Možnosti využití geopolymerů pro stavbu protihlukových bariér zkoumají vědci Fakulty strojní Technické univerzity v Liberci společně s firmou Comdes CZ Praha a Správou železnic v rámci společného projektu podpořeného Agenturou pro podnikání a aplikace (API). Cílem je snížit intenzitu hluku o deset decibelů oproti stávajícím systémům.
„Máme ověřeno, že geopolymery jsou trvanlivější než beton, mají lepší mechanické i fyzikální vlastnosti a jejich výroba je ekologičtější. My se nyní zaměřujeme především na akustiku a připravujeme variantu geopolymerů pro zvýšenou absorpci hluku. Získali jsme projekt s podporou státní příspěvkové organizace API, v jehož rámci společně s firmou Comdes CZ pracujeme na zlepšení zvukové izolace materiálu,“ říká vedoucí katedry materiálu liberecké fakulty strojní prof. Petr Louda.
Dlouhodobý výzkum ověřuje vlastnosti geopolymerů Na katedře materiálu liberecké fakulty strojní se mezinárodní vědecký tým pod vedením prof. Loudy zabývá výzkumem vlastností geopolymerů dlouhodobě. Laboratorně vyrábí různé typy geopolymerních kompozitů a porovnává je s tradičními materiály, jako je například beton či ocelové konstrukce. Ověřili si, že geopolymery díky své extrémní odolnosti mohou sloužit jako vynikající izolace a jako moderní stavební materiál. A daří se jim výsledky práce přenášet i do praxe. Jednou z aplikací, která už našla konkrétní praktické využití, je využití geopolymerového nástřiku jako protipožární ochrany ocelových nosníků pro plynové zásobníky v Praze-Satalicích. Vrstva geopolymeru s čedičovými mikrovlákny na ocelovém nosníku výrazně zvyšuje ohnivzdornost a tepelnou stabilitu, a lze ji proto obecně použít pro prodloužení tepelné stability ocelových konstrukcí, betonu, ale i dřevostaveb. „Po nástřiku OSB desek 2cm až 3cm geopolymerovou vrstvou se doba prohoření prodlužuje ze 17 minut až na 100 minut,“ konstatuje Katarzyna Buczkowska, vedoucí laboratoře katedry materiálu, s tím, že tento geopolymer díky dobré adhezi prodlužuje dobu degradace základního materiálu. „Sendvič beton-polymer je vhodný i pro stavby v extrémních podmínkách,“ tvrdí dr. Buczkowska.
Co jsou geopolymery Geopolymery jsou uměle vyrobené (polymerní) anorganické materiály, které jsou připravovány chemickou reakcí sedimentární horniny — lupku — jako základní suroviny s aktivační složkou na bázi hlinito-křemičitanových minerálů a alkalických roztoků. Tato geopolymerní reakce, při které vznikají polymerní vazby Si- -O-Al-O, probíhá v zásaditém prostředí za normální teploty a tlaku. Vzhledově i technologií výroby se geopolymer hodně blíží k betonu. To znamená, že technologický postup má sypkou fázi, po přidání různých aditiv, chemických urychlovačů a pojiv následuje kapalná fáze, a ve třetí fázi po určité době tato směs ztuhne do konečné podoby. V podstatě dochází ke spojení — geosyntéze — tuhých částic a ke zpevnění celého systému do konečné homogenní polymerní struktury.
Lehké protihlukové bariéry Na katedře materiálu se už podařilo vyvinout a ověřit materiál pro protihlukové bariéry, které budou při výrazně nižší hmotnosti lépe pohlcovat zvuk než dosavadní těžké betonové bloky. Je to „pěnový“ geopolymer, který se kromě akustických vlastností vyznačuje podstatně nižší hmotností než plné geopolymerní kompozity. Jedná se o aluminosilikát, tedy oxid hliníku a křemíku, plněný hliníkovým práškem. Vyšší absorpci způsobuje kombinace určitého složení vnitřní struktury a geometrie povrchu stěny. Napěněná forma geopolymeru je podle vedoucí laboratoře sice křehčí, ale splňuje náročné požadavky na tepelnou izolaci a nízkou hmotnost. S panely z tohoto materiálu se proto dá snadněji manipulovat. „Lehká ‚napěněná‘ struktura vzniká přidáním různého množství polystyrenových skleněných kuliček o průměru 40—70 μm, nebo například stonků a listů technického konopí do matrice geopolymeru, tedy do sypké směsi — lupku. Našli jsme optimální poměr plniva a nabízíme materiál pro lehké a plně funkční bezpečnostní a protizvukové bariéry. Ke zlepšení jejich mechanických vlastností přispívají i uhlíkové sítě, které zároveň působí jako blokáda proti elektromagnetickému poli vytvářenému projíždějícím vlakem. Naším cílem je snížit intenzitu hluku o 10 dB oproti stávajícím systémům,“ konstatuje dr. Buczkowska s tím, že univerzita již na tento materiál podala patent. Příjemné je podle ní i to, že tyto funkční bariéry mohou být hezčí než šedé betonové bloky. Přidáním různých komerčních speciálních pigmentů se materiál kompaktně zabarví. Bariéry tak lze barevně zakomponovat do prostředí a barva nevybledne ani se nesloupne jako v případě povrchového nátěru u betonu. „Myslíme si, že by to mohlo přispět i ke snížení únavy řidičů při delším cestování,“ predikuje dr. Buczkowska.
Vysoký technický i ekonomický potenciál Podle Stanislavy Markové, jednatelky společnosti Comdes CZ, která se zabývá aplikovaným výzkumem a vývojem pokročilých stavebních materiálů a elektromagnetických polí, má pěnový geopolymer velkou šanci uplatnit se na trhu a ve spolupráci s TUL se jednoznačně projevuje synergický efekt: „Fakulta strojní vyvinula perspektivní inovativní materiál a my chceme tuto inovaci prosadit na trh. S podporou Agentury pro inovace a podnikání jsme společně s libereckými kolegy na tuto inovaci provedli studii proveditelnosti. Na základě laboratorního ověření provozně technických parametrů jsme zpracovali a financovali marketingové studie, které prokázaly, že takto vyvinutý materiál má velmi příznivý technický i ekonomický potenciál, což naznačuje dobré uplatnění na trhu za příznivé ceny. Proto bude naše firma investovat do jeho propagace a do výroby.“ Stanislava Marková dále zdůraznila, že velmi důležitou roli ve společném projektu hraje třetí partner — Správa železnic, která uvažuje o vlastním využití tohoto patentovaného materiálu. „Naši spolupráci považuji za ideální transfer laboratorních výsledků do průmyslové praxe. Bonusem je rozhodně i ochrana zdraví a zlepšení prostředí pro lidi žijících v blízkosti dálnic a železničních tratí,“ dodala s tím, že společnost Comdes CZ již přebírá technologii laboratoře liberecké fakulty strojní a v současné době připravuje výrobu geopolymerního kompozitu ve vlastních poloprovozech.
Využití recyklovaného materiálu Velkým pozitivem nového materiálu je to, že jako plniva do protihlukových bariér je mezi jiným vytipován i odpadní materiál, konkrétně sekaná uhlíková vlákna, která se získávají z kompozitů použitých především v automobilovém a leteckém průmyslu, ale také z karbonových sportovních potřeb a například z dosluhujících větrných elektráren. „Po separaci od polymeru, který drží kompozity pohromadě, se dají uhlíková vlákna využít do účinných protihlukových stěn, a vylepší se tak pevnostní charakteristika protihlukových bariér,“ konstatuje dr. Buczkowska s tím, že nedostatek tohoto materiálu rozhodně nehrozí. To potvrzuje Jan Luxemburk z Liberce, který pod značkou Green karbon nakupuje uhlíková vlákna od recyklačních zařízení prakticky po celém světě a dodává je i fakultě strojní. „Ve světě se budují další recyklační zařízení a ta stávající rozšiřují svou kapacitu. Dodavatele vybírám vždy podle konkrétní objednávky pro určitý produkt. Někdo potřebuje mletá vlákna, u kterých se délka měří v mikrometrech. Pro libereckou fakultu strojní jsme testovali sekaná vlákna o délce od 2 do 25 mm a jako nejvhodnější se ukázala ta šestimilimetrová. Je velkým přínosem pro životní prostředí, že lze do stavebních materiálů využít recyklovaná uhlíková vlákna, jejichž výroba je energeticky výrazně méně náročná než výroba primárních vláken. Tudíž je i cena několikanásobně nižší,“ říká Jan Luxemburk. Dodává, že při laboratorním ověřování se zjistilo, že recyklovaná vlákna prakticky vůbec nesnižují kvalitu výsledného produktu, a to ani v případě, kdy se získají tepelným rozkladem — pyrolýzou —, při kterém se tvar vláken do jisté míry zdeformuje. A jak zdůrazňuje Stanislava Marková ze společnosti Comdes CZ, nezanedbatelným faktorem užití a výroby těchto geopolymerů je snížení uhlíkové stopy neboli několikanásobné snížení spotřeby emisí CO2 oproti klasickým betonovým materiálům. To podle ní dělá z této inovace velmi perspektivní a udržitelnou technologii zejména při aplikacích v dopravní infrastruktuře liniových staveb a ve vlastním důsledku přinese další benefity pro její uživatele.
Rýsuje se další využití Podle Stanislavy Markové má tento geopolymer velkou šanci, že se po ověření na železničních trasách uplatní i na silnicích a dálnicích. „Původně jsme žádali o podporu z programu Doprava 2028 TA ČR. Tam jsme ale podporu nezískali, protože program je zaměřen na základní výzkum. 70% podporu jsme tedy získali od Agentury pro podnikání a aplikace, ale do našeho tříčlenného konsorcia podle platné legislativy nemohlo vstoupit Ředitelství správy silnic a dálnic. Zájem o spolupráci je však oboustranný a vzhledem k dosavadním výsledkům předpokládáme, že po úspěšné aplikaci na železničních cestách bude nový materiál zajímavý i pro silniční aplikaci. Víme, že bariéry pro silnice musí být jinak modifikovány, především s ohledem na rozdílnou frekvenci hluku projíždějícího vlaku na kolejích a kamionu na silnici. Počítáme s výzkumem aktivních sendvičových protihlukových stěn s různým druhem tlumicích plniv pro zvukové zábrany aplikovatelných kolem transportních silničních systémů,“ informovala Stanislava Marková s tím, že to je jedna z cest, jak urychlit výstavbu komunikací, protože by takové funkční bariéry mohly v oblastech vytipovaných pro stavbu rozptýlit obavy lidí z hlukové zátěže a zmírnit jejich negativní náhled na stavbu nových komunikací. „Nový pěnový geopolymer může částečně eliminovat tento celospolečenský problém a funkční protihlukové bariéry mohou významně pomoci investorům při řešení dopravních infrastruktur,“ konstatuje Ing. Marková. Připomíná, že díky podstatně nižší hmotnosti bude možné s panely z tohoto materiálu snadněji manipulovat, a to mimo jiné usnadní i práci záchranářů a policie, například při dopravní nehodě.
Spolupráce s podniky Na katedře materiálu liberecké fakulty strojní se geopolymery připravují přidáváním různých plniv do sypkého lupku v laboratořích. Získávají dlaždice o rozměru 30 × 30 cm. Ty mají podle použitého plniva různé mechanické, fyzikální či chemické vlastnosti, které liberečtí vědci zkoumají a posuzují z hlediska aplikací do praxe. Pozorují materiál pod digitálním mikroskopem a podle platných norem provádějí zkoušky pevnosti v ohybu i v tlaku, zkoumají chemické složení materiálu, jeho rázovou houževnatost, tepelnou vodivost, kapacitu a tepelnou difuzi. Provádějí také zkoušky mrazuvzdornosti a poréznosti materiálu. S firmou Comdes CZ mají liberečtí vědci další společný projekt zaměřený na hydrofobní materiály. Pracují na hydrofobní a olejové úpravě geokompozitních desek, aby byly odolné vůči vsakování vody či oleje. To by mimo jiné přineslo účinnou ochranu proti poškozování budov sprejery. Tepelnou vodivost například hodnotí ve spolupráci s firmou Termex z Polska. Slibně se rozvíjí i spolupráce s novoborskou sklárnou, která využívá geopolymerové formy. Vydrží mnohem déle než klasické dřevěné a jsou levnější než kovové. „Podařilo se nám udělat takový povrch, že sklo k formě nepřilne a skleněné výroby mají stejně dobrou kvalitu jako při použití klasických forem,“ říká Katarzyna Buczkowska a v současné době připravuje tvarově složitý díl pro slévárenství, ze kterého bude vyrobena forma pro výrobu hliníkových slitin. Důvod je stejný: forma z ocele je drahá a její výroba trvá déle, a to je pro výrobce malých sérií nákladově velmi náročné.
Výzkum pokračuje Geopolymery mají v porovnání s tradičními materiály velmi zajímavé vlastnosti fyzikální, mechanické i chemické. Podle prof. Petra Loudy jsou polymery vhodný materiál i pro perspektivní technologii 3D tisku ve stavebnictví. „Různými přísadami můžeme konečné vlastnosti geopolymerů výrazně ovlivnit, a to je mimo jiné předmětem našeho výzkumu,“ konstatuje prof. Louda. Jako příklad uvádí laboratorní ověření účinku čedičových vláken, která přestali používat, protože v silně alkalickém prostředí degradují, a nahradili je vhodnějšími uhlíkovými vlákny, která po zakomponování do matrice spolehlivěji s ohledem na prostředí zvyšují pevnost geopolymeru. Zároveň do výzkumu zařadili i aramidová vlákna. To je typ polyamidů s dlouhým uhlovodíkovým řetězcem, které se vyznačují vysokou pevností a značnou odolností vůči vysokým teplotám a chemikáliím při vynikajících zpracovatelských vlastnostech a extrémní životnosti. To by posunulo použití nového geopolymeru tam, kde je požadována vysoká tuhost, odolnost vůči nárazu a odolnost vůči abrazi. Vědci liberecké fakulty strojní jsou přesvědčeni, že výzkum geopolymerů otevírá široké možnost i další mezinárodní spolupráce v akademické rovině, ale i spolupráce s různými odvětvími průmyslu a že jejich uplatnění se v budoucnu bude rozšiřovat. /Jaroslava Kočárková/
