Jedným z najpreverovanejších materiálov súčasnosti je betón. Hoci patrí k najstarším a najpoužívanejším hmotám, bez ktorých sa nezaobíde takmer žiadna stavba, je na ňom stále čo vylepšovať. Dôvodom je jeho sklon k rozkladu, ak je vystavovaný vlhkosti a záťaži. Výskumníci po celom svete sa preto neustále usilujú o vylepšenie betónovej zmesi.
Betón so samoregeneračnými schopnosťami
Medzi odborníkov zaoberajúcich sa výskumom betónových zmesí patrí Henk Jonkers z Delft University of Technology, ktorý v roku 2015 predstavil verejnosti nádejnú biotechnologickú novinku. Obohatil betón o kapsule naplnené baktériami a živinami umožňujúce sa týmto organizmom množiť. V okamžiku kontaktu kapsule s vodou (teda ak dôjde k prieniku vlhkosti skrz nežiaduce trhliny v betónovej konštrukcii) dochádza k aktivácii baktérii, ktoré následne začínajú produkovať vápenec. Ten vyplní praskliny v betóne, ktorý sa tak „sám regeneruje“. (Viac informácii k dispozícii v článku Betón so samoregeneračnými schopnosťami.
Podobný výskum bol vykonávaný aj v Kórei, kde do betónovej zmesi pridali kapsule s polymérovou výplňou. Táto výplň pri kontakte s vlhkosťou napučí a taktiež vypĺňa trhliny. Ďalší taký výskum bol vykonaný na Worcester Polytechnic Inštitúte (WPI). Tu vyvinuli biobetón s obsahom enzýmov reagujúcich s kryštálmi uhličitanu vápenatého. Tie uvoľňujú CO2, v dôsledku čoho dochádza aj k vyplňovaniu trhlín (až 1 milimeter priestoru denne). Okrem toho tieto prísady vylepšujú aj pevnosť betónu. Vedci z Universtity of Colorado zase regenerujú stavebné materiály (popri betóne aj keramiku) s pomocou fotosyntézy baktérií. Ich biobetón je tvorený kolóniami siníc rodu Synechococcus naočkovanými do roztoku piesku a želatíny.
Pružný betón
Popri problémoch s prasklinami je predmetom výskumov aj zaťažovanie betónových konštrukcií. V roku 2014 vyvinuli v Singapure (na Nanyang Technological University) pružný betón vyznačujúci sa nadpriemernou pevnosťou v ohybe a trikrát vyššou pružnosťou než akú vykazuje tradičný betón. Nový materiál nazvaný ConFlexPave má byť vďaka obsahu veľmi tenkých polymérnych mikrovlákien, ktoré rozkladajú zaťaženie na celú betónovú dosku, pevný ako kov.
Na to nadviazali špecialisti z austrálskej Swinburne University of Technology. Tí vytvorili bezcementovú zmes s podobnými vlastnosťami. Ide o hmotu obsahujúcu popolček a geopolymérne kompozity (odpad uhoľných elektrární). Je 400x pružnejší ako tradičný betón pri zachovaní rovnakej úrovne pevnosti v ohybe. Geopolyméry tu tiež vylepšujú odolnosť konštrukcií voči vzniku mikrotrhlín a tento betón je preto možné uplatniť aj v oblastiach s častým výskytom zemetrasení.
Flexibilné betóny sú okrem iného skvelým architektonickým nástrojom, ktorý umožňuje navrhovať doposiaľ nevídané betónové tvary a dizajn.
Betónová tkanina
Vysokou elastickosťou sa vyznačujú aj geosyntetické cementové kompozitné rohože. Ide o prefabrikovanú betónovú textíliu opatrenú impregnáciou, ktorá tuhne až pri kontakte s vodou. Na stavenisko je dopravovaná v roliach, ktoré sú za pomoci zdvíhacích zariadení rozvinuté na zhutnený podklad, po čom nasleduje postrek až do premočeného stavu. Výsledkom je pevná, hydroizolačná a odolná betónová vrstva. Využitie nachádza či už ako obklad vodných kanálov a hrádzí, tak aj na ochranu svahov či pri sanácii starších narušených betónových konštrukcií.
Konopná výstuž
Príčinám predčasných demolácií betónových konštrukcií dominuje problém s koróziou oceľovej výstuže, ktorá významne znižuje trvanlivosť týchto konštrukcií. Vedci v americkom Rensselaer Polytechnic Inštitúte preto predstavili jej alternatívu v podobe konope, ktorého vlákna patria k najsilnejším rastlinným vláknam. Konopná výstuž je vyrábaná pultruzným spôsobom, kedy vlákna sú ťahané spolu s termoplastmi do vyhrievanej matrice, potom sú tavené a tvarované do podoby tyče. Presný recept na túto zmes prírodných a plastových vlákien je stále ladený, testovanie doposiaľ prebieha a autori výskumu sa usilujú tiež o to, aby bola výroba maximálne konkurencieschopná a lacnejšia, než je tomu v prípade produkcie oceľových výstuží a ďalších nekorodujúcich alternatív.
Konope sa používa aj na výrobu prefabrikovaných panelov (z konope a vápna), z ktorých sú budované domy. Panely sú priedušné, prirodzene regulujú interiérovú vlhkosť a odolávajú plesniam.
Transparentné drevo
Pri prírodných materiáloch ešte zostaneme a spoločne sa pozrieme na drevo, konkrétne na balzovník juhoamerický. Ten veľmi rýchlo rastie, dospelosť dosahuje už v piatich rokoch a jedná sa teda o rýchlo obnoviteľnú surovinu. Výskumníci americkej Laboratória lesných produktov (Forest Products Laboratory) ho v spolupráci s odborníkmi University of Maryland použili na výrobu transparentného dreva.
Balzové drevo napustili špeciálnym roztokom a následne pridali epoxidovú živicu. Výsledný produkt je takmer rovnako priehľadný ako sklo, oproti ktorému však ponúka päťkrát väčšiu pevnosť, nižšiu mernú hmotnosť a podstatne lepšiu tepelnú izoláciu. Vďaka obsahu prírodnej celulózy je toto drevo navyše veľmi pružné, odoláva aj nárazom (za určitých podmienok ho možno rozlomiť, ale netriešti sa). Aj jeho výroba je efektívna – materiál je kompatibilný s existujúcimi priemyselnými technológiami – a nevyžaduje ani veľké energetické vstupy (ako je to pri procese výroby skla, kedy dochádza k veľkej spotrebe elektrickej energie). V budúcnosti možno teda očakávať, že nahradí súčasné okenné zasklenie či plasty.
Richlite
Z menej známych materiálov spomeňme papierový kompozit Richlite, ktorý je oceňovaný hlavne v oblasti ekologického staviteľstva. Je zvyčajne vyrábaný z odpadového papieru zlisovaného do tvrdých hladkých panelov, ktoré nahrádzajú drevené produkty. Je možné ho ľahko opracovávať (frézovať aj brúsiť) a spájať. Je odolný voči vlhkosti aj vysokým teplotám. Architekti a dizajnéri volia Richlite do svojich projektov aj pre jeho prirodzený a matný vzhľad umožňujúci jeho uplatnenie v rozmanitých interiérových aplikáciách (vrátane nábytku).
Transparentný hliník
K ekologickým surovinám zaraďujeme aj hliník vďaka jeho mimoriadne dlhej životnosti a jednoduchej recyklovateľnosti.
Aj tento materiál je možné navyše spriehľadniť. Najčastejšie ide o keramiku na báze oxynitridu hliníku (ALON – zlúčenina hliníku, kyslíku a dusíku chemického vzorca (AlN)X.(Al2O3)(1-X)), ktorá sa zahrieva na extrémne vysoké teploty a potom prechádza procesom leštenia. Tým je produkt vyleštený a dochádza k jeho spriehľadneniu.
Transparentný hliník je odolný voči mechanickému opotrebeniu (je tiež nepriestrelný). Dokonca je odolnejší než hliníkokremičité sklo a o 85 % tvrdší než zafír (kryštalický oxid hlinitý). Vykazuje rezistenciu aj vo vzťahu k teplote a tepelnému žiareniu (odolá aj 2100 °C), kyselinám, zásadám a vode. Je využívaný armádou aj optickým priemyslom, v stavebníctve sa z neho vyrábajú nárazuvzdorné a senzorické okná, kupole a ďalšie prvky.
Priehľadný hliník je možné dokonca vyrobiť aj v jeho elementárnej kovovej forme, ktorá sa stáva transparentnou vplyvom účinkov röntgenového žiarenia (FLASH laser). Účinok žiarenia však pretrváva len niekoľko femtosekúnd. Priehľadný hliník je v každom prípade zatiaľ veľmi drahým materiálom a na prípadnú komerčnú výrobu si teda budeme musieť ešte nejaký čas počkať.
Hydrokeramika
V rámci snáh o nájdenie nového nástroja pasívneho chladenia interiérov, ktorý by umožnil znižovať spotrebu energie na klimatizáciu, bol vynájdený sľubný kompozitný materiál na báze hydrogélu (polymér nerozpustný vo vode so schopnosťou viazať vodu), íl a pružné tkaniny. Predstavili ho v roku 2014 výskumníci Inštitútu for Advanced Architecture of Catalonia. Tí na základe testovania zistili, že je schopný ochladzovať interiéry budov o 5 °C.
Jedná sa o dosku tvorenú tromi vrstvami:
- Interiérová keramická časť konvexného tvaru s obsahom hydrogélu
- Vnútorná pružná absorpčná tkanina
- Exteriérová keramická vrstva
Systém využíva schopnosti hydrogélu absorbovať 500x viac vody, než je jeho vlastná hmotnosť. V okamžiku, kedy sa táto vlhkosť začne vyparovať, ju okolitá keramická masa a špeciálna tkanina absorbujú. Súčasne s tým dochádza k zmenšovaniu objemu hydrogélovej zložky a predovšetkým – k ochladzovaniu okolitého priestoru. Dochádza tak k efektívnej regulácii vlhkosti aj teploty, pričom hydrokeramiku je možné vďaka ľahkej dostupnosti ílu a nízkym výrobným nákladom hydrogélu aplikovať aj v chudobnejších či odľahlých oblastiach.
Aerogel
Syntetický ultraľahký materiál na báze gélu – aerogél – bol po prvýkrát vyrobený Samuelom Stephenom Kistlerom v roku 1931. Ten dokázal nahradiť kvapalinu plynom, bez toho aby sa zmenila štruktúra gélu. Najskôr pracoval so silikagélom, neskôr s aerogélom na báze oxidu hlinitého, oxidu chrómu a oxidu cíničitého.
Aerogel pozostáva z 99,8 % zo vzduchu. Vzdialene pripomína krehký polystyrén, je veľmi pevný a má extrémne nízku hustotu a nízku tepelnú vodivosť (dokonca nižšiu než samotný plyn, ktorý obsahuje). Vyrába sa z rôznych chemických zlúčením, prvý komerčný výrobok aerogelu uzrel svetlo sveta na konci osemdesiatych rokov, v súčasnosti je ako vynikajúci tepelný izolant žiadaným materiálom priemyslového meradla. Zaujímavosťou je, že tepelný odpor aerogelovej izolácie nezávisí na jeho hrúbke, čo svedčí o tom, že v iolácii bola potlačená tepelná vodivosť daná statickým pohybom a vibráciami hmotných častíc (vznik tzv. teplotného plata [1]) a že dominuje prestup tepla sáláním. Jeho vplyv je však silno obmedzený vysokou termoreflexiou. O aerogéle píšeme tiež v článku Tepelné izolácie alebo Posun od slamy cez penu 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
