Název projektu
Polymerní výztužné prvky z aditivní výroby v silikátových kompozitech
Kód
SP2026/041
Předmět výzkumu
Polymerní výztužné prvky z aditivní výroby v silikátových kompozitech
Moderní stavební průmysl čelí rostoucím požadavkům na udržitelnost, efektivitu a digitalizaci výrobních procesů [1–4]. Přestože je železobeton stále základním konstrukčním materiálem, jeho výroba je spojena s vysokou spotřebou surovin a významnými emisemi CO2, zejména v důsledku produkce cementu a oceli [5, 6]. To vede k intenzivnímu hledání nových materiálových řešení a pokročilých výrobních technologií, které by tyto negativní dopady zmírnily. V tomto kontextu se jako perspektivní jeví využití aditivní výroby, konkrétně 3D tisku polymerních výztužných prvků, které mohou představovat alternativu ke konvenční ocelové výztuži [7]. Tradiční výztuž přenáší tahová napětí převážně v jedné nebo dvou směrech, zatímco 3D tisk umožňuje návrh prostorově optimalizovaných geometrií, které mohou efektivně reagovat na skutečné napěťové stavy v konstrukci [8]. To otevírá možnosti topologicky optimalizované výztuže se sníženou materiálovou náročností při zachování nebo zlepšení mechanických vlastností [8]. Perspektivním řešením jsou například honeycomb (včelí plást) struktury založené na periodickém šestiúhelníkovém uspořádání [9], jejichž vysoká účinnost byla prokázána v letectví a automobilovém průmyslu [10]. Kromě struktur honeycomb se pro daný experimentální program zvažují i další topologicky optimalizované varianty, jako např. gyroidní struktury, vykazující plynulé rozložení napětí či prostorové mřížky typu octet-truss. Tyto alternativní výztužné prvky budou využity v případě, že by struktury typu honeycomb z technologických, adhezních či mechanických důvodů v silikátové matrici nevyhovovaly, což umožňuje relativní přizpůsobeni průběžným výsledkům experimentů. Přenos tohoto principu do betonových kompozitů přináší několik výhod. Optimalizované rozmístění polymeru umožňuje dosáhnout vysokého poměru pevnosti k hmotnosti a snížit materiálové i energetické nároky na výrobu výztuže [8]. Trojrozměrná struktura zároveň zajišťuje prostorové zakotvení v matrici a efektivnější přenos napětí, čímž se omezuje vznik křehkého porušení a zlepšuje kvazi-křehké chování kompozitu [11]. Další významnou výhodou je vysoká trvanlivost polymerních materiálů, které jsou odolné vůči korozi [12], což přispívá ke snížení rizika degradace konstrukcí a prodloužení jejich životnosti. Polymerní výztuž je rovněž kompatibilní s moderními pojivy, včetně alkalicky aktivovaných materiálů [13–15], které vykazují výrazně nižší uhlíkovou stopu než portlandský cement. Kombinace nízkoemisních matric s lehkou a trvanlivou polymerní výztuží vytváří nový typ kompozitního systému s rovnoměrnějším rozložením napětí v celém objemu materiálu, vyšší houževnatostí a zvýšenou odolností vůči náhlému porušení [16]. Cílem předloženého výzkumu je proto studium mechanického chování betonových kompozitů vyztužených 3D tištěnými polymerními honeycomb (či alternatívními) strukturami, optimalizace jejich geometrie a posouzení dlouhodobé trvanlivosti v cementových i alkalicky aktivovaných matricích. Získané poznatky mohou přispět k rozvoji udržitelných konstrukčních systémů a představovat alternativu k tradiční ocelové výztuži.
Klíčové slova: polymerní výztuž, polymer-silikát, aditivní technologie, kompozit
[1] McLellan, B. C., Williams, R. P., Lay, J., van Riessen, A., & Corder, G. D. (2011). Costs and carbon emissions for geopolymer pastes in comparison to ordinary portland cement. Journal of Cleaner Production, 19(9–10), 1080–1090. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2011.02.010
[2] Scrivener, K. L., John, V. M., & Gartner, E. M. (2018). Eco-efficient cements: Potential economically viable solutions for a low-CO2 cement-based materials industry. Cement and Concrete Research, 114, 2–26. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2018.03.015
[3] Slepicka, M., Vilgertshofer, S., & Borrmann, A. (2022). Fabrication information modeling: interfacing building information modeling with digital fabrication. Construction Robotics, 6(2), 87–99. https://doi.org/10.1007/s41693-022-00075-2
[4] Anane, W., Iordanova, I., & Ouellet-Plamondon, C. (2023). BIM-driven computational design for robotic manufacturing in off-site construction: an integrated Design-to-Manufacturing (DtM) approach. Automation in Construction, 150, 104782. https://doi.org/10.1016/j.autcon.2023.104782
[5] Winter, C., Schröter, B., & Fidaschek, S. (2022). The German Cement Industry as a CO2 Source for Other Industries. Fuels, 3(2), 342–352. https://doi.org/10.3390/fuels3020021
[6] Wu, S., Shao, Z., Andrew, R. M., Bing, L., Wang, J., Niu, L., Liu, Z., & Xi, F. (2024). Global CO2 uptake by cement materials accounts 1930–2023. Scientific Data, 11(1). https://doi.org/10.1038/s41597-024-04234-8
[7] Salazar, B., Aghdasi, P., Williams, I. D., Ostertag, C. P., & Taylor, H. K. (2020). Polymer lattice-reinforcement for enhancing ductility of concrete. Materials & Design, 196, 109184. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109184
[8] Xu, Y., Zhang, H., Gan, Y., & Šavija, B. (2021). Cementitious composites reinforced with 3D printed functionally graded polymeric lattice structures: Experiments and modelling. Additive Manufacturing, 39, 101887. https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.101887
[9] Britto, J. J. J., Vasanthanathan, A., Krishnasamy, S., & Amudhan, K. (2025). Mechanical property study of 3D printed honeycomb structures with carbon fiber reinforcement: a finite element analysis and experimental approach. Discover Materials, 5(1). https://doi.org/10.1007/s43939-025-00285-9
[10] El-Dessouky, H. M., & McHugh, C. (2022). Multifunctional auxetic and honeycomb composites made of 3D woven carbon fibre preforms. Scientific Reports, 12(1). https://doi.org/10.1038/s41598-022-26864-x
[11] Meng, Z., Xu, Y., Zhou, W., Xie, J., & Šavija, B. (2025). Foamed cementitious composites with 3D-printed auxetic lattice reinforcement: enhancing static and cyclic performance. Composites Part B: Engineering, 303, 112614. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2025.112614
[12] Mostofinejad, D., Bahmani, H., Khorshidifar, A., & Afsharpour, R. (2024). Enhancing concrete durability with polymer impregnation: A comparative study of corrosion and freeze-thaw resistance. Developments in the Built Environment, 18, 100414. https://doi.org/10.1016/j.dibe.2024.100414
[13] Palomo, A., Grutzeck, M. W., & Blanco, M. T. (1999). Alkali-activated fly ashes. Cement and Concrete Research, 29(8), 1323–1329. https://doi.org/10.1016/S0008-8846(98)00243-9
[14] Juenger, M. C. G., Winnefeld, F., Provis, J. L., & Ideker, J. H. (2011). Advances in alternative cementitious binders. Cement and Concrete Research, 41(12), 1232–1243. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2010.11.012
[15] Provis, J. L. (2018). Alkali-activated materials. Cement and Concrete Research, 114, 40–48. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2017.02.009
[16] Demirhan, Serhat. (2025). A Comprehensive Review on 3D-Printed Cement-Based Lattice Structures. Civil Engineering Beyond Limits, 6(1), 1–18. https://doi.org/10.36937/cebel.2025.1978
Zvolené metody řešení
Součást experimentálního programu bude zahrnovat provedení několika zkušebních sérií, které budou orientovány na následující oblasti:
a) Silikátová matrice: obsahující v jedné variante normovou maltu z portlandského cementu (ČSN EN 196-1) a v druhé alkalicky aktivovaný materiál na báze vysokopecní strusky
b) Polymerní výstužné prvky: pozůstávající z polyethylentereftalát modifikovaný glykolem, případně polymer akrylonitrilu, butadienu a styrenu
Zkušební program bude kromě přípravy forem, výroby a odbedňování zkušebních těles, čištění a ošetřování forem, realizace potřebných zkoušek a následnou likvidaci materiálu zahrnovat tyto klíčové okruhy:
a) Charakterizace vstupních materiálů – laboratorní analýza vlastností kameniva, pojiv, příměsí a přísad (Gandel, Ćmiel).
b) Příprava a výroba polymerních výztužných prvků – modelování výztužných geometrií, mechanické testování použitých materiálů, 3D tisk a předpříprava polymer-silikátových kompozitů, 3D skenovaní (využité k reverznímu inženýrství a kontrole rozměrové přesnosti vytištěných prvků vůči modelům, detekci tiskových defektů či objemových změn polymeru) a tisk ze získaného modelu (Gandel, Ćmiel).
c) Zkoušky čerstvé a zrající směsi – hodnocení konzistence čerstvého materiálu a sledování jeho objemových změn během tuhnutí a zrání (Gandel, Ćmiel).
d) Mechanické testy silikátových malt a betonu – měření pevnosti v tlaku a v tahu za ohybu, stejně jako odolnosti proti mrazu a chemickým rozmrazovacím látkám (Gandel, Ćmiel).
e) Zkoušení kompozitních vzorků – ověřování různých způsobů kombinace silikátových matric s polymerní výztuží (Gandel, Ćmiel).
f) Mikrostrukturální analýza – použití optické a elektronové mikroskopie k posouzení kvality rozhraní mezi matricí a polymerem a ke sledování iniciace a šíření mikrotrhlin (Gandel).
[1] ČSN EN 1097-6, Zkoušení mechanických a fyzikálních vlastností kameniva – Část 6: Stanovení objemové hmotnosti zrn a nasákavosti. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2023.
[2] ČSN EN 12350-2. Zkoušení čerstvého betonu – Část 2 Zkouška sednutím. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2020.
[3] ČSN EN 12350-4: Zkoušení čerstvého betonu – Část 4: Stupeň zhutnitelnosti. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2020
[4] ČSN EN 12350-5. Zkoušení čerstvého betonu – Část 5 Zkouška rozlitím. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2020.
[5] ČSN 73 1371: Nedestruktívni zkoušení betonu – Ultrazvuková impulzová metoda zkoušení betonu. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2011.
[6] ČSN 73 1373: Nedestruktívni zkoušení betonu – Tvrdoměrné metody zkoušení betonu. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2011.
[7] ČSN EN 12390-3: Zkoušení ztvrdlého betonu – Část 3: Pevnost v tlaku zkušebních těles. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2020
[8] ČSN EN 12390-5: Zkoušení ztvrdlého betonu – Část 5: Pevnost tahu ohybem zkušebních těles. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2020
[9] ČSN EN 196-1 Metody zkoušení cementu - Část 1: Stanovení pevnosti. Praha: Úřad pro normalizaci a měření, 2016.
[10] ČSN 73 1322, Stanovení mrazuvzdornosti betonu. Praha: Úřad pro normalizaci a měření, 1968.
[11] ČSN 73 1326 Stanovení odolnosti povrchu cementového betonu proti působení vody a chemických rozmrazovacích látek. Praha: Úřad pro normalizaci a měření, 1984.
Zdůvodnění finančních prostředků:
Stipendia:
a) Ing. Radoslav Gandel – hlavní řešitel (4. ročník doktorského studia) – odpovědný za řízení a koordinaci projektu, návrh a optimalizaci receptur, provádění specializovaných testů, realizaci 3D tisku polymerních výztužných prvků, přípravu a provádění laboratorních experimentů, analýzu a vyhodnocování experimentálních dat a přípravu odborných publikací (30 000 Kč). Předpokládaný časový závazek na projektu cca 185 hodin.
téma DiP: Studium vlastnosti kvazi-křehkých kompozitů na bázi alkalicky aktivovaných materiálů (téma SGS souvisí s tématem autorovi DiP v oblasti aplikace bezcementových betonu v hybridních kompozitech)
Dosavadní výsledky: 9x Jimp, 1x Jscopus
1. SUCHARDA, O., MARCALÍKOVÁ, Z., GANDEL, R. Microstructure, Shrinkage, and Mechanical Properties of Concrete with Fibers and Experiments of Reinforced Concrete Beams without Shear Reinforcement. Materials, 2022, 15, 5707. DOI: 10.3390/ma15165707
2. GANDEL, R., JERABEK, J., MARCALIKOVA, Z. Reinforced Concrete Beams Without Shear Reinforcement Using Fiber Reinforced Concrete and Alkali-Activated Material. Civil and Environmental Engineering, 2023, 19(1), pp. 348-356. DOI: 10.2478/cee-2023-0031
3. NEMEC, J., GANDEL, R., JERABEK, J., SUCHARDA, O., BILEK, V. Properties of Selected Alkali-Activated Materials for Sustainable Development, Civil and Environmental Engineering, 2024, 20(1), pp. 307-318. DOI: 10.2478/cee-2024-0024
4. MARCALIKOVA, Z., JERABEK, J., GANDEL, R., GABOR, R., BILEK, V., SUCHARDA, O. Mechanical Properties, Workability, and Experiments of Reinforced Composite Beams with Alternative Binder and Aggregate, Buildings, 2024, 14(7), 2142, DOI: 10.3390/buildings14072142
5. SUCHARDA, O., GANDEL, R., CMIEL, P., JERABEK, J., BILEK, V. Utilization of High-Performance Concrete Mixtures for Advanced Manufacturing Technologies, Buildings, 2024, 14(8), 2269, DOI: 10.3390/buildings14082269
6. GANDEL, R. Selected Mechanical Properties of Concrete with Regard to the Type of Steel Fibers. Defect and Diffusion Forum, 2024, 432, pp. 39-40, DOI: 10.4028/p-AG0dTe (Jscopus)
7. MARCALIKOVA, Z., GANDEL, R., JERABEK, J. AND VARAK, J. Selected Properties and Microstructure of Concrete with Tire Rubber Granulate as Recycled Material in Construction Industry. Civil and Environmental Engineering, 2024, 20, pp. 754-766. DOI: 10.2478/cee-2024-0057
8. GANDEL, R., JERABEK, J., PEKNIKOVA, A., TOPOLÁŘ, L., SUCHARDA, O. Towards Sustainable Building Materials: An Experimental Investigation into the Effect of Recycled Construction Waste Aggregate on the Properties of High-Performance Concrete, (2025) Buildings, 15 (15), art. no. 2772 DOI: 10.3390/buildings15152772
9. PEKNIKOVA, A., JERABEK, J., GANDEL, R., GABOR, R., BÍLEK, V., SUCHARDA, O. Physical–Mechanical Behavior of High-Performance Concrete and Ordinary Concrete with Portland Cement Mixtures After Exposure to Selected Durability Tests Including High Thermal Stress (2025) Buildings, 15 (7), art. no. 1029 DOI: 10.3390/buildings15071029
10. PLASTUN, N., GANDEL, R., JERABEK, J., SUCHARDA, O. Study of Adhesion at the Polymer-Silicate Composite Interface under the Infulence of Physico-Mechanical Factors, (2025) Civil and Environmental Engineering DOI: 10.2478/cee-2025-0091
b) Ing. Petr Ćmiel – spoluřešitel (3. ročník doktorského studia) – technická příprava a realizace experimentů v laboratoři, 3D skenování (využito zejména pro detailní defektoskopii a kontrolu kvality - porovnání reálné geometrie vytištěných polymerních výztuží s původním návrhem pro zachycení deformací z tisku a dokumentaci prostorového tvaru zkušebních těles před a po mechanickém namáhání), vyhodnocení dat, asistence při publikování, (20 000 Kč). Zapojení v projektu v rozsahu cca 100 hod.
téma DiP: Diagnostika stavebních konstrukcí pro pokročilou statickou analýzu
Dosavadní výsledky: 1x Jimp; 3x D
1. Sucharda, O., Gandel, R., Cmiel, P., Jerabek, J., & Bilek, V. (2024). Utilization of High-Performance Concrete Mixtures for Advanced Manufacturing Technologies. Buildings, 14(8), 2269. https://doi.org/10.3390/buildings14082269
2. Gandel, R., Jeřábek, J., Marcalíková, Z., & Ćmiel, P. (2024). The effect of NaOH and KOH on the strength-mechanical properties of alkali-activated composites based on granulated blast-furnace slag. Journal of Physics: Conference Series, 2792(1), 012001. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2792/1/012001
3. Gandel, R., Jerabek, J., Cmiel, P., & Sucharda, O. (2025). Design of concrete mixtures and prediction of their compressive strength using machine learning. E3S Web of Conferences, 641, 01026. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202564101026
4. Gandel, R., Plastun, N., Cmiel, P., & Matyskova, K. (2025). Adhesion and interaction of inorganic binder systems with a biodegradable polymer based on polylactic acid. E3S Web of Conferences, 641, 01024. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202564101024
c) Ing. Andrea Gajdorusová spoluřešitel (2. ročník doktorského studia) – vyhodnocení dat, asistence při publikování, (10 000 Kč). Zapojení v projektu v rozsahu cca 50 hod.
téma DiP: Vysokohodnotný beton s recyklátem a jeho stavební aplikace
Dosavadní výsledky: 2x Jimp, 1x D
1. GANDEL, R., JERABEK, J., PEKNIKOVA, A., TOPOLÁŘ, L., SUCHARDA, O. Towards Sustainable Building Materials: An Experimental Investigation into the Effect of Recycled Construction Waste Aggregate on the Properties of High-Performance Concrete, (2025) Buildings, 15 (15), art. no. 2772 DOI: 10.3390/buildings15152772
2. PEKNIKOVA, A., JERABEK, J., GANDEL, R., GABOR, R., BÍLEK, V., SUCHARDA, O. Physical–Mechanical Behavior of High-Performance Concrete and Ordinary Concrete with Portland Cement Mixtures After Exposure to Selected Durability Tests Including High Thermal Stress (2025) Buildings, 15 (7), art. no. 1029 DOI: 10.3390/buildings15071029
3. GANDEL, R., PAVKA, P., PEKNIKOVA, A., JERABEK, J. Evaluation of the Degradation of Concrete Composites Using Digital Microscopy (2025) E3S Web of Conferences, 641, art. no. 01027 DOI: 10.1051/e3sconf/202564101027
Náklady na stipendia celkem: 60 000 Kč
Materiálové náklady:
Materiál pro výrobu silikátových částí kompozitu – cement 3000 Kč, normové kamenivo 5000 Kč, vysokopecní struska 2000 Kč, stavební chemie 10 000 Kč pro cca 150 zkušebních těles: 20 000 Kč
Materiál pro výrobu polymerních výztuží – filamenty PETG, ABS, spotřební komponenty a přípravky pro 3D tisk (trysky, lepidla, izopropylalkohol, čistící pomůcky, atd): 9 000 Kč
Spotřební materiál pro laboratoř – nářadí (lžíce, nádoby, formy), OOPP, drobné laboratorní chemikálie a pomůcky: 3 000 Kč
Náklady na materiál celkem: 32 000 Kč
DHM - Enclosure pro 3D tiskárnu - umožnuje lepší možnosti tisku citlivých materiálů na teplotu, které se využijí v rámci experimentálního tisku 18 tis. Kč a filtrační jednotka vzduchu pro čistění vzduchu při tisku – vybrané materiály to vyžadují (je doporučeno) 5 tis. Kč.
DHM náklady celkem 23 000 Kč.
Služby:
Časopis Polymers, resp. Materials a jazykové korekce 17 000 Kč (částečná úhrada)
Náklady laboratoře stavebních hmot – dle zásad pravidel SGS (kalibrace, resp. opravy a údržba – služba – poměrná část nákladů, domluveno s VK223) – 3 000 Kč
Náklady na Služby celkem: 20 000 Kč
Režie: 15 tis. Kč
Celkem 150 tis. Kč
Harmonogram prací:
Leden – Únor 2026
Literární rešerše problematiky dané problematiky vybraných materiálů, 3D tisku a optimalizace výztužných geometrických struktur. (Gandel: cca 10 hod)
Návrh experimentálních receptur a tvorba geometrických struktur polymerových výztužných prvků. (Gandel: cca 10 hod)
Březen 2026
Výroba první testovací série polymer-silikátových kompozitních vzorků.
3D Skenování modelů výstužných prvků pro ověření kvality tisku z naskenovaných dát, identifikace defektů a odchylek od původního modelu. (Ćmiel cca 4 hod)
Zkoušky jednotlivých materiálů: mechanické testy polymerů a charakterizace silikátových matric. (Gandel + Ćmiel: každý cca 10 hod)
Úprava receptur na základě počátečních výsledků (Gandel: cca 4 hod).
Počáteční testy mechanických vlastností (pevnost v tlaku, ohybu a ťahu) pro silikát a polymer-silikátové kombinace. (Gandel + Ćmiel: každý cca 8 hod)
Duben – Květen 2026
Výroba další série vzorků s polymerní výztuží PETG a ABS, zahrnující různé 3D geometrie, nejen honeycomb výplně, ale i alternatívní, výše uvedené. (Gandel + Ćmiel: každý cca 6 hod)
Zkoušení čerstvé a zrající směsi (Gandel + Ćmiel: každý cca 4 hod)
Sledování vývoje pevnosti v různých fázích zrání (Gandel cca 10 hod)
Normované mechanické testy vyrobených zkušebních těles (Ćmiel: cca 8 hod)
Červen 2026
Analýza dosavadních výsledků a vyhodnocení experimentálních dat (Gandel: cca 8 hod)
Výroba a optimalizace nové série vzorků – úprava geometrie a povrchu polymer-silikátového rozhraní (Gandel + Ćmiel: každý cca 7 hod)
Červenec 2026
Normové testy mechanických vlastností nové série vzorků (Ćmiel: cca 8 hod)
Mikrostrukturní analýza rozhraní polymer-silikát (Gandel: cca 10 hod)
Zahájení dlouhodobých testů trvanlivosti, včetně odolnosti proti mrazu a chemickým rozmrazovacím látkám (Gandel + Ćmiel: každý cca 15 hod)
Srpen – Říjen 2026
Pokračování dlouhodobých testů trvanlivosti (Gandel + Ćmiel: každý cca 15 hod)
Další mikrostrukturní analýza a sledování iniciace a šíření mikrotrhlin (Gandel: cca 10 hod)
Listopad – Prosinec 2026
Konečné statistické vyhodnocení všech naměřených dat (Gandel: cca 8 hod, Gajdrousová cca 15 hod)
Příprava publikace (Jimp): Gandel cca 50 hod, Ćmiel cca 15 hod, Gajdorusová cca 35 hod
Rok zahájení
2026
Rok ukončení
2026
Poskytovatel
Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy
Kategorie
SGS
Typ
Specifický výzkum VŠB-TUO
Řešitel