Inovace betonu inspirovaná holenní kostí: 5,6x odolnější materiál

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. Je skvělý, protože 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 z lidské kostry

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. Uspořádání, 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.

Reza Moini a Shashank Gupta z univerzity v americkém Princetonu se při vývoji nových stavebních hmot inspirovali povrchovou vrstvou kostí označovanou také jako kortikální kost. Té dodávají na houževnatosti trubicovité útvary, takzvané osteony, uložené v organické hmotě a obklopené tenkou vrstvou materiálu, známou jako cementová linie. Mikroskopické trhliny se šíří právě touto linií, ale nepronikají do nitra osteonů, jež jsou pro pevnost kosti rozhodující.

Čtěte také: Průvodce zámkovou dlažbou "Kost"

Pozemské organismy vylepšovaly svou stavbu evolucí po miliony let, a tak není divu, že se v řadě případů dopracovaly k dokonalosti. Platí to i o našich kostech. Vzdorují nejrůznějším typům namáhání, a přitom jsou poměrně lehké. 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.

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.

Čtěte také: Praktické využití slonové kosti v interiéru

Výroba a vlastnosti nového betonu

Pevnost betonu se obvykle zvyšuje přídavkem různých vláken. Moini a Gupta se bez nich obešli a vsadili na vytvoření vnitřní struktury betonu připomínající kortikální kost. K výrobě polyuretanové formy s různě uspořádanými kanálky napodobujícími osteony využili 3D tisk. Po nalití betonu do formy vznikl blok o rozměrech 10 x 3 x 3 centimetry, který uvnitř skrýval prázdné kanálky oválného průřezu.

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.

Oba inženýři testovali různý tvar i velikost trubicovitých kanálků a měřili mechanické vlastnosti materiálu. „Zbývá nám ještě prozkoumat mnoho faktorů, jako je míra uspořádanosti kanálků, jejich velikost, tvar a orientace.“ Oba experti nezapomínají, že kost není tvořena jen tvrdou minerální složkou a na její stavbě se významně podílí i měkké bílkoviny, jako je kolagen.

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.

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.

Čtěte také: Pohledový beton a bednění

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

Typy betonu a jejich specifické využití

Hmotnost (objemová) betonu může nabývat hodnot od cca 400 kg/m3 do cca 6000 kg/m3. Betony s objemovou hmotností menší než 1000 kg/m3 plavou na vodě. Většinou se používají na nenosné konstrukce - spádové, vyrovnávací a izolační vrstvy.

Lehký beton má po vysušení v sušárně objemovou hmotnost větší než 800 kg/m3 a menší než 2000 kg/m3.

Betony s vysokou objemovou hmotností se nejčastěji používají na stínící konstrukce v provozech s některým druhem záření (radiologická oddělení v nemocnicích, výzkumných ústavech apod.). Beton je výborným materiálem pro ochranu před účinky ionizujícího záření. Výroba těžkých betonů vyžaduje speciální postupy při výrobě, dopravě a zpracování. Speciálně musí být připraveno i bednění.

tags: #kost #holenni #beton

Oblíbené příspěvky:

• Lepené hranoly z modřínu
• Průvodce betonováním podlah
• Průvodce pokládkou dlažby na balkony a terasy
• Navařovací kotevní trny pro izolaci
• Komplexní řešení odhlučnění koupelny