V Liberci zkoumají, jak geopolymery zlepšují vlastnosti tradičních materiálů
Jsou nesrovnatelně trvanlivější, než je beton, mají lepší mechanické i fyzikální vlastnosti, a jejich výroba je navíc ekologičtější. Nejen proto, že po sobě zanechává podstatně nižší uhlíkovou stopu, ale i proto, že se při jejich výrobě dají efektivně využít odpadní materiály. Řeč je o geopolymerech, které mnozí odborníci považují za materiál budoucnosti. Pro svou extrémní odolnost mohou sloužit především jako vynikající izolace a moderní stavební materiál. Na geopolymery a geopolymerní kompozity se ptám profesora Petra Loudy, vedoucího katedry materiálů Fakulty strojní Technické univerzity v Liberci. Mezinárodní vědecký tým pod jeho vedením totiž zkoumá vlastnosti těchto materiálů, laboratorně vyrábí různé typy geopolymerních kompozitů a porovnává je s tradičními materiály, jako je například beton či ocelové konstrukce.
Zkuste nám prosím laicky vysvětlit, co to vlastně jsou geopolymery?
Úplně laicky se říká, že geopolymer je umělý kámen. Ale není to úplně přesné. Je to směs lupku (sedimentární hornina, jejíž dominantní složkou je jílový minerál kaolinin – pozn. redakce) a přidaných aditiv. Přesněji jsou geopolymery uměle vyrobené (polymerní) anorganické materiály, které jsou připravovány chemickou reakcí 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, pak následuje po přidání různých aditiv, chemických urychlovačů a pojiv druhá – 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.
Vy geopolymery a geopolymerní kompozity vyrábíte v laboratoři. Jak tato výroba vypadá?
Žertem říkáme, že vzhledem k množství, které v laboratoři připravujeme, to vypadá jako v kuchyni, když se chystáte upéci koláč. Sypký lupek, který nám dodávají České lupkové závody Nové Strašecí, nasype vietnamský kolega Hiep Le Chi do misky, přičemž si hlídá procentuální množství, a pak přidává různá plniva a aktivační složky, což jsou alkalické roztoky. Míchá v laboratorní míchačce asi tři minuty a nechá zhruba dvě hodiny ztvrdnout. Získáme dlaždice o rozměru 30 × 30 cm. Podle použitého plniva má potom konečný produkt různé mechanické, fyzikální či chemické vlastnosti. K dispozici máme několik druhů vzorků, které zkoumáme a posuzujeme z hlediska aplikací do praxe. Tepelnou vodivost například hodnotíme ve spolupráci s firmou TERMEX z Polska.
Zabýváte se tedy studiem vlastností a možností uplatnění geopolymerů a geopolymerních kompozitů? S jakými závěry?
Tyto materiály nemohou tradičním materiálům – třeba betonu – konkurovat cenou, mají ale mnohem lepší mechanické a fyzikální vlastnosti. Mají lepší izolační vlastnosti, a mohou proto nahrazovat beton na stavbách pro extrémní podmínky. Je to vhodný materiál i pro perspektivní technologii 3D tisku ve stavebnictví. Geopolymery vykazují také vyšší tepelnou odolnost, což má velký význam z hlediska požární bezpečnosti. Zatímco beton degraduje při 600 °C, geopolymer vydrží i 1 000 °C. Také lépe absorbují zvuk. Různými přísadami můžeme konečné vlastnosti výrazně ovlivnit, a to je mimo jiné předmětem našeho výzkumu.
Můžete být konkrétnější, pokud jde o to, jaké přísady používáte a jak mění vlastnosti základního materiálu? Slyšela jsem, že jako plnivo slouží i přírodní vlákna, případně odpadní materiál?
Do sypké směsi (lupku) přidáváme například různé množství polystyrenových kuliček, takže kromě plných geopolymerních kompozitů umíme udělat i výrazně lehčí „napěněné“ struktury. Je zřejmé, že kuličky polystyrenu výrazně – až desetinásobně – snižují tepelnou vodivost a my hledáme optimální poměr tohoto plniva se základní hmotou pro různé aplikace. Praktické využití vidím ve stavebnictví. Vidíme, jak se staré paneláky obkládají kvůli zateplení polystyrenem. Napěná forma geopolymeru splňuje náročné požadavky na teplenou izolaci, je lehčí, ale musíme počítat s tím, že nevýhodou může být to, že je křehčí. Izolační vlastnosti konečného produktu zlepšuje také technické konopí – používáme nasekané sušené stonky nebo směs stonků a listů. Máme nový projekt a v jeho rámci přidáváme do matrice našeho geopolymeru tento konopný odpad tak, aby byl nehořlavý, měl dobré izolační vlastnosti a byl průmyslově zpracovatelný například pro výrobu tepelně izolačních desek. Umím si z něj představit i bezpečnostní a protihlukové bariéry kolem dálnic a železnic. Zakomponováním čedičových mikrovláken zase zvyšujeme pevnost geopolymeru. Obrovskou výhodou je, že armatury z těchto materiálů nekorodují. To jsme samozřejmě my nevymysleli, výsledkem naší práce ale je kombinace tohoto plniva ve spojení s naším geopolymerem, která přináší odlehčení celé konstrukce a prodloužení její životnosti. To se může uplatnit třeba při stavbě překladů mostní konstrukce. Vzhledem k tomu, že umíme dosáhnout vyšší pevnosti, než má beton, může být konstrukce subtilnější. A když se přidá čedičová armatura, tak bude pevnost ještě vyšší a životnost prakticky neomezená. Vzhledem k tomu, že je poměrně hodně mostů v České republice v havarijním stavu, je výsledek našeho výzkumu pro stavební firmy velmi zajímavý. Také jsme zjistili, že pevnost kompozitu zlepšuje až o 30 % sklářský písek, který vozíme z Českého ráje
Už se někde výsledky vašeho výzkumu uplatnily v praxi?
Jednou z aplikací, která už našla konkrétní praktické využití, je geopolymerový nástřik ocelových nosníků pro plynové zásobníky v Praze-Satalicích jako protipožární ochrana. Vrstva geopolymeru s čedičovými mikrovlákny na ocelovém nosníku výrazně zvyšuje ohnivzdornost a tepelnou stabilitu. Tento geopolymer také prodlužuje dobu degradace základního materiálu. Má velmi dobrou adhezi a je vhodný nejen pro ocelové konstrukce, ale i pro požární ochranu dřevostaveb. V rámci již ukončeného projektu Ministerstva vnitra ČR jsme zkoumali právě možnosti lepší protipožární ochrany dřevostaveb a ukázalo se, že geopolymer výrazně prodlužuje tepelnou stabilitu dřevostavby při požáru. Po nástřiku OSB desek 2- až 3cm geopolymerovou vrstvou jsme dobu prohoření prodloužili o cca 17 minut až na sto minut. Tím se získá dostatek času například pro eva- kuaci osob. Paralelně jsme také začali testovat ocelové konstrukce – profily, desky nebo nosníky – a současně jsme začali kombinovat beton s geopolymerem. Ukázalo se, že jsme schopni výrazně prodloužit tepelnou stabilitu betonu. „Sendvič beton–polymer“ je vhodný pro stavby v extrémních podmínkách, kde klasický beton požadované vlastnosti nesplňuje. Dalším již konkrétním využitím jsou naše geopolymerové formy v novoborské sklárně. 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. A naše polská kolegyně Kateřina Buczkowska 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 komplikuje a zvyšuje náklady při malosériové výrobě. Doktorka Buczkowska také připravuje aplikační použití geopolymeru jako sklářské formy pro letošní světovou výstavu v Dubaji.
A na čem pracujete nyní?
V této chvíli pracujeme na zlepšení zvukové izolace a celkově se zaměřujeme především na akustiku. Připravujme va-riantu geopolymerů pro zvýšenou absorpci hluku. Pro představu: betonová hala postavená z takového materiálu nebude rezonovat. Využití najde při stavbě zvukových zábran kolem transportních systémů, jako jsou u rychlostní železnice, dálnice apod. Řada obcí má obavy z různých silničních obchvatů a silničních cest, které přinesou zvýšení hlukové zátěže. Tento celospolečenský problém mohou částečně eliminovat právě geopolymery. Už se nám podařilo vytvořit materiál pro protihlukové bariéry, které budou lépe pohlcovat zvuk než dosavadní betonové. Je to „pěnový“ geopolymer, který kromě akustických vlastností přinese ještě jeden významný efekt: podstatně nižší hmotnost. S panely z tohoto materiálu se dá proto snadněji manipulovat, např. při nehodě na dálnici. Prostě chceme nabídnout materiál pro lehké a plně funkční bezpečnostní a protizvukové bariéry. Pracujeme také na hydrofobní a olejové úpravě desek geokompozitních desek, aby byly odolné vůči vsakování oleje, vody a jiných kapalin.
Jak se na váš výzkum dívají lidé z průmyslové praxe? Mají k němu důvěru, nebo se spíše vyjadřují skepticky?
Zabýváme se základním i aplikačním výzkumem. Při základním výzkumu v laboratoři testujeme geopolymery v kombinaci s různými plnivy a samozřejmě se snažíme dobré výsledky uplatnit v praxi. Srovnáváme třeba, co vydrží beton a co samotný nebo nějak vyztužený geopolymer. Provádíme různé mechanické zkoušky, na Charpyho kladivu provádíme dynamické rázové zkoušky vrubové houževnatosti a můžeme informovat zástupce firem, jak nový materiál odolává dynamickému namáhání. Tady se otevírá široká možnost spolupráce s různými odvětvími průmyslu. O smysluplnosti našeho výzkumu už svědčí zakázky na zvýšení tepelné izolace staveb, jejich zlepšení z hlediska požární bezpečnosti, protože jsme schopni nabídnut stavební materiál, který má až desetkrát nižší součinitel přenosu tepla než beton. A také se mohu pochlubit, že už nás oslovila firma, která chce aplikovat náš materiály při stavbě protihlukových stěn.
Takže geopolymery jsou skutečně materiálem 21. století?
Geopolymery mají v porovnání s tradičními materiály velmi zajímavé vlastnosti fyzikální, mechanické i chemické. Jsem přesvědčen, že se jejich uplatnění v budoucnu bude stále více rozšiřovat a že si budou rozumět s moderními a pokročilými technologiemi v řadě odvětví. Ostatně vám prozradím, že jsme v souvislosti s geopolymery objevili i příjemnou zábavu: do geopolymerní směsi přidáváme odpad ze sklářské výroby. Přidáním různobarevných perliček (rokajlu) jsme dosáhli vážně zajímavých a na pohled hezkých efektů. Takže kdo ví, kde všude se geopolymery uplatní.