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/