TEILPROJEKT 16

Prof. Dr.-Ing. D. Heinz Dr.-Ing. L. Urbonas cbm Centrum Baustoffe und Materialprüfung TU München

Holzbeton

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Inhaltsverzeichnis 1 Zusammenfassung ............................................................................... 3 2 Summary ............................................................................................ 5 3 Einleitung ............................................................................................ 7 4 Stand der Forschung............................................................................. 7

4.1 Wissenschaftlich-technischer Stand .................................................. 7 4.1.1 System Holz /mineralische Bindemittel......................................... 7 4.1.2 Eigenschaften von mineralisch gebundenen Holzwerkstoffen........ 10

5 Untersuchungsmethoden..................................................................... 15 5.1 Mineralogische Untersuchungen ..................................................... 15 5.2 Chemische Untersuchungen........................................................... 16 5.3 Physikalische Untersuchungen ....................................................... 16 5.4 Mörteltechnische bzw. betontechnische Untersuchungen .................. 16

6 Ausgangsmaterialien........................................................................... 17 6.1 Bindemittel, Zusatzstoffe und Zusatzmittel ...................................... 17 6.2 Holzpartikel ................................................................................. 20

7 Untersuchungsergebnisse .................................................................... 21 7.1 Einfluss von verschiedenen Bindemitteln auf den Hydratationsverlauf, das

Erstarren und die Festigkeitsentwicklung von Holzbetonen ................. 21 7.1.1 Holzbetone mit Zementen nach DIN EN 197............................... 21 7.1.2 Holzbetone mit schnellerstarrendem Portlandzement ................... 27 7.1.3 Holzbetone mit Schnellzement auf Dodecacalciumheptaluminat-Basis

............................................................................................ 287.1.3.1. Einfluss des Holzanteiles, der Holzart und der

Holzbeschaffenheit auf die Eigenschaften des Holzbetons ... 30 7.1.3.2. Holzbetone mit Hackschnitzeln......................................... 33 7.1.3.3. Holzbetone mit Buchenspänen ......................................... 33 7.1.3.4. Holzbetone mit forstwirtschaftlichem Restholz ................... 35 7.1.3.5. Einfluss des Mischens und eines Schaumbildners auf die

Eigenschaften von Holzbeton........................................... 36 7.1.3.6. Einfluss der Verflüssiger auf die Eigenschaften des Holzbetons

................................................................................... 39 7.1.3.7. Einfluss der Behandlungsart auf die Festigkeiten von

Holzbetonen plastischer Konsistenz .................................. 40 7.1.3.8. Untersuchungen an Holzbetonen mit einem

Latentwärmespeicher (PCM)............................................ 40 7.1.3.9. Holzbetone mit erdfeuchter Konsistenz.............................. 42 7.1.3.10. Schwinden und Quellen der Holzbetone............................. 43 7.1.3.11. Hydratationsmechanismen und Gefügeentwicklung des

Holzbetons.................................................................... 44 7.1.4 Holzbetone mit einem speziell zusammengesetztem Bindemittel.... 49 7.1.5 Untersuchungen an Holzbetonen mit Gips und Anhydrit............... 52 7.1.6 Holzbetone mit Sulfathüttenzement .......................................... 53 7.1.7 Holzbetone mit Geopolymerzement ........................................... 53 7.1.8 Holzbetone mit Wasserglas ...................................................... 54

7.2 Dauerhaftigkeit der Holzbetone plastischer Konsistenz....................... 55 7.3 Herstellung und Eigenschaften von Proben für die physikalisch-

technischen Untersuchungen und Schauobjekte (in Zusammenarbeit mit TP 17). ....................................................................................... 56

7.3.1 Herstellung von Holzbetonplatten für Demonstrationsobjekte........ 56 7.3.2 Herstellung einer Holzbetonwand bei der Fa. Hieber Beton ........... 58 7.3.3 Ökologische Beurteilung von Holzbetonen.................................. 59

8 Literatur ............................................................................................ 64

Zusammenfassung P16 - 3

1 Zusammenfassung Im Rahmen eines Verbundprojektes zu neuen Produkten und zur Werkstoffentwicklung sollte der Einsatz von Holz in verschiedenen Produkttypen vergleichend bewertet werden. Das Hauptziel des Teilprojektes zu Holzbeton war, neuartige Betone mit dem Zuschlag Holz für verschiedene Anwendungen zu entwickeln. Dabei sollte die Verträglichkeit zwischen Zement und Holzpartikeln unterschiedlicher Art durch den Einsatz gezielt zusammengesetzter Bindemittel deutlich verbessert werden und damit der technologische Prozess der Herstellung deutlich vereinfacht werden.

Für die Untersuchungen wurden 3 Portlandzemente, 2 Hochofenzemente, 3 Schnellerstarrende Portlandzemente, 2 Schnellzemente mit Dodeca-Calcium-Hepta-Aluminat 12CaO*7Al2O3 bzw. (11CaO*7Al2O3*CaF2), ein Spezialbindemittel mit Hüttensand, Gips, Portlandzement und Flugasche eingesetzt. Weiterhin wurden portlandzementklinkerfreie Bindemittel wie Geopolymerzement mit Metakaolin, Sulfathüttenzement, Wasserglas und Bindemittel auf Calciumsulfat-Basis verwendet. Als Holzpartikel wurden Nadelholzspäne unterschiedlicher Feinheiten, Buchenspäne, Hackschnitzel und geschreddertes forstwirtschaftliches Restholz verwendet.

Die Holzbetone mit den Portlandzementen und Hochofenzementen erstarrten sehr langsam und konnten frühestens nach zwei Tagen Feuchtlagerung ausgeformt werden. Chemische und mineralogische Untersuchungen haben gezeigt, dass die löslichen organischen Bestandteile des Holzes komplexe Verbindungen mit Ca-Ionen in der Porenlösung des Holzbetons bilden, was die Kristallisation des Portlandits behindert.

Die beste Verträglichkeit mit Holz zeigten ein Schnellzement mit 12/7-Calciumaluminat und ein Spezialbindemittel mit Hüttensand, Gips, Portlandzement und Flugasche. Die Erstarrung und Festigkeitsentwicklung des Schnellzementes mit 12/7-Calciumaluminat erfolgte aufgrund der Hydratation des Calciumaluminats, der Kristallisation und der Verzahnung der länglichen Ettringitkristalle. Bei dem Spezialbindemittel erfolgt die Erstarrung durch die Kristallisation des Gips-Dihydrates. Diese Prozesse werden durch die löslichen organischen Bestandteile des Holzes kaum verzögert.

Bei der Herstellung von Holzbetonen plastischer Konsistenz mit Nadelholzspänen bildeten sich reichlich Luftporen, was zur Vergrößerung des Leimvolumens und damit zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit führte. Für die Luftporenbildung war die Anwesenheit von Harzen im Nadelholz verantwortlich.

Durch intensives Mischen konnten Nadelholzbetone mit sehr hohem Luftporengehalt von 58 Vol.-% hergestellt werden. Der Einsatz von Schaumbildner erlaubte es den w/z-Wert von luftporenreichen Betone abzusenken und die Festigkeiten moderat zu erhöhen. Der Einsatz von Betonverflüssigern führte zu keiner Verbesserung der Holzbetoneigenschaften. In Abhängigkeit vom Holzanteil (Nadelholzspäne, Holz-Zement-Verhältnis von 0,18 bis 0,33 kg/kg) konnten Betone mit einer plastischen Konsistenz mit Rohdichten von 480 – 850 kg/m³, Druckfestigkeiten von 0,8 bis 10 MPa und Biegezugfestigkeiten von 0,4 bis 3,8 MPa (28 d) hergestellt werden. Mit abnehmender Feinheit der Holzspäne nimmt das Verhältnis Biegezugfestigkeit zu Druckfestigkeit zu.

Während des Mischens von Holzbetonen mit Buchespänen wurde keine intensive Luftporenbildung beobachtet, da diese Holzart kaum Harz enthält. Aus diesem Grund und wegen einer höheren Dichte der Buchenspäne haben diese Holzbetone im Vergleich zu analogen Betonen mit Nadelholz höhere Rohdichten, höhere Festigkeiten aber auch einen höheren Zementanteil.

Die Festigkeiten der Holzbetone mit Restholz sind niedriger als die der Betone mit Sägewerkspänen vergleichbarer Zusammensetzung. Dies ist vermutlich auf die relativ großen Anteile an Rinde und Nadeln im Restholz zurückzuführen. Für die Dauerhaftigkeitsuntersuchungen wurden die Holzbetonproben weicher Konsistenz aus dem Schnellzement mit 12/7-Calciumaluminat (Holz-Zement-Verhältnis 0,26 kg/kg) und Spezialbindemittel mit Gips, Hüttensand, Flugasche und Portlandzement (Holz-Zement-Verhältnis 0,22) nach 14 d Vorlagerung bei 20 °C und 95 % r.F. weiter im Freien gelagert. Nach zwei Überwinterungen zeigte die Probe mit dem Spezialbindemittel einen deutlichen Fortschritt der

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Abplatzungen. Bei der Probe mit Schnellzement konnten keine Schäden an den Oberflächen beobachtet werden. Die Kanten und Ecken der Proben waren jedoch leicht abgerundet.

Erdfeuchte Betone mit einem höheren Holz/Zement-Verhältnis von 0,43 und 0,47 kg/kg wurden mit einer Verdichtung durch Stampfen hergestellt. Die Eigenschaften dieser Betone sind hauptsächlich vom Verdichtungsgrad und der eingesetzten Spangröße abhängig. Mit gröberen Spänen F2 werden höhere Festigkeiten erreicht. Die Rohdichten dieser Betone liegen zwischen 590 und 850 kg/m³, die Druckfestigkeiten zwischen 1 und 5,5 MPa und die Biegezugfestigkeiten entsprechend zwischen 0,4 und 2,2 MPa.

Die Untersuchungen zum Schwindverhalten zeigen, dass die gestampften Proben mit einem höheren h/z-Verhältnis ein höheres Schwind- und Quellmaß haben. So erreichen die Schwindmaße der gegossenen Betonproben plastischer Konsistenz während der Abnahme der rel. Luftfeuchtigkeit von 65 % auf 30 % Werte bis 0,45 mm/m. Die Schwindmaße der gestampften Proben sind mit 0,6 und 0,75 mm/m etwas höher. Hier ist auch ein höheres Schwindmaß der Holzbetone mit feineren Holzspänen im Vergleich zu Holzbetonen mit gröberen Holzspänen zu beobachten.

Es wurde gezeigt dass mit den portlandzementfreien Bindemitteln Gips α-Halbhydrat und Geopolymerzement auf Metakaolinbasis Holzbetone mit Rohdichten von ca. 800 kg/m³ und Druckfestigkeiten von 4,5 bis 6 MPa hergestellt werden können. Mit Wasserglasbinder gebundene Holzspäne zeigten einen guten Zusammenhalt, sehr niedrige Rohdichte von 320 kg/m³ aber auch niedrige Druck- (

Summary P16 - 5

2 Summary The use of wood in different types of products has been assessed comparatively in a joint research project on new materials and materials development. The present project focussed on the development of new types of concrete with wood as an aggregate for a range of different applications. The compatibility of cement and different types of wood particles was to be significantly improved by tailoring binder composition which thus significantly simplifies the production process.

Three Portland cements, two Portland blast furnace cements, two rapid setting Portland cements, two rapid cements with 12CaO*7Al2O3 or 11CaO*7Al2O3*CaF2 and a special binder composition comprising ground granulated blast furnace slag, gypsum, Portland cement and fly ash were used in the investigations. In addition cements without Portland cement clinker were considered: a geopolymer cement with metakaolin, sulphate blast furnace cement, sodium silicate and binders based on calcium sulphate. The wood particles were in the form of coniferous wood shavings of different fineness, beech shavings, wood chips and shredded forestry wood residue.

The wood concrete mixes containing Portland and Portland blast furnace cement set very slowly and could only be demoulded after at least two days moist storage. Chemical and mineralogical investigations have shown that the soluble organic constituents of wood form complexes with calcium ions in the pore solution of wood concrete. This impedes the crystallisation of portlandite.

The rapid cement containing 12/7 calcium aluminate and the special binder exhibited the best compatibility with wood. The setting and strength development of the 12/7 calcium aluminate cement occurs due to the hydration of calcium aluminate and the crystallisation and interlocking of long ettringite needles. The crystallisation of gypsum is responsible for the setting of the special binder. Both processes are scarcely delayed by the organic constituents of the wood.

A large quantity of air voids formed during the preparation of wood concrete of plastic consistency with coniferous wood shavings. This led to an increase in binder paste volume and improved workability. The resin in the wood promoted air void formation.

Intensive mixing enabled the production of conifer wood concrete containing as much as much as 58 vol.% air voids. By using a foaming agent, it was possible to reduce the w/c ratio of mixes with a high air content and increase strength moderately. No improvement in the properties of wood concrete was obtained by using superplasticizers.

Depending on the amount of wood (coniferous wood shavings: wood-to-cement ratio 0.18 to 0.33 kg/kg), it was possible to produce wood concretes mixes with a plastic consistency and densities between 480 and 850 kg/m3 which, when hardened, possessed 28 d compressive and flexural strengths ranging between 0.8 an 10 MPa and 0.4 to 3.8 MPa, respectively. The ratio of flexural to compressive strength increases as the shavings becomes coarser.

No intensive formation of air voids was apparent during mixing wood concrete with beech shavings. This is due to the lower resin content of beech wood compared with coniferous wood. Owing to this and the higher density of the beech shavings, this type of wood concrete has a higher density and strength than equivalent mixes made with coniferous wood shavings.

The strength of wood concrete made with wood residue is lower than concrete of equivalent composition made with saw dust. This is probably due to the relatively large proportion of bark and needles in the forestry wood residue.

Durability testing was carried out with wood concrete specimens made from the rapid 12/7 calcium aluminate cement (wood-to-cement ratio 0.26 kg/kg) and the special binder (wood-to-cement ratio 0.22). The fresh concrete was soft in consistency and the specimens were stored for 14 d at 20°C and 95% RH prior to outdoor storage under natural climatic conditions. After two winters, the specimen made with the special binder showed clear signs of spalling. No surface damage was apparent for the specimen made with rapid cement. However, the edges and corners of the specimens were slightly rounded.

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Fresh moist concretes with relatively high wood-to-cement ratios between 0.43 and 0.47 kg/kg were compacted by tamping. The properties of these concretes were mainly determined by the degree of compaction and the size of the shaving used. Higher strengths were achieved with the coarser F2 shavings. The density of these wood concrete mixes was between 590 and 850 kg/m3 and the corresponding compressive and flexural strengths between 1.0 and 5.5 MPa and 0.4 to 2.2 MPa, respectively

Investigations of shrinkage behaviour indicated a higher degree of shrinkage and swelling for specimens produced by pounding and with high wood-to-cement ratios. The shrinkage of poured concrete specimens of plastic consistency reached as much as 0.45 mm/mm during a reduction in relative humidity from 65 to 30%. The shrinkage of the specimens produced by tamping is, at 0.6 and 0.75 mm/m, somewhat higher. A higher degree of shrinkage was observed for wood concrete made with finer shaving as opposed to the coarser shavings.

It was possible to produce wood concrete with densities around 800 kg/m3 and compressive strength between 4.5 and 6 MPa using the non-Portland cement based binders calcium sulphate α-hemihydrate or the geopolymer cement with metakaolin. Good bonding of wood shavings was obtained with sodium silicate. Although the density of this material (320 kg/m3) was very low, the compressive and flexural strengths were also low,

Einleitung P16 - 7

3 Einleitung Im Rahmen eines Verbundprojektes zu neuen Produkten und zur Werkstoffentwicklung sollte der Einsatz von Holz in verschiedenen Produkttypen vergleichend bewertet werden. Ziele des hier beschriebenen Teilprojektes zu Holzbeton waren:

• die Verträglichkeit zwischen Zement und Holz unterschiedlicher Arten durch den Einsatz gezielt zusammengesetzter Bindemittel deutlich zu verbessern und damit den technologischen Prozess der Herstellung möglichst zu vereinfachen. Dabei sollten auch die Einsatzmöglichkeiten für frische, unbehandelte Sägespäne sowie geschredderte Resthölzer aus der Forstwirtschaft geprüft werden.

• Holzbetone mit einer plastischen bzw. weichen Konsistenz zu konzipieren und herzustellen und damit neue Anwendungsbereiche zu erschließen

• die Leistungsfähigkeit von Holz als Partikel, Hackschnitzel, Span etc. – als Verstärkungs- oder allgemein Funktionskomponente in mineralisch gebundenen Baustoffen zu beschreiben. Damit sollten Optimie-rungswege für die bestehenden Systeme und Chancen für neuartige Anwendungen eröffnet werden

• und - unter Erweiterung der im Antrag formulierten Ziele - einen extrusionsfähigen Holzbeton mit forstwirtschaftlichem Restholz für die Herstellung von Bauteilen und ganzen Häusern nach einer neuen angepaßten Extrusionstechnologie zu entwickeln. Hierzu wurde mit einem renommierten Holzfertighaushersteller zusammengearbeitet.

Grundsätzlich sollte der Ersatz endlicher mineralischer Rohstoffe durch den vermehrten Einsatz des nachwachsenden Rohstoffes Holz erfolgen. In Zusammenarbeit mit TP17 wurden zunächst Holzbetone für zwei Anwendungsbereiche entwickelt - für Außenwandelemente und für Innenräume als Decklage für Unterdecken (abgehängte Decken).

4 Stand der Forschung

4.1 Wissenschaftlich-technischer Stand

4.1.1 System Holz /mineralische Bindemittel Betone mit Portlandzement und unbehandelten Holzpartikeln erstarren und erhärten sehr langsam [Vai97, Ma00, Kri04, Gov05, Mos83, Jor04, Rof91, Sch90, Wei00, Lee86]. Verschiedene lösliche organische Verbindungen des Holzes wie z. B. Zucker (Galaktose, Arabinose, Sacharose, Fruktose) und Phenole verzögern die Hydratation des Portlandzementes [Ma00, Vai97, Sch91, Sim86, Bla94, Wei00, Lee86]. Holzart, geografische Lage, Abholzungssaison und Lagerungsdauer beeinflussen wesentlich die Anteile und die Zusammensetzung der wasserlöslichen Bestandteile des Holzes.

Im Allgemeinem verzögern die Hartholzpartikel die Erstarrung und Erhärtung des Portlandzementes wesentlich stärker als Weichhölzer [Mil91], was auf die Anwesenheit von löslichen Tanninen, Hemizellulose (Arabinogalaktan) und Zucker zurückzuführen ist. Hemizelulosen werden im Alkalimilieu, in Abhängigkeit von ihrer Alkalistabilität durch stufenweise Umwandlung und Abspaltung abgebaut. Dabei werden die Zuckereinheiten von den reduzierenden Enden der Polysacharidketten her als D-Glucoisosaccharinsäuren abgespalten. Die Abbauprodukte haben die gleiche inhibitorische Wirkung wie die monomeren Zucker [Sim86]. Nach [Bla94] beeinflussen organische Säuren wie Gerbsäure und Phenole nicht nur die Hydratation des Zementes, sondern greifen langsam den erhärteten Zementstein an, was zu geringeren Festigkeiten von zementgebundenen Holzspanplatten führt. Die Wirkung von Lignin hat nur einen geringen Einfluss auf die Erstarrung des Zementes [Wei00].

Verschiedene Holzarten unterscheiden sich bezüglich ihrer verzögernden Wirkung [Wei00, Lee86]. Die Nadelhölzer vertragen sich mit Zement besser als die Laubhölzer. Wei et al. [Wei00] haben den Einfluss von 28 Holzarten auf die Zementhydratation untersucht und nach ihrer verzögernden Wirkung in 3 Gruppen unterteilt. Danach sind die am wenigsten inhibierenden Spezies –

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verschiedene Fichten- und Eukalyptus-Arten u. a., die Spezies mit mittelstarker Verzögerung - Pappel, Kastanie, Esche, u.a., stark verzögernde Arten – Lärche, Mahagoni und bestimmte Eichensorten. Die Betone mit Partikeln aus Eiche, Birke, Douglasie, Lärche und Erle erreichen geringere Festigkeiten als die Betone mit Fichte oder Kiefer.

Hachmi et al. [Hac90] haben den Einfluss des pH-Werts und der Pufferkapazität von verschiedenen Holzsorten auf die Zementhydratation untersucht. Es wurde festgestellt, dass die Hölzer mit einem pH-Wert < 3,9 (Wasser/Holz = 10) die Hydratation noch im „akzeptablen“ Bereich stören, wobei die Hölzer mit einem pH > 4,9 als problematisch anzusehen sind.

Auch die Alterung und Art der Alterung des Holzes beeinflusst die Erhärtung der Holzbetone. Von Holzfäule befallenes Holz hemmt den Hydratationsprozess des Portlandzements [Wea67]. Das durch Blaupilze [Ceratocystis pilifera] [Dav66] oder durch Braunverfärbung pilzlicher Herkunft [Cytospora pini] [Rac83] angegriffene Holz beschleunigt den Hydratationsprozess der Holz-Zement-Mischung im Vergleich zu unverfärbtem Holz. Die Ursache dafür ist die Herabsetzung der löslichen Zucker des Holzes infolge ihres Verbrauchs durch die Pilze.

Miller et al [Mil91] haben den Einfluss von verschiedenen Holzbestandteilen auf die Festigkeitsentwicklung untersucht und festgestellt, dass die Zusätze bis zu 1 % von Zellulose, Lignin, Harzsäuren, Fettsäuren, Sterine und Terpene kaum einen negativen Einfluss auf die Festigkeit ausüben. Im Unterschied dazu beeinflusst die Glukose und, in geringerem Maße, Hemizellulose und Tannin die Festigkeiten negativ. Die Alkalität des Zementleims begünstigt die Auslaugung von Kohlenhydraten, was sich ebenfalls an den Festigkeiten widerspiegelt – mit steigendem Alkaligehalt der Zemente nehmen die Festigkeiten ab. Erhebliche Teile der im Holz vorhandenen Hemizellulosen (Polyosen) sind alkalilöslich. Die Herauslösung der Hemizellulosen führt zu einer erheblichen Minderung der Zugfestigkeit des Holzes [Rof91]. Auch die Zellulose erfährt in Anwesenheit von Alkali je nach Behandlungsbedingungen verschiedene, teilweise beträchtliche Veränderungen. Es ist nicht auszuschließen, dass bei Anwesenheit von Alkalien der Durchschnittspolymerisationswert verringert wird [Rof91].

Über die Ursache der zementverzögernden Wirkung gibt es noch keine einheitliche Auffassung. Hauptsächlich wird von einer „Schutzhaut“ ausgegangen, die sich auf den Klinkerphasen bildet, wodurch die weitere Zementhydratation blockiert wird [Sch90]. Dewitz et al. [Dew92] führen die Inhibition der Zementhydratation auf eine durch monomeren Zucker hervorgerufene erhöhte Calciumionenlöslichkeit zurück. Diese bewirkt eine vorzeitige Bildung von kalkarmen CSH-Phasen auf der C3S-Oberfläche, wodurch die weitere Hydratation des C3S blockiert wird. Die Hydratation des C3A wird ebenfalls verzögert, jedoch durch eine Adsorption der Inhibitoren an der Oberfläche. Dem entsprechend wird die Calciumionenlöslichkeit weniger verändert und die C3S-Hydratation weniger behindert. Dieser Vorgang sollte die Hydratation der C3A-reichen Zemente begünstigen. Nach Schwarz [Sch78] konnte dieser Effekt nur für Nadelholz bestätigt werden.

Govin et al [Gov06] haben festgestellt, dass durch den Zusatz von Holzpartikeln (Pappel) die Entstehung des Portlandits und der CSH-Phasen wesentlich verzögert wird. Dabei entsteht im früheren Hydratationsbereich vermehrt Calcit. Die thermische Behandlung der Holzpartikel bei 260 °C führt zu einer leichten Verstärkung des Verzögerungseffekts. Die Pappel-Partikel haben kaum einen Einfluss auf die Ettringitentstehung [Gov06]. Um die negativen Einflüsse der löslichen Bestandteile des Holzes auf die Hydratation des Zementes zu verringern oder zu eliminieren, wurde versucht, unterschiedliche Maßnahmen einzusetzen:

• Auswaschen der löslichen Bestandteile mit Wasser [Ma00, Sim84, Ras92]

• Verwendung von Zementbeschleunigern [Ma00, Lee86, Sem04] • Vorbehandlung (Lagerung, Fermentierung, Mineralisierung) der

Holzpartikel [Sim84, Sim87, Sem04] • Spezielle Behandlung der Zement-Holzpartikel-Kompositionen

(Wärmebehandlung, Heißpressverfahren, Nachbehandlung in MgCl2-Lösung) [Ma00, Sem04]

• Verwendung des Sorelzementes (Sim95, her).

Stand der Forschung P16 - 9

Das Auswaschen der löslichen Bestandteile aus Lärche mit heißem Wasser oder mit 1%iger NaOH-Lösung führt zu einer deutlichen Beschleunigung der Zementhydratation im Holzbeton [Mos83]. Das gleiche Prozedere an Kiefer-Partikeln, die wesentlich geringeren Einfluss auf die Zementerstarrung haben, verursacht bezüglich der Zementhydratation jedoch kaum Veränderungen. In diesem Fall sind für die Erstarrungsbeschleunigung noch weitere Zusatzmittel, wie CaCl2 oder NaOH notwendig [Mos83]. Nach [Ras92] ist das Auswaschen des Sägemehls mit heißem Wasser bezüglich einer verzögernden Wirkung des Holzes kaum effektiver als das Auswaschen mit kaltem Wasser.

Auswaschen ist teuer und führt zu mehr Produktion von Abwasser [Ma00]. Nach [Rof91] führt die Behandlung des Strohzellstoffs mit 1%iger NaOH-Lösung zu einer deutlichen Verbesserung der Biegezugfestigkeit von zementgebundenen Strohfaserplatten. Dies hängt offensichtlich damit zusammen, dass die Hemizellulosen in Zementfaserplatten die Hydratation bzw. die Erhärtung des Zements verzögern.

Nach [Sim87] lassen sich durch gezielten Kieselsäurezusatz nahezu alle Holzarten zu zementgebundenen Holzwerkstoffen verarbeiten. Die Festigkeiten von Spanplatten können verbessert werden, wenn bei der Herstellung zunächst Zement und Wasser zu einer Suspension verarbeitet und erst danach die Späne untergemischt werden. Dabei wird vermutet, dass die Holzinhaltstoffe geringere Störungen der Zementerhärtung verursachen, wenn vor dem Zusammentreffen von Zement und Holz die Hydratation des Zementes schon eingesetzt hat [Sim84].

Die Abholzungssaison hat ebenfalls Einfluss auf die Hydratation des Zementes. Im Frühling gefällte Hölzer sind für die Herstellung von zementgebundene Spanplatten ZSP am wenigsten geeignet [Sem04].

Die Trocknung bei höheren Temperaturen bis zu einer Restfeuchte von 2-4 M.-% hat bei Fichtenspänen keinen Einfluss auf die Festigkeiten, wobei die Trocknung an der Luft bis ca. 9-11 % Restfeuchte zur Erhöhung der Festigkeiten von zementgebundenen Spanplatten führt. Nach Meinung der Autoren kommt hier eine günstige Wirkung der Lagerung zum Tragen [Lan84, Sim84]

Wenn das Holz im Freien gelagert wird, werden inhibierende Stoffe, vornehmlich lösliche Kohlenhydrate abgebaut [Jor04, Sim87, Lan86]. Das Holz soll dabei ausreichend Feuchtigkeit enthalten und die Lagerungszeit soll nur so lange dauern, dass kein nennenswerter Holzabbau stattfindet. In der ehem. UdSSR wurden Birkenholz-Hackschnitzel mit einem Volumen bis zu 2 m³ während 60 Tagen gelagert, ehe sie zur Herstellung von zementgebundenen Leichtbauplatten verwendet wurden [Buk75]. Stammabschnitte dagegen sind mindestens 9 Monate zu lagern, ehe sie erfolgreich verarbeitet werden können [Sim87, fib].

Die Fermentation der Holzpartikel führt zur Abnahme des Zuckergehaltes, was sich positiv auf die Zementhydratation auswirkt [Jor04]. Die inhibierende Wirkung von wasserlöslichen Holzinhaltsstoffen kann durch das Aufbringen einer Sperrschicht auf die Holzoberfläche verhindert werden. Nach in [Sim87] zitierten Literaturquellen kann diese Sperrschicht aus Gips, der durch Zugabe von Aluminiumsulfat und Calciumchlorid entsteht, aus Öl oder Parafin, aus chlorierten Parafinen oder Phosphorsäureester bestehen.

Um die Zementhydratation zu beschleunigen, wird meistens zur Mischung Holz-Zement CaCl2 zugegeben [Sau99, Zhe85, Rof91]. Semple und Evans [Sem00] haben den Einfluss von insgesamt 137 (!) anorganischen Verbindungen auf die Hydratation des Zementes in Anwesenheit von Holzpartikeln (Acacia mangium) untersucht. Damit wurde der Einfluss von Anionen - Chloriden, Sulfaten, Nitraten, Acetaten, Karbonaten und Fluoriden sowie Kationen – Al, Ba, Ca, Co, Cr, Cu, Fe, K, Li, Mg, Mn, Na, Ni, Pb, und Zn erfasst. Es wurde festgestellt, dass viele Verbindungen effektiver als CaCl2 sind. Diese Verbindungen sind im kalten Wasser gut löslich und bestehen meistens aus Chloriden oder Nitraten wie SnCl4, AlCl3, (NH4)2Ce(NO3)6 und FeCl3. Sauvat et al. [Sau99] haben gute Ergebnisse bei Verwendung von CaCl2 und Aktivkohle erreicht. Mittels kalorimetrischer Untersuchungen stellten sie fest, dass CaCl2 hauptsächlich die Hydratation des C3A bewirkt, wobei Aktivkohle die Reaktion des C3S beeinflusst.

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Alle erwähnten Maßnahmen sind mit erheblichen zusätzlichen Kosten (Auswa-schen, Vorbehandlung, Nachbehandlung, Sorelzement), komplizierter Herstellungstechnik (Heißpressverfahren) oder Nachteilen für das Endprodukt verbunden: so kann CaCl2-Beschleuniger Korrosion von Stahlbefestigungs-mitteln verursachen. Einfluss des Bindmittels Mehrere Forscher haben den Einfluss der Zementart auf die Festigkeitsentwicklung der Holzbetone untersucht [Rof91, Sch90, Lan84, Lan86] und u.a. festgestellt, dass die Portlandzemente mit einem niedrigeren Alkaligehalt besser für die Herstellung der Holzbetone geeignet sind. Insbesondere die Anwendung eines Spezialzementes auf Sulfoaluminatbasis führte zu einem schnelleren Erstarren und Erhärten von damit hergestellten Holzbetonen [Sch90].

Roffael et al. [Rof91] haben die Alkalität der zementgebundenen Strohfaserplatten durch Einsatz von verschiedenen Bindemitteln variiert. Dabei wurde Portlandzement PZ 45 F (CEM I 42,5 R), Tonerdezement und eine Bindemittelkombination aus 75 % Hüttensand, 20 % Gips und 5 % Portlandzement (HGZ) verwendet. Dabei wurde festgestellt, dass der schwachalkalische Tonerdezement und das Bindemittel HGZ zu deutlich höheren Biegezugfestigkeiten führten als der stark alkalische PZ 45 F. Auch Simatupang et al. [Sim78] und Schubert et al. [Sch90] haben einen positiven Einfluss auf die Erstarrung bei Laubhölzern mit alkaliarmen Zementen festgestellt. Die positiven Ergebnisse bei Untersuchungen von Zementen unter Zusatz von amorpher Kieselsäure sind ein weiterer Hinweis darauf, dass sich Zemente mit niedrigem Alkaligehalt besser für das System Holz-Zement eignen. Nach Lange et al. [Lan86] beeinflusst die höhere Festigkeitsklasse der Zemente die Wechselwirkung Holz-Zement kaum. Die Festigkeitsklasse des Zementes hat für die Festigkeiten der Platten mit Fichtenspänen eine weitaus geringere Bedeutung als Zusatzmittel [Lan84].

Der Einsatz eines schnellerhärtenden Portlandzementes führte zu keiner Verbesserung der Verträglichkeit zwischen Zement und Holz [Sch90]. Die Hydratation des Schnellzementes auf Sulfoaluminat–Basis wurde im Gegenteil durch lösliche Holzbestandteile nicht verzögert [Sch90]. Nach [Lan88] wird bei diesem Spezialzement die Hydratation der dominierenden Klinkerphasen 3(CaO·Al2O3)·CaSO4, 2CaO·SiO2, 4CaO·Al2O3·Fe2O3 und CaSO4 nur unwesentlich beeinflusst, so dass dieser Zement sowohl für inhibitorarme als auch inhibitorreiche Holzarten geeignet scheint.

Nach [Gom70] konnten zementgebundene Holzspanplatten (Arbolit) durch Verwendung eines Belit-Zementes hergestellt werden.

Nach [Sim87] nehmen die Festigkeiten der zementgebundenen Spanplatten mit zunehmendem Alitgehalt im Zement deutlich zu, wenn Fichtenspäne eingesetzt wurden. Bei Einsatz von Buchenspänen wird ein Maximum der Festigkeiten bei relativ niedrigem C3S Gehalt von ca. 52 % beobachtet.

Gewisse Zusätze von Silikastaub (bis 40 %) und Trass (bis 15 %) können die Festigkeiten der ZSP verbessern [Sim87]. Dabei führt 50%iger Austausch des Zements durch Hüttensand zu einer wesentlichen Abnahme der Festigkeiten.

4.1.2 Eigenschaften von mineralisch gebundenen Holzwerkstoffen Nach [Sim92] ist der hohe Bindemittelgehalt ein wesentliches Kennzeichnen mineralisch gebundener Holzwerkstoffe. In Kunstharz-gebundenen Spanplatten beträgt der Bindemittelanteil etwa 8 %. Das Gewichtsverhältnis von Holzpartikeln zu anorganischem Bindemittel liegt im Bereich 0,1:1 bis 0,5:1. Je kleiner die Holzpartikel oder Fasern dabei sind, desto größere Anteile werden an anorganischem Bindemittel erforderlich.

In Tabelle 4.1 sind die Eigenschaften von einigen in Deutschland und Europa bekannten mineralisch gebundenen Holzwerkstoffen dargestellt.

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Tabelle 4.1 Eigenschaften von mineralisch gebundenen Holzwerkstoffen Eigenschaft Holzzementplatte

(Eternit Duripanel, Cetris Basic, Amroc-

Panel)

Holzwolle-Leichtbauplatten

(Heraklith, Fibrolith)

Holzbeton-schalungssteine

(Isospan, Brisolit, Durisol)

Bindemittelgehalt [Vol.-%] 25 - 38 n. b. 30 - 40

Wassergehalt [Vol.-%] 9 - 10 n. b. n. b.

Anteil Holzpartikel [Vol.-%] 52 - 63 n. b. n. b.

Form der Holzpartikel Späne Wolle Späne

Bindemittel Zement Magnesit, Zement

Zement

Zusatzmittel/Zusatzstoffe Mineralisationsmittel, Hydratationszusätze

Chloride Hydratations-zusätze

Vorbehandlung des Holzes

Mineralisierung, Vorlagerung

Vorlagerung, Tränkung in

Lauge

n. b.

Wasserzementwert w/z 0,24 – 0,4 n. b. n. b.

Wärmeleitfähigkeit λ (W/mK) 0,18 - 0,35 0,075 - 0,15 0,23

Wasserdampfdiffusions-widerstand µ (DIN 4108)

20/50 5/2 n. b.

Frostbeständig ja n. b. ja

Schallabsorption NRC (bzw. αw ) 0,04 - 0,05 0,4 - 0,45 (w =

0,35) n. b.

Bewertetes Schalldämmmass (R'w) 30 dB n. b. 47 dB

Baustoffklasse B1 - A2 B1 - A2 B2

Rohdichte (kg/m3) 1150 - 1450 400 - 450 550 - 700

Druckfestigkeit (N/mm2) 15 - 22 0,15 - 0,2 1,2 - 3,5

Biegezugfestigkeit (N/mm2) 7,5 - 9 0,4 - 1 0,9 - 1,2

E-Modul (N/mm2) 3500 - 8000 n. b. n. b.

Schwind- bzw. Quellmaß in Plattenebene

< 0,2%1)

< 0,15%2)n. b. n. b.

1) 30-80 % r.F. ; 2) bei 30 % rel. Luftfeuchteänderung; n.b. – nicht bekannt In Europa sind u.a. als Hersteller von Holzbetonen oder zementgebundenen Span- oder Holzfaserplatten die Firmen Durisol (CH), Isospan (A), Fibrolith (D), Brisolit (D), und Heraklith (D) bekannt (bri, dur, her, iso, fib). Die Erzeugnisse aus Holzbetonen werden hauptsächlich aus Mischungen mit einer erdfeuchten Konsistenz durch Pressen oder Rüttelpressen verdichtet.

Simatupang und Lange [Sim92] sortieren die mineralgebundenen Holzwerkstoffe in leichte oder poröse (ρ < 800 kg/m³), schwere oder dichte (ρ = 800-1300 kg/m³) und sehr schwere oder sehr dichte (ρ > 1300 kg/m³). Sarja [Sar88] klassifiziert die Holzbetone nach ihrer Rohdichte in 4 Klassen:

• zementgebundene Holzwolle mit 350 – 600 kg/m³. Holzpartikel: bis 80 mm lange Holzfasern. Anwendung: wärmedämmende und akustische Platten.

• zementgebundener Hackspan (wood chip cement) mit 400 - 600 kg/m³. Holzpartikel.: kurze Späne bis 20 mm Länge. Anwendung: Mantelsteine.

• zementgebundener Holzpartikel-Beton (wood particle cement) mit 1000 - 1200 kg/m³. Holzpartikel: kurze Späne bis 20 mm Länge. Platten für Innenwände, Innenbeplankung, Fußboden und Fassaden.

• Konstruktionsbetone mit Holzfasern mit 1200 - 2000 kg/m³. Holzpartikel: bis 30 mm Länge. Konstruktionswände, Fassadenelemente,

Nach [Sim92] gibt es folgende Herstellungsverfahren zur Produktion von zementgebundenen Holzwerkstoffen:

• Nassverfahren Meistens wird das Hatscheck-Verfahren angewendet. Der Faserplattenrohling wird unter hohem Druck (bis zu 20 MPa) verdichtet und dabei restliches Überschusswasser ausgepresst. Bei der Herstellung von zementgebundenen Holzwerkstoffen nach dem Nassverfahren werden meistens Lignozellulosefasern in Kombination mit Kunststofffasern oder alkaliresistenten Glasfasern eingesetzt.

P16 - 12

• Gießverfahren Bei diesem Verfahren bildet das Gemisch aus Holzpartikeln und Bindemittelkomponenten einen fließfähigen Brei, der zum Erstarren und Erhärten in Holzformen gegossen und dort durch Rütteln verdichtet wird. Wandelemente können als Zusatzstoff Sand und als Zusatzmittel Schaumbildner enthalten. Der Wasser/Bindemittelwert liegt beim Gießverfahren zwischen 0,6 und 0,8 [Sim92]. Ein kontinuierliches Verfahren wurde von Pletzer et al. [Ple76] vorgeschlagen, fand aber keine industrielle Anwendung.

• Halbtrockenverfahren Hier wird mit einem geringerem Wasser/Bindemittelwert von ca. 0,4 gearbeitet. Die mit Zementleim behafteten Holzspäne bilden ein streufähiges Gemisch und werden mit einem Druck von 1,5 bis 2,5 MPa verpresst. Zementgebundene Spanplatten erfordern eine Presszeit von 6 bis 8 Stunden, gipsgebundene von 2 bis 2,5 Stunden. Die zementgebundenen Spanplatten wurden 1966 von Elmendorf in Kalifornien entwickelt. Die erste Anlage entstand in Japan. Im Jahr 1992 gab es auf der Welt 40 Anlagen [Sim92].

Folgende Parameter beeinflussen die Eigenschaften von zementgebundenen Holzwerkstoffen:

• Art des Holzes und seine chemischen und physikalischen Eigenschaften

• Partikelgrößenverteilung und Partikelgeometrie • Zementtyp und Zusatzmittel • Wasser-Zement und Holz-Zement Verhältnis • Nachbehandlungstemperatur

Je länger und dünner die Späne sind, desto fester, dimensionsstabiler und dichter sind die Platten [Bad88].

Gong et al. [Gon] berichten über Versuche, aus ca. 21 Jahre altem, mit einem Holzschutzmittel (Kupfer-Chrom-Arsenat) behandelten Holz, zementgebundene Proben herzustellen. Das Holz wurde vorher auf eine Partikelgröße von 2 bis 8 mm Länge und ca. 1 mm Breite zerkleinert. Aus den befeuchteten Holzpartikel-Zementmischungen (Zement/Holz = 1,0 und 1,5) wurden mittels 24stündigem Pressvorgang 35 mm-Platten hergestellt und anschließend bis 28 d bei Raumtemperatur gelagert. Die Druckfestigkeiten der Proben waren von der Prüfkörperform, Messrichtung und vom Z/H-Verhältnis abhängig. Die höchsten gemessenen Festigkeiten lagen bei ca. 17 MPa Spanplatten Bei der Herstellung von zementgebundenen Holzspanplatten werden zunächst die abgewogenen Holzspäne mit einer bestimmten Menge Wasser getränkt, das ggf. ein gelöstes Zusatzmittel zur Beschleunigung der Zementerhärtung enthält. Erst anschließend wird den feuchten Spänen das Bindemittel in trockener Form zugegeben [Sim84].

Bei der Herstellung von zementgebundenen Spanplatten ist es technologisch notwendig, die geformten Platten bestimmte Zeit unter Druck zu halten, um eine ausreichende Haftung zwischen den Holzpartikeln zu erreichen (clamping). Dieses Prozedere dauert meistens zwischen 8 und 24 h (Jor04). Die Presszeiten können durch Einführung von CO2 in die Zement-Holz-Mischung reduziert werden. Auch die Kompatibilität zwischen Holz und Zement verbessert sich deutlich bei Anwesenheit von CO2-Gas [Gei92, Sim92]. Allerdings kann das Erreichen einer homogenen Verteilung des CO2-Gases in einem Erzeugnis technisch problematisch sein. Als Alternative können die Salze der Karbonsäure wie Ammonium-, Natrium-, oder Kaliumcarbonat eingesetzt werden. Damit können die Presszeiten auf 15 min bei 85 °C reduziert werden [Sim95, Sim92]. Die Behandlung mit superkritischem CO2 ist eine weitere Methode, um die zementgebundenen Holzspanplatten mit verbesserten Eigenschaften zu produzieren [Her00, Her01]. Die vermehrte Entstehung von Hydrosilikaten und Calciumcarbonat, die gute Verzahnung zwischen Hydratationsprodukten und Holzpartikeln sind die Ursache für die vorteilhaften Eigenschaften der mit superkritischem CO2-behandelten Platten (Her01). Die Presszeiten können durch Verwendung von Zusätzen wie z.B. K2CO3, NaHCO3 oder Na2SiO3 mit Beschleunigern wie MgCl2, CaCl2, AlCl3 und NH4Cl

Stand der Forschung P16 - 13

verkürzt werden. Auch die Verwendung eines Komposit-Bindemittels aus 72 M.-% CEM I, 16 M.-% Tonerdezement und 12 M.-% β-Halbhydrat Gips wirkt sich positiv auf Festigkeitsentwicklung aus [Sim92]. Der Zusatz von Microsilica, insbesondere in Kombination mit Na2SiO3 [Nag96] oder eines Gels aus Wasserglas und Aluminiumsulfat [Kat01] führt zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von zementgebundenen Spanplatten. Der Zusatz von Mikrosilica und anschließende Autoklavbehandlung verbessern außerdem das Schwindverhalten der Spanlatten. Dies ist nach Meinung der Autoren [Nag96] auf die Elimination des Ettringites durch die Autoklavbehandlung zurückzuführen.

Die Erhärtung der zementgebundenen Spanplatten kann auch durch Zusatz von Isocyanat-Harz verbessert werden [Eus93].

Zusätze von Flugasche bis zu 30 M.-% zeigen keinen deutlich negativen Einfluss auf die Festigkeiten der zementgebundenen Spanplatten [Mil89]. Mauersteine Nach [Sar88] werden die Mauersteine und Blocks aus Holzbeton mit einer Rohdichte von 400-600 kg/m³ hergestellt. Die Betonmischung mit einem w/z-Wert von 0,8 - 1,0 wird unter einem Pressdruck von 0,15 MPa in einer Form kompaktiert und anschließend unter Druck 1 Tag gelagert. Anschließend werden die Erzeugnisse ausgeformt und zwei Wochen unter warmen und feuchten Bedingungen weiter gelagert. Der Erhärtungsprozess kann durch Verwendung eines Feinstzementes oder durch eine Wärmebehandlung beschleunigt werden. Vor der Auslieferung werden die Mauersteine getrocknet. Rashwan et al. [Ras92] haben den Einfluss von Restholzpartikeln auf die Eigenschaften von Mauersteinen untersucht. Dabei wurde in den Rezepturen von Leichtbausteinen üblicher Zusammensetzung (6,5 Vol.-% Zement, 75 Vol.-% Leichtzuschlag und 18,5 Vol.-% Sand) ein Teil des Leichtzuschlages durch Sägemehl und ggf. Sand ersetzt.

Ziele dieser Untersuchungen waren: 1) Entwicklung einer effektiven Methode für die Vorbehandlung des Holzes in Hinsicht auf bessere Verträglichkeit mit Zement; 2) Festlegung der Mischungszusammensetzung für die Gewährleistung einer ausreichenden Festigkeit; 3) Wahl des am besten geeigneten Hydratationsbeschleunigers für das System Zement-Holz.

Für die Herstellung der Mauersteine wurde das Sägemehl mit heißem oder kaltem Wasser gewaschen. Weiterhin wurde der Einfluss von Erhärtungsbeschleuniger Diethylamin (7,5 % bez. auf Zement) allein oder in Kombination mit CaCl2, MgCl2, FeCl2 und Na2S untersucht. Die besten Ergebnisse wurden bei Verwendung von CaCl2 erreicht.

Für die Versuche im Werk wurden als Bindemittel Zement-Flugasche-Mischungen verwendet. Bei einigen Mischungen, insbesondere mit gröberem Sägemehl (notch saw dust), wurden eine Rissbildung nach Formgebung (Kompaktierung) festgestellt. Der Autor führt die Ursache der Rissbildung hauptsächlich auf die Elastizität des Sägemehls und dessen Expansion nach der Kompaktierung zurück. Es wurde festgestellt, dass je feiner die Holzpartikel sind, desto höhere Festigkeiten erreicht werden können. Nachbehandlung, Wärmebehandlung Nach Kats [Kat01] ist es sinnvoll, eine Wärmebehandlung zementgebundener Holzspanplatten bei Temperaturen ≤ 50 °C durchzuführen. Höhere Behandlungstemperaturen können zur Minderung der Endfestigkeiten führen. Eine Wärmebehandlung zu Beginn der Erhärtungsphase ist für die Festigkeit der Platten aus Fichtenspänen schädlich [Sim84].

Nach [Jor04] haben die zementgebundenen Spanplatten im Vergleich mit harzgebundenen Spanplatten folgende Vorteile:

• höhere Beständigkeit gegen natürliche Wetterbedingungen • höhere Dimensionsstabilität • höherer Brandwiderstand • hoher Widerstand gegen Bioabbau (Pilze)

P16 - 14

Festigkeiten

Die Festigkeiten von Holzbetonen sind hauptsächlich von der Rohdichte des Betons abhängig (siehe Abbildungen 4.1 und 4.2)

Abb. 4.1 Biegezugfestigkeit der Holzbetone in Abhängigkeit von der Rohdichte. Lagerungsfeuchte 40 % r.F. (nach Sarja [Sar88])

0

2

4

6

8

10

12

14

16

600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Rohdichte [kg/m³]

Dru

ckfe

stig

keit

[MP

a]

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Rohdichte [kg/m³]

Bieg

ezug

fest

igke

it [M

Pa]

Abb. 4.2 Druckfestigkeit der Holzbetone in Abhängigkeit von der Rohdichte. Lagerungsfeuchte 40 %. (nach Sarja [Sar88])

Schwinden und Quellen

Fan et al. [Fan99] haben das Quell- und Schwindverhalten von zementgebundenen Holzspanplatten und von Zementpasten untersucht. Es wurde festgestellt, dass die Trends der Dimensionsänderungen der Holzspanplatten mit denen des Zementsteines vergleichbar waren, wobei absolute Werte in Abhängigkeit von den Lagerungsbedingungen weniger oder mehr bemerkbare Unterschiede zeigten. Die Anwesenheit der Holzpartikel beschleunigte die Carbonatisierung des Zementsteines. Nach Meinung der Autoren verursachte diese beschleunigte Carbonatisierung des Zementsteines zusätzliche Spannungen (on the wood chips) und führte daher zu wesentlich höherem Schwinden der zementgebundenen Holzspanplatten bei Lagerung in Normklima. Auch beim Wechsel der relativen Luftfeuchtigkeiten zeigten die Platten höhere Dimensionsänderungen im Vergleich zu Proben aus Zementstein [Fan99]. Nach [Lan86] beruht die relativ geringe Dimensionsstabilität der zementgebundenen Spanplatten im Vergleich zu der des Betons auf folgenden Gründen:

• Der Zementgehalt in zementgebundenen Spanplatten ist mit ca. 700 kg/m³ etwa doppelt so hoch, wie für übliche Betone.

• Der E-Modul des Holzes liegt etwa um einen Faktor 10 niedriger als der von üblichen Betonzuschlägen und ist in der Regel auch niedriger als der E-Modul des Zementsteines.

Untersuchungsmethoden P16 - 15

Die Holz-Zement-Kompositmaterialien weisen relativ hohes Quellen und Schwinden auf. Der Wasserübergang zwischen Holzpartikeln und Zementstein kann durch die Hydrophobierung der Holzpartikel reduziert werden. Die besten Ergebnisse wurden mit Polyethylenglycol erreicht, jedoch ist die Verwendung von Bitumen und Mineralölrückständen eine günstigere Lösung [Mou95]. Nach in [Brö74] zitierten Literaturquellen kann die Dimensionsstabilität durch das Aussieben von mehligen Spänen verbessert werden. Zusätze von Silikastaub vermindern das Schwindverhalten von ZSP [Sim87].

Nach [Sar88] nimmt das Schwinden des Holzbetons mit zunehmender Rohdichte ab (Abb. 4.3).

Der w/z-Wert beeinflusst das Schwindverhalten ebenso.

Abb. 4.3 Schwindverhalten von Holzbetonen in Abhängigkeit von der Betonrohdichte und

relativer Feuchtigkeit der Umgebung (nach [Sar88]) Dauerhaftigkeit

Nach [Goo97] sind die Zement-Holz-Komposite viel widerstandsfähiger gegen Verfaulung als Holz und können deswegen gut unter Außenbedingungen genutzt werden. Während des Verfaulungsprozesses kontrollieren die Pilze den pH-Wert und bestimmte Pilzarten (brown-rot fungi) können in Mikrobereichen den pH-Wert unter 2 senken und damit Zellulose zersetzen. Ein hoher pH-Wert des Zementsteines führt zur Verhinderung dieses Prozesses.

Eine weitere, ausführlichere Übersicht über die physikalisch-technischen Eigenschaften des Holzbetons ist im Bericht des Teilprojekts 17 dargestellt.

5 Untersuchungsmethoden

5.1 Mineralogische Untersuchungen Die mineralogische Zusammensetzung der Bindemittel wurde mittels Röntgendiffraktometrie ermittelt. Dabei wurde ein Diffraktometer XRD 3003TT der Firma GE Inspection Technologies Ahrensburg GmbH & Co. KG eingesetzt. Für die Messungen wurde eine Cu-Langfeinfocusröhre bei 40 kV und 40 mA verwendet. Die Messungen wurden in einem Messbereich von 5 bis 60° 2Theta bei einer Schrittweite von 0,025° und einer Zählzeit von 6 Sekunden pro Schritt durchgeführt.

Die Verfolgung der Mineralphasenänderungen während der Hydratation von Bindemittelleimen mit und ohne Holzpartilel wurde in situ durch Verwendung eines ortsempfindlichen Detektors durchgeführt.

Die Quantifizierung des Mineralbestandes der Bindemittel wurde mit der Rietveldmethode durchgeführt. Für die Quantifizierung wurde das Programm Autoquan (GE Inspection Technologies Ahrensburg GmbH & Co. KG) genutzt.

P16 - 16

Die rasterelektronmikroskopischen und mikroanalytischen Untersuchungen wurden mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) mit angeschlossener Energie-dispersiver Röntgenmikroanalyse durchgeführt. Vor den Untersuchungen wurden die Proben bei 50 °C getrocknet und mit Gold bedampft. 5.2 Chemische Untersuchungen Die chemischen Untersuchungen an den Bindemitteln wurden vorwiegend mit der Röntgenfluoreszenzanalyse durchgeführt. Die Anteile an K2O und Na2O wurden nach DIN EN 196-21 mit einem optischen Emissionsspektrometer mit induktionsgekoppeltem Plasma bestimmt.

Für die Porenlösungsuntersuchungen wurden aus Bindemittelpasten und Holzbetonen die Lösungen mit einer Presse unter Verwendung von 16 MPa Pressdruck nach bestimmten Hydratationszeiten ausgepresst.

In den Porenlösungen wurden die Na-, K-, Ca-, Al-, Si-, SO4-, TOC-Konzentrationen und die pH-Werte ermittelt. Für die Berechnung des pH-Wertes wurden die OH--Konzentration durch Säure-Base-Titration gegen den Farbindikator Neutralrot ermittelt. Die restlichen Ionenkonzentrationen wurden mittels ICP OES (optische Emissionsspektroskopie mit gekoppelter Plasmaanregung; Gerät Jobin Yvon, Ultima 2) bestimmt. Mit einem LECO-Gerät wurde der organisch gebundene Kohlenstof (TOC) ermittelt.

5.3 Physikalische Untersuchungen Die Dichte der Bindemittel wurde mit dem Heliumpyknometer AccuPyc 1330 der Firma Micromeritics ermittelt. Die Bestimmung der spezifischen Oberfläche erfolgte mit dem Luftdurchlässigkeitsverfahren (Blaine) nach DIN EN 196-6 Prüfverfahren für Zement, Teil 6 Bestimmung der Mahlfeinheit, Ausgabe 2005-05. Die Korngrößenverteilung der Holzspäne wurde durch Trockensiebung in Anlehnung an DIN 66165-2 Partikelgrößenanalyse, Teil 2 Siebanalyse; Durchführung durchgeführt.

5.4 Mörteltechnische bzw. betontechnische Untersuchungen Die Herstellung von Holzbetonen erfolgte hauptsächlich in einem Mörtelmischer nach DIN EN 196-1 Prüfverfahren für Zement, Teil 1 Bestimmung der Festigkeit, Ausgabe 2005-05. Die größeren Betonmengen wurden in einem 25 l Betonzwangsmischer oder in einem 40 l Eirich-Mischer hergestellt.

Die Bestimmung des Ausbreitmaßes erfolgte nach DIN EN 1015-3 Prüfverfahren für Mörtel für Mauerwerk, Teil 3: Bestimmung der Konsistenz von Frischmörtel und nach DIN EN 12350-5 Prüfung von Frischbeton – Teil 5: Ausbreitmaß, Ausgabe 2004-06.

Die Bestimmung der Frischbetonrohdichte und des Luftporengehaltes erfolgte nach DIN EN 1015-6 Prüfverfahren für Mörtel für Mauerwerk, Teil 6: Bestimmung der Rohdichte von Frischmörtel, Ausgabe1998-12 und nach DIN EN 1015-7 Prüfverfahren für Mörtel für Mauerwerk, Teil 7: Bestimmung des Luftgehaltes von Frischmörtel, Ausgabe 1998-12.

Das Erstarrungsverhalten wurde in Anlehnung an das DIN EN 196-3 Prüfverfahren für Zement – Teil 3: Bestimmung der Erstarrungszeiten und der Raumbeständigkeit, Ausgabe 2005-05 ermittelt. Abweichend von der Norm wurde die Erstarrung an Zementleim mit Holzpartikeln ermittelt, was die Genauigkeit des Verfahrens beeinträchtigte.

Für die Festigkeitsbestimmung wurden Holzbetonprismen 40x40x160 mm³ und 100x100x100 mm³ Würfel hergestellt und bis zur Prüfung hauptsächlich bei 20 °C und >95 % r.F. gelagert. An einigen Betonen wurde eine Wärmebehandlung bei 60 bzw. 80 °C durchgeführt. Die Festigkeitsbestimmung erfolgte nach DIN EN 196-1 Prüfverfahren für Zement, Teil 1: Bestimmung der Festigkeit, Ausgabe 2005-05 (Prismen) und nach DIN EN 12390-3, Prüfung von Festbeton, Teil 3: Druckfestigkeit von Probekörpern, Ausgabe 2002-04 (Würfel).

Ausgangsmaterialien P16 - 17

Die Lagerung und Festigkeitsprüfung der Betone mit Gips erfolgte nach DIN EN 13279 Gipsbinder und Gipstrockenmörtel, Teil 2: Prüfverfahren, Ausgabe 2004-10.

Für die Bestimmung des Schwind- und Quellverhaltens wurden Holzbetonprismen mit den Abmessungen 40x40x160 mm³ bzw. Bindemittelflachprismen mit den Abmessungen 10x40x160 mm³ mit Messzapfen an den Stirnseiten hergestellt. Die Bestimmung der Längenänderungen erfolgte nach DIN 52450, Prüfung anorganischer nichtmetallischer Baustoffe, Bestimung des Schwindens und Quellens an kleinen Probekörpern, Ausgabe 1985-08.

6 Ausgangsmaterialien

6.1 Bindemittel, Zusatzstoffe und Zusatzmittel Für die Untersuchungen wurden eine Reihe von Bindemitteln, Zusatzstoffen und Zusatzmitteln verwendet. Die Bindemittel wurden aufgrund der Vorkenntnisse über ihre Verträglichkeit mit Holz ausgewählt. In Tabelle 6.1 sind alle verwendeten Bindemittel, deren Besonderheiten und eine Auswahlbegründung aufgeführt. Tabelle 6.1 Verwendete Bindemittel

Bindemittel (Bezeich-nung)

Besonderheiten Begründung der Auswahl (Vorüberlegungen)

CEM I 32,5 R (Z1)

mit 1,1 M.-% Na2Oäq

Portlandzement üblicher Zusammensetzung (Ver-gleichszement)

CEM I 32,5 R NA (Z2)

mit 0,5 M.-% Na2O äq

Portlandzement mit niedrigem Alkaligehalt. Gemäß Literatur verbessert die Absenkung des pH-Werts des Zementleims die Verträglichkeit mit Holz

CEM I 52,5 R HS (Z3)

Hohe Festigkeits-klasse, niedriger C3A-Gehalt

Schnellere Festigkeitsentwicklung ist zu erwarten

CEM III/B 32,5 R (CIII/B) (Z4)

mit 66-85 M.-% Hüttensand

Niedrige Alkaligehalte, Hüttensand als Hauptkomponente des Bindemittels

CEM III/C 32,5 CIII/C (Z5)

mit 86-95 % Hüttensand

Niedrige Alkaligehalte, Hüttensand als Hauptkomponente des Bindemittels

Sulfathütten-zement (Z6)

Hydratation des Hüttensandes durch Sulfatanregung

Keine Erkenntnisse über Hydratation von Sulfathüttenzementen in Anwesenheit von Holzpartikeln vorhanden

Schnell-zemente CEM I 32,5 R SE Werk A (Z7), CEM I 32,5 R SE Werk B (Z8) CEM I 42,5 R SE Werk C (Z9)

Portlandze-mente mit sehr niedrigem Sulfatgehalt

Die Erstarrung des Zementes erfolgt durch Entstehung von Calciumaluminathydrat-Phasen, dieser Zement sollte weniger empfindlich auf die löslichen Holzbestandteile reagieren

Schnell-zement S55 (Z10)

Schnellzement mit 12/7 Calci-umaluminat C12A7 bzw. C11A7.CaF2

Erstarrung und Erhärtung des Zementes im frühen Hydratationsbereich erfolgt durch Ettringitentstehung - anders als bei der Hydratation des Portlandzementes

Schnell-zement S45 (Z11)

Schnellzement mit 12/7 Calci-umaluminat C12A7 bzw. C11A7.CaF2

Unterscheidet sich von Z10 durch schnelleres Erstarren

Gips (α-Halbhydrat) (G)

Geringerer Wasseranspruch und höhere Festigkeiten als β-Halbhydrats

Der Erstarrung und Erhärtung erfolgt durch Kristallisation des Gips-Dihydrates. Es ist keine wesentliche Hydratationsverzögerung durch lösliche Holzbestandteile zu erwarten.

P16 - 18

Bindemittel (Bezeich-nung)

Besonderheiten Begründung der Auswahl (Vorüberlegungen)

Anhydrit-binder (A)

Anregung mit K2SO4, höhere Festigkeiten als die des Halbhydrat-Gipses

Der Einfluss des Holzes auf die Hydratatation des mit Kaliumsulfat angeregten Anhydrits ist nicht bekannt.

Wasserglas (W)

Lösung des Natriumsilikats

In den Zusammensetzungen Kieselsäure+Natriumoxid/Kaliumoxid als Wasserglas oder Kaliwasserglas sind oberflächlichle Verkieselungen von Holzbauteilen im Brandschutz bekannt. Hier werden auch die bindemitteltechnischen Eigenschaften des Wasserglases geprüft.

Spezial-bindemittel (Sp)

Besteht aus 50 M.-% Hütten-sand, 40 M.-% α-Gips-Halbhyd-rat, 5 M.-% CEM I 32,5 R und 5 M.% Flugasche

In dieser Spezialbindemittelmischung soll jede Komponente eine eigene Funktion erfüllen:

• Gips - für rasche Erstarrung, ausreichende Frühfestigkeiten und sulfatische Anregung des Hüttensandes

• Portlandzement für alkalische Anregung des Hüttensandes und eigenen Festigkeitsbeitrag

• Flugasche als puzzolanische Komponente zur Bindung des Portlandits und damit Vermeidung der späteren Ettringitbildung

Hüttensand als latenthydraulische Komponente für die spätere Festigkeitsentwicklung und ggf. erhöhte Wasserbeständigkeit des gipshaltigen Betons

Geopolymerzement (Geo)

Metakaolin mit alkalischer Anregung

Die Hydratation, Erstarrung und Erhärtung eines Geopolymerzementes in Anwesenheit von Holzpartikeln ist nicht bekannt

Die chemische Zusammensetzung und die physikalischen Kennwerte der Zemente sind in den Tabellen 6.2 und 6.3 dargestellt. Tabelle 6.2 Chemische und mineralogische Zusammensetzung der verwendeten Portland-

und Hochofenzemente

Bestandteil Einheit Zemente

Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 SiO21) 20,10 19,92 21,0 29,50 34,28 Al2O31) 4,18 5,36 3,42 9,39 11,61 Fe2O31) 2,54 2,81 5,23 1,33 1,55 TiO21) 0,17 0,27 0,22 0,41 0,52 CaO1) 64,14 64,55 66,20 47,10 42,70 MgO1) 1,42 1,17 0,79 6,55 5,32 Mn2O31) 0,25 0,05 0,04 0,19 0,45 SO31) 3,03 3,05 1,93 3,22 2,83 K2O2) 0,86 0,57 0,38 0,73 0,40 Na2O2) 0,29 0,18 0,19 0,30 0,34 Cl2) 0,02 0,02 0,01 0,03 0,02 GV3) 2,90 1,98 0,60 n.b. n.b. Na2Oeq 0,86 0,56 0,44 0,78 0,60 C3S5) 68,0 62,7 73,9 n.b. n.b. C2S5) 6,3 9,8 4,4 n.b. n.b. C3A5) 6,8 9,5 0,21 n.b. n.b. C4AF5)

M.-%

7,7 8,6 15,91 n.b. n.b. Dichte [g/cm³] 3,15 3,15 3,21 3,00 2,94 Osp4) [cm²/g] 3300 3450 4850 4010 4420 1) mittels RFA bestimmt; 2) nach DIN EN 196-2; 3) Glühverlust; 4) spezifische Oberfläche nach Blaine; 5) Berechnung nach Bogue Z1 = CEM I 32,5 R, mittlerer Alkaligehalt Z2 = CEM I 32,5 R NA, niedriger Alkaligehalt Z3 = CEM I 52,5 R NA-HS, niedriger Alkaligehalt, C3A-arm, hohe Festigkeitsklasse Z4 = CEM III/B 42,5 N, Hochofenzement, Hüttensandgehalt 66-80 M.-% Z5 = CEM III/C 32,5 N, Hochofenzement, Hüttensandgehalt 81-95 M.-%

Ausgangsmaterialien P16 - 19

Tabelle 6.3 Chemische und mineralogische Zusammensetzung der verwendeten Schnellzemente

Bestandteil

Einheit Zement

Z7 Z8 Z9 Z10 Z11 SiO21) 21,11 20,23 21,27 16,35 15,92 Al2O31) 5,4 5,65 5,95 8,25 9,12 Fe2O31) 3,02 3,19 3,02 1,26 1,02 TiO21) 0,29 0,29 0,30 0,32 0,29 CaO1) 63,88 63,56 66,40 57,23 57,89 MgO1) 2,79 2,46 1,27 3,26 3,30 Mn2O31) 0,10 0,06 0,06 0,03 0,03 SO31) 1,67 0,69 2,58 7,78 7,61 K2O2) 0,71 0,74 0,53 0,68 0,65 Na2O2) 0,30 0,53 0,22 0,81 0,78 Cl2) 0,01 0,02 0,03 0,01 0,02 GV3) 0,40 0,73 0,62 3,10 2,95 Na2Oeq 0,77 1,02 0,57 1,26 1,21 C3S5) 58,12 53,72 67,10 42,70 43,34 C2S5) 19,46 16,16 12,64 14,65 14,20 C3A5) 3,85 6,55 6,11 9,02 8,02 C4AF5) 15,58 15,34 11,67 9,28 8,65 C11A7CaF25) n.n n.n. n.n. 8,90 10,03 Anhydrit 5) 1,56 2,46 1,36 7,08 6,90 Calcit5)

M.-%

1,63 6,67 n.n. 5,56 4,34 Dichte [g/cm³] 3,15 3,15 3,21 3,01 3,01 Osp4) [cm²/g] 3300 2750 4840 4200 5100 1) mittels RFA bestimmt; 2) nach DIN EN 196-2; 3) Glühverlust; 4) spezifische Oberfläche nach Blaine; 5) mittels Röntgenbeugung; n.n.-nicht nachweisbar Z7, Z8 = Schnellzemente CEM I 32,5 R SE, Werk A und Werk B Z9 = Schnellzement CEM I 42,5 R SE, Werk C Z10 = Schnellzement S55 mit 12/7 Calciumaluminat Z11 = Schnellzement S45 mit 12/7 Calciumaluminat, sehr schnell erstarrend

Für eine mögliche Verbesserung bzw. Modifizierung der Holzbetoneigenschaften wurden einige Zusatzstoffe und Zusatzmittel eingesetzt (siehe Tabelle 6.4). Tabelle 6.4 Verwendete Zusatzstoffe und Zusatzmittel

Bindemittel (Bezeich-nung)

Besonderheiten Begründung der Auswahl (Vorüberlegungen)

Flugasche nach DIN EN 450

keine Eine puzzolanische Reaktion sollte zu höheren Festigkeiten des Zementsteins nach einer längeren Lagerungsdauer führen

Latent-wärme-speicher (PCM)

gekapselte Parafinpartikel mit Schmelzpunkt um 23 °C

Zu Erhöhung des Wärmekapazitäts der Holzbetone

Beton-verflüssiger FM

auf Polycar-boxylat-Basis, ermöglicht hohe Frühfestigkeiten

Für Reduzierung des Wasser/Zement-Wertes und Erhöhung der Festigkeiten des Zementsteines

Beton-verflüssiger G 51 und GS 503

auf Polycar-boxylat-basis, Hochleistungs-verflüssiger für Betonfertigteile

Für Reduzierung des Wasser/Zement-Wertes und Erhöhung der Festigkeiten des Zementsteines

Beton-verflüssiger ML

auf Naphtalin-sulfonat-Basis

Für Reduzierung des Wasser/Zement-Wertes und Erhöhung der Festigkeiten des Zementsteines

Luftporen-bildner Mischöl LP 71

Naturharzseife Zur Erhöhung des Luftporengehalts im Holzbeton

Schaum-bildner 285 SB

Anionisches Tensid

Zur Erhöhung des Luftporengehalts im Holzbeton

P16 - 20

6.2 Holzpartikel Für die Untersuchungen wurden Holzspäne und Hackschnitzel aus vier Säge-werken und zerkleinertes Restholz aus einem Forstbetrieb verwendet. Die während der Bearbeitung des Holzes mit einer Kreissäge entstandenen Buchenspäne wurden von der Fa. Hamberger Industriewerke GmbH in Rosenheim zur Verfügung gestellt. Die Nadelholzspäne bzw. Nadelholzhackschnitzel (hauptsächlich Fichte) wurden von den Firmen Holzwerke Pröbstl GmbH (Fuchstal-Asch), Gebrüder Suttner oHG Säge- und Hobelwerk (Dietramszell/Obb.), Lämmle Holzverarbeitungs GmbH (Rot a.d. Rot-Zell) bereitgestellt. Das zerkleinerte Restholz wurde von der Fa. Baufritz in Erkheim zur Verfügung gestellt (siehe Abbildungen 6.1 bis 6.3).

Ein Teil der feuchten Holzpartikel wurde unter natürlichen Bedingungen bis auf ca. 20-27 % Restfeuchte getrocknet. Bis zu den Untersuchungen wurden die Späne unter Luftabschluss bei niedrigen Temperaturen (

Untersuchungsergebnisse P16 - 21

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 5 10 15 20

Partikelgröße [mm]

Sie

bdur

chga

ng [M

.-%]

R-GR-FR-SF

Abb. 6.2 Partikelgrößenverteilung des forstwirtschaftlichen Restholzes (R-G – Restholz

grob; R-F – Restholz fein; R-SF – Restholz sehr fein)

Abb. 6.3 Sägespäne, Hackschnitzel und Restholz

HK F1 F2

R-G Bu

7 Untersuchungsergebnisse

7.1 Einfluss von verschiedenen Bindemitteln auf den Hydratationsverlauf, das Erstarren und die Festigkeitsentwicklung von Holzbetonen

7.1.1 Holzbetone mit Zementen nach DIN EN 197 Für die Herstellung von Holzbetonen mit einer plastischen Konsistenz wurde das Verhältnis Holz (trocken) zu Zement von 0,18 bis 0,33 variiert. Dies entsprach Trockenholzgehalten in der Mischung Zement-Holzspäne zwischen 15 und 25 M.-%. Der Wassergehalt der Betone wurde zum Erreichen einer plastischen Konsistenz variiert. Der Zement- und Holzspänegehalt pro m³ Beton war vom Luftporengehalt im Beton abhängig.

Bei der Herstellung von Frischbetonen wurde zunächst der Einfluss der Betonzusammensetzung auf die Verarbeitbarkeit untersucht. Als Zielkonsistenz wurde eine plastische Betonkonsistenz gewählt, was etwa 13 - 15 cm Ausbreitmaß (Hägermann Konus, DIN EN 459-2) entspricht. Die Herstellung der Mischungen erfolgte in einem Mörtelmischer in Anlehnung an DIN EN 196-1 mit geringerer Mischgeschwindigkeit. Die gesamte Mischdauer betrug 3 min. Zunächst wurde bei der Herstellung des Holzbetons Wasser zu den Spänen gegeben und dann Zement. Diese Mischreihenfolge wurde von Gliniorz (Gli00) für die Herstellung von Holzbetonen empfohlen. Nach (Gli00) führt die Wasserzugabe zur Span-Zement-Mischung zu einer Entmischung zwischen dem Zementbindemittel und den Spänen und zur Bildung von Zementagglomeraten.

P16 - 22

Durch unsere zahlreichen Untersuchungen konnten diese Effekte allerdings nicht bestätigt werden. Im Gegenteil, die Vermischung des Zementes zunächst mit den Spänen und anschließender Wasserzugabe, erlaubte es, den w/z-Wert für die vorgesehene Betonkonsistenz deutlich zu senken (Abb. 7.1). Deswegen wurde diese Mischreihenfolge für alle Holzbetonmischungen beibehalten. Die genaue Vorgehensweise des Mischprozesses ist der Tabelle 7.1 zu entnehmen. Mit einem zunehmenden Holz/Zement-Verhältnis nahm der für die gleiche Konsistenz erforderliche w/z- und w/zeff-Wert des Holzbetons zu. (w/zeff – ist der Wasser/Zement-Wert des Leimes, berechnet aus der Annahme, dass Holz ca. 120 % Wasser bez. auf trockenes Holz aufnimmt).

Es wurde festgestellt, dass die mit Nadelholzspänen F1 hergestellten Holzbetone wesentlich geringere Frischbetonrohdichten von ca. 1050 kg/m³ aufweisen, als die Betone mit Buchenspänen mit ca. 1450 kg/m³. Während der Herstellung von Holzbetonen mit Nadelholzspänen werden Luftporen eingetragen, was zu einer geringeren Betonrohdichte führt. Bei der Verwendung von Buchenspänen ist dieser Effekt weniger ausgeprägt.

0,79

1,05

0

0,4

0,8

1,2

1,6

2

A B

Mischreihenfolge

Was

sera

nspr

uch

(w/z

-Wer

t)

Holzspäne mit Bindemittel mischen,

dann Wasser zugeben

Holzspäne mit Wasser mischen, dann

Bindemittel zugeben

CEM I 32,5 R und Nadelholzspäne F1

Abb. 7.1 Wasseranspruch von Holzbetonen in Abhängigkeit von der Mischreihenfolge

(Mischung mit 20 M.-% Holz bez. auf Holz-Zementmischung) Tabelle 7.1 Mischprogramm für die Mischung eines Holzbetons im Mörtelmischer nach

DIN EN 196-1 Späne langsam mischen und Bindemittel zugeben 10 s

langsam mischen 20 s

Wasser zugeben 15 s

langsam mischen 45 s

Mischer anhalten, an der Wand des Mischtrogs anhaftenden Mörtel mit einem Gummischaber entfernen und in die Mischung geben

30 s

langsam mischen 60 s

Gesamtmischdauer 3 min

Für die Bestimmung des Holzeinflusses auf die Erstarrung und die Erhärtung von Normzementen wurde zunächst die zementreiche Mischung mit 15 M.-% Nadelholz (F1) und Buchenholz (Bu) untersucht. Die Bestimmung der Erstarrungszeiten von Holzbetonen wurden mit einem Vikat-Gerät in Anlehnung an DIN 196-3 ermittelt. Abweichend von der Norm enthielt hier der Zementleim die Holzspäne, was die Genauigkeit des Verfahrens zwar negativ beeinflusste, eine Messung aber grundsätzlich ermöglichte. Es war deutlich erkennbar, dass die Holzpartikel die Erstarrung der Normzemente sehr verzögern. So konnte bei den Betonen mit dem alkalireicheren CEM I 32,5 R und den Hochofenzementen mit Nadelholzspänen F1 auch nach einem Tag Lagerungsdauer kein Erstarrungsbeginn festgestellt werden (siehe Abbildung 7.2).

Untersuchungsergebnisse P16 - 23

0

5

10

15

20

CEM I 32,5 R/ F1

CEM I 32,5R NA / F1

CEM I 52,5 RNA-HS / F1

CEM I 52,5 RNA-HS / Bu

CEM III/B42,5 N F1

CEM III/C32,5 N / F1

Erst

arru

nhsb

egin

n [h

]

>24 h >24h >24h >24h

Abb. 7.2 Erstarrung der Holzbetone mit Nadelholz F1, Buchenholz Bu und

verschiedenen Zementen nach DIN EN 197 Der alkaliarme Zement CEM I 32,5 R NA und der Zement mit einer höheren Festigkeitsklasse CEM I 52,5 R NA-HS erstarrten etwas schneller, erreichten aber nach 24 h Lagerungsdauer keine ausreichende Standfestigkeit, um die Prüfkörper schadensfrei ausformen zu können. Die Verwendung von Buchenspänen führte zu noch stärkerer Verzögerung der Erstarrung.

Für die Festigkeitsbestimmung wurden aus den Holzbetonen mit einer plastischen Konsistenz (Ausbreitmaß 13 - 14 cm) Prismen 4 x 4 x 16 cm³ in Anlehnung an DIN EN 196-1 hergestellt. Aufgrund sehr langsamen Erstarrens und Erhärtens konnten die Betonproben erst nach 3 d Lagerungsdauer einwandfrei ausgeformt werden. Die ausgeformten Holzbetonprismen wurden bis zur Festigkeitsprüfung nach 28 d bei 20 °C und >95 % r. F. gelagert. Es ist nicht gelungen, alle Betone mit identischen Rohdichten herzustellen, was die Bewertung des Bindemitteleinflusses auf die Festigkeit erschwert. Es ist jedoch zu erkennen (siehe Abbildung 7.3), dass die Betone mit etwa gleicher Rohdichte mit Hochofenzement CEM III/B 32,5 R (Z4) und Portlandzement mit einer höheren Festigkeitsklasse CEM I 52,5 R (Z3) etwas höhere Festigkeiten aufweisen als die Betone mit Portlandzementen CEM I 32,5 R. Im Allgemeinen zeigen die Festigkeiten nahezu lineare Abhängigkeit von der Rohdichte. Die höchsten Rohdichten und Festigkeiten erreichen aufgrund des geringeren Luftporengehaltes die Proben mit den Buchenspänen.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

600 700 800 900 1000 1100 1200 1300

Trockenrohdichte [kg/m³]

Druc

kfes

tigke

it [M

Pa]

Z1-F1

Z2-F1

Z3-F1

Z4-F1

Z5-F1

Z1-BuZ4-Bu

Abb. 7.3 Druckfestigkeiten der Holzbetonproben nach 28 d Feuchtlagerung mit

unterschiedlichen Bindemitteln in Abhängigkeit von der Trockenrohdichte Um den Einfluss des Holzes auf den Hydratationsvorgang zu klären, wurde die Hydratation des Zementes CEM I 32,5 R (Z1) und des Zement-Holzgemisches mittels Röntgendiffraktometrie verfolgt (siehe Abbildungen 7.4 und 7.5). Für die Untersuchungen wurden Zementleime mit einem w/zeff-Wert von 0,35 hergestellt. Für die Herstellung des Zement-Holzgemisches wurden die Nadelholzspäne mittels einer Scheibenschwingmühle auf eine Partikelgröße < 90 µm aufbereitet.

P16 - 24

Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass das Nadelholzmehl zu einer deutlichen Verzögerung der Zementhydratation führt. In den Zementpasten mit Nadelholzpartikeln wurden auch nach 18 h Hydratationsdauer keine Hydratneubildungen wie Portlandit oder Ettringit identifiziert.

Abb. 7.4 Röntgenbeugungsdiagramme der Zementpaste mit CEM I 32,5 R während 18

Stunden Hydratation (E - Ettringit; CS – Tricalcium- und Dicalciumsilikate; C3A – Tricalciumaluminat, C4AF – Tetracalcium-aluminatferrit; A – Anhydrit; P – Portlandit)

2

CS-CS-

Phasen CS-

A

t

10 15 20 25 30 35

2 Theta [ °]

A

A

Qz

C A3

C A3

C A3

C A3

C A3

CS-Phasen

CS-PhasenCS-

Phasen

CS-Phasen

CS-Phasen

CS-Phasen CS-

Phasen

CS-Phasen

CS-Phasen CS-

Phasen

CS-Phasen

CS-Phasen

CS-Phasen

CS/ E

CS/ E

CS

CS

CS/ E

C AF/ E4

C AF4

C AF4

C AF4

C AF4

C AF4

18h

12h

6h

3h

2min

E

E

E

P

P

E

E

E

Ettringit Portlandit C3S Anhydrit C3A

UwaHmwa DeWu(

kein Ettringit kein Portlandi

10 15 20 25 30 352 Theta [° ]

18h

12h

6h

3h

min

CS/ E

C A3

Phasen Phasen

C AF4

C A3

C S-Phasen

C S-Phasen CS-

Phasen

C AF4

C A3

C A3

CS-Phasen

CS-Phasen

A

A

A

A

A

CS-Phasen

CS-Phasen

CS-Phasen

C S-Phasen

C AF4

C AF4

C A3

CS-Phasen

CS-Phasen CS-

Phasen

C AF4

bb. 7.5 Röntgenbeugungsdiagramme der Zementpaste mit CEM I 32,5 R und 15 M.-%

Nadelholzmehl während 18 Stunden Hydratation (CS - Tricalcium- und Dicalciumsilikate; C3A – Tricalciumaluminat, C4AF – Tetracalciumaluminat-ferrit; A-Anhydrit)

m weitere Informationen über die Verzögerungsmechanismen zu gewinnen, urden Porenlösungen der Zementleime mit und ohne Holzpartikel chemisch

nalysiert. Für die Gewinnung der Porenlösungen wurden die Zementleime und olzbetone mit 15 M.-% Holz (bez. auf CEM + Holz) hergestellt und nach 10 in, 1h, 3 h und 8 h ausgepresst. Der w/z-Wert des Zementleimes und der /zeff-Wert des Holzbetons lagen bei 0,5. Bei der Berechnung des w/zeff wurde

ngenommen, dass die Holzsättigung mit Wasser bei 55 M.-% liegt.

ie Untersuchungsergebnisse zeigen, dass die pH-Werte der Porenlösungen rwartungsgemäß mit zunehmender Hydratationsdauer zunehmen. Die pH-erte der Lösung des Holzbetons liegen im Bereich zwischen 12,5 bis 12,7

nd sind damit niedriger als die des reinen Zementleims mit 12,8 bis 13,0 siehe Abbildung 7.6). Dies ist auf höhere w/z- Gesamtwerte im Holzbeton und

Untersuchungsergebnisse P16 - 25

auf einen niedrigeren pH-Wert des Holzes (pH Wert des Nadelholzes liegt bei ca. 5,0) zurückzuführen.

12,0

12,2

12,4

12,6

12,8

13,0

13,2

10 min 1 h 3 h 8 h

Hydratationsdauer

pH-W

ert

ZementHolzbeton

Abb. 7.6 pH-Werte der Porenlösungen des Zementleimes und Holzbetons in

Abhängigkeit von der Hydratationsdauer Während der Hydratation des Zementleimes werden durch die Hydrolyse der Klinkermineralien und Auflösung der Calciumsulfate Ca-Ionen in die Porenlösung geliefert (Abb. 7.7). Im Bereich der frühen Hydratation bildet sich Ettringit, später auch Portlandit, was die Konzentrationsabnahme der Ca-Ionen verursacht. Die Konzentration der Silikat-Ionen in der Porenlösung des Zementleims bleibt auf sehr niedrigem Niveau von ca. 3,5 mg/l nahezu konstant (Abb. 7.8). Die Konzentration der Sulfationen nimmt zwischen 10 min und 1 h Hydratationsdauer ab und verändert sich innerhalb der folgenden 7 h nur unwesentlich (Abb. 7.9). Das berechnete Kation/Anion-Ladungsverhältnis liegt nur geringfügig unter 1, was auf ein ausgeglichenes Kationen/Anionen–Verhältnis in der Porenlösung hinweist (Abb. 7.11).

Die Porenlösungszusammensetzung des Holzbetons unterscheidet sich wesentlich von der des Zementleims. Die Konzentration der Ca-Ionen bleibt innerhalb von 8 h Hydratationsdauer auf etwa gleichem Niveau und ist mit ca. 1400 mg/l wesentlich höher als die der Porenlösung des Zementleims. Die möglichen Ursachen dafür sind der geringere pH-Wert und damit höhere Löslichkeit des Portlandits und die Bildung von Calciumionkomplexen mit löslichen organischen Bestandteilen des Holzes. Auf die Bildung von organischen Calciumionkomplexen weist auch das anorganische Kation/Anion-Ladungsverhältnis der Porenlösung des Holzbetons mit einem deutlichen Überschuss an anorganischen Kationen hin (Abb. 7.11). Die Entstehung solcher Komplexe wie z.B. mit Sacharose als löslichem Bestandteil des Holzes kann die Keimbildung des Portlandits verhindern und gleichzeitig die Hydratation des Alits (Tricalciumsilikats) verzögern (Tho83, You72). In den Porenlösungen des Holzbetons wurden relativ hohe Konzentrationen von organischem Kohlenstoff (TOC) nachgewiesen. So liegt der Gehalt an TOC nach 10 min Hydratationsdauer bei 1620 mg/l, nach 8 h – bei 3670 mg/l.

Die Konzentrationen der Silikationen in der Porenlösung des Holzbetons sind höher als die in der Porenlösung des Zementleims (Abb. 7.8). Die Abnahme der Si-Konzentration während 8 Stunden Hydratation ist der Hinweis auf die Bildung von Calciumsilikathydraten (CSH), die sich wahrscheinlich an der Oberfläche des Alits (Tricalciumsilikats) als schwerdurchlässige Schicht bildet und die weitere Hydratation verhindert. Ein ähnlicher Prozess läuft bei der Hydratation des reinen Tricalciumsilikats ab. Dabei nimmt schon während der ersten Minuten der inkongruenten Auflösung des C3S die Konzentration der Silikationen ab, bei einer gleichzeitigen Zunahme der Konzentration von Ca-Ionen, was zur Entstehung einer schwerdurchlässigen CSH-Schicht an der Oberfläche des unhydratisierten Tricalciumsilikates führt.

Die Konzentrationen von Sulfationen liegen in der Porenlösung des Holzbetones niedriger als in der des Zementleims (Abb. 7.9). Da ein Teil des Sulfates im Zement als Alkalisulfat vorliegt, ist dies hauptsächlich auf einen höheren w/z- Gesamtwert im Holzbeton zurückzuführen. Die Konzentration der Sulfationen

P16 - 26

nimmt während der Hydratation ähnlich wie auch beim Zementleim ab, was auf die Bildung von Ettringit hindeutet.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

10 min 1 h 3 h 8 h

Hydratationsdauer

Ca

[mg/

l]

ZementHolzbeton

Abb. 7.7 Ca-Konzentrationen in den Porenlösungen des Zementleimes und Holzbetons in

Abhängigkeit von der Hydratationsdauer

0

2

4

6

8

10

10 min 1 h 3 h 8 h

Hydratationsdauer

Si [m

g/l]

ZementHolzbeton

Abb. 7.8 Si-Konzentrationen in den Porenlösungen des Zementleimes und Holzbetons in

Abhängigkeit von der Hydratationsdauer

0

2000

4000

6000

8000

10000

10 min 1 h 3 h 8 h

Hydratationsdauer

SO4

[mg/

l]

ZementHolzbeton

Abb. 7.9 Sulfatkonzentrationen in den Porenlösungen des Zementleimes und Holzbetons

in Abhängigkeit von der Hydratationsdauer

Untersuchungsergebnisse P16 - 27

0

2000

4000

6000

8000

10 min 1 h 3 h 8 h

Hydratationsdauer

K [m

g/l]

ZementHolzbeton

Abb. 7.10 K-Konzentrationen in den Porenlösungen des Zementleimes und Holzbetons in

Abhängigkeit von der Hydratationsdauer

0,0

0,4

0,8

1,2

1,6

2,0

10 min 1 h 3 h 8 h

Hydratationsdauer

Kat

ion/

Ani

on

ZementHolzbeton

Abb. 7.11 Kation/Anion-Ladungsverhältnis (für anorganische Bestandteile) in den

Porenlösungen des Zementleimes und Holzbetons in Abhängigkeit von der Hydratationsdauer

7.1.2 Holzbetone mit schnellerstarrendem Portlandzement Der schnellerstarende Portlandzement ist ein sulfatarmes hydraulisches Bindemittel auf Basis von Portlandzementklinker. Zu den charakteristischen Eigenschaften von Schnellzementen gehört das rasche Einsetzen des Erstarrungsvorgangs bei der Reaktion mit Wasser. Die Erstarrung und Erhärtung des Schnellzementes im Unterschied zu normalen Portlandzementen erfolgt durch die Bildung von Calciumaluminathydraten. Ziel der Untersuchungen war es zu klären, ob aufgrund des modifizierten Erstarrungsmechanismus die verzögernde Wirkung des Holzes auf die Erstarrung und Erhärtung des Betons aufgehoben werden kann. Für die Erstarrungsuntersuchungen wurden Holzbetone mit 15 M.-% Nadelholzspänen (trocken) (bezogen auf die Mischung Holzspäne + Zement) hergestellt. Der w/zeff-Wert von 0,6 wurde analog zu den Portlandzementen gewählt.

Zuerst wurden Untersuchungen mit dem Zement Z7 CEM I 32,5 R SE durchgeführt. Es wurde festgestellt, dass sich die plastische Konsistenz des Holzbetons schon während des Mischprozesses nach ca. 30 Sekunden Mischdauer stark verändert – sie wird steif und krümelig. Das bedeutet, dass die löslichen organischen Bestandteile des Holzes die Hydratation des Tricalciumaluminats nicht verzögert. Um eine regelgerechte Verzögerung des Holzbetons mit Schnellzement Z7 zu erreichen, wurden die Mischungen aus Schnellzement Z7 und Portlandzement Z1 hergestellt. Es wurde festgestellt, dass der Schnellzementaustausch bis zu 50 M.-% keinen Einfluss auf den Erstarrungsvorgang des Holzbetons ausübt. Die Erhöhung des Portlandzementgehaltes auf 60 M.-% führte jedoch zu einer deutlichen Verzögerung der Erstarrung bis zu über 12 h. Ähnliche Ergebnisse wurden bei Verwendung des Hüttensandmehls erzielt. Hier trat die deutliche Verzögerung

P16 - 28

der Hydratation bei 70 M.-% Austausch des Schnellzementes durch Hüttensand auf (Abb. 7.12).

Die Wiederholung dieser Versuche mit Nadelholzspänen und gleichem schnellerhärtenden Portlandzement nach ca. 8 Monaten ergab überraschenderweise kein rasches Erstarren. Im Gegenteil, innerhalb von 16 h wurde kein Erstarren beobachtet. Dies ist wahrscheinlich auf die Alterung des Schnellzementes zurückzuführen.

Um endgültig zu klären, ob schnellerhärtender Portlandzement als geeignetes Bindemittel für die Herstellung des Holzbetons mit regelgerechten Erstarrungszeiten dienen kann, wurden von unterschiedlichen Herstellern zwei weitere schnellerhärtenden Portlandzemente Z8 und Z9 eingesetzt. Die Hydratation der beiden Zemente wurde durch die löslichen Bestandteile des Holzes deutlich verzögert. Der Erstarrungsbeginn des Holzbetons mit Z8 erfolgte nach etwa 10 h, der des Holzbetons mit Z9 nach ca. 20 h. Das unterschiedliche Verhalten von drei Schnellzementen in Hinsicht auf die Erstarrung kann auf die unterschiedlichen Gehalte an Sulfat und Alkalien zurückgeführt werden. Der langsamste Zement Z8 weist den höchsten Sulfatgehalt von 2,58 M.-% auf. Dies führt wahrscheinlich zur Bildung von höheren Mengen an Ettringit bzw. Monosulfat, die in Kombination mit löslichen organischen Bestandteilen zur Verzögerung der Calciumaluminate führt. Der Zement Z8 enthält zwar sehr wenig Sulfat ist aber alkalireich. Alkalien erhöhen die Löslichkeit der organischen Bestandteile des Holzes und führen damit zu einem verzögernden Einfluss. Aus diesem Grund erstarrte der Holzbeton mit Zement Z8 schneller als mit Zement Z8 aber viel langsamer als mit Z7 (unbefriedigend langsam für die Produktion von Betonfertigteilen). Der Zement Z7 zeigte mittlere Gehalte von Sulfat und Alkalien im Vergleich zu den Zementen Z8 und Z9 und erstarrte in Anwesenheit von Holzpartikeln sehr schnell.

Da die Schnellzemente unterschiedliches und unregelmäßiges Erstarrungsverhalten in Kombination mit Nadelholzpartikeln zeigten, wurde auf weitere Untersuchungen mit diesen Zementen verzichtet.

0

100

200

300

400

500

600

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Austausch des Schnellzementes [M.-%]

Ers

tarr

ungs

begi

nn [m

in]

CEM I 32,5 RHüttensandmehl

Abb. 7.12 Erstarrung der Holzbetone mit Schnellzement Z7 (CEM I 32,5 R SE) und seine Mischungen mit Portlandzement Z1 (CEM I 32,5 R) bzw. Hüttensandmehl

7.1.3 Holzbetone mit Schnellzement auf Dodecacalciumheptaluminat-Basis Der in den USA entwickelte Regulated Set Cement wird durch gemeinsames Mahlen eines fluoridhaltigen Zementklinkers mit Anhydrit, Gips und Kalksteinmehl hergestellt. Während der Hydratation bildet sich infolge des hohen Sulfatgehalts sehr schnell ein verflochtenes, engmaschiges Gefüge aus nadelförmigem Ettringit, das anscheinend für die Anfangfestigkeit maßgebend ist [Loc00].

Ziel dieses Arbeitsabschnitts war es die Hydratations-, Erstarrungs- und Erhärtungsvorgänge dieses Schnellzementes in Anwesenheit von Holzpartikeln zu untersuchen. Da während der frühen Hydratation dieses Zementtypes ganz andere Reaktionsmechanismen herrschen, wurde kein negativer Einfluss der löslichen Bestandteile des Holzes auf den Hydratationsvorgang dieses Zementes erwartet.

Untersuchungsergebnisse P16 - 29

Für die Untersuchungen wurden zwei Schnellzemente S55 (Z10) und S45 (Z11) verwendet. Die beiden Zemente haben ähnliche chemische und mineralogische Zusammensetzung, der S45 (Z11) ist mit einer spezifischen Oberfläche von ca. 5000 cm²/g feiner aufgemahlen als S55 mit 4000 cm²/g. Aufgrund der höheren Feinheit erstarrt der Schnellzement Z11 schneller als Z10. Der Erstarrungsbeginn der Zementpasten (w/z = 0,35) mit Z11 erfolgt nach ca. 4 min., des Z10 nach ca. 8 min. Die Festigkeitsentwicklung der beiden Zemente ist in der Abbildung 7.13 dargestellt. Die beiden Schnellzemente weisen im Vergleich zu Portlandzement sehr hohe Frühfestigkeiten auf. Nach 28 d Lagerungsdauer liegen die Festigkeiten der Schnellzemente und des Portlandzements bei etwa gleichem Niveau. Abb. 7.13 Festigkeitsentwicklung der Mörtelproben nach DIN EN 196-1 mit

Schnellzementen Z10 und Z11 und einem Portlandzement CEM I 42,5 R.

0

10

20

30

40

50

60

70

0 5 10 15 20 25 30

Alter [d]

Dru

ckfe

stig

keit

[MPa

]

Z10 (S 55)Z11 (S 45)CEM I 42,5 R

0

10

20

30

40

50

60

70

0 0,5 1 1,5 2

Alter [d]

Druc

kfes

tigke

it [M

Pa]

Z10 (S 55)Z11 (S 45)CEM I 42,5 R

Die Herstellung der Holzbetone mit einer plastischen Konsistenz erfolgte nach der im Kapitel 7.1.1 beschriebener Vorgehensweise. Um den Einfluss der Holzpartikel auf die Erstarrung und Erhärtung der Zemente zu bestimmen, wurden zunächst Betone mit einem relativ niedrigen Holz/Zement-Verhältnis von 0,18 kg/kg (15 M.-% Holz bez. auf Holz + Zement) geprüft.

Der Erstarrungsbeginn des Holzbetons mit Schnellzement S55 (Z10) und Nadelholzspänen F1 bzw. F2 erfolgte nach ca. 15 min. und das Erstarrungsende nach 30 min. Nach ca. 2 Stunden Lagerungsdauer konnten die Proben ausgeformt werden. Das schnelle Erstarren wurde auch in den Betonen mit Buchenspänen und Restholz erreicht. Dieser Erhärtungsverlauf ist insbesondere für die Herstellung von Betonfertigteilen günstig.

Die Verwendung des Schnellzementes S45 (Z11) führte zu sehr raschem Erstarren schon nach ca. 4 bis 5 min, was eine Verarbeitung des Holzbetons unmöglich machte. Mit Zugabe von Zitronensäure konnte aber ein langsamerer Erstarrungsvorgang eingestellt werden.

Aufgrund des günstigen Erstarrungs- und Erhärtungsverlaufs wurden weitere Untersuchungen und Holzbetonentwicklungen mit dem Schnellzement S55 (Z10) durchgefürt.

P16 - 30

7.1.3.1. Einfluss des Holzanteiles, der Holzart und der Holzbeschaffenheit auf die Eigenschaften des Holzbetons

Für die Untersuchungen des Holzanteiles und der Partikelgröße des Holzes auf die Holzbetoneigenschaften wurden Nadelholzspäne aus 3 Sägewerken beschafft. Die weiteren Informationen über die verwendeten Späne sind Kapitel 6.2 zu entnehmen.

Die Betonmischungen wurden nach dem in der Tabelle 7.1 angegebenem Mischverfahren hergestellt. Der Einfluss des Holzanteils auf die Holzbetoneigenschaften wurde zunächst mit den Holzspänen F1 untersucht. Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass eine stabile Luftporenbildung und eine gute Verarbeitbarkeit der Holzbetone mit Nadelholzspänen F1 bis zu einem Holz (trocken)/Zement-Verhältnis (h/z) von ca. 0,33 kg/kg (25 M.% Holz bezogen auf Holz + Zement) erreicht werden konnte. Für die Luftporenbildung war die Anwesenheit von Harzen im Nadelholz verantwortlich. Bei einer Erhöhung des Holzanteiles wurden die Luftporen instabil und die Betonmischung konnte nur durch Stampfen verdichtet werden. Es wurde festgestellt, dass der Wasserbedarf des Betons und der w/z-Wert des Zementleimes (w/zeff) mit zunehmendem Holzpartikelgehalt und zunehmender Partikelfeinheit steigt (Abb. 7.14).

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0,15 0,2 0,25 0,3 0,35

h/z [kg/kg]

w/z

[kg/

kg]

F1F2F3

w/z-gesamt

w/z-effektiv

Abb. 7.14 Wasseranspruch von Holzbetonen in Abhängigkeit von Beschaffenheit und

Gehalt der Nadelholzspäne im Beton.

450

500

550

600

650

700

750

800

850

0,16 0,21 0,26 0,31 0,36

h/z [kg/kg]

Rohd

icht

e [k

g/m

³]

F1F2F3

Abb. 7.15 Trockenrohdichte von Holzbetonen in Abhängigkeit von Beschaffenheit und Gehalt der Nadelholzspäne im Beton

Für die Bestimmung der Festigkeitsentwicklung wurden aus den Holzbetonen Prismen mit den Abmessungen 4x4x16 cm³ hergestellt und bis zur Prüfung bei 20 °C und >95 % r.F. gelagert. Es wurde festgestellt, dass der zunehmende Gehalt an Holzspänen zu geringeren Rohdichten führte (Abb. 7.15), aber auch zu geringeren Festigkeiten von Holzbetonen mit gleicher Konsistenz. Während der Feuchtlagerung nahmen die Biegezug- und Druckfestigkeiten der Proben zu.

Untersuchungsergebnisse P16 - 31

Hier ist auffällig, dass die Festigkeitszunahme von Holzbetonen während der Lagerung zwischen 2 und 28 d mehr als 100 % bezogen auf die 2 d Festigkeiten ausmacht (Abb. 7.16). Bei dem Normmörtel mit Schnellzement ist die Festigkeitsentwicklung bis 2 d Lagerungsdauer wesentlich stärker ausgeprägt und die Festigkeitszunahme zwischen 2 und 28 d liegt unter 40 %. Dieser Effekt ist vermutlich auf die Verzögerung der Hydratation der Calciumsilikate Alit und Belit durch lösliche organische Bestandteile des Holzes zurückzuführen.

Aus den Abbildungen 7.16 und 7.17 kann der Zus