• ca. 70 % Quarzsand (SiO₂),
• ca. 10 % Kalk (CaO),
• ca. 15 % Soda (Na₂O),
• Nebenbestandteile, u.a.: Fe²⁺… grüne Färbung, Fe³⁺… braune Färbung, Co²⁺… blaue Färbung.

Im erstarrten Zustand bildet sich eine unregelmäßige Netzwerkstruktur aus Silizium- und Sauerstoffatomen (siehe Abb. 1b), in welche sich die Alkalien einlagern. Anders als bei kristallinen Strukturen verläuft der Übergang zwischen festem und flüssigem Aggregatzustand bei einer Erwärmung nicht sprunghaft, sondern kontinuierlich. In diesem Transformationsbereich bildet sich eine unterkühlte Schmelze mit einem metastabilen (d.h. schwach stabilen) thermodynamischen Gleichgewicht aus. Die Umwandlungstemperatur vom glasigen Zustand zur metastabilen Schmelze beträgt ca. 500°C. Die endgültige Schmelztemperatur wird durch die Alkalien gesenkt. Sie beträgt für Kalk-Natron-Silicatglas ca. 1300 – 1600°C. Die Alkalien steigern jedoch die Wärmedehnung des Glases. Der Wärmeausdehnungskoeffizient a_T beträgt etwa 0,9 •10^-5 K^-1. Die Wärmedehnung ist somit geringer als bei Stahl oder Aluminium (a_{T, Stahl} = 1,3 •10^-5 K^-1, a_{T, Alu} = 2,3 •10^-5 K^-1).

Allgemein

Der für den praktischen Einsatz entscheidende feste Aggregatzustand zeichnet sich durch seine hohe Sprödigkeit aus. Das linear-elastische Materialverhalten hält bis zum Bruch an, wobei der Elastizitätsmodul E für Berechnungen i.A. mit 70000 N/mm² angenommen wird [16, Tab. 1]. In Abweichung davon ist nach DIN 1249-10 [15, Tab. 1] für Floatglas ein E-Modul von 73000 N/mm² und für Einscheiben-Sicherheitsglas (ESG) ein E-Modul von 70000 N/mm² ansetzbar.

Abb. 1:  a) Spannungs-Dehnungsdiagramm für Glas, b) unregelmäßige Netzstruktur des Glases [12, Bild 3.4]

Charakteristisch für Flachgläser sind durch Oberflächendefekte reduzierte Biegezugfestigkeiten, welche mit Doppelring- und Vierpunkt-Biegeversuchen gemessen werden [siehe Tab. 1], während die auf den Bindungskräften der Atome beruhende theoretische Zugfestigkeit etwa 5000 bis 8000 N/mm² beträgt [5, Abschnitt 3.2.1]. Als Druckfestigkeit sind etwa 400 bis 900 N/mm² realistisch [12, Tab. 3.2].

Tab. 1: charakteristische Biegezugfestigkeiten ausgewählter Flachglasprodukte

Einscheiben-Sicherheitsglas (ESG) [1, 5]

Beim ESG wird das Ziel verfolgt, die bei der Floatglasherstellung unvermeidbaren Oberflächenrisse durch eine Vorspannung zu überdrücken. Hieraus resultiert eine höhere Tragfähigkeit, da ein Risswachstum erst bei einer Überwindung der eingeprägten Druckvorspannung in Gang kommt und chemische Umwandlungsprozesse an den Risswurzeln durch den mangelhaften Feuchtigkeitstransport bei geschlossenen Rissen deutlich erschwert werden. Im Bauwesen ist eine thermische Einprägung der Vorspannung üblich, während für Spezialanwendungen, wie optische Linsen oder die Scheiben von Flugzeugen, der sehr zeitaufwändige Prozess einer hohen chemischen Vorspannung durch Ionenaustausch mit geringer Wirkungstiefe interessant ist. In jedem Fall sind alle Maßnahmen zur Glasbearbeitung (Schneiden, Bohren, Kantenbearbeitung etc.) unter Beachtung der bei thermischer Behandlung auftretenden Maßtoleranzen bereits vor dem Vorspannprozess durchzuführen.

Voraussetzung für einen erfolgreichen thermischen Vorspannprozess ist eine ausreichend hohe Ausgangstemperatur, die etwa 100°C über der Transformationstemperatur liegen sollte. Anschließend erfolgt ein rasches Abschrecken durch kühle Luft, die beidseitig durch Düsen auf die Glasoberflächen geblasen wird. Der Eigenspannungszustand durchläuft hierbei mehrere Phasen, die ausführlich in [5, Abschnitt 5.3] beschrieben sind, bis letztlich die in Abb. 3 a) dargestellte parabelförmige Verteilung erreicht ist. Die Größe der Oberflächenvorspannung s_v beträgt hierbei, berechnet als Differenz zwischen den charakteristischen Biegezugfestigkeiten von ESG und Floatglas, etwa 75 N/mm². Nach der US-amerikanischen Norm C 1048 [6] darf s_v im Plattenbereich nicht geringer als 69 N/mm² und an den Kanten nicht geringer als 67 N/mm² sein.

Abb. 3: a) Spannungszustand bei biegebeanspruchtem ESG [1, Bild 2.7], b) Bruchbild von ESG [ebd., Bild 2.8]

Aufgrund der hohen Energie, die im Eigenspannungszustand gespeichert wird, zerspringt eine ESG-Scheibe beim Bruch in kleine, würfelförmige Bruchstücke mit relativ stumpfen Kanten. Dies vermindert das Verletzungsrisiko. Ein weiterer Vorteil dieses Eigenspannungszustandes ist die Zunahme der Temperaturwechselbeständigkeit.

Ein ernst zu nehmendes Problem des ESG ist der mögliche Spontanbruch infolge von Nickel-Sulfid-Einschlüssen [7]. Diese resultieren aus unvermeidbaren Verunreinigungen im Herstellungsprozess, wobei sich ihr Volumen im Laufe der Zeit durch chemische Umwandlungsprozesse um 4 % vergrößert. Außerdem besitzen diese Einschlüsse einen höheren Temperaturausdehnungskoeffizient als Glas, weshalb bei Temperaturerhöhungen Spannungen entstehen. Diese Eigenschaft wird bei Heißlagerungstests genutzt, wobei das ESG eine 8-stündige Lagerung unter 290°C schadlos überstehen muss. Die Verwendung solcher heiß gelagerten Produkte ist generell zu empfehlen. Die Bezeichnung ist: ESG-H. Für ESG existiert die Norm DIN 12150 [8].

Teilvorgespanntes Glas (TVG)

Teilvorgespanntes Glas wird mit dem Ziel hergestellt, einige Vorteile von Floatglas und ESG miteinander zu vereinigen. Auch bei TVG erfolgt eine thermische Vorspannung, wobei die Abkühlung langsamer vonstatten geht als bei ESG. Somit besitzt TVG eine nicht ganz so hohe Oberflächenvorspannung wie ESG. Nach der Differenz der charakteristischen Biegefestigkeiten aus beträgt s_v mindestens 25 N/mm². Nach der US-amerikanischen Norm C 1048 [6] darf s_v im Plattenbereich 24 N/mm² nicht unterschreiten, aber auch nicht größer sein als 52 N/mm². Somit sind Biegezugfestigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit größer als bei Floatglas, jedoch etwas geringer als bei ESG. Dafür besitzt TVG, trotz der erhöhten Tragfähigkeit, ein ähnliches großformatiges Bruchbild wie Floatglas. Dies senkt zwar nicht das Verletzungsrisiko, da TVG jedoch meist in Verbund-Sicherheitsglas (VSG) zur Anwendung gelangt, ist im Bruchzustand eine bessere Rissverzahnung und daher eine wesentlich bessere Resttragfähigkeit gegeben als bei VSG aus ESG.

TVG wird sinnvoller Weise auch als thermisch verfestigtes Glas bezeichnet. Die Produktion ist bisher auf Dicken von bis zu 12 mm beschränkt, da mit zunehmender Dicke die „Krümelneigung“ des Bruchbildes zunimmt [10]. In Deutschland ist TVG derzeit noch immer nicht bauaufsichtlich eingeführt. Es existiert jedoch die Norm DIN EN 1863 [ebd.]. Die Verwendung von TVG ist daher im Bauwesen formal an eine Zustimmung im Einzelfall bzw. an eine Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung geknüpft, die mittlerweile von allen namhaften Herstellern vorliegt (z.B. [11]).