Beton upravený kostem – inspirace přírodou pro odolnější stavby

Co kdyby se beton v důsledku enormních tlaků nehroutil, ale jen by řízeně praskal - a stával se tím vlastně silnější? Zní to podivně, ale tenhle mechanismus postupného zpevňování je blízký i lidským kostem.

Tradiční beton a jeho limity

Beton je téměř univerzální stavivo, jeden z nejčastěji aplikovaných materiálů na celém světě. Ročně se ho po celém světě vyrobí a zužitkuje nějakých 14 miliard kubíků. Proč? Protože je skvělý. Na místo stavby jej dostanete v polotekutém stavu; je snadno tvarovatelný a zpracovatelný do požadovaného tvaru. Když řádně ztvrdne, podobá se svými vlastnostmi kameni. Je nehořlavý, odolá vodě, vítr s ním nehne. Takže stavby a konstrukce z něj vyrobené mají vysokou stabilitu a odolnost.

K té vysoké odolnosti betonu se ale ještě hodí dodat, že platí jen, dokud se něco ošklivě nepokazí. Například? Když přijde na silné výbuchy, zemětřesení nebo jinou formu extrémní zátěže, dochází u betonu k tomu, co se dá eufemicky nazvat „náhlé selhání“. Beton prostě snese opravdu hodně, ale když zátěž na něj vyvíjená fyzicky přesáhne limity materiálu, odporoučí se do zapomnění i tohle zázračné stavivo.

Ilustrovat to můžeme na příkladu přírodní katastrofy, silného zemětřesení, které se samozřejmě pojí s nebývalou destrukcí. A to poslední, co si tak při zemětřesení přát je, aby se v důsledku tlaků, posunů, pnutí a otřesů ještě provalila betonová hráz přehrady; popadaly dálniční nadjezdy a mosty; sesunulo se metro; došlo k přervání vodovodních a elektrických kolektorů, zhroutila se elektrárna nebo se sesypaly jiné páteřní složky záchranné struktury města. Jen proto, že v důsledku té katastrofy stavební beton „náhle selhal“.

Inspirace lidskou kostí: cesta k odolnějšímu betonu

Dá se na tom ale něco změnit? Povaha betonu, pokud jde o jeho odolnost proti extrémům, se už asi nezmění a vyšší už asi nebude. Co se ale může změnit je forma. Upořádání, v jakém s betonem pracujeme. Není to nějaký nahodilý postřeh, ale ústřední myšlenka studie, kterou v odborném časopise Advanced Materials prezentovali vědci z Princetonské univerzity.

Čtěte také: Pohledový beton a bednění

Kde jsme už něco takového viděli? Nebo přesněji řečeno - kde už něco takového viděl Shashank Gupta, doktorand katedry pokročilých stavebních Princetonské univerzity a spoluautor studie? Zdroj své inspirace on a jeho kolegové neskrývají. Ostatně, každý ji u sebe zpravidla máme hned ve dvou exemplářích. V podobě holenních kostí v nohou.

Přesněji řečeno, to, co stálo za projektem toho strukturně zodolněného betonu, byl vnější plášť kortikální kosti. Která je, z konstruktérského hlediska, nesmírně chytře navržená. V té její vnější vrstvě jsou totiž v organické matrici zavěšeny četné eliptické trubicovité části (říká se jim osteony), které jsou pak obklopeny poměrně slabými rozhraními. Těm se mimochodem říká „cementové linie“.

K čemu jsou dobré? Kdykoli na kost působí napětí, tyto cementové linie poskytují to, je odborníky nazýváno „mikrostrukturálně výhodnou cestou pro trhliny“. Čímž vyvolávají vychýlení trhlin v rovině osteonů, v důsledku té interakce s cementových linií s trhlinami.

Nedá se to říct nějak jinak, lidskými slovy? Ten „obal“ na povrchu holenní kosti se postará o to, že kost se - alespoň ne hned - nezlomí. Místo toho tu destruktivní sílu rozvede po povrchu, systémem těch jakoby dutých a prasknutí dělaných prostor. Tohle konstrukční řešení stavby vnějšího obalu lidské kosti vypadá, jako by kost sama předjímala, že se třeba jednou bude možná pod tlakem lámat - a vznikající trhlinu sama preventivně vede tak, aby způsobila co nejmenší škodu a zachovala hybnost kosti. Nad tím bádal Shashank Gupta a jeho kolega, Réza Moini, poměrně dlouho.

„Primárně by se totiž dalo čekat, že beton vyložený dutými trubkami bude mnohem méně odolný.“ Odpověď, ono řešení, ale neležela ve vkládání nějaké výplně, jako spíš v její absenci. S využitím geometrie, velikosti, tvaru a orientace proluk a mezer mohli výzkumníci lépe podpořit a doslova naprogramovat interakci mezi trhlinami. „Zlepšili jsme tak vlastnosti betonu, aniž bychom museli obětovat jeho jiné vlastnosti,“ říkají inženýři.

Čtěte také: Jídelní stůl MDF beton: Co zvážit?

Jak je něco takového možné? Předvedli, jak taková betonově-cementová pasta - vytvarovaná do duté trubicovité architektury - může vytvořit stavební bloky až 5,6x odolnější proti praskání nebo „náhlému selhání“. Ve srovnání se standardním betonem. Není to tedy přímo o nějaké zázračné úpravě složení betonu, ale o jeho tvarování.

Přesnost a rozplánování těch geometrických konstrukcí byla samozřejmě dost komplikovanou záležitostí. Jenže když už se jednou přišlo na to, jak správně je skládat - aby se žádoucím způsobem inicioval mechanismus postupného zpevňování - šlo to už snadno. „Jedinečnost tohoto postupného přístupu spočívá v tom, že každé rozšíření trhliny je strukturně kontrolováno, což zabraňuje onomu náhlému katastrofickému selhání,“ říká Gupta. V praxi to vypadá tak, že namísto aby beton držel a po překonání limity se najednou zhroutil, odolává postupnému poškozování tím, že se „hroutí a praská“ více systematicky. A díky tomu je mnohem odolnější. Přesněji řečeno, 5,6x odolnější.

Inženýři z Princetonské univerzity předpokládají, že v rukou drží něco, co by se dalo velmi široce aplikovat na úrovni konstrukčních materiálů zpevňujících budovy.

Srovnání vlastností betonu: tradiční vs. nový upravený kostem

Samohojivý beton: inspirace z biologie

Když spojíte speciální druh houby a beton, vznikne ekologické a levné řešení, jak opravit malé praskliny staveb a předejít nákladným opravám. Takzvaný samoléčivý beton představili vědci z Binghamtonské univerzity v New Yorku, kteří se pro svůj nápad inspirovali lidským tělem. Klíčovou roli v novém betonu hraje houba s latinským názvem Trichoderma reesei. Spory této houby jsou i s živinami přimíchány do betonové směsi. Houba pak v betonu spí, ale jen do doby, než se objeví první mikroprasklina. S ní se totiž k houbě dostane kyslík a voda.

Koncept samohojícího se betonu ale není úplně nový, vědci už dříve představili beton, kde praskliny hojí nikoli houby, ale bakterie. „Neumíme pořádně ochránit bakterie v prvotním stádiu hydratace betonu. Mikroorganismům, ať už sporám hub nebo bakteriím, umožňují přežít v betonu tzv. mikrokapsule. V betonu ale samozřejmě nedokáže přežít každý organismus. Většině z nich totiž dělá problém vysoké PH betonu, které dosahuje až 12 stupňů. „Ve chvíli, kdy hydratují a vznikají hydratační produkty v betonu, tak je tam velká objemová změna a většina bakterií, ať už jsou ve sporách, nebo v mikrokapsulích, je rozdrcena.

Čtěte také: Beton Brož: Alternativa k pravému dřevu

Právě okem neviditelné praskliny jsou nejzrádnější a jsou spouštěčem větších a závažnějších problémů. Mikrotrhliny se vlivem vnějšího prostředí zvětšují a bez včasné a správné péče mohou zasáhnout například kovové výztuže staveb. Následná celková oprava je pak velice náročná a především finančně nákladná. Vedoucí výzkumu, Congrui Jinovou, vždy fascinovala zázračná schopnost těla hojit nejrůznější poranění, od modřin a škrábanců, po řezné rány a zlomeniny. A tak si řekla, zda by podobnou schopnost nemohl mít i beton.

Udržitelný beton pro budoucnost

Beton je nejpoužívanější stavební materiál na světě. Vyrábí se ho obrovské množství, a to s sebou nutně nese dopad na životní prostředí. Moderní stavebnictví se bez betonu neobejde. Hledají se nyní cesty, jak beton vyrábět, používat a vnímat udržitelně. Co si představit pod pojmem „udržitelný beton“? Beton s nízkou uhlíkovou stopou je dnes ve stavebnictví velmi diskutovaným tématem. Hlavní příčinou emisní zátěže betonu je výroba cementu, konkrétně jeho slínková složka. Snížením podílu slínku v cementu lze významně redukovat uhlíkovou stopu výsledného betonu. V praxi to znamená využívání cementů typu CEM II nebo CEM III, ve kterých je část slínku nahrazena příměsemi, jako je vysokopecní struska, popílek nebo vápenec.

Nízkoslínkový beton má však svá omezení - zejména pomalejší náběh pevností v raných fázích tvrdnutí nebo v zimním období. To může omezit jeho použití v konstrukcích, kde je požadována rychlá výstavba, brzké odbedňování, například u sloupů nebo stropních konstrukcí. Prokazování uhlíkové stopy zatím není metodicky jednoznačné.

Udržitelný beton je takový, který vydrží co nejdéle bez nutnosti častých oprav nebo předčasné demolice. Trvanlivost konstrukce výrazně ovlivňuje spotřebu materiálů v čase - čím déle stavba slouží bez zásahu, tím menší ekologickou stopu za sebou zanechá. Kvalitní návrh, správná receptura a odpovídající ošetřování čerstvého betonu jsou klíčem ke konstrukcím, které odolají i v extrémních podmínkách. Udržitelnost betonu není výsadou jen nových konstrukcí - udržitelný přístup je také maximalizovat životnost toho, co už existuje.

Sanace mohou prodloužit životnost konstrukcí o desítky let, a tím oddálit nutnost demolice a nové výstavby. Pro prodlužování životnosti lze použít speciální ultravysokohodnotné betonové směsi (UHPC), které díky své extrémní pevnosti a vysoké odolnosti vůči vlivům prostředí ochrání původní nosné části staveb. I když mají tyto betony vyšší uhlíkovou stopu, používají se jen v malém množství - jako tenké ochranné vrstvy, které významně zvýší životnost konstrukce.

Po skončení životnosti stavby může být beton opět využit - jako recyklované kamenivo pro nové betonové směsi. Beton z demolic lze roztřídit, upravit na požadované frakce a použít jako náhradu přírodního kameniva. I když má použití recyklátu své limity a nehodí se do betonu pro všechny typy konstrukcí, z hlediska úspory surovin a snížení stavebního odpadu je jeho význam zásadní.

Udržitelnost betonu není jen o jeho složení, ale o celkovém přístupu, který zohledňuje emise při výrobě, životnost konstrukce, možnost její obnovy i využití materiálu po skončení životního cyklu. Betonárny TBG Metrostav již dnes nejčastěji využívají k výrobě betonu směsný cement CEM II/B-S, který představuje vyvážený poměr mezi nízkou uhlíkovou stopou, nárůstem pevností a trvanlivostí.

Ošetřování betonu a vliv teplot

Ošetřování betonu je velmi důležité a první 2-4 dny zcela zásadní pak na celkovou životnost. V obvyklých podmínkách mají naše betony 7 denní pevnost již 90% té následné požadované pevnosti. Pro provoz v zimě využíváme na naší betonárně ohřev záměsové vody ( až 60´C), betonová směs má poté 17´C a více, hydratace cementu tak začne v obdobném čase jako během teplejších měsíců. U nás je samozřejmostí v zimě použití čistého cementu CEM I 52,5R, na naší provozovně pak máme v zimě také CEM I 52,5RFT Thomas Group (velmi rychlý nárůst hydratačního tepla i v nízkých teplotách).

Neexistuje často poptávaná přísada ´proti mrazu´ , všechny používané nebo dostupné přísady pouze podporují hydrataci cementu nebo odpuzují nadbytečnou vodu z uloženého betonu v kratším čase. Obecně lze konstatovat, že pokud klesne teplota betonové směsi pod 5°C, dochází k zastavení hydratace. V této fázi však ještě nedochází ke znehodnocení betonu.

Lidské kosti: složitá struktura a péče

Kost je čtyřikrát pevnější než beton a odolností vůči zátěži se vyrovná hliníku. Za tyto vlastnosti vděčí důmyslné stavbě. Pod pevnou kostí je ukryta kostní trámčina. Směr a hustota jednotlivých trámů jsou přesně „vypočteny“ na zátěž, jíž je konkrétní část kosti vystavena.

Kvalita kostí, jejich hustota a struktura, se vyvíjí celý život. Podílejí se na ní dva typy buněk: jedny odklízejí starou kostní tkáň a vytvářejí v kostech malé dutinky, které vyplňují bílkovinnou tkání, jež se postupně zpevňuje, především vápníkem.

Osteoporóza a její prevence

V důsledku osteoporózy častěji dochází ke zlomeninám. Naše republika je v rámci Evropy co do počtu osteoporotických zlomenin na dvanáctém místě. Ženám je osteoporóza nejčastěji diagnostikována po přechodu, kdy ztrácejí ochranu poskytovanou ženskými pohlavními hormony, estrogeny, které řídnutí kostí zpomalují. Mezi projevy osteoporózy patří i bolesti páteře. Dochází rovněž ke změnám jejího tvaru i celkového zakřivení a následně ke změnám její statiky a funkce.

To, že kosti potřebují vápník, ví každý. Ale proč může dojít k jeho ztrátám? Až 99 % vápníku je vázáno v kostech a zubech. Pokud je strava člověka nevyvážená a chybí v ní vápník, tělo ho začne odebírat z kostí a ty poté začínají řídnout. Řídnutí kostí ovlivňuje i genetika. Množství kostní hmoty je totiž asi z 60 % dáno geneticky, proto jsou rizikovým faktorem osteoporotické zlomeniny matek, které hrozí vysokým rizikem osteoporózy u dcer. Velmi důležité je myslet na osteoporózu včas.

K prevenci přispívá dostatečný přísun vápníku. Pokud jde o stravu, doporučuje se ovoce, tučné mořské ryby, luštěniny, vejce, mléko a mléčné výrobky, mák, mandle, brokolice, kapusta, květák či kedlubny, listová zelenina, sušené meruňky. Solit se doporučuje střídmě. Kosti vytvrzuje sluneční záření - prevencí je pobyt na slunci (nebo na čerstvém vzduchu) alespoň třicet minut denně.

Mléčné výrobky jsou samozřejmě důležitým, ale ne jediným zdrojem vápníku. Je to stavební materiál pro kosti a zuby, ale neméně důležitý je pro správné fungování nervů a svalů, pro průtok krve a aktivaci hormonů a enzymů. Ovšem i nadbytek vápníku může způsobit zdravotní potíže jako zácpu, nebo dokonce i poruchu srdečního rytmu. Především v případě, že z jakéhokoliv důvodu nepijete mléko a nejíte mléčné výrobky, je pro vás ideálním zdrojem vápníku mák. Obsahuje 1620 mg vápníku ve 100 gramech. Stejné množství sýra ho obsahuje pouze mezi 600 až 900 gramy.

Pohyb zlepšuje prokrvení kostní tkáně, které příznivě působí na stavbu kostí a posiluje je stejně jako svaly. Je v podstatě jedno, o jaký sport se rozhodnete, hlavní je, že se budete hýbat. U všech pohybových aktivit ale nezapomínejte na výběr kvalitní obuvi vhodné právě pro daný sport. Každá fáze kroku od došlapu k odrazu má vliv na všechny další klouby - kotníky, kolena, kyčle. Nikdo ale nemá chodidlo dokonalé a každý je má jiné, proto práci za nás musí udělat bezvadně odpružená a lehká bota.

Prospěšné jsou procházky či návštěvy fitnescentra, kde vám poradí vhodnou sestavu cviků. Velice vhodné je plavání, při kterém protahujete a posilujete svaly, aniž byste zatěžovali klouby. Na druhou stranu je třeba dát si pozor na jednostranné sporty a extrémní fyzickou zátěž. Zcela nevhodné jsou švihové a prudké pohyby, aktivity, kde hrozí pád, a pohyby s otřesy. Pro pacienty s nejzávažnějšími formami chorob, u nichž standardní léčba selhala či není možná, je dostupná biologická léčba.

Existuje „souvislost“ vápníku s pohybem. Z analýzy provedené s 13 000 tisíci dobrovolníky nad padesát let, zveřejněné v odborném časopise British Medical Journal, vyplývá, že pouhé užívání vápníku sice zlepšilo minerální hustotu kostí (o 1,8 % ročně), předejít zlomeninám však samo o sobě nepomohlo. Kromě příjmu vápníku (a dalších látek) je totiž důležité, abychom se pravidelně hýbali. Každý krok, který uděláte, vyvolává na vaši kostru tlak. Pokud se snažíte šetřit každým krokem, protože vás bolí nohy, neděláte dobře. Tak jako vaší nečinností slábnou svaly, také slábnou a měknou vaše kosti.

Jedním z nejdůležitějších pomocníků je vitamin D, který se stará o to, aby se do krevního oběhu dostalo přiměřené množství vápníku. Jeho zdrojem jsou sluneční paprsky. Ne vždy jsou ale k dispozici nebo vám nedělají dobře, a tak je důležité dostávat vitamin D do těla potravou nebo vhodnými potravinovými doplňky. Doporučená dávka pro dospělého člověka obsahuje například 100 g lososa, jedno vejce, 50 g makrely. Neméně jsou důležité i potraviny bohaté na hořčík, bez něhož by nedocházelo k tvorbě kalcitriolu, aktivní formy vitaminu D zodpovědné za zvyšování hladiny vápníku v krvi.

Vápník využijeme bezezbytku pouze s dalšími látkami a s přispěním tělesné aktivity. Jak víme, je nepostradatelný pro dobrý vývoj a funkci našich kostí a zubů, napomáhá práci srdce, svalů, cév, nervové soustavy, ovlivňuje funkci některých hormonů, přispívá ke srážení krve. V kostech a zubech je v lidském organismu vápník zastoupen ve formě solí s kyselinou fosforečnou, v krvi je vázaný na albumin, v mezibuněčné tekutině je v iontové formě nebo v komplexech s některými biomolekulami. Protože vápník je nezbytný pro zdravý vývin a růst kostí a zubů, je důležité, aby se pravidelně vyskytoval především v jídelníčku dětí a dospívajících.

Distribuci a využití vápníku řídí některé hormony štítné žlázy a příštítných tělísek. Pro jeho využití je důležitý i prvek hořčík. Nedostatek některého z těchto faktorů je příčinou křivice neboli rachitidy. Nedostatek vápníku, respektive vitaminu D, v dětství je podezřelý jako jeden z možných faktorů vyvolávajících později roztroušenou sklerózu. Například denní potřeba hořčíku je ve srovnání s vápníkem asi poloviční - 400 mg. Na rozdíl od vápníku není tento minerál klíčový pro pevné tkáně. Jeho nedostatek je spojen zejména s poruchami nervosvalové dráždivosti.

tags: #beton #upraveny #kostem #informace

Oblíbené příspěvky:

• Průvodce lepením podlahových lišt
• Levné zahradní garáže se sedlovou střechou
• Dřevěné vláčky Chuggington a kompatibilita
• Zkušenosti s dřevěnou hrazdičkou
• Dřevěné hračky: Výroba a význam