Silnice se sama zahřeje a rozpustí led. Jaké novinky vědci vyvíjejí?

Samoregenerační beton

Beton je tradiční a spolehlivý materiál, má ale jednu zásadní vadu – i ten nejkvalitnější časem popraská a tím ztratí odolnost. Trhliny, které vznikají mechanickým opotřebením betonu vystaveného náročným povětrnostním podmínkám, jsou už mnoho let výzvou pro vědce, kteří se snaží vytvořit takový kompozit, jaký by nepřízni počasí a dlouhodobé zátěži uměl co nejdéle odolávat. Originálním řešením může být vylepšený beton, který se sice prasklinám nevyhne, ale dokáže je sám zacelit. Takový materiál vyvinul v roce 2015 nizozemský mikrobiolog Henk Jonkers z Technické univerzity v Delftu. Jeho metoda využívá živých bakterií, které jsou do betonu přidávány v kapslích obsahujících i potřebné živiny. Bakterie se „probudí“ při kontaktu s vodou a kyslíkem, tedy v okamžiku, kdy v betonu vznikne prasklina, do které pronikne vlhkost. V tu chvíli se kapsle rozpustí a bakterie se smíchají s přirozeně přítomným vápníkem. Při této chemické reakci se směs promění v krystalický uhličitan vápenatý, který trhlinu zaplní a utěsní. Podle odborníků přitom bakterie mohou v konstrukci „odpočívat“ až 200 let. Samoregenerační beton – někdy také nazývaný biobeton – si poradí spíše s malými trhlinami do velikosti 0,8 milimetru. Právě ty však patří mezi nejnebezpečnější, protože se často nenápadně rozšiřují. Experti na materiálové vědy v různých zemích světa pracují na tom, aby tento princip zmodernizovali a vylepšili. Tým z univerzity v belgickém Gentu například společně s bakteriemi přidává do směsi polymery, které při kontaktu se zatékající vodou zvýší svůj objem a velmi rychle prasklinu „provizorně“ zaplní. V druhé fázi pak zapracují bakterie smíchané s kalciem a beton opraví trvale. Mikrobiologové z amerického Binghamtonu zase využívají houby zelenatky, které v kontaktu s kyslíkem a vlhkostí vyklíčí, narostou a vyvolají růst uhličitanu vápenatého, který opět vzniklé trhliny v betonu zacelí.

Beton, který pruží

Pružnost není u betonu běžnou vlastností. Většinou se pracuje spíše s jeho pevností, nosností a životností. Díky speciálním polymerům, které betonu dodají flexibilitu, ale tento materiál získá zcela nový potenciál, a to i z hlediska své odolnosti. Pružný beton ConFlexPave, za kterým stojí odborníci z Nanyang Technological University v Singapuru, je díky obsahu velmi tenkých polymerních mikrovláken dokonce dvakrát pevnější než tradiční beton. Výzkumu flexibilního betonu se věnovali také experti na Swinburnově univerzitě v Austrálii a bez použití cementu vytvořili materiál se stejně vynikajícími vlastnostmi. Tento nový druh betonu je navíc šetrný k životnímu prostředí, protože obsahuje popílek a geopolymerní kompozity – typické odpadní emise z uhelných elektráren. Kromě toho, že geopolymery zvyšují koeficient ohybu, také chrání materiál před vznikem mikrotrhlin, což je u betonu jedna z hlavních příčin koroze.

Recept na pružný beton s optimálními vlastnostmi ale hledají také v brněnském Centru materiálového výzkumu na VUT. „Výhodou pružného betonu je jeho pevnost v tahu ohybem,“ vysvětluje ředitel centra Tomáš Opravil. Takzvaný MDF kompozit vzniká za pomoci speciálního mixéru spojením směsi cementu a vody s polymerem, obvykle na bázi polyvinylalkoholu. Jeho podíl zajistí výslednému betonu až desetkrát vyšší pevnost v tahu za ohybu. V praxi to znamená, že panel se stejnou nosností z pružného betonu bude několikrát tenčí než panel z klasického betonu.

Brněnští vědci navíc dokázali upravit polymer tak, že si MDF kompozit zachová více než 90 procent původní pevnosti i při dlouhodobém uložení ve vodě. Vylepšený beton najde uplatnění hlavně u staveb v oblastech ohrožených častým zemětřesením.

Nové materiály

Dalších 14
fotografií

Lávky ze dřeva a betonu

Kombinace dřeva a betonu je novinkou při stavbě mostních konstrukcí. Systém tvoří trámy z lepeného lamelového dřeva spřažené s mostovkou z prefabrikovaných panelů z ultra vysokohodnotného betonu. Propojení těchto dvou materiálů zajišťuje vysokou životnost mostní konstrukce, zároveň šetří peníze a snižuje dopady na životní prostředí. „Dřevo je materiál přírodní, obnovitelný, a pokud je chráněno proti vlhkosti, tak i vysoce trvanlivý,“ vysvětluje Petr Konvalinka, předseda Technologické agentury České republiky, která podpořila projekt zkoumající využití této metody. Na výzkumu se podíleli odborníci z Kloknerova ústavu ČVUT společně s firmou Valbek a výsledky použili pro stavbu dvou experimentálních mostních konstrukcí a jedné lávky pro soukromého investora.

Dřevobetonové konstrukce jsou levnější díky nižším nákladům na pořízení materiálu, ale také díky bezporuchovému provozu během celé plánované životnosti. Ta v důsledku snižuje celkový objem produkovaného betonu a s ním spojených emisí. Nová technologie zároveň zefektivní proces navrhování, realizace a správy mostních konstrukcí. „Výstavba se oproti standardním konstrukcím podobného typu zrychlí asi o dvacet procent,“ upozorňuje technický ředitel firmy Valbek Lukáš Vráblík.

Dřevobetonové mostní konstrukce jsou podle něj úsporné i pro finální odběratele, tedy pro investory a správce, protože vyžadují levnější údržbu a navíc mají až dvakrát delší životnost bez nutnosti dodatečných nákladů. Experimenty prokázaly, že navržená konstrukce je realizovatelná a z hlediska výrobních nákladů schopná konkurovat běžně používaným typům konstrukcí lávek pro pěší.

Stavební odpad novou surovinou

Se stále vyššími požadavky na ochranu životního prostředí vznikají i projekty zaměřené na recyklaci stavebního odpadu a jeho další využití ve stavebnictví. Najít ekologické a zároveň ekonomické řešení pro druhotné využití odpadních surovin ale není pro vědce ani pro samotné firmy snadné. Zkušenosti s tím má společnost Lavaris, která společně s pražským ČVUT a dalšími partnery pracuje na technologii sběru, separace, zpracování a opětovného využití sádrokartonu. V současné době je tento odpad většinou skládkován bez dalšího zhodnocení. Firma přišla s návrhem chytrého kontejneru pro efektivnější sběr sádrokartonových odřezků a zjednodušené separační a recyklační linky s mlýnem upraveným pro kalcinaci sádry, což je výrobní proces, při kterém pomocí vysoké teploty dochází k dehydrataci sádrovce. „U recyklace sádrokartonu ze staveb je největší výzvou vyčistit surovinu od kontaminace dalšími materiály, jako jsou lepidla, stavební směsi, pěny a jiné odpady. Klíčovým bodem je potom separace papíru,“ říká generální ředitel společnosti Lavaris George Karra'a. Ze sádrokartonového odpadu firma vyrábí stavební izolační a vyrovnávací podsyp, sypkou směs využívanou v zahradnictví k zachování vláhy v půdě, a další dva polotovary použitelné k výrobě nových sádrokartonových desek. Návrhy na další produkty z recyklátu přinášejí i mladí architekti a designéři v rámci soutěže Reborn Design, kde se o budoucnosti tohoto cirkulárního materiálu dále diskutuje.

Okenní tabule ze dřeva

Průlomovým objevem posledních let je transparentní dřevo, které se může použít jako alternativa skleněných nebo plastových oken. S nápadem zbavit dřevo organických barviv a světelné nepropustnosti přišel švédský vědec Lars Berglund. Ze dřeva se jeho týmu podařilo odstranit lignin, kvůli kterému je dřevo tmavé, a nahradit ho polymerem. U dřevěné desky silné jeden milimetr tak vědci zvýšili transparentnost o 85 procent, což sice nezajistí úplnou průzračnost, ale stačí to k využití materiálu u staveb, které vyžadují měkký průsvit denního světla do vnitřního prostoru.

Dalších úspěchů později dosáhli výzkumníci z Marylandské univerzity v College Parku. Těm se podařilo zprůhlednit dřevo bez ohledu na jeho tloušťku a bez ztráty jeho struktury a klíčových vlastností. K výrobě se používá dřevo, pocházející ze stromu balzovníku. Ten poměrně rychle roste, díky tomu jsou výrobní náklady nízké, surovina je obnovitelná a šetrná k životnímu prostředí. Produkce ani likvidace průhledného dřeva nemá zdaleka tak výraznou ekologickou stopu jako výroba skla. Když skončí jeho životnost, může se jednoduše spálit jako jiné dřevěné materiály.

Průhledné dřevo má ale ještě další výhody. Oproti sklu je nejméně pětkrát pevnější a lehčí, kromě toho má vyšší tepelnou účinnost, takže snižuje ztráty tepla, ke kterým dochází u klasických skleněných oken. Díky přírodní celulóze je navíc „dřevěné sklo“ pružnější. Podle vědců by se mohlo s úspěchem využívat k výrobě oken, průhledných střech nebo krytin na solární panely.

Pojivo z PET nebo odpadního skla

Odolné dlaždice a další stavební prvky jde vyrábět i z odpadního plastu. Přesvědčili se o tom vědci z Vysokého učení technického v Brně ve spolupráci se společností Via Alta, která se věnuje materiálovému využití plastového recyklátu. V rámci výzkumu zmapovali plastové odpadní materiály, které by připadaly v úvahu pro výrobu kompozitů, a ověřovali jejich vlastnosti a chování při tepelném zpracování. Cílem bylo vybrat dvě skupiny materiálů vhodných pro výrobu pojiv nebo plniv. Kromě teplot, při kterých dochází k tání plastů, vědci zkoumali i případné uvolňování škodlivých látek a plynů. Jako nejvhodnější pojivo se nakonec ukázal polyethylentereftalát (PET). Polypropylen (PP) vykázal při opakovaném zpracování ztrátu mechanických vlastností. Z plnidel se nejlépe osvědčilo odpadní sklo ze solárních panelů. Výzkumníci v rámci projektu testovali dlaždice ze slisované taveniny a zkoumali jejich mechanické vlastnosti, obrusnost, reakci na oheň, odolnost vůči chemickým látkám a další charakteristiky. „Zkoušky prokázaly vlastnosti srovnatelné a v mnoha parametrech i lepší než u obvyklých stavebních materiálů,“ potvrzuje řešitel projektu Miroslav Černý. Výsledky studie se už využívají v praxi při návrhu produktů z odpadních termoplastů pomocí technologie Polybet. Ta vznikla jako reakce na neuspokojivý stav v odpadovém hospodářství, kdy je významné procento odpadních plastů stále skládkováno bez dalšího materiálového nebo energetického zužitkování.

Tekutý kámen

Litý nebo také umělý kámen není ve stavebnictví novinkou. Různé směsi kameninové drti a pryskyřic, které po zatuhnutí získají podobný vzhled i vlastnosti jako přírodní kámen, používali už antičtí stavitelé a umělci. V moderní architektuře ale umělý kámen nachází nové uplatnění, především v dokončovacích pracích a při výrobě interiérových a designových prvků. Díky své přilnavosti a tvárnosti dobře drží na betonovém, zděném, dřevěném či kovovém podkladu a vytváří pevný a zároveň atraktivní povrch. Tekutý kámen se skvěle hodí k dokončování podlah, parapetů, pracovních desek, barových pultů, bazénů a schodů nebo jako alternativa k tradičním obkladům v kuchyních a koupelnách. Materiál nemá žádné viditelné spoje či spáry a v porovnání s přírodní žulou je při stejné tloušťce desky pružnější a odolnější vůči zatížení nebo úderům. Výhodou tekutého kamene je i jeho příznivá cena a také to, že se jedná o ekologicky šetrný materiál vyrobený z přírodních látek, které nezatěžují životní prostředí.

Stavba

Stáhněte si přílohu v PDF

Vyhřívaný kompozit

Jak jednoduše rozpustit sníh a led na dálničních mostech, letištních drahách, vlakových nástupištích nebo parkovacích plochách při teplotách hluboko pod bodem mrazu? Touto otázkou se zabývali experti z brněnského Vysokého učení technického společně s firmou Betosan. V rámci projektu podpořeného Technickou agenturou ČR vyvinuli chytrý stavební materiál, který se pomocí smart monitoringu dokáže zahřát na požadovanou teplotu sám. Tím odpadá nákladná údržba a aplikace chemických rozmrazovacích látek, což v důsledku prodlouží i životnost konstrukcí. Materiál vzniká na silikátové bázi s využitím pokročilých high‑tech plniv. Vyhřívání ploch je pak řízeno prostřednictvím technologie datového propojení za pomoci 5G sítě. „Díky online monitoringu teploty konstrukce, zohlednění aktuální předpovědi počasí a teplotních výkyvů dokážeme minimalizovat dobu ohřevu a maximalizovat energetickou efektivitu procesu,“ popisuje výhody systému Rostislav Drochytka z Fakulty stavební VUT v Brně. Hlavním limitem nového kompozitu je napájecí napětí, které musí být kvůli bezpečnosti snížené. „S tímto omezením počítáme už při vývoji materiálu, který tak bude schopen operovat v požadovaných teplotách i při aplikaci nižších hodnot napětí. To zároveň sníží energetickou náročnost provozu,“ dodává Pavel Dohnálek ze společnosti Betosan. Projekt je ve fázi technického řešení regulace teploty a optimalizace složení materiálu. Zároveň se ověřují možnosti využití druhotných surovin. S uvedením materiálu do praxe firma počítá v roce 2024.

Článek byl publikován ve speciální příloze HN Stavba.