Inovativní stavební materiály jako z vědecko-fantastických filmů

Dovedete si představit, že jste obklopeni stavbami, jejichž konstrukce se v případě poškození samy opraví? Že konopí a jemu podobné rostlinné produkty zastoupí ve stavebnictví ocel nebo že místo okny bude do interiérů domů pronikat světlo skrze extrémně odolné průhledné hliníkové či dřevěné tabule? Přestože to zní jako sci-fi, materiály, které by to umožňovaly, již existují a mnohé z nich jsou ve stavebním průmyslu dokonce zavedeny.

Jedním z nejprověřovanějších materiálů současnosti je beton. Ačkoli patří k nejstarším a nejpoužívanějším hmotám, bez nichž se neobejde téměř žádná stavba, je na něm stále co vylepšovat. Důvodem je jeho sklon k rozkladu, je-li vystavován vlhkosti a zátěži. Výzkumníci po celém světě proto neustále usilují o vylepšení betonové směsi.

Beton se samoregeneračními schopnostmi

Mezi odborníky zabývajícími se výzkumem betonových směsí patří Henk Jonkers z Delft University of Technology, který v roce 2015 představil veřejnosti nadějnou biotechnologickou novinku. Obohatil beton o kapsle naplněné bakteriemi a živinami umožňující se těmto organizmům množit. V okamžiku kontaktu kapsle s vodou (tedy dojde-li k průniku vlhkosti skrz nežádoucí trhliny v betonové konstrukci) dochází k aktivaci bakterií, jež následně začínají produkovat vápenec. Ten vyplní praskliny v betonu, který se tak „sám regeneruje“. (Více informací k dispozici v článku Beton se samoregeneračními schopnostmi.

Podobný výzkum byl prováděn i v Koreji, kde do betonové směsi přidali kapsle s polymerovou výplní. Tato výplň při kontaktu s vlhkostí bobtná a rovněž vyplňuje trhliny. Další takový výzkum byl proveden na Worcester Polytechnic Institutu (WPI). Zde vyvinuli biobeton s obsahem enzymů reagujících s krystaly uhličitanu vápenatého. Ty uvolňují CO₂, v důsledku čehož dochází také k vyplňování trhlin (až 1 milimetr prostoru denně). Mimo to tyto přísady vylepšují i pevnost betonu. Vědci z Universtity of Colorado zase regenerují stavební materiály (vedle betonu také keramiku) za pomoci fotosyntézy bakterií. Jejich biobeton je tvořen koloniemi sinic rodu Synechococcus naočkovanými do roztoku písku a želatiny.

Téma: Stavební fyzika

Pružný beton

Vedle problémů s prasklinami je předmětem výzkumů i zatěžování betonových konstrukcí. V roce 2014 vyvinuli v Singapuru (na Nanyang Technological University) pružný beton vyznačující se nadprůměrnou pevností v ohybu a třikrát vyšší pružností než jakou vykazuje tradiční beton. Nový materiál nazvaný ConFlexPave má být díky obsahu velmi tenkých polymerních mikrovláken, která rozkládají zatížení na celou betonovou desku, pevný jako kov.

Na to navázali specialisté z australské Swinburne University of Technology. Ti vytvořili bezcementovou směs s podobnými vlastnostmi. Jde o hmotu obsahující popílek a geopolymerní kompozity (odpad uhelných elektráren). Je 400x pružnější než tradiční beton při zachování stejné úrovně pevnosti v ohybu. Geopolymery zde také vylepšují odolnost konstrukcí vůči vzniku mikrotrhlin, a tento beton lze proto uplatnit i v oblastech s častým výskytem zemětřesení.

Flexibilní betony jsou mimo jiné skvělým architektonickým nástrojem, jenž umožňuje navrhovat doposud nevídané betonové tvary a desing.

Betonová tkanina

Vysokou elastičností se vyznačují i geosyntetické cementové kompozitní rohože. Jde o prefabrikovanou betonovou textilii opatřenou impregnací, která tuhne až při kontaktu s vodou. Na staveniště je dopravována v rolích, jež jsou za pomoci zdvihacích zařízení rozvinuty na zhutněný podklad, načež následuje postřik až do promočeného stavu. Výsledkem je pevná, hydroizolační a odolná betonová vrstva. Využití nalézá jako obklad vodních kanálů a hrází, k ochraně svahů či při sanaci starších narušených betonových konstrukcí.

Konopná výztuž

Příčinám předčasných demolicí betonových konstrukcí dominuje problém s korozí ocelové výztuže, která významně snižuje trvanlivost těchto konstrukcí. Vědci v americkém Rensselaer Polytechnic Institutu proto představili její alternativu v podobě konopí, jehož vlákna patří k nejsilnějším rostlinným vláknům. Konopná výztuž je vyráběna pultruzním způsobem, kdy vlákna jsou tažena spolu s termoplasty do vyhřívané matrice, poté jsou tavena a tvarována do podoby tyče. Přesný recept na tuto směs přírodních a plastových vláken je stále laděna, testování doposud probíhá a autoři výzkumu usilují také o to, aby byla výroba maximálně konkurenceschopná a levnější, než je tomu v případě produkce ocelových výztuží a dalších nekorodujících alternativ.

Konopí se také používá k výrobě prefabrikovaných panelů (z konopí a vápna), z nichž jsou budovány domy. Panely jsou prodyšné, přirozeně regulují interiérovou vlhkost a odolávají plísním.

Transparentní dřevo

U přírodních materiálů ještě zůstaneme a společně se podíváme na dřevo, konkrétně na balzovník jihoamerický. Ten velmi rychle roste, dospělosti dosahuje v pouhých pěti letech, a jde tedy o rychle obnovitelnou surovinu. Výzkumníci americké Laboratoře lesních produktů (Forest Products Laboratory) jej ve spolupráci s odborníky University of Maryland použili k výrobě transparentního dřeva.

Balzové dřevo napustili speciálním roztokem a následně přidali epoxidovou pryskyřici. Výsledný produkt je téměř stejně průhledný jako sklo, oproti němuž však nabízí pětkrát větší pevnost, nižší měrnou hmotnost a podstatně lepší tepelnou izolaci. Díky obsahu přírodní celulózy je toto dřevo navíc velmi pružné, odolává i nárazům (za určitých podmínek jej lze rozlomit, ale netříští se). Také jeho výroba je efektivní – materiál je kompatibilní se stávajícími průmyslovými technologiemi – a nevyžaduje ani velké energetické vstupy (jako je tomu při procesu výroby skla, kdy dochází k velké spotřebě elektrické energie). V budoucnu lze tedy očekávat, že nahradí současné okenní zasklení či plasty.

Richlite

Z méně známých materiálů zmiňme papírový kompozit Richlite, který je ceněn zejména v oblasti ekologického stavitelství. Je obvykle vyráběn z odpadního papíru slisovaného do tvrdých hladkých panelů, jež nahrazují dřevené produkty. Lze jej snadno opracovávat (frézovat i brousit) a spojovat. Je odolný vůči vlhkosti i vysokým teplotám. Architekti a designéři volí Richlite do svých projektů i pro jeho přirozený a matný vzhled umožňující jeho uplatnění v rozmanitých interiérových aplikacích (včetně nábytku).

Karton místo dřeva a cihel

Netradičních materiálů využívaných ke stavbě domů existuje v dnešní době řada. Vedle plastu, odpadu či kontejnerů je to například karton, jež své uplatnění našel i v odvětví…

Transparentní hliník

K ekologickým surovinám řadíme také hliník díky jeho mimořádně dlouhé životnosti a snadné recyklovatelnosti. Také tento materiál lze navíc zprůhlednit. Nejčastěji jde o keramiku na bázi oxynitridu hliníku (ALON – sloučenina hliníku, kyslíku a dusíku chemického vzorce (AlN)_X·(Al₂O₃)(_1-X)), která se zahřívá na extrémně vysoké teploty a pak prochází procesem leštění. Tím je produkt vyleštěn a dochází k jeho zprůhlednění.

Transparentní hliník je odolný vůči mechanickému opotřebení (je také neprůstřelný). Dokonce je odolnější než hlinitokřemičité sklo a o 85 % tvrdší než safír (krystalický oxid hlinitý). Rezistenci vykazuje i ve vztahu k teplotě a tepelnému záření (odolá i 2100 °C), kyselinám, zásadám a vodě. Využíván je armádou i optickým průmyslem, ve stavebnictví se z něj vyrábějí nárazuvzdorná a senzorická okna, kupole a další prvky.

Průhledný hliník lze dokonce vyrobit i v jeho elementární kovové formě, jež se stává transparentní vlivem účinků rentgenového záření (FLASH laser). Účinek záření však přetrvává jen několik femtosekund. Průhledný hliník je v každém případě zatím velmi drahým materiálem a na případnou komerční výrobu si tedy budeme muset ještě nějakou dobu počkat.

Hliník, materiál 21. století

Hliník neboli aluminium. Třetí nejhojněji zastoupený prvek v zemské kůře, který průmysloví zpracovatelé separují z horniny bauxitu. Před lety téměř zapovězený materiál, kterého je…

Hydrokeramika

V rámci snah o nalezení nového nástroje pasivního chlazení interiérů, který by umožnil snižovat spotřebu energie na klimatizaci, byl vynalezen slibný kompozitní materiál na bázi hydrogelu (polymer nerozpustný ve vodě se schopností vázat vodu), jílu a pružné tkaniny. Představili jej v roce 2014 výzkumníci Institutu for Advanced Architecture of Catalonia. Ti na základě testování zjistili, že je schopen ochlazovat interiéry budov o 5 °C.

Jde o desku tvořenou třemi vrstvami:

• Interiérová keramická část konvexního tvaru s obsahem hydrogelu
• Vnitřní pružná absorpční tkanina
• Exteriérová keramická vrstva

Systém využívá schopnosti hydrogelu absorbovat 500x více vody, než je jeho vlastní hmotnost. V okamžiku, kdy se tato vlhkost začne vypařovat, ji okolní keramická masa a speciální tkanina absorbují. Současně s tím dochází ke zmenšování objemu hydrogelové složky a co především – k ochlazování okolního prostoru. Dochází tak k efektivní regulaci vlhkosti i teploty, přičemž hydrokeramiku lze díky snadné dostupnosti jílu a nízkým výrobním nákladům hydrogelu aplikovat i v chudých či odlehlých oblastech.

Aerogel

Syntetický ultralehký materiál na bázi gelu – aerogel – byl poprvé vyroben Samuelem Stephenem Kistlerem v roce 1931. Ten dokázal nahradit kapalinu plynem, aniž by se změnila struktura gelu. Nejprve pracoval se silikagelem, později pokračoval s aerogelem na bázi oxidu hlinitého, oxidu chromu a oxidu cíničitého.

Aerogel sestává z 99,8 % ze vzduchu. Vzdáleně připomíná křehký polystyren, je velmi pevný a má extrémně nízkou hustotu a nízkou tepelnou vodivost (dokonce nižší než samotný plyn, který obsahuje). Vyrábí se z různých chemických sloučenin, první komerční výrobek aerogelu spatřil světlo světa na konci osmdesátých let, v současnosti je jako vynikající tepelný izolant žádaným materiálem průmyslového měřítka. Zajímavostí je, že tepelný odpor aerogelové izolace nezávisí na její tloušťce, což svědčí o tom, že v izolaci byla potlačena tepelná vodivost daná statistickým pohybem a vibracemi hmotných částic (vznik tzv. teplotního plata [1]) a že dominuje prostup tepla sáláním. Jeho vliv je ovšem silně omezen vysokou termoreflexí. O aerogelu píšeme také v článku Tepelné izolace aneb Posun od slámy přes pěnu až po aerogel .

Zdroje:

• https://www.concretecanvas.cz/
• https://www.dezeen.com/2022/03/15/hemp-rebar-low-cost-low-carbon-alternative-steel-design/
• https://www.usda.gov/media/blog/2020/10/01/transparent-wood-could-be-window-future
• http://www.surmet.com/technology/alon-optical-ceramics/index.php
• https://www.taun.cz/01-richlite.html
• https://iaac.net/project/hydroceramic/
• [1] https://www.stavebnictvi3000.cz/clanky/tepelne-zareni-a-navrhovani-reflexnich-folii-do-staveb