PergolyBeton s optickým vláknem: Inovace ve stavebnictví
Vláknobeton, v mezinárodní terminologii obvykle FRC (Fibre Reinforced Concrete), je kompozitní materiál s cementovou matricí doplněnou vlákny, které mají zlepšovat jeho mechanické i další technické vlastnosti.
Dlouhodobé studium vláknobetonu, tj. kompozitního materiálu s cementovou matricí, jehož struktura je vyztužena zpravidla náhodně rozptýlenými vlákny (nejčastěji ocelovými), prokazuje dobré mechanické i další technické vlastnosti, které umožňují jeho využití pro nosné konstrukce. Toto stimuluje vývoj metod, pokud možno nedestruktivních či málo invazivních, pro vyšetřování jeho struktury, podmiňující klíčové mechanické vlastnosti, např. odolnost vůči porušení při tahovém namáhání.
Historie a Vývoj Vláknobetonu
Vláknitý kompozit tvořili ve své době už Babyloňané, přírodní vlákna jako slámu či koňské žíně přimíchávali za účelem snížení křehkosti do jílu, z něhož vyráběli cihly, a do omítek. Příkladem uplatnění vláken je také dříve oblíbený azbestocement (eternit) či sklovláknocement. Později začal být beton obohacován o ocelová vlákna (drátkobeton) i další materiály - čedičová vlákna a polymerická mikro- či makrovlákna. Patrná je také snaha o uplatnění vláken přírodního původu.
Experimentování i s tak tradičními materiály, jako je beton, přináší zrychlení konstrukčních procesů a především zvýšenou odolnost staveb, které tak slouží mnohem déle než kdy dříve. V tomto článku je řeč o vláknobetonu, tedy kompozitu s cementovou matricí doplněnou vlákny, jež ztužují strukturu cementové hmoty a výrazně vylepšují vlastnosti finálního produktu.
Termíny jako vláknitý kompozit, dobrá duktilita či ultra vysoká pevnost, jež zmiňujeme v textu, se vztahují k moderním betonovým materiálům, jejichž původ lze sice dohledat už v dávných dobách, ale až vývoj posledních desetiletí je posunul na zcela novou úroveň.
Čtěte také: Pohledový beton a bednění
Nárůst četnosti aplikací vláknobetonu pro konstrukční účely reflektují postupně i technické normy. Působení vláken přidaných do cementové matrice lze zohlednit např. podle německé směrnice [Daf], která na úrovni zákonného předpisu doplňuje normu [DIN], v České republice však vhodná technická norma dosud chyběla. Tuto mezeru se nyní snaží zaplnit trojice návrhů [Č51], [Č52] a [Č53], z nichž první je věnován klasifikaci vláknobetonů, druhý a třetí pak jejich zkoušení v čerstvém a ztvrdlém stavu; o jejich přípravě zevrubně informuje [Han].
Typy Vláknobetonu a Jejich Vlastnosti
Vlákna mohou být polyetylenová, polypropylenová, polyesterová apod. různých velikostí a tvarů, ale i skelná či (velmi často) kovová. Z kovových vláken se nejvíce používají ocelové drátky; takový vláknobeton se pak označuje jako drátkobeton.
Konkrétní vlastnosti kompozitu se pak odvíjejí od objemového podílu vláken, jejich tvaru a velikosti, typu materiálu, jímž jsou vlákna tvořena, či jejich aplikovaného množství (obvykle 0,1-3 % v celkovém objemu).
- Mikropolypropylenová vlákna: Určená do vláknobetonu, zachycují napětí vytvářené objemovými změnami betonu a omezují nebo zcela zabraňují vzniku trhlin. Zabraňují opadávání betonu v okrajových částech konstrukce a celkově zlepšují soudržnost betonu v detailech, například na hranách.
- Drátkobeton: Beton obohacený o ocelové drátky je často využíván do velkých průmyslových podlah s vysokým zatížením. Obdobně jako u polypropylenového vláknobetonu omezuje vznik smršťovacích trhlin a deformací betonu. Rozptýlená ocelová vlákna však mohou v určitých případech nahradit klasickou betonářskou výztuž. Volbou drátkobetonu je možné snížit riziko nesprávného vyztužení nebo posunutí výztuže, například při hutnění betonu.
- Sklovláknobeton: Lze vidět hlavně na fasádách staveb, v interiérech, ale také jako materiál pro výrobu akustických panelů.
Vysokohodnotné betony s ultra vysokou pevností (UHPC)
Mezi betony s rozptýlenou výztuží jsou správně řazeny i vysokohodnotné betony s ultra vysokou pevností (UHPC - Ultra High Performance Concrete). Jde o cementové kompozity vyznačující se vysokým obsahem cementu, malou frakcí kameniva (zpravidla v řádu jednotek milimetrů), extrémně nízkým vodním součinitelem (okolo hodnoty 0,2) a všesměrně rozptýlenou vláknitou výztuží (nejčastěji ocelovou).
Tento moderní materiál disponuje velmi vysokou pevností v tlaku (nad 150 MPa), v tahu (obvykle přes 25 MPa) i za ohybu, dále vysokým modulem pružnosti, odolností proti obrusu, při aplikaci značnou tekutostí a konečně dlouhou trvanlivostí. To pak umožňuje zmenšit průřezy konstrukcí a snížit jejich hmotnost. Jde tedy o ideální materiál pro architekty, s nímž lze navrhovat subtilní nevyztužené, vzhledově stabilní a přitom tuhé konstrukce.
Čtěte také: Jídelní stůl MDF beton: Co zvážit?
Náklady na výrobu UHPC jsou vyšší než u běžného betonu, trvanlivost konstrukcí (údajně více než 200 let) je však opodstatňuje. Uplatnění nachází zatím zejména u nosných konstrukcí mostů a lávek, při sanacích starších betonových konstrukcí nebo například v podobě tenkých fasádních prvků.
Duktilní neboli ohebný beton (ECC)
V posledních letech je hojně skloňován také termín duktilní neboli ohebný beton (mezinárodní zkratka ECC - Engineered Cementitious Composite). Vyztužen je asi dvěma procenty sekaných polyvinylalkoholových vláken, která disponují vysokou pružností, a vyráběn je bez použití hrubého kameniva. Mikrovlákna se chovají jako vazy, jež dodávají betonu pevnost. Tento kompozit údajně disponuje 300- až 500krát větší pevností v tahu než standardní beton a je také schopen absorbovat velké množství energie bez vzniku poruch.
Transparentní Beton s Optickými Vlákny (LTC)
Transparentní beton, který je známý také jako světelný beton nebo luminiscenční beton, je speciální druh betonu, který umožňuje průchod světla skrz materiál. Tento inovativní materiál se používá především pro architektonické a designové účely, kde je požadována průhlednost a propustnost světla.
Vyroben je tak, že se do směsi betonu přidávají optická vlákna z plastu nebo skla. Tato vlákna jsou rozmístěna ve směsi betonu tak, aby umožňovala průchod světla. Výsledný materiál je pevný, odolný a má schopnost propouštět světlo. Název světlopropustný beton zní na první dobrou jako nesmysl. Když se ovšem o tento materiál budete zajímat více, pochopíte, že jde o produkt s fascinujícími vlastnostmi, širokými možnostmi použití, nesmírnou variabilitou a obrovským potenciálem.
„Největším přínosem světlopropustného betonu je jeho schopnost přenést přirozené denní světlo do prostorů či místností, kam to za použití standardně realizovaných konstrukcí není jinak technicky možné. Jsme pak schopni pro uživatele budov vytvořit vnitřní prostředí splňující hygienické požadavky na jeho osvětlení a proslunění, a tak v něm vytvořit světelnou pohodu. Vedlejším produktem je navíc architektonicky a esteticky zajímavá konstrukce tvořící světelné efekty a stíny, a to jak v interiéru, tak v exteriéru budov,“ vysvětluje Ing. arch. Nikola Štochl, Ph.D.
Čtěte také: Beton Brož: Alternativa k pravému dřevu
Historie a Vývoj Světlopropustného Betonu
První zmínka o betonu propouštějícím světlo pochází z roku 1922, kdy německý vědec Paul Liese podal patentovou přihlášku na toto téma ve Spojených státech. Pan Liese se podílel na vývoji betonových panelů a tvárnic pro svislé a vodorovné konstrukce. Patent mu byl nakonec udělen v roce 1925. LTC byl také zmíněn v kanadském patentu z roku 1935. Od té doby se na vývoji světlopropustného betonu podílela řada studií a vědeckých výzkumníků.
Prvním, kdo vynalezl beton propouštějící světlo, jak jej známe dnes, byl maďarský architekt Aron Lasonczi. V roce 2001 použil optická vlákna náhodně přimíchaná do betonové směsi k vytvoření většího bloku betonu, který pak separoval na jednotlivé unifikované desky požadovaných rozměrů. Tento postup vymyslel s kolegy na Technické univerzitě v Budapešti. Materiál byl jako ochranná známka registrován v roce 2001. V roce 2004 pak založil architekt a vynálezce Aron Lasonczi společnost LiTraCon Bt. se sídlem ve městě Csongrád v Maďarsku, která je jediným distributorem materiálu LiTraCon.
Složení a Výroba LTC
LTC neboli světlopropustný beton je tvořený betonovou směsí ideálně s vlastnostmi vysokohodnotných betonů typu HPC nebo UHPC, a to dle pevnostních požadavků, které jsou na výsledný produkt kladeny. Do betonové směsi je následně vložena 3D síť ze skleněných vláken nebo jsou do směsi přimíchána polymerová vlákna ke zlepšení schopnosti materiálu přenášet větší zatížení.
Hlavní složkou jsou pak plastová optická vlákna z materiálu PMMA (známá jako POF - plastic optical fibers), která slouží k přenosu světla. Mohou být do formy vložena náhodně nebo umístěna do pravidelné rastrové sítě, záleží na zvoleném způsobu výroby. Nejsou vhodná skleněná optická vlákna, protože chemické složení cementové směsi je vůči materiálům na bázi skla agresivní, z toho důvodu, že sklo není alkalirezistentní materiál.
Výroba desek ze světlopropustného betonu je značně nákladná a technologicky složitá. Je nutné dodržovat přísnou technologickou a výrobní kázeň, aby prvky nevykazovaly kvalitativní a estetické vady. Elementy, které se do materiálu přidávají, jsou už samy o sobě velmi drahé, čímž se cena výsledného produktu výrazně zvyšuje. Optimalizací prefabrikace a zvýšením poptávky je cenu samozřejmě možné redukovat.
Aplikace Vláknobetonu a Transparentního Betonu
Vlákny obohacený beton, v mezinárodní terminologii často označován zkratkou FRC (Fibre Reinforced Concrete), přináší snížené náklady na údržbu a delší životnost. Jde o důsledek vylepšených vlastností, zejména omezení vzniku trhlin při tahovém namáhání, větší tuhosti či vyšší požární odolnosti. Díky záměně tradiční ocelové prutové výztuže za rozptýlená malá vlákna lze při masivnějším rozšíření vláknobetonu v budoucnu očekávat, že jeho produkce bude ve srovnání s běžným železobetonem také rychlejší, jednodušší a zároveň levnější.
Z vláknobetonu se vyrábějí nejen dekorativní interiérové i exteriérové architektonické prvky jako fasádní desky a jiné prefabrikáty, ale je aplikován i do základových desek či parkovacích ploch a využíván třeba do nosníků, vazníků či střešních prvků. Polypropylenový vláknobeton se uplatňuje ve stavebních prvcích, jež musejí být odolné proti rázu - polymerová vlákna nacházejí své místo například při výrobě segmentů ostění tunelů, kde napomáhají zvýšit požární odolnost a mrazuvzdornost. Časté je také využití vláknobetonu jako obkladu silnic, mostů či přistávacích drah, ale uplatní se také při restaurování památek.
Pro vytvoření architektonických děl o tenkých skořepinách je totiž nutné, aby byl beton pružný, odolával zatížení tahem, byl trvanlivější a rezistentní vůči vzniku trhlin. Na rozdíl od běžného železobetonu, který může snadno prasknout, je vláknobeton obvykle odolnější i při tlumení nárazů (bez prasklin).
Příklady aplikací
- Muzeum MMM Corones na vrcholu italského Kronplatzu (pohoří Dolomity) bylo v interiéru i exteriéru obloženo sklovkláknobetonovými panely v odstínu připomínajícím okolní skály.
- Mohutný objekt Muzea sinchajské revoluce v čínském Wu-chanu je obložen 30 000 m2 červeného fotokatalytického sklovláknobetonu.
- I na hojně oceňovanou administrativní budovu Main Point Karlín v Praze byly použity fasádní prvky z vytlačovaného, lisovaného a ohýbaného sklovláknobetonu.
- Fasáda Galerie Nadace Louise Vuittona sestává z 19 tisíc unikátních prefabrikátů z bílého UHPC betonu.
Aplikace transparentního betonu (LTC)
Z estetického hlediska a k umocnění vjemů vidí architekt Nikola Štochl největší využití materiálu u staveb, jako jsou galerie, muzea, výstavní pavilony či koncertní síně, kde se může vzájemně doplňovat s hudbou, obrazy, sochami nebo exponáty, a tudíž poskytnout návštěvníkovi ojedinělý smyslový zážitek, jaký doposud nepoznal.
Z funkčního hlediska vidí jeho využití v prostorech garáží, podzemních staveb, komunikačních prostor zahrnujících schodiště, chodby nebo lobby, kam by mohl materiál přivést denní osvětlení nezvyklým způsobem. „Uplatnění nalezne i na veřejných prostranstvích, jako jsou náměstí a památníky, kde můžeme například instalací umělého osvětlení pod dlažbu vytvořit zajímavé světelné elementy a interakci mezi samotnou stavbou a návštěvníkem. Nejvíce si ale myslím, že bude využit jako obkladový materiál fasád budov, respektive v kombinaci s lehkým obvodovým pláštěm.
Škála použití je značná, ale vzhledem k jeho ceně se ze světlopropustného betonu nikdy nestane masivně užívaný stavební materiál. Podle něj lze s použitím umělého zdroje světla za LTC deskami vytvořit velmi zajímavé efekty. „Představte si fasádu objektu, na které je tento materiál nainstalován. Budova obložená deskami ze světlopropustného pohledového betonu přes den vypadá naprosto obyčejně, ale v noci ji za pomoci umělých zdrojů světla umístěných v meziprostoru nosné konstrukce pro obklad můžeme posunout do nové dimenze. Oživíme ji světelnou projekcí, čímž na ní vytvoříme jednoduchý rastrový obraz. Pokud bude navíc umělé osvětlení softwarově řízeno a přidáme hudbu, získáme další audiovizuální rozměr, který je v architektuře zatím nevídaný.
Realizované stavby s LTC
Ing. arch. Nikola Štochl, Ph.D., říká, že po světě můžeme vidět mnoho krásných realizací a staveb, které světlopropustný beton využívají. Jeho použití je většinou spojeno s osvíceným investorem či společností, která se chce odlišit inovativním moderním designem.
- V roce 2002 byl světlopropustný beton poprvé použit na povrchovou dlažbu náměstí v centru Stockholmu.
- V roce 2004 byl tento materiál použit při stavbě soukromého domu v Budapešti.
- V německé vesnici Sittelsen byl postaven experimentální betonový dům s jednou stěnou z bílého průsvitného betonu.
- Realizace Evropské brány v maďarském Komárně, o kterou se zasloužila společnost Litracon, je 4 m vysoká socha z bloků postavená v roce 2004 na oslavu vstupu Maďarska do Evropské unie. Evropská brána získala německou cenu Red Dot 2005 Design Award za neobyčejný design.
Ověřování Materiálových Vlastností Vláknobetonu
Při vyšetřování výsledných mechanických vlastností vláknobetonu se klade důraz na zkoušku trámce o velikosti 150 × 150 × 700 mm čtyřbodovým ohybem na rozpětí 600 mm; určují se pevnosti v tahu:
- při vzniku makrotrhliny za předpokladu kvazielastického chování materiálu,
- při průhybu trámce 0,5 mm za předpokladu elastického chování materiálu v tlačené oblasti a plastického chování v oblasti tažené,
- při průhybu trámce 3,5 mm za předpokladu plně plastického chování materiálu.
Stanovení mechanických vlastností podle existujících či připravovaných technických norem nicméně vyžadují přinejmenším důkladné destruktivní zkoušky vzorků v dobře vybavené laboratoři.
Nedestruktivní metody testování
Vzhledem k obecné nepřijatelnosti destruktivního testování, nedostatečné informaci o množství vláken z fotografických i rentgenografických snímků a nákladnosti a omezenosti tomografického snímkování je účelné hledat alternativní, pokud možno nedestruktivní metody pro identifikaci množství vláken a nejlépe i pro současnou identifikaci jejich rozložení. Tyto metody jsou vesměs nepřímé, tedy vycházející z analogie s jinými fyzikálními procesy.
Fotografické a radiografické snímkování
Využití fotografického i radiografického snímkování představuje dnes již klasický nedestruktivní přístup k získávání informací o struktuře vláknobetonu, zejména rozložení vláken. Zdánlivě nejjednodušší pořizování běžných fotografií vzorků využívá odlišné světelné odrazivosti lesklých vláken a matné cementové matrice; použitelnost přístupu přinejmenším pro kovová vlákna je tak zřejmá.
Bez složité přípravy nařezaných vzorků se obejde radiografické snímkování. Přesnost zjišťování rozložení vláken značně závisí na kvalitě a případné další úpravě snímků. Pro vyhodnocení rovinných snímků se nabízí rychlá diskrétní Fourierova transformace (algoritmus FFT, tj. „Fast Fourier Transform“).
Počítačová tomografie (CT)
Vyšší vývojový stupeň zpracování obrazů představuje průmyslová počítačová tomografie. Pro konkrétní vzorek je tento přístup schopen poskytnout zcela přesné údaje o množství i rozložení vláken (v případě rozložení včetně prostorového zobecnění směrových růžic), což jej předurčuje jako vhodný ke kalibraci jiných, zejména nepřímých metod.
Zkoušení vzorků (i jednotlivých) je obecně velmi nákladné; přesnost určení množství i rozložení vláken pro daný vzorek může být až absolutní, opakovatelnost experimentu však omezuje mj. vysoká cena za provoz zařízení včetně specializovaného vyhodnocovacího softwaru.
Elektromagnetické metody
Elektromagnetické metody, vhodné především pro kovová vlákna, jsou založeny na rozdílné (relativní) magnetické permeabilitě, resp. dielektrické permitivitě, případně i dalších materiálových charakteristikách vláken a matrice v kompozitním materiálu.
V rámci elektromagnetických měření se jako nejjednodušší nabízí analýza stacionárního magnetického pole, jejíž možnou praktickou realizaci, fungující na základě Hallova jevu, ukazuje levá část obr. 4: permanentní magnet generuje magnetické pole, jehož zeslabení, měřené v jistých (obezřetně volených) vzdálenostech od magnetu, vypovídá zprostředkovaně o množství vláken, méně již (neprovádí-li se experiment opakovaně v různých směrech) o jejich rozložení. Omezením metody je rychlé zeslabování intenzity magnetického pole v nevelké vzdálenosti od permanentního magnetu. Dosti spolehlivě lze určit množství vláken za předpokladu makroskopicky izotropní struktury materiálu.
Překonání kritizovaných nedostatků analýzy stacionárního elektromagnetického pole je (přinejmenším teoreticky) možné přechodem k analýze nestacionárního elektromagnetického pole. Mimo intenzitu magnetického pole H zde můžeme pracovat i s intenzitou elektrického pole E a s potřebnými materiálovými charakteristikami: dielektrickou permitivitou ε, elektrickou vodivostí σ a magnetickou permeabilitou μ.
Budoucnost Materiálové Vědy a Beton s Optickými Vlákny
Vláknobetony i UHPC přinášejí všeobecné snížení hmotnosti konstrukcí při současném zvýšení jejich odolnosti vůči mechanickým, ale také klimatickým vlivům. To vede k návrhu dříve nemyslitelných betonových struktur, které jsou zajímavé jak z estetického hlediska, tak především z pohledu jejich trvanlivosti. Navíc zrychlují proces výstavby, snižují celkovou spotřebu materiálu i vynaložené energie a vyžadují jen minimální údržbu.
V rámci všeobecné snahy o udržitelnost je ve stavebnictví kladen velký důraz na maximální zužitkovávání přírodních zdrojů. Často jsou však opomíjeny materiály s dlouhou životností, jejichž devízou může být i snadná recyklace (jako hliník či polystyren). Mnohdy patří k vysoce ekologickým stavebním prvkům. Podporujme nejen vývoj technologií, které jsou přívětivé k životnímu prostředí, ale také inovujme to, co již existuje.
Využití umělé inteligence (AI) a strojového učení (ML) výrazně urychluje inovace a vývoje nových materiálů. Díky tomu se doba potřebná k uvedení nových materiálů ve stavebnictví, energetice, automobilovém průmyslu a další průmyslové výrobě a na trh zkrátila z několika desetiletí na pouhé roky.
„Jestli bude patřit mezi materiály budoucnosti, je zatím otázkou,“ říká odborník. „Ale určitě bych si to přál, protože v něm vidím z architektonického hlediska neuvěřitelný potenciál a nabízí nezměrné množství využití. Především, jak již bylo zmíněno, při instalaci na fasádách objektů s LOP a v kombinaci s umělými zdroji světla a hudbou lze pro pozorovatele vytvořit nezapomenutelné zážitky. Musí však dojít k vývoji a zlevnění jednotlivých prvků, které jsou nezbytnou součástí LTC.“
tags: #beton #s #optickým #vláknem #informace
