Moderné materiálové inžinierstvo v posledných rokoch výrazne pokročilo. Dnes sú na trhu skutočne nové, revolučné stavebné materiály. Vznikajú inovatívne syntetické materiály — stavebné materiály, ktoré sú ľahšie, pevnejšie a šetrnejšie k životnému prostrediu ako tradičné stavebné materiály. Tento pokrok stimuluje novú architektúru, ktorá je šetrnejšia k životnému prostrediu a zároveň je úplne odlišná od tej, na ktorú sme zvyknutí.
Inovatívne materiály: riešenie problémov minulosti
Keď zatvrdnuté spojivo praskne, je to oveľa vážnejší problém, ako si mnohí myslia. Nie je to len o estetickej stránke, aj keď aj tá je určite dôležitá. Nie, tento problém je štrukturálny: voda sa dostane do trhliny a začne narúšať celistvosť betónu. V prostredí s nestabilnými teplotami sa tento problém ešte zhoršuje vplyvom cyklov zmrazovania a rozmrazovania. Voda v trhline sa počas mrazivých zím rozpína a nebadane rozširuje každú trhlinu. Následne, keď ľad na jar rozmrzne, voda prenikne hlbšie do zatvrdnutého spojiva, prehĺbi trhlinu a oslabí štrukturálnu integritu budovy.
Ale čo ak by sa betón dokázal zahojiť sám? Alebo asfalt, alebo dokonca kov? Len na opravách a rekonštrukčných prácach by bolo možné ušetriť miliardy eur, nehovoriac o znížení dopadov na životné prostredie, ktoré vznikajú výmenou poškodených materiálov.
Niektoré moderné stavebné materiály nájdu svoje miesto možno v špecifických a úzko vyhranených segmentoch, ale množstvo inovatívnych stavebných materiálov má potenciál stať sa široko používanými. Budovy z tradičnej tehlovej a betónovej konštrukcie sa postupne stanú minulosťou, pretože požiadavky ľudstva no nové materiály sú zrejmé: potrebujeme ekologické, energeticky efektívne, odolné a ľahké budovy, ktoré budú vyzerať pekne a zároveň budú vysoko funkčné.
Najinovatívnejšie stavebné materiály
Zozbierali sme najzaujímavejšie a najinovatívnejšie materiály v stavebníctve, ktoré sa už používajú a pridali sme aj niekoľko sľubných konceptov, ktoré sú testované v rámci pilotných projektov. Mnohé stavebné materiály nie sú nevyhnutne úplne nové – inými slovami, táto technológia bola vyvinutá a testovaná už dávno, ale stále sa používa len selektívne a nemôžeme hovoriť o jej masovom rozšírení. Nové stavebné materiály sa používajú jednak na dekoratívne povrchové úpravy, ale aj ako jadrový materiál v stavebných konštrukciách.
PRIEHĽADNÉ DREVO
Vynález najnovšieho ekologického materiálu – priehľadného (transparentného) dreva – bol oznámený už v roku 2016. Až v roku 2020 však vedec, ktorý v spolupráci s tímom z Marylandskej univerzity v College Park vynašiel metódu na spriehľadnenie dreva, uviedol, že testy boli úspešne ukončené a podarilo sa dosiahnuť stabilný výsledok. Transparentné drevo je najmenej 5-krát pevnejšie a ľahšie ako sklo a zároveň je aj tepelne efektívnejšie. Práve tieto vlastnosti z neho robia zaujímavú potenciálnu náhradu plastových či sklenených okien. Ďalšie výhody priehľadného dreva: surovina je obnoviteľná a ekologická. Balzové drevo rastie rýchlo, pričom strom dorastá do dospelosti už za 5 rokov. Výrobné náklady sú tiež oveľa nižšie ako pri výrobe skla, kde sa vytvára nezanedbateľná uhlíková stopa v dôsledku požadovaných vysokých teplôt a elektriny spotrebovanej v procese výroby. Transparentné drevo je dosť flexibilné, keďže obsahuje prírodnú celulózu. Na dosiahnutie priehľadnosti sa balzové drevo namočí do špeciálneho roztoku a následne sa do konštrukcie pridá epoxidová živica. Priehľadné drevo alebo sklo z dreva je možné použiť namiesto tradičných sklenených blokov alebo iných prvkov v stavebných konštrukciách, ktoré musia byť priehľadné, ale aj odolné, ekologické a energeticky úsporné.
UHLÍKOVÉ VLÁKNA
Uhlíkové vlákna sú skutočným materiálom budúcnosti – aj keď sa už dlho používajú v rôznych športoch. Tento inovatívny materiál sa však stále častejšie používa v stavebníctve, teda odvetví, ktoré často vyžaduje kombináciu pevnosti a ľahkosti. Uhlíkové vlákno je o 75% ľahšie ako železo a o 30% ľahšie ako hliník. Používa sa na vystuženie tradičných stavebných materiálov, aby sa zlepšila ich pevnosť – napríklad pri tehlách, železobetónových blokoch, drevených konštrukciách – ako aj na zníženie hrúbky panelov a tým aj na zníženie ich hmotnosti. Vystuženie betónu uhlíkovými vláknami tiež poskytuje vynikajúcu tepelnú izoláciu. Jedinou nevýhodou, ktorá obmedzuje jeho široké použitie, sú vysoké náklady na výrobu tohto materiálu.
SENSITILES — DEKORATÍVNA AKRYLÁTOVÁ DLAŽBA
Inovatívne stavebné materiály nie sú vždy materiálmi s inovatívnymi fyzikálnymi vlastnosťami, ako je pevnosť alebo bezpečnosť. Môžu to byť aj materiály, ktoré v sebe integrujú technológiu poskytujúcu veľkolepú dekoráciu a tiež aj realizáciu tých najextravagantnejších dizajnových nápadov. Novým typom dokončovacieho stavebného materiálu je citlivá dlažba s akrylovým vláknom, ktorá reaguje na vaše pohyby, dotyky alebo svetelné zdroje. Optické vlákno prepúšťa svetlo a reaguje: dlaždica môže na svojom povrchu trblietať, svietiť, zachytávať a rozptyľovať susedné farby. Dekorovanie týmto materiálom ponúka nové možnosti v architektúre a interiérovom dizajne.
SAMOLIEČIVÝ BETÓN
Pojem „samoliečivý betón“ znie viac ako len trochu fantasticky. V roku 2015 vynálezca Henk Jonkers z University of Technology v Delfte ukázal inovatívnu metódu na opravu trhlín v betóne pomocou baktérií. Princíp tejto technológie je jednoduchý: do betónu boli pridané kapsuly obsahujúce špecifické baktérie a živiny pre ne určené. Tieto baktérie sa aktivovali hneď po tom, ako sa ich dotkla voda. Popraskaný betón bol prestavaný pomocou vlhkosti a vyplnený vápencom, ktorý produkovali baktérie.
Okrem tejto biotechnológie existuje ďalšia alternatíva od kórejských výskumníkov, v ktorej sa do betónu pridávajú kapsuly určitého polyméru. Vplyvom vlhkosti a slnečného žiarenia začne tento polymér tiež reagovať, zväčší svoj objem a vyplní trhlinu.
Tradičný betón je veľmi spoľahlivý a osvedčený stavebný materiál, ktorý však pri prasknutí stráca svoje požadované vlastnosti. Mnoho špecialistov na materiálové inžinierstvo po celom svete pracuje na modernizácii tohto základného stavebného materiálu.
Nedávno americkí vedci z Polytechnic Institute vo Worcesteri (WPI) tiež predložili dôkazy o tom, že sa im podarilo vyvinúť biobetón. V tomto prípade sa pridáva enzým, ktorý reaguje s kryštálmi uhličitanu vápenatého uvoľňujúcimi CO2 — ich vlastnosti sú podobné betónu. V dôsledku toho sú všetky trhliny vyplnené a pevnosť betónu sa ďalej zlepšuje. Táto metóda dokáže obnoviť trhlinu so šírkou 1 mm už za jeden deň. Ďalší vývoj z dieľne vedcov z University of Colorado je založený na princípe fotosyntézy baktérií. T Bioconcrete je tvorený zmesou cyanobaktérií – fotosyntetických baktérií – želatíny a piesku. Tieto baktérie reagujú na vodu a zväčšujú sa, aby vyplnili všetky dutiny.
AEROGEL
Najtvrdší a najľahší materiál na svete tvorí z 99,8% vzduch! Tento syntetický porézny ultraľahký materiál je odvodený z gélu, v ktorom je tekutá zložka gélu nahradená plynom. Výsledkom je veľmi pevné telo s extrémne nízkou hustotou a nízkou tepelnou vodivosťou. Na dotyk pripomína krehkú polystyrénovú penu. Aerogély môžu byť vyrobené z viacerých možných chemických zlúčenín. Prvýkrát bola táto hmota vyrobená v roku 1931 ako nápad Samuela Stephensa Kistlera. Tento vynálezca tvrdil, že môže nahradiť kvapalinu plynom bez toho, aby sa výsledná štruktúra zmenšila. Prvé aerogély boli vyrobené zo silikagélov. Kistlerova neskoršia práca sa týkala aerogélov na báze oxidu hlinitého, oxidu chrómu a oxidu cíničitého. Uhlíkové aerogély boli prvýkrát vyvinuté koncom osemdesiatych rokov minulého storočia. Zvláštnosťou aerogélov je, že môžu mať nižšiu tepelnú vodivosť ako plyn, ktorý sa v nich nachádza. Tento materiál je vynikajúcim tepelným izolantom, preto je široko používaný na ekologickú a efektívnu tepelnú izoláciu v priemyselnom meradle. Vzhľadom na vysokú a jemnú pórovitosť štruktúry je možné aerogély použiť ako zbernú matricu pre tie najmenšie prachové častice.
RICHLITE
Richlite je odolný papierový kompozitný materiál. Je vyrobený zo zberového papiera, ktorý je zlisovaný do tvrdých hladkých panelov, ktoré je možné ďalej spracovať. Papier zo správnych zdrojov je oveľa šetrnejší k životnému prostrediu ako mnohé z najbežnejších materiálov používaných v stavebníctve, a to je jedna z hlavných výhod Richlite. Technológie ho však premieňajú na úžasnú surovinu, ktorá je tak veľmi potrebná pre ekologické stavebníctvo. Na rozdiel od kameňa alebo iných tvrdých povrchov funguje Richlite rovnakým spôsobom ako husté tvrdé drevo a možno ho ľahko frézovať, brúsiť a spájať. Richlite je tiež vodeodolný a hygienický materiál, ktorý má nízku absorpciu vlhkosti, vysokú tepelnú odolnosť a zároveň požiarnu odolnosť. Okrem toho nezaškodí, že s prirodzenou povrchovou úpravou aj dobre vyzerá. Vďaka tomu sa používa v mnohých odvetviach, od stavebníctva až po dizajn nábytku. Dokonca sa používa na výrobu hudobných nástrojov, kde nahrádza drahý eben a zároveň poskytuje vysokú kvalitu zvuku. Richlite sa ukázal ako dobre známy, obľúbený materiál, ktorý mnohí architekti milujú ako povrchovú úpravu nábytku, interiérových prvkov a kreatívnych štruktúr.
TEKUTÁ ŽULA
Umelý „tekutý“ kameň je špeciálna tekutá stavebná zmes (70% mramorových úlomkov a 30% špeciálnych prísad a dekoratívneho plniva), ktorá sa nastrieka na povrchy vrátane betónu, muriva, kameňa a asfaltu. Vďaka svojmu zloženiu kvapalina tuhne a vytvára kompaktné tesnenie, čím poskytuje povrchu trvanlivosť a atraktívny vzhľad. Tekutá žula je ekologický materiál, pretože obsahuje bezpečné živice, prírodné mramorové úlomky a minerálne plnivá. Tento kompozitný materiál sa často používa pri dokončovacích prácach, na výrobu alebo nátery jednotlivých konštrukcií alebo interiérových prvkov.
OHÝBANÝ, PRUŽNÝ BETÓN
Výskum na zlepšenie kvality betónu je jednou z najpopulárnejších činností v oblasti materiálového inžinierstva, ale to azda nikoho nemôže prekvapiť. V súčasnosti sú takmer všetky stavby založené na báze betónu. Už sme spomenuli, že jedným z problémov betónu je jeho krehkosť, ak sa štiepi a praská. Okrem toho, hoci je betón extrémne pevný, jeho zaťaženie je obmedzené. V roku 2014 dokázali Singapurčania nielen zlepšiť pevnosť a zároveň znížiť hmotnosť betónu odstránením výstuže v betónových konštrukciách, ale pridali aj pružnosť, ktorá nie je charakteristickou vlastnosťou tradičného betónu.
Vďaka unikátnej prísade získal nový betón ConFlexPave pružnosť a pevnosť, ktorá je až trikrát vyššia ako v prípade tradičného betónu. Do roztoku sa primiešajú tie najtenšie polymérne mikrovlákna, čím sa zaťaženie rozloží na celú plochu liateho betónu. Tieto mikrovlákna mu pomáhajú stať sa pevným ako kov a dvakrát tak pevným ako bežný betón, keď je vystavený ohýbaniu.
Zdá sa však, že k dokonalosti ešte stále niečo chýba a tak ďalší vedci pokračujú vo vyvíjaní pružného betónu. Napríklad špecialisti zo Swinburne University vytvorili betón bez použitia cementu, ale s rovnakými vynikajúcimi vlastnosťami z hľadiska pružnosti a zaťaženia. Tento nový druh betónu je zároveň aj ekologický, pretože obsahuje popolček a geopolymérne kompozity – typické odpadové produkty z uhoľných elektrární. Tiež tuhne pri izbovej teplote, čo znamená, že nie sú potrebné žiadne nadmerne vysoké výrobné náklady. Čo je ale najdôležitejšie, tento nový betón je až 400-krát pružnejší ako tradičný betón, pričom si zachováva rovnakú úroveň pevnosti. Geopolyméry nielenže pridávajú na koeficiente ohybnosti, ale zlepšujú aj odolnosť voči možným mikrotrhlinám. Polymérové vlákna držia konštrukciu pod zaťažením aj pri prasklinách, takže nový materiál možno použiť v oblastiach náchylných na zemetrasenia, keďže sa minimalizuje riziko zrútenia budov postavených z takéhoto betónu.
Tento revolučný materiál je betónová tkanina balená v rolke. Jeho flexibilita ponúka neobmedzené možnosti dizajnu pre architektov a ponúka nové výzvy pre stavebníctvo.
BETÓNOVÉ PLÁTNO
Patentované riešenie Concrete Canvas® sa používa na širokú škálu stavebných úloh a v mnohých ďalších oblastiach. Umožňuje stavať betónové konštrukcie s minimálnou inštaláciou a odborným školením pracovníkov. Inštalácia je zvyčajne desaťkrát rýchlejšia: stačí rozvinúť pripravenú rolku a pridať vodu.
Ide o pomocný materiál, ktorý uľahčuje množstvo prípravných stavebných prác a používa sa aj pri príprave zariadení infraštruktúry: kanálov, opravy a ochrany povrchov a svahov a tiež na spevnenie nádrží a potrubí.
PRIEHĽADNÝ HLINÍK
Tento materiál budúcnosti je dnes už hmatateľnou realitou. Zjednodušene povedané, ide o priehľadnú (transparentnú) keramiku na báze oxynitridu hliníka (AlON). Hlavnými vlastnosťami tohto materiálu sú odolnosť proti poškriabaniu a trvanlivosť. Priehľadný hliník je oveľa odolnejší ako hlinitokremičitanové sklo (kremeň) a je tiež o 85 % tvrdší ako zafír. Navyše dokáže odolať teplotám na úrovni až 2 100⁰C. Je odolný voči rádioaktívnemu žiareniu, kyselinám, zásadám a vode. Prirodzene, materiál si okamžite s nadšením osvojil vojenský aj optický priemysel. V stavebníctve sa však používa pre okná odolné voči nárazom, kupole a iné prvky, ktoré vyžadujú priehľadnosť a pevnosť.
VRSTVENÉ DREVO
Ide o inovatívny materiál, ktorý využíva drevo vo všetkých jeho podobách. Drevo je lisované do panelov a vrstvené, čím sa vytvára pevný blok, ktorý je oveľa pevnejší ako bežné drevo. V tejto kategórii nájdete podtypy, ako je bežne vrstvené drevo a tiež krížom vrstvené drevo. Vrstvené drevo pozostáva z niekoľkých kusov reziva zlepených dohromady, ktoré sa používajú na vytvorenie pevných trámov. Krížom vrstvené drevo je vyrobené z kusov dreva ukladaných v striedavých smeroch, aby sa vytvorili veľké panely, ktoré vydržia mimoriadne veľké zaťaženie. Oba druhy dreva majú mimoriadne ohňovzdorné vlastnosti. Vonkajšie vrstvy pri horení vytvárajú zuhoľnatenú škrupinu, ktorá pomáha izolovať zvyšok dreva. Počas skúšok požiarnej odolnosti preukázali schopnosť zachovať si svoju konštrukčnú celistvosť. Použitie masívneho dreva uľahčuje zachytávanie uhlíka, keďže stromy neustále rastú a ich drevo sa používa v budovách. Podľa jednej štúdie uverejnenej v časopise Journal of Sustainable Forestry, ak sa používa trvalo udržateľné lesné hospodárstvo, je možné zabrániť 14 až 31% globálnych emisií prostredníctvom nahradenia materiálov používaných v budovách a mostoch drevom.
HYDROKERAMIKA (PASÍVNE CHLADENIE)
Ide o kompozitný fasádny materiál z hliny a hydrogélu, ktorý je schopný ochladiť interiér budov až o 6 °C. Hydrokeramika využíva schopnosť hydrogélu absorbovať 500-krát viac vody, než je jeho vlastná hmotnosť. Dochádza tým k vytvoreniu stavebného systému, ktorý sa „stáva živou bytosťou, ktorá je súčasťou prírody a nie čímsi neprirodzeným“. Túto technológiu vyvinuli španielski študenti na katalánskom Inštitúte pre pokročilú architektúru v roku 2014. Odvtedy je tento inovatívny materiál umožňujúci samochladiace systémy veľmi žiadaný v stavebníctve a tiež aj medzi architektmi. Obľúbený je najmä pri ekologickej výstavbe, keďže dokáže ušetriť až 28% celkovej spotreby energie tradičných chladiacich zariadení.
CABKOMA — UHĽOVODÍKOVÉ NITE, STRUNOVÁ PODPORA
Pre regióny, v ktorých je vysoké riziko zemetrasení, ako je napríklad Japonsko, sú materiály, ktoré odolajú zemetraseniam, veľmi dôležité. To je dôvod, prečo laboratórium Komatsu Seiten Fabric vyvinulo kompozit z termoplastických uhlíkových vlákien s názvom CABKOMA Strand Rod.
Kompozit je potiahnutý anorganickými a syntetickými vláknami s povrchovou úpravou z termoplastickej živice, vďaka čomu vznikol najľahší systém seizmickej výstuže na svete. Inovatívne nite sú takmer päťkrát ľahšie ako kovový drôt rovnakej sily a dokonca majú mimoriadne krásny dizajn. Sú tiež veľmi účinné a pomáhajú budovám splniť náročné požiadavky na seizmické vystuženie. Samozrejme, ako všetky materiály na báze uhlíkových vlákien, nevýhodou technológie CABKOMA je, že nie je lacná.
FLEXICOMB
Flexicomb je inšpirovaný prírodou – ako už z názvu možno tušíte, štruktúra tohto materiálu je inšpirovaná včelími plástami. Tento veľmi jednoduchý nápad sa ukázal ako úžasne flexibilný a funkčný. Táto myšlienka sa prvýkrát objavila na univerzite v Yale, kde vedci študovali štruktúru včelích plástov. Spojením slamiek na pitie do jedného poľa je ľahké vytvoriť štruktúru pripomínajúcu plást. Ponúka sa tak tiež možnosť recyklovať alebo upcyklovať bežný plastový odpad – slamky na pitie.
V materiáli Flexicomb sú tisíce polypropylénových rúrok pevne spojené do flexibilnej matrice, ktorá môže mať rôzne tvary. Tieto konštrukcie sú priehľadné, takže sa často používajú na výrobu dekoratívnych prvkov osvetlenia.
PRE PASÍVNE CHLADENIE
Každý vie, že biela farba dokáže mimoriadne dobre odrážať svetlo. Ukazuje sa však, že je možné vytvoriť tú „najbelšiu bielu farbu na svete“, ktorá môže slúžiť ako klimatizácia na chladenie miestností. Výskumníci z Purdue University vytvorili bielu farbu, ktorá odráža až 98,1% slnečného svetla. Tajomstvo tejto farby je v jej zložení, ktoré obsahuje síran bárnatý.
To poskytuje dokonale čistú bielu s mimoriadnym reflexným efektom. Podľa výsledkov testov vedie nanášanie náteru k neuveriteľným výsledkom: náter strechy s rozlohou 90 m2 poskytuje chladiaci výkon v objeme 10 kW. Toto číslo je vyššie ako typický výkon domácich klimatizácií.
Okrem použitia pri chladení budov môže nový náter zabrániť aj prehrievaniu vonkajších elektrických systémov.
OBKLAD BIO-UHLÍM
Berlínsky startup Made of Air vyvinul špeciálny netoxický bioplast vyrobený z biouhlia, ktoré pochádza z lesného a poľnohospodárskeho odpadu. Zachytáva uhlík a dá sa použiť na všetko od fasád budov, nábytku, interiérov, dopravy a mestskej infraštruktúry.
Recyklovaný materiál pozostáva z 90% uhlíka a je schopný absorbovať CO2 priamo z atmosféry a zároveň je sám uhlíkovo negatívnym materiálom.
Porézny materiál bohatý na uhlík veľmi efektívne zadržiava uhlík. Na rozdiel od rozkladajúcej sa biomasy, ktorá rýchlo uvoľňuje uhlík späť do atmosféry, biouhlie zostáva stabilné stovky alebo dokonca tisíce rokov. Plast vyrobený z biouhlia spoločnosti Air je lacnejší ako konvenčné bioplasty, ale stále drahší ako materiály na báze ropy.
Šesťhranné panely s názvom HexChar boli prvýkrát inštalované ako obkladový materiál v autorizovanom predajnom centre Audi v Mníchove v roku 2021. Bolo to prvýkrát, čo bol tento výrobok použitý pri stavbe budovy. Analýza životného cyklu ukázala, že plášť predajne dokáže absorbovať až 14 ton uhlíka.
KONOPNÁ VÝSTUŽ
Výskumníci z Rensselaer Polytechnic Institute v USA vynašli konopnú alternatívu k oceľovej výstuži, o ktorej tvrdia, že zabraňuje problémom s koróziou a znižuje emisie uhlíka počas výstavby.
Konopnú výstuž možno použiť na podopretie betónových konštrukcií rovnakým spôsobom, ako sa dnes používa oceľová a iná výstuž, avšak s menším dopadom na životné prostredie vďaka zloženiu tohto materiálu a jeho trvanlivosti.
V súčasnosti je hrdzavenie oceľovej výstuže hlavným dôvodom predčasného búrania konštrukcií, ako sú mosty, cesty, priehrady a budovy. Inovatívna konopná výstuž poskytne budovám trojnásobnú odolnosť a zároveň ochranu proti korózii. Navyše, na rozdiel od vystuženia sklenenými vláknami v konštrukciách, ktoré sú obzvlášť náchylné na koróziu, konopné vystuženie nevyžaduje pri výrobe a inštalácii takú veľkú spotrebu energie, čo z neho robí riešenie, ktoré je šetrnejšie k životnému prostrediu.
Tento zoznam je len malým zlomkom vývoja, ktorý už našiel v stavebníctve úspešné uplatnenie. Každý z týchto materiálov sa neustále zdokonaľuje, prípadne sa jedno riešenie nahrádza iným, ešte lepším variantom. Stavebníctvo je oblasťou, kde technologicky vyspelé materiály a inovatívne digitálne riešenia môžu spôsobiť revolúciu v spôsobe realizácie projektov a vytvárať skutočne futuristické objekty.
Ak vo svojich projektoch ešte nepoužívate inovatívne stavebné materiály a metódy, môžete začať s digitalizáciou svojho podnikania hneď teraz a vyskúšať službu PlanRadar zadarmo na 30 dní.
Budete schopní zabezpečiť, aby bolo riadenie a monitorovanie vášho projektu čo najjednoduchšie a najefektívnejšie – a zároveň môžete znížiť spotrebu materiálov.
Zdroj: 17 inovatívnych stavebných materiálov - PlanRadar
Úvodné foto: InspiredImages / Pixabay.com