Tato nová technologie oprav trhlin na asfaltových vozovkách byla vyvinuta ve švýcarském výzkumném ústavu EMPA (Eidgenössische Materialprüfungs und Forschungsanstalt) v Dübendorfu. Metoda umožňuje opravu zkřehlé, zestárlé asfaltové směsi. Inspirací při vývoji nové metody byla pro řešitele (Etienne Jeoffroy) metoda používaná při léčbě nádorových onemocnění.
Trvalý nárůst
těžké nákladní dopravy a probíhající klimatické změny zvyšují namáhání
vozovek nad únosnou míru. Tradiční asfaltové směsi stále více překračují meze
své výkonnosti. Trva-
lé deformace, většinou v podobě vyjetých kolejí, a různé druhy trhlin
(únavové, mrazové…) jsou diagnostikovány stále častěji; přitom opravy těchto
poruch vyžadují každoročně finanční prostředky v řádu miliard.
Již před několika desetiletími se vědečtí výzkumní a vývojoví
pracovníci snažili řešit tyto problémy používáním polymerem modifikovaných
asfaltů (PMB), což vedlo k výraznému zlepšení užitných vlastností vrstev
vozovky budovaných z těchto směsí. Proto se v současné době používají
pro obrusné vrstvy vozovek s velkým dopravním zatížením téměř bez výjimky
asfaltové směsi modifikované polymery. Potenciál tohoto druhu modifikace
asfaltu je však do velké míry vyčerpán, takže pro zvládnutí budoucích
výzev bude nutno sledovat nové inovativní podněty.
V této souvislosti se často hovoří o nanotechnologiích, od nichž
můžeme očekávat podstatné zlepšení užitných vlastností vozovek. Působení
nanočástic spočívá v podstatě na mimořádně velkém měrném povrchu,
který má téměř na všechny vlastnosti asfaltových směsí pozitivní vliv.
S přidáním nanočástic byly již získány dobré zkušenosti mezi jiným
u stavebních materiálů stmelených cementem.
Je velmi pravděpodobné, že přidání nanočástic
do asfaltu povede k vytvoření nanokompozitních struktur, podobných
strukturám známým z chemie polymerů. Díky velkému měrnému povrchu
nanočástic postačí jejich malý podíl v materiálu, aby došlo
k dostatečné adsorpci – procesu, jehož principem je hromadění částic
(atomů, molekul) plynu, kapaliny či pevné látky na povrchu (fázovém
rozhraní), takže dochází ke zlepšení makroskopických vlastností takto
vzniklého kompozitu (viskozity, houževnatosti, pevnosti). Samotná viskozita
materiálu je již zvýšena přítomností tvrdých částic. Protože anorganické
nanočástice jsou nepropustné pro rozpouštědla a plyny, je asfaltová směs
lépe chráněna proti oxidaci a porušení látkami, které se dostaly
na povrch vozovky (olej, benzin, různé chemikálie). Kryt vozovky z asfaltové
směsi s nanočásticemi by proto měl být podstatně odolnější a trvanlivější
než kryty vozovek z tradičních asfaltových směsí.
V dalším textu představujeme výsledky nejnovějšího výzkumu použití
nanotechnologie pro opravy trhlin na vozovkách s asfaltovým krytem,
realizovaného ve Švýcarsku.
Popis výzkumu a vývoje nové technologie oprav trhlin pomocí nanočástic
v odborném tisku působí poněkud tajemně – téměř jako ze sci-fi filmu:
„Soustředěně hleděl Etienne Jeoffroy přes svoje ochranné brýle. Malou lžičkou
se dotkl prášku barvy mědi v reagenční láhvi. Látka, která vypadá jako
měděný prášek, jsou ve skutečnosti nanočástice oxidu železitého. Při práci
s nimi musí výzkumník vsunout svoje ruce do tzv.
autoklávu, což je skleněná skříňka, jejíž
vnitřní prostor je naplněn reaktivním ochranným plynem.“
Za normálních okolností zkoumají vědci ze skupiny profesora André
Studarta na Státní vysoké technické škole v Zürichu (Eidgenössische
Technische Hochschule Zürich), obecně nazývané ETH Zürich, v této
laboratoři takzvané bionické a bionikou inspirované materiály. Dnes patří
pracovní místo doktorandovi z výzkumného ústavu EMPA, oddělení silničního
stavitelství: Etienne Jeoffroy se chce pomocí nanočástic oxidu železitého
pokusit o malou revoluci v silničním stavitelství.
„Léčitelný“ asfalt
Pro výrobu
asfaltových směsí se v silničním stavitelství používá asfalt, materiál,
který se získává při zpracování ropy. V důsledku opotřebení, teplotních
rozdílů nebo působením chemických substancí, jako je vzdušný kyslík, asfalt
křehne, což se projeví vznikem trhlin v asfaltových vrstvách.
Tyto trhliny jsou zpočátku mikroskopicky malé, rozšiřují se však trvalým
zatížením silniční dopravou. To vede po kratší či delší době k tomu,
že musí být opravovány celé úseky pozemních komunikací, což představuje značné
finanční náklady, zřizování stavenišť, dopravní kongesce a další negativní
vlivy.
Pro zabránění těmto problémům v budoucnosti vyvinul Etienne Jeoffroy
druh „léčitelného“ asfaltu. Ideou tohoto postupu je uzavření trhlin
v krytu pozemní komunikace, pokud jsou ještě malé. „Pokud lze trhlinu
pozorovat pouhým okem, je zpravidla už příliš pozdě,“ vysvětluje vědec. Aby se
asfaltová směs stala „léčitelnou“, přidává do asfaltu nanočástice oxidu
železitého.
Výzkum v oblasti silničního stavitelství
Pro údržbu
pozemní komunikace porušené mikrotrhlinami by bylo zapotřebí přibližně
v intervalu jednoho roku kontrolovat vozovku pojezdem speciálního vozidla,
které vytvoří magnetické pole. Tak by byly mikrotrhliny v asfaltové vrstvě
opět uzavřeny a životnost krytu vozovky by se podstatně prodloužila.
Před několika léty sledoval výzkumníci silniční laboratoře ústavu EMPA pod vedením Manfreda Partla podobný cíl:
místo nanočástic používali tehdy vlákna z ocelové vlny.
Metoda však měla tři kritická místa: smíchání vláken s asfaltem bylo
obtížné. Místo
aby se vlákna v asfaltu rovnoměrně rozptýlila, vytvářela na různých
místech hrudky. Etienne Jeoffroy nazval tento jev „efekt klubka vlny“.
Jeho důsledkem bylo lokální přehřátí v případě, že se vlákna působením
magnetiského pole ohřála, což mohlo vést ke vzniku dalších poruch
v krytu. Třetím kritickým místem byla koroze vláken.
Inspirace poznatky z medicíny
Řešení problému nalezl Etienne Jeoffroy v medicíně. Magnetická
hypertermie je metoda, která se již několik let používá při léčbě nádorových
onemocnění. Do nádoru jsou vstřikovány magnetické nanočástice oxidu
železitého a přesně jako u asfaltové vrstvy jsou zvenčí vystaveny
magnetickému poli a ohřáty. Nádor je tímto způsobem zevnitř vypálen
a zničen.
Tato metoda inspirovala Etienne Jeoffroye přejít o dvě řádové veličiny
níže – z oblasti milimetrů do oblasti nanometrů. Místo kovových ocelových částic použil
magnetické nanočástice.
Konec trhliny v krytu vozovky?
Zkoušky
s asfaltem s nanočásticemi probíhaly velmi slibně. „U asfaltové
směsi s asfaltem s nanočásticemi nebudou už nikdy trhliny
v krytu důvodem, proč by musel být úsek vozovky opravován,“ zdůraznil
vědec.
Jediným problémem této metody je její cena. Použité nanočástice jsou
v současné době příliš drahé pro běžné použití ve stavební praxi.
Etienne Jeoffroy se však domnívá, že zná řešení i tohoto problému.
V zcela jiném odvětví hospodářství nalezl podobné nanočástice, které jsou
pro jeho metodu rovněž vhodné. Jsou sice nepatrně větší než nanočástice
používané při léčbě nádorů, zato jsou však mnohem levnější. Tato okolnost
otevírá asfaltu s nanočásticemi vstup na trh.
Ještě rok musí vědec čekat na potvrzení svého patentu. Tuto dobu chce
využít k vyzkoušení nových nanočástic a k ověření své metody
v praxi. „V laboratoři všechno fungovalo; nyní je zapotřebí získat
zkušenosti přímo z vozovky,“ uzavírá vědec.
Nanočástice – riziko pro lidské zdraví?
Rozvoj
nanotechnologií, používaných v nejrůznějších průmyslových odvětvích – v elektronice,
v chemickém, textilním a automobilovém průmyslu, ve stavebnictví avšak i v
potravinářství a biomedicíně, je mimořádně úspěšný. Zákonitě se však vynořuje
otázka, zda mohou být s využitím nanočástic spojena rizika pro lidské
zdraví. Závažným problémem je skutečnost, že jinak běžné materiály získávají
ve formě nanočástic nové unikátní vlastnosti. Dále se nanočástice
od částic větších rozměrů liší svou schopností pronikat snadno
do lidského organismu. Dlouhodobá expozice nanočásticím může mít proto
negativní vliv na vznik kardiovaskulárních, neurodegenerativních
a onkologických onemocnění. Nelze podceňovat ani jejich vliv
na snížení imunity.
Zákonitě tak vznikl tak obor nanotoxikologie, který
se zabývá studiem mechanismů toxických účinků vyráběných nanočástic
i jemných a ultrajemných částic vznikajících při spalovacích
procesech. V České republice se věnuje této problematice Oddělení
genetické toxikologie a nanotoxikologie (Ústav experimentální medicíny AV
ČR, v. v. i.), vedoucí Ing. Jan Topinka, CSc., DrSc.
Legislativa v oblasti nanomateriálů představuje další závažný problém:
„Specifické expoziční limity pro nanomateriály zatím prakticky neexistují.
V roce 2011 vydala Evropská komise doporučení ohledně specifikace
nanomateriálů. Ta nyní spadají pod obecná evropská nařízení. Konkrétně REACH,
které se týká všech chemických látek (jejich registrace, hodnocení, povolování
a omezování) a CLP (klasifikace, označování a balení chemických
látek a směsí). Nanotechnologie si rozhodně zaslouží rámcovou legislativu,
s ohledem na jejich značnou diverzitu. Jednak jsou zapotřebí velmi
obecné předpisy, na jejichž základě by bylo použití nanomateriálů
regulované, jednak je nutné stanovit normy pro bezpečnost práce
s konkrétními nanomateriály,“ charakterizuje současnou situaci Ing. Jan
Topinka.
Marie Gajdošová
Literatura
[1]
Etienne Jeoffroy: Wundersame Heilung mit Nanopartikeln, Asphalt & Bitumen
2019, č. 3, str. 54
[2]
https://www.isac.rwthaachen.de/go/id/mtgj
[3]
http://ceskapozice.lidovky.cz/nanocastice-technologicky-zazrak-nebo-hrozba-pro-lidske-zdravi- pw1-/tema.aspx?c=A130223_005001_pozice_98382
[4]
https://www.vitalia.cz/clanky/jan-topinka-chceme-sledovat-co-nanocastice-delaji-s-mozkem/
