de dilatación medio entre ambastemperaturas viene dado por la relación:

α= 1 ∆L (10.4.3.1)

L0 ∆T y puede definirse como el alargamiento experimentado por la unidad de 89

longitud al elevarse su temperatura un grado. Sus unidades son en K-1 .Congran aproximación se cumple que β = 3α y γ = 2α. En la práctica seacostumbra, por su mayor sencillez, a determinar experimentalmente elcoeficiente de dilatación lineal, y es su valor el que suele tomarse comoreferencia para caracterizar a los materiales en este aspecto. Dado que el coeficiente de dilatación varía con la temperatura, su valorreal a una temperatura determinada se calcula en función de la pendientede la curva de dilatación térmica en ese punto:

α= 1 dL (10.4.3.2) L dT0

Por la misma razón, cuando se toma un valor medio de α, deben indicarsemediante subíndices las dos temperaturas que limiten el intervalo en quese haya medido; por ejemplo, α20-400. Los sólidos cristalinos no pertenecientes al sistema regular presentandiferentes coeficientes de dilatación según las direcciones de los ejescristalográficos. En cambio, en los cuerpos isótropos, como los vidriosideales, su valor se mantiene constante, cualquiera que sea la direcciónen que se mida. La variación dimensional de un material en función de la temperaturadiscurre de un modo continuo en tanto no se produzcan cambiosestructurales; pero, si durante su calentamiento tiene lugar algunatransformación (modificaciones polimórficas, cristalización odesvitrificación, puntos de transición, etc.), esta se manifiesta en lacurva dilatométrica por una discontinuidad, tanto mas pronunciada cuantomas profunda sea aquella. El coeficiente de dilatación es una de las características de mayorimportancia tecnológica de los vidrios, que influye sobre algunas de suspropiedades (resistencia al choque térmico), limita su utilización paraciertas aplicaciones (fabricación de termómetros, sistemas ópticos,uniones vidrio-vidrio o vidrio con otros materiales) y condiciona eldesarrollo de ciertas etapas del proceso de fabricación (recocido, 90

tensionado, etc.). El comportamiento dilatométrico de los vidrios dependefundamentalmente de su composición y de su historia térmica. Para el vidrio, en el intervalo de 20 a 200° C, el coeficiente dedilatación 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 unadilatación 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 dedilatación de algunos vidrios.

Tabla 10.4.3.1.- Coeficiente de dilatación α y temperatura detransformación de algunos vidrios.

10.4.4.- Resistencia al choque térmico. El comportamiento del vidrio frente a los cambios bruscos de temperaturaes una propiedad que depende de varios factores. Cuando una pieza devidrio se somete a un enfriamiento rápido desde una temperatura inferiora la de recocido, su baja conductividad térmica impide que el calor sedisipe uniformemente y así se establece un gradiente de temperatura.Entre las capas de vidrio de la superficie, que se enfrían antes y, porlo tanto, contraen más aprisa, y las del interior, se establecentensiones de tracción cuya magnitud depende principalmente de la

91

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

∆T = 2σ µt (1− ) (10.4.4.1)αE

en la que σt representa la resistencia a la tracción , µ la constantede Poisson, α el coeficiente de dilatación térmica lineal y E elmódulo de elasticidad. Admitiendo que entre la resistencia a la traccióny la resistencia a la flexión se cumple aproximadamente la relación: σf =2 σt (10.4.4.2) puede escribirse:

σ µf (1−)

∆T = αE

(10.4.4.3)

También se acostumbra a expresar la resistencia al choque térmicomediante un coeficiente K cuyo valor se calcula a partir de la fórmulade Winkelmann:

σf λ K = f(10.4.4.4) αE cρ siendo f un factor de forma, k la conductividad térmica, c el calorespecífico y ρ la densidad. Cuanto mayor sea el valor de K mayor será laresistencia al choque térmico. De todas las magnitudes que figuran en la expresión anterior, elcoeficiente 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 lotanto, el que tiene mayor influencia sobre la resistencia al choque 92

térmico. La resistencia de una pieza de vidrio a los cambios bruscos detemperatura puede calcularse indirectamente mediante una de las fórmulasanteriores, a partir de las magnitudes que figuran en ellas. En lapráctica, sin embargo, se suele recurrir a métodos directos, en los quelas piezas a ensayar, una vez estabilizada su temperatura, se introducen,bajo condiciones determinadas, en un baño de agua mantenido a unatemperatura inferior. De esta manera se determina la diferencia máxima detemperatura que pueden soportar sin romperse ni agrietarse. Es del ordende 60° C (resiste más el choque "calor-frío" que al contrario). Paraproductos templados: 240° C. 10.5.- Propiedades eléctricas. Conductividad eléctrica. Dieléctrico de primer orden, adquiriendo múltiples aplicaciones en esteaspecto, 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 temperaturaemite una radiación cuyo máximo se encuentra en una longitud de onda de500 nanómetros (zona central de la radiación visible). Esta radiación esparcialmente absorbida al atravesar la atmósfera terrestre. La distribución de energía en la superficie de la Tierra se detalla en lagrafica de la figura 10.6.1.1.

93

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 aluz 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 queatraviesa, sufre una absorción por efecto de la masa que recorre y,finalmente, tras desviarse de su dirección de incidencia por efecto de larefracción, emerge con una velocidad inferior a la inicial, cumpliéndoseque la suma de las intensidades de la radiación reflejada IR, absorbidaIA y transmitida IT, es igual a la intensidad de la radiación incidente:

IR + + =IA ITI0 (10.6.1.1)

Figura 10.6.1.2.- Comportamiento de un haz luminoso al incidir sobre unasuperficie plana transparente. 10.6.2.- Reflexión. La reflexión se produce siempre que existe un cambio de medio, lacantidad de luz reflejada depende del ángulo de incidencia y de losíndices de refracción de los dos medios La parte de la radiación que serefleja al incidir sobre una superficie pulida de vidrio transparente 94

sigue las leyes generales de la reflexión. La relación entre laintensidad del haz reflejado IR y la del haz incidente I0 se denominareflectancia:

R = IR (10.6.2.1) I0

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

R = n1+−n2 2

(10.6.2.2) n1 n2

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

R = n −+11

2 (10.6.2.3)

n Si el haz incide oblicuamente, el valor de R depende del ángulo deincidencia θ0 y del ángulo de refracción θ. La intensidad de luzreflejada viene dada por la expresión general:

I sen2(θθ− )tg2(θθ− )

I = 0 0 + 0 (10.6.2.4)

R = IR 2 sen2(θθ+ 0)tg2(θθ+ 0)

n −12

No obstante, la expresión R = n +1 puede aplicarse con validez hasta

95

ángulos de incidencia de 20º. De acuerdo con tal expresión, la pérdida por reflexión que sufre un hazde luz cuando incide sobre un vidrio ordinario de índice de refracción n= 1.5 es de:

(1.5−1)2

= 0.04 (1.5+1)2

por cada cara, es decir, cada vez que el haz luminoso atraviesa unasuperficie límite vidrio - aire, su intensidad se reduce en un 4 %. Porlo tanto, en un vidrio ordinario la intensidad luminosa, después de laincidencia sobre la primera cara, quedará reducida al 96 % y alatravesar la segunda cara volverá a disminuir en un 0.04 del 96 %,quedando reducida a un 92.16 %. Así, pues, de un modo general (Figura 10.6.2.1), la intensidad del hazdespués de su reflexión en la primera cara del vidrio, se reduce a:

I1 = −

I0 I R

0 (10.6.2.5) Teniendo en cuenta que en su recorrido a través del vidrio el haz tambiénexperimenta una absorción, la intensidad con que llega al punto 2 de lasegunda cara límite es:

I1 = −(I0 I R e0 ) −εcd

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

I3 =(I0 −I R e0 ) −εcd −(I0 −I R e0 ) −εcdR = I0(1−R)2e−εcd (10.6.2.7)

Para disminuir las pérdidas de luz por reflexión se recurre a recubrir lasuperficie del vidrio por una delgada película de un material que tengaun índice de refracción menor que el del vidrio y un espesor tal que 96

permita producir una interferencia entre los rayos luminosos reflejadospor el vidrio y los reflejados por la película aplicada, disminuyendo asíla 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 unaplaca de vidrio.

La reflexión mínima se consigue cuando las intensidades de la luzreflejada 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 airen0 igual a la unidad, resulta:

nP = (10.6.2.9)

y cuando:

εP = (10.6.2.10) siendo nP el índice de refracción de la película depositada, nV el delvidrio, eP el espesor de la capa y λ la longitud de onda de la luzempleada. En la práctica estos recubrimientos se suelen realizar por deposición en 97

Vn

vacío de películas delgadas de MgF2, CaF2, SiO2, etc. con un espesor de140 nm. Un efecto análogo puede conseguirse por extracción de los álcalisdel vidrio en la misma profundidad. 10.6.3.- Refracción. Cuando un haz luminoso pasa del aire al vidrio y, en general, siempre quepase de un medio a otro ópticamente más denso, sufre una desviación en sutrayectoria acercándose a la normal y cumpliéndose que: seni n =

(10.6.3.1) senr llamando n al índice de refracción, i al ángulo de incidencia y r alángulo de refracción. Unicamente en el caso de que el haz incidaperpendicularmente a la superficie no se desviará. Si, por el contrario, el haz emerge del vidrio al aire, se desvíaalejándose de la normal. La emergencia del rayo será posible siempre quesu incidencia sobre la superficie de separación de ambos medios seproduzca con una inclinación inferior a un valor determinado, denominadoángulo límite. Para este valor el haz emerge formando un ángulo de 90°con la normal, o sea, de forma rasante a la superficie, pero, bajocualquier incidencia superior, no tiene lugar su emergencia, pues seproduce su reflexión total. El valor del ángulo límite varía con el índice de refracción del mediosegún la relación:

1senr = (10.6.3.2)

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

98

n = c0

(10.6.3.3) c

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 propagaciónaumenta y el índice de refracción disminuye. Por esta razón, el índice derefracción debe referirse siempre a una longitud de onda determinada. Desde el punto de vista óptico, se acostumbra a caracterizar los vidriospor su índice de refracción referido a las radiaciones correspondientes alíneas espectrales bien definidas. Convencionalmente se han tomado como referencia las radiaciones cuyaslongitudes de onda se indican a continuación: -λF = 486.1 nm (línea Hβo F azul del espectro del hidrógeno) - λD =589.3 nm (línea media amarilla del espectro del sodio)

-λC = 656.3 nm (línea Hα o C roja del espectro del hidrógeno) Los respectivos índices de refracción correspondientes a estas líneas sedesignan por nF, nD y nC. Modernamente se ha acordado tomar como referencia las longitudes de ondacorrespondientes a las siguientes líneas espectrales. -λF = 479.99 (línea azul del espectro del cadmio) -λe = 546.07 (línea verde del espectro del mercurio) -λC = 643.85 (línea roja del espectro del cadmio) Sus índices de refracción se designan por nF, ne y nC , respectivamente.Como índice de refracción principal se toma nD o modernamente ne. 10.6.4.- Absorción. La absorción es la parte de la luz incidente que se convierte en energía

99

térmica dentro del material. La absorción óptica del vidrio se producecomo resultado de la interacción de sus componentes con la radiación queincide sobre él. Del amplio espectro que abarca la radiaciónelectromagnética (Figura 10.6.4.1) sólo capítulo el pequeño intervalo quecomprende la zona visible, la ultravioleta y la infrarroja próxima. Cuando un material se somete a la acción de una radiaciónelectromagnética, puede absorber parte de su energía que transformageneralmente en calor. El aumento que experimenta en su contenidoenergético puede expresarse de un modo sencillo en primera aproximaciónpor la suma de las variaciones de la energía electrónica, de vibración yde rotación:

∆ =∆hν Eelec +∆Evibra +∆Erot (10.6.4.1)

Figura 10.6.4.1.- Espectro continuo de radiaciónelectromagnética.

La absorción óptica es una función del espesor d de la muestra, de laconcentración c de la sustancia absorbente y del coeficiente de extinciónmolar e, que es una magnitud característica que depende de la composicióndel vidrio, de la temperatura a la que se efectúe su medida y de lalongitud de onda empleada. Llamando I0 a la intensidad de la radiación incidente e I a la de laradiación transmitida por el medio absorbente se cumple:

I = I e0 −εcd (10.6.4.2)

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

100

escribirse:

I = I0(1− R)2 e−εcd (10.6.4.3) La relación

T = I (10.6.4.4) I0

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

A = Ln I0 =εcd (10.6.4.5) I

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

D = Log I0 = εcd (10.6.4.6) I 2.303

Estas magnitudes dependen del espesor de la muestra y de la concentraciónde 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 Cr2O3. Por eso, para caracterizar mejor, conindependencia de tales variables, el comportamiento de absorción ópticadel vidrio debe recurrirse preferentemente a la determinación de laabsortividad:

a = A (10.6.4.7) d

que constituye una característica propia del vidrio independiente de suespesor, o bien al cálculo de su coeficiente de extinción o de absorciónmolar, llamado también absortividad molar:

ε= A (10.6.4.8) cd

101

que para un mismo vidrio es una característica específica de los ionesabsorbentes, independiente de su concentración y del espesor de lamuestra (Figura 10.6.4.2.b). La absorción óptica de los vidrios debe representarse, por lo tanto, comola variación espectral continua de e en función de la longitud de onda dela radiación. No obstante, en muchos casos, se hace uso de los espectrosde transmitancia, en los que es necesario hacer constar el espesor de lamuestra y la concentración de absorbente. Para ciertos fines es conveniente expresar la radiación en número deondas (cm-1) o en términos de energía, referidos a eV o a erg. Laequivalencia 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 silicatosodico - cálcico ordinario con 0.13 %e Cr2O3. Izquierda:curvas de transmitancia para diferentes espesores. Derecha:curva de variación del coeficiente deextinción molar.

102

Para describir el comportamiento óptico de un acristalamiento se utilizanlos siguientes parámetros: Factor de transmisión luminosa o Transmisión Luminosa (TL): Haz luminosotransmitido a través del cristal con relación al haz luminoso incidenteexpresado por la norma CIE D65, cuya densidad espectral varía de 380 nm a780 nm. Factor de reflexión luminosa o Reflexión Luminosa (RL): Haz luminosoreflejado por el cristal con relación al haz luminoso incidente por lanorma 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 solartransmitido directamente a través del cristal sin variar la longitud deonda, es decir el tanto por ciento de la energía solar que atraviesa elvidrio en relación a la energía solar incidente. Reflexión Energética (RE): Fracción del haz energético solar reflejadopor el cristal Absorción Energética (AE): Fracción del haz energético solar absorbidopor los cristales que forman el muro acristalado. Esta absorción porparte del vidrio repercute en un aumento de su temperatura y en lareemisión de la energía absorbida, queserá automáticamente reflejadahacia el exterior y el interior en cantidades variables que dependerán delas características de los cristales (tratamiento del vidrio), de lavelocidad del aire en el interior o en el exterior, así como de lastemperaturas externa e interna (condiciones ambientales). Factor solar (FS) o transmisión energética solar: El factor solar es larelación entre la cantidad energética solar total que entra en eledificio a través del acristalamiento y la cantidad energética solarincidente. Esta energía total es la suma de la energía que entra por transmisióndirecta (TED) y la energía cedida por los cristales del ambiente interior(factor de reemisión térmica hacia el interior) una vez calentado por laabsorción energética (AE). La reemisión térmica consiste entransferencias térmicas por convección y por radiación en el infrarrojolejano de la parte de radiación solar incidente que es absorbida por elvidrio Estos cálculos se basan en los criterios siguientes: 103

1.- Posición de la luz solar a 30º por encima del horizonte en un planoperpendicular a la fachada; 2.- Temperatura ambiente igual a la temperatura ambiente exterior; 3.- Coeficiente de intercambio térmico superficial:

W- interior: 8 2

m .K W- exterior: 23 2

m .K En la figura 10.6.4.3 se clarifican los conceptos de distribuciónenergética anteriores. Coeficiente “ Shading” (SC)

El coeficiente “ Shading” puede encontrarse directamente en lastablas de energía calculadas para el acondicionamiento de aire.Se obtiene un coeficiente dividiendo el factor solar pro 0.87 quees 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.

104

Figura 10.6.4.2.- Comportamiento de la energía solar incidente

sobre un vidrio.

105

10. 7.- Estabilidad química .

10.7. 1.- Resistencia al agua . El agua ataca al vidrio disolviendo algunos de sus componentes lo que semanifiesta por pequeñas perdidas de masa. La intensidad del ataquedepende de varios factores: la temperatura, el tiempo de contacto, lacomposición del vidrio, la agitación y el estado de la superficie. Atemperatura ambiente el ataque es insignificante, la perdida de masadespués de estar sumergido durante horas es prácticamente inapreciable.AI aumentar la temperatura, la intensidad del ataque creceexponencialmente 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 laaparición en su superficie de manchas y desescamaciones. El principalresponsable de dicho ataque es el agua contenida en la atmósfera que secondensa frecuentemente sobre la superficie fría del vidrio. Esta pequeñacantidad de agua superficial es mas peligrosa que gran cantidad de aguafluyendo ya que da lugar a una disolución concentrada de NaOH que atacaal vidrio. Resulta por consiguiente aconsejable evitar en lo posible lacondensación. Teóricamente, tan sólo el HF le ataca y disuelve con producción de

106

fluoruros. No obstante, los vidrios comunes en caliente y con el concursode la humedad y del CO2 atmosférico, pueden ser atacados por las bases ylos ácidos minerales enérgicos, como sucede en algunos locales dehigiene, establo, estercoleros e instalaciones de tratamientos de basurasy aguas residuales. En todo caso, la resistencia química es proporcionalal contenido de SiO2 e inversa a los álcalis sodio y potasio, siendoéstos más resistentes que los sódicos.

10.8. .- Propiedades acústicas . El aislamiento acústico total de una pared es prácticamente igual alproporcionado por la parte peor aislada de la misma. Las ventanas suelenconstituir el punto débil en la atenuación acústica de un cerramiento. Elruido pasa a través de una ventana por diferentes caminos, la falta deaislamiento en uno de estos caminos hace prácticamente inútiles las demássoluciones. En general cuanto más grueso es el vidrio mayor atenuación proporciona,sin embargo si se duplica el espesor solamente se ganan 4 dB deatenuación. Otro de los inconvenientes del vidrio es que con losespesores normalmente utilizados posee una frecuencia de resonancia quecae dentro de la banda audible, lo que puede disminuir su eficacia comoaislante. Los valores del aislamiento de una ventana se deben determinar medianteensayo. Sin embargo, se pueden estimar estos aislamientos en función deltipo de acristalamiento y de la clase de carpintería según la normabásica 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 deacristalamiento: R < 15 dB(A) C.- Ventanas de carpintería clase A - 2 y acristalamiento de una o doshojas separadas por cámara de aire: 107

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 deaire interior sea igual o inferior a 15 mm e = Suma de los espesores delas hojas, cuando sean dos y la cámara de aire interior sea mayor de 15mm. D.- Ventanas de carpintería clase A - 2 y acristalamiento laminarconstituido por hasta 4 laminas de vidrio, de espesor no superior a 8mm cada una, unidas por capas adhesivas plásticas de espesor superior a0.4 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 doshojas separadas por cámara de aire:

R = 13.3 log e + 19.5 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 deaire interior sea igual o inferior a 15 mm e = Suma de los espesores delas hojas, cuando sean dos y la cámara de aire interior sea mayor de 15mm. F.- Ventanas de carpintería clase A - 3 y acristalamiento laminarconstituido por hasta 4 laminas de vidrio, de espesor no superior a 8 mmcada una, unidas por capas adhesivas plásticas de espesor superior a 0.4mm.

R = 13.3log e + 22.5 en dB(A) donde e es el espesor total del acristalamiento. 11.- Transformaciones del vidrio. 11.1. Tipos de cantos. Durante el proceso de corte, los vidrios son rayados en su superficie

108

mediante una herramienta cuyo punto de contacto con el vidrio tiene unadureza superior a este, a continuación se ejerce una presión sobre lazona rayada anteriormente y el vidrio parte por esa zona de formaregular, una vez realizada esta operación en los bordes de los vidrios sehan producido unas pequeñas fisuras que pueden ser el origen de roturaspor choque térmico sobre todo si se trata de vidrios absorbentes. Las recomendaciones de los profesionales del vidrio es tratar de eliminaresas fisuras mediante un pulido industrial sobre los bordes de losvidrios. Esta operación supone un costo adicional del producto, peroaumenta su resistencia mecánica y se gana en seguridad tanto para losmanipuladores e instaladores de los vidrios como las personas ajenas aestos. 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 suresistencia mecánica. La resistencia de una pieza de vidrio puedeaumentarse introduciendo de forma intencionada tensiones residualessuperficiales de compresión. Los principales métodos de reforzamientomecánico 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 formaindustrial se obtiene mediante un tratamiento térmico denominado templetérmico del vidrio. En este proceso las piezas de vidrio, deben tener suforma definitiva antes de entrar en el horno de temple, puesto que unavez templadas, no se puede realizar ninguna manufactura sobre ellas. 109

En esta técnica, la pieza de vidrio se calienta hasta una temperaturasuperior a la temperatura de transición vítrea, aunque inferior a latemperatura de ablandamiento. A continuación se enfrían bruscamente, bienpor inmersión en un baño de sales fundidas, de aceite o de siliconas o,lo que es mucho más frecuente, haciendo incidir sobre su superficiemultitud de chorros de aire frío. Durante dicho enfriamiento apresurado, y debido a la baja conductividadtérmica del vidrio, se originan tensiones residuales debido a lasdiferencias en las velocidades de enfriamiento de las regionessuperficiales y de las regiones del interior, pues la disipación térmicano tiene lugar con la misma velocidad en toda la masa, sino que seestablece un gradiente temperatura desde el centro de la pieza hacia susuperficie. Las capas exteriores, que enfrían más de prisa, alcanzan surigidez y contraen antes que las interiores todavía calientes y enestado plástico. Inicialmente, la superficie se enfría más rápidamente y, una vez quealcanza una temperatura inferior al punto de deformación, adquiererigidez. En este momento, el interior, al enfriarse más lentamente, estáa una temperatura superior (superior al punto de deformación) y, portanto, todavía es plástica. Al continuar el enfriamiento, el interior intenta contraerse en un gradomayor que el que ahora le permite la superficie rígida exterior, queimpide que aquella contraiga en la medida que debería. Así, el interiortiende a tirar hacia dentro de la parte exterior, o bien a imponertensiones radiales hacia el interior. Como consecuencia, la superficiedel vidrio queda sometida a fuerzas de compresión, dirigidasparalelamente a ella, y el interior, a fuerzas de tracción, cuyasintensidades varían de acuerdo con un gradiente análogo al gradientetérmico que se estableció en el momento de su enfriamiento, como muestrala figura 11.2.1.1. La magnitud de las tensiones generadas será tanto mayor cuanto mayor seael gradiente térmico inicial (es decir, cuanto más elevada sea latemperatura de calentamiento (Figura 11.2.1.2), más baja sea la deenfriamiento, mayor sea el espesor del vidrio y menor su conductividadtérmica) y cuanto más alto sea su coeficiente de dilatación. De este modo, la superficie queda sometida a fuerzas de compresión y elinterior a fuerzas de tracción, cuyas intensidades varían de acuerdo con 110

el gradiente térmico que se estableció en el momento de su enfriamiento.Estas tensiones originan ciertas deformaciones en los vidrios que puedenser origen de distorsiones ópticas. La elección de las dimensiones de losvidrios 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.

111

Figura 11.2.1.2.- Diagramas de distribución de tensiones en un vidrio

para diferentes tiempos de tratamiento de temple, partiendode distintas temperaturas iniciales y de un espesor fijo de0.61 cm.

11.2.2.- Temple químico. El temple químico consiste en la generación de tensiones de compresiónproducidas por una modificación superficial de la composición química delvidrio. Los diferentes procedimientos empleados para esta finalidadpueden 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 ala de relajación del vidrio. Durante el enfriamiento del conjunto elinterior contrae en mayor medida que la superficie y ésta queda sometidaa compresión. Este resultado puede conseguirse de varias maneras. Recubrimiento del vidrio por otro de menor coeficiente de dilatación. 112

La idea básica es sencilla y está fundada en el mismo principio que seaplica en los vidriados cerámicos y en los esmaltes sobre metal. Estetipo de vidrio doble fue desarrollado por Schott en 1891. Su aplicaciónpráctica presenta ciertas dificultades de ejecución, ya que lascomposiciones de menor coeficiente de dilatación suelen tener mayortemperatura de reblandecimiento y el calentamiento al que hay que someterlas piezas puede originar deformaciones del vidrio base. Desalcalinización superficial del vidrio. Cuando el vidrio se calienta en una atmósfera húmeda de SO3, tiene lugaruna extracción de los iones alcalinos de la superficie por un proceso deintercambio con los iones hidrógeno del vapor de agua y se forman gruposOH-. En una fase posterior se produce una deshidratación a expensas dedichos grupos, que lleva consigo el establecimiento de oxígenos puente yla creación de una película superficial de bajo coeficiente de dilataciónenriquecida en sílice. Este tratamiento ofrece mayores ventajas en cuantoal mejoramiento de la resistencia química del vidrio que desde el puntode vista mecánico, pues las capas de sílice que se obtienen son demasiadodelgadas para defender el material de las acciones abrasivas a las que hade enfrentarse durante su uso. Intercambio de iones sodio por iones litio. La idea del reemplazamiento de iones alcalinos de la superficie delvidrio por otros de menor tamaño se debe a Hood y Slookey. El intercambiode ambos iones se realiza por inmersión del vidrio en una sal de litiofundida, a una temperatura superior a la de relajación, hasta obtener ungradiente de difusión del espesor deseado. Como la capa creada por lapenetración de los iones litio tiene menor coeficiente de dilatación queel resto del vidrio, durante el enfriamiento se produce una contraccióndiferencial que genera tensiones de compresión en la superficie. Por esteprocedimiento se han llegado a obtener en vidrios de silicoaluminato

MNresistencias de unos 500 2 . Estos valores muy satisfactorios fueron el punto de partida para el desarrollo

mde otra técnica de cambio iónico: la desvitrificación superficial. Desvitrificación superficial. 113

Sometiendo el vidrio a una desvitrificación superficial controlada, queconduzca a la formación de fases cristalinas de menor coeficiente dedilatación que el del vidrio, se pueden conseguir resultados análogos osuperiores a los indicados en el apartado anterior. Este método ha sidoempleado con particular éxito en vidrios de silicoaluminato de litio, enlos que la cristalización superficial de β-espodumena y de β-eucriptita,con coeficientes de dilatación prácticamente nulos, han permitidoconseguir, con espesores de capa de 60 a

80 µm, módulos de rotura de 700 a 800 MN2 .

m Como variante de este procedimiento se han empleado como material departida vidrios de silicoaluminato sódico o de composiciones mixtas desodio y litio, que han sido sometidos a un intercambio iónico porinmersión en sulfato de litio fundido. Simultáneamente al proceso decambio se produce en la capa cambiada la desvitrificación superficial conformación 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 desus limitaciones, ofrece mayor interés práctico. Las capas tensionadas seforman en este caso por sustitución de iones alcalinos de la superficiepor otros más voluminosos que entran forzadamente en los huecosreticulares que dejan vacantes los iones salientes y producen unacompresión reticular superficial. A diferencia de los métodos anteriores,el proceso de cambio tiene que realizarse en este caso a temperaturasinferiores a la de transformación del vidrio, ya que, si no, los nuevosiones se acomodarían sin dificultad y no se crearían tensiones de ningúntipo. La efectividad del reforzamiento depende del espesor de capa, de latensión generada por el cambio de volumen iónico y de la relajación delas tensiones producidas. La rotura de los materiales cerámicos casi siempre se origina a partir deuna 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 latensión aplicada debe ser suficientemente grande para, en primer lugar,superar los esfuerzos residuales de compresión y además tensionarsuficientemente la superficie para iniciar una grieta, la cual entoncespuede propagarse. Para un vidrio no templado, la grieta se originara auna tensión inferior y, por consiguiente, la resistencia será menor. 114

El vidrio templado se utiliza en aquellas aplicaciones para las cuales sedesea una alta resistencia, lo cual incluye a puertas grandes, parabrisasde automóvil y lentes. El templado completo da una mejor resistencia mecánica y hace del vidrioun producto de seguridad, puesto que en caso de rotura, los trozos sonmuy pequeños y los riesgos de producir accidentes son prácticamentenulos. En la figura 11.2.2.1 se puede ver el esquema de fragmentación delvidrio.

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 de8 mm. de espesor resiste el impacto de una bola de acero de 500 gr. depeso, dejada caer de una altura de 2 m. sin velocidad inicial, estando laluna templada apoyada en dos listones separados 1 m. La misma bola,dejada caer desde 30 cm. de altura, rompe una luna pulida del mismoespesor. 115

- Mayor resistencia a la compresión . La luna templada ofrece unaresistencia a la compresión equivalente a la del acero de fundición. - Mayor resistencia a la flexión . El módulo de trabajo a flexión es de50 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. Los vidrios templados, tanto claros como de colores, no presentandiferencias externas apreciables en relación con los simples o recocidoscorrientes, pero no pueden ser cortados, taladrados ni trabajados despuésde su temple, por lo que es preciso encargarlos al taller a medida exactay con las perforaciones, ranuras o rebajas requeridas. Las patentes másconocidas son: SECURIT, DURLUX, CLARIT,... 11.3.- Vidrios termoendurecidos . Los vidrios termoendurecidos nos Ilevan a un reforzamiento de laresistencia mecánica, pero estos no se consideran un producto deseguridad, ya que en caso de rotura los trozos son de una gran dimensióny pueden ocasionar accidentes. El proceso de fabricación es similar al del vidrio templado, pero varíala forma de enfriamiento. En los vidrios termoendurecidos, elenfriamiento es mucho más lento, por lo que las tensiones superficialesson inferiores y por tanto tienen una resistencia mecánica mas baja. 11.4.- Vidrio laminado (Figura 11.4.1). El vidrio laminado esta compuesto por dos o más vidrios simples unidospor medio de láminas de butiral de polivinilo (un material plástico conmuy buenas cualidades de adherencia, elasticidad, transparencia yresistencia). La característica mas sobresaliente del vidrio laminado essu resistencia a la penetración, por lo que resulta especialmenteindicado para la protección de personas y bienes. El tipo laminar más sencillo está compuesto por dos hojas de vidrio planocorriente fuertemente adheridas por intermedio de un plásticotransparente; aumentando el número de hojas de una y otra clase, puedenobtenerse vidrios blindados, resistentes al impacto de armas de fuegoligeras En caso de rotura los fragmentos de vidrio quedan adheridos a la láminade butiral, con lo que se reduce el riesgo de accidente. La presencia del 116

butiral mejora también las propiedades acústicas, ya que disminuye elfenómeno de resonancia. También se usa el vidrio laminado como proteccióncontra la radiación ultravioleta, ya que dicha radiación es absorbida porel butiral. 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 vidriosen milímetros seguidos del número de láminas de butiral deseadas. Así unvidrio 64-2 está compuesto por dos hojas de vidrio de 6 y 4 mm de espesorpegadas mediante una lámina de butiral de 2x0.38 = 0.76 mm.

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

Estos vidrios, pueden ser manipulados como los corrientes, pudiendocortarse, taladrarse, biselarse, grabarse o delustrarse. Las patentes másconocidas son: DUPLEX, VITROLES, TRIPLEX, PREVENTOR, SALVAVIDAS, etc. Aparte de sus ventajas, estos vidrios tienden a ser reemplazadostotalmente por los vidrios templados de lámina única En la figura 11.4.2 se muestra el estado tensional de los vidriostemplados termica y químicamente y de los vidrios laminares.

117

Figura 11.4.2.- Estado tensional de los vidrios templados termica yquímicamente y de los vidrios laminares. 11.5.- Vidrio coloreado en masa. Es un vidrio en el cual, durante el proceso de fabricación, se le hanañadido óxidos metálicos que le dan un color característico con elconsiguiente aumento de la absorción. El vidrio coloreado se utilizafundamentalmente como protección solar. Debido a la gran absorción deenergía solar, es necesario el templado para evitar la rotura por choquetérmico. Los cristales de color pueden encontrarse en bronce o en gris, variandola intensidad del mismo según el espesor del vidrio. Armoniza fácilmentecon el conjunto de materiales utilizados en las fachadas de los edificiosmodernos, 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 tiposde vidrios brindan la posibilidad de tener un gran control sobre latransmisión de luz y de energía, así como conseguir diferentes aspectosestéticos.

Con los recubrimientos se obtienen los vidrios reflectivos, con los quese podrá disfrutar de una óptima transmisión de la luz diurna, sindesagradables deslumbramientos ni fatiga visual. Al mismo tiempo permiteuna mayor intimidad evitando que se pueda observar desde el exterior.

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Zona en compresión

Zona en compresiónZona en extensión N / mm100 2

200 N / mm2TEMPLE TERMICO

Zona en compresión

Zona en compresión25 N / mm2

1.000 N / mm2TEMPLE QUIMICO Zona en extensión

VIDRIO LAMINAR

Film de PVB transparente

Zonas en extensión

Superficies en compresión< 40 N / mm2

Los vidrios reflectivos retienen hasta aun 94% de los rayosultravioletas nocivos, evitando la decoloración y el deterioro de losproductos plásticos, sin que pueda afectar el crecimiento de las plantas.Además, la absorción de energía se reduce al mínimo. La función básica del vidrio reflectivo y cristal de color, bronce o grises 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, esdeseable limitar buena parte de la energía radiante solar. Los vidrioscon multicapas metálicas son la solución ideal para este propósito.También se pueden combinar estos recubrimientos con vidrio coloreados enmasa, lo que provoca que el color en reflexión cambie, dándose así unamplio rango de colores y propiedades de protección solar. Una clase especial de vidrios con una fina capa de óxidos metálicos, degran resistencia que le permite ser utilizado como cristal monolítico oen doble carpintería, la constituyen los vidrios de baja emisividad enlos que la capa metálica es prácticamente transparente a la radiaciónsolar visible, reflejando en cambio la radiación del infrarrojo. Estacaracterística permite una reducción importante de la ganancia solar, ala vez que mantiene un alto coeficiente de transmisión luminosa. Comocristal aislante puede conseguir valores del coeficientes kparticularmente favorables. Aunque la principal función de este tipo de vidrio es el control solar,después de su tratamiento o ensamblaje en doble acristalamiento, puedeconvertirse en un producto multifunción que ofrecerá, según lasnecesidades, funciones de aislamiento térmico reforzado, aislamientoacústico, seguridad y protección contra incendios. Los procesos de metalización son: Plateado. Este procedimiento es el más generalizado. Su técnica sefundamente en la calidad que tienen las sales de plata de precipitar, enpresencia de ciertos elementos reductores, una película metálicahomogénea, constituida por cristales microscópicos que, en conjunto,forman una superficie brillante de gran poder reflectante. La película deplata es protegida con barnices especiales y algunas veces por una capade cobre (generalmente por galvanoplastia). Las cualidades de estos elementos protectores deben responder a lasexigencias siguientes: 119

- Resistencia mecánica y química (rayas y ataques químicos producidospor agentes atmosféricos). - Impermeabilidad a los líquidos (particularmente agua) y a los gases. Las pinturas de protección suelen estar constituidas a base de gomadammar, betún de Judea o minio, como componentes principales. Actualmentese 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 bajatemperatura, por lo que no afecta a la planimetría del vidrio. Ejemplo deeste proceso es la pulverización catódica al vacío de una capa de óxidosmetálicos o la deposición catódica al vacío de varias capas de metalessobre un vidrio incoloro o sobre un vidrio de color. Pirólisis a muy alta temperatura, lo que confiere a la capa unaresistencia extrema y una gran estabilidad en el tiempo. La capa, que deesta forma se integra completamente en el vidrio, confiere al vidrio sucaracterística estética y sus propiedades de control solar, pudiendocolocarse en la cara exterior (cara 1) o en la interior (cara 2).

Gracias al duro revestimiento pirolítico, ofrecen una excepcionalresistencia a las condiciones más severas del entorno como: cambiosbruscos de temperatura, contaminación química y corrosión, garantizandotambién una gran estabilidad en el tiempo tanto en su aspecto como en sueficiencia. Metalización en vacío. Esta técnica consiste en la obtención de una capareflectante obtenida por vacío. Este sistema se utiliza principalmentepara la fabricación de lámparas. Otros procesos de metalización. Se pueden obtener por vía química,espejos con otros materiales, como son el cobre, oro (descomposición decloruro 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 delacristalamiento, se obtiene un abanico de posibilidades que dan respuestaa cada necesidad específica. En la tabla 11.6.1 se dan la espectrofotometría y las propiedadestérmicas 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

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SGG CLIMALIT CONTROL SOLAR. Tabla 11.6.1.- Espectrofotometría y las propiedades térmicas del vidrio decontrol solar SGG ANTELIO.

Tabla 11.6.2.- Espectrofotometría y las propiedades térmicas del vidrio decontrol solar SGG ANTELIO-

DOBLE ACRISTALAMIENTO SGG CLIMALIT CONTROL SOLAR.

SGGANTELIO - DOBLE ACRISTALAMIENTO SGG CLIMALIT CONTROL SOLAR 6 (12) 6CON SGGPLANILUX COMO VIDRIO INTERIOR

VIDRIO EXTERIOR CARA Tl %

RlE%

RlI % TUV % Te

% ReE%

Ae1%

Ae2%

g EN410

g ISO9050 M1(DIN)

SC

U -AIREW/(m².K)

SGG ANTELIO PLATA

1 61 35 33 24 52 28 12 8 0.59 0.59 0.68 2.8

2 61 35 33 24 52 26 13 9 0.59 0.59 0.68 2.8

SGG ANTELIOINCOLORO

1 42 34 29 14 41 28 24 7 0.49 0.49 0.56 2.8

2 43 28 34 14 41 21 31 7 0.50 0.50 0.57 2.8

SGG ANTELIOESMERALDA

1 49 32 25 9 28 24 45 3 0.36 0.35 0.41 2.8

2 49 24 32 9 29 13 55 3 0.37 0.37 0.43 2.8

SGG ANTELIOHABANA

1 22 34 17 4 24 27 45 4 0.32 0.33 0.37 2.8

2 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 decontrol solar SGG ANTELIO. 121

Figura 11.6.1.- Fachadas realizadas con vidrio de control solar SGG

ANTELIO. Los vidrios coloreados de control solar se destinan a aplicaciones muyvariadas: oficinas, comercios, centros de enseñanza, edificiosindustriales, viviendas... Se recomienda también en verandas y miradores. 11.7.- Vidrios serigrafiados. En los vidrios serigrafiados, se depositan en una de sus caras esmaltesvitrificables por el sistema de impresión serigráfica. Posteriormente sesometen al proceso de templado. En dicha operación el esmalte quedavitrificado formando masa con el vidrio y adquiriendo las mismaspropiedades que el vidrio templado normal excepto su resistencia alchoque 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 vidriodecorado se puede dar a las superficies exteriores de los edificios unagran variedad de terminaciones, y cambiar las propiedades fotoenergéticasdel vidrio. Consejos para su utilización: -Cuando existan diferencias elevadas de temperatura en la superficie delvidrio (sol-sombra).

-Cuando estén expuestos a zonas de vientos fuertes y en función de lacarpintería utilizada.

-En cargas de nieve y situaciones de vidrios colocados en planosinclinados.

-Choques mecánicos en general.

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-Cuando se proyecte directamente el aire acondicionado y la calefacción. -En el caso del vidrio serigrafiado, el comportamiento de algunos colorespuede variar ligeramente según el espesor del vidrio, por lo tanto noconviene mezclar grosores para una igualdad total.

-Hay que tener en cuenta la iluminación al colocar el vidrioserigrafiado, ya que iluminaciones diferentes y distintos ángulos deincidencia del sol pueden variar su tonalidad.

La flexibilidad que ofrece el serigrafiado permite conseguir una granvariedad de aspectos estéticos y propiedades: control de la gananciasolar, decoración, enmascaramiento, distribución de luz, etc.

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 deaire o algún otro gas deshidratados. La separación entre las lunas laproporciona un perfil de aluminio en cuyo interior se introduce el 123

deshidratante. El conjunto permanece estanco mediante sellado consilicona a lo largo de todo el perímetro. Este producto, con su bajo coeficiente de transmisión térmica, es un buenaislante térmico, disminuyendo las perdidas de calor respecto a un vidriosimple (monolítico). Por otra parte, la superficie interior delacristalamiento permanece a una temperatura próxima a la de lahabitación, aumentando la sensación de confort junto a la ventana ydisminuyendo el riesgo de condensaciones en invierno. 1) Vidrio (flotado, templado,laminado, etc.)

2) Vidrio (flotado, templado,laminado, etc.) 3) Espaciadormetálico.

4) Cámara de aire. 5) Desecante. 6) Ranura. 7) Butilo 8) Silicona

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Figura 11.8.1.- Esquema de un doble acristalamiento. Vidrio concámara.

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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 sufabricación una malla interior de alambre de acero de 12x12 mm paraaumentar su resistencia al impacto. El alambre no hace al vidrio másfuerte o resistente, solo actúa como soporte temporal del vidrioevitando el desprendimiento de los fragmentos de vidrio roto y evitandola caída de fragmentos de vidrio rotos. Una de sus caras es lisa y laotra posee una textura que transmite la luz en forma difusa. Una de las propiedades más significativas del vidrio armado es quepermite retardar la propagación del fuego en aberturas. Retarda lapropagación del fuego entre 30 y 60 minutos (dependiendo del tamaño delpaño). Tradicionalmente empleado en edificios industriales, el vidrio armadotambién 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 anteun impacto

11.10.-Vidrios planos traslúcidos. Son aquellos productos de vidrio en los cuales los rayos luminosos alatravesarlos sufren difusiones más o menos intensas, por lo que lavisión a su través no es clara, sino borrosa. Se fabrican por tressistemas distintos: Por el ácido fluorhídrico.

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Ataca a los vidrios, originando fluoruros de silicio, ácidofluorhídrico y fluorsilicato sódico, potásico o cálcico, todos ellosopacos. El material se expone a la acción del HF si se desea que quedesemitransparente y a la del H2SiF6 , de 30 a 45 minutos, si ha de quedaropaco. El método permite el grabado, sin más que proteger aquellaszonas 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 decanto vivo, proyectada con la suficiente fuerza y velocidad para que lasuperficie resulte áspera, lo que origina pérdida de transparencia,pero no de translucidez. Los vidrios así tratados reciben el nombre dedeslustrados o esmerilados. Por impresión. Durante la fabricación, mientras el material está tierno, de un dibujoo grabado. Son todos los vidrios colados, con las siguientes variantesy calidades: Vidrio colado bruto. Es la propia luna sin recibir los tratamientosde desbastado y pulido. Baldosa gravada. De espesor entre 17 y 20 mm., llevando impreso en unade sus caras un dibujo en relieve para aumentar su adherencia. Baldosilla. Vidrio colado, similar al anterior pero de espesorcomprendido 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 hacepoco transparente. El espesor normal es de 3 a 4 mm. Vidrio impreso. Vidrio colado también en una de cuyas caras posee undibujo monótono, procedente del rodillo laminador cuya misión esquitarle transparencia. Se fabrica claro y en colores, siendo suespesor normal de 3 a 4 mm.

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11.11.- Vidrios planos opacos. Son aquellos que impiden totalmente la visión a su través. Existenlas siguientes variedades: Opalina pulida. Es un vidrio colado y laminado por una sola cara, quedando la otra enbruto o impresa con estrías para favorecer la adherencia. Tambiénrecibe el nombre de marmolita, opaxita, etc. Su coloración es variable(blanca, coloreada); los espesores varían de 7 a 14 mm. y su uso espara enchapados y recubrimientos. Opal masivo. Es un vidrio soplado o estirado, es decir, de reducido espesor (1,80 a2,75 mm.), de color blanco opalino, merced a la adición de criolita yfosfato cálcico en la masa, translúcido y gran difusor con múltiplesaplicaciones en Luminotecnia. Opal doblado. Es un vidrio claro corriente, recubierto durante la fabricación por unao 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 delos arquitectos e interioristas para encontrar nuevas formas que dieranelegancia, belleza y prestigio a sus proyectos. Hoy en día, casi 100años después el cristal curvado ha pasado a ser un elemento dearquitectura e interiorismo indispensable en la mente de los másprestigiosos prescriptores actuales. El cristal curvado recocido se obtiene a partir del calentamiento delcristal plano hasta su punto de plasticidad, dándole su forma deseadamediante el uso de moldes (Figura 11.12.1).

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Figura 11.12.1.- Esquema de fabricación del cristal curvado Una de las ventajas del cristal curvado es la flexibilidad de formasque se pueden realizar. Ello permite al diseñador trabajar con unmaterial 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: 5800x 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 (distanciaentre 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, comprendidaentre 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 lospuntos de su circunferencia. ÁNGULO α: Mayor o menor abertura queforman entre sí dos líneas o planos que se cortan. Todos estos datos pueden ir referidos a la parte interior o exteriordel vidrio, según convenga

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

Tolerancias (Figura 11.12.3).

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

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Figura 11.12.4.- Curvas más comunes

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

Cristal curvado aislante. El cristal curvado aislante es un acristalamiento aislante térmico yacústico compuesto por dos o más cristales separados entre sídelimitando una cámara estanca (Figura 11.12.6). El conjunto quedaposteriormente sellado en todo su perímetro con silicona, garantizandode esta forma la estanqueidad de la cámara de aire del acristalamiento.

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

Tabla 11.12.1 .- Propiedades térmicas y acústicas.

Aplicaciones. En exteriores, el vidrio curvado se utiliza fundamentalmente, enfachadas de edificios (Figura 11.12.7), bóvedas, escaparates,ascensores panorámicos, espejos convexos de seguridad, tejas, puertasrotativas, barandas, rótulos, etc. Las aplicaciones de interior más comunes, son en vitrinas frigoríficasy de muebles, mesas, barandillas de escalera, mamparas de oficinas ybaños, cabinas de seguridad, sistemas de iluminación, recubrimiento decolumnas, etc.

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

133

• 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 unproceso de calentamiento, curvatura y rápido enfriamiento del vidrio(Figura 11.12.9). El resultado es una transformación estable de laestructura molecular del vidrio que produce unas tensiones permanentesque incrementan la resistencia mecánica a la flexión, compresión eimpacto 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, conrecubrimiento especial en el exterior, incoloro y autolimpiable querequiere una menor frecuencia de limpieza y mejora la visión durante ydespués de la lluvia si se compara con el vidrio float normal. Además

134

de ofrecer una buena durabilidad y resistencia al rayado, se puedetratar como el vidrio float normal en la mayoría de los casos. En condiciones normales, su recubrimiento exclusivo destruye loscontaminantes orgánicos de la superficie y aumenta la acción dedeslizamiento del agua en la superficie recubierta, lo que permiteeliminar fácilmente la suciedad y reducir en gran medida la limpiezamanual. El vidrio autolimpiable esta caracterizado por una exclusiva dobleacción. Cuando se expone a la luz del día, el recubrimiento reaccionade dos formas. 1.- Mediante un proceso ‘fotocatalítico’, el recubrimiento reaccionacon los rayos ultravioletas de la luz natural del día para descomponery desintegrar la suciedad orgánica. 2.- La segunda parte del proceso tiene lugar cuando la lluvia o el aguaentra en contacto con el vidrio. Dado que el vidrio es hidrófilo , enlugar de formar pequeñas gotas, el agua se extiende uniformemente sobrela superficie y, a medida que se desliza, arrastra con ella lasuciedad. En comparación con el vidrio convencional, el agua se secamuy rápidamente y sin dejar las antiestéticas manchas de secado . El recubrimiento funciona continuamente, eliminando la suciedadsiempre que llueve. Desde determinados ángulos, el efecto de espejo es ligeramente superioral del vidrio normal y presenta un leve tinte azul. Por lo demás, elvidrio 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 sólopuede deteriorarse si la propia superficie del vidrio resulta dañada,por ejemplo, por objetos punzantes, limpiadores abrasivos o lana deacero. Las pruebas han mostrado que no se descascarilla ni se decoloray que el recubrimiento dura tanto como el propio vidrio. En la figura 11.13.1 puede verse la diferencia entre la suciedad de unaventana con vidrio normal y autolimpiable, que no se limpiado en seismeses

135

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

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

136

Figura 11.14.2.- Moldeados de vidrio sencillos

Dimensiones de utilización. Moldeados sencillos: Las dimensiones máximas de utilización paratabiques verticales sencillos son : 6 m² con una dimensión máxima de 3m. Moldeados dobles: En tabiques verticales dobles, las dimensionesmáximas 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

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Figura 11.14.1.- Moldeados de vidrio dobles

Kg-Sobrecarga en 2

m-Dimensiones del hueco a cubrir Puesta en obra. Moldeados sencillos Principios generales de colocación: -Los tabiques no podrán ser en ninguna de sus dimensiones superioresa 3 m. Para huecos de dimensiones mayores, se fraccionaran en tantospaneles como sea necesario, introduciendo entre ellos lascorrespondientes juntas de dilatación y estanquidad.

-Los tabiques deberán ir independientes de la obra, mediante unajunta de dilatación perimentral.

-Los redondos de acero (armadura) no deberán estar en contacto con elvidrio, y, además, deberán ir totalmente cubiertos por el hormigón.

Junta de independencia. Los paneles irán desligados del resto de la obra, observándose loscorrespondientes juegos de fondo y teniendo en cuenta las posiblesflexiones 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 5mm 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

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arena de río lavada

FIJACIÓN SUPERIOR JUNTA HORIZONTAL TIPO ENTRE MOLDEADOS

FIJACIÓN INFERIOR

Moldeados dobles. Principios generales de colocación. -Los tabiques no podrán ser en ninguna de sus dimensiones superioresa 5 m ni exceder 20 m² de superficie. Pasando de estas dimensionesdeberán fraccionarse en varios paneles, introduciendo entre ellosjuntas de dilatación y estanquidad.

-Los tabiques deberán ir independientes de la obra mediante una juntade dilatación perimetral. La armadura no deberá estar en contactocon el vidrio y estará totalmente cubierta por el hormigón.

Nervio de mortero. -Entre Moldeados: mínimo 1 cm -Perimetral: mínimo 3.5 cm

139

Armadura. -Entre Moldeados: mínimo 1 cm -Tabiques de hasta 4 m. de longitud. Llevarán dos varillas de AceroAEH 400 π 5 mm en cada nervio horizontal, y una varilla de π 5 mm encada nervio vertical, colocada a tresbolillo.

-Tabiques de 4 a 5 m. de longitud. Llevarán dos varillas de Acero AEH400 π 5 mm en cada nervio horizontal, y una varilla de o 6mm encada nervio vertical, colocada a tresbolillo.

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

FIJACIÓN SUPERIOR FIJACIÓN INFERIOR

FIJACIÓN LATERAL JUNTA TIPO ENTRE MOLDEADOS

Moldeados pisables.

140

Juntas. De independencia y dilatación: Las placas deberán ir desligadasperimetralmente 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 espesorde la placa) cm.

Armadura: Acero AEH400 -El diámetro se determinará en cada caso según dimensiones ysobrecarga.

-En ningún caso el o de acero estarán en contacto con el vidrio. -Siempre deberá ir embebida en el hormigón y a distancia no inferiora 1 cm del exterior de la placa.

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

141

El aislamiento térmico de un moldeado cumple estas tres funciones:reducir la conducción térmica en el material, que corresponde a latransferencia de calor mediante electrones; reducir las corrientes deconvección térmica que pueden establecerse en espacios llenos de aire olíquido, y reducir la transferencia de calor por radiación, quecorresponde al transporte de energía térmica por ondaselectromagnéticas. La conducción y la convección no tienen lugar en el vacío, y este es elprincipio físico que provoca que los moldeados dobles tengan un mayoraislamiento térmico, ya que durante el proceso de fabricación delmoldeado se produce una soldadura de vidrio en caliente que provoca queel aire que queda atrapado entre las dos caras, quede en depresión conrespecto a la presión atmosférica y por tanto mejore su capacidad deaislante térmico Las superficies de alta reflectividad pueden reducir la radiación,principalmente el calentamiento del sol. De este modo las superficiesde vidrio del moldeado reflejan parte del flujo térmico proveniente dela radiación térmica

142

En los materiales de construcción, los espacios de aire proporcionan unaislamiento adicional, lo que motiva que el moldeado doble tenga unaconductividad térmica comparable a un acristalamiento aislante de doblecristal. Las propiedades aislantes empeoran si el aire interior delaislante adquiere humedad, ya que las partículas de agua actúan comoconductores térmicos, pero este problema no puede afectar a losmoldeados dobles. Como resultado de lo expuesto, el coeficiente de conductividad térmicak depende del modelo y tamaño del moldeado (se indica el valor medio dela gama) y del material de unión entre moldeados, bien entendido queuna unión deficiente disminuirá por si misma las propiedades aislantesde la pared, techo o suelo.

Moldeado sencillo Moldeados dobles Moldeado pisableGemax k = 5.2 W/m².

ºK Novalux k = 5.6 W/m² k = 3.4 W/m² .ºK

Catolux k = 4.8 W/m² .ºK .ºK

En el supuesto de una pared simple, aceptable para una pared demoldeados, la obtención de un buen aislamiento acústico vienecondicionada 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 colocadoen una pared, ya que el peso de kN

una pared de un moldeado de espesor 80 mm, por unidad de superficie, es de 1.00 2 , lo cual garantiza m 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 dealbañilería, las rendijas en puertas y ventanas, las juntas de panelesprefabricados, etc., pueden dar lugar a las 'fugas acústicas' o'puentes acústicos'. Estas fugas dejan pasar fundamentalmente lasfrecuencias agudas, que son a las que el oído tiene mayor sensibilidad.Esto implica que una realización inadecuada de estas juntas puedadisminuir considerablemente, las propiedades de aislamiento acústicodel moldeado.

143

Los índices de atenuación acústica respecto a la referencia ambienteen dB (A) es la siguiente:

Moldeado sencillo Moldeados dobles30 dB (A) 35 dB (A)

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

Figura 11.14.3.- Realizaciones con moldeados devidrio.

144

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 cerámicade mayor difusión (teja de Levante o de Valencia). La colocación de lastejas de vidrio es idéntica a la de las tejas de cerámica. Se fijaránsobre las correas, atándolas con alambre y en ningún caso se utilizarácemento para ligarlas entre sí.

145

Figura 11.15.1.- Tejas de vidrio.

12.- Ejemplos prácticos.

La elección correcta de un vidrio para una aplicación concreta,requiere considerar una serie de características diferentes. En lamayor 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 conlas presiones a las que va a estar sometido. Existen reglas de cálculo

146

sencillas que nos permiten conocer de una manera aproximada el espesornecesario. La resistencia a flexión del vidrio es el parámetro más importante a lahora de la elección del espesor del vidrio. Se puede caracterizar laresistencia de un vidrio a la flexión por el valor de la tensiónnecesaria para la ruptura del vidrio en extensión. Dicha tensión deruptura tiene los valores siguientes:

daN cm

Exceptuando ciertos casos los acristalamientos para la construcción sepueden calcular con la fórmula de TIMOSHENKO: El espesor mínimo a dar a los acristalamientos planos monolíticossometidos a una presión uniformemente repartida, será ( fórmula válidapara los apoyos continuos en 4 lados ó 2 lados opuestos) :

e = βP l2 (12.1.1)

147

Vidrio recocido:

400 a 450

2 cm

Vidrio templado:

daN1200 a 2000

2 cm

Vidrio semi-templado:

daN800 a 1300

2

σ l4

para flechas de pocaimportancia:f=αP

3

esiendo:

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 pesopropio 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 ladomenor (m) (Tabla 12.1.1)

Teniendo en cuenta los coeficientes de seguridad, las tensiones detrabajo, σ, utilizadas normalmente son las dadas en la tabla 12.1.2. Dimensiones de utilización. La determinación de las dimensiones de utilización de los productosvítreos en cerramientos exteriores de los edificios dependerá de sunaturaleza y del lugar de su situación.

KpLa tabla 12.1.3 "Carga total de viento q en 2 fija los espesores,

longitud y ancho de los vidrios para las m 148

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

Tabla 12.1.1.- Valores de los coeficientes adimensionales α

yβenfuncióndelarelación

149

L

.l

Acristalamientos con apoyo

L/l en 4 lados α β

1,0 0,6444 0,2668 1,1 0,7722 0,3138 1,2 0,8958 0,3583 1,3 1,0138 0,3999 1,4 1,1236 0,4382 1,5 1,2250 0,4732 1,6 1,3181 0,5048 1,7 1,4014 0,5332 1,8 1,4778 0,5587 1,9 1,5458 0,5815 2,0 1,6069 0,6017 2,5 1,8236 0,6728 3,0 1,9403 0,7105 4,0 2,0333 0,7400 5,0 2,0569 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.

150

Tabla 12.1.2.- Tensiones de trabajo, σ, utilizadasnormalmente según el tipo de vidrio.

Tensiones de trabajo admisibles MPa (N/mm2) cargas de corta duración

Tipos de Vidrio Cargas de corta(viento…)

Cargas permanentes (pesopropio,

nieve, agua...)

Recocido SGG PLANILUX, SGGPARSOL, SGG ANTELIO 20 10

Templado SGG SECURIT 50 40 Endurecido SGG PLANIDUR 35 20

Vidrio Esmaltado y templadoSGG EMALIT 35 25

Laminado SGG STADIP medidafija

20 10

Laminado SGG STADIP (cortadoa sierra)

16 8

Impreso SGG DECORGLASS / SGGMASTERGLASS 18 9

Impreso armado SGG DECORGLASSARMADO 16 8

Impreso templado SGG SECURITcon SGG DECORGLASS / SGG

MASTERGLASS

40 30

Vidrio Impreso esmaltado y 30 20 151

templado SGG EMALIT CONTRAST

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

3.- Carga total de viento sobre edificios. Para edificios de planta rectangular o combinación de rectángulos, seconsiderará una presión p a barlovento y una succión s a sotavento,sobre cada metro cuadrado de la fachada del edificio, cuya suma q seobtiene en función de la altura H sobre el nivel del suelo, de la zonaeólica y de la situación topográfica del emplazamiento del edificio. Seconsidera situación topográfica expuesta: las costas, cumbres demontaña , desfiladeros, bordes de meseta y aquellos lugares en quepueden preverse vientos locales de intensidad excepcional. Para elcálculo de la carga sobre acristalamientos u otras superficies en quepueda haber huecos abiertos se tomará el valor q.

152

En la tabla 12.1.4 se da la conversión de la velocidad de viento enpresión dinámica.

Tabla 12.1.4.- Conversión de la velocidad de viento enpresión dinámica.

153

Tabla 12.1.3.-

Carga total de viento q en

2Kpm .

Cálculo del espesor de los acristalamientos planos, simples recocidos ysin armar.

154

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 mayorque el espesor mínimo de fabricación, em, calculado por las fórmulassiguientes:

en las cuales: e = espesor delacristalamiento en mm. L =lado mayor delacristalamiento 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 unacristalamiento enmarcado en 4 lados donde una de las dimensiones esigual a la longitud del borde libre y la otra, a 3 veces la longituddel lado adyacente de ese borde libre. Se observa, que si el vidrio está colocado en dos apoyos el espesordel vidrio es sólo función de la dimensión sin apoyo, siendoindependiente de la dimensión apoyada.

155

Otros tipos de acristalamientos. Como todos los tipos de vidrio no tienen, para el mismo espesor, lamisma resistencia mecánica, se introducen unos factores de equivalenciaque permiten a partir de un espesor calculado y conociendo el tipo devidrio a utilizar calcular el espesor real a usar. Entonces para vidrios distintos al vidrio plano recocido, el espesor,et, se obtiene multiplicando el mínimo teórico, e, por el coeficiente εde la tabla 12.1.5, es decir:

et =εe

Tabla 12.1.5.- Valores del coeficiente ε en función del tipo de vidrio.

Tipo de vidrio ε

Vidrios armados 1.2 Vidrio endurecidoo semitemplado

0.90

Vidrios templados P ≤ 900 Pa 0.80 P > 900 Pa 0.75

Vidrios laminados Dos láminas del mismo espesor 1.30

Tres láminas del mismoespesor 1.60

Vidrios aislantes Dos vidrios 1.50 Tres vidrios 1.70

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 iguala 2 mm. Para los acristalamientos templados, deben tomarse distintoscoeficientes, en función de la presión, a fin de evitar flechas

156

importantes. En los cálculos, los vidrios templados de los acristalamientoslaminados o aislantes se consideran como recocidos. Limitaciones particulares de los acristalamientos simples recocidos armados y no armados. Para los acristalamientos simples recocidos, se adoptarán laslimitaciones siguientes, cualesquiera que fueran los resultados de loscálculos anteriores:

Espesor nominal (mm)

3 4 5 6

Ancho máximo(m)

0,66 0,92 1,50 2,00

• Acristalamientos exteriores a más de 50 m de altitud : espesornominal mínimo = 6 mm.

• Acristalamientos de más de 5 m2, espesor mínimo nominal: - 6 mm, si la parte baja del acristalamiento estáa más de 0.60 m del suelo - 8 mm, si está a menosde 0,60 m. • Acristalamientos de más de 1 m2 con un borde libre accesible: - 8 mm si la dimensión del bordelibre es = 2 m, - 10 mm si ladimensión del borde libre es > 2m. •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 yen zona expuesta, carga de viento (Ver tabla 12.1.3):

Kp 82 2 ≈ 820 Pa

157

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

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

Para esta situación podríamos utilizar las siguientes composiciones: unvidrio recocido de 12 mm, un vidrio templado de 10 mm, o un vidriolaminado 8+8 mm. 12.2.- Condensaciones. Con el siguiente ejemplo se pretende demostrar el efecto del valor delcoeficiente de transmisión térmica sobre la posibilidad decondensaciones en el interior del edificio. Supondremos una temperatura exterior de 0º C y una temperatura interiorde 20º C, y calcularemos la posibilidad de condensación para dosacristalamientos diferentes, vidrio simple de 6 mm y dobleacristalamiento con bajo poder emisivo. Vidrio simple.

WCoeficiente de Transmisión Térmica (Vidrio monolítico): U = 5.7

2 m .K

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

158

Doble acristalamiento con bajo poder emisivo.

WConstante de Transmisión Térmica (Doble acristalamiento, bajo poder emisivo): U = 1.6 2

m .K Para que no se produzca condensación la humedad relativa del aire en elinterior debe ser como máximo igual a Hi = 79 % 12.3.- Ahorro energético.

El acristalamiento cumple una función térmica cuando produce unareducción de los intercambios térmicos (frío - calor) entre los dosambientes que separa. Esto se consigue disminuyendo el valor delcoeficiente de transmisión térmica, U (cantidad de calor por unidad detiempo, expresado en vatios, transmitido a través de una superficie de1m2 por cada grado de diferencia entre el interior y el exterior).

La forma de llegar a valores U adecuados para acristalamientos, esrealizar la combinación de cristales simples con otros elementos queaporten un mayor grado de aislamiento térmico. El aire desecado enespesores de 6 a 12 mm, cuando permanece en reposo proporciona unexcelente aislamiento térmico.

Pueden fabricarse acristalamientos aislantes con una o varias cámarassegún sea el grado de aislamiento que se desee obtener. Los máscorrientes son de una cámara con dos cristales, conocidos como Dobleacristalamiento o doble vidriado hermético (DVH). Los de dos cámaras ytres cristales se denominan triple acristalamiento.

La principal ventaja que aportan estos productos es el ahorro deenergía para refrigerar o calentar ambientes. Se aumenta el confort enlas proximidades de las superficies acristaladas y en todo el recintoal suprimirse los movimientos de aire que se producen por diferenciasde temperaturas. Se reduce la posibilidad de que exista condensación(efecto de pared fría), manteniéndose la transparencia de los cristalesaún en condiciones de humedad y de temperaturas extremas.

El acristalamiento aislante puede añadir además otras prestaciones enfunción de las características de los cristales utilizados en sucomposición.

En un acristalamiento existen tres posibles mecanismos de transmisiónde valor:

159

Conducción: El valor se transmite por conducción a través de un medio material(sólido, liquido o gas). Las moléculas calientes comunican parte de suenergía de vibración a sus vecinas mas frías continuando dicho procesoa lo largo de todo el material. Convección: Esta forma de transmisión del valor es propia de líquidos y gases. Ladiferencia de temperatura provoca diferencias de densidad que a su vez,dan lugar a movimientos en el fluido, así el más caliente sube y esreemplazado por otro mas frío. Radiación: Todo cuerpo emite energía electromagnética de manera continua. Lacantidad de energía y el espectro de emisión dependen de la temperaturadel cuerpo y de sus propiedades emisivas. Este mecanismo no precisa decontacto material por lo que tiene lugar incluso en el vacío. El coeficiente de transmisión térmica "U" tiene en cuenta los tresmecanismos de transmisión de calor (Figura 12.3.1). Un valor de Upequeño nos indica un buen aislamiento térmico y las pérdidas térmicasserán pequeñas. El valor "U" depende en gran medida de la existencia decámara de aire y de su espesor, así como del tratamiento superficial delos vidrios. Si se utiliza un vidrio de baja emisividad, las pérdidaspor radiación son mucho menores.

Otra consecuencia de tener un coeficiente de transmisión térmica menores que en invierno se evitan en gran medida las condensaciones en laparte interna del acristalamiento, ya que esta no alcanza unatemperatura tan baja como en el caso de valores U más altos. Acristalamientos monolíticos. El coeficiente U del cristal incoloro de color y del cristal reflectivomonolíticos varía muy poco y solo de acuerdo con el espesor delcristal.

160

Figura 12.3.1.- Coeficiente de transmisión térmica "U". Efectode los acristalamientos múltiples.

Acristalamientos aislantes, con vidrio de baja emisividad. Los acristalamientos con cristales de baja emisividad, permiten reducirlas pérdidas térmicas por la radiación hacia el exterior a través delcristal. Empleándose en doble acristalamiento, este disminuye laspérdidas térmicas entre un 35 % a un 50% en relación a un dobleacristalamiento tradicional. La combinación de un cristal exterior comoel cristal incoloro o el reflectivo y un cristal de baja emisividadinterior, permiten obtener un doble acristalamiento que ofrece una altaprotección contra la radiación solar excesiva y una alta reducción delas pérdidas térmicas en invierno. Las altas propiedades de estabilidad y resistencia en los agentesquímicos de su capa metálica, permiten utilizar el cristal de bajaemisividad en acristalamiento monolítico, en doble acristalamiento o en

161

exterior( ) -10 ºC

interior ) 21 ºC(

VIDRIO( -2 ºC)

∆t = 23 ºC

exterior ) -10 ºC(

interior )( 21 ºC

VIDRIO)( +10 ºC

∆t = 11

ºC

ACRISTALAMIENTOS MULTIPLESfunciones : Disminución de la TRANSMIS. DE CALOR-

Reducción del efecto “pared fria”-

COEF. de TRANSMISION DE CALOR

K (U-value) =

11he

Σeλ

1ha

1hi+ + +w / m( 2.ºC

)

Ejemplos :

Wcarpintería de doble chasis. En este último caso el coeficiente k varía entre 1.45 y 1.8 2 de acuerdo:

m .K - el espacio de aire entre el cristal de baja emisividady el otro cristal; - el coeficiente U del chasis. Ensamblado en acristalamiento aislante, este cristal permite disminuirlos riesgos de condensación sobre la cara interna de dichoacristalamiento. Para una temperatura interior de 20 ºC y una humedadrelativa del 70 %, la condensación aparecerá en la cara interior, parauna temperatura exterior de:

W+ 4ºC para un doble acristalamiento tradicional ( 3.0 2 )

m .KW

- 4ºC para un doble acristalamiento el cristal de bajaemisividad sin gas ( 1.9 2 )

m .K Cabe remarcar que la temperatura de la hoja interior del dobleacristalamiento aislante de este tipo será superior a la de una hoja deun doble acristalamiento aislante tradicional. Gracias a la supresiónde las zonas frías, el espacio habitable aumenta considerablemente. Cristales para antepechos con vidrios reflectivos El coeficiente de aislamiento térmico de un cristal de baja emisividadesmaltado, es idéntico a los cristales monolíticos incoloro yreflectivo no esmaltados. El coeficiente U puede considerarse mejorado,gracias a la aplicación de un material aislante al dorso del cristalreflectivo esmaltado. Cristal laminado El coeficiente U de un cristal laminado es idéntico al de un vidriomonolítico. Para obtener niveles de seguridad elevados, se recurre acombinaciones de vidrios de diferente espesor unidos con la ayuda deuna película de PVB, variables en número y espesor. En consecuencia, elcoeficiente k de los cristales gruesos podrá mejorarse:

162

- cerca del 10% para cristales de25 mm de espesor; - cerca del 25%para cristales de 50 mm de espesor. En la tabla 12.3.1 y en la figura 12.3.2 se pueden ver valores delcoeficiente de transmisión térmica, U, para varios tipos de vidrio.

Tabla 12.3.1.- Valores del coeficiente de transmisión térmica, U,para varios tipos de vidrio.

Figura 12.3.2.- Aislamiento térmico de los acristalamientos.

Control del asoleamiento:

Para procurar el control de la incidencia de la radiación solar sobreel acristalamiento es determinante la definición del tipo de cristal autilizar en posición exterior en la unidad de DVH (Doble vidriadohermético). Con cristales tonalizados en su masa y con la utilizaciónde películas reflectivas incorporadas a los mismos se logran valoresmuy adecuados de transmisión de luz y de energía solar rechazada.

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Es posible reducir la cantidad de luz solar que ingresa al ambiente de88 % (cristal común simple) a valores del orden del 25 % (DVH concristal exterior color y reflectivo). En relación a la cantidad totalde 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 deun DVH con cristal exterior tratado.

La cámara de aire estanca se obtiene con un perfil separador dealuminio, el cual posee su cara interna calada y aloja en su interiorsales que desecan la humedad del aire contenido. Los cristales se unena este perfil separador por cordones de butilo (primera barrera deestanqueidad), luego se realiza un sellado con silicona estructural queocupa el espacio generado por la cara exterior del perfil y la carainterna de los cristales (segunda barrera de estanqueidad).

Se pueden realizar cámaras con espesores de 6 mm, 9 mm, o 12 mm. Lasdimensiones máximas de fabricación son 1.60 m.x 2.40 m.

En la figura 12.3.3 se dan los balances energéticos de distintostipos de acristalamientos

Figura 12.3.3.-. Balances energéticos de distintos tipos deacristalamientos.

Ejemplo de ahorro energético. Como ejemplo de ahorro energético vamos a calcular el ahorro enrefrigeración que nos supondría el empleo de un doble acristalamiento

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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

WFS = 85 % y U = 5.7 2 .

m .K Calcularemos este ahorro para un edificio con una fachada de 50 m2 deacristalamiento, orientado al sur. Flujo de calor. Por conducción: Si queremos calcular el flujo de calor a través de un acristalamientode área S, en un periodo de tiempo t, en el que la diferencia detemperatura entre el exterior y el interior es ∆T , tenemos querealizar 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 2 , S es la superficie del

macristalamiento y t es el número de horas de sol. Para determinar el ahorro de refrigeración en todo el verano sedefinen los siguientes coeficientes: Grados - día de calor: Resulta de multiplicar el número de días en los que la temperaturamedia en el exterior es superior a la temperatura interior del edificiopor la diferencia entre la temperatura media exterior y la temperaturainterior. Para Zaragoza se tiene un valor de 240 grados-día de calor.

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Horas de Sol en verano: Es el número de horas de sol durante los días en los que la temperaturamedia exterior es superior a la temperatura interior del edificio. EnZaragoza 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 = 5.7 W2x50m x2 24hx240K

=1641600 kJ m .h

Por radiación:

QR = (FS ISt) = 0.85 1884.15x kJ2

x50m x2 1433h = 114749445.4 kJ m

Total: QT = QC + QR =1641600+114749445.4 =116391045.4 kJ

Para un vidrio doble con bajo emisivo. Por conducción:

QC = USt∆T =1.6 W2x50m x2 24hx240K =

460800 kJ m .h

Por radiación:

QR = (FS ISt) = 0.38 1884.15x kJ2

x50m x2 1433h = 51299752.05 kJ m

Total: QT = QC + QR = 460800+ 51299752.05 = 51760552.05 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 lacantidad de calor que tenemos que sustraer a 1 Kg de agua a 15 ºC, paradisminuir su temperatura en 1 ºC, es decir una kilocaloría negativa)ptas

por KWh nos supone un ahorro de 7718 KWh, es decir unas 2200 2 . Una kilocaloría son 4.187 kJ.

m

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En la figura 12.3.4 puede verse el mapa de zonificación de España porgrados día año (Temperatura media en el exterior es inferior a latemperatura interior del edificio). Se divide a España en 5 zonasclimatológicas y se da para cada una de ellas los límites máximo ymínimo de los grados-día anuales con base 15/15, es decir, que separte de una temperatura interior base ti de 15 ºC y una temperaturamedia exterior tm , que lógicamente no puede sobrepasar los 15 ºC. Enla tabla 12.3.2 los valores anuales de los grados-día con base 15/15de distintas ciudades y localidades españolas. Estos valores seutilizarian para el calculo del ahorro energético de calefacción, quees lo contrario del ejemplo analizado.

Zona Temperatura exterior

Grados/día anuales. 15-15

Zona A 3 ≤ 400

Zona B 1 401 a 800

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Zona C -1 801 a 1300

Zona D -4 1300 a 1800

Zona E -6 > 1800

Figura 12.3.4.- Mapa de zonificación de España porgrados día año.

Tabla 12.3.2.- Grados-día con base 15/15: valoresanuales

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En la tabla 12.3.3 pueden verse las temperaturas aconsejadas para

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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 cálculoen distintas localidades de España.

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Tabla 12.3.4.- Temperatura exterior de calculo.

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