Untersuchungen zu Einsatzmöglichkeiten von Holzleichtbeton

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Darüber hinaus zeigen vor allem die Ergebnisse der E-Modul-Messungen, dass die Mi-
schungen einen sehr homogenen Aufbau aufweisen.
Erste Versuche zur Feuerwiderstandsdauer in einem Kleinbrandofen und ein Brandschacht-
test ergaben ausreichende Brandschutzeigenschaften. Anhand von Frost-Tau-Wech-
sel-Prüfungen zeigt sich die sehr gute Dauerhaftigkeit und hohe Witterungsbeständigkeit
von Holzleichtbeton.
Ebenfalls ermittelte bauphysikalische Kenngrößen zu Wärmeleitfähigkeit, Wärmespei-
cherkapazität und zum Feuchteausgleichsverhalten zeigen, dass sich das Material sowohl
für Anwendungen im Außenbereich als auch im Innenraum eignet.
Die Kombination von HLB mit PCM weist somit weitere funktionale und baukonstruktive
Vorteile auf, die leichtere und dünnere Wandelemente bei gleichzeitig thermodynamisch
besseren Stoffeigenschaften ermöglichen.
Darüber hinaus erfolgten im Zusammenhang mit der Erarbeitung von Grundlagen für Kon-
struktionen und Schichtenfolgen von Außenwänden in der Holzleichtbeton-Massivholz-
Verbundbauweise Untersuchungen zu den gestalterischen Potenzialen des Verbund-
werkstoffs. Diese konnten exemplarisch an Farbmusterreihen sowie Funktionsmodellen
mit strukturierten, plastischen Oberflächen aufgezeigt werden.
Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass Verbundwerkstoffe aus Holz und anorgani-
schen Bindemitteln eine Reihe interessanter Optionen vor allem im Bereich des Ressour-
cen schonenden Bauens aufweisen. Holzleichtbeton ist ein zukunftweisendes und lei-
stungsfähiges Material, dass aufgrund der positiven Materialeigenschaften für den Einsatz
im Mehrgeschossbau sowie im Fertigteilbau oder Innenausbau geeignet ist.
In der Arbeit wird Holzleichtbeton, ein Verbundwerkstoff, der sich aus Zement, Säge-
spänen beziehungsweise -mehl, Wasser und Additiven zusammensetzt, hinsichtlich der
Eignung als Material für thermisch passive und thermisch aktive Bauteile untersucht.
Holzleichtbeton (HLB) ist aufgrund der Rohdichte zu den Leichtbetonen zu zählen. Je
nach Mischungsverhältnis lassen sich Rohdichten von 400 bis 1700 kg/m3 herstellen.
Gute Verarbeitung und variierbare Wärme-, Schall- und Festigkeitseigenschaften kenn-
zeichnen das Material.
In sechs unterschiedlichen Aufbauten wurde Holzleichtbeton als Material für Massivabsor-
ber getestet. Die Ergebnisse der Vermessung und eine durchgeführte Potentialabschätzung
zeigen, dass die Leistungsfähigkeit der untersuchten thermisch aktiven Bauteile einge-
schränkt ist.
Den Schwerpunkt der Arbeit stellten Untersuchungen zur Kombination von Holzleichtbeton
mit Latentwärmespeichermaterialien (PCM) dar. Der Verbund von organischen PCM mit
anorganischen Bindemitteln und Holz als Zuschlagsstoff wurde bisher noch nicht unter-
sucht.
Mit der Aufstellung und Erprobung unterschiedlicher Rezepturen wurden im Rahmen
der Arbeiten zum Teil erstmalig sowohl materialspezifische als auch experimentelle Versu-
che durchgeführt, Potentialabschätzungen vorgenommen und Funktionsmodelle in unter-
schiedlichen Maßstäben hergestellt.
In insgesamt fünf verschiedenen Arbeitsschritten erfolgten umfangreiche Versuchs-
und Testreihen an unterschiedlichen Mischungen. Die erreichten Rohdichten der
Funktionsmodelle liegen etwa zwischen 1000 und 1450 kg/m3. Untersuchungen zur Druck-
festigkeit lassen höhere Festigkeitswerte wie bei ‘normalem’ Holzleichtbeton erkennen.

Untersuchungen zu Einsatzmöglichkeiten von Holzleichtbeton (pdf, 7,2 MB)

Quelle: Dissertation, Roland Krippner - TU München

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Aus baubiologischer Sicht, sollte möglichst chromatarmem Zement verwendet werden.

Die Chromatallergie wird nicht umsonst auch Maurerkrätze genannt.

Bei Allergietests in Hautkliniken zählen Chromate mit 4–10 % positiver Reaktion zu den häufigsten Kontaktallergenen in Deutschland.

Der Hintergrund ist der sehr hohe Zementanteil bei Holzbeton um auf brauchbare Festigkeitswerte und einen dauerhaften Holzschutz zu kommen.

Holzleicht(span)beton hat Rohdichten im Bereich von 400 bis 600 kg/m³.

Ein 'mittel-'verdichtetes Gemisch besteht aus etwa < 25 Masse-Prozent zerkleinerter Holzspäne beziehungsweise Sägemehl,
etwa < 65 Masse-Prozent hydraulisches Bindemittel und Wasser sowie gegebenenfalls weiteren Zusätzen.

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Holz war über Jahrhunderte wesentlicher Bestandteil des Tragwerks, später kamen Stahl und insbesondere Stahlbeton hinzu. Da lag und liegt es nahe, die beiden Baustoffe in einem Verbund zusammenzuführen.     

Im Vergleich zu heute wurde um 1900 in Mitteleuropa etwa die zehnfache Menge an Massivholz in der Baukonstruktion eingesetzt. Durch Neubewertung der Energie- und Stoffströme, des Primärenergiegehalts baulicher Systeme und des Energiehaushalts von Gebäuden, gewinnen die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von Holz in unterschiedlicher Zusammensetzung wieder an Bedeutung.
Die Kombination von anorganischen Baurohstoffen mit Restholz aus der Holzbearbeitung ist keine Neuentwicklung, sondern reicht bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts zurück. Unter Bezeichnungen wie "Steinholz", "Sägemehlbeton" oder "Holzbeton" existierten eine Reihe von Anwendungen, vor allem als Fußbodenestriche und Putze. Anfang der 30er Jahre wurden mit der Patentierung von einschlägigen Verfahren die Grundlagen zur Herstellung von "Holzspanbeton" geschaffen, der sich vor allem in Österreich unter den Produktnamen "Holzspan-Mantelstein" und "Holzspan-Mantelbetonplatte" am Baumarkt etablierten. Nach dem Zweiten Weltkrieg experimentierte man aufgrund von Rohstoffmangel verstärkt mit zementgebundenen Holzwerkstoffen und Ende der 60er Jahre wurde in der DDR dieser Ansatz für einen kostengünstigen Kleinwohnungsbau sowie landwirtschaftliche Bauten zeitweise wieder aufgegriffen.
Holzleichtbeton
Seit einigen Jahren beschäftigt man sich aufgrund von Ressourcenverknappung (Sand, Kies) und Gewichtsersparnis (Wand- und Deckenkonstruktion) wieder eingehend mit diesen Konzepten, die mit den derzeitigen technologischen Möglichkeiten fortgeführt werden. Obwohl heutzutage Bauteile aus Holzleichtbeton weitgehend nur als gepresste, zementgebundene Spanplatten bzw. als Holzwolle-Leichtbauplatten mit nicht tragenden, Wärme dämmenden Funktionen im Bauwesen verwendet werden, eröffnet die Weiterentwicklung dieser Materialkombination hin zu statisch beanspruchbaren und thermisch aktiven Elementen viel versprechende Potentiale.
Holzleichtbeton, aufgrund der Rohdichte zu den Leichtbetonen zählend, ist ein Verbundwerkstoff, der sich aus Zement, Sägespänen bzw. Sägemehl, Wasser und Additiven zusammensetzt. Je nach Mischungsverhältnis lassen sich Rohdichten von 400 bis 1 700 kg/cbm herstellen. Gute Verarbeitung und variierbare Wärme-, Schall- und Festigkeitseigenschaften kennzeichnen das Material.
Festigkeitseigenschaften
Ende der 90er Jahre wurden an der EPF Lausanne (Lehrstuhl für Holzkonstruktion, Prof. Natterer) vor allem baukonstruktive Grundlagen zum Holzleichtbeton erarbeitet. Das Material unterscheidet sich von herkömmlichen Holzverbundwerkstoffen durch

    * höhere Rohdichten
    * typisches Sprödbruchverhalten
    * geringe hygrische Längenänderung
    * Nichtbrennbarkeit (bei organischem Massenanteil -kleiner als - 15%)

Wesentlichen Einfluss auf Festigkeit und Verarbeitbarkeit von Holzleichtbeton hat der Wasser/ Zement-Wert (Optimum zwischen 0,55 und 0,65) sowie das Holz/Zement-Verhältnis. Bei Stoffzusammensetzungen mit Rohdichten -grösser als- 1000 kg/cbm und einem Zementgehalt -grösser als- 800 kg/cbm können
erzielt werden. Der Zuschlagsstoff Holz beeinflusst wesentlich die statischen Qualitäten des Materials, d.h. je größer der Holzanteil ist, desto stärker nehmen die Festigkeitswerte ab.
Holzleichtbetone weisen einen höheren Zementgehalt im Vergleich zu klassischen Betonmischungen auf. Durch die große Oberfläche des Holzanteils und dem negativen, d.h. verzögernden Einfluss des Holzzuckers auf den Abbindevorgang, ist bei den bisher hergestellten Mischungen noch ein relativ hoher Zementanteil erforderlich.

    * Druckfestigkeiten bis 15 N/qmm
    * Biegefestigkeiten bis 5 N/qmm und
    * E-Moduli bis 6500 N/qmm

Thermische Eigenschaften
Am Lehrstuhl für Gebäudetechnologie begannen im Rahmen einer Dissertation und weiterer, parallel laufender F&E-Projekte Untersuchungen zu den Einsatzmöglichkeiten von Holzleichtbetonen in Gebäudefassaden. Dies erforderte zunächst die Validierung von Rezepturen und die Ermittlung bauphysikalischer Kenngrößen.
Die thermischen Eigenschaften von Holzleichtbeton zeigen ebenfalls positive Resultate. Bei der Wärmeleitfähigkeit wurden Werte zwischen 0,15 (rho = 610 kg/cbm) und 0,75 W/mK (rho = 1710 kg/cbm) ermittelt. Es zeigte sich, dass die Wärmeleitfähigkeit mit sinkendem Holzgehalt und dadurch erhöhter Dichte ansteigt. Damit liegt das Material bezüglich der Dämmwirkung im Bereich von Poren- und Leichtbeton (mit haufwerksporigem Gefüge). Überschlägige Berechnungen lassen daher bei mehrschichtigen Wandaufbauten (d = 30 cm, U-Werte zwischen 0,45 und 0,33 W/qmK) gute Möglichkeiten zur Ausbildung eines (passiven) Außenwandbauteils erwarten.
Die spezifische Wärmekapazität cp zeigt einen Abfall der Werte bei erhöhten Dichten. Dies lässt sich dadurch erklären, dass der Holz-Anteil bei ansteigender Dichte vermindert ist. Das Gesamtsystem Holzleichtbeton hat somit eine verringerte spezifische Wärmekapazität. Die Messungen ergaben hier Werte von 1,004 J/gK (rho = 1250 kg/cbm) bis 1,387 J/gK (rho = 600 kg/cbm).
Obwohl die Diffusionsoffenheit des Materials aus bauphysikalischer Sicht die Anwendungsmöglichkeiten einschränkt, eignet sich Holzleichtbeton bei entsprechenden Aufbauten und Schichtenfolgen, z.B. in Kombination mit Massivholz, für eine Anwendung als Außen- wie auch als Innenbauteil.
Hinsichtlich des Körperschalls ist Holzleichtbeton aufgrund seiner Stoffeigenschaften ein schlechter direkter Schallleiter; daraus ergeben sich interessante Anwendungsgebiete für Maßnahmen zur Trittschallverbesserung, z.B. beim Estrich. Erforderliche höhere Luftschalldämm-Maße lassen sich beim Einsatz von Holzleichtbeton nur durch mehrschichtige Konstruktionen realisieren.
Untersuchungen zum Brandschutz verdeutlichen, dass das Material unter Berücksichtigung der statischen Erfordernisse und unter Beachtung ausreichender Mischungsverhältnisse (Holzmassenanteil -kleiner als- 15% der Gesamtmasse) als Baustoff u.a. für tragende und aussteifende Wände im Mehrgeschosswohnungsbau (bei mehrschichtigen Aufbauten bis F 90-A) eingesetzt werden kann. Am Beispiel unterschiedlicher Gebäudetypen wurde im Rahmen einer thermischen Simulation eine Potentialabschätzung hinsichtlich der Funktion als passives System durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass Wandaufbauten in Holzleichtbeton-Verbundbauweise mit einer Außenwändstärke von -kleiner gleich- 30 cm mindestens den Standard von Gebäuden in konventioneller Ziegelbauweise (WSVO 1995) erreichen und der Heizwärmebedarf partiell um ca. 15-20 % reduziert werden kann. Werte im Bereich der Niedrigenergiebauweise, bereits mit sehr geringen Wärmebedarfszahlen gerechnet, sind mit den bisher konzipierten HLB-Wandaufbauten jedoch noch nicht zu erzielen.
Holzleichtbeton als Massivabsorber
Zur Vorbereitung der Untersuchung von Holzleichtbeton zur Eignung als Massivabsorber wurden zwei Funktionsmodelle (1 qm Bauteilfläche) hergestellt: Ein leichtes, dämmendes (rho = 600 kg/cbm) sowie ein schweres, statisch beanspruchbares (rho = 1300 kg/cbm). Die volumenbezogene Wärmekapazität von Holzleichtbeton (0,39 bis 0,48/rho = 1300 kg/cbm) liegt bei etwa 60 bis 70% der Wärmekapazität von Normalbeton (0,67/rho = 2400 kg/cbm). Die Leistungscharakteristik der Holzleichtbeton-Verbundbauweise wurde in fünf unterschiedlichen Versuchsreihen untersucht.
Die Messergebnisse belegen, dass aufgrund der besseren Wärmeleitfähigkeit das schwere Funktionsmodell signifikant besser abschneidet als das leichte Element. Ferner ist ersichtlich, dass beim leichten Funktionsmodell zwar höhere Oberflächentemperaturen erreicht werden, die Kerntemperaturen aber niedriger sind als beim schweren Element. Beide untersuchten Funktionsmodelle leisten ohne Abdeckung deutlich weniger als mit Abdeckung, was sicherlich auf die hohen konvektiven Wärmeverluste zurückzuführen ist. Allerdings lassen die Versuchsreihen zwischen den beiden unterschiedlichen Abdeckungsarten (Glas und TWD) keine signifikanten Leistungsunterschiede erkennen.
Die eingeschränkte Leistungsfähigkeit der untersuchten, thermisch aktiven Holzleichtbeton-Elemente zeigte sich in durchgeführten Potentialabschätzungen. Allerdings bestehen eine Reihe konstruktiver Verbesserungsmöglichkeiten, so zum Beispiel die Verlegung der Rohre nahe der Bauteiloberfläche, die Verringerung des Rohrabstandes usw. Dennoch muss der Nutzen des Systems gegenüber dem erforderlichen Installations- und Betriebsaufwand sorgfältig abgewogen werden.
Das vorliegende Datenmaterial bildet eine gute Basis zur Untersuchung von Einsatzmöglichkeiten des Holzleichtbetons im Bereich der Baukerntemperierung von Böden, Decken und Wänden.
Holzleichtbeton und organische PCMs
In einem weiteren Betrachtungsausschnitt wurde (und wird) der Verbund von anorganischen Bindemitteln und organischen Zuschlagstoffen mit organischen Latentwärmespeichermaterialien (PCM = Phase Change Material) untersucht.
Der Energiehaushalt und das Raumklima der Gebäude werden maßgeblich durch die verwendeten Baustoffe und deren bauphysikalischen Eigenschaften, wie Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität, bestimmt. Insbesondere in Leichtbauten ergibt sich das Problem der sommerlichen Überhitzung bzw. der Unterkühlung, da ausreichende Speichermassen fehlen. Die Aufgabe, überschüssige Wärme zwischenzuspeichern und zu einem späteren Zeitpunkt an den Raum wieder abzugeben, erfordert Materialien mit hohen Energiespeicherdichten. In diesem Zusammenhang gewinnt auch die Betrachtung der Kombinationsmöglichkeiten von Holzleichtbeton mit PCMs einen hohen Stellenwert.
Nach ersten Experimenten im Sommer 2001 mit sechs Mischungen, erfolgten im Frühjahr 2002 umfangreiche Versuchs- und Testreihen an acht Rezepturen. Bei den Mischungen I bis V (Ausgangsrohdichte Holzleichtbeton rho = 600 kg/cbm) betrug der Holzmasseanteil zwischen 17 und 11% und der Anteil des Paraffingranulats zwischen 11 und 23%; bei den Mischungen VI bis VIII (Ausgangsrohdichte Holzleichtbeton rho = 1300 kg/cbm), jeweils 9 bis 6% bzw. 24 bis 29%. Die erreichten Rohdichten der Funktionsmodelle lagen zwischen 990-1440 kg/cbm. Untersuchungen zur Druckfestigkeit lassen im Vergleich zu Holzleichtbeton höhere Festigkeitswerte erkennen. Darüber hinaus zeigen vor allem die Ergebnisse der E-Modul-Messungen, dass die Mischungen einen sehr homogenen Aufbau aufweisen.
Erste Versuche zur Feuerwiderstandsdauer in einem Kleinbrandofen, wie auch Frost-Tau-Wechsel-Prüfungen, ergaben trotz des hohen Paraffin-Anteils gute Brandschutzeigenschaften und eine hohe Witterungsbeständigkeit. Ebenfalls ermittelte Kenngrößen zu Wärmeleitfähigkeit und Wärmespeicherkapazität lassen das Material sowohl für Anwendungen im Außenbereich wie auch im Innenraum als geeignet erscheinen. Mit der Kombination von Holzleichtbeton und organischen Latentwärmespeicher-Materialien sind weitere funktionale und baukonstruktive Vorteile zu erwarten, d.h. leichtere und dünnere Wandelemente bei gleichzeitig thermodynamisch besseren Stoffeigenschaften. Im Rahmen der interdisziplinären Projektarbeiten wurden z.T. erstmalig sowohl materialspezifische als auch experimentelle Untersuchungen durchgeführt, Potentialabschätzungen vorgenommen und Funktionsmodelle in unterschiedlichen Maßstäben hergestellt.
Darüber hinaus eröffnet dieser Verbundwerkstoff auch eine Reihe interessanter gestalterischer Optionen - gleichermaßen für Bodenbeläge, wie für Wand- und Deckenoberflächen. Parallel erfolgt die Erarbeitung von Grundlagen für Konstruktionen und Schichtenfolgen von Außen- und Innenwänden in Holzleichtbeton-Verbundbauweise. Bei diesen mehrschichtigen Wandaufbauten bildet das Massivholz (Brettstapelelemente) die tragende Schicht und der Holzleichtbeton (Wärme dämmend und Wärme speichernd) ist als raumseitige Oberfläche oder als Wetterhaut angeordnet.
Schlussbemerkungen
Der skizzierte Überblick gibt einen Einblick in laufende Forschungsarbeiten. Trotz einer Vielzahl erarbeiteter Kenngrößen und vorhandener Erfahrungen, besteht noch großer Optimierungsbedarf; insbesondere hinsichtlich der Mischungsverhältnisse, der Verarbeitungsverfahren und zum Einsatz von Glasfaserbewehrungen. Um vorgefertigte, großformatige Bauteile aus Holzleichtbeton für den Hochbau einsetzen zu können, sind ebenfalls noch detaillierte Forschungen zum baukonstruktiven Verhalten sowie zu herstellungstechnischen und architektonischen Fragestellungen erforderlich.
Ziel der bisherigen Arbeiten ist es, Einsichten in das enorme Potential der Holzleichtbeton-Verbundbauweise zu gewinnen. Bereits die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass Verbundwerkstoffe aus Holz und anorganischen Bindemitteln eine Reihe interessanter Optionen, vor allem im Bereich des Ressourcen schonenden Bauens, aufweisen. Es zeigt sich, dass der Holzverbundwerkstoff sowohl für den Einsatz im Mehrgeschoss- als auch im Fertigteil- oder Innenausbau geeignet ist.
Themenstellung und Inhalt der Dissertation spiegeln eine für Architekten eher ungewöhnliche wissenschaftliche Vertiefung. Wenn aber angesichts der gegenwärtigen gesellschaftlichen Herausforderungen die Arbeit an nachhaltigen baulichen Konzepten zu qualitativ neuen Lösungen führen soll, müssen sich auch Architekten verstärkt mit materialspezifischen und technologischen Fragestellungen auseinandersetzen.

Quelle: DBZ 12/2002 BautechnikRoland Krippner, TU München