Innowacyjne materiały budowlane zmieniają sposób budowania

Ultranowoczesne materiały budowlane zmieniają sposób budowania. Dzisiejsze materiały są przyjazne dla środowiska, niezawodne i trwałe, a jednocześnie przewiewne i lekkie.

Nowoczesna nauka o materiałach poszła w ostatnich latach zauważalnie do przodu. Dziś na rynku pojawiają się naprawdę rewolucyjne nowe materiały budowlane. Powstają innowacyjne materiały syntetyczne – materiały budowlane, które są lżejsze, mocniejsze i bardziej przyjazne dla środowiska niż tradycyjne materiały. Te postępy stymulują nową architekturę, zupełnie inną od tej, do której jesteśmy przyzwyczajeni i bardziej przyjazną dla środowiska.

Innowacyjne materiały: rozwiązywanie problemów z przeszłości

Kiedy cement pęka, jest to znacznie poważniejszy problem niż wielu ludzi myśli. Nie chodzi tylko o estetykę, choć ta z pewnością jest ważna. Nie, ten problem jest strukturalny: woda dostanie się do pęknięcia i zacznie podważać integralność betonu. W środowisku o niestabilnych temperaturach, problem ten jest nasilony przez efekt zamrażania i odmrażania. Woda w pęknięciu rozszerza się podczas mroźnych zim, popychając każdą stronę pęknięcia trochę dalej od siebie. A potem, gdy lód odmraża na wiosnę, woda wsiąka głębiej w cement, pogłębiając pęknięcie i podważając integralność strukturalną budynku.

Ale co by było, gdyby beton mógł się sam uzdrowić? Albo asfalt, albo nawet metal? Można by zaoszczędzić miliardy funtów na samych naprawach i renowacji, nie wspominając o ograniczeniu szkód dla środowiska naturalnego, które wynikają z wymiany uszkodzonych materiałów.

Niektóre nowoczesne materiały budowlane znajdą swoje miejsce, być może w niewielkich niszach, ale wiele innowacyjnych materiałów budowlanych ma potencjał, by stać się powszechnie stosowanymi. Budynki o tradycyjnej konstrukcji z cegły i betonu będą stopniowo odchodzić w przeszłość, ponieważ wymagania ludzkości są oczywiste: potrzebujemy ekologicznych, energooszczędnych, trwałych i lekkich budynków, które będą ładnie wyglądać i jednocześnie będą wysoce funkcjonalne.

Najbardziej innowacyjne materiały budowlane

Zebraliśmy najciekawsze i najbardziej innowacyjne materiały budowlane, które są już stosowane, a także takie, które są obiecującymi koncepcjami testowanymi w ramach projektów pilotażowych. Wiele materiałów budowlanych niekoniecznie jest zupełnie nowych – to znaczy, że technologia została opracowana i przetestowana już dawno temu, ale nadal jest stosowana wybiórczo i nie jest powszechna. Nowe materiały budowlane są wykorzystywane zarówno do dekoracyjnych wykończeń, jak i jako materiały rdzeniowe w konstrukcjach budowlanych. Wynalezienie najnowszego ekologicznego materiału – przezroczystego drewna – zostało ogłoszone jeszcze w 2016 roku. Jednak dopiero w 2020 roku naukowiec, który we współpracy z zespołem z University of Maryland at College Park wynalazł metodę nadawania drewnu przezroczystości, stwierdził, że testy zostały zakończone i że osiągnęli stabilny wynik. Przezroczyste drewno jest co najmniej 5 razy mocniejsze i lżejsze od szkła, a także bardziej wydajne termicznie. To właśnie te cechy czynią z niego interesujący potencjalny zamiennik dla plastikowych lub szklanych okien.  Inne zalety: surowiec jest odnawialny i przyjazny dla środowiska. Drzewo balsy rośnie szybko – drzewo dorasta do dorosłości w ciągu zaledwie 5 lat. Koszty produkcji są również znacznie niższe niż w przypadku produkcji szkła, gdzie występuje zauważalny ślad węglowy ze względu na wymagane wysokie temperatury i energię elektryczną wykorzystywaną w procesie.

Przezroczyste drewno jest dość elastyczne, ponieważ zawiera naturalną celulozę. Aby uzyskać przezroczystość, drewno balsa jest moczone w specjalnym roztworze, a następnie do struktury dodaje się żywicę epoksydową. Przezroczyste drewno lub szkło drewniane może być stosowane zamiast tradycyjnych szyb zespolonych lub innych elementów w konstrukcjach budowlanych, które muszą być przejrzyste, ale także trwałe, ekologiczne i energooszczędne.

WŁÓKNO WĘGLOWE

Włókno węglowe, to naprawdę materiał przyszłości – choć od dawna wykorzystywany w różnych dyscyplinach sportowych! Ten innowacyjny materiał jest jednak coraz częściej wykorzystywany w budownictwie, branży, która często wymaga połączenia wytrzymałości i lekkości. Włókno węglowe jest o 75% lżejsze od żelaza i o 30% od aluminium. Stosuje się go do wzmacniania tradycyjnych materiałów budowlanych w celu zwiększenia ich wytrzymałości – cegieł, bloków żelbetowych, konstrukcji drewnianych – a także do zmniejszenia grubości płyt i, odpowiednio, obniżenia ich wagi. Zbrojenie betonu włóknem węglowym zapewnia również doskonałą izolację termiczną. Jedyną wadą, która ogranicza jego powszechne zastosowanie, jest wysoki koszt materiału.

Innowacyjne materiały budowlane to nie zawsze materiały o innowacyjnych właściwościach fizycznych, takich jak wytrzymałość czy bezpieczeństwo. Mogą to być również materiały, które integrują technologię, aby zapewnić spektakularne dekoracje i realizację najbardziej ekstrawaganckich pomysłów projektowych. Nowym rodzajem wykończeniowego materiału budowlanego są czułe płytki z włóknem akrylowym, które reagują na ruchy użytkownika, dotyk lub źródła światła. Światłowód przekazuje światło i reaguje: płytka może mrugać, świecić, łapać i rozpraszać sąsiednie kolory na swojej powierzchni. Dekorowanie tym materiałem daje nowe możliwości w architekturze i aranżacji wnętrz.

Termin „samoregenerujący się beton” brzmi więcej niż trochę fantastycznie. Jeszcze w 2015 roku wynalazca Henk Jonkers z Delft University of Technology pokazał innowacyjną metodę naprawy pęknięć w betonie za pomocą bakterii. Zasada działania technologii jest prosta: do betonu dodawano kapsułki zawierające specyficzne bakterie i składniki odżywcze dla nich: bakterie były aktywowane, gdy tylko uderzyła woda. Spękany beton był odbudowywany za pomocą wilgoci, wypełnionej wapieniem produkowanym przez bakterie.

Oprócz tej bio-technologii istnieje inna alternatywa od koreańskich badaczy, w której do betonu dodaje się kapsułki z pewnym polimerem. Pod wpływem wilgoci i światła słonecznego również zaczyna on reagować, pęczniejąc i wypełniając pęknięcie.

Tradycyjny beton jest bardzo niezawodnym i uznanym materiałem budowlanym, ale w momencie pęknięcia traci swoje właściwości. Wielu specjalistów z dziedziny materiałoznawstwa na całym świecie pracuje nad nadaniem temu materiałowi bazowemu nowoczesnej modernizacji.

Ostatnio amerykańscy naukowcy z Worcester Polytechnic Institute (WPI) przedstawili również dowody na to, że opracowali biobeton. W tym przypadku dodaje się enzym, który wchodzi w reakcję z uwalniającymi CO2 kryształami węglanu wapnia – ich właściwości są podobne do betonu. W efekcie wszystkie pęknięcia zostają wypełnione, a wytrzymałość wytrzymałości betonu poprawia się. Metoda ta może przywrócić 1 mm pęknięcie w ciągu jednego dnia.

Inne opracowanie naukowców z University of Colorado opiera się na fotosyntezie bakterii. T Bioconcrete składa się z mieszaniny cyjanobakterii – bakterii fotosyntetyzujących – żelatyny i piasku. Reagują one na wodę i zwiększają swój rozmiar, aby wypełnić wszelkie ubytki.

AEROGEL

Najtwardszy i najlżejszy materiał na świecie wykonany jest w 99,8% z powietrza!

Ten syntetyczny porowaty ultralekki materiał pochodzi z żelu, w którym płynny składnik żelu został zastąpiony gazem. W rezultacie otrzymujemy bardzo solidne ciało o wyjątkowo niskiej gęstości i niskim przewodnictwie cieplnym. W dotyku przypomina kruchy styropian. Aerożele mogą być wykonane z różnych związków chemicznych. Po raz pierwszy zostały wyprodukowane w 1931 roku jako pomysł Samuela Stephensa Kistlera. Twierdził on, że może zastąpić ciecz gazem bez kurczenia się struktury. Pierwsze aerożele były wykonane z żeli krzemionkowych. Późniejsze prace Kistlera dotyczyły aerożeli na bazie tlenku glinu, tlenku chromu i dwutlenku cyny. Aerożele węglowe zostały po raz pierwszy opracowane pod koniec lat 80-tych. Szczególną cechą aerożeli jest to, że mogą mieć niższą przewodność cieplną niż gaz, który zawierają. Materiał ten jest doskonałym izolatorem termicznym, dlatego jest szeroko stosowany do przyjaznej środowisku i wydajnej izolacji termicznej na skalę przemysłową. Ze względu na wysoką i drobną porowatość struktury, aerożele mogą być stosowane jako matryca zbierająca najmniejsze cząstki pyłu.

RICHLITE

Richlite to trwały papierowy materiał kompozytowy. Powstaje z makulatury, która jest prasowana w twarde, gładkie płyty, które można poddać obróbce. Odpowiednio pozyskiwany papier jest o wiele bardziej przyjazny dla środowiska niż wiele najpopularniejszych materiałów stosowanych w budownictwie i jest to jedna z głównych zalet Richlite. Technologia zmienia go jednak w niesamowity surowiec, który jest tak potrzebny w eko-budownictwie.

W przeciwieństwie do kamienia lub innych twardych powierzchni, Richlite działa tak samo jak gęste twarde drewno, można go łatwo frezować, szlifować i łączyć. Richlite jest również materiałem wodoodpornym i higienicznym, który ma niską absorpcję wilgoci, wysoką odporność termiczną i ognioodporność. Nie szkodzi, że dobrze się prezentuje, z naturalnym wykończeniem. Dzięki temu znajduje zastosowanie w wielu branżach, od budownictwa po projektowanie mebli. Używany jest nawet do produkcji instrumentów muzycznych, zastępując drogi heban, a jednocześnie zapewniając wysoką jakość dźwięku. Richlite okazał się znanym materiałem, uwielbianym przez wielu architektów jako wykończenie mebli, elementów wnętrz i kreatywnych konstrukcji.

PŁYNNY GRANIT

Sztuczny „płynny” kamień to specjalna płynna mieszanka budowlana (wykonana w 70% z wiórów marmurowych i w 30% ze specjalnych dodatków i wypełniaczy dekoracyjnych), którą natryskuje się na powierzchnie m.in. betonowe, murowane, kamienne i asfaltowe. Ze względu na swój skład, płyn konglomeruje tworząc szczelne zamknięcie, zapewniając powierzchni trwałość i atrakcyjny wygląd. Płynny granit jest materiałem przyjaznym dla środowiska, ponieważ zawiera bezpieczne żywice, naturalne wióry marmurowe i wypełniacze mineralne. Ten materiał kompozytowy jest często stosowany w pracach wykończeniowych, do wykonywania lub pokrywania poszczególnych konstrukcji lub elementów wnętrz.

UGINAJĄCY SIĘ, ELASTYCZNY BETON

Badania nad poprawą jakości betonu są jednym z najpopularniejszych kierunków w materiałoznawstwie, ale nie powinno to dziwić.

W dzisiejszych czasach niemal całe budownictwo opiera się na betonie.  Wspomnieliśmy już, że jednym z problemów betonu jest jego kruchość w przypadku odprysków i pęknięć. Dodatkowo, podczas gdy beton jest niezwykle silny, jest ograniczony w obciążeniu, które może wytrzymać. Jeszcze w 2014 roku Singapurczycy byli w stanie nie tylko poprawić wytrzymałość i zmniejszyć wagę betonu poprzez wyeliminowanie zbrojenia w konstrukcjach betonowych, ale również dodali elastyczność, która nie jest charakterystyczną właściwością tradycyjnego betonu.

Dzięki unikalnemu dodatkowi nowy beton ConFlexPave zyskał elastyczność i wytrzymałość nawet 3-krotnie większą niż tradycyjny beton. Najcieńsze mikrowłókna polimerowe są wymieszane z roztworem, rozkładając obciążenia na całą płytę betonu. Dzięki temu staje się ona tak mocna jak metal i dwukrotnie mocniejsza od zwykłego betonu, gdy poddaje się ją zginaniu.

Nie ma jednak granic doskonałości, a inni naukowcy kontynuują prace nad elastycznym betonem. Na przykład specjaliści z Uniwersytetu Swinburne stworzyli beton bez użycia cementu, ale o tych samych wyjątkowych właściwościach w zakresie elastyczności i obciążeń. Ten nowy rodzaj betonu jest również przyjazny dla środowiska, ponieważ zawiera popiół lotny i kompozyty geopolimerowe – typowe odpady emitowane przez elektrownie węglowe. Ponadto zastyga on w temperaturze pokojowej, co oznacza, że nie ma potrzeby ponoszenia niezrównoważenie wysokich kosztów produkcji. Ale co najważniejsze, nowy beton jest 400 razy bardziej elastyczny niż tradycyjny, przy zachowaniu tego samego poziomu wytrzymałości. Geopolimery nie tylko zwiększają współczynnik zginania, ale także poprawiają odporność na ewentualne mikropęknięcia. Włókna polimerowe utrzymują konstrukcję pod obciążeniem nawet przy pęknięciach, dlatego nowy materiał może być stosowany na terenach zagrożonych trzęsieniami ziemi, gdyż ryzyko zawalenia się budynków wykonanych z takiego betonu jest zminimalizowane.

Ten rewolucyjny materiał to betonowa tkanina w rolce. Jego elastyczność daje nieograniczone możliwości projektowe dla architektów i stawia nowe wyzwania w budownictwie.

Opatentowane rozwiązanie Concrete Canvas® jest wykorzystywane do wielu zadań budowlanych i nie tylko. Umożliwia ono budowanie konstrukcji betonowych przy minimalnej instalacji i specjalistycznym szkoleniu. Instalacja jest zwykle dziesięć razy szybsza: wystarczy rozwinąć przygotowaną rolkę i dodać wodę.

Jest to materiał pomocniczy, który ułatwia szereg prac przedbudowlanych, a także znajduje zastosowanie w przygotowaniu obiektów infrastrukturalnych: kanałów, naprawy i ochrony powierzchni i zboczy oraz wzmacniania zbiorników i rur.

ALUMINIUM TRANSPARENTNE

Ten materiał przyszłości to fizyczna rzeczywistość. W uproszczeniu jest to przezroczysta ceramika oparta na tlenku glinu (AlON). Główne cechy tego materiału to odporność na zarysowania i trwałość. Przezroczyste aluminium jest znacznie trwalsze od szkła glinokrzemianowego (kwarcu), jest też o 85% twardsze od szafiru. Ponadto wytrzymuje ciepło do 2 100⁰C. Jest odporny na promieniowanie, kwasy, zasady i wodę. Oczywiście materiał ten został natychmiast przyjęty przez przemysł wojskowy i optyczny. Ale w budownictwie stosuje się go do odpornych na uderzenia okien, kopuł i innych elementów wymagających przejrzystości i wytrzymałości.

DREWNO LAMINOWANE

Jest to innowacyjny materiał, który wykorzystuje drewno we wszystkich swoich elementach. Drewno jest prasowane w płyty i laminowane, tworząc z nich solidny blok, który jest znacznie mocniejszy niż zwykłe drewno.

W tej kategorii znajdują się takie podtypy jak drewno laminowane krzyżowo i drewno warstwowe. Drewno laminowane składa się z kilku sklejonych ze sobą kawałków drewna, które są wykorzystywane do tworzenia mocnych belek. Drewno laminowane krzyżowo składa się z kawałków drewna ułożonych na przemian, aby stworzyć duże panele, które mogą wytrzymać duże obciążenia. Oba rodzaje drewna są niezwykle odporne na ogień. Zewnętrzne warstwy, podczas spalania, tworzą zwęglenia, które pomagają izolować resztę drewna. Podczas testów odporności ogniowej wykazały zdolność do zachowania integralności strukturalnej. Zastosowanie litego drewna ułatwia wychwytywanie dwutlenku węgla podczas wzrostu drzew i w trakcie użytkowania drewna w budynkach. Według jednego z badań opublikowanych w Journal of Sustainable Forestry, jeśli stosuje się zrównoważoną gospodarkę leśną, można zapobiec 14 do 31% globalnych emisji poprzez zastąpienie materiałów stosowanych w budynkach i mostach drewnem.

HYDROKERAMIKA (CHŁODZENIE PASYWNE)

Jest to kompozytowy materiał elewacyjny wykonany z gliny i hydrożelu, który jest w stanie schłodzić wnętrza budynków nawet o 6°C. Hydroceramika wykorzystuje zdolność hydrożelu do wchłaniania 500 razy więcej wody niż wynosi jego własna waga, aby stworzyć system budowlany, który „staje się żywą istotą jako część natury, a nie poza nią.” Technologia została opracowana przez hiszpańskich studentów z Instytutu Zaawansowanej Architektury Katalonii jeszcze w 2014 roku. Od tego czasu ten innowacyjny materiał, który umożliwia tworzenie samowchładzających się systemów, cieszy się dużym zainteresowaniem w branży budowlanej i wśród architektów. Jest szczególnie popularny w budownictwie ekologicznym, ponieważ pozwala zaoszczędzić do 28% całkowitego zużycia energii przez tradycyjne urządzenia chłodzące.

KABKOMA – GWINTY WĘGLOWODOROWE, PODPARCIE SZNURKA

Dla regionów podatnych na trzęsienia ziemi, takich jak Japonia, bardzo ważne są materiały, które mogą wytrzymać trzęsienia ziemi. Dlatego laboratorium Komatsu Seiten Fabric opracowało termoplastyczny kompozyt z włókna węglowego o nazwie CABKOMA Strand Rod.

Kompozyt pokryty jest włóknami nieorganicznymi i syntetycznymi, wykończony żywicą termoplastyczną, dając początek najlżejszemu na świecie systemowi zbrojenia sejsmicznego. Innowacyjne sploty są prawie pięciokrotnie lżejsze od metalowych drutów o tej samej wytrzymałości, a nawet mają piękny wygląd. Są również skuteczne, pomagając budynkom spełnić wymagania dotyczące wzmocnienia sejsmicznego. Oczywiście, jak wszystkie materiały na bazie włókien węglowych, wadą CABKOMA jest to, że nie jest tania.

FLEXICOMB

Flexicomb jest inspirowany naturą – jak można się domyślić po nazwie, struktura tego materiału jest inspirowana plastrami miodu. Ten bardzo prosty pomysł okazał się niesamowicie elastyczny i funkcjonalny. Pomysł po raz pierwszy pojawił się na Uniwersytecie Yale, gdzie naukowcy badali strukturę plastra miodu. Łącząc słomki do picia w jedną tablicę, można łatwo stworzyć strukturę przypominającą plaster miodu. Daje to również możliwość recyklingu lub upcyklingu popularnego plastikowego uciążliwego przedmiotu – słomki do picia.

W Flexicomb tysiące polipropylenowych rurek są ściśle połączone w elastyczną matrycę, której można nadać różne kształty. Struktury te są półprzezroczyste, więc często wykorzystuje się je do produkcji dekoracyjnych elementów oświetleniowych.

CHŁODZENIE PASYWNE

Każdy wie, że kolor biały wyjątkowo dobrze odbija światło. Ale okazuje się, że można stworzyć „najbielszą farbę na świecie”, która może służyć jako klimatyzator do chłodzenia pomieszczeń. Naukowcy z Purdue University stworzyli białą farbę, która odbija 98,1% światła słonecznego. Sekretem farby jest jej skład, który zawiera siarczan baru.

Zapewnia to idealnie czystą biel z efektem odbicia światła. Zgodnie z wynikami testów, wdrożenie farby prowadzi do niesamowitych rezultatów: pomalowanie dachu o powierzchni 90 m2 zapewnia moc chłodniczą na poziomie 10 kW. Wartość ta jest wyższa niż typowa moc domowych klimatyzatorów.

Oprócz zastosowania w chłodzeniu budynków, nowa farba może również zapobiegać przegrzewaniu się zewnętrznych instalacji elektrycznych.

OKŁADZINA Z BIO-WĘGLA

Berliński startup Made of Air opracował specjalny nietoksyczny bioplastik z biocharu pochodzącego z odpadów leśnych i rolniczych. Wychwytuje on węgiel i może być stosowany do wszystkiego, od fasad budynków, mebli, wnętrz, transportu i infrastruktury miejskiej.

Materiał z recyklingu składa się w 90% z węgla i jest w stanie absorbować CO2 z atmosfery, a sam jest materiałem neutralnym pod względem emisji dwutlenku węgla.

Porowaty, bogaty w węgiel materiał bardzo skutecznie zatrzymuje węgiel. W przeciwieństwie do rozkładającej się biomasy, która szybko uwalnia swój węgiel z powrotem do atmosfery, biochar pozostaje stabilny przez setki, a nawet tysiące lat. Tworzywo z biocharu firmy Made of Air jest tańsze niż konwencjonalne bioplastiki, ale wciąż droższe niż materiały ropopochodne.

Sześciokątne panele o nazwie HexChar zostały po raz pierwszy zainstalowane jako materiał okładzinowy w centrum dealerskim Audi w Monachium w 2021 roku; był to pierwszy przypadek zastosowania tego produktu w budynku. Analiza cyklu życia wykazała, że okładzina dealera zmagazynuje 14 ton węgla.

HEMP REBAR

Naukowcy z Rensselaer Polytechnic Institute w USA wynaleźli konopną alternatywę dla stalowego zbrojenia, która, jak twierdzą, pozwala uniknąć problemu korozji i zmniejszyć emisję dwutlenku węgla podczas budowy.

Zbrojenie z konopi może być wykorzystywane do podtrzymywania konstrukcji betonowych w taki sam sposób, w jaki obecnie wykorzystuje się stal i inne zbrojenia, ale z mniejszym wpływem na środowisko, zarówno ze względu na skład materiału, jak i jego trwałość.

Obecnie rdzewienie stalowego zbrojenia jest głównym powodem przedwczesnej rozbiórki konstrukcji takich jak mosty, drogi, tamy i budynki. Innowacyjne zbrojenie konopne zapewni trzykrotnie większą trwałość i ochronę przed korozją. Ponadto, w przeciwieństwie do zbrojenia włóknem szklanym w konstrukcjach szczególnie podatnych na korozję, zbrojenie konopne nie wymaga tak dużego zużycia energii do produkcji i instalacji, co czyni je rozwiązaniem bardziej przyjaznym dla środowiska.

Powyższa lista to zaledwie niewielki ułamek rozwiązań, które są już wykorzystywane w budownictwie. Każdy z materiałów jest z roku na rok udoskonalany lub jedno rozwiązanie zastępowane jest inną, jeszcze lepszą opcją. Budownictwo to dziedzina, w której zaawansowane technologicznie materiały i innowacyjne rozwiązania cyfrowe mogą zrewolucjonizować sposób prowadzenia projektów i stworzyć prawdziwie futurystyczne obiekty.