Ze swoim literackim imiennikiem ma niewiele wspólnego. Zamiast w szpadę wyposażony jest w dwie kamery. Z ich pomocą co chwila powstaje zdjęcie próbki badanego materiału. Każdemu pikselowi przypisywane są później odpowiednie współrzędne. W ten sposób obfotografowywana jest cała powierzchnia próbki. Po serii zdjęć, wykonanych zarówno przed, jak i w trakcie obciążania, widać jak na dłoni zmiany struktury mierzonego obiektu. Wiadomo, w których miejscach próbka „pracuje” na tyle, że deformacje są duże, a gdzie – prawie niezauważalne. Tak oto prezentuje się Aramis – system do bezkontaktowych trójwymiarowych pomiarów odkształceń powodowanych obciążeniami, zarówno statycznymi, jak i dynamicznymi. Zakupiony dzięki funduszom unijnym jest teraz chlubą laboratorium Wydziału Budownictwa i Architektury Politechniki Lubelskiej. Nie tylko zresztą on.

– Pozyskaliśmy w sumie ponad dwieście urządzeń do badań z zakresu budownictwa, drogownictwa, geodezji, konserwacji zabytków, architektury i wielu innych pokrewnych dziedzin – nie kryje zadowolenia prof. Bogusław Szmygin, dziekan wydziału.

Może nie każde ma równie wdzięczną nazwę co Aramis, ale wszystkie, bez wyjątku, przyczyniają się do zwiększenia potencjału uczelni. Z takim wyposażeniem to jedno z najnowocześniejszych laboratoriów w Polsce.

Beton pracuje

A jeszcze w połowie ubiegłego roku miejsce to przypominało bardziej plac budowy. Demontowano starą suwnicę, montowano nową, biało-czerwone taśmy odgradzały wylaną dopiero co posadzkę. Dzisiaj, po remoncie, hala laboratoryjna robi spore wrażenie, a jeszcze większe – dostarczane do niej niemal każdego dnia maszyny. To jak realizacja zbiorowego koncertu życzeń. Przywieziono zatem bęben Los Angeles do rozdrabniania kruszywa, zaraz po nim przyjechał koleinomierz, na którym będzie można badać, czy stworzony przez naukowców materiał z użyciem określonych dodatków okaże się na drodze efektywniejszy od popularnej nawierzchni bitumicznej. Dowieziono też komorę badającą mrozoodporność – pozwoli sprawdzić zachowanie próbki materiału w niskiej temperaturze.

– Wiadomo, że beton „pracuje” – rozszerza się bądź kurczy – w zależności od temperatury. Jest to proces stały w perspektywie długiego czasu. Dlatego musimy wiedzieć, jak nowa receptura, opracowana przez nas, będzie się zachowywała – tłumaczy Marcin Kneć, kierownik laboratorium.

W niektórych miejscach tej dużej hali wykonano specjalne postumenty. Pod nimi, wpuszczone na około półtora metra w dół, znajdują się specjalnie zbrojone, oddylatowane klatki, mające ograniczyć niebezpieczeństwo drgań w całym budynku. To na tych postumentach postawiono urządzenia do badań wytrzymałościowych czy zmęczeniowych. Siła, z jaką uderzają, zgniatają bądź ściskają jest naprawdę ogromna. Wieża udarowa np. może działać z siłą 15 kiloniutonów (kN). Wystarczy, by przekonać się, jak „odporne” są materiały kompozytowe. Wykorzystuje się je m.in. w przemyśle lotniczym, ale ostatnio furorę robią również w budownictwie.

– Są to tak zwane „green composites”, nieco zmodyfikowane kompozyty polimerowe, które zamiast rozproszonego włókna szklanego zawierają włókna naturalne, czy to w postaci źdźbeł słomy, czy kawałków drewna, np. bambusa. Kompozyty te znajdują zastosowanie w nowoczesnym budownictwie ekologicznym – tłumaczy prof. dr hab. inż. Tomasz Sadowski z Katedry Mechaniki Ciała Stałego.

Inteligentne śmigło

Do wytwarzania kompozytów służy autoklaw, czyli hermetycznie zamknięta komora o regulowanym ciśnieniu i temperaturze. Jest już na wyposażeniu uczelni. Inżynierowie z Politechniki Lubelskiej chcą pójść jeszcze dalej i wytworzyć materiały inteligentne.

– To takie udoskonalone kompozyty. Wykonane są na bazie żywic polimerowych z włóknem szklanym, z wbudowanymi elementami piezoelektrycznymi, za pomocą których można sterować zachowaniem samolotu czy helikoptera. Pod wpływem impulsów elektrycznych elementy piezoelektryczne zmieniają kształt – skracają się bądź wydłużają. Dzięki temu można sterować lotem samolotu i uniknąć podczas niego niebezpiecznych sytuacji – wyjaśnia prof. Sadowski, prowadzący badania w ramach konsorcjum „Aeronet – Dolina Lotnicza”.

Inteligentny kompozyt, który wbudowany jest w skrzydło samolotu czy łopaty śmigłowca, kiedy tylko pojawią się turbulencje, momentalnie optymalizuje ustawienia poszczególnych elementów maszyny i zapewnia bezpieczny lot. Istotne jest również przy tym, aby sam materiał kompozytowy okazał się trwały i wytrzymał obciążenia krytyczne, mogące spowodować uszkodzenie prowadzące do jego zniszczenia. Właśnie na wieży będzie można określić bezpieczny zakres jego użytkowania przy obciążeniach udarowych.

– Łatwo sobie wyobrazić jakiś kamień, pocisk czy przypadkowo przelatującego ptaka uderzającego w samolot. Badania na wieży udarowej pozwalają przeprowadzić podobne symulacje, w wyniku których określamy warunki graniczne trwałości danego materiału kompozytowego – wyjaśnia prof. Sadowski.

Sama wieża udarowa to pionowa klatka z umocowanym w środku siłomierzem. Próbka materiału położona jest na stoliku w dolnej części maszyny. W momencie uderzenia następuje wyzwolenie pomiaru siły. Prędkość maksymalna obciążenia wynosi 5 m/s. Przypomina to trochę samochodowe crash-testy. Podobne doświadczenie przeprowadzono ze szkłem, stosowanym np. w szybach samochodowych. Materiał ten nie rozsypuje się nigdy „w drobny mak”. Uderzano weń z różnymi prędkościami i za każdym razem efekt był inny. Po badaniu z prędkością 1 m/s na próbce widoczne były promieniste pęknięcia. Kiedy prędkość zwiększano, po uderzeniach pojawiły się pęknięcia radialne. W tym konkretnym wypadku to nie tylko informacja o materiale, ale też dla… policji. Charakterystyczne pęknięcia na przedniej szybie pozwalają określić, jak szybko jechał samochód w momencie uderzenia pieszego.

– W badaniach odwzorowujemy rzeczywiste sytuacje, stąd parametry tych maszyn zbliżone są do naturalnych zjawisk. Tylko w ten sposób możemy się przekonać, w jakim stopniu niebezpieczeństwo, z którym może spotkać się w powietrzu samolot bądź helikopter, jest w stanie zagrozić konstrukcji maszyny – wyjaśnia kierownik Laboratorium Budownictwa PL, które – przewrotnie rzecz ujmując – z pewnością dodaje skrzydeł kadrze naukowej. Można tam bowiem zbadać obciążenia cykliczne, jakim choćby w trakcie lotu poddawany jest materiał kompozytowy. Na maszynie zmęczeniowej testuje się z kolei całkiem nowy pomysł: połączenie narażonych na naprężenia elementów kadłuba nie tylko nitami, ale również specjalnym klejem i metodą zgrzewania. Kto wie, czy za jakiś czas, w ramach projektu, nie powstanie mały, bezzałogowy samolot samosterujący?

Odpady do… prania

Wiadomo na pewno, że na sprzęcie pamiętającym jeszcze poprzednią epokę, nie dałoby się tego wszystkiego zrealizować. Stąd relatywnie niewielka liczba patentów, technologii, które powinny być przecież swego rodzaju wizytówką uczelni, kształcącej przyszłych inżynierów. Teraz ma się to zmienić i nie są to tylko czcze zapowiedzi. Zresztą, pierwsze jaskółki już się pojawiają. Dotyczą materiałów XXI wieku, jakimi – ze względu na niezwykłe właściwości, sposób wytwarzania i szereg potencjalnych zastosowań – śmiało można nazwać zeolity. To dość szeroka grupa minerałów, głównie glinokrzemianowych, stosowana m.in. przy produkcji cementu, nawozów naturalnych, jako dodatek do paszy dla zwierząt czy w… proszkach do prania. Szeroki wachlarz zastosowań wynika z tego, że w swojej strukturze mają one liczne komory i kanały, które nadają im cechy jonowymienne i molekularno-sitowe.

– Właściwości jonowymienne przypominają nieco działanie gąbki, która jest w stanie w swoją porowatą strukturę wchłonąć pewne substancje, a potem je oddać. Taki mechanizm wykorzystywany jest właśnie w produkcji proszków do prania, gdzie jony odpowiedzialne za twardość wody, czyli wapń i magnez, wymieniane są na jony ją zmiękczające, a więc sód, pochodzące ze struktury minerałów zeolitowych – tłumaczy dr inż. Wojciech Franus z Katedry Geotechniki.

Naturalne zeolity, jak choćby najpopularniejszy w przyrodzie klinoptylolit, powstają m.in. na skutek reakcji pyłów wulkanicznych z wodą morską. Mają ściśle określoną wielkość porów, których średnica nie przekracza zazwyczaj 0,5 nm. Znacząco zawęża to możliwości wykorzystania w przemyśle. Wiele bowiem cieczy technologicznych posiada większe rozmiary cząstek i zeolity naturalne nie są w stanie ich rozdzielić. A możliwość ingerencji w rozmiar tego „oczka” jest niewielka i mało opłacalna. Postanowiono więc syntetyzować zeolity, aby mieć większe pole manewru w rozdzielaniu konkretnych związków.

– Różna wielkość kanałów wewnętrznych umożliwia przepływ lub zatrzymanie cząstek o ściśle określonych rozmiarach, co pozwala na oczyszczanie gazów czy rozdział różnych mieszanin związków chemicznych skali nano. Dlatego też zeolity nazywa się sitami molekularnymi – tłumaczy dr inż. Wojciech Franus, który wraz z zespołem opracował technologię i wykonał prawdopodobnie jeden z pierwszych w Polsce, a może nawet i na świecie, prototyp linii technologicznej do produkcji zeolitów z… odpadów.

– Konkretnie z popiołów lotnych. Jest to uboczny produkt, który powstaje podczas energetycznego spalania węgla. Chemicznie składa się głównie z mieszaniny szkliwa glinokrzemianowego, które powstało w wyniku przetopienia niepalnych składników mineralnych węgla. Składem przypomina więc skały, będące substratem do krystalizacji naturalnych zeolitów – opisuje, pokazując sterowaną komputerem linię technologiczną, gdzie odbywa się proces syntezy materiału zeolitowego. Już nie w skali laboratoryjnej, ale przemysłowej. Kontrola jakości produkowanego surowca zeolitowego na bazie wykonanej w PL linii technologicznej odbywa się za pomocą trzech nowo zakupionych urządzeń: dyfraktometru rentgenowskiego, skaningowego mikroskopu elektronowego oraz analizatora porowatości. To dzięki nim wiadomo, jakie właściwości fizyczne mają otrzymane z popiołu lotnego zeolity. Średnica ich kanałów, w zależności od warunków prowadzenia syntezy, dochodzi nawet do 1 nanometra.

– W naszych testach otrzymaliśmy wyniki na poziomie 60-70 proc. jonowymienności, a im jest ona większa, tym lepsze są właściwości wchłaniania substancji. Struktura otrzymanych zeolitów pozwala m.in. zastosować je jako sorbent wilgoci przy produkcji szyb zespolonych, nośnik nawozów mineralnych ulepszający strukturę gleb czy wreszcie – składnik mineralny poprawiający właściwości użytkowe i technologiczne zapraw i tynków renowacyjnych. Neutralizując odpady z elektrowni czy elektrociepłowni, otrzymujemy jednocześnie pełnowartościowy produkt do wielorakiego zastosowania .

Skoro jesteśmy w Laboratorium Budownictwa warto wspomnieć, że popioły lotne i zeolity wpływają też korzystnie na opóźnienie procesów destrukcyjnych materiału betonowego i wzrost jego odporności na pękanie. Sprawdzono to za pomocą Aramisa. Na powierzchnię próbki naniesiono „deseń”, który nie odbija światła, a stanowi punkt odniesienia dla systemu. Wykonano zdjęcia – tuż przed obciążeniem w prasie hydraulicznej o sile nacisku 100 kN i w trakcie obciążania. Dano tym samym Aramisowi pełne pole do popisu. Porównał on zdjęcia między sobą, przypisując charakterystycznym punktom kwadratowe lub prostokątne małe płaszczyzny zwane fasetkami, a następnie odszukując je na kolejnych zdjęciach.

– Jak widać, urządzenia, które zakupiliśmy, dają niebywałe możliwości edukacyjne, ale i badawcze. Jesteśmy uczelnią techniczną, zatem musimy odpowiadać na zapotrzebowanie na praktyczne, użytkowe rozwiązania. Można z powodzeniem określić to miejsce jako laboratorium inspiracji – podsumowuje prof. Bogusław Szmygin. ☐