Betón ako inteligentný materiál

Preto sa vyvíjajú betóny, ktoré okrem tradičných funkcií majú aj ďalšie - schopnosť reagovať na potreby, zmeny, schopnosť prispôsobiť sa podmienkam, diagnostikovať svoj stav, a prípadne zabezpečiť opravu. Na základe týchto schopností sa začína zaužívať pojem ?inteligentný betón?. Zaznamenal sa tiež pokrok v možnostiach riešenia betónu s vyššími estetickými parametrami. V súčasnom ponímaní tieto funkcie predstavujú pre betón istú pridanú hodnotu. Niektoré druhy takýchto betónov sú prezentované v článku.

Inovácie vo funkčnosti - inteligentné betóny
S rozvojom vesmírnych a leteckých ?high technologies? vyvstali také technické problémy, ako potreba kontroly vibrácií pri infraštruktúre, riadenia samo-prispôsobenia sa tvarov, prierezov, monitorovanie porúch a ich samooprava apod. Hoci sa inteligencia pripisuje predovšetkým živým organizmom, stretávame sa s ňou aj v oblasti techniky. Hovorí sa o inteligentných systémoch, robotoch, strojoch, materiáloch. Koncepcia inteligentných materiálov a konštrukcií sa vyvíja rýchlo. Pre definovanie materiálov ako inteligentných systémov znamená zahrnúť funkčné, život napodobňujúce prvky do matrice, čím materiály získajú funkciu inteligencie. Inteligencia sa všeobecne definuje ako:

• súbor rozumových schopností, schopnosť riešiť problémy za okolností sprevádzaných neurčitosťou;
• schopnosť poznať a pochopiť príčiny zmien a využiť tieto poznatky na učenie;
• schopnosť pružne sa prispôsobiť zmeneným podmienkam.

V stavebníctve sa v posledných rokoch zaužíval aj pojem inteligentná budova, inteligentná konštrukcia. Pritom môže ísť o rôznu mieru naplnenia presného významu tohto slova. Pri inteligentných budovách ide o výsledok vzájomne zosúladených riešení, kde jednotlivé činnosti v budove riadi nainštalovaný počítačový systém a koordinuje spoluprácu štyroch základných zložiek:

• manažment budovy;
• služby v budove;
• technické zariadenie budovy;
• konštrukcia budovy.

Tieto zložky môžu mať rozličnú technickú úroveň a ?inteligenciu?, pričom túto vlastnosť môže mať priamo budova, ako aj jej jednotlivé zložky. Z hľadiska konštrukcie budovy sa princíp inteligencie môže uplatniť až na úroveň zabudovaných materiálov, ako je znázornené na obrázku 1.

¤ Obr. 1. Postupnosť uplatnenia princípu inteligencie v stavebnej konštrukcii

Betón ako inteligentný materiál sa v súčasnosti prezentuje predovšetkým v zahraničí. Jeho potreba je vyvolaná požiadavkou na vysoké technické riešenia v stavebníctve. Betón v súčasnosti na seba preberá nové úlohy. Orientované sú predovšetkým na predľženie životnosti stavieb, zvýšenie trvanlivosti konštrukcií a materiálov, pričom základným spoločným menovateľom sú snahy o zníženie energetickej náročnosti výstavby a prevádzky budov a takto zníženie negatívnych dopadov spotreby energií na životné prostredie.
Konštrukcie sa vyvíjajú smerom k výškovým budovám, veľkým rozpätiam, ľahkým a pritom vysokopevným konštrukciám, subtílnym prierezom, preto zodpovedajúco tomu sa vyvíja aj betón od tradičného konštrukčného materiálu k novým typom funkčných materiálov. Nové úlohy súvisia aj s požiadavkou praxe, z ktorej je známe, že v súčasnosti je veľmi drahá údržba infraštruktúry. Je potrebné stavať objekty (mosty, cesty, budovy) trvanlivejšie, s dlhšou životnosťou a nenáročné na údržbu. Začínajú sa vyžadovať také vlastnosti, ktoré doteraz pre betón neboli typické a predstavujú istú pridanú hodnotu. Všeobecne sa za inteligentné považujú systémy schopné vnímať určité podnety a určitým spôsobom na ne odpovedať. Z hľadiska funkcií sa za inteligentné považujú betóny:

• Self-sensitive (self-diagnostic, self-monitoring): samovyšetrovací, schopný sledovať, monitorovať, diagnostikovať svoj stav;
• Self-adaptive: samoprispôsobivý, schopný reagovať na podmienky a prispôsobiť sa im;
• Self-repairing (self-rehabilitation, self-healing): samoopraviteľný, schopný napraviť určité poškodenia;
• Self-vibration dumping (high-damping): samotlmiaci, s vysokou schopnosťou tlmiť vibrácie, prenášať energiu spojenú s nárazmi.

Príklady inteligentných betónov
Betón vystužený uhlíkovými vláknami
Ako jedna z ciest zabezpečenia dlhšej trvanlivosti betónových konštrukcií vznikla v praxi požiadavka monitorovať trhliny a zabrániť ich šíreniu. Toto umožní včasné podchytenie porúch a umožní ich opravu. Vyšetrovanie stavu konštrukcií dáva informácie o celistvosti štruktúry za účelom zníženia rizika poškodenia z prevádzkového zaťaženia, zemetrasenia, vetra, únavy materiálu, veku alebo ďalších faktorov. Monitorovanie sa v súčasnosti realizuje predovšetkým rôznymi nedeštruktívnymi metódami, ktoré ale nie sú veľmi citlivé na malé poškodenia v mikro oblasti. Pre efektívne znižovanie rizika porúch je dôležitá schopnosť detekovať poruchy, kým sú malé. Súčasné metódy vyšetrovania stavu konštrukcií sú mierené na použitie zabudovaných alebo prilepených mechanizmov (senzory, regulátory a ovládače) a na využitie mikroelektromechanickej, akustickej alebo dynamickej odozvy, využitie fázových zmien na záznam údajov prostredníctvom zabudovania piezoelektrických, magnetických alebo elektricky vodivých častíc do kompozitného materiálu. Použitie zabudovaných senzorov alebo častíc môže ale spôsobovať degradáciu mechanických vlastností kompozitu. Navyše, zabudované senzory sa v prípade poruchy ťažko opravujú. Prilepené senzory sú ľahšie na opravu, ale sú málo trvanlivé. Oba tieto typy senzorov sú oveľa drahšie ako konštrukčný materiál a spôsobujú nárast ceny konštrukcie. Preto sa hľadajú spôsoby, ako tieto funkcie zabezpečiť samotným konštrukčným materiálom, napríklad výstužou uhlíkovými vláknami. Prezentuje sa viacero výskumných zámerov na betón vystužený uhlíkovými vláknami. Pridaním malého množstva (0,2 do 0,5 % objemu) uhlíkových vlákien (Ø 15 μm, l = 5 mm) do betónu s bežnými zložkami rastie jeho elektrický odpor ako odozva na napätie alebo deformáciu. Ak je betón namáhaný alebo deformovaný, je ovplyvňovaný kontakt medzi vláknami a cementovou matricou a takto je ovplyvnený elektrický odpor betónu. Na tomto princípe je založené zisťovanie deformácie betónu meraním elektrického odporu. Takto má inteligentný betón schopnosť vnímať aj malé defekty štruktúry predtým, než sa stanú závažnými a vzniká tu časový priestor na opravu betónu. Rovnakým spôsobom môžu byť diagnostikované nielen trhliny, vznikajúce pri prevádzke konštrukcie jej zaťažením, ale aj konštrukčné chyby/trhliny. Táto schopnosť môže byť veľmi významná pre bezpečnosť konštrukcií, ktorých havárie by mohli spôsobiť veľké škody, napr. vodné hrádze. Betón vystužený uhlíkovými vláknami je multifunkčný materiál, pre ktorý sa uvádzajú aj ďalšie schopnosti:

• vďaka termoelektrickému javu môže byť betón vystužený uhlíkovými vláknami použitý ako tepelný senzor a ovládač. Môže monitorovať teploty a procesy tepelného prenosu vnútri betónu, čím môže prispieť k regulovaniu porúch spojených s teplotou;
• prítomnosť uhlíkových vlákien tiež reguluje vznik a rozvoj trhlín ako výstuž, takže trhliny sa nerozširujú v takej miere, ako pri bežnom betóne;
• uhlíková výstuž prispieva k zvýšeniu pevnosti;
• schopnosť zachytenia vibrácií, čo by mohlo byť použité v budovách na tlmenie vibrácií alebo redukovanie poškodení zo zemetrasenia;
• schopnosť stanoviť hmotnosť a rýchlosť vozidiel na vozovke v akomkoľvek čase a mieste. Toto sa predpokladá na základe výsledkov merania zmeny elektrického odporu povrchu betónu pri imitovaní hmotnosti vozidla a rotácie kolies, kedy bola stanovená tiež závislosť medzi elektrickým odporom betónu a hmotnosťou vozidla. Vozidlá by mohli byť vážené počas normálnej prevádzky na vozovke.

Prezentuje sa, že pridaním uhlíkových vlákien vzrastie cena materiálu o cca 30 %, čo je ale lacnejšie ako aplikácia zabudovaných senzorov do konštrukcií. Výhodou tohto riešenia je, že monitorovanie môže prebiehať v reálnom čase a časovo neobmedzene.

Betón vystužený hybridnou kompozitnou výstužou
Jednou z ciest riešenia problematiky korózie oceľovej výstuže v betónových konštrukciách sú kompozitné prúty. Zložené sú z jednosmerných vlákien v živičnej matrici a sú lineárne elastické do porušenia; pritom vykazujú krehké chovanie. Problémy s koróziou aj krehkým chovaním môžu byť vyriešené súčasne použitím hybridného systému - kompozitnej výstuže v spojení so špirálovitými vláknami. Hybridný systém disponuje počiatočnou tuhosťou kompozitnej výstuže a umožňuje poddajnosť pri nižších deformáciách. Ak deformácia narastá, zaťaženie je postupne prenesené na špirálovité vlákna, ktoré umožňujú výstuži znášať väčšie zaťaženie pred porušením. Na monitorovanie stavu konštrukcie v dlhšom časovom období môžu byť do epoxidovej matrice zabudované optické a uhlíkové vláknové senzory. Môžu informovať napr. o prekročení návrhového zaťaženia.

Betón vystužený superplastickými zliatinami
Uvádzajú sa samoopraviteľné vlastnosti Inteligentnej vystuženej betónovej konštrukcie (Intelligent Reinforce Concrete Structure - IRCS). Betón je tu vystužený superplastickými zliatinami SMA - Shape Memory Alloys. Káble, vyrobené z vláken SMA, boli vyvinuté na realizáciu formou dodatočne predpätej výstuže. Takto vystužená betónová konštrukcia je inteligentná v tom zmysle, že reaguje na náhle udalosti spôsobujúce trhliny (zemetrasenia, výbuchy...) a výrazne redukuje šírku trhlín. Po odoznení zaťaženia preukazujú vzorky vystužené SMA samoopraviteľnú schopnosť tak, že vzniknuté trhliny sú uzavreté výstužou, ktorá si ?pamätá? predchádzajúci stav.
Iný zdroj uvádza aj možnosť získania viacnásobných funkcií betónu, a to samovyšetrovaciu, samoopraviteľnú a samotlmiacu vibrácie. Tieto funkcie sú umožnené dvomi typmi inteligentných materiálov: SMA a piezokeramiky PZT. Výstuž SMA významne zvyšuje tlmiacu schopnosť betónu a schopnosť prenášať veľké nárazy. Pri prejavení trhlín z explózií alebo zemetrasenia sa elektrickým zahriatím káble SMA sťahujú a uzatvárajú trhliny. Na dôvažok, monitorovaním zmien elektrického odporu káblov SMA môže byť odhadnutá šírka trhliny. doštičky PZT zabudované do hmoty betónu môžu identifikovať trhliny vnútri betónovej konštrukcie. Pritom sa aplikuje analyzačná metóda ako nástroj na spracovanie vlnových signálov senzorov. Bol odvodený a definovaný Index porušenia ako parameter na popis závažnosti poškodenia.

Inovácie v estetike
Samočistiaci betón
Samočistiaci betón si zachováva svoj pôvodný stav z hľadiska čistoty a stálofarebnosti povrchu. Silné slnečné žiarenie alebo ultrafialové svetlo rozkladá mnoho organických materiálov v pomalom, prirodzenom procese. Fotokatalyzátory urýchľujú tento proces a stimulujú chemickú reakciu bez toho, aby boli (podobne ako iné katalyzátory) spotrebované alebo oslabené touto reakciou. Takýmto fotokatalyzátorom je TiO₂ (na obrázku 2), ktorý patrí do skupiny polovodičov. Pridanie nanočiastočiek TiO₂ do zloženia cementu a použitie takéhoto spojiva na výrobu betónu mu umožní získať samočistiace schopnosti. Mechanizmus samočistenia betónu spočíva v dvoch javoch, ku ktorým dochádza aktiváciou TiO₂ slnečným svetlom (UV žiarenie):

• oxidácia: organické nečistoty, ktoré sa dostávajú na povrch betónu, sa rozkladajú v oxidačnej reakcii. Medzi zložky ovplyvňované fotokatalyzátormi patria: špina (prach, sadze, olej...), biologické organizmy (plesne, riasy, baktérie a alergény), polietavé polutanty (prchavé organické látky vrátane formaldehydu, tabakový dym, SO_x a NO_x). Katalyzované zložky sa menia na kyslík, CO₂, vodu, sírany, dusičnany a iné molekuly neškodné pre prostredie;
• hydrofilizácia: Povrch TiO₂ nie je výrazne hydrofilný, avšak v dôsledku UV žiarenia na ňom dochádza k naviazaniu -OH skupín. Výsledkom je mimoriadne vysoký stupeň hydrofilnosti, označovaný ako superhydrofilnosť. Pri zmáčaní betónu potom dochádza k rovnomernému pokrytiu celého jeho povrchu tenkým vodným filmom, tvoriacim klznú plochu, čo zabraňuje vrstveniu nečistôt a umožňuje ich ľahké zosúvanie. Zabraňuje hromadeniu nečistôt a predchádza vzniku húb a plesní na povrchu betónu.

¤ Obr. 2. TiO₂ v práškovej forme [11]

Ďalším prínosom fotokatalytickej reakcie je, že dochádza k redukovaniu škodlivín v ovzduší. Schopnosť neutralizovať NO_x z ovzdušia v blízkosti ciest s vysokou premávkou môže mať vysoký ekologický význam. Uvádza sa napríklad, že takto upravené cesty/chodníky spôsobia rozklad 15 % oxidu dusného produkovaného výfukovými plynmi a sú účinnejšie ako stromy vysadené po oboch stranách komunikácie. Iné zdroje uvádzajú, že kvalita ovzdušia v mestách by mohla byť zlepšená o 50-80 %, ak by všetky cesty, chodníky a povrchy budov boli upravené týmto systémom (ideálny prípad, ak sa neuvažuje produkcia CO₂). Fotokatalytické povrchy dokážu ovzdušie ?vyčistiť? od: NO_x, SO_x, NH₃, CO, smogu, prchavých organických látok, organických chloridov, aldehydov apod.
TiO₂ sa môže pridať do cementov sivých aj bielych a uplatní sa predovšetkým pri výrobe prefabrikovaných prvkov s požiadavkou vysokoestetického vzhľadu (architektonické betóny). Z ekonomického hľadiska je vhodné použitie tenkých vrstiev betónu obsahujúceho cement s TiO₂, vo forme lícových vrstiev alebo povrchových úprav. Možnosti použitia:

• malorozmerové cestné prvky: dlažobné kocky, obrubníky;
• protihlukové bariéry, ochranné bariéry;
• povrchové úpravy, omietky (na fasádach budov, v cestných tuneloch...);
• prefabrikované fasádne veľkorozmerové prvky;
• obkladové prvky, strešná krytina;
• prvky ?malej? architektúry.

Hoci fotokatalytický cement potrebuje pre svoju aktivitu UV žiarenie, je jeho využitie možné aj v interiéroch. Pri osvetlení interiéru svetlom s vhodnou vlnovou dľžkou sa môže čistenie ovzdušia fotokatalytickým povrchom využiť aj na zlepšenie kvality vnútorného prostredia.

Priesvitný betón
Ide o jeden z vrcholných produktov v inováciách betónu v poslednom období. Priesvitný betón je betón so zabudovanými sklenými vláknami, ktoré prenášajú svetlo z jednej strany materiálu na druhú. Kombinácia dvoch protikladných materiálov dáva architektom nové kreatívne možnosti.
Bol vyvinutý maďarským architektom Áronom Losonczim a patentovaný v r. 2001 ako LiTraCon® - Light transmitting concrete. Odvtedy sa na trhu objavilo niekoľko ďalších modifikácií tejto myšlienky (napr. Luccon, Lucem®). Vyvíjajú sa betóny s plastickými alebo optickými vláknami/káblami s podobným efektom, napr. pri overovaní možnosti využiť plastické vlákna usporiadané tak, aby prenášali svetlo z jednej strany steny na druhú, naviac v určitom vzore alebo presnej mriežke. Svetlo, ktoré svieti cez stenu, tak môže pripomínať napr. hviezdnu oblohu. V budúcnosti sa predpokladá využitie vlastností svetlo emitujúcich polymérov (LEP) a svetlo emitujúcich diód (LED), ktoré budú prepúšťať svetlo vo výrobku, umožňujúc variabilitu farby a intenzity svetla.
Priesvitný betón je kombináciou sklených vlákien a jemnozrnného betónu. Jeho výroba je v súčasnosti realizovaná formou prefabrikovaných dielcov. Vyrába sa vo väčších blokoch, z ktorých sa ďalej pripravujú výrobky požadovaných rozmerov. Aby sa zabezpečilo, že konce každého vlákna budú v kontakte s povrchom oboch strán materiálu, betónové bloky sú vytvárané po etapách. Prvá - tenká vrstva betónu sa leje do dlhej, úzkej formy. Potom je do formy uložená vrstva optických vlákien v pozdĺžnom smere. Po niekoľkých opakovaniach výsledný dlhý trámec môže byť rezaný na krátke pravouhlé stavebné dielce. Priemer vlákien sa pohybuje od 2 μm do 2 mm, množstvo je asi 4 % objemu. Použitím vlákien s rozličným priemerom môžu architekti dosiahnuť rôzne svetelné efekty. Taktiež vlákna môžu byť cielene umiestnené v určitých vzoroch, ornamentoch, logách a podobne. Menením rozmerov dielcov sa efekt nemení. Svetelná informácia ostáva rovnaká pri prechode svetla zo svetlejšej strany na tmavšiu až do dĺžky 20 m. Inovácie vzhľadu betónu pomocou optiky umožňujú návrhárom využiť hru svetla a tmy. Aplikovaním širokých možností svetelných efektov je možné kombinovať vizuálnu stránku a zároveň funkčnosť betónových konštrukcií. Možnosti aplikácie:

• fasádne dielce, prepojenie interiér/exteriér (panely, malorozmerové murovacie prvky, tvarované prvky...);
• interiérové architektonické prvky (osvetľovacie telesá, deliace steny, umývadlá...).

¤ Obr. 3. Ukážky prvkov z priesvitného betónu [14]

Grafické betóny
Nový vzhľad povrchu betónu umožňujú dosiahnuť aj technológie, pomocou ktorých sa vytvárajú rôzne dekoratívne motívy a označujú sa ako grafické betóny, fotografické betóny, fotobetóny. V súčasnosti sa prezentujú napríklad nasledovné technológie:

• vytvorenie dekoratívnych prvkov na povrchoch betónov pomocou šablóny je možnosťou pre vytváranie ostrých, zreteľných vzorov. Na vyplnenie šablóny je možné použiť rôzne farby, pigmenty, lazúry, moridlá a krycie vrstvy. Pritom sa zároveň môžu využiť technológie ryteckej práce, prípadne leptania. Používajú sa napríklad kyselinové moridlá, ktoré vyleptajú povrch betónu. Ten sa následne vymyje a opatrí tesniacou povrchovou úpravou. Takýmto spôsobom môžu byť prenášané na povrch betónu aj fotografické motívy;
• použitie špeciálneho filmu, ktorý sa aplikuje na povrch betónu. Je potlačený bežnou bodovou (rastrovou) tlačiarenskou technológiou, avšak namiesto farby je použitý spomaľovač tuhnutia betónu. Spomaľovač nanesený na membránu spôsobí po kontakte so zámesovou vodou spomalenie tuhnutia betónu do požadovanej hľbky a na vopred špecifikovanej ploche (grafický obrazec). Obvykle druhý deň je retardovaná časť povrchu betónu vymytá tlakovou vodou, čím sa odhalí štruktúra kameniva. Vymytá časť tak opticky vystúpi vďaka drsnosti a farebnému kontrastu a odhalená štruktúra betónu sa tak stane zreteľne viditeľnou. Za pomoci tohto princípu je možné na povrchu betónu vytvárať vopred definované grafické vzory. Cement môže byť tiež zafarbený pigmentami a pre ešte lepší kontrast vymytých a nevymytých plôch je možné použiť rôzne variácie veľkosti a farby kameniva. Je to ideálne riešenie fasádnych panelov, deliacich stien a záhradných prvkov.

¤ Obr. 4. Fotografický motív vytvorený na povrchu betónu [16]

¤ Obr. 5. Príklady vzorov povrchov na fasádne dielce [17]

¤ Obr. 6. Príklady vzorov povrchov na fasádne dielce [16]

Tento článok bol vytvorený realizáciou projektu ASFEV 26220120018 s názvom Podpora Centra excelentného integrovaného výskumu progresívnych stavebných konštrukcií, materiálov a technológií, na základe podpory operačného programu Výskum a vývoj financovaného z Európskeho fondu regionálneho rozvoja.

Použitá literatúra:
[1] Sui L., Liu, T.: State of the art of multifunctional and smart concrete. Abstract In: Key Engineering Materials, vol. 302-303, 2006, pp. 424, 431
[2] Chung D, D, L.: Cement-matrix composites for smart structures. In: Smart Materials and Structures 9, 2000, pp. 389-401
[3] Chung D, D, L.: Structural health monitoring by electrical resistance measurement. In: Smart Materials and Structures 10, 2001, pp. 66624-636
[4] Li, H., Cui, D., Song, G., and Mo, Y. L.: Experimental Investigation on Self-Rehabilitation of Intelligent Concrete Beams Reinforced with Superelastic Shape Memory Alloys. www. Civil Engineering Database.
[5] Krishnamoorthy R. K., Belarbi A., Chandrashekhara K., Watkins S. E.: Hybrid composite rebars for smart concrete structures. Proceedings of SPIE - Volume 3043. Smart Structures and Materials, Norris Stubbs, Editor, May 1997, pp. 65-71
[6] Revolutionary advances in concrete. Concrete Magazine, Cement and Concrete Association of New Zealand, June 2005
[7] Surinder, M.: Buildings of the future. In: Nanonow! IoN Publishing Ltd, Vol. 1, pp. 16-17, 2007 [8] Song, G. et al: Health monitoring and rehabilitation of a concrete structure using intelligent materials. Smart Materials and Structures 15, 2006, pp. 309-314
[9] Mingqing, S., Zhuoqiu, L., Qingping, L., Zhigang, T., Darong, S.: A study on thermal self-diagnostic and self-adaptive smart concrete structures. In: Cement and Concrete Research, Volume 30, Issue 8, pp. 1251-1253, August 2000
[10] Gašparovič, P.: Inteligentná budova. In: ASB 8/2004, s. 78-80
[11] Jesenák, K.: Titan medzi oxidmi. In: Quark, apríl 2008, s. 18-19
[12] Bašková, R.: Realizácia betónových konštrukcií. 1. vyd. Martin: BELMAS GROUP, 2008. 272 s. ISBN 978-80-969877-4-0
[13] Chusid, M.: Photocatalysts can keep concrete clean and reduce air pollution. www.concretedecor.net, 2007
[14] http://www.lucem.de/
[15] http://www.concretedecor.net/
[16] http://www.heringinternational.com/
[17] http://www.dwpl.cz/
[18] http://www.sciencedaily.com, http://www.icivilengineer.com, http://www.sciencedirect.com, http://www.heringinternational.com, http://www.italcementigroup.com, http://www.graphicconcrete.com, http://www.litracon.hu