Kompozit z VUT odolá mrazu

Na Fakultě stavební VUT vzniká nový stavební materiál s unikátní schopností autonomně řízeného zahřívání. Při námrazách a sněžení bude pro uživatele extrémně zranitelných ploch, jako jsou mosty, letiště nebo zastávky hromadné dopravy, znamenat větší bezpečí a pro stavby samotné prodloužení jejich životnosti. Projekt podpořila Technologická agentura ČR v projektu MPO Trend.

Tým z Ústavu technologie stavebních hmot a dílců na projektu spolupracuje s firmou BETOSAN. Nápad vznikl před pěti lety při řešení jiného projektu s podobnou problematikou. Tehdy bylo potřeba kovy, které se používají k uzemnění, ale jsou drahé, nahradit silikátovými hmotami. „Začali jsme vyvíjet beton, který vede proud, protože normální beton je izolant. Tím jsme pronikli do problematiky elektrické vodivosti silikátových stavebních materiálů a při té příležitosti jsme zjistili, že se materiál zahřívá,“ vysvětluje člen výzkumného týmu Jindřich Melichar a dodává: „V současném projektu vyvíjíme materiál, který musí mít dobrou elektrickou vodivost, aby působením elektrického proudu mohlo dojít k jeho zahřívání.“

Výsledný kompozit je složený ze dvou nebo více chemicky či fyzikálně odlišných složek, které společně dávají materiálu nové vlastnosti. Vznikají na silikátové bázi s využitím pokročilých high-tech plniv. To je první fáze projektu. Jeho druhou fází je vytvoření autonomní řídicí jednotky, na které se podílejí pracovníci Ústavu mikroelektroniky Fakulty elektrotechniky a komunikačních technologií. „Řídicí jednotka bude mít tři moduly, které budou jednak sbírat data, jež na místě naměří, jednak budou s ohledem na předpověď počasí samy schopny řídit příkon, který bude systém dodávat,“ popisuje Melichar. „V praxi to bude fungovat tak, že stavební díly vyrobené z našeho kompozitu se budou samy ovládat s ohledem na teplotu, ale i rosný bod. Ne vždy když mrzne, vzniká totiž námraza, takže ne vždy se při minusových teplotách bude muset topit. Naopak pokud bude hrozit vznik námrazy, začne se kompozit už předem ohřívat, takže námraza vůbec nevznikne. Prostřednictvím online monitoringu teploty dokážeme při zohlednění aktuální předpovědi počasí a teplotních výkyvů minimalizovat dobu ohřevu a maximalizovat energetickou efektivitu procesu.“ 

Projekt, který je naplánován od ledna 2021 do prosince 2024, je nyní ve fázi regulace teploty a úpravy složení kompozitních směsí za účelem dosažení optimálních parametrů pro zahřívání. „Jako plnivo jsme otestovali řadu materiálů. Některá plniva mohou sama o sobě vést proud, ale když se dostanou do cementové matrice, chovají se jinak,“ upozorňuje Jindřich Melichar a v laboratoři předvádí misky s různými vzorky. Je zde klasický cement, popílek, kterým lze cement nahradit, a dále vodivé složky, které jsou většinou na bázi uhlíku: uhlíková vlákna, která se po vmíchání do směsi rozvlákní a vytvoří v ní vodivou cestičku, nebo hrubší uhlíková drť, která je vedlejším produktem petrochemického průmyslu a obsahuje až 99 procent uhlíku. V jedné z misek nás překvapí pyrolyzovaná hovězí kost. Využitím druhotných surovin chtějí výzkumníci dosáhnout zlevnění materiálu a snížení dopadu na životní prostředí. „Máme různé tipy na druhotný materiál, který bychom mohli použít jako vodivé složky. Ohleduplnější chceme být i při volbě cementu, takže nepoužijeme portlandský cement, ale ekologičtější cement s příměsí popílku. Ten nám tam může vnést i nějaký uhlík, který v malé míře zlepšuje elektrickou vodivost,“ vysvětluje výzkumník.

Členové týmu dnes už plus minus vědí, která plniva jsou vhodná, i když na finální „ideální“ směsi ještě stále pracují. „Optimální směs můžeme ještě dál ladit, zatímco budeme vyvíjet řídicí jednotku,“ říká Jindřich Melichar a předvede pokus na dvou kvádrech, jednom z běžného betonu, druhém z vodivé receptury. Když na něj připojí multimetr, naměří tři miliony ohmů, u druhého jen tři ohmy. Oba kvádry mají zabudované měděné elektrody, přes které je lze zapojit do obvodu s diodami – u betonu se nic neděje, zatímco kompozit je rozsvítí. Potom výzkumník připojí ke zdroji větší blok s vodivou recepturou: „Můžeme tam poslat bezpečné napětí, což je podle evropských norem maximálně 25 voltů. Není to moc, proto chceme u kompozitu dosáhnout maximální elektrické vodivosti, aby se dobře zahříval.“ Blok se po chvíli zahřeje na 50 stupňů a monitor termokamery se rozehraje barvami. Do ukončení projektu zbývá ještě půldruhého roku, už dnes se ale ozývají první zájemci. Společně se zástupci firmy BETOSAN připravují výzkumníci z VUT zkušební aplikace v exteriéru. „Vloni nám dokonce napadla trocha sněhu, takže jsme už mohli systém částečně ověřit. Letos v zimě bychom již chtěli otestovat větší plochu v reálných podmínkách,“ doufá Jindřich Melichar.

Témata