Egyptské pyramidy bezesporu patří mezi největší starověké stavby. Jejich velikost, tvar a přesnost, s jakou byly konstruovány, vedly mnoho badatelů k otázce, jak přesně byly postaveny. Všeobecně přijímaná teorie, že pyramidy byly vytvořeny z vytesaných obřích vápencových bloků, možná vezme za své.
Kontroverzní teorie Josepha Davidovitse
Velice zajímavá je hypotéza francouzského chemika profesora Josepha Davidovitse, kterou přednesl v roce 1974 na egyptologickém kongresu v Lyonu. Právě on před více než dvaceti lety přišel s tvrzením, že kameny pyramid jsou ve skutečnosti vyrobeny z velmi rané formy betonu, která vznikla jako směs vápence, jílu, vápna a vody. Tehdy vyvolal šok a pobouření. Tenkrát bylo prvně vyřčeno slovo „geopolymer“ - umělý kámen.
Prakticky jakýkoli kámen lze vytvořit uměle, a to s takovou dokonalostí nápodoby, že od přírodního se dá rozlišit jen velmi specializovanou analýzou. Špičkový francouzský chemik to dobře věděl, a tak si položil logickou otázku: Mohli dělníci před pěti tisíci lety dostat obrovské kvádry do takových výšek, když neměli důmyslné transportní mechanismy a neznali ani kolo? Dospěl k závěru, že nikoli. Zato ho napadla daleko pravděpodobnější teorie: ke stavbě pyramid využívali stavebníci období záplav, kdy se Nil rozlil do daleka. Tehdy snášeli mokrý písek z nejbližšího okolí, na místě ho pěchovali do forem, smísili s aktivačními prostředky a pak nechali slunce, aby směs postupně vysušilo a proměnilo v litý kámen.
Joseph Davidovits se domnívá, že Egypťané lámali ne příliš kvalitní jílovitý vápenec v okolí pyramidových polí, ten dávali do obrovských kádí s vodou, kde se rozpadl na drobné části. Takto vytvořenou základní hmotu pak tmelili cementem z natronu, neboli ze sody, která byla v Egyptě poměrně dobře dostupná. K vytvoření betonu bylo dále zapotřebí pálené vápno, a to Egypťané také uměli vytvořit. Smíchali tedy asi 95 procent původního rozdrceného kamene a 5 procent cementu, to pak vynesli v koších nahoru, kde přímo odlévali jednotlivé kameny. Taková je tedy alespoň představa francouzského geochemika.
Co jsou geopolymery?
Pojem „geopolymery“ zahrnuje anorganické uměle vyrobené (polymerní) materiály, které jsou připravovány polykondenzační reakcí základních hlinito-křemičitanových minerálů v zásaditém prostředí za normální teploty a tlaku. Tato reakce byla označena jako geopolymerace. Její pomocí lze využít rovněž popílek a další odpadní suroviny a přeměnit je na plnohodnotné geopolymerní materiály.
Čtěte také: Složení betonu
Na první pohled jsou geopolymery (reaglomerované kameny) nerozeznatelné od kamenů přírodních, jejich původ odhalí až snímek elektronového mikrografu. Svými vlastnostmi geopolymer jednoznačně předčí kvality původního nerostu. Nabízí totiž úžasné možnosti modifikací a dosažení jedinečných kombinací vlastností, díky nimž materiál přečká tisíciletí.
Vědecké důkazy a protichůdné názory
Uznávaný badatel a profesor na katedře materiálových věd a inženýrství na Drexelově univerzitě, Michel Barsoum, se pustil do výzkumu, aby zjistil, jak tomu skutečně je. Po roce a půl dlouhých rozsáhlých pozorováních za pomoci skenovacího elektronového mikroskopu a dalších testů, Barsoum a jeho výzkumná skupina konečně začali vyvozovat určité závěry o materiálu, který byl na stavbu pyramid použit.
Zjistili, že sebemenší struktury uvnitř vnitřních a vnějších plášťových kamenů skutečně odpovídají rekonstituovanému vápenci. Tmel spojující vápencové kamenivo byl buď oxid křemičitý (stavební kámen křemene), nebo křemičitý minerál bohatý na vápník a hořčík. Kameny však měly vysoký obsah vody. To je pro běžně suchý přírodní vápenec poměrně neobvyklý jev. Byly navíc amorfní, což znamená, že atomy jejich uspořádání nebyly pravidelné ani periodické, což také neodpovídá struktuře vápence.
Chemické složení vzorků, které vědci zkoumali, se nikde v přírodě nevyskytuje. „Proto,“ řekl Barsoum, „je velmi nepravděpodobné, že vnější a vnitřní plášťové kameny, které jsme zkoumali, byly vytesány z přírodního vápencového bloku.“ Ještě překvapivější je, že Barsoum a jeho další postgraduální student Aaron Sakulich nedávno objevili v jednom ze vzorků přítomnost nanokuliček oxidu křemičitého o průměru pouhé miliardtiny metru. Tento objev dále potvrzuje, že tyto bloky skutečně nejsou přírodním vápencem.
Teorii Josepha Davidovitse dnes podporují nejen dochovaná vyobrazení a hieroglyfický zápis na čtyřech staroegyptských tabulkách, ale i řada důkazů z později provedených laboratorních zkoušek. Nerost, z něhož jsou pyramidy postaveny, obsahuje vodu, pohlcuje záření a jsou v něm nepatrné vzduchové bubliny. Nic z toho se u přírodních kamenů nevyskytuje. Navíc jsou některé složky vzorků z pyramid amorfní (nezkrystalizované) a uvnitř vzorku lze najít rovněž vlasy. A když kvádrem vedete řez, zjistíte, že ve spodní části je hustší než v horní. Vše tedy nasvědčuje tomu, že stavitelé ve starém Egyptě používali vyspělou technologii, která využívala dostupných přírodních zdrojů (vápenec, voda, jíl, soli) k výrobě „geopolymerického betonu“.
Čtěte také: Betonová dlažba Brož
Tomu, aby bylo možné zjistit přesné složení takto vzniklých bloků, dosud brání odpor egyptologů. Musíme se proto spolehnout na odhady profesora Davidovitse. Podle nich tvořily 93-97 % tvárnic složky přírodního vápence, zbytek pak pojivo. Pojivem byl kaolinitický jíl přítomný ve vápenci v Gíze s přídavkem žíravé sody (ta pochází ze spalování palmového dřeva a natronové soli), která výslednou hmotu pojiva změnila v geologické lepidlo. Egypťanům se tak podařilo vytvořit geopolymerický cement chemicky srovnatelný s kamenem, který pojí skály. To je důvod, proč geologové nemohou klasickou metodou krystalografické analýzy rozlišit přírodní vápenec od umělého.
Profesor Antonín Přichystal z Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity v Brně však po prozkoumání petrografických výbrusů ze stavebních kamenů Cheopsovy pyramidy pod polarizačním mikroskopem nenašel žádné znaky míchání několika složek ani přítomnosti cementu. Byly tam jen běžné fosilie, které známe z vápenců z okolí pyramid, závěr byl tedy jednoznačný, jedná se o přírodní kameny.
Historik Václav Cílek poukazuje na to, že soda se ve starověkém Egyptě používala k balzamování mumií, ale nikde není doloženo, že by sloužila k výrobě stavebního materiálu. Spalování palmových kmenů pro získání popela se také zdá nepravděpodobné, jelikož každý strom představoval značný majetek.
Stavební postupy starých Egypťanů
Archeologické výzkumy, antické prameny včetně Herodotova líčení i scény zobrazené na reliéfech vypovídají o postupu stavebních prací. Existují stovky staroegyptských lomů s ještě nedokončenými bloky kamene. Bloky horniny Egypťané oddělovali pomocí velkých klínů, podkládali je kulatinou a stěhovali po předem připravených trasách, prvních dlážděných cestách světa. Přepravovali je k Nilu. Některé materiály urazily až 700 km, než dospěly na místo určení. Hlavní část transportu probíhala po vodě a v podstatě kopírovala posmrtnou cestu faraona, jehož tělesnou schránku loď dovezla až do blízkosti pyramidy.
Dopravu horniny i stavbu pyramidy usnadnily systémy šikmých plošin, náspů a pák. Egypťané jsou dodnes mistry v zacházení s kamenem. Celý tento technický div umožnilo několik okolností. Především se obyvatelé starověkého Egypta díky péči o zavlažovací kanály naučili centrálně organizované „týmové“ práci. Navíc měli hodně volného času: Nil jim sám přinesl úrodné bahno, vodu na polích nechávali stát kolem 40 dní, aby se půda nasytila. Obilí seli do vlhkého bahna, a někdy dokonce jenom rozhodili zrno a nechali vepře, aby je zašlapali do půdy, která pak „plodila sama“. Problémy nastaly teprve později, když se počet obyvatel zvýšil nad určitou mez: nezbývalo pak než budovat stále delší kanály, pole hnojit a vodu do vyšších míst čerpat. V té době však stavba pyramid již utichala.
Čtěte také: Půjčovna pil na beton – vyplatí se?
Novější nález dobového deníku inspektora Merera, který dohlížel na stavbu Velké pyramidy, podrobně popisuje, jak skupina dělníků těžila kámen, jak zvnějšku pyramidu obkládali bílým vápencem, který přesouvali z druhé strany Nilu. Píše se tam, jak probíhala těžba, jak dlouho trvala plavba materiálu po Nilu i transport po suché cestě, prostě všechno do detailu. Díky tomu máme v principu potvrzeno, jak stavba pyramid probíhala.
Moderní geopolymery a jejich využití
Přesto není úplně vyloučeno, že staří Egypťané něco na způsob geopolymerů skutečně používali. Lze si to představit třeba u malt spojujících jednotlivé bloky. Geopolymery by tak ovšem tvořily méně než jedno procento stavebních hmot.
Moderní geopolymery lze vyrobit třeba z teplárenských popílků, do nichž přidáme sodné nebo draselné louhy či uhličitany a zahřejeme je - stačí ohřev na pouhých 80 °C či méně. Celý proces připomíná tuhnutí betonu, liší se však chemicky. Podobně jako v betonu vznikají i v geopolymeru shluky drobných krystalků, tvoří se z přidaných chemikálií a fungují jako lepidlo. Výsledná hmota má výborné vlastnosti; je například velmi lehká, dobře váže nečistoty a přitom si zachovává pevnost některých druhů betonu. Jako výchozí materiál k výrobě geopolymeru mohou sloužit dokonce i sprašové hlíny nebo jíl. Směs pak sice musíme zahřát na vyšší teplotu (kolem 750 °C), ale i tak je celý proces méně energeticky náročný než výroba cementu. Neuvolňuje se při něm navíc žádný oxid uhličitý, není nutné těžit vápenec.
Už nyní se geopolymerní kompozit využívá rovněž na výrobu výfukového potrubí vozů formule 1 nebo tepelných štítů pro raketoplány. A do budoucna velmi podstatná může být stabilizace nebezpečných a radioaktivních odpadů pomocí geopolymerních matric (tzv. solidifikace) nebo schopnost zpracovat jako surovinu pro výrobu geopolymerů odpadní produkty z teplárenských a energetických provozů (především hnědouhelný popílek a vysokopecní strusku).
Výhody geopolymerů oproti betonu
Geopolymery nabízejí široké a různorodé uplatnění. Pro svou extrémní odolnost mohou sloužit jako vynikající izolace a stavební materiál. Co je předností geopolymerů ve srovnání s betonem? Především jejich vyšší pevnost v tlaku, ale nezanedbatelná je rovněž značná odolnost proti ohni, chemická odolnost, mrazuvzdornost, ale také podstatně ekologičtější způsob výroby. Při běžné výrobě geopolymerů vzniká 6x méně oxidu uhličitého než při výrobě cementu. Při výrobě jedné tuny cementu unikne do ovzduší stejné množství CO2, tedy rovněž jedna tuna! V absolutním vyjádření tak výroba cementu v roce 2005 celosvětově vyprodukovala 1,8 miliardy tun CO2. Současná produkce cementu tvoří osm procent všech emisí, které mají na svědomí skleníkový efekt a vznik ozonové díry a přesto se počítá s růstem potřeby cementu na celosvětovém trhu již do roku 2020 na dvojnásobek. Jako jeden z významných prostředků řešení hrozící ekologické katastrofy se nabízejí právě geopolymery. Určitě beton okamžitě nenahradí, ale mohou účinně pokrýt zvýšení poptávky.
Mechanické vlastnosti geopolymerů hlavně v pevnosti a v tlaku rostou i v časovém období 360-520 dnů (vývoj pevností je sledován již 9 let), vykazují minimální smrštění, mikromechanické a další mechanické vlastnosti jsou stále ve stadiu výzkumu. Standardní betony z Portlandského cementu mají pevnost v tlaku asi 30 MPa, speciálně upravené betony až 60 MPa, oproti tomu geopolymery dosahují přibližně pevnosti 100 MPa. Nezanedbatelná je rovněž jejich značná tepelná odolnost (beton max. do 300 °C, geopolymery až 1000 °C) a chemická odolnost.
Geopolymery se obecně vyrábějí alkalickou aktivací vhodného materiálu, jako jsou například odpadní materiály jako elektrárenský popílek a různé strusky, anebo materiálů již využívaných v betonářském průmyslu jako jsou např. metakaolin a Portlandský cement (PC). Nejčastěji se využívají a zkoumají jejich různě připravené směsi spolu s plnivy (kamenivem a výztuží) ve snaze nalézt kombinaci s co nejlepšími vlastnostmi.
Většina geopolymerů vykazuje nižší pevnost v tahu za ohybu, ale z výzkumů je známo že se dá v těchto materiálech použít výztuž běžně používaná u klasických betonů tj. uhlíková ocel a antikorozní ocel. Tato výztuž má korozní odolnost v geopolymerech stejnou nebo naopak vyšší než v klasických betonech. Díky silně zásaditému prostředí samozřejmě nelze použít žádné materiály z lehkých kovů a slitin, ale ani skleněnou výztuž z běžně používaných skelných vláken typu E (eutalová), která jsou v prostředí cementové nebo geopolymerní matrice rychle napadána a velmi rychle zcela ztrácí výztužnou schopnost. V těchto aplikacích je pak nutné použít alkalivzdorná skelná vlákna tzv. zirkoničitého typu nebo vlákna z organických polymerů.
Český trumf pro ekologickou výrobu geopolymerů představují haldy lupku poblíž Zbůhu u Plzně. Lupek je odpad z těžby černého uhlí. Na haldách u Zbůhu je ho tolik, že by dokázal nahradit poptávku po cementu pro celou Českou republiku zhruba na 20 let. Právě tady zahájí ještě letos velkovýrobu geopolymerů ERIGA - Evropský výzkumný ústav prof. Josepha Davidovitse pro aplikace geopolymerů. Na haldách došlo k samovznícení materiálu, takže proces aktivace už zde proběhl přírodní cestou. Uvnitř haldy hoří neustále, ale jde o endogenní (tedy vnitřní) hoření hlušiny s minimem kyslíku. Oxid uhličitý se při tomto procesu uvolňuje už dlouhá léta, ovšem v téměř neměřitelném množství. Více ho unikne jen tehdy, když hoření pronikne na povrch.
Geopolymery by tedy mohly být v budoucnu vhodným materiálem, nahrazujícím klasické betony Portlandského typu nejen v běžném stavitelství, ale i v náročných aplikacích jako jsou stavby mostů.
| Vlastnost | Geopolymery | Portlandský cementový beton (standardní) | Portlandský cementový beton (speciální) |
|---|---|---|---|
| Pevnost v tlaku | ~100 MPa | ~30 MPa | ~60 MPa |
| Tepelná odolnost | až 1000 °C | max. do 300 °C | max. do 300 °C |
| Emise CO2 (při výrobě) | 6x méně než cement | Vysoké | Vysoké |
| Chemická odolnost | Značná | Nižší | Nižší |
| Mrazuvzdornost | Značná | Standardní | Standardní |
tags: #geopolymerni #beton #stary #egypt