Inovativní kompozitní stavební materiály pro stavební prvky

Inženýrské stavitelství prochází revolucí díky moderním materiálům, které zásadně mění způsob, jakým navrhujeme a stavíme konstrukce. Od ultra-vysokopevnostního betonu až po chytré kompozity - nové stavební inovace přinášejí vyšší odolnost, delší životnost a efektivnější výstavbu. Moderní materiály hrají klíčovou roli v této transformaci. Díky pokroku v oblasti chemie, nanotechnologií a výrobních procesů dnes máme k dispozici širokou škálu inovativních řešení, která překonávají limity tradičních stavebních materiálů.

Geopolymerní kompozitní materiály

Inženýr Petr Louda, CSc., je jedním z vývojových pracovníků, kteří se zabývají kompozitními materiály. Vynález se týká kompozitního materiálu na bázi geopolymeru vyztuženého prostřednictvím dalších příměsí, které vylepšují jeho mechanické vlastnosti. Geopolymery jsou anorganické polymery vznikající polykondenzací hlinitokřemičitých materiálů v zásaditém prostředí, kterého se obvykle dosahuje pomocí speciálních aktivačních roztoků tvořených hydroxidy a oxidy alkalických kovů. Tyto materiály mohou být přírodního (metakaoliny) či umělého původu (odletový popílek). Při reakci vznikají tzv. polysialáty se zeolitickou strukturou. Tento proces imituje přírodní procesy vytvrzování hornin, byť je mnohem rychlejší. Geopolymery mají oproti portlandskému cementu (nejčastěji využívanému stavebnímu materiálu) vyšší pevnost v tlaku, odolnost proti vysokým teplotám, chemickým vlivům, nižší spotřebu energie a také emise CO2 při jejich výrobě a nižší tepelnou vodivost. Geopolymerní kompozity je možné využít jako alternativu betonu, především do prostředí, kde jsou lépe zužitkovány jejich vlastnosti.

Složení geopolymerního kompozitu

Popisuje se rychletuhnoucí geopolymerní kompozit pro speciální aplikace vytvořený na bázi geopolymerního cementu, který obsahuje cement složený z hlinitokřemičitého pojiva na bázi metakaolinu a/nebo mleté vysokopecní granulované strusky a/nebo odletového popílku ve zvoleném jednotkovém množství s dalšími příměsemi, kterými jsou alkalický aktivátor tvořený vodným roztokem křemičitanu sodného nebo draselného v množství tvořícím 65 až 112 % hmotnosti použitého geopolymerního cementu, sádra v práškové formě v množství 0,1 až 5 % hmotnosti geopolymerního cementu a/nebo disiřičitan sodný v práškové formě v množství 5 až 10 % hmotnosti použitého geopolymerního cementu a/nebo vysokoviskózní hydroxyethyl celulózu v práškové formě v množství 1 až 3 % hmotnosti použitého geopolymerního cementu a/nebo mikrosiliku o jemnosti 0,1 až 0,3 mn v množství 5 až 15 % hmotnosti použitého geopolymerního cementu a/nebo křemičitý písek o zrnitosti 0,1 až 0,63 mm v množství 5 až 200 % hmotnosti použitého geopolymerního cementu a/nebo uhlíková mikrovlákna o průměru 6 ± 1 mm a délkou vláken 6 mm v množství 1 až 5 % hmotnosti použitého geopolymerního cementu. Geopolymerní kompozit je vytvořen s příměsemi, vyjádřených v procentech hmotnosti použitého geopolymerního cementu.

Funkce přísad v geopolymerním kompozitu:

• Sádra zajišťuje rychlejší schnutí a lepší adhezi k povrchům, především k těm vertikálním, což směsi se sádrou činí ideálními pro využití jakožto odolných a izolujících omítek. Nicméně obsah sádry vyšší než 5 % hmotnosti cementu může vést k praskání geopolymeru.
• Uhlíková mikrovlákna a uhlíkové sítě zlepšují mechanické vlastnosti výsledného geopolymerního kompozitu, především pevnost v tahu za ohybu, která není u samotného geopolymeru příliš dobrá.
• Disiřičitan sodný slouží jako emulgátor tekuté směsi a urychluje geopolymerizaci.
• Celulóza brání praskání směsi a zvyšuje elasticitu směsi, což zlepšuje možnost nanášení kompozitu na různé povrchy.
• Křemičitý písek a mikrosilika zpevňují geopolymerní směs a zvyšují její trvanlivost i chemickou odolnost.

Specifikem jedné z geopolymerních směsí je vysoký obsah jemného křemičitého písku, konkrétně 100 % z hmotnosti použitého geopolymerního cementu, což je nejvyšší obsah ve stanoveném rozsahu. Směs je vhodná například jako materiál pro opravu prasklin ve stěnách či jako omítka. Specifikem další geopolymerní směsi je 100 % obsah hrubého křemičitého písku s částicemi okolo 0,63 mm oproti obsahu geopolymerního cementu. Tato geopolymerní směs je vhodná například jako termoizolační mezivrstva či omítka s hrubým vzhledem, též může sloužit například jako základ pro směsi s dalšími příměsemi, příkladně kamínky pro vytvoření přírodního vzhledu omítky.

Další inovativní stavební materiály

Ultra-vysokopevnostní beton (UHPC)

Ultra-vysokopevnostní beton (Ultra-High Performance Concrete, UHPC) je jedním z nejvýznamnějších pokroků v oblasti moderních materiálů. Jeho pevnost v tlaku může přesahovat 150 MPa, což je více než trojnásobek oproti běžnému betonu. Výhody UHPC zahrnují vysokou pevnost a odolnost proti mechanickému namáhání, výrazně delší životnost konstrukcí, odolnost vůči chemickým vlivům a mrazu a možnost tvorby tenčích a lehčích konstrukcí. UHPC se využívá například při výstavbě mostů, výškových budov nebo prefabrikovaných dílců, kde je klíčová kombinace pevnosti a estetiky.

Čtěte také: Moderní stavebnictví a kompozitní sítě

Samozacelující se beton a biobeton

Jednou z největších slabin betonu je jeho náchylnost k tvorbě trhlin. Samozacelující se beton obsahuje mikrokapsle s bakteriemi nebo chemickými látkami, které se aktivují při kontaktu s vodou a zacelí vzniklé trhliny. Hlavní výhody jsou prodloužení životnosti konstrukcí bez nutnosti časté údržby, snížení nákladů na opravy a servis a zvýšení bezpečnosti a spolehlivosti staveb. Využití nachází především v tunelech, podzemních stavbách a mostních konstrukcích. Již v roce 2015 představil vynálezce Henk Jonkers z Technické univerzity v Delftu inovativní metodu opravy prasklin v betonu pomocí bakterií. Kromě této biotechnologie existuje také alternativa od korejských výzkumníků, při níž se do betonu přidávají kapsle s polymerem. Američtí vědci z Polytechnického institutu ve Worcesteru (WPI) například prokázali, že se jim podařilo vyvinout biobeton, kde se do betonu přidává enzym, který reaguje s krystaly uhličitanu vápenatého uvolňujícími CO2, čímž vyplňuje trhliny a zlepšuje pevnost betonu. Další objev, pocházející od vědců z Coloradské univerzity, je založen na fotosyntéze bakterií. Jejich biobeton se skládá ze směsi sinic (fotosyntetizujících bakterií), želatiny a písku.

Flexibilní beton (ConFlexPave)

Díky jedinečné přísadě získal nový beton ConFlexPave až třikrát vyšší pružnost a pevnost než tradiční beton. Do směsi jsou přimíchána ta nejtenčí polymerní mikrovlákna, která rozloží zatížení po celé betonové desce. Odborníci ze Swinburnovy univerzity vytvořili beton bez použití cementu, avšak se stejně vynikajícími vlastnostmi co do pružnosti a zatížení. Tento nový druh betonu je navíc šetrný k životnímu prostředí, protože obsahuje popílek a geopolymerní kompozity - typické odpadní emise z uhelných elektráren. Nový beton je 400krát pružnější než tradiční beton při současném zachování stejné úrovně pevnosti. Geopolymery nejen zvyšují koeficient ohybu, ale také zlepšují odolnost proti vzniku mikrotrhlin.

Kompozitní materiály

Kompozitem je každý materiál, který se skládá z minimálně dvou hlavních komponent s výrazně se lišícími fyzikálními vlastnostmi. Základními složkami kompozitu jsou výztuž a matrice, která výztuž pojí. Kompozity, jako jsou uhlíková vlákna, skleněná vlákna nebo kevlar, se stále častěji používají v inženýrském stavitelství díky své nízké hmotnosti a vysoké pevnosti. Jejich hlavní výhodou je odolnost vůči korozi, což je ideální pro agresivní prostředí.

Srovnání tradičních a kompozitních materiálů:

Společnost PREFA KOMPOZITY, a.s. vyrábí kompozitní prvky z materiálu o složení pojivo / vláknová výztuha. Nejčastěji se jedná o kompozit z organické polymerní pryskyřice a skleněných vláken. Do pryskyřice se při výrobě přidávají i různé přísady na zlepšení materiálových vlastností. Používaná technologie pultruze - tažení umožňuje dosažení více než 70% podílu vláken v objemu.

Uhlíková vlákna

Uhlíková vlákna jsou doslova materiálem budoucnosti. Jsou o 75 % lehčí než železo a o 30 % lehčí než hliník. Používají se ke zpevnění tradičních stavebních materiálů jako cihel, železobetonových bloků či dřevěných konstrukcí a také ke snížení tloušťky a tím i hmotnosti panelů. Výztuž z uhlíkových vláken použitá v betonu také poskytuje vynikající tepelnou izolaci. V sortimentu firmy PREFA KOMPOZITY, a.s. jsou již běžně známé dodatečně lepené externí výztuže ve formě lamel nebo tkanin z uhlíkových vláken, které jsou dlouhou dobu využívány pro zesilování stavebních konstrukcí, např. v případě požadavku na zvýšení únosnosti stávající konstrukce nebo z důvodu zásahů do jejich nosných prvků.

Čtěte také: Výhodný prodej prken v Lounech

Tyčové výztuže PREFA REBAR

Mírně opomíjenou možností využití kompozitů ve stavebnictví jsou tyčové výztuže PREFA REBAR, sloužící jako alternativa k ocelové (nerezové) výztuži. Kompozitní výztuž je produktem na bázi epoxidové pryskyřice posílená skelnými vlákny. Je odolná vůči korozi, je až třikrát pevnější a čtyřikrát lehčí než ocel. Zároveň se jedná o materiál nemagnetický a chemicky odolný. Je také elektrickým izolantem, nevede teplo a neztrácí své vlastnosti při změně teplot. Výhodné je jejich použití v chemicky namáhaných konstrukcích, konstrukcích s nízkou nebo nulovou krycí vrstvou betonu, v konstrukcích s výskytem bludných proudů a v konstrukcích, v nichž je nežádoucí vytváření tepelných mostů, stínění elektromagnetických vln apod. Inovacemi materiálového složení a technologií výroby bylo dosaženo bezkonkurenčních pevností a modulu pružnosti v tahu (1142 MPa, 55 GPa) i soudržnosti s betonem (19 MPa) a hodnot maximálního posunu na mezi soudržnosti (pod 0,5 mm). Při zkouškách zatížených stropních panelů s nepředepjatou a předepjatou výztuží bylo dosaženo požární odolnosti minimálně 55 minut. Tyto výztuže najdou uplatnění v konstrukcích v chemickém průmyslu, v dopravních stavbách (inertní vůči řadě chemikálií a posypovým solím), ve stavbách blízko výkonných transformátorů nebo s výskytem bludných proudů a v konstrukcích s vylepšenými tepelně izolačními vlastnostmi - např. balkonové desky. V současnosti se firma zabývá vývojem kompozitních lan a kompozitní rozptýlené výztuže jako alternativě drátkobetonu a vláknobetonu.

3D tisk ve stavebnictví

3D tisk se stává revoluční technologií i v oblasti inženýrského stavitelství. Pomocí speciálních tiskáren lze vytvářet celé stavební prvky nebo dokonce celé budovy z betonu nebo jiných směsí. Výhody 3D tisku zahrnují rychlou a přesnou výstavbu, minimalizaci odpadu, možnost tvorby složitých tvarů bez bednění a nižší náklady na pracovní sílu. Příkladem je pražská zastávka MHD v Bubenči s přístřeškem vytvořeným technologií robotického 3D tisku ultra-vysokopevnostního betonu (UHPC) na 3D tiskárně.

Inteligentní materiály (Smart materials)

Inteligentní materiály reagují na změny v prostředí - například teplotu, vlhkost nebo tlak. Mezi nejznámější patří piezoelektrické materiály, tvarově paměťové slitiny nebo fotokatalytické povrchy. Tyto materiály přispívají k vyšší efektivitě, udržitelnosti a bezpečnosti staveb. Příklady využití zahrnují monitoring konstrukcí pomocí senzorů integrovaných v materiálu, samoregulační fasády, které se přizpůsobují teplotě, a samočisticí povrchy, které odbourávají nečistoty a znečištění. Technologie výroby dlažebních prvků s využitím samočisticích a fotokatalytických vlastností je již ověřená.

Recyklované a ekologické materiály

V souvislosti s rostoucím důrazem na udržitelnost se do popředí dostávají materiály z recyklovaných nebo obnovitelných zdrojů. Patří sem například recyklovaný beton a asfalt, stavební prvky z plastového odpadu a izolační materiály z konopí, ovčí vlny nebo celulózy. Tyto materiály nejen snižují ekologickou stopu stavebnictví, ale často také nabízejí lepší tepelně-izolační vlastnosti a nižší náklady. Alternativním a ekologičtějším materiálům nyní pomáhá i evropská politika. Konkurencí drahého betonu je pak například rebetong, což je nový alternativní materiál, který vznikl recyklací stavební suti. Materiál vzniká tak, že se recyklované kamenivo naveze do míchačky, přidá se nanomateriál a cement a rebetong je na světě. Recyklovaný beton se používá i pro cementobetonové kryty vozovek (CBK) se sníženou uhlíkovou stopou.

Nanomateriály ve stavebnictví

Nanotechnologie umožňují vytvářet materiály s unikátními vlastnostmi. Například nanočástice oxidu titaničitého se používají pro samočisticí a antibakteriální povrchy. Výhody nanomateriálů zahrnují vyšší odolnost proti opotřebení, zlepšené mechanické vlastnosti a ochranu proti UV záření a vlhkosti. Nanomateriály se aplikují na fasády, podlahy, skla nebo nátěry, kde prodlužují životnost a snižují nároky na údržbu. Technologie aplikace nanočástic v podobě uhlíkových nanotrubiček do cementového kompozitu je již ověřená.

Čtěte také: Stavební řezivo Luštěnice: Přehled cen

Průhledné dřevo

Průhledné dřevo - nejnovější ekologický materiál - byl vynalezen již v roce 2016. Nicméně teprve v roce 2020 oznámil vědec, který ve spolupráci s týmem z Marylandské univerzity v College Parku vynalezl metodu zprůhlednění dřeva, že testy byly dokončeny a že bylo dosaženo stabilního výsledku. Průhledné dřevo je nejméně pětkrát pevnější a lehčí než sklo a má také vyšší tepelnou účinnost. Právě tyto vlastnosti z něj činí zajímavou potenciální alternativu plastových nebo skleněných oken. Další výhody: surovina je obnovitelná a šetrná k životnímu prostředí. Pro dosažení průhlednosti se balsové dřevo namočí do speciálního roztoku a poté se do struktury přidá epoxidová pryskyřice.

Aerogel

Aerogel je syntetický porézní ultralehký materiál odvozený od gelu, v němž je kapalná složka gelu nahrazena plynem. Výsledkem je velmi pevná masa s extrémně nízkou hustotou a nízkou tepelnou vodivostí. Tento materiál je vynikajícím tepelným izolantem, a proto se hojně využívá pro ekologicky šetrné a účinné tepelné izolace v průmyslovém měřítku. Uhlíkové aerogely byly poprvé vyvinuty koncem 80. let 20. století.

Richlite

Richlite je odolný papírový kompozitní materiál. Vyrábí se z odpadního papíru, který se lisuje do tvrdých, hladkých desek, které lze dále zpracovávat. Na rozdíl od kamene nebo jiných tvrdých povrchů se materiál Richlite chová stejně jako husté tvrdé dřevo a lze jej snadno frézovat, brousit a spojovat. Richlite je dále voděodolný a hygienický, má nízkou absorpci vlhkosti, vysokou tepelnou odolnost a požární odolnost.

Umělý „tekutý“ kámen

Umělý „tekutý“ kámen je speciální tekutá stavební směs (vyrobená ze 70 % z mramorové drti a z 30 % ze speciálních přísad a dekorativních plniv), která se stříká na povrchy například z betonu, zdiva, kamene či asfaltu. Tekutá žula je ekologicky šetrným materiálem, protože obsahuje bezpečné pryskyřice, přírodní mramorovou drť a minerální plniva.

Průhledný hliník

Jedná se o inovativní materiál, který se již stal realitou. Zjednodušeně řečeno se jedná o průhlednou keramiku na bázi oxynitridu hliníku (AlON). Hlavními vlastnostmi tohoto materiálu jsou odolnost proti poškrábání a trvanlivost. Průhledný hliník je mnohem odolnější než hlinitokřemičité sklo (křemen) a je také o 85 % tvrdší než safír. Kromě toho snese teplotu až do 2 100 °C. Je odolný vůči záření, kyselinám, zásadám a vodě.

Masivní dřevo

Masivní dřevo využívá dřevo ve všech svých složkách. V této kategorii najdete podtypy, jako je křížem lepené dřevo a lepené lamelové dřevo. Lepené lamelové dřevo se skládá z několika lamel masivního dřeva slepených dohromady, z nichž se vytvářejí pevné nosníky. V případě křížem lepeného dřeva jsou na sebe jednotlivé vrstvy kladeny křížem, čímž vznikají velké desky, které vydrží značná zatížení. Oba typy dřeva jsou extrémně odolné proti ohni. Použití masivního dřeva přispívá k zachycování uhlíku během růstu stromů i během používání dřeva v budovách.

Hydrokeramika

Hydrokeramika je kompozitní fasádní materiál vyrobený z hlíny a hydrogelu, který dokáže ochladit interiéry budov až o 6 °C. Hydrokeramika využívá schopnosti hydrogelu absorbovat 500krát více vody, než je jeho vlastní hmotnost a vytváří tak stavební systém, který se „stává živou součástí přírody, aniž by z ní vybočoval“. Technologii vyvinuli španělští studenti z Katalánského institutu pro pokročilou architekturu již v roce 2014.

Materiály odolné proti zemětřesení (Flexicomb)

Pro oblasti ohrožené zemětřesením, jako je Japonsko, jsou velmi důležité materiály, které odolávají zemětřesení. Materiál je potažen anorganickými a syntetickými vlákny s povrchovou úpravou z termoplastické pryskyřice, čímž vzniká nejlehčí anti-seismický výztužný systém na světě. Inovativní vlákna jsou téměř pětkrát lehčí než kovové dráty o stejné pevnosti. Struktura materiálu Flexicomb je inspirována přírodou, konkrétně včelími plástvemi. V systému Flexicomb jsou tisíce polypropylenových trubiček pevně spojeny do pružné sítě, která může mít různé tvary.

Nejbělejší barva na světě

Vědci z Univerzity v Purdue vyvinuli bílou barvu, která odráží 98,1 % slunečního světla. Tím je dosaženo dokonale čistého odstínu bílé barvy s vysokou odrazivostí. Podle výsledků testů vede aplikace takového nátěru k neuvěřitelným výsledkům: nátěr střechy o ploše 90 m2 znamená chladicí výkon 10 kW.

Bioplast (Made of Air)

Berlínský startup Made of Air vyvinul speciální netoxický bioplast vyrobený z hnědého biouhlí z lesního a zemědělského odpadu. Porézní materiál bohatý na uhlík velmi účinně zadržuje uhlík. Na rozdíl od rozkládající se biomasy, která uhlík rychle uvolňuje zpět do atmosféry, zůstává biouhlí stabilní po stovky až tisíce let. Šestiúhelníkové panely HexChar byly poprvé instalovány jako obkladový materiál v prodejním centru Audi v Mnichově v roce 2021.

Konopná výztuž

V současné době je rezavění ocelové výztuže hlavním důvodem předčasného bourání konstrukcí, jako jsou mosty, silnice, přehrady a budovy. Inovativní konopná výztuž zajistí třikrát větší odolnost a ochranu proti korozi. Technologie využití technického konopí při výrobě protihlukových stěn je již ověřená.

Patenty a výzkum

Společnost COMING Plus, a.s. a její vývojoví pracovníci jsou držiteli mnoha patentů a užitných vzorů v rámci technologií zaměřených na kompozitní materiály. PREFA Kompozity zhodnotila výsledky vlastního výzkumu v patentové ochraně svých výrobků. Má registrovány 3 užitné vzory a 1 patent, další 3 dokumenty se nyní připravují. Jsou držiteli různých ocenění a zajišťují certifikace, ať legislativou vyžadované nebo nadstavbové - např. ČSN EN ISO, CE, RAO, AgBB, Sújb-S. Dne 17. dubna 2013 se uskutečnila ve stylovém prostředí Národní technické knihovny konference na téma kompozitních materiálů, kde Ing. Alena Vimmrová, Ph.D., z Katedry materiálového inženýrství a chemie Fakulty stavební ČVUT v Praze, informovala účastníky o principu kompozitních materiálů.

Příklady patentů a ověřených technologií zahrnují:

• HELA, R.; KŘÍŽOVÁ, K.; JANČÁŘ, J.; LEPCIO, P.; LOUDA, P.; Vysoké učení technické v Brně, Brno, Veveří Prefa Brno a.s., Brno, Židenice ESCUBE, s.r.o., Brno, Slatina: Hydro-absorpční směs pro konstrukce vodopropustných pochozích nebo pojížděných ploch pro pozemní komunikace. 38913, Užitný vzor. (2025)
• HELA, R.; KŘÍŽOVÁ, K.; SLÁNSKÝ, B.; VYSLOUŽIL, L.; Vysoké učení technické v Brně Skanska, a.s.: Beton pro cementobetonové kryty vozovek (CBK) se sníženou uhlíkovou stopou vyrobený v betonárně. 39089, Užitný vzor.
• MAREK, J.; HELA, R.; ŠOOŠ, L.; ŠOOŠ, M.; ŽIARAN, S.; CHLEBO, O.; ČAČKO, V.; Slovenská technická univerzita v Bratislave, Bratislava, SK; Vysoké učení technické v Brně, Brno, CZ;: Inteligentný predpätý nosník. 289256, Patent. (2024)
• BODNÁROVÁ, L.; HELA, R.; VÁLEK, J.; HERKA, P.; SŤAHEL, P.: Technologie vláknobetonu s využitím polypropylenových vláken upravených nízkoteplotním plazmatem pro aplikace ve stavebnictví. (Ověřená technologie)
• VÁLEK, J.; HELA, R.; JAROLÍM, T.; LABAJ, M.: Aplikace nanočástic v podobě uhlíkových nanotrubiček do cementového kompozitu. (Ověřená technologie)
• HELA, R.; PŘIKRYL, J.: Technologie výroby dlažebních prvků s využitím samočisticích a fotokatalytických vlastností. (Ověřená technologie)

tags: #patent #stinici #kompozitni #stavebni #material #pro

Oblíbené příspěvky:

• Vlastnosti a použití voděodolného laminátu EGGER.
• Kompletní návod na instalaci dlažby na terče
• snadná instalace přechodových lišt
• Čelo pro pozinkovaný žlab
• Přečtěte si o principu konstrukce a výhodách odvětrávané fasády