Téma
Pod povrchem: proč záleží na tom, z čeho stavíme. Doktorand Ondřej Kunovský o nízkouhlíkových cementech
Pojivo je klíč
Aby bylo možné pochopit smysl projektu, začíná Ondřej Kunovský od základů: „Když to řeknu jednoduše: beton se skládá z kameniva a pak máme cementovou pastu – pojivo. A právě v pojivu je hlavní složka, která nás zajímá, a to C-S-H gel.“
Jako jeden z produktů při reakci cementu s vodou vzniká C-S-H gel, avšak tento gel lze připravit i synteticky v laboratoři. „Když syntetický C-S-H gel připravíme kontrolovaně, můžeme ho použít jako růstový zárodek. Ovlivníme hydrataci, tedy proces tuhnutí a tvrdnutí,“ vysvětluje. Funguje to jako „zrníčko“, kolem kterého se začne nabalovat pevná struktura – podobně jako když v přesyceném roztoku začne růst krystal.
Aby bylo možné tyto zárodky v materiálu sledovat, připravují výzkumníci jejich dopované varianty dle typu cementu, do kterého jsou použity (např. hliník, alkalické kovy). K identifikaci pak slouží elektronová mikroskopie a prvková analýza (SEM-EDS). „Jedna metoda stačí málokdy. Často je to kombinace více postupů,“ dodává Ondřej Kunovský.
Projekt vede FCH VUT a hlavním řešitelem je docent František Šoukal. Výzkumná činnost je rozdělena do několika částí – syntéza zárodků, příprava hybridního pojivového systému a studium jejich interakcí. Projekt je realizován ve spolupráci s vědci z Fakulty stavební Českého Vysokého učení technického v Praze, kteří provádějí nanoindentační experimenty, jejichž výsledky jsou následně využívány v numerickém modelování k predikci různých pevnostních charakteristik. Spolupráce na projektu je součástí Ondřejovy dizertace pod vedením doktorky Evy Bartoníčkové. Konkrétně se Ondřej věnuje studiu amorfní formy C-S-H fází.
Cement jako komplexní chemický systém
Na první pohled působí výroba betonu jednoduše: smícháním cementu, vody a kameniva vznikne směs, která následně tuhne a tvrdne. Realita je však jiná. „Chemické procesy nutné pro výrobu a následnou hydrataci cementu jsou velmi složité. Je zde hodně fází, které spolu reagují a interagují. Jedná se o komplexní systém, i když se to na první pohled nezdá,“ popisuje Ondřej Kunovský.
Projekt se zaměřuje na vývoj hybridních nízkouhlíkových cementů, které kombinují klasický portlandský cement s alkalicky aktivovanými materiály. Cílem je především zlepšení raných mechanických vlastností, tedy pevnosti materiálu v prvních hodinách po zatvrdnutí. Některé nízkouhlíkové cementy vykazují pomalejší nástup hydratace, a proto je využíván přídavek syntetických zárodků, který umožňuje tento proces účinněji řídit.
Pro běžného člověka není podstatné, jaký cement je použitý. „Nikdo si asi nevšimne, z jakého cementu chodník je. Pro něj je důležité, že bude kvalitnější.“ Kvalitnější znamená především trvanlivější. „Když bude struktura hutnější, materiál vydrží déle,“ doplňuje Ondřej Kunovský.
Beton degraduje hlavně dvěma způsoby. „Když do pórů nateče voda, zmrzne a rozmrzne, strukturu roztrhá.“ Druhým problémem je karbonatace, kdy oxid uhličitý narušuje vnitřní strukturu materiálu.
Základní výzkum má smysl
Do praxe se výsledky dostávají postupně. Ondřej Kunovský říká: „Než bude možné materiál uvést do výroby, musí být provozně ověřen a následně zahrnut do příslušných norem na národní i mezinárodní úrovni. Ve stavebnictví je nezbytné, aby byl každý materiál důkladně posouzen z hlediska statické bezpečnosti, aby byla zajištěna stabilita a bezpečnost budov.“
Na trhu již existuji komerční „nanoseedy“ ve formě urychlovačů, které se složením podobají našim syntetickým systémům, ale obsahují i něco navíc. Ondřej připomíná, že se jedná o základní výzkum: „Projekt GAČR není zaměřený na aplikovaný výzkum. Naším cílem je především pochopit chemii a strukturu systému – tedy jak materiál funguje na mikroúrovni. Právě toto porozumění je ale nezbytným krokem k budoucím aplikacím. Rozhodně to není výzkum do šuplíku,“ usmívá se Ondřej Kunovský.
Od A do Z: navrhnout, změřit, vyhodnotit, interpretovat
Nejcennější zkušeností se spoluprací na projektu v rámci dizertace je podle Ondřeje možnost projít si celým procesem výzkumu. „Navrhnout experiment, změřit ho a vyhodnotit. Vždy se něco změří, ale otázka je, jak to interpretovat,“ shrnuje. Stěžejní je také osobní motivace. Tu pro něj představuje hlavně možnost podílet se na zlepšování široce užívaných materiálů v praxi.
Jako další přidanou hodnotu doktorátu zmiňuje Ondřej cestování: „Nejvíc na mě zapůsobila konference v Mostaru, která byla zaměřena na termální analýzu a kalorimetrii. Jsme poměrně malá vědecká komunita, takže se všichni známe a potkáváme se pravidelně, což může spolupráci usnadnit.“
Za velmi důležité považuje také balancování práce a volného času. „Je potřeba relaxovat. Když něco nevychází, setkám se s kamarády, pustím si film nebo si něco zahraji a na chvíli vypnu. Čistá hlava se mi osvědčila, protože pak mě řešení spíš napadne. Když se spěchá, nemusí se všechno povést,“ zamýšlí se Ondřej Kunovský.
Budoucnost nechává otevřenou. „Chtěl bych zůstat v této oblasti, ale člověk nikdy neví. Nechávám si všechny možnosti otevřené. C-S-H gel nepředstavuje pouze nositele pevnosti betonu. Díky své chemické aktivitě může vázat některé těžké kovy, a proto se uplatňuje i ve výzkumu zaměřeném na imobilizaci škodlivin v životním prostředí.“
Jedno je ale jisté už teď: pokud jeho výzkum pomůže prodloužit životnost stavebních materiálů, projeví se to v každodenním životě nás všech. Delší trvanlivost znamená méně oprav, nižší náklady i menší ekologickou zátěž.
-jo-
Zdroj: FCH VUT
„Plasty tu budou stále, jen je třeba se k nim jinak chovat,“ říká profesorka Adriána Kovalčík, která se naučila čelit výzvám
Nové generaci bakteriálních hnojiv se věnuje oceněný projekt Brno Ph.D. Talent Martina Súkeníka
Odvážná inovace v recyklaci: Výzkumník Silvestr Figalla mění odpadní kaly na cennou surovinu
Kudy z doby plastové? Řešení není jednoduché ani jednoznačné, říká Stanislav Obruča z FCH VUT
Ekodesign jako cesta k udržitelnosti: Výzkumníci z FCH VUT pomáhají českým firmám připravit se na budoucnost