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LEHRSTUHL FÜR GEBÄUDETECHNOLOGIE • PROF. THOMAS HERZOG

UNTERSUCHUNGEN ZU EINSATZMÖGLICHKEITEN VON HOLZLEICHTBETON IM BEREICH VON GEBÄUDEFASSADEN

DISSERTATIONAUS DEM INSTITUT FÜR ENTWERFEN UND BAUTECHNIKTECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN • FAKULTÄT FÜR ARCHITEKTUR

ROLAND KRIPPNER

Technische Universität MünchenFakultät für Architektur

Institut für Entwerfen und BautechnikLehrstuhl für Gebäudetechnologie

Untersuchungen zu Einsatzmöglichkeiten von Holzleichtbeton im Bereich von Gebäudefassaden

Roland Krippner

Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Architektur der Technischen Universität München

zur Erlangung des akademischen Grades eines

Doktor Ingenieurs (Dr.-Ing.)

genehmigten Dissertation.

Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Rainer Barthel

Prüfer der Dissertation: 1. Univ.-Prof. Dr. (Univ. Rom) Thomas Herzog

2. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Gerhard Hausladen

Die Dissertation wurde am 08.03.2004 bei derTechnischen Universität München eingereicht und durch die

Fakultät für Architektur am 21.04.2004 angenommen.

Herrn Michael Roider, IEZ Natterer GmbH, Saul-burg/ Wiesenfelden

Herrn Andreas Greubel, Frau Nicole Hribar, HerrnPeter Krauß, Materialprüfungsamt für das Bauwe-sen (MPA Bau) der Technischen Universität Mün-chen

Herrn Dr.-Ing. Bernhard Kling, ehemals Baubera-tung Zement Bayern, München

Herrn Peter Hainzinger, Holzforschung München,Technische Universität München

Herrn Walter Thurmayr, 85669 Reithofen

Auch folgenden Firmen und Ihren Mitarbeitern, diemit ihrer Unterstützung die Durchführung der expe-rimentellen Arbeiten ermöglichten, gilt mein Dank:

Herrn Dr.-Ing. Klaus Fieback, Fa. RUBITHERM,Fürstenwalde

Herrn Dirk Rogge, Herrn Dr. Holger Kindermann,Fa. Odenwald Faserplattenwerk, Amorbach

Herrn Stefan Heeß, Fa. Dyckerhoff Weiss; HerrnThomas Sievert, Wilhelm Dyckerhoff Institut fürBaustofftechnologie, Wiesbaden

Herrn Siegfried Delzer, DELZER-Kybernetik, Lör-rach

Herrn Dr. Peter Weber, Fa. Harold Scholz Chemi-sche Fabrik, Lohr am Main

Frau Dr. Franziska Hildebrandt – wie so oft – fürdas sorgfältige Korrektorat

Roland Krippner, München März 2004

DankZum Gelingen dieser Arbeit haben viele Freundeund Kollegen, Projektpartner und Firmenmitarbeiterin unterschiedlicher Art und Weise beigetragen. Beiallen möchte ich mich herzlich bedanken.

Mein besonderer Dank gilt:

Herrn Professor Dr. (Univ. Rom) Thomas Herzogfür seine Bereitschaft die Arbeit in Form desHauptreferates zu betreuen, sowie für deren fachli-che Begleitung, und die vielfältige Unterstützung inder Durchführung. Darüber hinaus für die Möglich-keiten, im Rahmen meiner Tätigkeit als wissen-schaftlicher Mitarbeiter/Assistent am Lehrstuhl fürGebäudetechnologie eine Vielzahl interessanterThemen und Projekte bearbeiten zu können

Herrn Professor Dr.-Ing. Gerhard Hausladen vor allem für seine Bereitschaft, in der Schlussphaseder Arbeit, das Korreferat zu übernehmen.

Herrn Professor Dipl.-Ing. Julius Natterer, der durchseine Anregung zum Thema, die Arbeit erst ermög-lichte.

Herrn Dr.-Ing. Helge Hartwig der auch nach seinemAusscheiden am Lehrstuhl mit vielen anregendenDiskussionen sowie der gründlichen und kritischenDurchsicht die Arbeit unterstützt hat.

Herrn Robert Rieger, Leiter der Metallwerkstatt, derbei Vorbereitung und Durchführung der Versuchs-arbeiten eine stete und wichtige Hilfe war.

Bei folgenden Personen und Institutionen möchteich mich für ihre wertvolle Unterstützung bedanken:

Herrn Dr. Jochen Manara, ZAE Bayern/Abt. 2,Würzburg; Herrn Zdenek Hacker, Herrn ChristianOberdorf (ehemals), Herrn Stefan Winkelmüller,ZAE Bayern/Abt. 4, Garching; Herrn Dr. HaraldMehling, ZAE Bayern/Abt. 1, Garching 3

Der Autor bedankt sich bei der Werner Konrad Marschall und Dr.-Ing. Horst Karl Marschall-Stiftung für die wertvolle finanzielle Unterstützung zur Drucklegung der Arbeit

Kurzfassung 7

1 Vorbemerkungen 9

2 Methodisches Vorgehen 112.1 Zielsetzung und struktureller Aufbau der

Arbeit 112.2 Aktueller Wissensstand – Forschungs-

aktivitäten 132.2.1 Betontechnologie 132.2.2 Zement gebundene Holzwerkstoffe 142.2.3 Latentwärmespeichermaterialien 162.3 Abgrenzung der Arbeitsschritte 17

3 Holzleichtbeton 193.1 Begriffsbestimmung 193.2 Ausgangsstoff Holz 213.2.1 Eigenschaften von Holz 213.2.2 Holz als Zuschlagsstoff 223.3 Ausgangsstoff Zement/Beton 233.3.2 Beton 243.3.3 Leichtbeton 26

4 Vom Steinholz zum Holzleichtbeton 294.1 Anfänge – Frühe Experimente 294.1.1 Steinartige Masse aus Sägemehl und

Gips oder Zement 304.1.2 Baumaterial aus Gips und Sägespänen 304.1.3 Kunststeinplatten aus Magnesit 304.2 Steinholz 314.2.1 Magnesia-Estrich 314.2.2 Steinholz oder Xylolith 314.3 Holzbeton 334.3.1 Stand der Forschung um 1950 334.3.2 Forschungarbeiten in der DDR 354.4 Aktuelle Produkte und Systeme 384.4.1 Holzspanbeton 384.4.2 Holzwolleleichtbauplatte 394.5 Zusammenfassung 41

Inhalt

5

5 Holzleichtbeton als Material für thermisch passive Bauteile 43

5.1 Untersuchungssystematik 435.2 Baukonstruktive Eigenschaften 455.2.1 Restholzsortiment 455.2.2 Zementgehalt 465.2.3 Herstellung von Holzleichtbeton 465.2.4 Festigkeitseigenschaften 475.3 Bauphysikalische Eigenschaften 495.3.1 Ausgangsrezepturen 495.3.2 Wärmeschutz 495.3.3 Feuchteschutz 525.3.4 Schallschutz 535.3.5 Brandschutz 535.4 Charakterisierung unterschiedlicher

Wandaufbauten 545.4.1 Ausgewählte Parameter 555.4.2 Thermische Gebäudesimulation 565.5 Zusammenfassung 58

6 Holzleichtbeton als Material für thermisch aktive Bauteile 61

6.1 Stand der Entwicklung von Massiv-absorbern 61

6.1.1 Bauphysikalische Einflussgrößen und lokale Randbedingungen 62

6.1.2 Betonbauteile als thermisch aktives System 64

6.1.3 Fazit 666.2 Thermisch aktive Bauteile aus Holzleicht-

beton 676.3 Bau von Funktionsmodellen 696.3.1 Versuchsrahmen 696.3.2 Herstellung der Holzleichtbeton-

Funktionsmodelle 696.4 Vermessung der Funktionsmodelle 716.4.1 Der experimentelle Aufbau 716.4.2 Durchführung der Vermessung 726.4.3 Messergebnisse 726.5 Potenzialabschätzung 756.5.1 Simulationskonzept 756.5.2 Parameterbestimmung 756.5.3 Ergebnisse und Bilanzierung 76

Inhalt

Inhalt

6

7 Holzleichtbeton mit Latentwärme-speichermaterialien 79

7.1 Thermische Behaglichkeit und Heizwärme-bedarf von Räumen 79

7.2 Holzleichtbeton und PCM 817.3 Latentwärmespeichermaterialien 827.3.1 Latente Wärme-/Kältespeicherung 827.3.2 PCM in Gebäuden 837.3.3 Paraffine 847.3.4 Anwendungsmöglichkeiten 857.4 Herstellung erster Funktionsmodelle 867.4.1 Bau von Schalungen 867.4.2 Vorarbeiten und Ausgangsstoffe 887.4.3 Herstellung erster Mischungen

(Betonage 1) 907.4.4 Messergebnisse 937.4.5 Messreihen zum Masseverlust 947.4.6 Oberflächen und Zwischenfazit 947.5 Optimierung der Mischungen 967.5.1 Aufstellen neuer Rezepturen 967.5.2 Herstellung der optimierten Mischungen

(Betonage 2) 1007.6 Baukonstruktive Eigenschaften 1037.6.1 Druckfestigkeit 1047.6.2 E-Modul und Biegezugfestigkeit 1077.7 Bauphysikalische Eigenschaften 1087.7.1 Wärmeleitfähigkeit 1097.7.2 Wärmespeicherkapazität und

Schmelzenthalpie 1107.7.3 Messungen mit dem Sonnen-

simulator 1127.8 Ergänzende Untersuchungen 1157.8.1 Schwind-Messungen 1157.8.2 Luftporengehalt 1177.8.3 Frost-Tau-Wechselbeständigkeit 1197.8.4 Brandversuche 1217.8.5 Untersuchungen zum Feuchte-

ausgleichsverhalten 1247.9 Potenzialabschätzung 1287.9.1 Einflüsse sommerlicher Überhitzung 1287.9.2 Beschreibung des Beispielraums 1297.9.3 Einflüsse der Bauweise auf die

Wärmespeicherfähigkeit des Raums 130

7.9.4 Beschreibung der untersuchten Simulationsvarianten 131

7.9.5 Untersuchungsergebnisse 1337.9.6 Fazit 1357.10 Zusammenfassung 1377.10.1 Oberflächen 1377.10.2 Optimierungen 1377.10.3 PCM-Material 138

8 Außenwandkonstruktionen mit Holzleichtbeton 143

8.1 Holzleichtbeton-Massivholz-Verbund-bauweise 144

8.1.1 Brettstapel 1448.1.2 Beton für Außenbauteile 1468.2 Farbige und strukturierte Oberflächen 1478.2.1 Farbmuster (Betonage 3) 1478.2.2 Strukturschalungen (Betonage 4) 1498.2.3 Einsatz von Fließmitteln 1528.2.4 Herstellung der modifizierten

Mischungen (Betonage 5) 1548.2.5 Fazit 1568.3 Wandaufbauten 1568.4 Zusammenfassung 160

9 Schlussbemerkungen – Ausblick 163

10 Anhang 16510.1 Literaturverzeichnis 16510.2 Eigene Veröffentlichungen im Rahmen der

Dissertation 16910.3 Abbildungsnachweis 16910.4 Abkürzungen, Formelzeichen und Einheiten 17010.5 Rezepturen 17110.5.0 Stoffraumberechnung 17210.5.1 Betonage 1 (06.09.2001) 17310.5.2 Betonage 2 (13./16.05.2002) 18010.5.3 Betonage 3 (10.01.2003) 19610.5.4 Betonage 4 (03.07.2003) 20010.5.5 Betonage 5 (16.07.2003) 203

Darüber hinaus zeigen vor allem die Ergeb-nisse der E-Modul-Messungen, dass die Mi-schungen einen sehr homogenen Aufbau auf-weisen. Erste Versuche zur Feuerwiderstandsdauer ineinem Kleinbrandofen und ein Brandschacht-test ergaben ausreichende Brandschutzei-genschaften. Anhand von Frost-Tau-Wech-sel-Prüfungen zeigt sich die sehr gute Dauer-haftigkeit und hohe Witterungsbeständigkeitvon Holzleichtbeton. Ebenfalls ermittelte bauphysikalische Kenn-größen zu Wärmeleitfähigkeit, Wärmespei-cherkapazität und zum Feuchteausgleichsver-halten zeigen, dass sich das Material sowohlfür Anwendungen im Außenbereich als auchim Innenraum eignet.Die Kombination von HLB mit PCM weist so-mit weitere funktionale und baukonstruktiveVorteile auf, die leichtere und dünnere Wand-elemente bei gleichzeitig thermodynamischbesseren Stoffeigenschaften ermöglichen.Darüber hinaus erfolgten im Zusammenhangmit der Erarbeitung von Grundlagen für Kon-struktionen und Schichtenfolgen von Außen-wänden in der Holzleichtbeton-Massivholz-Verbundbauweise Untersuchungen zu dengestalterischen Potenzialen des Verbund-werkstoffs. Diese konnten exemplarisch anFarbmusterreihen sowie Funktionsmodellenmit strukturierten, plastischen Oberflächenaufgezeigt werden.

Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dassVerbundwerkstoffe aus Holz und anorgani-schen Bindemitteln eine Reihe interessanterOptionen vor allem im Bereich des Ressour-cen schonenden Bauens aufweisen. Holz-leichtbeton ist ein zukunftweisendes und lei-stungsfähiges Material, dass aufgrund der po-sitiven Materialeigenschaften für den Einsatzim Mehrgeschossbau sowie im Fertigteilbauoder Innenausbau geeignet ist.

Kurzfassung

7

In der Arbeit wird Holzleichtbeton, ein Ver-bundwerkstoff, der sich aus Zement, Säge-spänen beziehungsweise -mehl, Wasser undAdditiven zusammensetzt, hinsichtlich derEignung als Material für thermisch passiveund thermisch aktive Bauteile untersucht.

Holzleichtbeton (HLB) ist aufgrund der Roh-dichte zu den Leichtbetonen zu zählen. Jenach Mischungsverhältnis lassen sich Roh-dichten von 400 bis 1700 kg/m3 herstellen.Gute Verarbeitung und variierbare Wärme-,Schall- und Festigkeitseigenschaften kenn-zeichnen das Material.In sechs unterschiedlichen Aufbauten wurdeHolzleichtbeton als Material für Massivabsor-ber getestet. Die Ergebnisse der Vermessungund eine durchgeführte Potentialabschätzungzeigen, dass die Leistungsfähigkeit der unter-suchten thermisch aktiven Bauteile einge-schränkt ist.Den Schwerpunkt der Arbeit stellten Untersu-chungen zur Kombination von Holzleichtbetonmit Latentwärmespeichermaterialien (PCM)dar. Der Verbund von organischen PCM mitanorganischen Bindemitteln und Holz als Zu-schlagsstoff wurde bisher noch nicht unter-sucht. Mit der Aufstellung und Erprobung unter-schiedlicher Rezepturen wurden im Rahmender Arbeiten zum Teil erstmalig sowohl mate-rialspezifische als auch experimentelle Versu-che durchgeführt, Potentialabschätzungenvorgenommen und Funktionsmodelle in unter-schiedlichen Maßstäben hergestellt.In insgesamt fünf verschiedenen Arbeits-schritten erfolgten umfangreiche Versuchs-und Testreihen an unterschiedlichen Mi-schungen. Die erreichten Rohdichten derFunktionsmodelle liegen etwa zwischen 1000und 1450 kg/m3. Untersuchungen zur Druck-festigkeit lassen höhere Festigkeitswerte wiebei ‘normalem’ Holzleichtbeton erkennen.

von wesentlichen Parametern der Materialei-genschaften zu erweitern sowie die Einsatz-möglichkeiten insbesondere im Bereich derGebäudefassaden zu untersuchen. Darüber hinaus sollen Einsichten in das enor-me Potenzial der Holzleichtbeton-Massivholz-Verbundbauweise gewonnen sowie Untersu-chungen zur Klärung von Grunddetails für dieAnwendung im allgemeinen Hochbau durch-geführt werden.Dabei haben sich bei der Durchführung derArbeiten (leichte) Akzentverschiebungen ge-genüber der ursprünglichen Aufgabenstellungergeben. Die Untersuchungen zu der neuarti-gen Kombination von Holzleichtbetonmi-schungen mit organischen Latentwärmespei-chermaterialien (PCM) zeigen eine derart gro-ße Fülle an Optionen, dass die materialspezi-fischen Untersuchungen den Schwerpunktder Arbeit bilden.

Die vorliegende Dissertation entstand im Rah-men einer Kooperation des Lehrstuhls für Ge-bäudetechnologie von Prof. Thomas Herzogan der Technischen Universität München mitdem Bayerischen Zentrum für AngewandteEnergieforschung e.V. (ZAE Bayern), Würz-burg/Garching. Ziel der Kooperation ist eineanwendungsbezogene Forschung im Bereichder gebäudenahen Nutzung von Erneuerba-ren Energien.Neben der Einbindung in zwei großen Pro-jektvorhaben1 ermöglichte diese Zusammen-arbeit die Durchführung von so genannten“Verbundprojekt(en) ZAE Bayern”, die jährlichvom Bayerischen Staatsministerium für Wirt-schaft, Verkehr und Technologie – Innova-tionsberatungsstelle Südbayern –, unter Be-teiligung (regionaler) Industriepartner, geför-dert wurden.

Durch dieses Modell einer institutionell verab-redeten, interdisziplinären Forschungs- und

Vorbemerkungen

9

1 Vorbemerkungen Holzleichtbeton ist ein Verbundwerkstoff, dersich aus Zement, Sägespänen beziehungs-weise Sägemehl, Wasser und Additiven zu-sammensetzt. Die Kombination von anorgani-schen Baurohstoffen mit Restholz aus derHolzbearbeitung ist keine Neuentwicklung,sondern reicht bis zum Beginn des 20. Jahr-hunderts zurück. Unter Bezeichnungen wie“Steinholz”, “Sägemehlbeton” oder “Holzbe-ton” existieren eine Reihe von Anwendungen,vor allem als Fußbodenestriche und Putze. Anfang der 1930er Jahre werden mit der Pa-tentierung von einschlägigen Verfahren dieGrundlagen zur Herstellung von “Holzspanbe-ton” geschaffen und nach dem Zweiten Welt-krieg experimentiert man aufgrund von Roh-stoffmangel mit zementgebundenen Holz-werkstoffen. Ende der 60er Jahre wird in derDeutschen Demokratischen Republik dieserAnsatz zeitweise wieder aufgegriffen.Seit einigen Jahren beschäftigt man sich auf-grund von Ressourcenverknappung (Sand,Kies) und Gewichtsersparnis (Wand- undDeckenkonstruktionen) wieder eingehend mitdiesen Konzepten die unter derzeitigen tech-nologischen Möglichkeiten fortgeführt werden.

Durch seine materialspezifischen und raum-klimatischen Eigenschaften ist Holz für einökologisches und nachhaltiges Bauen hervor-ragend geeignet. Auch der Holzleichtbetonweist als Verbundwerkstoff eine Reihe dieserMerkmale auf. Bei der Holzbearbeitung fallenHobelspäne und Sägemehl in großen Men-gen als Abfall- und Restprodukt an und kön-nen mit Zement und Wasser einer sinnvollenWeiterverarbeitung zugeführt werden.Die bisherigen Erfahrungen zeigen, dassHolzleichtbeton eine Reihe interessanter Opti-onen vor allem im Bereich des Ressourcenschonenden Bauens aufweist. Daher ist esvordergründiges Ziel der Arbeit, aufbauendauf vorhandene Grundlagen die Kenntnisse

Vorbemerkungen

10

spezifischen und technologischen Fragestel-lungen auseinandersetzen. Daher wird auch die Vielzahl unterschiedli-cher Messverfahren und deren Apparatetech-nik, die computergestützten Simulationen wieauch die experimentellen Arbeiten im Zusam-menhang der einzelnen Arbeitsschritte jeweilsdokumentiert.“Die Zukunft des Bauens liegt nicht im künst-lerischen Einfall, sondern in der präzisenÜberprüfung des Realisierungsverfahrens,der Bautechnik und im praktischen Know-how.”4 Dies erfordert jedoch vom ArchitektenKenntnis der Materialeigenschaften sowie dieBeherrschung der technischen Mittel und ent-sprechendes Wissen über Konstruktionsme-thoden. Dabei muss die Entwicklung neuer Technolo-gien oder die Optimierung vorhandener Sy-steme auch stets im Zusammenhang vonQualitätsvorteilen und/oder Kosteneinsparun-gen gesehen werden.5 Dieser Ansatz bildeteinen wesentlichen Bezugspunkt für die dar-gestellten konzeptionellen und experimentel-len Arbeiten.

Anmerkungen1 Vgl. Schölkopf (Hg.), 2002 und Beck (Hg.), 20012 Das Projektvolumen betrug in den Jahren 1999 bis

2002 insgesamt knapp 325.000 €, davon 100.000 €Industriemittel. Zum Vergleich, die Deutsche For-schungsgemeinschaft (DFG) förderte das Projekt“Textilbewehrter Beton – Grundlagen für die Entwick-lung einer neuen Technologie” in den Jahren 1999bis 2002 mit umgerechnet 3.272.270 €. Dies ver-deutlicht auch die (finanziell) eingeschränkten Rah-menbedingungen. Vgl. Hegger/Molter, 1/2001, S. 42

3 Für den Autor stellten viele Arbeitsschritte ‘Neuland’dar und der Blick in die Labors und auf die Gerätesoll ermuntern (vielleicht auch ermutigen) sich als Ar-chitekten derartigen Themen zu stellen.

4 Pizzigoni, 1999, S. 875 Vgl. Conrads, 3/1985, S. 295-296; Fiebiger, 1998;

Watts, 2001; Chevalier, 3/2002, S. 31-36; Hull-mann,12/2002, S. 26-29

stitut für Entwerfen und Bautechnik, – für Ar-chitekten immer noch nicht selbstverständli-che – hervorragende Bedingungen für experi-mentelles Arbeiten.3 Diese guten Ausgangs-bedingungen wurden noch durch die räumli-che Nähe des Materialprüfungsamtes für dasBauwesen (MPA Bau) der Technischen Uni-versität München ergänzt.Den Ausgangspunkt der Arbeiten bilden dieUntersuchungen von Prof. Julius Natterer ander Eidgenössischen Technischen Hochschu-le in Lausanne (I-Bois, Institut für Holzkon-struktionen) zum “Holzleichtbeton”, der aucheine Vertiefung und Erweiterung des Themasanregte.Somit konnte ab dem Frühjahr 1999 im Zugeder genannten Verbundprojekte am Lehrstuhlfür Gebäudetechnologie, in Kooperation mitdem ZAE Bayern und dem IEZ - Internationa-les Entwicklungszentrum für Holzkonstruktio-nen Natterer GmbH, dieser Arbeitsschwer-punkt über mehrere Jahre etabliert werden.Neben der Förderung durch das BayerischeStaatsministerium für Wirtschaft Verkehr undTechnologie, sowie durch die Bayern Zement – Gesellschaft für Absatzförderung undMarktforschung mbH (1999 und 2000), dieFirmen RUBITHERM GmbH / SchümannSASOL GmbH & Co KG (2001) und Oden-wald Faserplattenwerk GmbH (2002), unter-stützte der Holzabsatzfond – Absatzförde-rungsfond der deutschen Forst- und Holzwirt-schaft –, eine ergänzende Projektstudie. (Abb. 1.1)

Themenstellung und Inhalt der Dissertationspiegeln eine für Architekten eher ungewöhn-liche wissenschaftliche Vertiefung wider.Wenn aber angesichts der gegenwärtigen ge-sellschaftlichen Herausforderungen die Arbeitan nachhaltigen baulichen Konzepten zu qua-litativ neuen Lösungen führen soll, müssensich auch Architekten verstärkt mit material-

Entwicklungsarbeit im Verbund mit Unterneh-men aus der Bauwirtschaft, war es überhaupterst mit relativ kleinen Projektvolumina2 mög-lich, gleichermaßen konzeptionelle und expe-rimentelle Untersuchungen mit einer Vielzahl(aufwendiger) Prüfungs- und Simulationsar-beiten durchzuführen.Darüber hinaus boten die unterschiedlichenWerkstätten des Technischen Zentrums derFakultät für Architektur, eingebettet in das In-

Dissertation

Untersuchungen zu Einsatzmöglichkeiten von Holzleichtbeton im Bereich von Gebäudefassaden

Verbundprojekte ZAE Bayern

Entwicklung von thermisch aktiven Bauteilen inMassivholz-Leichtbeton-Verbundbauweise (1999)

Untersuchung von Einsatzmöglichkeiten von Holz-leichtbeton mit Latentwärmespeichermaterialien imBereich von Gebäudefassaden (2001)

Entwicklung von thermisch aktiven Bauteilen inMassivholz-Leichtbeton-Verbundbauweise (2000)

Untersuchungen zur Optimierung des Verbundsvon Holzleichtbeton mit Latentwärme-speichermaterialien (2002)

Holzabsatzfond

Holzleichtbeton als Material für Außenwände(2000)

Abb. 1.1 Dissertation und parallel laufende For-schungsprojekte am Lehrstuhl für Ge-bäudetechnologie der TU München

- Material- Anwendungsbezug- AußenwandIm Bereich “Material” (Kapitel 2 bis 4) werdender aktuelle Wissensstand skizziert sowieeine Begriffsbestimmung, als Abgrenzunggegenüber weiteren Materialien, unternom-men, und zunächst wesentliche Eigenschaf-ten, Kenngrößen und Einflussfaktoren derAusgangsmaterialien zusammengefasst. Dar-über hinaus wird in diesem Teil ein histori-scher Abriss zum Thema gegeben. Bei derBetrachtung des Arbeitsfeldes fällt auf, dasseine Darstellung der Entwicklung, von erstenMaterialexperimenten im 19. Jahrhundert biszu den unterschiedlich erfolgreichen Versu-chen der Etablierung einer Produktpalette, zudem Themenkomplex fehlt. Somit soll die Ar-beit einen Überblick zu vorhandenen und lau-fenden (wissenschaftlichen) Untersuchungenzum Holzleicht- beziehungsweise Holzbeton,mit Berücksichtigung der Einsatzmöglichkei-ten im Bereich von Gebäudefassaden, gebenund einen geschichtlichen Exkurs beinhalten.

Der zweite Bereich (Kapitel 5 bis 7) beschäf-tigt sich mit unterschiedlichen Nutzungsfor-men beziehungsweise Ausprägungen vonHolzleichtbeton. Nach einer kurzen Zusammenfassung beste-hender sowie zu erwartender Merkmale desVerbundwerkstoffs, erfolgen Untersuchungenauf drei Betrachtungsebenen, die aufeinanderaufbauen, als Material für- thermisch passiv wirksame Bauteile- thermisch aktiv wirksame Bauteile- Kombinationen mit Latentwärmespeicher-

materialien (Phase Change Materials =PCM)

Neben der Ermittlung von Grundlagen für ein“passives” Außenwandbauteil wird über eineVertiefung hinsichtlich der Eignung für “ther-misch aktive” Bauteile eine Erweiterung durch

Methodisches Vorgehen

Zielsetzung und struktureller Aufbau

der Arbeit

11

2 Methodisches Vorgehen

Holzleichtbeton ist ein wieder entdeckter Kon-struktionswerkstoff, dessen baukonstruktiveund bauphysikalische Materialeigenschaftensowie potentielle Einsatzmöglichkeiten im Be-reich des Hochbaus noch nicht erschöpfendbehandelt sind.Holz und Beton zeigen verschiedene materi-alspezifische Vor- und Nachteile. Auf demSektor der Konstruktionen (Decke, Wand)stehen beide eher in Konkurrenz miteinander.Zunehmend werden auch im Holzbau Kombi-nationen erprobt. Gerade in den Verbundkon-struktionen können vielfältige Synergieeffekte,durch sinnvolle Nutzung der positiven Eigen-schaften beider Materialien, wirksam werden.

Die Beurteilung und Auswahl der Einsatzmög-lichkeiten von Holzleichtbeton erfordert zu-nächst eine genaue Kenntnis der Materialei-genschaften, hinsichtlich baukonstruktiver,bauphysikalischer und fertigungstechnischerParameter, ökologischer Aspekte, Wirtschaft-lichkeit und Innovationspotenzial.1 Darüberhinaus ist gerade aus Sicht des Architektenebenso die Arbeit an gestalterischen Optio-nen von großer Bedeutung.Hinsichtlich des Leistungsvermögens vonHolzleichtbeton sind zunächst zwei Einsatz-bereiche zu unterscheiden:- Alternative zu herkömmlichen Baustoffen,

in erster Linie Normal- und Leichtbetone- Erschließung neuer Anwendungsfelder,

zum Beispiel durch den Einsatz als Materi-al für thermisch aktive Bauteile bezie-hungsweise durch die Entwicklung neuerRezepturen

Die vorliegende Arbeit ist im Wesentlichen indrei Schwerpunkte gegliedert: (Abb. 2.1–2.4)

2.1 Zielsetzung und struktureller Aufbauder Arbeit


Zielsetzung und struktureller Aufbau der Arbeit

12

Abb. 2.1 Aufbau der Dissertation

Experimente mit neu(artig)en Rezepturansät-zen durchgeführt.Dabei umfasst jede Betrachtung die Darstel-lung baukonstruktiver Aspekte (unter ande-rem Mischungen, Rohdichte, Festigkeitswer-te), bauphysikalischer Gesichtspunkte (unteranderem wärme- und feuchtetechnischesVerhalten) und architektonischer Aspekte (un-ter anderem klimatischer und baulicher Ge-samtzusammenhang, Oberflächenwirkun-gen). Ferner erfolgen ergänzend zu den er-mittelten Kenndaten, anhand von Potenzial-abschätzungen, erste Charakterisierungenhinsichtlich des zu erwartenden thermischenVerhaltens des Materials beziehungsweisedes Bauteils.Für den Bereich passiv wirksames Bauteilwerden wesentliche Vorarbeiten aus der EPFLausanne/I-Bois, ergänzt mit eigenen Versu-chen insbesondere hinsichtlich bauphysikali-scher Parameter, dargestellt.

Abb. 2.2 Herstellung von Musterplatten aus Holz-leichtbeton

Abb. 2.3 Vermessung eines thermisch aktivenFunktionsmodells aus Holzleichtbeton

Abb. 2.4 Mehrschichtiger Wandaufbau in Holz-leichtbeton-Massivholz-Verbundbau-weise (HLB-MH)

Holzleichtbeton Aktueller Wissensstand

(Grund-)Charakteristik

Thermisch “passiv” wirksames Bauteil

Thermisch “aktiv” wirksames Bauteil

MH-HLB-Verbund-bauweise

Material

Anwendungsbezug

Außenwand

Holzleichtbeton + PCM's

Historischer Überblick

2.2 Aktueller Wissensstand – Forschungsaktivitäten

Betrachtet man den aktuellen Wissensstandzum erweiterten Themenkomplex, ist festzu-stellen, dass die Arbeit im Wesentlichen dreiForschungsbereiche berührt:- Betontechnologie- Zement gebundene Holzwerkstoffe - LatentwärmespeichermaterialienAus der Fülle an Projekten werden besondereSchwerpunktsetzungen und für die Dissertati-on wichtige (Vor-)Arbeiten dargestellt.

2.2.1 BetontechnologieDer Bereich der Betontechnologie umfasst inder Breite wie in der Tiefe die umfangreich-sten Forschungsaktivitäten. Dabei seien ver-einfachend für den Hochbau drei Arbeitsfelderbeispielhaft herausgestellt:- Selbstverdichtende Betone- Hochfeste (Konstruktionsleicht-)Betone- Textilbewehrte BetoneAls eines der “Topthemen”4 der Betonbau-technologie gilt der so genannte selbstver-dichtende Beton (SVB) beziehungsweiseSelf-Compacting-Concrete (SCC). Ziel ist dieVermeidung von Verdichtungsarbeit amFrischbeton, sei es auf der Baustelle oder imFertigteilwerk. Mittels neu entwickelter Fließ-mittel auf Basis von Polycarboxylatether(PCE) und einer hohen Dosierung von Zu-satzstoffen (Steinmehl oder Flugasche mitKorngrößen ≤ 0,125 mm), gegebenenfalls un-ter Zugabe von Stabilisatoren, lassen sich Be-tone mit sehr hoher Fließfähigkeit bei entmi-schungsfreien Viskositäten einstellen, dieohne mechanische Einwirkung entlüften undsich selbst verdichten.Dadurch wird die Herstellung von besondersschlanken Bauteilen mit engliegender Beweh-rung und anspruchsvoller geometrischer


Aktueller Wissensstand –

Forschungs-aktivitäten

13

Holz als tragender Baustoff, ob als Konstrukti-onsvollholz oder in Verbundbauweisen, kannsich am Baumarkt nur dann erfolgreich(er)durchsetzen, wenn die Konstruktionen Quali-täten aufweisen, welche nicht nur funktional,technisch und gestalterisch überzeugen, son-dern auch in der Wirtschaftlichkeit begründetsind. Daher liegen der Arbeit als konzeptio-neller Prospekt, die Erhöhung von Materialva-rianten sowie die Konzeption neuer Konstruk-tionen zugrunde, die auch einen möglichsthohen Vorfertigungsgrad erlauben, um eineninnovativen Beitrag für die Material-, Technik-und Formvielfalt von Zement gebundenenHolzwerkstoffen zu leisten.

Bei der Durchführung der Arbeiten wurdedeutlich, dass mit der Untersuchung und Wei-terentwicklung von Holzleichtbeton nicht nureine Vielzahl von weit verzweigten For-schungsaktivitäten berührt wird, sondern dasses sich um ein Material handelt, das zwischenzwei ‘Baustoffwelten’ angesiedelt ist. Dies be-trifft sowohl die unterschiedliche Mentalitätder handelnden Akteure als auch die Ver-schiedenartigkeit der betroffenen Unterneh-mensstrukturen.

Ein neuer Ansatz ist die Untersuchung vonflächigen Bauteilen aus Holzleichtbeton zumEinsatz als Massivabsorber.2 Gerade durchden Einsatz von thermisch aktiv wirksamenBauteilen kann der Verbrauch von Strom,Gas oder Öl für Gebäudeklimatisierung, undsomit auch die Umweltbelastung, zusätzlichreduziert werden, bei einem durch die beson-deren, positiven Eigenschaften des Holzesangenehmen Raumklima.Aufbauend auf diese Kapitel sind die Untersu-chungen zur Kombination von Holzleichtbetonmit Latentwärmespeichermaterialien ange-legt. Seit einigen Jahren forscht man in unter-schiedlichen Bereichen an der Verbindungdieser hochwärmespeichernden Materialienmit organischen und anorganischen Baustof-fen. Gerade diese Kombination versprichtweitere funktionale Vorteile. Dies erfordert je-doch umfangreiche Grundlagenstudien, wiedie Konzeption und Anfertigung von Rezeptu-ren, die Ermittlung baukonstruktiver und bau-physikalischer Parameter.

Im abschließenden Kapitel 8 werden baulicheZusammenhänge dargestellt. Dies umfasstvor allem experimentelle Untersuchungen zufarbigen und strukturierten Oberflächen sowieerste Ansätze zum Einsatz von Betonzusatz-mitteln. Daran schließt sich eine Darstellungprinzipieller Aufbauten und Schichtenfolgenals Grundlage zur Entwicklung von (Außen-)Wandkonstruktionen in der Holzleichtbeton-Massivholz-Verbundbauweise an.

Ziel der Untersuchungen ist die Erlangung ei-ner gesicherten Datenbasis für die Entwick-lung und den Bau von bautechnisch prakti-kablen und wirtschaftlich marktfähigen Ele-menten. Ferner sollen Grundlagen für dieHerstellung ‘konventioneller’, das heißt in Ort-beton hergestellter sowie industriell gefertigter(Außenwand-)Bauteile erarbeitet werden.3


Aktueller Wissensstand – Forschungs-aktivitäten

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rossionsbeständigen textilen Fasern als Be-wehrungsmaterial zunehmend an Bedeutung.(Abb. 2.5) Dieser neue Konstruktionswerkstoff“Textilbewehrter Beton” ermöglicht durch denEinsatz von Fasern die Fertigung relativdünnwandiger Bauteile, da nur mehr eine ge-ringe Bewehrungsüberdeckung zum Schutzvor Korrosion und Hitzeversagen im Brandfallerforderlich ist. Von den mechanischen Eigenschaften bis zurBauteilentwicklung werden seit Juli 1999 un-ter anderem an der RWTH Aachen in experi-mentellen Untersuchungen – im Rahmen desvon der Deutschen Forschungsgemeinschaft(DFG) geförderten Sonderforschungsberei-ches (SFB) 532 “Textilbewehrter Beton”Grundlagen für die Entwicklung dieser Tech-nologie erarbeitet. Die bisher vorliegenden Er-gebnisse zeigen, dass textilbewehrter Betonüber die Substitution herkömmlicher Materiali-en und vorhandener Konstruktionen hinausauch für den Betonbau neue Anwendungsfel-der erschließen kann.

Neben den großen Erwartungen an die Ver-wendung von textilen Fasern kennzeichnetdie aktuellen Forschungen im Bereich der Be-tontechnologie vor allem ein verstärkter Ein-satz von bauchemischen Stoffen. Dabei wer-den einerseits für Zement gebundene Werk-stoffe mittlerweile extrem hohe Festigkeits-werte erzielt, andererseits gelingt die Herstel-lung äußerst gefügedichter Sichtbeton-oberflächen. Diese Entwicklungen zielen be-sonders auf neue Impulse im Fertigteilbau.

2.2.2 Zement gebundene HolzwerkstoffeDie Entwicklungsziele von Holzwerkstoffenwaren und sind einerseits eine bessere Aus-nutzung des (Baum-)Holzes, das heißt dieVerwertung von Schwachholz sowie Holzrest-stoffen, andererseits eine Optimierung bau-konstruktiver und bauphysikalischer Kenngrö-

Porenräume zwischen den Zementkörner, er-höhen den Verbund zwischen Zementsteinund Gesteinskörnung und bilden zusätzlichfestigkeitssteigernde Calciumsilikathydrate.Allerdings scheinen die Grenzen der Festig-keitssteigerung keineswegs ausgeschöpft. Soerreicht man unter Laborbedingungen bereitsDruckfestigkeiten von 600 N/mm2. Durch Zu-gabe von Stahlfasern sowie eine zusätzlicheDruck- und Hitzebehandlung konnten inFrankreich mit so genannten “ultra hochfe-sten” Betonen sogar Festigkeitswerte bis 800N/mm2 erzielt werden. Damit liegen minerali-sche Werkstoffe mittlerweile bei den Abmes-sungen und Gewichten im Bereich des Stahl-baus.6

Ein wichtiges Anwendungsfeld hochfester Be-tone bildet der Fertigteilbau. Die Abnahmeder Querschnittsabmessungen führt zur Sen-kung der Bauteilgewichte und damit zu niedri-geren Transport- und Montagekosten. Nebender Beschleunigung des Herstellungsprozes-ses durch schnellere Hydratation (Festigkeits-entwicklung) kann gerade im Fertigteilwerkdie für den hochfesten Beton erforderlicheQualitätssicherung gewährleistet werden.Eine weitere Form der Hochleistungsbetoneist der hochfeste Konstruktionsleichtbeton.Dieser verbindet niedrige Rohdichten mit ho-her Druckfestigkeit und großer Dichtigkeit.Darüber hinaus führen Weiterentwicklungenin der Betontechnologie, zum Beispiel neuarti-ge Umhüllungen von Leichtzuschlägen,7 zurErweiterung der Einsatzmöglichkeiten beigleichzeitiger Erhöhung der Witterungsbe-ständigkeit. Durch diese Materialeigenschaf-ten, in Verbindung mit einer schnellen Festig-keitsentwicklung, ist der hochfeste Konstrukti-onsleichtbeton ebenfalls besonders für An-wendungen im Fertigteilbau geeignet.8

Neben diesen werkstofflichen ‘Superlativen’gewinnt die Kombination von Beton mit kor-

Form bei gleichzeitig guten Sichtbetonflächenund dichter Oberflächenstruktur deutlich ver-bessert.5

Entwicklungen im Festbetonbereich erstrek-ken sich auf die Erhöhung der Festigkeitenund des Widerstands gegenüber schädigen-den Angriffen von flüssigen oder gasförmigenMedien (Frost-Chlorid-, chemische Angriffe;Auffangbauwerke für wassergefährdendeStoffe). Diese Betone werden deshalb auchals Hochleistungsbetone bezeichnet. Im inter-nationalen Hochhausbau sind Betonfestigkei-ten von über 135 N/mm2 erreicht worden. Diese Betone weisen einen niedrigen Was-ser/Zement-Wert auf und besitzen durch denEinsatz von silikatischen Feinststäuben (Sili-castaub) ein sehr viel dichteres Zementstein-gefüge. Die Partikel sind um den Faktor 100kleiner als Zementkörner, füllen dadurch die

Abb. 2.5 Verwendung von alkaliresistenten Glas-fasern in Normalbeton(etwa Originalgröße)

ner Parameter, wie Korngrößen des Resthol-zes (Abb. 2.6), Zementart, Holzgehalt, Was-ser-Zement-Wert. Diese Arbeiten ergänzt dieErmittlung bauphysikalischer und baukon-struktiver Eigenschaften sowie die Untersu-chung des Tragverhaltens unterschiedlicherSysteme im Rahmen einer Bauteilstudie.Damit wurden an der EPF Lausanne/I-Boiswichtige Grundlagenarbeiten geleistet, mitdem angestrebten Ziel, neben bereits amMarkt bestehenden Holz-Zement-Wasser-Baustoffen eine “Baustoffreihe zum Normal-beton unter Zugabe eigenschaftsverändern-der Holzmaterialien und unter Beachtung ex-akt definierter Nebeneinflüsse”14 weiterzuent-wickeln.

Für den Bereich der Zement gebundene Holz-werkstoffe zeigt sich, dass die Potenziale, die


Aktueller Wissensstand –

Forschungs-aktivitäten

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maligen Deutschen Demokratischen Republikzum Holzbeton, in ihrer Dissertation10 die Wir-kung von Holzinhaltsstoffen auf die Zement-hydratation und Möglichkeiten einer gezieltenEinflussnahme. Schubert stellt heraus, daszwar der negative Einfluss des wasserlösli-chen Holzzuckers beim Abbindevorgang inForschung und Praxis unbestritten sei. Wel-che Auswirkungen und welchen Anteil jedochweitere Stoffe, wie phenolische Inhaltsstoffeoder Hemicellulosen, an der Zementinhibitionaufweisen, sei nicht eindeutig geklärt. Ebensoweist die Autorin daraufhin, dass bezüglichdes “Reaktionsmechanismus der Zementinhi-bition” unterschiedliche “Theorien” bestün-den.11

Ziel der sehr spezifischen Studien im Bereichder Materialchemie ist, bei Holz-Zement-Mi-schungen “den möglichen Holzarteneinsatzbei gleichbleibenden Qualitätsparametern derWerkstoffe zu erweitern”12. Gerade hinsicht-lich der Fertigung von Holzwolle-Leichtbau-platten, Holzbeton und Zement gebundenenHolzspanplatten erwartet man sich Hinweisezu einer größeren stofflichen Unabhängigkeitbei der Auswahl der Holzarten.Ein mittlerweile etabliertes Zentrum im Be-reich von Forschungen zum Holzleichtbetonhat sich am Lehrstuhl für Holzkonstruktionender EPF Lausanne/I-Bois herausgebildet. Esist vor allem Prof. Julius Natterer, dem es anseinem Institut in einer Vielzahl von Arbeitengelang, dem Thema wieder neue Impulse zuverschaffen.Seit Mitte der 1990er Jahre werden dort vorallem baukonstruktive Grundlagen zum Holz-leichtbeton erarbeitet.13 Kai-Uwe Gliniorz un-tersucht – ebenfalls im Rahmen einer Disser-tation – neue Rezepturreihen zur Verarbei-tung von Restprodukten der Holz verarbeiten-den Industrie mit anorganischen Bindemittelnund bestimmt anhand von “Regressionsglei-chungen” die Interdependenzen verschiede-

ßen, unter Beibehaltung der positiven Eigen-schaften des Holzes. Ebenso gilt es durch ge-zielte Verfahrensschritte die mitunter großennatürlichen Schwankungen im Material einzu-schränken beziehungsweise ganz auszu-schalten, um mittels definierter und standardi-sierter Rechenwerte Holz(-werkstoffe) auchverstärkt im Bereich industrieller Fertigungs-techniken zu etablieren.Verbundwerkstoffe aus mineralischen Binde-mitteln und organischen Zuschlagsstoffensind bereits seit vielen Jahrzehnten am Bau-markt verfügbar. Produkte, wie Steinholz,Holzwolle-Leichtbauplatten, Zement gebunde-ne Werkstoffplatten, Holzspan-Mantelsteine,stehen dabei im Wettbewerb mit rein minerali-schen Werkstoffen oder Holzwerkstoffen. Erst durch eine verstärkte Verwertung vonAbfällen aus der Holz verarbeitenden Indu-strie sind in den vergangenen Jahren erneutAnstrengungen unternommen worden, umZement gebundene Holzwerkstoffe weiter zuentwickeln und neue Anwendungsgebiete zuerschließen. In diesem Zusammenhang istzum Beispiel auf ein neues Produkt zur Wär-medämmung, mit Zementleim imprägnierteHolzspäne, so genannte Climate Chips, zuverweisen.9 Darüber hinaus ist eine weitereZielsetzung, langfristig – wo möglich – Ge-steinskörnung durch das nachwachsende Ma-terial Holz zu ersetzen.

Im Bereich der Zement-Holz-Wasser-Mi-schungen markieren vor allem zwei Arbeitenaus den 1990er Jahren wichtige Forschungs-schwerpunkte. Untersuchungsgegenstand isteinerseits der (negative) Einfluss von Inhibito-ren auf die Zementhydratation, andererseitswerden Grundlagen zum Holzleichtbeton mitdem Ziel, die Zugfestigkeit des Materials zuverbessern, erarbeitetet.Bärbel Schubert analysiert, anknüpfend andie umfangreichen Forschungen in der ehe-

Abb. 2.6 Siebmaschine mit verschiedenen Ein-sätzen zur Sortierung von Restholz ander EPFL/I-Bois


Aktueller Wissensstand – Forschungs-aktivitäten

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schiedlichen Systemvarianten untersucht: - Speicherung von Wärme und Kälte- Dämpfung von Temperaturzyklen- Kappung von Temperaturspitzen - Phasenverschiebung von Temperatur-

schwankungenMit eingelagerten PCM, wie Paraffinen oderSalzhydraten beziehungsweise Salzhydratmi-schungen in oberflächennahe Bauteilschich-ten, kann zum Beispiel die Wärmekapazitätvon Umschließungsflächen deutlich erhöhtund somit das Raumklima bei hohen (Au-ßen-)Temperaturen stabilisiert werden. Dieüber den Tag in das Gebäude eingestrahlteWärme wird in den Wand- und/oder Decken-beziehungsweise Bodenflächen gespeichert.Durch eine effiziente Kühlung muss in denNachtstunden eine Entladung erfolgen. Bei-des gewährleistet im Zusammenwirken ange-nehm temperierte Räume im (Hoch-)Sommer.

Das Bundesministerium für Wirtschaft und Ar-beit (BMWA) fördert in diesem Zusammen-hang zwei große Verbundprojekte. Unter derFederführung des Fraunhofer-Instituts für So-lare Energiesysteme (ISE) in Freiburg werdengemeinsam mit verschiedenen Industriepart-nern Latentwärmespeichermaterialien für dieRaumklimatisierung weiterentwickelt.16

In diesem Projekt experimentiert man mit mi-kroverkapselten PCM-Material, das in wenigeMillimeter dünne Putzschichten von leichtenWandaufbauten eingebracht wird. Das in win-zigen Kunststoffkapseln versiegelte Paraffinerhöht deutlich die Wärmespeicherfähigkeitvon Innenputzen und Trockenbauplatten. DieArt der Verkapselung verhindert eine Beein-trächtigung des Materialgefüges und der Fe-stigkeit des Baustoffs. So erreicht nach Aus-sage der Forscher bereits eine 6 mm dickeDeckschicht die Speicherkapazität einer mas-siven Ziegelwand. Erste Produkte, mit denen eine neue Klasse

in dieser Materialkombination liegen, (wissen-schaftlich) bisher noch wenig erschöpfend be-handelt sind. Das Kompositmaterial, einge-bettet zwischen den beiden tradierten Bau-stoffen Holz und Beton sowie einer als Materi-al auf Wärmedämmung reduzierten Verwen-dung, eröffnet eine Vielzahl funktionaler, kon-struktiver und gestalterischer Vorteile.

2.2.3 LatentwärmespeichermaterialienLatentwärmespeichermaterialien stellen imBaubereich einen noch recht neuen, gleich-wohl seit einigen Jahren sehr aktiven For-schungsschwerpunkt dar. Man verspricht sich – auch seitens der Industrie – von den orga-nischen beziehungsweise anorganischenStoffen besonders im Bereich der Leichtbau-ten ein großes Innovationspotenzial.15 Alsdenkbare Einsatzmöglichkeiten von Latent-wärmespeichermaterialien werden in unter-

von Bauelementen für flexible Raumkonzeptebegründet werden soll, wurden im Dezember2003 vorgestellt.17 (Abb. 2.7) Den zusätzli-chen Vorteilen einer leichten Handhabungund einfacher Transportmöglichkeiten stehenindes noch hohe Materialkosten gegenüber.In dem zweiten Projektverbund Leitprojekt “In-novative PCM-Technologie” unter der Leitungdes ZAE Bayern, Abt. 1: Energieumwandlungund -speicherung, in Garching erarbeiten Fir-men und Forschungsinstitute in sieben Teil-projekten neue Einsatzmöglichkeiten vonPCM im Bereich der Gebäudetechnik, mitbreitem Anwendungsspektrum, das über denAnsatz der Mikroverkapselung hinausgeht. Indiesem mehrjährigen Forschungsprojekt18

wird an neuartigen Produkten in allen Stufen,von der Stoffentwicklung und Materialcharak-terisierung, über die 1:1-Erprobung einzelnerKomponenten bis hin zum Aufbau von Ge-samtsystemen gearbeitet.

Im Rahmen einer Dissertation an der Techni-schen Universität Berlin, Fachbereich 8 Archi-tektur19, wird eine Untersuchung zur Kombi-nation von Latentwärmespeichermaterialienmit Leichtbaumaterialien im Verbund mittransluzent gedämmten Außenwänden durch-geführt.20

Die Autorin kommt zu dem Ergebnis, dassbisherige Baustoffe mit PCM sich für dieKombination mit transluzenter Wärmedäm-mung (TWD) nicht eignen, da diese Materiali-en meist eine zu niedrige Wärmeleitfähigkeitfür einen ausreichenden Wärmetransport auf-weisen. Daher werden im Rahmen von expe-rimentellen Versuchen einem Holzfaser-Pa-raffin-Verbundmaterial sehr gut leitende me-tallische Fasern (recyceltes Aluminium) bei-gemischt. Bei den Untersuchungen zeigt sich,dass für ein wirkungsvolles thermisches Ver-halten die Ausrichtung der Fasern zielgerich-tet und quer zur Wand erfolgen muss.

Abb. 2.7 Mikroverkapselte Latentwärmespeicher-materialien in Gipsputzen

Eine weitere wesentliche Einschränkung be-trifft eine ursprüngliche Zielrichtung, den Holz-leichtbeton als statisch beanspruchbaresBauteil ebenfalls in die Untersuchungen mit-einzubeziehen. Indes zeigen erste überschlä-gige Abschätzungen, dass sowohl mit ein-schalig/einschichtigen wie einschalig/mehr-schichtigen Wandaufbauten die Anforderun-gen an einen ausreichenden Wärmeschutznur bedingt zu erreichen sind. Daher er-scheint es richtig, sich bei den Untersuchun-gen von Beginn an auf wärmedämmende undwärmespeichernde Funktionen des Materialszu beschränken. Des weiteren stellt im Sinne einer Erweite-rung der Einsatzmöglichkeiten von (Mas-siv-)Holz die Kombination mit Brettstapelkon-struktionen zur Lastabtragung einen gleicher-maßen baukonstruktiv effizienten wie ökolo-gisch sinnvollen Arbeitsansatz dar.

Materialspezifische Untersuchungen an ei-nem (neuen) Kompositmaterial können zurErlangung aussagekräftiger, wissenschaftlichbelastbarer Ergebnisse nur – insbesonderewenn ein solches Vorhaben an einem Archi-tekten-Lehrstuhl bearbeitet wird – in Koopera-tion mit Experten als Partner aus Universitä-ten, öffentlichen und privaten Forschungsin-stituten sowie Firmen aus den einschlägigenForschungsbereichen durchgeführt werden.(Abb. 2.8)Die Anzahl der wesentlich Beteiligten zeigt,dass im Rahmen dieser Dissertation eine in-terdisziplinäre Struktur aufgebaut werdenkonnte. Diese beinhaltet sowohl die Nutzungvon Einrichtungen zum Herstellen und Ver-messen von Prüfkörpern und Musterplatten,wie auch die Durchführung experimentellerStudien, deren begleitende Auswertung sowiesich daran anschließende Simulationsarbei-ten.22


Abgrenzung und Positionierung der

Arbeitsschritte

17

2.3 Abgrenzung der Arbeitsschritte

Am Beginn der Untersuchungen zu Einsatz-möglichkeiten von Holzleichtbeton im Bereichvon Gebäudefassaden ist festzustellen, dasstrotz einer Reihe von Projekten, insbesonderezu den stofflichen Grundlagen von Holzleicht-beton viele Fragen noch nicht hinreichend er-arbeitet beziehungsweise beantwortet sind.Da es bisher nicht gelang, dass Thema in ei-nem größeren Forschungsverbund zu etablie-ren, blieben die bisherigen Aktivitäten aufzum Teil sehr spezifische Ansätze einge-schränkt. Die vorliegenden Ergebnisse von Grundla-genuntersuchungen und ersten Einschätzun-gen zur Dimensionierung und Herstellung vonFormbauteilen, lassen eine weitere Beschäfti-gung mit dem Material als äußerst aussichts-reich und viel versprechend erscheinen. An-gesichts der Fülle an Arbeitsthemen – undQuerbezügen – werden Einschränkungen undAbgrenzungen vorgenommen. Dies betrifft zunächst die Art der Herstellungder Holzleichtbetonmischungen. Wie im vor-hergehenden Kapitel kurz gestreift, sind dieFortschritte im Bereich der gegenwärtigen Be-tontechnologie ohne den Einsatz bauchemi-scher Stoffe nahezu nicht mehr denkbar.Trotzdem erscheint es insbesondere im Zu-sammenhang mit den erstmaligen Testreihenzur Kombination von Holzleichtbeton mit La-tentwärmespeichermaterialien sinnvoll, dieAnzahl der Versuchsparameter einzuschrän-ken und sowohl auf eine Vorbehandlung desHolzes als auch auf Betonzusatzmittel wieFließmittel, Luftporenbildner etc. zu verzich-ten. Darüber hinaus ist daran gedacht, auchfür spätere Anwendungen die Zusammenset-zung auf möglichst einfach handhabbarer Ba-sis zu untersuchen.

Mittels Simulationsrechnungen werden unter-schiedliche, mehrschichtige Wandaufbautenmit TWD verglichen. Ziel ist bei gleichenraumklimatischen Bedingungen die Bauteil-stärke und damit das Bauteilgewicht zu sen-ken ohne den Jahresheizwärmebedarf zu er-höhen. Es zeigt sich, dass der spezielle Ver-bund von Latentwärmespeichermaterial undmetallischen Fasern leichte und dünne raum-hohe Wandkonstruktionen (z.B. 8 cm) ermög-licht. In Kombination mit einer TWD lassensich damit herkömmliche schwere Speicher-wandkonstruktionen aus Beton oderKalksandstein ersetzen. Die Optimierung des Systems steht im Zu-sammenhang mit dem Heizwärmebedarf desGebäudes. Je geringer dieser Wert ist, destogrößer muss der Aufbau der (Leichtau-)Spei-cherwand und desto niedriger die Schmelz-temperatur des PCM sein.Für baupraktische Anwendungen stehen nochVersuche sowohl hinsichtlich fertigungstech-nischer Verbesserungen des “Holzfaser-Alu-minium-Verbundes” als auch bezüglich derbaukonstruktiven Ausbildung aus.

Die genannten Arbeiten werden von einerReihe europäischer und internationaler Pro-jekte begleitet.21 Herstellerfirmen von PCMforschen über den Gebäudesektor hinausebenfalls an weiteren Einsatzmöglichkeiten.Von den kurz skizzierten Forschungen in denBereichen: Betontechnologie, Zement gebun-de Holzwerkstoffe und Latentwärmespeicher-materialien, stellt letzterer gewiss den augen-blicklich am schwersten zu überblickendenSektor dar. Weltweit sind viele Aktivitäten zubeobachten, deren Ausgang und Ertrag, ins-besondere für den Bereich des allgemeinenHochbaus zurzeit noch offen ist. Aber hierentsteht ein spannendes und viel verspre-chendes Arbeitsfeld, gleichermaßen für dieForschung und die (Bau-)Praxis.


Abgrenzung und Positionierung der Arbeitsschritte

18

Anmerkungen 1 Vgl. Hegger/Molter, 1/2001, S. 402 Es gibt nach Wissen des Autors bisher noch keine

Experimente mit “aktiven” Verbundelementen aufLeichtbetonbasis.

3 Zur Positionierung der Arbeit vgl.: Hegger/Molter, 1/2001, S. 40-42

4 Vgl. Radwan, 07.09.2001, S. 205 Vgl. Selbstverdichtender Beton - eine Demonstration,

6/2001, S. 28; Ludwig et al., 2002, S. 113-1316 Vgl. Hegger/Kommer, 2000, S. 45f.7 Vgl. Müller, 1/1999, S. 184-1938 Vgl. Hegger/Kommer, 2000, S. 55f.9 Vgl. Fa. Dr.-Ing. Mahler+Partner GmbH, Finnentrop.

Vgl. Prüfzeugnis der MPA NRW - Materialprüfungs-amt Nordrhein-Westfalen, Nr. 42 0609 0 96, v. 20.08.1996

10 Schubert, 199111 Vgl. Schubert, 1991, S. 212 Schubert, 1991, S. 313 Vgl. u.a. Gliniorz/Natterer, 200014 Gliniorz/Natterer, 2000, S. 915 Vgl. http://www.zae-bayern.de/pcm/index_neu.html

<28.07.2003>16 Vgl. Kruse/Friedrich, 06/200217 Vgl. SOBIC Seminar, 03.12.200318 Das Projekt startete im Sommer 1999 und die Lauf-

zeit beträgt 5 Jahre.19 Am Institut für Konstruktives Entwerfen und Klimage-

rechtes Bauen, Prof. Rainer Hascher20 Lenzen, 200121 Wie den Workshops der International Energy Agency

(IEA), ECES IA Annex 17, dem (neuen) EU ProjektMOPCON oder dem PCM-Gypsum board der Not-tingham Trent University. Vgl. Mehling et al., 2002

22 Dabei waren neben den Werkstätten im TechnischenZentrum der Fakultät für Architektur insbesondereauch die Arbeitsräume des Materialprüfungsamts fürdas Bauwesen (MPA Bau) der Technischen Universi-tät München eine wichtige professionelle Hilfe.

Abb. 2.8 Arbeitsstruktur mit den eingebundenenKooperationspartnern aus Universitäten,öffentlichen und privaten Forschungsin-stituten sowie Firmen

Holzleichtbeton als Materialfür thermisch passive Bauteile

Aufbauten/KoordinationAuswertung(Kapitel 5)

Holzleichtbeton als Materialfür thermisch aktive Bauteile

Aufbauten/Vorarbeiten/KoordinationAuswertung(Kapitel 6)

Holzleichtbetonund PCM-MaterialienIdee/Konzeption/Rezepturen

Vorarbeiten/KoordinationAuswertung(Kapitel 7)

Außenwandkonstruktionen mitHolzleichtbeton

Idee/Konzeption/RezepturenVorarbeiten/Koordination/Auswertung

(Kapitel 8)

EPFL/I-BoisHLB-GrundlagenHLB-Rezepturen

IEZ Natterer GmbHKonzepte für thermisch

aktive Bauteile

IEZ Natterer GmbHHerstellung v. PK's

ZAE Bayern Abt. 2Bauphys. Untersuchung

ZAE Bayern Abt. 4Potenzialabschätzung

IEZ Natterer GmbHBau von Funktionsmodellen

ZAE Bayern Abt. 4Vermessung Funktionsmodelle


Fa. RUBITHERMPCM-Materialien

Holzforschung TUMHolzfeuchte/Brandversuch

MPA Bau TUMBetonage/baukonstr. Prüfungen

Fa. DelzerFeuchteausgleichverhalten

ZAE Bayern Abt. 2Bauphysikalische Untersuchung


Fa. OWA/FMPA StuttgartBrandversuche

Fa. WD-InstitutFrost-/Tauwechsel

Fa. MerkleBrettstapelkonstruktionen

Fa. Scholz/Sika AddimentPigmente/Fließmittel

MPA Bau TUM Betonage/baukonstr. Prüfungen

Vorarbeitenverfügbare Ausgangsdaten

von dritter Seite

Kooperation mitExternen

Institute, Firmen

Inhaltliche Arbeitsschwerpunkte der Dissertation

Arbeitsschritte

IEZ Natterer GmbHBS/HLB-Grundlagen

vorgehende, unterschiedliche Produktent-wicklungen: die Holzwolle-Leichtbauplatteund den Holz(span)beton.Zement gebundene Holzspäne in Form vonleichten, gepressten Platten gelten zwar als‘klassischer’ Vorläufer des Holzbetons, sindauch die Leichtbauplatten aus Holzwolle in“gewissem Grade stofflich zum Holzbeton zuzählen”4, gleichwohl unterscheidet sich dieHolzwolle-Leichtbauplatte sowohl hinsichtlichdes stofflichen Gefüges, der Oberflächen-struktur als auch von den Anwendungspoten-zialen her deutlich vom Holzbeton.

Entwicklungen in den 1930er Jahren zumVerbund von Holzspänen mit Zement als Bin-demittel bilden die Grundlagen für Holzbeton,der auch als “Holzspanbeton”5 bezeichnetwird. Vor allem in den Jahren nach 1945 wer-den vielfach Bemühungen um eine begriffli-che (Neu-)Bestimmung des Materialkompo-sits sichtbar. Nach Hummel soll als Holzbetonausschließlich ein mit Holz anstelle von Stahl-einlagen bewehrter Schwer- oder Leichtbetonbezeichnet werden. Ferner schlägt er vor, Be-tone mit organischen Füllstoffen nach Art desZuschlags zum Beispiel als “Sägemehlbeton”,“Korkbeton” etc. zu bezeichnen.6

Auch Charisius thematisiert in seiner Arbeiteine mögliche Verwechslung der Materialien“Holzbeton” und “Holz bewehrter [Schwer-]Beton” und bezeichnet, letztlich in einer sehrallgemein gehaltenen Diktion, Holzbeton als“mehr oder weniger stark verdichtetes Ge-misch von Zement mit organischen Zu-schlagsstoffen, vornehmlich Sägespänen, Ho-belspänen und Sägemehl, […], dem mitunterbegrenzte Mengen anorganischer Füllstoffe inPulverform und sandähnlichen Aufbaus zuge-setzt werden.”7

Neben den Ausgangsmaterialien bildet dieRohdichte (Raumgewicht) eine wichtige

Holzleichtbeton

Begriffs-bestimmung

19

3 Holzleichtbeton

Die Entwicklungsgeschichte der Kombinationvon organischen Füllstoffen mit anorgani-schen Bindemitteln ist begleitet vom Ge-brauch unterschiedlicher Termini. Dabei spie-len einerseits der Herstellungsprozess unddie hierzu verwendeten Ausgangsmaterialieneine wichtige Rolle, andererseits werden ein-geführte Produktnamen, mitunter als eingetra-genes Warenzeichen und/oder tradierter Mar-kenname, synonym verwendet. Nicht einfacher wird der Sachverhalt, wenneine Materialkombination Fachdisziplinenzweier wesentlicher Baustoffbereiche, mit je-weils weitgehend unabhängig voneinanderetablierter Systematik, zusammenführt. In ei-nem derart heterogenen Marktsegment einenProduktnamen1 vorzuschlagen, soll zu einerbegrifflichen Schärfung führen und auf Sinn-fälligkeit sowie Prägnanz in Phonetik und imGebrauch zielen.

Betrachtet man im Folgenden das “SystemHolz-Zement-Wasser”2, sind seit Mitte des 20. Jahrhunderts mehrere Bezeichnungen imUmlauf. In Meyers Großem Taschenlexikon3

wird zunächst zwischen Holzzement undHolzbeton unterschieden. Holzzement be-zeichnet einerseits Holzkitt; in diesem Zusam-menhang wird auch von plastischem, flüssi-gem Holz gesprochen. Andererseits werdendarunter im Bauwesen elastische, fußwarmeBodenbeläge aus Holzspänen und Zementverstanden. Unter Holzbeton fasst man einen“Leichtbeton aus Zement und Säge- oder Ho-belspänen beziehungsweise Holzwolle” zu-sammen.Diese aus den Ausgangsmaterialien Holz undZement/Beton resultierende Begriffsbestim-mung enthält jedoch bereits zwei daraus her-

3.1 Begriffsbestimmung

Holzleichtbeton

Begriffs-bestimmung

20

Somit kann Holzleichtbeton ebenfalls alsHolzverbundwerkstoff bezeichnet werden,das heißt als 'mittel-'verdichtetes Gemischaus etwa < 25 Masse-Prozent zerkleinerterHolzspäne beziehungsweise Sägemehl, etwa< 65 Masse-Prozent hydraulisches Bindemit-tel und Wasser sowie gegebenenfalls weite-ren Zusätzen.

“leicht” zu “Holzleichtbeton” gleichermaßensachlich begründet und auch als Produktna-me prägnant und identifizierbar.Erstmals hat Prof. Natterer, der in Rahmenvon Forschungsarbeiten an der EPF Lau-sanne/I-Bois seit Mitte der 1990er Jahre dasThema neu behandelt, den Terminus “Holz-leichtbeton”11, als Leichtbeton mit Holz als or-ganischen Zuschlagsstoff, verwendet. DiesesVerbundmaterial setzt sich aus Sägespänenbzw. Sägemehl als Restprodukt aus der Holzverarbeitenden Industrie (vor allem Nadelhöl-zern wie Fichte, Tanne oder Douglasie), Ze-ment (evt. Kalkzuschlag), Wasser und Additi-ven (zur Oberflächenbeschichtung, Farbge-bung) zusammen.

Darüber hinaus soll kurz auf den Terminus“Holzwerkstoffe” Bezug genommen werden.In dem Buch “Holzplattenbau”12 wird von denAutoren der Versuch einer Klärung unterge-nommen, da auch dieser Begriff nicht genauabgegrenzt ist und ebenfalls traditionelle Be-zeichnungen sowie neue Produktnamen zueiner unübersichtlichen Marktsituation führen.Unter dem Sammelbegriff “Holzwerkstoffe”werden zunächst weiterhin alle aus Holz her-gestellten Werkstoffe zusammengefasst undzusätzlich für Platten und Stäbe, die sich ausverschiedenen Ausgangsstoffen zusammen-setzen, die Begriffe “Kompositholz” sowie“Kompositholzplatten” vorgeschlagen.13

Für eine bessere Unterscheidung erscheintindes eine Differenzierung zwischen “Holz-werkstoffen” und “Holzverbundwerkstoffen”14

sinnvoll:- Holzwerkstoffe, als Produkte aus dem Ver-

bund von Holz mit lignozellulosehaltigenFaserrohstoffen

- Holzverbundwerkstoffe als Produkte ausdem Verbund von Holz mit hydraulischenBindemitteln, wie Faserzementplatten,Holzwolle-Leichtbauplatten

Kenngröße zur Klassifizierung von Materiali-en. Die Betoneigenschaften, wie Festigkeit,Wärmeleitfähigkeit etc., werden durch Art undMenge der verwendeten Zuschläge und Zu-sätze bestimmt und deren Gewicht sowie Ge-fügeart kennzeichnen die Betonarten. Die DINEN 206-1 unterscheidet hinsichtlich der Trok-kenrohdichte die gefügedichten Betone nach8

- Schwerbeton (> 2600 kg/m3)- Normalbeton (> 2000 - 2600 kg/m3)- Leichtbeton (≥ 800 - 2000 kg/m3)

Haufwerksporige Leichtbetone, Poren- be-ziehungsweise Schaumbetone erreichenRohdichtewerte zwischen 400 bis 1000 kg/m3

Bereits Charisius zählt den Holzbeton (mitRohdichten zwischen 500 und 1500 kg/m3)explizit zu den Leichtbetonen, der sich aberdurch die Art der Zuschlagsstoffe von den‘klassischen’ Leichtbetonen unterscheide.Darüber hinaus stellt er neben den günstigenWärmedämm- und Bearbeitungseigenschaf-ten vor allem das leichte Gewicht der Produk-te heraus.9

Bezüglich der stofflichen Zusammensetzungvon Holzbeton und Holzleichtbeton bestehen,vielleicht abgesehen von Formen der Holzvor-behandlung, keine nennenswerten Unter-schiede. Eine Klassifikationen allein hinsicht-lich der Rohdichte vorzunehmen, erscheint in-des schwierig10, da auch der Holz(span)betonRohdichten im Bereich von 400 bis 600 kg/m3

aufweist. Somit sind alle relevanten Merkmaleund Eigenschaften eingeführt, die nun zusam-mengebracht werden müssen.

Vor diesem Hintergrund erscheint, auch alsAbgrenzung zu den kleinformatigen Holzbe-ton-Mantelsteinen und mit Zielrichtung auf dieEntwicklung und Etablierung eines leistungs-fähigen Leicht-Baustoffs für eine industrielleHerstellung von Fertigteilen, die Kombinationvon “Holz” und “Beton” mit dem Adjektiv

Holzleichtbeton

Ausgangsstoff Holz

21

schwankt die Rohdichte zwischen 100 und1200 kg/m3. Sie kann aber auch innerhalb ei-ner Holzart abweichen. Die Rohdichte, vonder die anderen Holzeigenschaften wesent-lich beeinflusst werden, ist wiederum abhän-gig von der Holzfeuchte.Holz ist ein hygroskopisches Material, das dieEigenschaft besitzt, aus der UmgebungsluftFeuchtigkeit aufzunehmen (Absorption) undan diese wieder abzugeben (Desorption).Veränderungen der relativen Luftfeuchte be-einflussen somit die Holzfeuchte und wirkenauf die Dimensions- und gegebenenfalls dieFormstabilität von Holzbauteilen. Den Faser-sättigungsgrad mit etwa 30 % Holzfeuchte er-reicht Holz bei etwa 100 % Luftfeuchte be-ziehungsweise in feuchtegesättigter Luft.

Die Holzfeuchte [u], ermittelt über die Masse

der feuchten [mu] und der trockenen Holzpro-

mu - mo

mou = · 100 [%]

Unter Holz werden umgangssprachlich meistStämme, Äste und Wurzeln von Holzgewäch-sen zusammengefasst. Dagegen kommt Holzim Baubereich nahezu ausschließlich in bear-beiteter Form vor, einerseits als Halbzeug ausVollholz, andererseits als Produkt aus Holz-und Holzverbundwerkstoffen.Holz hat einen porösen, inhomogenen und,bezogen auf die Faserrichtung, anisotropenGefügeaufbau. Im Zentrum liegt das Mark,das von einem breiten Holzkörper umschlos-sen wird. Dieser setzt sich bei den meistenHolzarten aus dem sich durch Wechsel inStruktur und Färbung voneinander abheben-den Jahresringen zusammen. Die hellere äu-ßere Zone besteht aus den lebenden jüng-sten Jahresringen und wird als Splint (Weich-Holz) bezeichnet. Der dunkel gefärbte Kernist das Kern-Holz, das durch die Einlagerungbestimmter Stoffe (Oxidationsprodukte vonGerbstoffen) besonders geschützt wird unddaher eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen-über atmosphärischen Einflüssen, Pilzen undInsekten aufweist. Jahresringstellung und Fa-serverlauf sind wichtige Strukturmerkmaledes Holzes und bestimmen dessen techni-sche Eigenschaften.15

Die Holzarten werden auch vom Aufbau herin Nadel- und Laubhölzer unterschieden. DasZellgefüge des entwicklungsgeschichtlich äl-teren Nadelholzes ist einfacher aufgebaut alsbeim Laubholz, das ‘spezialisierte’ Zelltypenaufweist.16 (Abb. 3.1)

3.2.1 Eigenschaften von Holz 17

Holz ist ein sehr vielseitiger Baustoff, dessenEigenschaften und Qualitäten sich hinsichtlichHolzart und Standort erheblich unterscheidenkönnen. Bei den verschiedenen Holzarten

3.2 Ausgangsstoff Holz

be [mo], nimmt erheblichen Einfluss auf dieHolzeigenschaften. Eine Zunahme vonFeuchte führt zum Quellen, eine Abnahmezum Schwinden. Diese Bewegungen werdenzahlenmäßig in dem differenziellen Schwind-maß (radial/tangential) (in % je 1 % Holz-feuchteänderung) für nahezu alle Holzartenerfasst. Das Schwind- und Quellverhaltenwird auch von der Struktur und dem Aufbaudes Holzes beeinflusst.18

Die im Material sich einstellende Holzfeuchteist maßgeblich von der Einbausituation be-ziehungsweise der Lage der Bauteile abhän-gig. Es sind bezüglich der Gleichgewichts-feuchten nachfolgende prozentualen Anteilezu erwarten:- Beheizte Innenräume 6 bis 12 %19

- Unbeheizte Dachräume 12 bis 18 %- Bauteile im Freien unter Dach 12 bis 22 %Für den Einbau von Holz bestehen darüberhinaus zusätzlich Anforderungen je nach Ver-wendungszweck als Konstruktionsholz oderBekleidungsmaterial. Holz mit überwiegend

Abb. 3.1 Ausgewählte heimische Holzarten (Vgl. Natterer et al., 2/1996, S. 35)

Holz Fichte

Nadelholz

Laubholz

Lärche

Kiefer

Tanne

Birke

Eiche

Buche

Esche

Holzleichtbeton

AusgangsstoffHolz

22

Sägemehl, Sägespäne 43 %

Rinde

Bau- und Abbruchholz

29 %

10 %

Schwarten, Spreißel

Spanplattenabfälle

Staub und Schlamm

Holzschleifstäube

9 %

5 %

2 %

1 %

Sonstiges 1 %

als Brennstoff. Dieser Anteil von Holzresten,in erster Linie Sägemehl und Sägespänekönnte indes in viel größerem Maßstab zu-sätzlich als Füllmaterial in Kompositbaustof-fen beim Bauen ‘veredelt’ werden. Holzspäneund Sägemehl stellen ein ‘nachhaltiges’ nutz-bares Bewehrungsmaterial sowie eine Füll-substanz als Zuschlagsstoff dar.

Ein wesentlicher, auch ökolgischer Ansatz istdie Verwendung regional vorhandener undverarbeiteter Holzarten. Aufgrund der großenregionalen Verbreitung von Nadelbäumen wieFichte und Kiefer eignen sich diese beson-ders als Zuschlagsstoff. Beide Hölzer weisendurch die ähnliche Jahresringstruktur ver-gleichbare Zerspanungsbedingungen auf, dasheißt es sind weitgehend gleich besetzteSiebfraktionen zu erwarten. Dagegen unter-scheidet sich die Tränkbarkeit; während Kie-fernholz rasch Wasser aufnimmt, vollziehtsich dies bei Fichte sehr langsam. Von denLaubbäumen lassen sich Buche und Birkeebenfalls leicht zerspanen; beide weisen je-doch einen deutlich geringeren Verbreitungs-anteil auf.Untersuchungen haben gezeigt, dass sich füreine Verbindung von Holz und Zementleimaufgrund der hemmenden Wirkung von Holz-inhaltsstoffen auf das Abbindeverhalten nichtalle Holzarten eignen.24

Für die Beurteilung der Bewehrungseigen-schaften ist zu berücksichtigen, dass die Bei-mischung von Fasern und Spänen unter-schiedliche Effekte erzielt. Holzfasern weiseneine höhere Zugfestigkeit auf und beeinflus-sen somit Dichte, Biegezugfestigkeit und E-Modul positiv.

Bei der Nutzung von Holz als Zuschlagsstoffist abzuwägen, inwieweit die Notwendigkeitder exakten Ermittlung einer Sieblinie besteht,die unter Umständen für eine Stoffraumbere-

bekleidenden Funktionen soll bereits beimEinbau der sich einstellenden Gleichgewichts-feuchte der räumlichen Gegebenheit entspre-chen. Für beheizte Innenräume ist einedurchschnittliche Holzfeuchte von 15 %, max.17 % anzustreben, während für nicht beheizteRäume Werte zwischen 18 und 20 % zulässigsind.Ein weiteres wesentliches Merkmal von Holzist das ausgeprägt anisotrope Verhalten, dasheißt es kann in Faserrichtung anders bean-sprucht werden als quer zur Faser. So unter-scheidet sich zum Beispiel bei Fichte derWert der zulässigen Zugspannung je nachFaserrichtung um mehr als das 20.000-fache(längs 10,5 N/mm2, quer 0,05 N/mm2).Während sich bei allen Holzarten die chemi-schen Bestandteile etwa gleich verteilen20,bestimmen ihre Inhaltsstoffe im Wesentlichendie Farbigkeit, den Geruch und die Verarbei-tungseigenschaften sowie die Resistenz ge-genüber organischen und tierischen Schädlin-gen.

3.2.2 Holz als Zuschlagsstoff 21

Holz ist der einzige nachwachsende Baustoff,der für die Primärkonstruktion von Bauten ein-gesetzt werden kann. Darüber hinaus fällt esauch als Restprodukt der Holz verarbeitendenIndustrie an, steht reichlich zur Verfügung undist somit günstig,22 was sich positiv auf Materi-alkosten auswirkt.Bis zu 98 % des Restprodukts werden weiter-verwertet,23 (Abb. 3.2) etwa die Hälfte davon

Abb. 3.2 Restholz in Österreich 1988 (Vgl. Gliniorz/Natterer, 2000, S. 16)

Abb. 3.3 Restsägeholz, ungesiebt

Abb. 3.4 … als Granulat, abgesiebt 2 mm

Beton ist ein Gemenge aus grobkörnigen Zu-schlagstoffen, hydraulischen Bindemitteln(meist Zement, aber auch Kalk, Gips undAsphalt) und Wasser, das durch chemischeReaktionen erhärtet. Hergestellt durch Mi-schen in Zwangsmischern beträgt dieMischzeit abhängig von der Anlage in der Re-gel > 1 min.26

Die Betoneigenschaften lassen sich durch un-terschiedliche Zusätze beeinflussen und ver-bessern. Dabei sind stets die materialspezifi-schen Besonderheiten der Ausgangsstoffeund die jeweiligen Verarbeitungshinweise zubeachten. Zur Erhöhung der Zugfestigkeitwerden Stahleinlagen verwendet. Für die Be-messung und Ausführung von Beton undStahlbeton stellt die DIN EN 206-1 die wich-tigste Norm dar.

3.3.1 ZementUnter Zement versteht man ein zur Herstel-lung von Beton und Mörtel verwendetes, auchunter Wasser erhärtendes (hydraulisches)Bindemittel, das durch Brennen von Kalk undTon beziehungsweise von Mergel und an-schließendem Vermahlen entsteht. Die wich-tigste Zementart ist der Portland-Zement, dereinen Gips- oder Anhydritanteil zwischen 3und 5 % enthält.27 (Abb. 3.6+3.7) Nach derZugabe von Wasser erhärtet der erzeugte Ze-mentleim sowohl an der Luft als auch unterWasser. Der sich dabei bildende Zementsteinweist Festigkeiten auf, die vom Wasser-Ze-ment-Verhältnis (W/Z-Wert)28 abhängen.Normalzemente werden nach DIN EN 206-1in fünf Hauptarten (CEM I bis V) eingestuft,deren 27 Produkte sich jeweils anhand derHauptbestandteile unterscheiden. Der heutegebräuchlichste Zement ist CEM II, ein Port-

Holzleichtbeton

Ausgangsstoff Zement/Beton

23

chung wesentlich sein kann.25 (Abb. 3.3+3.4)Durch den Zuschlagsstoff Holz sind für Bau-elemente aus Holzleichtbeton gute mechani-sche Eigenschaften bei - geringem Gewicht- verminderter Wärmeleitung- guter Bearbeitbarkeitzu erwarten.

Es ist darauf hinzuweisen, dass organischeMaterialien in der DIN EN 206-1 nicht berück-sichtigt sind; es wird ausschließlich von Ge-steinskörnung gesprochen. Somit bestehen

Abb. 3.5 Kennwerte von ausgewählten Holzarten* zul. Grenzwerte siehe Natterer et al., 2/1996, S. 36f.

3.3 Ausgangsstoff Zement/BetonFichte Kiefer

Darr-Rohdichte [kg/m3]

Trocken-Rohdichte [kg/m3]

400–430

430–470

460–510

510–550

Gleichgewichts-Holzfeuchte ϕ = 37% [%]

Gleichgewichts-Holzfeuchte ϕ = 83 % [%]

Differentielles Schwindmaß (tang.) [%]*

E-Modul [N/mm2]

7

16,4

7

15,3

0,27–0,36

10000–12000

0,25–0,36

10800–13000

Druckfestigkeit [N/mm2]

Biegezugfestigkeit [N/mm2]

Wärmeleitfähigkeit [W/mK]

Spezifische Wärmekapazität [kJ/kgK]

1,50

0,60

4,20

1,50

0,10–0,12

2,1

0,14

2,1

Temperaturleitzahl [m2/s]

Wasserdampfdiffussionswiderstandszahl

Brandschutz [Baustoffklasse]

1,1·10-7 –1,2·10-7

40

1,3·10-7 –1,2·10-7

40

B 2 B 2

Buche Eiche

640–720

700–790

600–700

650–760

7,3

15,7

8,9

17,2

0,38–0,44

12300–16400

0,28–0,35

10500–14500

13,00

4,50

15,00

5,20

0,16

2,1

0,13–0,20

2,1

1,1·10-7 –1,0·10-7

40

1,0·10-7 –1,3·10-7

40

B 2 B 2

keine normativen Festlegungen für die Ver-wendung von Restholz als Zuschlagsstoff fürBeton, sondern sind in der Regel baurechtlichEinzelzulassungen erforderlich.

Holzleichtbeton


24

Abb. 3.6 Portlandkompositzement CEM II 32,5R

Abb. 3.7 Weißzement CEM I 42,5R

3.3.2 Beton 29

Je nach Herstellungsverfahren und Art derZuschläge kann der Beton gezielt unter-schiedliche Eigenschaften erhalten. So erfor-dern hohe Tragfähigkeit und guter Schall-schutz einen dichten Beton, während durchporige Zuschläge die wärmedämmende Funk-tion verbessert wird.Die wichtigsten Betonarten sind Schwerbeton,Normal- und Leichtbeton. (Abb. 3.8)- Beton mit einer Trockenrohdichte von

mehr als 2600 kg/m3 wird als Schwerbetonbezeichnet. Diese Dichten werden mit be-sonders schweren Gesteinskörnungen er-zielt (> 3000 kg/m3), wie z.B. Schwerspat,Magnetit oder auch Stahlschrot. Einsatz-bereich ist u.a. der Strahlenschutz.

- Als Normalbeton wird ein Beton mit einerTrockenrohdichte von > 2.000 bis maximal2600 kg/m3 bezeichnet. Auf diese Betonartbezieht sich die überwiegende Zahl derAnwendungen.

- Leichtbeton unterscheidet sich vom Nor-malbeton durch seine geringere Rohdichte(< 2.000 kg/m3). Seine Merkmale werdenin erster Linie bestimmt von- den Eigenschaften der Leichtzuschlä-

ge, wie Bims, Blähton etc.- der Art des Betongefüges, haufwerk-

sporig oder gefügedicht- dem Porenanteil, Poren- oder Schaum-

beton. Haufwerksporiger Leichtbetonwird überwiegend für wärmedämmendeAufgaben eingesetzt

Darüber hinaus ist Beton in Druckfestigkeits-klassen eingeteilt. Die Doppelwerte nach demC (Concrete = Beton) resultieren aus denVereinheitlichungen zur DIN EN 206-1 undbezeichnen die Zylinder- und Würfeldruckfe-stigkeiten in N/mm2 - Normalfeste Betone (C8/10 bis C50/60)- Hochfeste Betone (C55/67 bis C100/115)- Leichtbetone (LC8/9 bis LC50/55)

landkompositzement der mindestens 2/3Masse-Prozent Portlandzementklinker enthältund jeweils einen weiteren Hauptbestandteil.

Nach DIN EN 197-1 genormte Zemente wer-den in den drei Festigkeitsklassen 32,5, 42,5und 52,5 geliefert, wobei diese Bezeichnun-gen jeweils die untere Grenze der Druckfe-stigkeit nach 28-Tagen, geprüft an genormtenMischungen angibt.Die Zementfestigkeit hat nur einen be-schränkten Einfluss auf die zu erwartende Be-tondruckfestigkeit. Für letztere ist in der Regelder W/Z-Wert entscheidend, daneben imRahmen der Verarbeitung die Verdichtungund die Nachbehandlung, das heißt derSchutz vor Austrocknung des Betons wäh-rend seiner Erhärtungsphase.Der Zementleim bildet den reaktionsfähigenAnteil im Beton. Er dient zum Verkleben derinerten (nicht reaktionsfähigen) Ausgangsstof-fe, etwa der Zuschläge und Gesteinsmehle.Von seiner Porosität als Zementsstein hän-gen Festigkeit, Dichtigkeit und Dauerhaftigkeitdes Betonbauteils ab.Unmittelbar nach der Zugabe von Wasser be-ginnt eine chemische Reaktion des Zementsmit dem Wasser, die Hydratation.

Die Zustandänderungen des Zementleims be-ziehungsweise Frischbetons von flüssig/weichzum harten Zementstein beziehungsweiseFestbeton laufen über gewisse zeitliche Sta-tionen ab: Ansteifen, Erstarren und Erhärtenmit zunehmender Viskosität des Betons.Um eine ausreichende Verarbeitungszeit desformbaren Frischbetons zu gewährleisten,legt die Norm je nach ZementfestigkeitsklasseAnforderungen an den zulässigen Erstar-rungsbeginn zwischen 45 und 75 Minutennach der Wasserzugabe fest. Nach dem Er-starren darf Frischbeton nicht mehr verarbei-tet werden.

setzung legt die Norm je nach EinsatzgebietGrenzwerte in Hinblick auf Kornform, Frostab-splitterungen, Feinanteile (≤ 0,063 mm) oderauch quellfähige, stahlangreifende und orga-nische Verunreinigungen fest.

Um die Betoneigenschaften (zum BeispielVerarbeitbarkeit, Erstarren und Erhärten, Tau-salzwiderstand) zu verändern beziehungs-weise zu verbessern, können Zusatzmittelbeigemischt werden. Es handelt sich dabeium Wirkstoffe, die dem Beton mittels flüssi-gem oder pulverförmigem Trägermaterial insehr geringen Mengen, bezogen auf den Ze-mentgehalt, zu gegeben werden.Die für Normbeton zugelassen Mittel werdenso genannten Wirkgruppen zugeordnet, vondenen Betonverflüssiger (BV), Fließmittel(FM), Verzögerer (VZ) und Luftporenbildner(LP) die wichtigsten darstellen.33

Holzleichtbeton


25

Gesteinskörnungen nach DIN 4226 unter-scheidet man nach der Dichte ihres Gefügesund der sich daraus ableitenden Trockenroh-dichte:- Leichtzuschlag (< 2.000 kg/m3)- Normalzuschlag (2.000 bis < 3.000 kg/m3)- Schwerzuschlag (> 3.000 kg/m3)Für den Wasseranspruch, die Verdichtbarkeit,aber auch für eine Reihe von Festbetoneigen-schaften ist die Korngrößenverteilung der imBeton verwendeten Gesteinskörnungen, ent-sprechend der Sieblinie von Bedeutung.Durch Wahl und anteiligen Einsatz der Korn-gruppen, die durch ihr jeweiliges Kleinst- undGrößtkorn bezeichnet werden (z.B. 0/4 für fei-ne Gesteinskörnungen mit einer Kornvertei-lung von 0 bis 4 mm), lassen sich die Sieblini-en gezielt für die jeweiligen Anforderungeneinstellen.Neben Forderungen an die Kornzusammen-

Beton wird nach dem Ort der Herstellung alsTransport- oder Baustellenbeton, nach demOrt der Verwendung als Ortbeton oder Fertig-teil bezeichnet. Nach dem Zustand der Erhär-tung unterscheidet man Frischbeton, soferner noch verarbeitbar, also verdichtbar ist, vonFestbeton.Je nach Weichheit oder Steifigkeit desFrischbetons ist ein unterschiedlicher Auf-wand des Einbringens des Betons in seinevorgesehene Lage und zum Verdichten, dasheißt dem Austreiben von Luftporen aufzu-wenden.Frischbeton lässt sich nach Norm in 7 Konsi-stenzklassen von “sehr steif” bis “sehr fließfä-hig” zu ordnen.30 Der Nachweis der Zugehö-rigkeit zu einer dieser Klassen wird durch ge-normte Prüfverfahren erbracht, etwa demAusbreit- oder Verdichtungsversuch. Zahlreiche Festbetoneigenschaften sind vomW/Z-Wert abhängig, der das Verhältnis vonWasser zu Zement ausdrückt. Allgemein gilt:je niedriger der W/Z-Wert, desto höher dieFestbetonqualität.Stahlbeton, der keinen sonstigen Umge-bungsangriffen ausgesetzt ist, muss zumSchutz der Bewehrung vor Korrosion einenW/Z-Wert ≥ 0,75 einhalten. Bauteile, diewechselnder Feuchte, Trockenheit und Frostausgesetzt sind, also die klassischen Außen-wandbauteile mit direkter Bewitterung, sind imW/Z-Wert auf 0,60 begrenzt.31 Ist das Beton-bauteil noch stärkeren Angriffen ausgesetzt,zum Beispiel durch Chloride, sehr starkemVerschleiß oder chemischem Angriff, so kön-nen W/Z-Werte ≤ 0,45 gefordert sein.Neben dem W/Z-Wert bestimmen Zementge-halt, Zusammensetzung und besondere An-forderungen an die Gesteinskörnungen undder Einsatz von Zusatzmitteln im Rahmen derRezeptur die Dauerhaftigkeit des Betons. InEignungsprüfungen wird die Erfüllung des An-forderungsprofils vorab festgestellt.32

Abb. 3.8 Gängige Betonarten nach Gefügestruktur(Vgl. Kind-Barkauskas et al., 1995. S. 47)

Beton Schwerbeton

Normalbeton

geschlossenes Gefüge

LB mit Quarzsand

LB mit Leich t sand

LB mit org. Füllstoffen

LB-Mauerblöcke haufwerkporiges Gefüge

Porenbeton

Polystyrol- Schaumstoffbeton

Zellstruktur

Holzleichtbeton


26

Abb. 3.9 Leichtbetonen (ohne Porenbeton) nach ihrer Anwendung (Vgl. Aurich, 1971, S. 18)

Zuschlag Gefüge Rohdichte

Perlit, Vermiculit, Kunststoffschaum-kugeln, Bims

teilhaufwerk-porig, dicht

[kg/m3]

500 – 800

Bims, Schaumlava, Blähton/-schie-fer, Ziegelsplit, Schlacken,Kunststoffschaumkugeln

Bims,Blähton/-schiefer, Hüttenbims(Ziegelsplit)

Blähton/-schiefer

Organische Füllstoffe: Holzspäne,Sägemehl

haufwerk-porig, dicht

dicht

800 – 1200

1200 – 1800

dicht

teilhaufwerk-porig, dicht

1400 – 1800

600 – 1600

Funktion / Anwendung

nur wärmedämmendDämmplatten, Mörtel, Putze

vorwiegend wärmedämmendHohlblocksteine, Vollsteine,Dach, Wandplatten

konstruktiv wärmedämmendallgemeiner Betonhochbau,Sichtbeton

vorwiegend konstruktivbiegebeanspruchte Bauteile

vorwiegend wärmedämmendMantelsteine, Wandplatten

rung der Leichtbetone erfolgt nach den An-wendungsgebieten, da diese durch die Ge-steinskörnungsart und das zu wählende Gefü-ge letztlich bestimmt werden:37

- Konstruktionsleichtbeton (dichtes Gefüge, ρ = 800 bis 2000 kg/m3)

- Wärmedämmender Beton (dichtes bis haufwerkporiges Gefüge, ρ = 500 bis 800 kg/m3)

Die leichten Dämmbetone weisen einen sehrhohen Porengehalt auf, der überwiegend aufdie hohe Eigenporosität der Gesteinskörnung,mit entsprechend niedrigen Kornfestigkeitenzurückzuführen ist.Bis auf den Porenbeton werden Leichtbetonemit porigen Zuschlägen hergestellt. Es gibteine Vielzahl natürlicher und künstlicher leich-ter Gesteinskörnungen, deren Eigenschaftenzum Teil stark variieren. Davon ist die Korn-rohdichte die wichtigste, da von dieser wie-derum im Wesentlichen die erzielbare Beton-rohdichte abhängt.

Die Dosierung von leichten Gesteinskörnun-gen kann nach Gewichts- oder Volumenantei-len erfolgen. Abweichungen von der vorgese-henen Kornzusammensetzung können dieVerarbeitbarkeit des Frischbetons sowie dieFestbetonrohdichte und -festigkeit stark ver-ändern.Bei der Herstellung von Leichtbeton kommtder Konsistenzbeurteilung eine große Be-deutung zu, denn das durch die hohe Porosi-tät verursachte Wassersaugen der Gesteins-körnungen erfordert häufig ein Nachregelnder Wasserzufuhr, die auch zu Abweichungenvon der gewählten Rezeptur führen kann. Zuweiche Betone können zu Entmischungenführen und zu steif verarbeitete Betone Ver-dichtungsprobleme aufweisen.

Das Einbringen von (gefügedichtem) Leicht-beton in stehender Schalung für die Herstel-

Ein wesentliches Merkmal des Leichtbetons,die geringe Rohdichte, wird durch die Gefüge-art und das Erzeugen von Porenraum im Ma-terial erreicht. Der Porenraum kann durchhaufwerkporiges Gefüge, porige Gesteinskör-nung oder durch eine Kombination beider Me-thoden erzielt werden. (Abb. 3.9)

Beim Leichtbeton wird eine möglichst niedrigeRohdichte bei gleichzeitig möglichst hoherFestigkeit angestrebt, wobei sich beide Eigen-schaften rein physikalisch gegenläufig verhal-ten. Die Rohdichte ist im Wesentlichen ab-hängig von der Porosität der Gesteinskör-nung. Nach Aurich hat jedoch die Einteilungnach Gefügeart hinsichtlich der zu erzielen-den Rohdichte eher “allgemein-informatori-schen Charakter”.36 Eine weitere Klassifizie-

Insbesondere hochwertige Ingenieurbetonesind heute ohne die Zugabe von Zusatzmit-teln nicht mehr herstellbar.Betonzusatzstoffe dienen als feingemahleneFeststoffe vor allem zur günstigen Beeinflus-sung der Sieblinie im Mehlkorn- (≤ 0,125 mm)Bereich (Flugasche, Silicastaub, Kalkstein-mehl) oder zur Einfärbung von Beton (anorga-nische Farbpigmente).

3.3.3 Leichtbeton 34

Leichtbeton35 wird seit den 1960er Jahrenverstärkt im allgemeinen Hochbau eingesetzt.Dessen besonders günstige Eigenschaftensind hohe Tragfähigkeit bei guter Wärmedäm-mung. Der Herstellung und Verarbeitung vonLeichtbeton liegen im Prinzip die gleichen Re-geln wie für Normalbeton zugrunde.

Holzleichtbeton


27

Abb. 3.10 Kennwerte von ausgewählten Betonarten (Vgl. Kind-Barkauskas et al., 1995. S. 45-60; Ebeling et al., 14/2002, S. 31, 43)* Es ist jeweils der für die Baukonstruktion schlechtere Wert anzunehmen

Normal-beton

Leichtbetonmit Quarzsand

Rohdichte [kg/m3]

Gesteinskörnung/Zuschlag

2300–2500

Kies, Splitt,Schlacke

1200–1600

Blähton, Blähschiefer, Hüttenbims


E-Modul [N/mm2]

Wärmedehnzahl [mm/mK]

Primärenergieinhalt [kWh/m3]

C 8/10–C 50/60

22000–39000

LC 8/9–LC 25/28

8000–15000

0,01

451

0,008

475



Wasserdampfdiffussionswiderstandszahl *

Temperaturleitzahl [m2/s]

2,1

1,1

0,55–0,90

1,1

70/150

8,3·10-7 – 7,6·10-7

5/15

2,3·10-7 – 5,1·10-7

Brandschutz [Baustoffklasse] A 1 A 1

Leichtbetonmit Leichtsand

Polystyrol-Schaumstoff-

beton

800–1400

Blähton, Blähschiefer,Hüttenbims

600–800

Natursand, Polystyrol

LeichtbetonMauersteine

Poren-beton

500–800

Naturbims, Blähton,

Blähschiefer, Hüttenbims

400–800

Natursand

LC 8/9–LC 25/28

bis 11000

LC 8/9–LC 25/28

0,008 0,008

545

LC 8/9–LC 25/28 LC 8/9–LC 25/28

0,01 0,008

475

0,34–0,68

1,1

0,15–0,21

1,1

5/15

3,9·10-7 – 4,4·10-7

2,3·10-7 – 2,4·10-7

0,15–0,24

1,1

0,14–0,23

1,1

5/15

2,7·10-7

5/10

3,2·10-7 – 2,6·10-7

A 1 A 1 A 1

lung von Sichtbetonflächen, stellt besondershohe Anforderungen an die Qualität und dieVerarbeitung des Frischbetons. Gegenüberdem Normalbeton stellt vor allem die ge-wichtsbedingte Entmischungsgefahr aufgrundder unterschiedlichen Rohdichten von Grob-korn und Sand ein zusätzliches Problem dar.Auch erfordert die Verdichtung eine höhereEnergiezufuhr und ein wesentlich intensiveresRütteln als bei Normalbeton, da die Auflastaus Eigengewicht geringer ist.Demgegenüber ist das Einbringen von Leicht-beton in liegende Schalungen leichter durch-

zuführen; dies betrifft ebenso das Verteilenwie das Abziehen der Oberflächen. In liegen-der Schalung sollte indes nicht zu weicherBeton verarbeitet werden, da sich mehr Fein-mörtel an der Schalungsfläche sammelnkann, der das Schwinden fördert und eineNetzrissbildung verstärkt.38

Aufgrund der geringeren Rohdichte tritt beimLeichtbeton das Grobkorn gegenüber demFeinmörtel nach oben, was zu Problemen beider Oberflächenbehandlung führen kann. Mitgeeigneten Rüttel- und Glättgeräten sowie ei-ner zusätzlichen dünnen Schicht Mörtelmi-

schung kann dies jedoch behoben werden.Beim Pumpen von Leichtbeton können mitun-ter Schwierigkeiten durch die erhöhte Was-seraufnahme der Zuschlagsstoffe unter demhöheren Druck auftreten. Dadurch wird derBeton steifer, weniger beweglich, und im äu-ßersten Fall unbeweglich, was zu Verstopfun-gen im Rohrleitungssystem, führen kann.

Der Leichtbeton unterscheidet sich in einerReihe von baukonstruktiven Eigenschaftenvom Normalbeton. Während beim Normalbe-ton die Kraftableitung vorwiegend über die im

Holzleichtbeton


28

noch die mineralogische Zusammensetzungder Gesteinskörnung auf die Wärmedämmei-genschaften Einfluss.Der Feuchtigkeitsgehalt und das Verhaltengegen Feuchtigkeit beeinflusst die Wärmeleit-fähigkeit des Betons. Daher sollte bei der Be-tonherstellung ein Beton angestrebt werden,der im Gebrauchszustand möglichst wenigWasser enthält beziehungsweise beim Ein-bau ein ausreichendes Austrocknen gewähr-leistet sein. Die Dampfdurchlässigkeit hängt von der Dich-tigkeit des Gefüges ab. Während haufwerkpo-rige Betone sehr dampfdurchlässig sind, er-reichen gefügedichte Leichtbetone einen Dif-fusionswiderstand von Normalbeton. Bei allenBetonen stellt sich nach mehreren Jahren ein‘Gleichgewicht’ im Feuchtegehalt ein.Der Luftschallschutz hängt in erster Linie vondem Flächengewicht der Bauteile ab. Da die-ses bei Leichtbeton bei gleicher Bauteildickegeringer ist als bei Normalbeton fällt auch derLuftschallschutz geringer aus. AusreichenderKörper- und Trittschallschutz kann in der Re-gel nur mit mehrschichtigen Aufbauten erzieltwerden.

Anmerkungen1 Dieser ist bisher nicht rechtlich geschützt.2 Schubert, 19913 Vgl. Meyers Großes Taschenlexikon, Bd. 10, 2/1987,

S. 54f., 57, 614 Vgl. Charisius, 1947, S. 65 Vgl. Beraus, 2001, S. 103-1096 Vgl. Hummel, 10/1948, S. 201-204. In späteren Aus-

gaben spricht er nur mehr von “Sägespänebeton”.Hummel, 12/1959, S. 266

7 Vgl. Charisius, 1947, S. 3, 68 Vgl. DIN EN 206-1, Juli 2001 - Beton, S. 119 Vgl. Charisius, 1947, S. 710 Der Holzleichtbeton sei mit einer Rohdichte von 600

kg/m3 im Gegensatz zum Holzbeton etwas leichter;Tel. mit Herrn Prof. Natterer, 11.07.2000

11 Vgl. Gliniorz/Natterer, 2000, S. 11ff.12 Vgl. Cerliani/Baggenstos, 200013 Vgl. Cerliani/Baggenstos, 2000, S. 19

Allgemeinen festere Gesteinskörnung erfolgt,stellt beim Leichtbeton (mit dichtem Gefüge)der Mörtel das wesentliche ‘Traggerüst’ dar,da die Gesteinskörner meist weniger fest undleichter verformbar sind. Die Druckfestigkeitdes Leichtbetons hängt wesentlich von derFestigkeit des Zementsteins ab.Auch die Festigkeitsentwicklung verläuft et-was anders als bei Normalbeton. Nach zu-nächst ebenso steilem Anstieg verläuft dieKurve, wenn sich die Betonfestigkeit der mitdem jeweiligen Zuschlag erreichbaren Grenz-festigkeit nähert, nur noch sehr flach.Bei der Zugfestigkeit erreicht der (lufttrocke-ne) Leichtbeton etwa 65 bis 80 % der Wertevon Normalbeton; in vielen Fällen kann dieserNachteil durch die größere Elastizität ausge-glichen werden. Leichtbeton weist in jedemFall eine geringere Kantenfestigkeit auf.

Der Elastizitätsmodul ist niedriger, das heißtdass sich Leichtbetonbauteile bei gleicher Be-anspruchung stärker verformen als Bauteileaus Normalbeton.39 Der Elastizitätsmodul vonBeton ist vorwiegend von der Rohdichte undzum Teil von der Festigkeit abhängig.Das Kriech- und Schwindverhalten bestim-men maßgeblich der Zementleimgehalt. Jenach verwendetem Material kann ein etwasstärkeres Schwindverhalten auftreten. Wäh-rend die Wasseraufnahme von Leichtbeton jenach Zuschlag in der Regel etwas höher aus-fällt als bei Normalbeton, sind bei der Was-serundurchlässigkeit keine nennenswertenUnterschiede festzustellen. So kann mandurchaus Wasserbehälter aus Leichtbetonherstellen; auch die Frost- und Tausalzbe-ständigkeit entspricht der von Normalbeton.

Der Wärmeschutz wird maßgeblich von derRohdichte des Leichtbetons bestimmt, dasheißt niedrige Rohdichten ergeben niedrigeWärmeleitzahlen und somit einen besserenWärmeschutz. Neben der Rohdichte nimmt

14 Vgl. Krippner, 20.11.200215 Vgl. Meyers Großes Taschenlexikon, Bd. 10, 2/1987,

S. 5116 Vgl. Natterer et al., 2/1996, S. 3417 Vgl. Natterer et al., 2/1996, S. 34ff.18 So sind die Formänderungen “in tangentialer Rich-

tung am größten, in radialer Richtung … nur etwahalb so groß und in Längsrichtung vernachlässigbarklein. Vgl. Kolb, 2/1992, S. 41

19 Für zentralbeheizte, wärmegedämmte Räume wirdmit einer durchschnittlichen Holzfeuchte von etwa 9 % gerechnet. Vgl. Kolb, 2/1992, S. 45

20 Zellulose 40 - 50 %, Holzpolyosen 20 - 30 %, Lignin20 - 30 %

21 Vgl. Gliniorz/Natterer, 2000, S. 16-1822 Der Bruttopreis für Holzreststoffe schwankt zwischen

etwa 10 und 200 €/t (Darrgewicht). Vgl. Gliniorz/Nat-terer, 2000, S. 17

23 Für Österreich beträgt dieses Gesamtpotenzial etwa3,5 mio t/a (1988). Vgl. Gliniorz/Natterer, 2000, S. 16

24 Vgl. Schubert, 199125 Vgl. Gliniorz/Natterer, 2000, S. 2026 Vgl. Meyers Großes Taschenlexikon, Bd. 3, 2/1987,

S. 197; Kind-Barkauskas et al., 1995. S. 4527 Vgl. Meyers Großes Taschenlexikon, Bd. 24, 2/1987,

S. 26828 Der W/Z-Wert bezeichnet den Anteil Wasser und Ze-

ment im Beton; 1000 kg Beton weisen einen W/Z-Wert von 0,5 auf, wenn 500 kg Wasser und 500 kgZement zugegeben werden.

29 Vgl. Kind-Barkauskas et al., 1995. S. 45-6030 Z.B. Ausbreitklassen F1 (steif), F2 (plastisch), F3

(weich, eine Art Regelkonsistenz), F4 (sehr weich),F5 (fließfähig), F6 (sehr fließfähig). Vgl. Ebeling et al.,14/2002, S. 32

31 Das entspricht den Expositionsklassen XC4 und XF1,d.h. der verwendete Beton muss die Festigkeitsklas-se ≥ C25/30 und einen Zementgehalt ≥ 280 kg/m3

aufweisen.32 Je nach Anforderung wird bei der Herstellung und

Verarbeitung von Beton ein abgestuftes Qualitätma-nagement erforderlich, das aus werkseigener Pro-duktionskontrolle und Fremdüberwachung besteht.Vgl. Kling/Peck, 4/2003, S. 170-176

33 Vgl. Ebeling et al., 14/2002, S. 24-2834 Vgl. Aurich, 197135 Auch als Konstruktionsleichtbeton, Stahlleichtbeton

und Spannleichtbeton bezeichnet. Vgl. Aurich, 1971,S. 7f.

36 Aurich, 1971, S. 1437 Vgl. Aurich, 1971, S. 15ff.38 Daher wird neben Rütteltischen und Rüttelböcken so-

wie Schalungsrüttlern der Einsatz von Oberflächen-rüttlern empfohlen. Vgl. Aurich, 1971, S. 111ff.

39 Dies ist vor allem bei weit gespannten Bauteilen vonBedeutung. Vgl. Aurich, 1971, S. 145

Die Ursprünge des Steinholzes, eines Gemi-sches aus Magnesiazement, also gebranntemMagnesit, versetzt mit Chlormagnesium, unterBeimischung organischer Substanzen wieHolzmehl und Sägespäne, reichen zurück bisin die Mitte des 19. Jahrhunderts.Nach ersten Versuchen mit Zinkoxyd undstarken Chlorzinklösungen (Mitte/Ende 1850)experimentiert der französische ZivilingenieurStanislaus Sorel 1867 mit Mischungen ausMagnesiumoxyd und konzentrierten Magnesi-umchloridlösungen und entdeckt interessanteMörteleigenschaften. Für die so gewonneneerhärtete Masse (Magnesiumzement) unter-sucht er eine Reihe von Anwendungsmöglich-keiten. Das Material lässt sich beliebig färbenund durch Zusatzstoffe wie Schmirgelpulverbeziehungsweise Schleifsteinpartikel und ela-stische Substanzen bereits als Fußbodenma-terial einsetzen. Erst etwa 20 Jahre später wird dieser “Sorel-mörtel”, der in hohem Maße organische Füll-stoffe zu einem Produkt von geringer Län-genänderung und hohen Festigkeiten verbin-den konnte, auch zur Anwendung gebracht.Trotz erster Ansätze einer industriellen Ver-wertung, auch unter der Bezeichnung “Sorel-scher Zement” in Boston, kann sich das Mate-rial nicht entscheidend durchsetzen.1

Um 1890 wird das Verfahren wieder aufge-griffen und gezielt verbessert. In der erstenHälfte der 90er Jahre werden Fußbodenplat-ten gefertigt, die aus einer unter hohem hy-draulischem Druck verarbeiteten Mischungvon Magnesiumoxyd, Magnesiumchloridlö-sung und Sägespänen bestehen. Etwa um1895 setzt man erste fugenlose “Sorelmörtel-Beläge” ein. Cordes subsumiert unter diesemBegriff die handelsüblichen Produktnamen

Vom Steinholz zumHolzleichtbeton

Anfänge – FrüheExperimente

29

4 Vom Steinholz zum Holzleichtbeton Die Kombination von anorganischen Bauroh-stoffen mit Restholz aus der Holzbearbeitungist keine Neuentwicklung, sondern lässt sichbis zur Mitte des 19. Jahrhunderts zurückver-folgen. Unter Bezeichnungen wie “Steinholz”,“Sägemehlbeton” oder “Holzbeton” existiereneine Reihe von Anwendungen, vor allem alsFußbodenestriche und Putze. Anfang der 1930er Jahre werden mit der Pa-tentierung von einschlägigen Verfahren dieGrundlagen zur Herstellung von “Holzspanbe-ton” geschaffen, der sich vor allem in Öster-reich unter den Produktnamen “Holzspan-Mantelstein” und “Holzspan-Mantelbetonplat-te” am Baumarkt etabliert. Nach dem Zweiten Weltkrieg experimentiertman in Deutschland aufgrund von Baustoff-mangel mit Zement gebundenen Holzwerk-stoffen und Ende der 60er Jahre greift man inder Deutschen Demokratischen Republik die-sen Ansatz für einen kostengünstigen Klein-wohnungsbau sowie für landwirtschaftlicheBauten zeitweise wieder auf.

Beim Blick zurück wird eine spannende ‘Ge-nese’ sichtbar, die verstreut in einer Vielzahlvon Fachpublikationen dokumentiert ist. Ne-ben einer zusammenfassenden Darstellungwesentlicher Entwicklungsschritte, anhandderer sich die unterschiedlichen stofflichenund herstellungstechnischen Ansätze aufzei-gen lassen, spiegelt ein solcher Abriss eben-falls die wechselvolle Geschichte von Be-griffsdefinitionen und Produktnamen, welcheim übrigen bis heute unvermindert weitergeht. Nachfolgend wird die Entwicklung des Ver-bunds von anorganischen Bindemitteln undorganischen Zuschlagsstoffen im Wesentli-chen in den drei Abschnitten behandelt:- Anfänge – Frühe Experimente- Steinholz sowie Holzbeton- Aktuelle Produkte und Systeme

4.1 Anfänge – Frühe Experimente


Anfänge – FrüheExperimente

30

iert werden, eine Option, die bei gegossenenSteinen nicht möglich war. Das Kompositmaterial wird aufgrund dergleichmäßigen Umhüllung der organischenTeilchen als “absolut feuersicher” eingestuft.Für die Herstellung einer festen, homogenenMasse genügt bereits ein Gips-Gewichtsanteilvon einem Viertel. Das Material zeigt gute Be-arbeitungseigenschaften, lässt sich leicht na-geln beziehungsweise schrauben und sägen.Das fertige Produkt weist eine körnige Ober-flächenstruktur auf und gleicht je nach Zu-satzstoffen feinkörnigem Sandstein be-ziehungsweise Granit. Scherer stellt heraus,dass durch einen entsprechenden Anstricheine “täuschende Imitation” dieser Naturstei-ne erzielt werden kann. Daher diskutiert manauch Einsatzmöglichkeiten als Dekorations-element für den Innenausbau und für Zeltbau-ten.

4.1.3 Kunststeinplatten aus Magnesit 5

Bereits um 1900 ist die Herstellung von Mate-rialien für Dielen und Wände mit weiteren or-ganischen Füllstoffen bekannt. GebranntemMagnesit wird Chlormagnesium beigegebenund das Gemisch unter anderem mit Holzspä-nen, Korkabfällen, Torf sowie mit kieselsaurerMagnesia beziehungsweise freier Kieselsäureversetzt. Zur Herstellung von Bauteilen, wie Formstei-nen bringt man das Materialgemisch in eineForm ein. Nach mehrwöchigem Abbindenwerden die fertigen Steine in eine Wasser-glaslösung getaucht.

Für die Herstellung des Materials ist ein“Glüh- und Trockenprozess” wichtig. Der or-ganische Zuschlagsstoff erfordert zudem eineVorbehandlung gegen “verkohlen”. Nach demErhärten werden die Elemente (Platten etc.)zunächst gebrannt und anschließend in ei-nem speziellen Ofen luftgetrocknet.Das Material wird als leicht und dicht sowie‘diffussionsgeschlossen’ charakterisiert. Mit dem Zusatz von Wasserglas und As-bestpulver gilt es als feuersicher, schalldäm-mend und für elektrische Isolationszweckegeeignet. Es lässt sich gut bearbeiten, zumBeispiel nageln. Aufgrund der Festigkeiten -stuft man etwaige Abnutzungen als geringein. Anwendungsbereiche sind vornehmlichFußbodenbeläge und Pflastersteine.

4.1.2 Baumaterial aus Gips und Säge-spänen 4

Die Herstellung eines Materialgemisches ausSägemehl, Lohe, Torfmull und Gips ist nachScherer bereits Anfang des 19. Jahrhundertsbekannt. Die organischen Füllstoffe und derGips werden mit Wasser zu einer breiigenMasse vermengt und entweder in Formen ge-gossen oder als Spritzbewurf verwendet.Allerdings zeigen sich aufgrund der unter-schiedlichen spezifischen Gewichte inhomo-gene Verteilungen und ein zu rasches Abbin-den des Gipses. Inwieweit das Material alsPlatten oder Tafeln zum Wärme- und Feuch-teschutz oder in Form von Mauersteinen Ein-satz findet, bleibt offen.

Einen anderen technischen Ansatz stellt diePressung dar. Angefeuchtete Sägespänewerden mit gesiebtem Gips bestreut, das Ge-misch anschließend in entsprechend ge-wünschte Formen eingebracht und mehr oderminder stark verpresst, wodurch die Zufüh-rung von Wasser erfolgt. Die Dichtigkeit desMaterials kann anhand des Pressdrucks vari-

“Steinholz” und “Dermas”.2

Eine Vielzahl ausgestellter Patente und dieGründung von Steinholzfabriken spiegeln denneugewonnenen Stellenwert des Materials.Bereits Anfang des 20. Jahrhunderts zeigenverschiedene Komposite aus organischenFüllstoffen mit anorganischen Bindemittelndie breitangelegten Versuche. Die Material-kombinationen unterscheiden sich vor allemdurch den Herstellungsprozess.

4.1.1 Steinartige Masse aus Sägemehlund Gips oder Zement 3

Nachdem den frühen Versuchen “Holzmehlfür die Herstellung von Baumaterialien zu ver-werten” kein baupraktischer Erfolg beschie-den ist, gilt im Zuge der Weiterentwicklungs-bemühungen besonders der Vorbehandlungdes organischen Zuschlagsstoffes das Haupt-augenmerk, zur Verbesserung der Verbin-dung zwischen Sägemehl und Bindemittel(Gips, Zement). Mit einer Art “Imprägnierung” experimentiertman zur Erhöhung der Adhäsion und zur Ver-minderung der Feuchtigkeitsaufnahme derHolzteilchen wie auch von deren Brennbar-keit; dies führt nach Scherer bereits zu Ergeb-nissen für ein “vorzügliches und brauchbaresMaterial”. Als Mischungsverhältnis werden “2/3 Sägemehl und 1/3 Gips oder Zement”vorgeschlagen.Die Herstellung erfolgt in einem dreistufigenVerfahren. Das Sägemehl wird mit Wasser-glas und Zusatz von Asbestpulver sowie ge-ringen Mengen Leim längere Zeit eingekocht,damit auch die kleinsten Teile des Gemischsvollständig mit Wasserglas durchsetzt sind.Je nach Anwendungszweck können der Mi-schung nach dem Kochen weitere Zusätze(Sand, Teer, Goudron, Asphalt) beigegebenwerden. Das derart aufbereitete Sägemehlwird mit Gips oder Zement vermischt und ineine vorbereitete Form gebracht.


Steinholz

31

in ein oder mehreren Lagen hergestellt. DurchArt und Menge der Zusatzstoffe lässt sich dieQualität beeinflussen und die Eigenschaftenbesonders hinsichtlich der Wärmedämmungund Härte beziehungsweise Verschleißfestig-keit verbessern; das Material gilt als elastischund fußwarm.Probleme bereitet die durch die Magnesium-chloridlauge erhöhte Korrosionsanfälligkeitvon eingelegten Stahlteilen auch der darunterliegenden Decken. Daher ist Magnesia-Est-rich über Spannbetondecken nicht zugelas-sen. Ferner erfordert der Estrich einen gutenSchutz gegen Feuchtigkeit (keine Verwen-dung im Freien und in Feuchteräumen) sowieeine intensive Pflege, da dieser sonst leichtspröde wird.8

Magnesia-Estriche werden bei Rohdichten bis1600 kg/m3 in Festigkeitsklassen zwischen 5und 50 N/mm2 eingeteilt.9 Viele dieser Fußbo-denbeläge sind unter dem Sammelbegriff“Steinholz” subsumiert oder man nennt sieSteinholz-Estrich.

4.2.2 Steinholz oder Xylolith 10

Als Steinholz oder Xylolith bezeichnet maneine plastische Masse aus Magnesiamörtelund Sägemehl, die nach der Erhärtung so-wohl eine steinartige Beschaffenheit als auchEigenschaften des Holzes aufweist. Fassebeschreibt Steinholz seinen Grundformennach als chemisches Produkt, das sich in derpraktischen Handhabung wie Holz bearbeitenlässt.11 Cordes sieht darin einen “Baustoff, deraus einem innigen, anfänglich weichen, form-baren, später erhärtetem Gemenge aus ge-mahlener kaustischer Magnesia12, Magnesi-umchloridlauge und organischen und anorga-nischen Füllstoffen entsteht”.13

Es gibt in den darauf folgenden Jahren eineVielzahl von Versuchen die Steinholzeigen-schaften zu verbessern. Die Beimengung ei-ner chlormagnesiumbeständigen, wässrigen

Vor allem in den 1920er Jahren, nach einergewissen Konsolidierung der Bauindustrie, er-fährt das Steinholz, einerseits aufgrund knap-per Ressourcen, andererseits wegen reicherVorkommen an Magnesit in den schlesischenGruben, eine Renaissance in Deutschland.6

Dies spiegelt auch der Zusammenschluss ei-nes Großteils der Steinholzhersteller zu demVerband Deutscher Steinholzfabrikanten e.V.,kurz «Vastei», wider, der nach dem ErstenWeltkrieg einen bedeutenden Industriezweigdarstellt.

4.2.1 Magnesia-Estrich 7

Magnesia-Estriche werden aus gebranntenMagnesiten (MgCO3) und Magnesiumchlorid-lösung, das heißt Magnesit und Lauge, be-ziehungsweise kaustischer Magnesia (MgO)und einer wässrigen Magnesiumsalzlösung(MgCl2, MgSO4) hergestellt. In diesen Estri-chen sind neben anorganischen Füllstoffen(Quarzmehl, Quarzsand, Asbest, Talkum,Bimsmehl, Korund, Siliciumcarbid) auch orga-nische Zusätze (Sägemehl und -späne, Pa-piermehl, Korkschrot und -mehl, aber auchTextil- und Gummifasern, Lederabfälle) ent-halten; gegebenenfalls werden weitere Zusät-ze wie Pigmente zum Einfärben hinzugeben.Das Mischungsverhältnis soll nach Gewichts-teilen (GT) von wasserfreiem Magnesium-chlorid zu Magnesiumoxid für Unterschichtenbei 1 : 2 bis 3,5 liegen; für die Ober-, dasheißt die Verschleiß- beziehungsweise Nut-zungsschicht etwa 1 : 2,5 bis 3,5 betragen.Der Estrich gilt bereits nach zwei Tagen alsbegehbar.Der Belag wird in drei Konstruktionsarten “alsVerbundestrich, als Estrich auf einer Trenn-schicht und als schwimmender Estrich” meist

Abb. 4.1 Werbung für Steinholzprodukte

Abb. 4.2 Farbpalette unterschiedlicher Steinholz-böden. “Steinholz ist der ideale Fußbo-den für jeden Zweck” (1956)

4.2 Steinholz


Steinholz

32

Steinholz


Zugfestigkeit [N/mm2]

27,5 - 35

4 - 5,5

Gewicht nass [kg/m2]

Gewicht trocken [kg/m2]

≈ 20

≈ 19

nen Einsatz im Innenraum als zweckmäßigeingestuft.Für das Steinholz stehen je nach Anwen-dungszweck, Beanspruchung und angestreb-tem Aussehen neben dem Holz (Sägemehl,Sägespäne, gemahlene Baumrinden, bevor-zugt aus Weichholz, Tanne)16 eine Fülle wei-terer Zusatzstoffe zur Auswahl: Zu den be-kanntesten zählen Asbestfasern, -pulver,Korkgries oder -mehl, gehacktes Stroh; weni-ger häufig werden Kieselgur, Terpentin, Scha-mottemehl, Asche, Federweiß, Torf verwen-det. Mit dem Anteil der organischen und/odermineralischen Substanzen ist das Aussehendes Bodenbelags (mehr Holz oder mehrStein) gut zu beeinflussen. Steinholzbödenwerden meist eingefärbt; zur Verfügung ste-hen Erdfarben und Metalloxyde, für weiße Be-läge setzt man Federweiß oder Kreide ein.17

Der Steinholzbelag wird je nach Unterbodenein- beziehungsweise zweischichtig mit einerdurchschnittlichen Höhe von 10 bis 14 mmausgeführt. Zur besseren Verbindung insbe-sondere mit Holzböden werden (halb-)einge-schlagene Nägel beziehungsweise Drahtnet-ze aufgebracht. Auch werden die organischenZusatzstoffe vor dem Einsatz meist mit Was-ser gesättigt.18 Fasse sieht in dem Steinholz einen “kräfte-und zeitsparenden [das heißt im Vergleich mitanderen Belagsarten wirtschaftlichen, rk] Fa-brikbelag, der allen Anforderungen restlosentspricht”.19 (Abb. 4.3)

Der Fachverein Steinholz e.V., (Abb. 4.4) eineVereinigung von Fachfirmen aus dem Stein-holzverleggewerbe unterscheidet noch in den1950er Jahren vier Arten der Herstellung vonSteinholzbelägen.20 Die Oberflächenbehand-lung erfolgt zunächst durch Glattstreichen mit-tels Verputzbrett und Glättkelle. In einemzweiten Schritt befreit man die verbliebenenUnebenheiten durch Glattschaben be-

Asphaltemulsion führt zu einem neuartigenProdukt für fugenlose “Sorelmörtel-Beläge”,das unter “Dermas-Brand-Emulsion” be-ziehungsweise “Dermas-Beläge” am Markt er-hältlich ist.14 Das Material kann als Fußboden-belag eingesetzt und als Estrich vergossenwie auch in Platten gepresst werden. Scherer betont eine begriffliche Differenzie-rung und bezeichnet den Steinholz-Estrich als“Steinholz”, während er unter “Xylolith” (wört-lich “Holzstein”) die Steinholz-Platten zusam-menfasst. Der ebenfalls häufig gebrauchteAusdruck “Kunstholz” ist dagegen seiner Mei-nung nach irreführend, da es sich bei demMaterial nicht um ein Holzimitat handelt.Als Vorteile des Steinholzes gelten Dauerhaf-tigkeit und Feuersicherheit;15 ferner werdendie elastischen und wärmedämmenden Ei-genschaften herausgestellt. Insbesonderedurch die Robustheit des Materials und dieMöglichkeit einer leichten, feuchten Reinigunggilt das Steinholz für hohe hygienische Anfor-derungen an Bodenbeläge als geeignet(Krankenhäusern, Sanatorien, Bädern undKüchen). Nach Scherer verbindet das Materi-al die Vorteile von Steinböden (hart und glän-zend) und Holzböden (elastisch und wärmer),es sei angenehm zu begehen und wirkeschalldämpfend. Allerdings werden die Fuß-bodenbeläge mit organischen Beimengungenals nicht wetterbeständig und daher nur für ei-

Abb. 4.3 Kennwerte für “normales” Steinholz(Vgl. Fasse, 1923, S. 14f.)

Abb. 4.4 Blick in ein Laboratorium des Fach-vereins Steinholz, Bonn (1956)

Abb. 4.5 Steinholzfußboden in einem Büroraum,doppelschichtig und zweifarbig mit ma-schinellem Fugenschnitt (1956)

Ahornabfälle als brauchbar eingestuft. BeiSpänen aus Eiche ergeben sich aufgrund derhöheren Festigkeit Probleme beim Verbund;der hohe Gehalt an Gerbsäure wirkt sichebenfalls nachteilig aus. Es sollen in jedemFall nur gut getrocknete Mehle beziehungs-weise Späne verwendet werden, die keinenGehalt an frischem Harz aufweisen.Als weitere Füllstoffe eignen sich aufgrundder guten Verträglichkeit mit Zement Natur-bimssand oder Hüttenbims; Quarzsand dage-gen erhöht die Wärmeleitfähigkeit. Darüberhinaus können auch Gesteinsmehle etc. zu-gegeben werden, deren Anteil zu begrenzenist.34

Alle in der Natur vorkommenden Wasserarten(Härtegrade etc.), wie auch Quell- und Re-genwasser werden für das Zugabewasser alsgeeignet eingestuft. Wasser mit hohem Salz-gehalt soll allerdings wegen möglicher Aus-blühungen nicht verwandt werden.35

Bezüglich einer vorteilhaften Korngröße feh-len Ende der 1940er Jahre noch systemati-sche Versuche. Zementanteil und Wasserbe-darf bestimmen maßgeblich die Korngrößedes verwendeten organischen Materials. Da-her sollen Feinstmehle nur in geringen Men-gen verarbeitet werden, da diese erheblicheZementzusätze erfordern und den Wasseran-spruch erhöhen.36 Dies wiederum kann sichauf Saugfähigkeit und Volumenänderung ne-gativ auswirken, die Festigkeit beeinträchti-gen sowie das Schwindverhalten erhöhen.

Die Herstellung von Holzbeton erfolgt im We-sentlichen durch Mischung und Wahl der ge-eigneten Anteile der Ausgangsstoffe Zement,Restholz und Zugabewasser. Im Gegensatzzu Magnesitbinder empfiehlt man bei der Ver-wendung hydraulischer Bindemittel eine Vor-behandlung der organischen Zuschläge.Charisius behandelt ausführlich die Vorbe-handlung des Holzes zur Verbesserung der


Holzbeton

33

4.3 Holzbeton

4.3.1 Stand der Forschung um 1950Ansätze zur Optimierung der Kombinationvon anorganischen Baurohstoffen mit Rest-holz, vor allem Verbesserung von Feuchtebe-ständigkeit und Vermeidung der Korrosions-problematik, führen zu Experimenten mitHolzbeton. Das erste Produkt ist ein so ge-nannter “Sägemehlbeton” auf Basis von Port-landzement. (Abb. 4.6) Hummel benennt stattdes übergeordneten Terminus “Holzbeton”die Betone aus organischen Stoffen nachdem Zuschlagsmaterial, zum Beispiel als Sä-gemehlbeton.30

Charisius grenzt Holzbeton von Holz bewehr-ten Beton deutlich ab, der mit letzterem “imstrengen Sinn des Wortes nichts zu tun”habe. Bei diesem wird zur Aufnahme der Zug-und Schubspannungen anstelle von Stahlein-lagen Holz als Bewehrung verwendet. Bereits191931 werden erste Erfahrungen mit Holzzur Bewehrung von Beton gesammelt.32

Als Bindemittel verwendet man für den Holz-beton Zement. Hinsichtlich des Einflusses un-terschiedlicher Zementarten sind kaum Unter-schiede festgestellt worden. Es gilt als zweck-mäßig für eine rasche Abbindung und Erhär-tung insbesondere der Fertigteile hochwerti-gere Zemente zu verwenden.33

Füllstoffe sind zunächst – per Definition –Holzspäne (Hobel- beziehungsweise Säge-späne) und Sägemehl. Charisius sieht aller-dings auch die Möglichkeit der Verwendungvon Korkmehl beziehungsweise -schrott undanderen faserartigen Materialien, wie Stroh,Schilf, Torfmull.Für die Zuschlagsstoffe aus Holz eignen sichvor allem die Weichholzarten Kiefer, Fichteund Tanne; ferner werden auch Buchen- und

ziehungsweise Hobeln. Dann werden die Flä-chen mit Lein- oder Fußbodenölen mehrmalsüberstrichen. Durch Einlassen von Wachster-pentinlösung können die Oberflächen nach-träglich noch poliert werden.21 (Abb. 4.5)Probst nennt bei der Verwendung von Stein-holz Boden-, Wand- und Möbelplatten, dieauch werksmäßig hergestellt werden kön-nen.22 Für Wandbekleidungen ist zur Aufnah-me von Steinholz eine Vorbehandlung erfor-derlich. Fasse empfiehlt einen Zementrauh-strich sowie bei Holzwänden ein dünnes Well-blech mit Asphaltanstrich oder eine Art Draht-geflecht.23 Neben Möglichkeiten der Herstel-lung von Terrazzo-, Mosaik- und Marmorimi-tationen eignet sich Steinholz durch freiesAuftragen ebenfalls zum Nacharbeiten undzur Ausbildung von Profilstücken.24

Anfang des 20. Jahrhunderts werden unter ei-ner Vielzahl von Produktnamen Steinholzbe-läge in Plattenform und als Estrich (das heißtals fugenloser Belag) auf den Markt gebracht. Bereits 190325 unterscheidet man 30 ver-schiedene Bezeichnungen, wie Torgament,Linolith, Dresdament, Papyrolith. Erstanwen-dungen erfolgen ab 1893 und 1938 erreichtman bereits eine Fläche von 5,5 Millionen m2

verlegtes Steinholz.26

Eines der bekanntesten Produkte ist Xylo-lith27, das ebenfalls unter einem hohem hy-draulischen Druck aus Holzmasse und mine-ralischen Stoffen hergestellt wird. Aufgrundder daraus resultierenden dichten, faserigenVerbindung weist Xylolith eine hohe Wider-standsfestigkeit auf und zeigt im praktischenGebrauch eine doppelt so hohe Widerstands-fähigkeit wie Eichenholz.28 Endapedon ist da-gegen ein Gemisch aus Magnesit und vorbe-handelten Sägespänen beziehungsweise Ma-gnesit und Speckstein und Holzschliff, dasman vor Ort kalt mischt und einbringt.29


Holzbeton

34

Abb. 4.6 Sägemehlbeton(Vgl. Hummel, 10/1948, S. 203)

ren nach der Tiefe” hat meist eine Ge-wichtserhöhung und Verringerung derPlaszitität und Dehnungsfähigkeit zur Fol-ge.

Nach der Vorbehandlung39 werden die Zu-schlagsstoffe in der Regel ausgebreitet undgetrocknet, anschließend mit Zement ver-mischt und verarbeitet. Nur beim Mineralisie-ren mit Zementmilch kann auf das Vortrock-nen verzichtet werden, wenn der Beton durchPressung verdichtet wird; die Zementmilchdient dann gleichzeitig als Bindemittel.Die dem Einbringen in die Form nachfolgendeVerdichtung ist für die Eigenschaften des Pro-dukts von großer Bedeutung; für eine Schüt-tung ohne weitere Nachbearbeitung gilt dasKompositmaterial als ungeeignet. Es erfordertje nach Bauteilanforderung und Betriebsgrö-ße Stampfen von Hand, Rütteln oder Maschi-nenpressung.40

Die Verdichtung erfolgt durch (Druck-)Pres-sen oder Stampfen (mit eventuell nachfolgen-dem Beschweren). Bei Rohdichten zwischen800 und 1500 kg/m3 werden durch PressungBetondruckfestigkeiten41 von bis zu 25 N/mm2

erzielt; nach Hummel sind die für gewöhnlicheWandbetone (ρ = 500 bis 1100 kg/m3) erfor-derlichen Druckfestigkeiten auch durchStampfen zu erreichen.

Holzbetone gelten auch als äußerst elastischund wärmedämmend; allerdings stellt dasstarke Schwindverhalten (bis zu 6 mm/m) be-reits damals ein großes Problem dar. Dies er-fordert mitunter lange Lagerzeiten vor demEinbau als Platte oder Formstein.Zu einer Holzbeton-Rezeptur aus 1 Volumen-einheit (VE) Zement und 4 VE Kiefernsäge-mehl stellte Hummel einige Kennwerte vor.Bei dieser Mischung wird das Mehl mit Ton-brühe vorbehandelt und die Masse beischwach plastischer Verarbeitung von Handgestampft. (Abb. 4.7)

Oberflächenbindung zwischen Zementleimund organischem Füllstoff sowie zur Verringe-rung des Schwindens beim Erhärten. Für die-sen als Mineralisierung bezeichneten Vor-gang haben sich sechs Stoffe als zweckmä-ßig erwiesen.37

Hummel weist daraufhin, dass jedoch überArt und Zweckmäßigkeit einer Vorbehandlungeine Fülle sich zum Teil widersprechenderMeinungen bestehen. Eine Vorbehandlungkann unterbleiben, wenn der Anteil der orga-nischen Stoffe verhältnismäßig gering ist.Man unterscheidet zwei Vorgehensweisen:38

- Oberflächenveränderung zur Verbesse-rung der Haftung der Zementpaste (desZementleims) an den Holzspänen

- Durchtränkung mit wasserabweisendenStoffen oder oberflächliches beziehungs-weise durchgehendes Mineralisieren desorganischen Zuschlags; das “Mineralisie-

Auch wenn Ende der 1940er Jahre nur weni-ge Ergebnisse aus systematischen Untersu-chungen vorliegen,42 skizziert Charisius be-reits Angaben zum W/Z-Wert, der je nachFüllstoff und Herstellungsverfahren durchVersuche zu ermitteln sei. Aufgrund derSaugfähigkeit des Holzes soll jedoch derWasseranteil nicht zu knapp bemessen sein.Hinsichtlich der Herstellung von Holzbeton gilteine halbplastische Konsistenz des Frischbe-tons für die Eigenschaften des Bauteils vonVorteil.43 Für die weiteren Schritte, Verdich-ten, Entformen, Lagerung sind im Grunde ge-nommen die gleichen Maßnahmen zu treffenwie bei der ‘klassischen’ Betonherstellung.

Die Rohdichte (Raumgewicht) ist abhängigvon den Füllstoffen, der gewählten Steife desFrischbetons sowie dem Verdichtungsgrad.Der Rohdichtebereich von Holzbeton wird vonCharisius zwischen 500 und 1500 kg/m3 an-gegeben.44

Bei Untersuchungen zur Biegezugfestigkeitvon Holzbetonplatten liegen die ermitteltenWerte bei etwa 20 kg/cm2. Eine Abhängigkeitvon der Rohdichte kann nicht festgestellt wer-den, da vor allem die Art der Zusammenset-zung und der Strukturaufbau des Betons die-se bestimmen. Hinsichtlich der Druckfestigkeiten zeigen dieVersuchsergebnisse große Schwankungen.Bei gestampfter Verarbeitung von Hand kön-nen Werte von 7 N/mm2 (nach 56 Tagen) undbei maschineller Verdichtung bis zu 250 N/mm2 erreicht werden. Elastizitätsmessun-gen ergeben Werte zwischen 2.210 und2.620 N/mm2, während Hummel für Holzbetoneinen (Druck-)E-Modul von 3.000 N/mm2 an-setzt.45

Charisius spricht neben den Vorzügen vonHolzbeton auch von “unstreitbar gewissenNachteilen”. Bezüglich des Schwindens und

mokratischen Republik eine zweite Phase in-tensiver Forschungstätigkeiten zum Thema. Seit Ende der 1960er Jahre sucht man imRahmen einer allgemeinen Erhöhung der Ma-terialökonomie im Bauwesen die “verstärkteNutzung einheimischer Rohstoffe bei Sen-kung des spezifischen Energieaufwandes”53.Neben einem anvisierten, höheren Holzaus-nutzungsgrad rechnet man aus einer steigen-den Rohholzbereitstellung mit einer erweiter-ten Nutzungsmöglichkeit für Restholzsorti-mente, wie Reisig, oberirdische Stockholzab-schnitte und anderer Holz- und Rindenabfälle.Verschiedenste Kombinationen mit anderenBaustoffen werden angedacht und für den


Holzbeton

35

net. Für Bauteile aus Holzbeton werden dahernur mehrschichtige Aufbauten als sinnvoll er-achtet.49

Holzbeton weist aufgrund der Oberflächenmi-neralisierung der organischen Füllstoffe unddem Anteil an anorganischen Bindemittelneine höhere Feuerwiderstandfähigkeit auf alsHolz. Allerdings wird Holzbeton, insbesonderebei dünnwandigen Elementen,50 nicht als feu-erhemmend eingestuft und daher empfiehltman zusätzliche Putzschichten. Hinsichtlichder Eignung als Haftgrund für Putze bestehenkeine Einschränkungen. Für Anstriche sinddie stofflichen und handwerklichen Maßnah-men wie bei Normalbeton zu wählen.Holzbeton ist nagelbar und sägbar, was be-sonders bei der Arbeit mit Fertigteilen Vorteileaufweisen kann. Positive Einflüsse hinsicht-lich des geringeren Gewichts werden nichtthematisiert.51 Charisius weist allerdings dar-aufhin, dass je nach Mineralisierungsvorgangetwaige Korrosionsprobleme bei der Verwen-dung von Stahlteilen auftreten können.

Insgesamt reklamiert Charisius für den Holz-beton im Dezember 1946 “vielseitige Ge-brauchsmöglichkeiten”, da mit dieser Leicht-betonart ein Baustoff zur Verfügung steht, derleichte Verarbeitung sowie gute Wärmeschut-zeigenschaften aufweist. Für den raschenWiederaufbau der kriegszerstörten Städteund Gebäude sucht man ein Material, das ei-nerseits lokal beziehungsweise regional ver-fügbar ist, andererseits sich gut zur Herstel-lung von Fertigteilen eignet.52

4.3.2 Forschungarbeiten in der DDRNachdem in der zweiten Hälfte der 40er Jah-re, im unmittelbaren Anschluss an das Endedes Zweiten Weltkrieges, Materialknappheitund Ressourceneffiziens zu Arbeiten mit Ma-terialkompositen aus Holz und anorganischenBindemittel führen, folgt in der Deutschen De-

Quellens betont er die besondere Schwind-neigung des Holzbetons als “bedenkliche Ei-genschaft”, die sowohl bereits nach der Her-stellung als auch im verbauten Zustand zuFormänderungen führen kann. SystematischeUntersuchungen zum Einfluss von Mi-schungsverhältnissen und Herstellungsart aufdas Schwinden und Quellen gibt es damalsnoch nicht.46

Auch für die Witterungsbeständigkeit fehlenEnde der 1940er Jahre detaillierte Untersu-chungsergebnisse. Allgemein wird dem offen-porigen Holzbeton eine größere Feuchtig-keitsaufnahme, mit nachfolgendem Quellen,sowie eine geringere Beständigkeit gegendas Eindringen chemischer Stoffe nachge-sagt. Insbesondere der Witterung stärker aus-gesetzte Bauteile seien außenseitig durchPutzschichten zu schützen. Insgesamt geltendie gleichen Schutzmaßnahmen wie bei her-kömmlichem Beton. Hinsichtlich des Schutzesgegen biologische Einflüsse sieht CharisiusParallelen zu Erfahrungen mit Zement gebun-denen Leichtbauplatten, die eine hohe Wider-standsfähigkeit gegen Mikroorganismen zei-gen. Dies umso mehr, da Holzbeton in derRegel eine höhere Dichtigkeit aufweist. Beisachgerechter Herstellung werden keine Un-verträglichkeiten von Holzbeton mit anderenBaustoffen erwartet. Einzig in Verbindung mitGips macht man Einschränkungen geltend.47

Die Wärmleitfähigkeitswerte unterschiedlicherPlatten zeigen, dass die Probekörper mitniedriger Rohdichte (650 bis 1600 kg/m3) miteiner Wärmeleitfähigkeit48 von etwa 0,15 bis0,68 W/mK nahe der von Nadelholz und dieschwereren Holzbetone (um 1300 kg/m3) beiLeichtbetonen mittleren Gewichts liegen. DieSchalldämmeigenschaften eines Bauteilshängen vor allem von dessen Gewicht ab.Bezüglich der Luftschalldämmung sind porö-se, luftdurchlässige Materialien nicht geeig-

Sägemehlbeton

Rohdichte [kg/m3]

Druckfestigkeit (56 d) [N/mm2]1

500–1500

7

Druckfestigkeit (56 d) [N/mm2]2

Biegezugfestigkeit [N/mm2]2

(Druck-)E-Modul [N/mm2]

Schwindverhalten [mm/m]

bis 25

2

2.2103–3000

≤ 6

Wärmeleitfähigkeit [W/mK](ρ = 650 bis 1600 kg/m3)

Sorptionsfähigkeit4 [Vol.-%]

0,15–0,68

10,4

Abb. 4.7 Versuchsergebnisse von Sägemehl-beton. (Vgl. Hummel, 10/1948, S. 204;Charisius, 1947, S. 12ff.)1 Verdichtung durch Stampfen2 maschinelle Verdichtung3 Charisius, 1947, S. 12ff.4 bis nach 28 Tagen


Holzbeton

36

deren Einführung geplant. In den 1960er Jah-ren werden in größerem Umfang Fußenbo-dendämmplatten (so genannte FD-Platten, d = 30 mm) eingesetzt und seit 1968 Holzbe-tonplatten (HB-Platten, d = 120 mm) gefertigt.(Abb. 4.8)Bis 1971 erfolgt die Herstellung von Dach-dämmplatten mit Diffusionskanälen. Ab 1973plant man die industrielle Produktion vonHolzbeton-Schalungssteinen für Mantelbeton-wände.57

Die Platten beziehungsweise Steine werdenjeweils in Handmontage verlegt beziehungs-weise versetzt und lassen sich einfach bear-beiten (sägen, bohren, stemmen, fräsen, na-geln). (Abb. 4.9+4.10)

Das Restholzsortiment wird zunächst unab-hängig von der Faserrichtung mechanischzerkleinert, zerfasert und fraktioniert. An-schließend erfolgt die Zugabe von Bindemittelund Abbinderegler und bei geringer Verdich-tung die Fertigung der HB-Platten.58

Bei Versuchen zur statischen Beanspruchungvon Holzbetonwänden (HB-Platten Typ 800)werden Druckfestigkeiten59 von 12 N/mm2

(Einzelwert) bis 15 N/mm2 (Mittelwert) ermit-telt; die Werte der Biegezugfestigkeit errei-chen fast 50 % der Druckfestigkeit. Fernerwerden Belastungsversuche bezüglich derHaftfestigkeit von Schrauben und Nägelndurchgeführt und Mindestabmessungen vor-geschlagen.60 (Abb. 4.11+4.12)

Bei Brandversuchen zeigt sich, dass die ein-tretende Verkohlung der Holzpartikel brand-hemmend wirkt. Daher erfolgt eine Einstufungder HB-Platten als “schwer brennbar” mit ei-nem Feuerwiderstandswert fw = 1,0.Bei ausreichenden baukonstruktiven Schutz-maßnahmen und Vermeidung unkontrollierter,starker Durchfeuchtungen (Lagerung undTransport) sind keine schädlichen Auswirkun-

Holzbeton eine erfolgreiche Zukunftsperspek-tive prognostiziert.

Im Rahmen von bauaufsichtlichen Zulassun-gen54 wird nach dem damaligen wissenschaft-lich-technischen Stand folgende Definitionvorgeschlagen: “Holzbeton ist ein tragenderLeichtbeton (Rohdichte < 1000 kg/m3) aus ei-nem mehr oder weniger stark verdichtetemGemisch eines mineralischen Bindemittels, inder Regel Zement, mit organischen faserigenZuschlagstoffen, vornehmlich Holz- und Rin-denspäne, dem begrenzte Mengen Abbinde-regler und sonstige Füllstoffe zugesetzt wer-den können.”55

Für die Verwertung von rindenhaltigen Holz-abfällen (vorzugsweise von Reisig, Schlagab-raum und Stockholz) zur Herstellung vonHolzbeton gelten neben Fichte und Kieferauch Birke, Eberesche, Erle, Weide, Pappelund Aspe als gut zu verarbeiten. Während inAnteilen bis zu 20 % Buchenholz und Bu-chenrinde zugesetzt werden kann, wird Lär-che als ungeeignet eingestuft. In Untersu-chungen stellt man fest, dass aus diesemHolz “extrahierbare Stoffe” besonders negati-ve Auswirkungen auf die Festigkeit von Holz-beton haben.56

Bauelemente aus Holzbeton sind bereits inverschiedenen Formen und Abmessungenauf dem Markt vorhanden beziehungsweise

Abb. 4.8 Holzleichtbeton-Montageelemente (HB-Platten)

Abb. 4.9 Montage nichttragender vorgesetzterAußenwände aus HB-Platten

Abb. 4.10 Holzleichtbetonplatten können unter an-derem durch Sägen bearbeitet werden


Holzbeton

37

gen zu erwarten. Allerdings gilt es, eine über-mäßige Feuchteanreicherung, zum Beispieldurch Kondensatbildung bei der Wasser-dampfdiffusion, zu vermeiden. Der Feuchte-gehalt beim Einbau und während der Nut-zungsphase sollte 18 Masse-Prozent nichtüberschreiten.Bezüglich des Korrosionsverhaltens wird fest-gestellt, dass von korrosionsfördernden Stof-fen besonders Magnesiumchlorid (MgCl2 · 6H20) und Kalziumchlorid (CaCl2) in den HB-Platten enthalten sei. Dies erfordert entwederKorrosionsschutz für Befestigungsmittel undVerankerung oder die Einbringung im Fugen-bereich. Diese Stoffe gehen auf Abbinde-regler zurück, die jedoch nur in sehr geringenMengen anfallen. Auch bei Einwirkungen von(aggressiven) Stalldämpfen werden keinederartigen Schadensbilder festgestellt.Während bei Außenwänden bezüglich derLuftschalldämmung keine Probleme beste-hen,61 zeigen bei Wohnungstrennwändenauch mehrschichtige Aufbauten keinen aus-reichenden Schallschutz.

Holzbeton-Platten werden in der DeutschenDemokratischen Republik seit 1968 für ver-schiedene Bautypen, von Wohn- und Gesell-schaftsbauten, über landwirtschaftliche Bau-ten und Industriehallen bis zu Garagenanla-gen eingesetzt, als62

- tragende Außen- und Innenwände voneingeschossigen sowie im obersten Stock-werk von mehrgeschossigen Bauten

- nichttragende Außen- und Innenwände- Ausfachungen im Skelettbau

Im landwirtschaftlichen Bauen63 werden Holz-betonplatten in vor die Skelettkonstruktion an-geordnete Außenwände (d = 12 cm) einge-setzt; die Plattenhöhe beträgt 320 be-ziehungsweise 290 mm, das Konstruktionsra-ster ist ≤ 3,00 m. Zur Sicherung gegen Rißbil-

dung und gegen Schwinden sind im Abstandvon 12,00 m Bewegungsfugen vorgeschrie-ben und ab 1,67 m Bewehrungseisen in dieLagerfuge einzulegen. Die Platten werden imAbstand ≤ 60 cm mit den Stützen verankert.Für die Herstellung werden weitestgehend dieRegeln der Technik für den Mauerwerksbauzugrunde gelegt. Eine Oberflächenbehandlung, gegen eindrin-gende Feuchte im Einbauzustand und Tau-wasserbildung (Feuchtigkeitsgehalt des Holz-betons ωmax ≤ 18 Masse-Prozent), erfolgtdurch beidseitig ausgeführte Putze be-ziehungsweise einer Wetterhaut aus As-bestzementtafeln.Neben dem rationalisierten mehrgeschossi-gen Wohnungsbau wird zur Verbesserung derWohnbedingungen auch an Entwicklungen fürden individuellen Wohnungsbau gearbeitet.Daraus resultiert Anfang der 1970er Jahre dieVeröffentlichung von 20 ausgewählten Pro-jektlösungen für “bauinteressierte Bürger”. Indiesem Zusammenhang werden auch eineReihe von Projekten für ein- und zweige-schossige Wohnbauten (Einzel-, Doppel-,Reihenhäuser) aus Holzbeton vorgestellt.64

(Abb. 4.13)

In der Deutschen Demokratischen Republiksind die Untersuchungen und die Experimen-te mit Holzbeton Teil der bauwirtschaftlichenAnstrengungen die Nutzung einheimischerSekundärrohstoffe für eine “effektive Mate-rialökonomie” zu intensivieren.65 Daher wer-den insbesondere volkswirtschaftliche Aspek-te für den verbreiteten Einsatz von Holzbetonim allgemeinen Hochbau reklamiert.66 Nebender Sekundärstoffverwertung von Holz- undRindenabfällen, für ein verbessertes Auffor-sten und die Mechanisierung der Forstwirt-schaft, wird die Mauerziegelsubstitution miteinem energiesparenden und kosteneffizien-ten Baustoff herausgestellt, also bei gleichen

HolzbetonTechnische Kennwerte

Rohdichte [kg/m3]1

Druckfestigkeit [N/mm2]1

800

15

Feuchtigkeitsgehalt [Masse-%]2

Wärmeleitfähigkeit [W/mK]3

25

0,15

HolzbetonRechenwerte

Zul. Kantendruckspannung [N/mm2]


4

0,21

Spezifische Wärmekapazität [J/gK]

Volumen bezogene Wärmekapazität[kWh/m3K]

1,675

0,372

Abb. 4.11 Technische Kennwerte (Mittelwerte) vonHolzbetonplatten1 klimatisiert; 2 bei Auslieferung bez. auf Trocken-

masse; 3 Meßwert der bei 80 °C getrockneten

Proben(Vgl. Bursian/Pinternagel, 1973, S. 9)

Abb. 4.12 Rechenwerte67 von Holzbetonplatten(Vgl. Bursian/Pinternagel, 1973, S. 9)


Aktuelle Produkte und Systeme

38

Abb. 4.13 Eingeschossige Holzbeton-Einzelhäuser(≈ 1972)

4.4 Aktuelle Produkte und Systeme

Rückblickend über etwa 150 Jahre wird einewechselvolle Geschichte der Kombination or-ganischer Zusatz- oder Füllstoffe mit anorga-nischen Bindemitteln sichtbar. Heute setztman Steinholz nur mehr in selten Fällen ein,auch wenn in Meyers Großem Taschenlexi-kon die Verwendung als “gut wärmedämmen-der Fußboden- und Wandbelag [sic!]” immernoch vermerkt wird.70

Dem Holzbeton gilt ebenso keine breite Auf-merksamkeit im Bereich avancierter Baukon-struktion beziehungsweise moderner Mate-rialtechnologie mehr; so finden sich in neue-ren Publikationen71 keine Hinweise auf dieMaterialkombination. Gleichwohl bestehenauch jenseits von Forschungslabors seit Jah-ren am Markt etablierte Produkte, die die be-kannten Vorteile von Holzbeton in zum Teilspeziellen, patentierten Verfahren nutzen. Sovermerkt Beraus, dass der Holzspanbetonheute “in vielen Ländern dieser Erde produ-ziert und mit Erfolg in vielfältiger Form ange-wendet wird.”72 Nachfolgend sei der Blick aufzwei dieser Produktgruppen gerichtet, um ei-nerseits Kontinuität zu belegen, anderseits et-waige Chancen und auch Hemmnisse einerProdukteinführung zu beleuchten.

4.4.1 Holzspanbeton 73

In den 1920er Jahren erfolgen erste Versuchemit der Kombination von Zement und Holz-spänen als organischem Zuschlagsstoff. Diepositiven Materialeigenschaften von Steinholzwill man nutzen und sucht mit der Wahl einesanderen Bindemittels negative Einflüsse wiedas Schwind- und Quellverhalten zu minimie-ren. Der Niederländer Richard Handl lässtsich 1932 beziehungsweise 1934 ein “Verfah-ren zur Herstellung poröser Formlinge aus

Kenngrößen eine “eindeutige ökonomischeÜberlegenheit des Holzbetons” festgestellt.Allerdings gilt der hohe Zementeinsatz (466kg/m3) als Nachteil.68

Aus heutiger Sicht ist bemerkenswert, dassbezüglich der Weiterentwicklung des Bau-stoffs Holzbeton, das “Handmontage-Ele-ment” gegenüber der als aufwendiger einge-stuften Entwicklung von großformatigen Plat-ten-Elementen bevorzugt wird. Für die künfti-ge Verwendung von Holzbeton im Hochbauversprechen gerade “effektive und rationelleinsetzbare kleinformatige Bauelemente fürdie Handmontage” erfolgreiche Einsatzmög-lichkeiten.69

cellulosehaltigen Stoffen und Zement” paten-tieren. Darauf aufbauend entwickelt er einebenfalls angemeldetes “Verfahren zur Her-stellung eines Leichtbaustoffs aus Holzabfäl-len und Zement”, das eine neue Produktbe-zeichung einführt und bis heute die Basis fürdie Produktion von Holzspanbeton darstellt.

Wie beim Steinholz werden als Füllmaterialfür die Herstellung von Holzspanbeton vor al-lem Nadelhölzer (Fichte, Tanne, aber auchBirke, Esche und Linde) verwendet. Hierbeihandelt es sich in der Regel um Rest- undAbfallstoffe aus der Forstwirtschaft und ausHandwerksbetrieben, wie Spreißelholz, Hack-gut, Schäl- oder Hobelspäne. Beim Holzspan-betonverfahren wird das organische Materialzunächst in Schlagmühlen mechanisch bear-beitet, gereinigt und in entsprechende Korn-größen zerkleinert, und anschließend mit “Mi-nieralisierungs-Additiven” durchtränkt. Dabeiwerden die Holzspäne vollständig angefüllt,bis sich an der “Oberfläche eine Gelschichtbildet”, an der sich das zugemischte Binde-mittel (Portlandzement) gut anlagern kannund einen festen Verbund der Zuschläge ge-währleistet. Ferner verhindert die Mineralisie-rung das Eindringen von Feuchtigkeit. Vonder Festigkeitsentwicklung verhält sich der fri-sche Holzspanbeton ähnlich dem “Schwerbe-ton” und kann wie dieser werkseitig geformtwerden.

Neben den aus der Werkstoffkombination be-kannten positiven Materialeigenschaften las-sen sich mit Holzspanbeton, bei Rohdichtenzwischen 450 und 650 kg/m3, Festigkeiten biszu 20 N/mm2 erzielen. Die Wärmeleitfähig-keitswerte bewegen sich im Bereich von 0,11und 0,15 W/mK und nehmen mit steigenderRohdichte zu. (Abb. 4.14)Die Eigenfeuchte des Holzspanbetons beträgtetwa 5 bis 11 Masse-Prozent. Das Material



39

sen sich Werte bis zu 0,20 W/m2K erzielen.77

Die Lastabtragung erfolgt über die Betonfül-lung, die auch einen guten Schallschutz derWandaufbauten gewährleistet. Die bei leichten porigen Materialien (ρ = 600kg/m3, λ = 0,15 W/mK) geringere Wärmespei-cherkapazität wird ebenfalls durch den Kern-beton kompensiert. Dadurch können raumsei-tig auftretende Temperaturspitzen gepuffertwerden. Insgesamt führen die höheren Tem-peraturen an den Bauteiloberflächen vonHolzspanbeton zu einer guten Balance zwi-schen Raumluft- und Wandoberflächentem-peratur und reduzieren somit den Heizwärme-bedarf bei gleichzeitig behaglicheren Raum-klima.

Darüber hinaus wird der Holzspanbeton alsein- und zweischichtige Dämmplatten, als ver-lorene Schalung beziehungsweise zur Her-stellung von Sonderschalungen verarbeitet.Eine “Neuentwicklung” stellen vorgefertigteWandelemente aus Holzspan-Mantelsteinendar. Zum einen können somit großformatigeElemente vorgefertigt werden, was den Ferti-gungsprozess beschleunigt, zum anderenwird die Qualität der Herstellung erhöht undkann witterungsunabhängig erfolgen.78

4.4.2 Holzwolleleichtbauplatte 79

Ein weiteres Produkt ist die Holzwolle-Leicht-bauplatte, die jedoch eine besondere Ausfüh-rung darstellt. Hierbei handelt es sich umLeichtbauplatten aus einem “schwach ver-dichteten Gemisch aus Holzwolle und minera-lischen Bindemitteln (Zement oder Magne-sit).”Als Holzwolle bezeichnet man lange ineinan-der verknäulte und gewellte Holzspäne, in derRegel zwischen 1 und 4 mm breit und etwa0,03 bis 0,4 mm dick, die als Dämm- und Ver-packungsmaterial eingesetzt werden.80

Das Ausgangsmaterial für die Dämmplatten

kennzeichnet ein “makroporiges Gefüge mitnahezu keinen Kapillaren” und unterbindetdaher eine saugende Wirkung. Das diffusionsoffene Material weist durch dieporige Gefügestruktur ein gutes Sorptionsver-halten (Feuchtigkeitsaufnahme/Feuchtigkeits-abgabe) auf (Wasseraufnahme 0,7 kg/m2 proh, Wasserabgabe 2,1 kg/m2 pro h). Es be-steht ein kontinuierlicher Luftfeuchtetransportüber die bestehenden Holzbetonstege imMauerwerk. Somit verfügt der Holzspanbetonsowohl über ein gutes Dampfdiffussionsver-halten als auch über eine hohe Witterungsbe-ständigkeit im Schutz gegen Frost- undFrosttausalzbeanspruchungen. Das Material ist nach ÖNORM als “schwerentflammbar” eingestuft.74

Es existiert eine breite Produktpalette,75 dieim allgemeinen Hochbau, vor allem demWohnungsbau, Einsatz findet, die aber eben-so im Bereich von Lärmschutzmaßnahmennennenswerte Potenziale aufweist. Holzspan-Mantelsteine sind in einer Vielzahlvon Standard- und Sonderanfertigungen fürtragende und nichttragende Innen- und Au-ßenwände erhältlich.76 Aus dem umfangrei-chen Steinsortiment (Abb. 4.15) könnenebenfalls Fertigwandmodule hergestellt wer-den. Produkte des patentierten Holzspanbe-ton-Verfahrens findet man in Österreich vorallem unter Firmennamen wie “Durisol” und“isospan”.

Die Steine werden trocken, “satt gestoßen”versetzt und anschließend mit Beton verfüllt.Daher muss eine sorgfältige Ausführung desMauerwerksverbands gewährleistet sein. Jenach Wandstärke (tragende Wände zwischen17 und 37,5 cm) und Kernbetonfüllung er-reicht ein Mauerwerk aus Holzspan-Mantel-steinen U-Werte bis 0,30 W/m2K; ausgeführtmit einem Wärmedämmverbundsystem las-

Holzspanbeton

Rohdichte (mit Schwerstoff-zuschlägen) [kg/m3]

(Würfel-)Druckfestigkeit (mitSpezialmischungen) [N/mm2]

400 – 600(> 1000)

9,5 – 20(bis 34,5)

Biegezugfestigkeit (bei Spezial-fabrikaten) [N/mm2]

Wärmeleitfähigkeit [W/mK](ρ = 450 kg/m3–1000 kg/m3)

Dampfdiffussions-widerstandsfaktor [µ]

8,5 – 12(bis 20)

0,11 – 0,37

4 – 6

Abb. 4.14 Technische Kennwerte von Holzspan-beton (Vgl. Beraus, 2001, S. 105f.)

Abb. 4.15 Holzspanbeton als (gedämmter) Mantel-stein und Platte (Fa. isospan)



40

zes (das heißt bezüglich Wärmespeicherfä-higkeit, Temperaturamplitudendämpfung,Phasenverschiebung) positiv aus.82 Dabei iststets das Verhalten der Gesamtkonstruktionzu beurteilen.Aufgrund der spezifischen Eigenschaften(schwer entflammbar) kann mit Holzwolle-leichtbauplatten auch die Feuerwiderstands-dauer von Bauteilen erhöht werden.

Da die Platten weitgehend aus natürlichenRohstoffen hergestellt wird und bei der Her-stellung keine Umweltbelastung entsteht, giltdas Produkt als gut recyclebar und ökologischunbedenklich deponierbar.

bildet die Holzwolle aus luftgetrockneten hei-mischen Hölzern81. Anschließend wird diesemit Zement (graue Farbe) oder kaustisch ge-branntem Magnesit (beige Farbe) gebunden.Daher weisen diese Platten eine geringereDämmwirkung auf, als Platten ohne Bindemit-tel.

Holzwolleleichtbauplatten – das heißt Holz-wolle-Platten (HWL-Platten) sowie Holzwolle-Schichtplatten (ML-Platten) – gelten seit Jahr-zehnten als eine Art Universal-Dämmstoff amBau mit guter Diffusionsfähigkeit sowieSchalldämmeigenschaft und werden meist alsPutzträgerplatten verwendet.Ausgehend von einem Regelformat (2000 x500 mm) werden diese in Bauteildicken von15 bis 100 mm hergestellt. Die fertigen, sehrstabilen Platten lassen sich leicht bearbeiten,sind selbsttragend sowie wand- und decken-bildend. Aufgrund der relativ niedrigenDämmwirkung sind im Vergleich zu anderenDämmstoffen jedoch stärkere Wanddicken er-forderlich. “Durch das hohe Wasseraufnah-mevermögen können Holzwolle-Leichtbau-platten in der Außenverwendung nur mit zu-sätzlichen Schutzmaßnahmen zum Einsatzkommen.”

Hinsichtlich des Wärmeschutzes können mitkonventionellen Wandaufbauten und einerbeidseitigen Außenwandbekleidung mit Holz-wolle-Leichtbauplatten (d = 50 mm) Anforde-rungen der Niedrigenergiebauweise erfülltwerden. Bei einer Holzständerwand (d = 16 cm, Holzanteil der Konstruktion 20 %) wird ein U-Wert von 0,23 W/m2K, bei Mauer-werk (d = 36,5 cm) ein U-Wert von etwa 0,17W/m2K erreicht.Gegenüber herkömmlichen Dämmmaterial-ien, wie Polystyrol oder Glaswolle, wirkt sichdie deutlich höhere Rohdichte insbesonderehinsichtlich des sommerlichen Wärmeschut-

Holzwolle-LeichtbauplatteHeraklit-M (Magnesit)

Rohdichte [kg/m3]

Druckfestigkeit (bei 10% Stau-chung, d = 15–35) [N/mm2]

400

≥ 0,20


Wärmeleitfähigkeit [W/mK](d = 25–100 / d = 15 mm)

Dampfdiffussions-widerstandsfaktor [µ]

Flächengewicht [kg/m2]

0,4 – 1,7

0,075 – 0,150

2 – 5

4,5 – 33

PorositätAnteil Luftporen [V-%]

> 65

Abb. 4.16 Technische Kennwerte von Holzwolle-Leichtbauplatten. (Vgl. HeinzeBauOf-fice, 2000, Datenblatt-Nr. 2093/01)

Abb. 4.17 Holzwolle-Leichtbauplatten


Zusammenfassung

41

Anmerkungen1 Vgl. Scherer, 1907, S. 98-113; Cordes, 1932, S. 5f.2 Vgl. Cordes, 1932, S. 5f.3 Scherer, 1907, S. 72-744 Vgl. Scherer, 1907, S. 75-775 Vgl. Scherer, 1907, S. 74-756 Vgl. Fasse, 1923, S. 1f.7 Vgl. Ahnert/Krause, 3/1996, S. 179; vgl. Vollen-

schaar, 25/1998, S. 3718 Vgl. Ahnert/Krause, 3/1996, S. 1799 Vgl. Tabelle in: Vollenschaar, 25/1998, S. 37210 Vgl. Scherer, 1907, S. 98-11311 Vgl. Fasse, 1923, S. 1312 Beizend gebrannter Magnesit13 Cordes, 1932, S. 5f.14 Vgl. Cordes, 1932, S. 5f.15 Robust gegen Stoß- und Druckbeanspruchung, Ab-

nutzung minimal, unempfindlich gegen Öl- undSchmierstoffe, absolute Feuersicherheit, schalldämp-fend, Vgl. Fasse, 1923, S. 13f.

16 Vgl. Fasse, 1923, S. 2117 Vgl. Scherer, 1907, S. 10418 Vgl. Scherer, 1907, S. 105f.19 Vgl. Fasse, 1923, S. 1620 Vgl. Technische Berichte, 195621 Vgl. Scherer, 1907, S. 10722 Vgl. Probst, 1951, S. 47-5623 Fasse, 1923, S. 73f.24 Vgl. Scherer, 1907, S. 107f.25 Vgl. Hugo Koch (1903), zit. nach Ahnert/Krause,

3/1996, S. 179; Scherer, 1907, S. 110ff.26 Vgl. Ahnert/Krause, 3/1996, S. 17927 Hersteller war die Fa. Otto Sening & Co in Potschap-

pel bei Dresden. Vgl. Scherer, 1907, S. 11028 Die (Regel-)Formate haben Abmessungen von max.

1670 x 830 mm, 1520 x 838 mm sowie 995 x 995mm und Bauteildicken von ≥ 10 mm.Preislich wird das Material im Bereich von Linoleumgesehen. Vgl. Scherer, 1907, S. 110f.

29 Vgl. Scherer, 1907, S. 11130 Vgl. Hummel, 10/1948, S. 201-20431 Vgl. Emperger, I/1919, S. 7f. und IV-V/1919, S. 46-4832 Weitere Experimente, z.B. im Brückenbau in der

Sowjetunion in den 1930er Jahren, zeigen, dass sichHolz durchaus als Bewehrungsmaterial bei zugbean-spruchten Bauteilen untergeordneter Art eignet. Aller-dings wird in den Diskussionen stets das Problem ei-ner fehlenden Feuersicherheit bzw. Feuerbeständig-keit herausgestellt. Vgl. Charisius, 1947, S. 22ff.

33 Vgl. Charisius, 1947, S. 734 Vgl. Charisius, 1947, S. 8f.35 Charisius weist daraufhin, dass man bei der Schäd-

lichkeit von Wasser zwischen den Auswirkungen aufden Mischvorgang und denen auf den fertigen, abge-bundenden, erhärteten Beton unterscheiden müsse. Vgl. Charisius, 1947, S. 9, 20

4.5 Zusammenfassung

Bei der Kombination von organischen Zusatz-stoffen und anorganischen Bindemitteln, überdie verschiedenen Rezepturen und unter-schiedlichen Herstellungsverfahren von Stein-holz beziehungsweise Holz(span)beton, lässtsich festhalten, dass stets eine Reihe vonVorteilen herausgestellt werden:- wärmedämmend und hohe Elastizität - robust gegen Verschleiß- gute Sorptionsfähigkeit- angenehme OberflächentemperaturenAls Nachteile gelten das hohe Schwind- undQuellverhalten sowie die Schwierigkeiten ei-ner Stahlarmierung aufgrund der höherenKorrosionsgefahr. Gewiss stellen der tech-nisch apparative Aufwand gerade der Stein-holzherstellung, mit großen Drücken und ho-hen Temperaturen, ein energetisch aufwändi-ges wie auch kostenintensives Verfahren dar.Seit einigen Jahren beschäftigt man sich auf-grund von Ressourcenverknappung (Sand,Kies) und Gewichtsersparnis (Wand- und De-ckenkonstruktion) wieder eingehender mitdiesen Konzepten die unter derzeitigen tech-nologischen Möglichkeiten fortgeführt werden.Obwohl heutzutage Bauteile auf Holzbetonba-sis weitgehend nur als gepresste Zement ge-bundene Spanplatten beziehungsweise alsHolzwolleleichtbauplatten mit nichttragenden,wärmedämmenden Funktionen im Bauwesenverwendet werden, eröffnet die Weiterent-wicklung dieser Materialkombination viel ver-sprechende Einsatzmöglichkeiten. Darüber hinaus gewinnt der Holz(span)betonmit seinen natürlichen Stoffen und durch eine“komplette” Recyclingkette83, vom Rohmateri-al bis zur Baustelle, im Zuge der Neubewer-tung von Energie- und Stoffströmen eineneue Bedeutung.

36 Nach Charisius soll der Kornanteil < 0,2 mm nicht hö-her als 5 % des Gesamtgewichts der Mischung betra-gen. Vgl. Charisius, 1947, S. 9f.

37 Kalkmilch, Zementleim, Alkaliwasserglas, Magnesi-umsilikofluorid (Magnesiumfluat), Kalziumchlorid,wässrige kolloidale Aufschlämmungen. Vgl. Charisi-us, 1947, S. 9ff.

38 Vgl. Hummel, 10/1948, S. 20139 Als gängige Verfahren gelten:

- Eintauchen in kalter oder heißer Weißkalkmilch (etwa 12 bis 24 Stunden) (ältestes Verfahren)

- Eintauchen in Zementmilch (etwa 6 Stunden)- Eintauchen in Lösungen von Wasserglas oder

Chlorkalzium, essigsaurer Tonerde, Schmierseife- Eintauchen in Tonbrühe (1 Teil Ton und 2 Teile

Wasser)- Tränken mit Fluaten- Imprägnieren mit Asphalt- oder Bitumenemulsio-

nen (sei nach Hummel umstritten, da das “ge-fürchtete Faulen des Sägemehls nirgends ein-wandfrei festgestellt” werden konnte), Karbolium(letzteres wegen Geruchsbildung kaum einge-setzt)

Vgl. Hummel, 7-9/1944, S. 248; 10/1948, S. 20240 Vgl. Charisius, 1947, S. 9ff.41 Druckfestigkeit 250 kg/cm2. Vgl. Hummel, 12/1959,

S. 26742 Charisius bilanziert, dass die Entwicklung des Holz-

betons noch am Anfang stehe und das systematischeUntersuchungen zu den Eigenschaften, der stoffli-chen Zusammensetzung und zur Herstellung fehlen.Vgl. Charisius, 1947, S. 6

43 Vgl. Charisius, 1947, S. 11f., 2044 Vgl. Charisius, 1947, S. 1245 Druckfestigkeiten 70 bzw. 250 kg/cm2; E-Moduli

22.100 bzw. 26.200 kg/cm2; vgl. Charisius, 1947, S. 12ff. E-Modul 30.000 kg/cm2; vgl. Hummel, 10/1948, S. 204

46 Vgl. Charisius, 1947, S. 3, 1847 Vgl. Charisius, 1947, S. 21f.

Charisius erwähnt in diesem Zusammenhang aucheingeschränkte Möglichkeiten für “Holzbetonfunda-mente”. Vgl. Charisius, 1947, S. 18f.

48 Wärmeleitfähigkeitswerte 0,132 bis 0,581 kcal/mh°C.Vgl. Charisius, 1947, S. 15

49 Vgl. Charisius, 1947, S. 14-1750 Plattenabmessungen 180 x 100 cm, d = 3,5 cm. Vgl.

Charisius, 1947, S. 17f., 20f.51 Vgl. Charisius, 1947, S. 20f.52 Vgl. Charisius, 1947, S. 353 Bursian/Pinternagel, 1973, S. 654 Beim Deutschen Amt für Messwesen und Waren-

prüfung, Dresden. Vgl. Bursian/Pinternagel, 1973, S. 27ff.

55 Bursian/Pinternagel, 1973, S. 656 Vgl. Bursian/Pinternagel, 1973, S. 2157 Vgl. Bursian/Pinternagel, 1973, S. 6f.58 Die Abmessungen der industriell gefertigten Holzbe-

tonplatten betragen: 740 x 320 x 120 mm, 740 x 290x 120 mm, 740 x 320 x 70 mm, 490 x 290 x 120 mm.


Zusammenfassung

42

80 Vgl. Meyers Großes Taschenlexikon, Bd. 10, 2/1987,S. 61

81 Für ähnliche Platten sind auch Versuche mit Kartof-felkraut durchgeführt worden. Vgl. Hummel, 10/1948,S. 202

82 Vgl. Produktinformationen Heraklith Systembauwei-se. Simbach/Inn: Deutsche Heraklith GmbH, 12/2000, S. 18-31

83 Vgl. Beraus, 2001, S. 104f.

Nach Bedarf konnten noch Teilgrößen hergestelltwerden. Vgl. Bursian/Pinternagel, 1973, S. 7ff.

59 Druckfestigkeitswerte zwischen 12 kp/cm2 (Einzel-wert) und 15 kp/cm2 (Mittelwert). Vgl. Bursian/Pinter-nagel, 1973, S. 9

60 Schrauben 6 x 60, Einbindelänge 40 mm, und Nägel38/100, Einbindelänge 85 mm. Vgl. Bursian/Pinterna-gel, 1973, S. 9 und 21f.

61 Hier gilt das Fenster als Schwachstelle. Vgl. Bursian/Pinternagel, 1973, S. 10f.

62 Einfamilienhäuser, eingeschossige Schul- und Ver-waltungsbauten, Bungalow und Erholungsgebäude.Vgl. Bursian/Pinternagel, 1973, S. 10 und 16ff.

63 Vgl. Holzbeton im Landwirtschaftsbau, 197164 Vgl. Einzelhäuser, 1972, S. 365 Vgl. Holzbeton im Landwirtschaftsbau, 1971, S. 166 Wie auch die Projektarbeit unter anderem der “Entfal-

tung der sozialistischen Gemeinschaftsarbeit zur ef-fektiven Nutzung der materiellen und finanziellenFonds, der Erreichung des wissenschaftlich-techni-schen Höchststandes auf den Gebieten Forschungund Entwicklung, Projektierung und Produktion, Ein-satz und Verwendung sowie der Erzeugnisprognose”diene. Vgl. Bursian/Pinternagel, 1973, S. 8

67 - Zulässige Kantendruckspannung 4 [kp/cm2]- Wärmeleitfähigkeit 0,182 [kcal/hmgrd]- Spezifische Wärme 0,40 [kcal/kggrd]- Wärmespeicherkennwert 3,89 [kcal/hm2grd]Vgl. Bursian/Pinternagel, 1973, S. 9

68 Vgl. Bursian/Pinternagel, 1973, S. 15f.69 Bei der Nutzung von Reserven für die Schaffung zu-

sätzlichen Wohnraums, im individuellen Wohnungs-bau mit hohem Eigenleistungsanteil, bei Um- undAusbauten von Wohnungen, Anbauten sowie Ergän-zungs- und Erweiterungsbauten besonders im ländli-chen Bauen, Erholungsbauten und Garagen. Vgl.Bursian/Pinternagel, 1973, S. 22

70 Meyers Großes Taschenlexikon, Bd. 21, 2/1987; S. 92

71 Vgl. Watts, 200172 Beraus, 2001, S. 10373 Vgl. Beraus, 2001, S. 10374 Vgl. Beraus, 2001, S. 105f.75 Hergestellt werden unter anderem Mantelsteine,

Dämm- und Mantelbetonplatten, Außenwandelemen-te, Hourdis- und Kassettenhourdisdecken, Dachele-mente, Schallschutzelemente, Bodenplatten. Vgl.Beraus, 2001, S. 106ff.

76 d = 15–35 cm, h = 25cm, l = 50, 100, 105, 125 cm,auch mit intergierter Wärmedämmung. Vgl. <http://www.durisol.at>; <http://www.isospanl.at>

77 Vgl. Produktunterlagen “Steinprogramm - Übersicht”der Fa. Durisol-Werke GesmbH, Achau (03/2003)

78 Durisol-Wandelemente werden bei einem Flächenge-wicht zwischen 70 und 150 kg/m2 bis zu Abmessun-gen von 6,00 x 3,20 m hergestellt. Vgl. Produktunter-lagen “Steinprogramm - Übersicht” der Fa. Durisol-Werke GesmbH, Achau (03/2003)

79 Vgl. <http://www.leichtbauplatten.de/produkte>(08.03.2003)

fen. Daher weist Holzleichtbeton gegenüberanderen Leichtbetonen eine veränderte Cha-rakteristik auf. Die Hohlräume, die das Materi-al prägen resultieren aus der porigen Strukturdes organischen Zuschlagstoffs. Die verwen-deten Holzarten beeinflussen ebenfalls die(Festigkeits-)Eigenschaften. Für Süddeutsch-land sind dies in erster Linie Fichte, Kieferund Tanne.

Charakteristisch für Holzleichtbeton ist zu-nächst ein höherer Einsatz hydraulischer Bin-demittel.1 Untersuchungen verschiedener Ze-mentarten und deren Einfluss auf Festigkeitund Dimensionsstabilität zeigen, dass die Fe-stigkeitseigenschaften von Standardzemen-ten nur in einem sehr geringen Maße die vonHolzleichtbeton beeinflussen. Daraus resul-tiert, dass für ein kostengünstiges Massen-produkt preiswerte Standardzemente2 ver-wendet werden können.Anforderungen an den Zement sind “gute undverlängerte Verarbeitbarkeit, hohes Wasser-rückhaltevermögen […], hohe Kohäsion, ge-ringe Entmischungstendenzen”.3 Dabei wirktsich ein größerer Kalkanteil neben der besse-ren Verarbeitung sowohl auf die Mischungdes Komposits als auch auf die Dauerhaftig-keit des gebundenen Holzes positiv aus. Der Zementanteil im Holzleichtbeton ermög-licht durch die Mineralisierung des Holzesgute Witterungsbeständigkeit und Brand-schutzeigenschaften sowie einen wirksamenSchutz gegen Pilz- und Insektenbefall.4 Eben-so wird durch den Zementgehalt die Wasser-dichtheit, Abriebfestigkeit und Anstrichdauer-haftigkeit beeinflusst.

Wie bereits in Kapitel 2.2 erläutert, kann imRahmen dieser Arbeit auf eine Reihe wichti-ger vorangegangener Untersuchungen aufge-baut werden. Dies betrifft vor allem baukon-struktive Materialeigenschaften und in Teilen

Holzleichtbetonpassives Bauteil

Untersuchungs-systematik

43

Die in den nachfolgenden Kapiteln dargestell-ten Arbeiten sind in den gewählten Betrach-tungsebenen (Abb. 2.1+2.8) jeweils anhandderselben Untersuchungssystematik durchge-führt worden. Dabei gilt es für das Komposit-material wichtige Parameter im Bereich defi-nierter “Zielgrößen” zu erlangen. Diesschließt, da es sich um sichtbare Einsatzmög-lichkeiten im Bereich von Gebäudefassadenbeziehungsweise in Innenräumen handelt,stets über baukonstruktive (Kapitel 5.2, 7.5,7.7.1 bis 7.7.3) und bauphysikalische Eigen-schaften (Kapitel 5.3, 6.4, 7.6, 7.7.4 und7.7.5) hinaus auch die Beurteilung gestalteri-scher Aspekte (Kapitel 7.3.6, 7.9.1, 8.2) mitein. Die Versuchsergebnisse zum mechani-schen und thermischen Verhalten bilden dieGrundlage für die Durchführung von Potenzi-alabschätzungen (Kapitel 5.4, 6.5, 7.8). Untersuchungen zu ökologischen Gesichts-punkten, das heißt Fragen zu Stoff- und Ener-gieströmen bei Herstellung und Verarbeitung,Anforderungen an Recyclebarkeit etc., wer-den nicht vorgenommen. (Abb. 5.1)

Über die grundlegenden Eigenschaften derAusgangsstoffe hinaus sind anschließend we-sentliche Einflüsse von Holz und Zement aufHolzleichtbeton vorab behandelt. Wie bereitsim Kapitel 4.3.1 thematisiert, sind hinsichtlichder verfügbaren Wasserarten als Zugabewas-ser keine nachteiligen Effekte auf (Holz-leicht-)Betonmischungen bekannt. Latentwär-mespeichermaterialien und Betonzusatzmittelund -stoffe werden im Zusammenhang der je-weiligen Untersuchungen erörtert.

Holz unterscheidet sich stark in den Eigen-schaften von anorganischen Zuschlagsstof-

5 Holzleichtbeton als Material für thermisch passive Bauteile

5.1 Untersuchungssystematik


Untersuchungs-systematik

44

Abb. 5.1 Untersuchungssystematik: Einflussgrößen (“Ausgangsmaterialien”), Betrachtungsebenen und eingesetzte Arbeitsmittel, sowie Zielgrößen (“Untersuchungsbereiche”)

tenlage, andererseits als Basis für die Durch-führung einer Potenzialabschätzung. Diesesoll anhand verschiedener Außenwandauf-bauten erste Einschätzungen zu dem erwar-tenden Einfluss von Holzleichtbetonbauwei-sen auf das thermische Verhalten sowie denHeizwärmebedarf von Gebäuden liefern.

auch bauphysikalische Einschätzungen zumHolzleichtbeton als Material für thermischpassive Bauteile.Daher basiert ein Großteil der vorliegendenKenndaten, auf den umfangreichen Untersu-chungen, die an der EPF Lausanne/I-Boisdurchgeführt wurden. Soweit diese für dienachfolgenden Arbeiten erforderliche Basisin-formationen beziehungsweise wichtige Para-meter zum Vergleich darstellen sind diesenoch einmal zusammengefasst worden.

Die darüber hinaus gehenden ergänzendenUntersuchungen umfassen Materialprüfungenanhand ausgewählter Mischungen zur Wär-meleitfähigkeit und spezifischen Wärmekapa-zität, einerseits als Erweiterung der Kennda-

Holz Holzart, Masseanteil

Baukonstruktive Eigenschaften

Holzleichtbeton als Material für

- thermisch passiv wirksame Bauteile

- thermisch aktiv wirksame Bauteile

- Kombinationen mit Latentwärmespeicher- materialien (PCM)

Ausgangsmaterial und Einflussgrößen

Zielgrößen

Zement Zementart, Masseanteil

Wasser Masseanteil

Bauphysikalische Eigenschaften

Gestalterische Aspekte

PCM-Material Stoffart, Masseanteil

Ökologische Aspekte

Zusatzmittel/-stoffe Pigmente, Fließmittel

Rezepturen

Betonage/Verarbeitung

Prüfkörper/Musterplatten/ Funktionsmodelle

Potentialabschätzungen thermisches Verhalten

Betrachtungsebenen Arbeitsmittel

chenbeschaffenheit und Kornform der Zu-schlagsstoffe maßgebende Parameter für dieErmittlung des Wasserbedarfs. Ferner mussder Zuschlagsaufbau, bestimmt durch dasMengenverhältnis der einzelnen Fraktionen,ein hohlraumarmes Gemisch und eine opti-male Verdichtung gewährleisten.Das organische Material stellt im Zementgefü-ge zunächst einen ‘Störfaktor’ dar, das heißtbei Zunahme der Fraktionsgröße ist eine Ver-ringerung der Festigkeitsentwicklung zu er-warten. Darüber hinaus kann die Verwendungsehr inhomogener Holzmischungen durch dieunterschiedliche Gesamtoberfläche der Holz-teilchen zu Abweichungen beim Wasserbe-darf führen. Diese beiden Effekte konnten in Vorversuchs-reihen an der EPF Lausanne/I-Bois mit glei-chem Zementanteil und Wasser/Zement-Wert(W/Z-Wert), sehr ähnlichem Porenanteil und



45

5.2 Baukonstruktive Eigenschaften 5

5.2.1 RestholzsortimentFür die Bestimmung der Materialeigenschaf-ten von Holzleichtbeton stellt die möglichstgenaue Kenntnis des Restholzsortiments, Ho-bel- und Sägespäne sowie Sägemehl, einewichtige Voraussetzung dar.Detaillierte Untersuchungen zu den wesentli-chen Parametern (Fraktionseigenschaften,Holzfeuchte sowie Roh- und Schüttdichte) er-folgten an der EPF Lausanne/I-Bois. Zur Defi-nition der Qualitäten und Quantitäten des Zu-schlagstoffs wurde zunächst anhand von Ver-suchsreihen mit Trockensiebung eine Siebli-nie erstellt.6 (Abb. 5.2) Das verwendete Rest-holzsortiment bestand aus einem Nadelholz-gemisch (Kiefer, Fichte, etwas Tanne), das ei-nen repräsentativen Querschnitt typischer“Restposten” der holzverarbeitenden Industrieabbildet.Die durchgeführten Untersuchungen zeigten,dass bis zu einer Größe von ø 6,3 mm dieHolzteilchen in ihrer rund gekräuselten Form‘klassischen’ Leichtbetonzuschlägen gleichen.Ferner wurde deutlich, dass Fraktionen > ø6,3 mm einerseits einen geringen Masseanteilaufweisen, (Abb. 5.3) andererseits diese‘Grobzuschläge’ auch große Fehlerbereicheim Gefüge verursachen, die wiederum diestatischen Eigenschaften, wie Druckfestigkeit,E-Modul etc. negativ beeinflussen können.Daher sollten diese grundsätzlich ausgesiebtwerden. Dagegen stellt die Verwendung vonSpänen mit einer Länge bis zu 5 cm zumin-dest kein materialtechnisches Problem dar.Nach weiterführenden Untersuchungen wur-den aus den verschiedenen Schüttfraktionendie Darrschütt- sowie die Rohdichte ermittelt.Ziel der Analysen war eine möglichst exakteBestimmung von Werten für die Stoffraumbe-

rechnung. In den Baustofftabellen sind gerun-dete Zahlenbereiche angeben, die meistkleinteilige und feine Holzmischungen nichtausreichend berücksichtigen.Während die (Darr-)Schüttdichte durch volu-menbezogenes Wiegen ermittelt werdenkonnte, erfolgte die Bestimmung der Rohdich-te über angefertigte Probemischungen undanschließende “Stoffraumrückrechnungen”.Auftretende Unterschiede resultierten ausdem Verhältnis von Spangröße und Anzahleingeschlossener Luftporen im Stoffverbund.(Abb. 5.4)

Für die Aufstellung möglichst genauer Mi-schungsverhältnisse stellt die Kenntnis derHolzfeuchte im Restholzsortiment eine ent-scheidende Einflussgröße dar.Die Holzfeuchte setzt sich aus Oberflächen-feuchte und Kernfeuchte zusammen. Kern-feuchte bezeichnet den Wasseranteil, derdurch kapillares Saugen vom Holzpartikel auf-genommen wird und zum (Auf-)Quellen führt.Unter Oberflächenfeuchte versteht man in er-ster Linie den Anteil an Wasser, der sich alsdünner Film auf der Holzoberfläche bildet.Diese kann aber auch im Kontaktbereich ein-zelner Holzteilchen oder, bei sehr nassemGemisch, in Partikel-Hohlräumen auftreten.

Das an der EPF Lausanne/I-Bois untersuchteHolzgemisch wies Werte zwischen 23,5 und 27,0 % Wassermasse-Anteil auf. Den aufge-stellten Stoffraumberechnungen wurde vonGliniorz/Natterer ein Mittelwert von 25 % zu-grunde gelegt. Um das Zugabewasser späterbesser berechnen zu können, insbesondereim Zusammenhang mit einer industriellen Fer-tigung, wird die Trocknung auf Darrgewichtvorgeschlagen.7

Bei der ‘klassischen’ Betonherstellung sinddie Korngrößenverteilung sowie die Oberflä-

Abb. 5.2 Manuelles Sieben des Restholzsorti-ments (EPF Lausanne/I-Bois)



46

die W/Z-Werte zwischen 0,42 und 0,75. Der Sachverhalt, dass ein hoher Wasser-Ze-ment-Wert die Eigenschaften des Betons ver-schlechtert, trifft ebenfalls beim Holzleichtbe-ton zu. Bei niedrigem W/Z-Wert nimmt die Po-rosität überproportional ab; ein porenarmerZementstein weist hohe Festigkeiten auf, hatsomit eine größere Dichtigkeit und ist wider-standsfähiger gegenüber mechanischer undchemischer Beanspruchung.9

Während für die baukonstruktiven Untersu-chungen an der EPF Lausanne/I-Bois mit ei-nem W/Z-Wert zwischen 0,45 und 0,70(einschl. Holzfeuchte) gearbeitet wurde, könn-te dieser im Bereich der Fertigteilherstellungbis auf 0,25 abgesenkt werden, zum Beispielwie beim Halbtrocknungsverfahren zur Her-stellung Zement gebundener Spanplatten.Bei weiteren Untersuchungen zur Beurteilungvon “Zusammensetzungsgrenzen” von Holz-leichtbeton zeigte sich, dass die Festigkeitenmit abnehmenden Zementgehalt (700 bis

unterschiedlicher Fraktionsverteilung, bestä-tigt werden.

5.2.2 ZementgehaltDer Zement ist im Holzleichtbeton der Stoffmit der höchsten Rohdichte und Druckfestig-keit. Daher ist eine Abhängigkeit der Festig-keitswerte vom Zementgehalt zu erwarten,das heißt mit zunehmenden Zementgehalt er-höhen sich die Festigkeitswerte. Gegenüberdieser Hauptkomponente wird der Einflussdes Wasser- und damit auch des Holzanteilsinsgesamt als nachgeordnet betrachtet.Für den Aufbau und die Eigenschaften desZementsteins ist vor allem der W/Z-Wertmaßgebend. Dieser bestimmt auch die Poro-sität und damit die Festigkeitseigenschaftendes Festbetons.Bei der vollständigen und ordnungsgemäßenHydratation eines Zements werden 40 % desZementgewichts an Wasser chemisch oderphysikalisch gebunden. Dies entspricht einemW/Z-Wert von 0,408; in der Betonpraxis liegen

Abb. 5.3 Fraktionsmassenverteilung aller Probe-säcke (Gliniorz/Natterer, 2000, S. 26)

GenutztesSieb

Holz-Masse

Mix Fichte, Kiefer, Tanne

< 1 mm

[%]

18

1 – 2,5 mm

2,5 – 4 mm

4 – ø 6,3 mm

ø 6,3 – ø 8 mm

46

16

4

3

ø 8 – ø 10 mm

> ø 10 mm

2

11

Abb. 5.4 Darrschütt- und Rohdichten(Gliniorz/Natterer, 2000, S. 26)

Darrschüttdichte


Rohdichte


[kg/m3]

226,89

[kg/m3]

758

195,94

170,14

107,55

73,63

750

722

695

676

51,73

35,81

652

621

200 kg/m3) und überdurchschnittlich zuneh-menden W/Z-Wert (0,70 bis 2,80) stetig ab-nehmen und letztlich gegen null tendieren.

5.2.3 Herstellung von HolzleichtbetonIn anorganisch gebundenen Holzwerkstoffenstellt das hydraulische Bindemittel auf dieMasse bezogen in der Regel die Hauptkom-ponente dar. Daher ist es zweckmäßig nebendem Volumen auch die Massenanteile zu be-rücksichtigen. Dies ermöglicht eine leichterhandhabbare Dosierung und Eigenschaftsvor-analyse.

Untersuchungsergebnisse an der EPF Lau-sanne/I-Bois zeigten, dass eine Mischfolge- Restholzsortiment- 3/4 Wasserzugabe (innerhalb von 30 Se-

kunden), etwa 1 Minute Mischzeit, an-schließende Zugabe des

- Zements und des restlichen Wassers in-nerhalb von 3 Minuten

Vorteile aufweist, da so Entmischungen ver-mieden werden können. Die Mischzeit betruganschließend je nach Zusammensetzung zwi-schen 2 und 4 Minuten.Im Rahmen dieser Arbeiten wurden zwischeneinzelnen Mischaggregaten keine nennens-werten Unterschiede festgestellt.10

Insgesamt wurden von Gliniorz/Natterer guteVerarbeitungseigenschaften anhand derdurchgeführten Mischungen bilanziert. Pro-bleme traten nur bei niedrigem Wasser-Ze-ment-Wert (< 0,40) und/oder deutlich redu-ziertem Zementanteil (< 200 kg/m3) und ent-sprechend größerem Holzanteil auf. Bei solch‘extremen’ Mischungsverhältnissen scheintdie Bindemittelmenge nicht mehr auszurei-chen, um an den Spänen zu haften bezieh-ungsweise diese vollständig zu umschließen.Mit steigendem W/Z-Wert wurde der Betonflüssiger und ließ sich somit besser verarbei-



47

licher Ungenauigkeiten bezüglich der verwen-deten Formen sehr gleichmäßige Schwindbe-wegungen festgestellt werden: in allen Rich-tungen der Probekörper betrug die Schwan-kungsbreite etwa 1 bis 2 % gegenüber derAusgangsform.13

Es wird angenommen, dass maßliche Ände-rungen eng mit dem Holz/Zement-Verhältniskorrelieren, also mit dem Holzanteil im Materi-al verknüpft sind.

Zur Minderung des Quelldrucks der Späne,wird beim Einsatz von Holzarten mit höheremVolumenquellmaß (Laubhölzer) eine geringe-re Spangröße beziehungsweise ein höhererBindemitteleinsatz als zweckmäßig erachtet.Insgesamt ist zwar zu erwarten, dass die grö-ßeren Quell- und Schwindbewegungen desHolzes sich auch auf den Materialverbundauswirken. Dies könnte jedoch in Teilen durchden relativ hohen Zementgehalt kompensiertwerden.14

Daher sind für den Einsatz von Holzleichtbe-ton insbesondere im Innenausbau nur gering-fügige feuchtebedingte Maßänderungen zuerwarten. Allerdings muss, bedingt durch denhohen Zementgehalt, gegenüber dem Betonmit einem höheren Anfangsschwinden ge-rechnet werden.15

5.2.4 FestigkeitseigenschaftenFestigkeit bezeichnet die auf eine Flächenein-heit bezogene Widerstandskraft, die festeStoffe einer Grenzverformung oder demBruch durch Trennung entgegensetzen. Ent-sprechend wird unter Druckfestigkeit beimBeton die vom Material aufgebrachte Druck-beanspruchbarkeit verstanden.Das Tragverhalten von Holzleichtbeton be-stimmt vor allem seine Gefügestruktur. Diebeiden Hauptkomponenten Zementstein undHolz weisen unterschiedliche Festigkeits- undVerformungseigenschaften auf. Das führt im

ten. Allerdings zeigten die Untersuchungenüberraschenderweise, dass mit feinerer Sieb-fraktion auch der notwendige Wasserbedarffür das entsprechende Verarbeitungsmaß ge-ringer ausfällt.11

Da das bei den Versuchsreihen an der EPFLausanne/I-Bois verwendete Restholzsorti-ment keine Gleichförmigkeit aufwies, dasheißt die Spanlängen größere als der Durch-messer und die Späne eher kantig geformtwaren, wurden zunächst eine ungleichförmigeVerteilung und Entmischungstendenzen er-wartet, was sich jedoch nicht bestätigte. ImGegenteil, es konnte jeweils ein homogenesGefüge mit gleichmäßig verteiltem Holzanteilfestgestellt werden.12

Der Porenanteil in den Probekörpern fiel jenach Frischbetonkonsistenz sehr unterschied-lich aus und variierte zwischen 4 und 19 %.Dieser höhere Anteil an Poren beim Holz-leichtbeton resultiert wohl aus einem Was-serüberschuss, der nicht bei der Hydratationbenötigt wird und sukzessive aus dem Bauteilverdunstet. Die dabei entstehenden Porenstellen eine Art von Verdunstungskanälendar, die die statischen Eigenschaften schmä-lern, aber gleichzeitig den Wärmedurch-gangswiderstand und die Frost- und Tauwas-serresistenz erhöhen.Für künftige Stoffraumrechnungen wird vonGliniorz/Natterer die Berücksichtigung einesPorenanteils von 8 bis 14 % vorgeschlagen,ein Wert der sich indes durch industrielle Fer-tigungsverfahren, Einsatz von Pressen etc.,noch wesentlich senken lassen könnte.

Obwohl Holzleichtbeton durch den Holzanteilbeachtliche Mengen an Feuchtigkeit aufzu-nehmen vermag, muss dies nicht, wie dieVersuche an der EPF Lausanne/I-Bois zeig-ten, beim Komposit zu erheblichen Quell-erscheinungen führen. So konnten trotz maß-

Abb. 5.5 Druckfestigkeitsversuchan einem Holzleichtbeton-Prüfkörper (EPF Lausanne/I-Bois)

stofflichen Aufbau zu ungleichmäßigen Span-nungsverteilungen und -konzentrationen so-wie zu örtlichen Rissbildungen. Da die äußeren Druckkräfte maßgeblich vondem Zementstein aufgenommen werden, istbeim Holzleichtbeton die Druckfestigkeit vonder Festigkeit des Zementsteins abhängig.

Die detaillierten Festigkeitsuntersuchungenan der EPF Lausanne/I-Bois erfolgten anhandvon Variationen der Haupteinflussgrößen: W/Z-Wert und Zementanteil. In den Untersu-chungen wurde eindeutig die Tendenz belegt,dass sich mit zunehmenden Zementanteil dieDruck- und Biegezugfestigkeiten erhöhen. Allerdings ist zu beachten, dass ab einem Ze-mentanteil > 1000 kg/m3 die Materialeigen-schaften zunehmend reinen Zementstein glei-



48

Qualitäten des Betons. Je größer dessen An-teil ausfällt, desto stärker nehmen die Festig-keitseigenschaften ab. Um zu baupraktischenFestigkeitswerten zu gelangen, muss beimHolzleichtbeton ein höherer Zementgehalt alsim ‘klassischen’ Betonbau den Mischungenzugrunde gelegt werden. Daraus resultiert in-des der Nebeneffekt, das der höhere Zement-anteil etwaige Inhomogenitäten in der Siebli-nie ausgleicht.Die Eigenschaften des organischen Zuschlag-stoffes bestimmen in einem erheblichen Maßden E-Modul. Dieser nimmt bei fallenderKornrohdichte ab, was auch zu einer niedrige-ren Betonrohdichte führt. Dagegen begünstigtein hoher Feinanteil (≤ 2,50 mm) die Festig-keitseigenschaften.

Die Rohdichte des Holzleichtbetons wird starkvom W/Z-Wert beeinflusst. Die höchsten Wer-te, etwa 1590 bis 1640 kg/m3, wurden an derEPF Lausanne/I-Bois im Bereich zwischen0,55 und 0,65 (mit einem Höchstwert bei0,63) erzielt.16 Bei Zementgehalten zwischen800 und 100 kg/m3 variierte der Rohdichtebe-reich zwischen 1300 und 1500 kg/m3. Dies bestätigen weitgehend die Messungenbeim ZAE Bayern.17 Bei Zementgehalten von600 bis 800 kg/m3 werden Rohdichten zwi-schen 1250 und 1700 kg/m3 ermittelt.In “regressionsanalytischen” Berechnungenzur Abhängigkeit der Festigkeitseigenschaf-ten von den Mischungsparametern konntenGliniorz/Natterer gute Übereinstimmungen mitden experimentellen Ergebnissen festgestelltwerden. Die Druck- und Biegezugfestigkeitensind (im untersuchten Spektrum) linear ab-hängig von der Rohdichte. Auffällig ist, dassbei den berechneten Festigkeitswerten derEinfluss des W/Z-Wertes deutlich geringerausfällt.18

zum Verhältnis von Druck- beziehungsweiseBiegezugfestigkeit und W/Z-Wert zeigten,dass insgesamt für die Herstellung Zementgebundener Bauteile der Bereich zwischen0,55 und 0,65 als besonders günstig bezeich-net werden kann.Der E-Modul ist auch abhängig vom Zement-gehalt. Mit zunehmendem Zementanteil sinktdieser tendenziell bei sonst gleichen Stoff-raumbedingungen, steigt mit zunehmendemW/Z-Wert und erreicht ein Maximum bei 0,64.Als Zuschlagsstoff mindert Holz die statischen

chen und von Holz als Zuschlagsstoff kaummehr gesprochen werden kann.Die von Gliniorz/Natterer nach 28 Tagen er-mittelte Druckfestigkeit von Holzleichtbetonbewegt sich bei einem Zementgehalt von 600bis 750 kg/m3 – und leicht parabelförmigenKurven – im Bereich von 6 bis 14 N/mm2; dieBiegefestigkeit variiert zwischen 2,50 und4,20 N/mm2. Die Festigkeiten steigen mit zu-nehmenden W/Z-Wert und erreichen bei 0,55bis 0,57 ein Maximum; nach 0,65 fallen diesezum Teil wieder deutlich ab. Untersuchungen

Abb. 5.6 Übersicht von materialspezifischen Kenndaten von Holzleichtbeton(Vgl. Fax IEZ Natterer GmbH, 28.11.2000)* nicht gemessen; ** t = ∞, ca. 1,2 · t = 28

Holzleichtbeton

Rohdichte [kg/m3] 700 850

Zementgehalt [kg/m3]

Wassergehalt [kg/m3]

300

525

450

490

Holzgehalt [kg/m3]

Zuschlag (feine Körnung)

Vorbehandlung

Additive/Zusatzstoffe

280

Nadelholz

200

Nadelholz

keine

keine

keine

keine

W/Z-Wert

Konsistenz

E-Modul [N/mm2]


1,75

KP–KF

1,09

KP–KF

1300

1,50

1800

4,20



Kriechzahl nach DIN 1048, t = 28 [‰]**

Schwindmaß nach DIN 1048, t = 28 [‰]**

0,60

0,10*

1,50

0,21

11,21*

5,20*

5,82

2,80

1300 1450

800

520

1000

600

70

Nadelholz

50

Nadelholz

keine

keine

keine

keine

0,65

KP–KF

0,60

KP–KF

5000

13,00

6500

15,00

4,50

0,55

5,20

0,65

3,53

1,29

2,80*

1,08*

malbeton, ρ = 2400 kg/m3). (Abb. 3.10) In die-sen Werten sind sowohl die Lufteinschlüsseüber die Rohdichte als auch die üblicherweisevorhandene Raumluftfeuchte über den prakti-schen Feuchtegehalt berücksichtigt.22 Demgegenüber hat zum Beispiel Fichtenholzbei einer Rohdichte von 400 bis 430 kg/m3 einλ von 0,10 bis 0,12 W/mK. (Abb. 3.5)

Wärmeleitfähigkeit 23

Wie die baukonstruktiven Untersuchungenzeigen, weist der Holzleichtbeton – je nachHolzanteil – zahlreiche Lufteinschlüsse undPoren auf. Da im Materialgefüge eingeschlos-sene Luft maßgeblich die Wärmedämmwir-kung bestimmt, kann davon ausgegangenwerden, dass mit zunehmendem Holzanteil,und damit abnehmender Rohdichte, die Wär-meleitfähigkeit sinkt.Da sich die untersuchten Holzleichtbetonmi-schungen im Rohdichtebereich von Leichtbe-tonen bewegen, werden ähnliche λ-Werte er-wartet. Gerade beim Holzleichtbeton, einemoffenporigen Material mit einem relativ hohenEigenfeuchteanteil, ist ferner zu berücksichti-gen, dass die Bauteil-Feuchtigkeit die Wär-meleitfähigkeit negativ beeinflusst.Die an der EPF Lausanne/I-Bois ermittelteWärmeleitfähigkeit bewegt sich bei Rohdich-ten von 700 bis 1450 kg/m3 im Bereich von0,10 bis 0,65 W/mK. (Abb. 5.6)

Ergänzend zu diesen Untersuchungen wer-den beim ZAE Bayern in Würzburg Messun-gen zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeitanhand von 5 repräsentativen Holzleichtbe-ton-Rezepturen (mit Rohdichten zwischen600 und 1720 kg/m3) bei 25 °C unter Norma-latmosphäre durchgeführt. Nach der Herstellung mit einer wassergekühl-ten Steinschneidemaschine werden die plan-parallelen Probekörper mit leichter Restfeuch-te angeliefert. Die Lagerung der Probestücke



49

den Rezepturen II bis IV zur Erreichung derRegel-Konsistenz der Wasseranteil modifi-ziert werden muss.Der Frischbeton wird in zylinderförmige Kör-per aus Pappe mit innenwandiger Kunststoff-beschichtung eingefüllt. Das Verdichten er-folgt mit Hilfe eines Holzstabs und seitlichemKlopfen mit einem Hammer.Aufgrund des niedrigen Holzanteils (3 %) wirdRezeptur V nicht ausgeführt. Nach den Re-zepturen I bis IV entscheidet man sich für dieErstellung einer weiteren Mischung (VI), imZement-Holz-Wasser-Verhältnis zwischenRezeptur I und II angesiedelt. Die Probekörper werden mit einer Plastikkap-pe verschlossen und senkrecht gelagert.Je Probe erfolgt mit Hilfe einer Steinschneide-maschine die Anfertigung von mindestens 4planparallele Scheiben d = 2,5 cm (2 an derOberseite und 2 an der Unterseite des Zylin-ders), die beschriftet an das ZAE Bayern ge-liefert werden.

5.3.2 WärmeschutzFür den Wärmeschutz von Bauteilen wichtigebauphysikalische Einflussgrößen sind derWärmedurchlasswiderstand [R]20, die Wärme-leitfähigkeit [λ] sowie der innere [Rsi] und äu-ßere Wärmeübergangswiderstand [Rse]. EinMaß für die Wärmedämmung stellt der Wär-medurchgangskoeffizient [U] dar, der mit derDicke eines Bauteils oder seiner Bauteil-schichten, Schichtdicke [d], zunimmt und mitgrößer werdender Wärmeleitfähigkeit ab-nimmt.21

Die Wärmeleitfähigkeit von Beton liegt im Be-reich zwischen ≥ 0,14 W/mK (Porenbeton, ρ = 400 bis 800 kg/m3) und 2,1 W/mK (Nor-

U = 1 / ( Rsi + + … + + Rse )d1

λ1

dn

λn

5.3 Bauphysikalische Eigenschaften

Für eine Potenzialabschätzung zu den Ein-satzmöglichkeiten von Holzleichtbeton im all-gemeinen Hochbau ist die Untersuchung ei-ner Reihe grundlegender bauphysikalischerEigenschaften erforderlich. An der EPF Lausanne / I-Bois wurden imRahmen der vorgenannten Versuchsarbeitenauch bauphysikalische Kenngrößen ermittelt. Daran anknüpfend erfolgen ergänzende undpartiell erstmalige Untersuchungen zu: Wär-meleitfähigkeit und spezifische Wärmekapazi-tät am ZAE Bayern, Abt. 2: Wärmedämmungund Wärmetransport, in Würzburg. Abschließend werden exemplarisch Untersu-chungsergebnisse der EPF Lausanne /I-Boiszum Feuchte-, Schall- und Brandschutz dar-gestellt.

5.3.1 Ausgangsrezepturen 19

Für die experimentellen Versuche werden ander EPF Lausanne/I-Bois insgesamt 5 ver-schiedene Holzleichtbeton-Mischungen zu-sammengestellt. Die Betonagearbeiten erfol-gen bei der IEZ Natterer GmbH in Saulburg/Wiesenfelden.Um die groben Bestandteile der Späne her-auszufiltern wird die Restholzfraktion vor derVerwendung gesiebt (Korngröße ≤ 5 mm).Zunächst vermischt man den Zement mit denausgebreiteten Holzspänen auf einem saube-ren und feuchten Betonboden. Anschließenderfolgt unter ständigem Mischen die Zugabevon etwa 50 % des Wasseranteils. Nachmehrminütigem Durchmischen wird das restli-che Zugabewasser zugegeben mit weitererdaran anschließender Mischphase.

Rezeptur I stellt man exakt nach den vorge-gebenen Massenangaben her, während bei



50

Stücke von etwa 12,5 x 2,5 x 4,0 cm heraus-gesägt werden. Über die genaue Bestimmungder Probenkörperabmessungen und anschlie-ßendes Wiegen erfolgt die Ermittlung derRohdichte.Nach der Bestimmung der Rohdichte fällt auf,das die Rezeptur VI die leichteste Mischungdarstellt, obwohl der Zementanteil mit 410 kg/m3 ein gutes Drittel über dem der Rezeptur Iliegt. In späteren Versuchen konnte die stoffli-che Zusammensetzung indes weitgehend be-stätigt werden.27

Für die Messung der Wärmeleitfähigkeit mitder dynamischen Hitzdrahtmethode werden“Platin-Drähte mit einem Durchmesser von100 µm verwendet. Bei Raumtemperatur wer-den an jeder Probe mindestens zehn Einzel-messungen durchgeführt. Die resultierendenzeitlichen Temperaturanstiege werden an-schließend gemittelt. Die gemittelte Kurvewird zur Auswertung herangezogen.”28

Die Ergebnisse zeigen, dass die Wärmeleitfä-higkeit mit sinkendem Holzgehalt und damitmit zunehmender Dichte ansteigt. Die ermit-telten Werte erstrecken sich in einem Bereichvon 0,145 W/mK (600 kg/m3) bis 0,752 W/mK(1720 kg/m3). Damit bestätigt sich die Annah-me, dass die Wärmeleitfähigkeit von Holz-leichtbeton mit Leichtbeton vergleichbar ist.Im Vergleich der Bestimmung der Wärmeleit-fähigkeit an einer Probe (III/13) nach 7 Tagenkonnte festgestellt werden, dass sich auf-grund der deutlich höheren Rohdichte (1530kg/m3) mit 0,53 W/mK ein schlechterer Wertergibt, als nach 28 Tagen (0,47 W/mK bei1244 kg/m3). Nach dem vollständigen Erhär-ten verschiebt sich dieser Wert analog der ge-mittelten Wärmeleitfähigkeits-Kurve. DiesesVerhalten ist auf den durch die beschriebeneProbenpräparation stark erhöhten Feuchtege-halt zurückzuführen.Vergleicht man die gemessenen Werte mit

zeitliche Entwicklung der mittleren Tempera-tur des Hitzdrahtes lässt sich anhand destemperaturabhängigen Drahtwiderstandes er-fassen. Dieser Temperaturverlauf hängt vonder Wärmeleitfähigkeit der Probe ab. DieWärmeleitfähigkeit der Probe wird durch An-passung einer analytischen Lösung an diesenzeitabhängigen Temperaturverlauf unter Be-rücksichtigung des thermischen Kontaktwider-standes zwischen Probe und Draht sowie vonWärmeverlusten in axialer Richtung ermit-telt.”26

Zur Durchführung der Messungen müssenzunächst aus den vorhandenen Probenschei-ben jeweils zwei gleichgroße quaderförmige

erfolgt anschließend bis zum 28 Tage-Wertunter Laborbedingungen.24 (Abb. 5.7)Die Messungen werden 28 Tage nach Her-stellung durchgeführt. Ergänzend findet an ei-ner Probe der Rezeptur III bereits nach 7 Ta-gen eine Messung statt, um den Einfluss derMaterialfeuchte auf die Wärmeleitfähigkeitexemplarisch abschätzen zu können.25

Die Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit erfolgtanhand der “dynamischen Hitzdrahtmetho-de”. (Abb. 5.8+7.52) “Dabei dient ein in dieProbe eingebetteter Draht gleichzeitig alsHeizelement und Temperatursensor. Wäh-rend der Messung wird der Draht mit einerkonstanten elektrischen Leistung beheizt. Die

R.-Nr.

I

Probe-körper

Zement-Anteil

I / 7

kg/m3

300

II

I / 16

I / 26

II / 16

II / 26

450

III

IV

III / 4

III / 13*

600

III / 13

IV / 4 800

VI

IV / 10

VI / 8 410

VI / 16

Wasser-Anteil

Holz-Anteil

kg/m3

525

kg/m3

280

Einwaage Rohdichteρ

mg

8,80

kg/m3

947

325 200

7,14

10,55

975

892

10,84

8,80

1.281

1.273

280 135

300 70

9,55

22,50

1.287

1.530

7,86

7,70

1.244

1.701

445 250

8,23

9,05

1.717

600

7,32 615

Abb. 5.7 Übersicht der Holzleichtbeton-Rezepturen* 7 Tage-Wert (Das Material war bei der Messung noch leicht feucht)



51

TA Instruments, das neben “herkömmlichen… auch temperaturmodulierte DDK Messun-gen erlaubt.Bei dieser Messung wird der Differenz-Wärmestrom zwischen der Probe und einerReferenz als Funktion der Zeit und Tempera-tur bestimmt. Probe und Referenz werden ineiner Messzelle gleichzeitig einem Tempera-turprogramm unterworfen. Bei der modulier-ten DDK setzt sich die Heizrate aus einem li-nearen Anteil, der bei Quasi-Isothermen-Mes-sungen auch konstant sein kann, und aus ei-nem sinusförmig oszillierenden Anteil zusam-men. Durch eine spezielle Auswertung desDifferenz-Wärmestroms erhält man schließ-lich die reversible Materialeigenschaft Wär-mekapazität und zusätzlich Informationenüber nicht reversible thermische Effekte.”32

Für die Bestimmung der spezifischen Wärme-

denen der EPF Lausanne/I-Bois29 fällt eineleichte Verschiebung auf. Dies kann ebensoauf eine unterschiedliche Ermittlung der Roh-dichtwerte zurückzuführen sein, wie auf ab-weichende Feuchtegehalte im Restholzsorti-ment. (Abb. 5.9)Mit den Wärmeleitfähigkeitswerten im Bereich0,15 bis 0,75 W/mK liegt der Holzleichtbetonzwischen den klassischen Dämmstoffen, wieMineralfaser 0,40 (0,040 W/mK), Holzwolle-Leichtbauplatten (d ≥ 15 mm = 0,15 W/mK)30

und dem Normalziegel (MZ ≈ 0,50 bis 0,96 W/mK; KMZ ≈ 0,81 bis 1,20 W/mK; LLZ ≈0,30 bis 0,45 W/mK)31.

WärmespeicherfähigkeitDie Untersuchungen der Wärmespeicherfä-higkeit – ebenfalls beim ZAE Bayern in Würz-burg – erfolgen mit einem DSC 2920 der Fa.

kapazität müssen die Probestücke vorbereitetwerden, das heißt sie werden zunächst zer-kleinert, in einem Aluminium-Tiegel einge-bracht und anschließend verpresst. DieDurchführung der Messungen erfolgt unter ei-ner dynamischen Stickstoffatmosphäre. (Abb.7.54+7.56)

Die ermittelten Werte der spezifischen Wär-mekapazität cp zeigen eine leichte Abnahmebei den höheren Rohdichten. Dies lässt sichdarauf zurückführen, dass der Holz-Anteil beiansteigender Dichte geringer ausfällt. Da-durch weist das Gesamtsystem Holzleichtbe-ton eine verringerte spezifische Wärmekapa-zität auf. Die Abweichungen in den Messer-gebnissen, in den Fehlerbalken dargestellt,sind wohl vor allem auf lokale Rohdichte-schwankungen in den Proben und auf Einflüs-

Probe Shuntwiderstand Rs

Spannung UStrom

I=U s /R s

Konstantleistungs-quelle

Abb. 5.8 Messprinzip der dynamischen Hitzdraht-methode: In der Probe befindet sich derHitzdraht. Aus der an ihm abfallendenSpannung U und der am Shunt-Wider-stand abfallenden Spannung Us ergibtsich die eingekoppelte Leistung und derresultierende Temperaturhub. Aus des-sen zeitlicher Entwicklung wird die Wär-meleitfähigkeit der Probe bestimmt

Abb. 5.9 Vergleich der Wärmeleitfähigskeitswerte von Holzleichtbeton an derEPF Lausanne/I-Boois 2000 (gemittelt) und beim ZAE Bayern 2000untersuchten Proben

Wär

mel

eitf

ähig

keit

[W

/mK

]

0,000

0,100

0,200

0,300

0,400

0,500

0,600

0,700

0,800

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

ZAE Bayern 2000

EPFL/I-BOIS 2000

Rohdichte [kg/m3]



52

se bei der Probepräparierung zurückzuführen.(Abb. 5.10+5.11)

Vergleicht man die Ergebnisse der spezifi-schen Wärmekapazität im ausgehärteten Zu-stand nach 28 Tagen (1,004 J/gK) ebenfallsmit dem 7-Tage-Wert der Probe III/13 so istein leicht höherer Wert (1,096 J/gK) festzu-stellen, obwohl die Rohdichte beim Aushärtenabsinkt. Da bezüglich des abnehmendenFeuchte-Gehalts eine Reihe von messtechni-schen Unsicherheiten das Messergebnisstark beeinflussen können, wird dieseMessreihe nicht weiter verfolgt. Der ermittelte7-Tage-Wert dient einer ersten Einschätzung,ist indes für eine Probenbewertung nicht aus-reichend aussagekräftig.

5.3.3 Feuchteschutz 33

Der Schutz von Materialien und Bauteilen vorDurchfeuchtung, Wohnfeuchte, Kondensatbil-dung, Schlagregen etc., ist besonders wichtig,da sich Feuchte- und Wärmeschutz qualitativgegenseitig beeinflussen.Ein wichtiger physikalischer Prozess ist hier-bei die Diffusion, die den Transport von Was-serdampf durch ein Material beziehungsweiseBauteil maßgeblich bestimmt. Die Größe die-ser Bewegung wird durch die Diffussionswi-derstandszahl µ angegeben. Dieser Faktor isteine Vergleichszahl und benennt den Diffusi-

Abb. 5.10 Gemittelte Werte der spezifischen Wär-mekapazität und der Wärmeleitfähigkeitbei Raumtemperatur in Abhängigkeit dergemittelten Probendichte

Abb. 5.11 Übersicht der Werte der spezifischenWärmekapazität und Wärmeleitfähigkeitder Holzleichtbeton-Rezepturen sortiertnach λ (ZAE Bayern, 2000)

R.-Nr. Probe-körper

Rohdichteρ

VI VI / 8

kg/m3

600

I

VI / 16

I / 7

615

947

I / 16

I / 26

975

892

II

III

II / 26

II / 16

1.273

1.281

III / 13

III / 4

1.244

1.287

IV IV / 4

IV / 10

1.701

1.717

Wärmeleit-fähigkeit λ

spez. Wärme-kapazität cp

(25 °C)

W/mK

0,145

J/gK

1,387

0,167

0,281

1,248

1,349

0,283

0,287

1,264

1,165

0,439

0,456

1,301

1,212

0,470

0,401

1,004

1,156

0,718

0,752

1,239

1,163

Rohdichte [kg/m3]

1.00

0.75

0.50

0.25

0.00

1.75

1.50

1.25

1.00

0.75

0.50

0.25

0.00

Wär

mel

eitf

ähig

keit

λλλλ [

w/m

K]

Sp

ez. W

ärm

ekap

azit

ät c

p [J

/gK

]

500 750 1000 1250 1500 1750 2000



53

sind allerdings nur Mindestanforderungen andie Luft- und Trittschalldämmung von Bautei-len aufgestellt; darüber hinaus bestehen um-fangreiche Empfehlungen für einen erhöhtenSchallschutz. In der DIN-Norm wird unter-schieden zwischen Schutz gegen Schallüber-tragung aus fremden Wohn- oder Arbeitsräu-men und dem Schutz gegen Lärm von Au-ßen, das heißt Körperschall, Trittschall undLuftschall. Die Ausbreitung von Schallwellen erfolgt inden verschiedenen Medien unterschiedlich.Sie wird wesentlich durch die Stoffeigenschaf-ten beeinflusst und ist unter anderem von derTemperatur abhängig. Dabei breitet sich derSchall umso langsamer aus, je geringer dieDichte und elastischer ein Stoff ist.

Im Rahmen der Versuchsarbeiten an der EPFLausanne/I-Bois erfolgte in erster, theoreti-scher Näherung eine rechnerische Einschät-zung sowie ein Abgleich mit Angaben aus derDIN 4109.Aus diesen Voruntersuchungen resultiert,dass hinsichtlich des Körperschalls der Holz-leichtbeton ein schlechter direkter Schalleiterist. Daraus ergeben sich interessante Anwen-dungsgebiete insbesondere für Maßnahmenzur Trittschallverbesserung, zum Beispiel alsEstrich-Belag.

Für eine Bewertung des Luftschallschutzessind vor allem zwei Aspekte zu berücksichti-gen:38

- Flächengewicht, je schwerer das Material,desto besser die Schalldämmwerte

- Mehrschichtigkeit, durch verschiedene(entkoppelte) Schichten im Aufbau könnenauch mit leichteren Bauteilen verbesserteSchall-Dämmwerte erzielt werden39

Darüber hinaus beeinflusst das Verhalten dereinzelnen Schichten untereinander sowie et-waige Undichtigkeiten im Aufbau das Schall-

onswiderstand einer Schicht gegen Dampf-durchtritt im Verhältnis zu einer Luftschichtgleicher Dicke, wobei µLuft stets 1 ist.34

Bei den Untersuchungen an der EPF Lau-sanne/I-Bois wurden die bekannten Werte fürHolzspanbeton (µ = 4 - 6)35 weitgehend be-stätigt. Je nach Mischungsverhältnis könnenfür Holzleichtbeton µ-Werte zwischen 4/4 und13/13 angenommen werden, die das Materialals diffusionsoffen kennzeichnen.Für Anwendungen im Bereich von Gebäude-fassaden wie auch als Innenbauteil und in derKombination mit (Massiv-)Holz sind für denHolzleichtbeton keine Nachteile zu erwarten.Allerdings ist eine Verwendung als Innenputzaufgrund des geringen Diffusionswiderstan-des nur in entsprechenden Materialkombina-tionen und Schichtenaufbauten, mit hohemDiffusionswiderstand, sinnvoll.

Hygroskopische Stoffe reagieren stärker aufVeränderungen der Raumluftbedingungenund deren Feuchtigkeitsgehalt steht in engerKorrelation zur relativen Feuchte der Umge-bungsluft. Daher wirkt sich eine Zu- be-ziehungsweise Abnahme der Luftfeuchteauch auf den Feuchtegehalt des Materialsaus, das mit dieser in Berührung steht. Diese Ausgleichsvorgänge zwischen der Raumluftund den oberflächennahen Schichten derRaum umschließenden Flächen werden alsSorption (Wasseraufnahme-) und Desorption(Wasserabgabevermögen) bezeichnet. DieseVorgänge beziehen sich nahezu ausschließ-lich auf die oberflächennahen Schichten.36 Verminderte Schwankungen der Raumluft-feuchte sind für ein gleichmäßiges Raumkli-ma erwünscht.

5.3.4 Schallschutz 37

Anforderungen an den Schallschutz im Hoch-bau werden in der DIN 4109 geregelt. Dort

dämmmaß. Für einschalige Bauteile gilt in derRegel, dass der Luftschallschutz mit zuneh-mendem Gewicht verbessert ist. Dabei ver-hält sich das so genannte bewertete Schall-dämm-Maß R'w zur Masse annähernd “log-arithmisch linear”.

Für die Schalldämmung ist auch die Größevon Hohlräumen von Bedeutung, denn größe-re Hohlräume verringern gegenüber gleich-schweren Bauteilen ohne Hohlräume dieSchalldämmung.Putze, Trockenputze und Dämmplatten kön-nen Dämmwerte von Bauteilen gegen Luft-schall nur entsprechend dem jeweiligen Anteilan der flächenbezogenen Masse verbessern.Putz wirkt sich dann günstig aus, wenn ereine dichtende Funktion hat. Bauteile aus luft-durchlässigen Materialien (zum Beispiel hauf-werksporiger Leichtbeton) benötigen für einenihrer Masse adäquaten Luftschallschutzebenfalls einen zumindest einseitigen, dichtenPutzbelag. Holzleichtbeton kann daher, hinsichtlich dererreichbaren Luftschall-Dämmwerte, bei ein-schaligen Wandaufbauten nur im Bereichschalltechnisch nachrangiger Räume einge-setzt werden.

5.3.5 Brandschutz 40

Die Anforderungen für die im Bauwesen ver-wendeten Baustoffe und Bauteile und ihr Ver-halten im Brandfall sind in der DIN 4102-1 ge-regelt. Dabei werden Holz und Holzwerkstoffeals brennbare Baustoffe klassifiziert:- schwerentflammbare Baustoffe (B1)

z.B. Holzwolle-Leichtbauplatten- normalentflammbare Baustoffe (B2)41

z.B. Holz mit ρ ≥ 400 kg/m3; ≥ 2 mm Dicke

Holzleichtbeton setzt sich aus Zementstein(mindestens Feuerwiderstandsklasse F 90-A,feuerbeständig und nicht brennbarer Baustoff)


Thermische CharakterisierungunterschiedlicherWandaufbauten

54

gen (HLB) mit den unterschiedlichen Roh-dichten eingesetzt: (Abb. 5.7)- Rezeptur VI, ρ = ≈ 600 kg/m3

- Rezeptur III, ρ = ≈1250 kg/m3 Eine Auswahl zeigt bei mehrschichtigenWandaufbauten U-Werte zwischen 0,45 und0,33 W/m2K). (Abb. 5.12)

Daran anknüpfend erfolgt am ZAE Bayern,Abt. 4: Abteilung Solarthermie und Biomasse,in Garching eine Potenzialabschätzung mitverschiedenen Wandaufbauten in Holzleicht-beton-Massivholz-Verbundbauweise.Ziel der Arbeiten ist eine thermische Charak-terisierung des Holzleichtbetons als Bestand-teil der Außenwand. Aus der Vielzahl unter-schiedlicher Kombinationsmöglichkeiten wer-

5.4 Charakterisierung unterschiedlicherWandaufbauten

Auf Basis der ermittelten bauphysikalischenMaterialkennwerte und als Vorbereitung füreine Untersuchung zum thermischen Verhal-ten von Holzleichtbetonwänden wird eineüberschlägige Abschätzungen verschiedenerWandaufbauten vorgenommen. Zwei wichtigeRandbedingungen sind dabei zu erfüllen: MitAußenwandstärken von ≤ 30 cm müssen Min-destanforderungen des Wärmeschutzes, dasheißt U-Werte ≤ 0,5 W/m2K, erreicht werden. Bei den untersuchten Aufbauten werden ne-ben Brettstapelelementen (BS) aus Nadelholzdie zwei Holzleichtbeton-Ausgangsmischun-

und Holz (mindestens Feuerwiderstandsklas-se F 30-B, feuerhemmend) zusammen. Beider Herstellung wird allgemein eine Minerali-sierung des Holzes angenommen. Das Holzwird von dem Zementleim eingeschlossenund dieser Vorgang führt zu einer (schrittwei-sen) Versteinerung. Danach ist das Brandver-halten des Holzes stark unterdrückt.

Die an der EPF Lausanne/I-Bois durchgeführ-ten Untersuchungen zeigten, dass eine aus-reichende Mineralisierung nur bei Mischungs-verhältnissen mit einem Zement-Anteil ≥ 300kg/m3 gegeben ist. Um die Baustoffklasse A2(nichtbrennbar, zum Beispiel Gipskartonplat-ten) zu erreichen darf der Holzmassenanteil15 % der Gesamtmasse nicht übersteigen.Neben dem Massenverhältnis ist ein ausrei-chender W/Z-Wert bedeutsam, für einegleichmäßige Umhüllung der Holzpartikel.Darüber hinaus sind auch Rauchentwicklungund Giftigkeit entstehender Gase zu berück-sichtigen. Für Holzleichtbeton wird im Brand-fall eine sehr berechenbare Rauch- und Gas-entwicklung erwartet.

Unter Berücksichtigung statischer Erfordernis-se und bei ausreichenden Mischungsverhält-nissen kann Holzleichtbeton unter anderemfür tragende und aussteifende Wände imMehrgeschoßwohnungsbau (F 90-A, Feuerwi-derstandsklasse F 90 und nichtbrennbarenBaustoffen) eingesetzt werden. Allerdingssind zur brandtechnischen Beurteilung sol-cher Wandkonstruktionen Normprüfungennach DIN 4102-2 durchzuführen.

Schichten ρρρρ

Holzleichtbeton

[kg/m3]

600

Brettstapel (Nadelholz)

Holzleichtbeton

420

600

Σ


Holzleichtbeton

Holzleichtbeton

420

1250

600

Σ

Climate Chips


80…140

420

Σ

d λλλλ

[m]

0,15

[W/mK]

0,156

U Aufbau

[W/m2K]

0,15 0,14

0,3

0,12 0,156

0,45

0,12

0,06

0,14

0,436

0,30

0,12 0,156

0,52

0,06

0,12

0,05

0,14

0,30 0,33��

Abb. 5.12 Überschlägige U-Wert-Berechnungen verschiedener Wandaufbauten mit Holzleichtbeton (HLB)und Brettstapel (BS)



55

den drei mehrschichtige Aufbauten ausge-wählt und ihre Leistungsfähigkeit als passiveBauelemente untersucht.

5.4.1 Ausgewählte Parameter 42

Für die Potenzialabschätzung müssen zu-nächst wichtige Randbedingungen geklärtund abgrenzt werden:- Gebäudetypen- Wohnfläche und Exposition- WärmedämmstandardDie Definition der zu untersuchenden Gebäu-de und deren Wohnfläche pro Wohneinheit(WE) erfolgt in Anlehnung an vorliegende Mo-delle, die im Rahmen des Forschungsprojek-tes SOLEG am ZAE Bayern entwickelt wur-den43: - EFH = Einfamilienhaus, freistehend- DHH = Doppelhaushälfte- RMH = Reihenmittelhaus- GW = GeschosswohnungDie Gebäude werden mit Außenwänden ausHolzleichtbeton ausgestattet und hinsichtlichdes thermischen Verhaltens mit Konstruktio-nen aus herkömmlichen Materialien vergli-chen. Die Berechnungen werden jeweils mitdrei verschiedenen Aufbauten der Holzleicht-beton-Verbundbauweise durchgeführt.

Wesentliches Beurteilungskriterium ist der:- Spezifische Jahres-Heizwärmebedarf des

Gebäudes- Temperaturverlauf im RaumDie zugrunde gelegten Gebäudetypen wer-den mit ihren jeweiligen Außenwandaufbau-ten in dem dynamischen Simulationspro-gramm TRNSYS (Version 15) abgebildet. Dasthermische Verhalten wird im Jahreszyklusermittelt und so der Heizwärmebedarf für dieRaumheizung beziehungsweise die Tempera-turverläufe berechnet.Zur Ermittlung der Wohnfläche dienen dieBruttoabmessungen schematisierter Grund-

Zone Nord

Zone Süd

10 m

7 m

Zone Nord

7 m

10 m

Zone Süd

Zone Nordwest

7 m

10 m

Zone Nordost

7 m

Zone Südost

Zone Südwest

Abb. 5.13 Einfamilienhaus, Wohnfläche (WF) 140 m2 auf zwei Geschossebenen,Energiebezugsfläche 140 m2, 1 WE

Abb. 5.14 Reihenmittelhaus, WF 140 m2 auf zweiGeschossebenen bzw. Geschosswoh-nung, Wohnfläche 70 m2; Energiebe-zugsfläche 140 m2 bzw. 70 m2; jeweils 1 WE

Abb. 5.15 Doppelhaus, WF 2 x 140 m2, jeweils aufzwei Geschossebenen, Energiebezugs-fläche 280 m2, 2 WE. Für die Berech-nungen in TRNSYS wurde exemplarischdie Osthälfte abgebildet

risse. (Abb. 5.13–5.15) Das Dach ist vereinfa-chend als Flachdach angesetzt und somit alseinzelne äußere Hüllfläche gerechnet. Für diethermische Simulation wird die Gesamtstärkeder Außen- und Innenwände mit berücksich-tigt. Der Aufbau der Geschossdecken setztsich aus 20 cm Leichtbeton, 4 cm Trittschall-dämmung und 6 cm Estrich zusammen.Im Unterschied zu der in SOLEG vorgenom-menen Modellierung der Gebäudetypen wer-den in den vorliegenden Untersuchungen dieInnenwände anstelle einer massiven Ziegel-wand, als Holzständerkonstruktionen mitbeidseitiger Beplankung (Gipskartonplatten)abgebildet.

Jedem Gebäudetyp sind zwei unterschiedli-che Wärmedämmstandards zugrunde gelegt,ein nach Wärmeschutzverordnung '95 ge-dämmtes Gebäude (WSVO '95) sowie einNiedrigenergiehaus (NEH). (Abb. 5.16)Die Ausgangsvariante der thermischen Simu-lation bildet das nach WSVO '95 modellierteGebäude.44 Entsprechend “üblichen” Wärme-schutz-Standards wird als Referenzbeispiel



56

für die Außenwände ein Ziegelmauerwerk(Poroton, d = 36 cm) mit einem U-Wert von0,50 W/m2K gewählt.

Als zweite Variante dient ein Niedrigenergie-haus mit (deutlich) verbessertem Wärme-dämmstandard. Hier sind Außenwände alsHolzständerkonstruktion mit 20 cm starkerDämmschicht und einer jeweils raumseitigund im Außenbereich angeordneten Holzbe-kleidung abgebildet. Neben ebenfalls wärme-technisch besseren Fenstern (Krypton- stattArgonfüllung im Scheibenzwischenraum) wirdeine mechanische Lüftungsanlage mit einerWärmerückgewinnung (WRG, Wärmerück-zahl η = 0,7) angesetzt. Deckenaufbau, Innenwände sowie die Wohn-flächen und Raumvolumina bleiben für beideVarianten gleich.Zusätzlich sind bei dem Niedrigenergiehausdurch den Einsatz von energiesparendenElektrogeräten die internen Wärmelasten ge-genüber dem Gebäude nach WSVO '95 mit3,0 W/m2 statt 4,5 W/m2 angesetzt. In beidenFällen wird “zur Vermeidung einer Überbe-wertung solarer Gewinne ab einer Raumtem-peratur von 24 °C eine ideale Kühlung simu-liert, die überschüssige Wärme abführt. DerLuftaustausch zwischen der Nord- und Süd-zone ist mit 1/h angesetzt.” (Abb. 5.17)

5.4.2 Thermische Gebäudesimulation 45

Der mit TRNSYS ermittelte Jahres-Heizwär-mebedarf der Gebäudetypen zeigt, dass mitden zugrunde gelegten Außenwandaufbautenin Holzleichtbeton-Massivholz-Verbundbau-weise jeweils mindestens die Werte von Ge-bäuden in konventioneller Ziegelbauweise er-reicht werden. Bei dem Wandaufbau mit Kerndämmung, hin-sichtlich des U-Wertes die leistungsfähigsteVariante (HLB_033, U-Wert = 0,33 W/m2K),fällt der Wärmebedarf gegenüber einer ‘kon-

WSVO '95

NEH

Außenwand Dach

36 cm Hoch-lochziegel

2 cm Holz20 cm

Dämmung2 cm Holz

16 cm Dämmung

24 cm Dämmung

Fenster WRG

Wärmeschutz-Verglasung, ArgonU = 1,4 [W/m2K]g = 0,62

Wärmeschutz-Ver-glasung, KryptonU = 1,1 [W/m2K], g = 0,60

nein

jaη = 0,7

Abb. 5.16 Dämmstandards der Gebäudetypen (WRG = Wärmerückgewinnung)- Innenwände: Holzständerkonstruktion mit beidseitiger Beplankung (Gipskartonplatten)- Gebäudedecken: 20 cm Leichtbeton, 4 cm Trittschalldämmung und 6 cm Estrichbelag

Beheizte Fläche

Beheiztes Volumen

BeideVarianten

WSVO1995

140 m2

363 m2

Niedrigenergiehaus(NEH)

Interne Gewinne

Nachtabsenkung

Luftwechselratedurch Infiltration

Luftwechsel durch mechanische Lüftungsanlage

22 bis 6 Uhrauf 16 °C

4,5 W/m2

0,8 h-1

3,0 W/m2

0,1 h-1 nachts0,2 h-1 tagsüber

0,8 h-1 mit WRG (η = 0,7 bei Außen-temperaturen ≤ 15 °C)

Kühlung ab 24 °C

Abb. 5.17 Übersicht wesentlicher Parameter der Gebäudesimulation



57

ventionellen’ Bauweise sogar um ca. 15 bis20 % geringer aus, bei gleichzeitig reduzierterAußenwandstärke (d = 30 cm; im Vergleichzum Mauerwerk d = 36 cm). (Abb. 5.18)Die Untersuchungen zeigen jedoch, dassHeizwärmebedarfwerte einer Niedrigenergie-bauweise mit den Holzleichtbeton-Wand-aufbauten (noch) nicht zu erreichen sind. Diebereits sehr niedrigen Kennzahlen der thermi-schen Gebäudesimulation werden zwischen16 % (Reihenmittelhaus) und 25 % (Einfamili-enhaus) überschritten. (Abb. 5.19)

In einem weiteren Schritt soll untersucht wer-den, ob durch “kapazitive Effekte ein nutzba-res Potenzial” zur Wärmepufferung (zum Bei-spiel als Überhitzungsschutz im Sommer) beiden Holzleichtbetonwänden besteht.Hierfür wird der Aufbau mit dem raumseitigangeordneten schweren, wärmespeicherndenHolzleichtbeton ausgewählt, der den höch-sten U-Wert der drei untersuchten Variantenzeigt. Diese Schicht weist ein doppelt so ho-hes spezifisches Gewicht und eine um denFaktor 2 höhere volumenbezogene Wärmeka-pazität (ρ = 1250 kg/m3/0,18–0,26 kWh/m3Kbeziehungsweise ρ = 600 kg/m3/0,39–0,48kWh/m3K) auf, wie der im Außenbereich ein-gesetzte wärmedämmende Holzleichtbeton. Die Simulationsrechnungen erfolgen an demoben genannten Gebäudemodell. Allerdingswird die simulierte, ideale Kühlung nicht be-rücksichtigt, um den Temperaturverlauf nichtzu verfälschen. Die Untersuchungen werdenexemplarisch anhand der Südzone des Einfa-milienhauses durchgeführt. (Abb. 5.13)

Betrachtet man die Einstrahlungsverhältnissean einem heißen Sommertag zeigt sich, dassdie Temperatur der raumseitigen Wandober-fläche bei dem schwereren Wandaufbau(HLB_052 , U-Wert = 0,52 W/m2K) gegenüberdem Aufbau mit Kerndämmung (HLB_033,

Abb. 5.18 Durch Simulation ermittelter, spezifischer Jahres-Heizwärmebedarf für dieGebäudetypen in Bauweise nach Wärmeschutzverordnung '95

Abb. 5.19 Durch Simulation ermittelter, spezifischer Jahres-Heizwärmebedarf für dieGebäudetypen in Niedrigenergiebauweise

Hei

zwär

nm

ebed

arf

[kW

h/m

2 a]

Gebäudetyp

9 7 , 8

8 1 , 4

6 6 , 4

5 2 , 3

9 7 , 6

8 1 , 2

6 6 , 0

5 2 , 2

9 1 , 8

7 7 , 1

6 3 , 8

5 0 , 0

8 0 , 8

6 9 , 1

5 9 , 3

4 5 , 3

0

2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

1 2 0

E F H D H H R M H G W

W S V H L B _ 0 5 2 H L B _ 0 4 5 H L B _ 0 3 3

Hei

zwär

nm

ebed

arf

[kW

h/m

2 a]

Gebäudetyp

3 8 , 5

3 1 , 4

2 5 , 1 2 2 , 1

6 1 , 7

4 8 , 1

3 4 , 8 3 2 , 4

4 4 , 9

3 2 , 9 3 0 , 3

4 8 , 5

3 8 , 5

2 9 , 2 2 6 , 3

5 7 , 3

0

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

7 0

E F H D H H R M H G W

N E H H L B _ 0 5 2 H L B _ 0 4 5 H L B _ 0 3 3


Zusammenfassung

58

5.5 Zusammenfassung

Bei Holzleichtbeton wird gegenüber anderenBetonarten Holz als Zuschlagsstoff einge-setzt. Dieser Zuschlagsstoff fällt als Restpro-dukt bei der Holz verarbeitenden Industrie inForm von Sägespänen und Sägemehl an.Bisherige materialtechnische Untersuchun-gen46 zeigen bezüglich des ZuschlagsstoffsHolz, dass sich eine kontinuierliche Siebliniewie im ‘klassischen’ Betonbau nicht bewährt.Je kleiner die Schüttfraktion, desto höher sinddie zu erwartenden statischen Eigenschaften. Bestimmte Holzinhaltstoffe (mono- und dime-re Kohlenhydrate sowie phenolische Stoffe)erzeugen mit dem Kalk des Wassers weitge-hend wasserunlösliche Calciumsalze, die aufder Zementoberfläche eine Sperrschicht aus-bilden und die Zementhydratation verzögernoder gar verhindern können. Durch die Beiga-be von Additiven und/oder eine Vorminerali-sierung der Holzpartikel lassen sich die ab-bindehemmenden Einflüsse minimieren.47

Im Vergleich zu Normalbeton kennzeichnetden Holzleichtbeton ein höherer Bindemitte-leinsatz. Das Material lässt sich sehr gut ver-arbeiten, sowohl per Hand als auch mit gängi-gen Mischgeräten. Da es keine Tendenz zuEntmischungen aufweist, ist analog zu Leicht-betonen je nach Konsistenz eine Guß-, Fließ-und Schütteinbringung möglich.Wesentlichen Einfluss auf Festigkeit und Ver-arbeitbarkeit hat der W/Z-Wert (Optimum zwi-schen 0,55 und 0,65) sowie das Holz/Zement-Verhältnis (mit steigendem Zementanteil er-höht sich die Druck- und Biegefestigkeit). BeiStoffzusammensetzungen mit einer Rohdich-te > 1300 kg/m3, Zementgehalt > 800 kg/m3

können Druckfestigkeiten bis 13 N/mm2, Bie-gefestigkeiten bis 4,5 N/mm2 und E-Moduli bis

Abb. 5.20 Zeitlicher Verlauf von Außentemperatur, Raumlufttemperatur und Oberflächentemperatur in derSüdzone (an der Innenseite der Südwand) für zwei Wandaufbauten in Holzleichtbeton-Massiv-holz-Verbundbauweise an einem heißen Sommertag

U-Wert = 0,33 W/m2K) mit steigender Außen-temperatur und zunehmender solarer Ein-strahlung auf die Fassade etwas wenigerstark ansteigt und in der Nacht etwas langsa-mer abnimmt. Auch der Anstieg in der Raum-lufttemperatur fällt geringer aus. Wenn die Außenluft am Nachmittag nach 16Uhr mit knapp 30 °C den Höchstwert erreicht,stellt sich zu den Oberflächen- und Raumluft-temperaturen ein ∆T von etwa 1 K ein. Wäh-rend bei der raumseitig angeordneten Brett-stapelschicht kein Unterschied zwischen bei-den Temperaturverläufen festzustellen ist,

liegt beim (schweren) Holzleichtbeton dieOberflächentemperatur leicht unter derRaumlufttemperatur. (Abb. 5.20)Dieser Effekt kann durch vergrößerte Bauteil-dicken der Holzleichtbeton-Schicht oder dieKombination mit Latentwärmespeichermate-rialien gesteigert werden.

Zeit [h]

Inn

ente

mp

erat

ure

n [

°C]

23,0

23,5

24,0

24,5

25,0

25,5

26,0

26,5

27,0

27,5

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 223

6

9

12

15

18

21

24

27

30

Außentemperatur

Raumlufttemperatur HLB_033

Oberflächentemperatur SüdwandInnen HLB_033

Raumlufttemperatur HLB_052

Oberflächentemperatur SüdwandInnen HLB_052

Au

ßen

tem

per

atu

r [°

C]


Zusammenfassung

59

5000 N/mm2 erzielt werden.Gegenüber herkömmlichen Holz- und Holz-verbundwerkstoffen unterscheidet sich derHolzleichtbeton durch- wesentlich höhere Rohdichten- Sprödbruchverhalten- geringe hygrische LängenänderungAufgrund des hohen alkalischen Milieus imHolzleichtbeton und der Forderung nach Ge-wichtsreduktion sowie Querschnittsoptimie-rungen sind als Armierung Stahlbewehrungenmit Abstandhalter etc. nicht geeignet. In Folgeintensiver Forschungsarbeiten zu modernenBewehrungsarten im Betonbau, bestehen mitdem Einsatz textiler Gewebe leistungsfähigeAlternativen, die darüber hinaus auch Kosten-vorteile versprechen.48

Wie schon bei den historischen Beispielengezeigt, zeichnet sich Holzleichtbeton durcheine Reihe vorteilhafter Bearbeitungseigen-schaften aus. Das Material lässt sich sägen,nageln, schrauben. Auch bei der Oberflä-chenbearbeitung bestehen vielfältige Optio-nen.

Hinsichtlich der bauphysikalischen Eigen-schaften zeigen bereits die Vorläufer eineReihe positiver Merkmale und lassen ersteUntersuchungen weitere Vorteile erkennen.Als hygroskopisch dampfdurchlässiger Bau-stoff ist das thermische Verhalten positiv zubewerten, sowohl hinsichtlich der Wärme-speicherfähigkeit als auch der Wärmedäm-mung. Beide sind in hohem Maße abhängigvon der Rohdichte des Materials und somitkönnen Holzleichtbeton-Aufbauten durch guteAnpassungsmöglichkeiten in den Mischungensowohl einen wirksamen sommerlichen alsauch winterlichen Wärmeschutz leisten.Luftschall- und Trittschalldämmmaß lassensich durch variierbare Rohdichten sowiemehrschichtigen Aufbauten ebenso erfüllen.Schallübertragung über Fugen wie auch Un-

dichtigkeiten in der Gebäudehülle könnendurch Verguss und entsprechende An-schlusslösungen unterbinden werden.Holzleichtbeton ist nicht brennbar und ab ei-ner Dicke von 5 cm besteht eine Brandwider-standsdauer von 90 Minuten.

Bei den Untersuchungen zur Wärmeleitfähig-keit wurden Werte von 0,15 (ρ ≈ 610 kg/m3)bis 0,75 W/mK (ρ ≈ 1710 kg/m3) ermittelt. Da-mit liegt das Material bezüglich der Dämmwir-kung im Bereich von Poren- und Leichtbeto-nen (mit haufwerksporigem Gefüge). Über-schlägige Berechnungen lassen daher beimehrschichtigen Wandaufbauten (d ≤ 30 cm,mit U-Werten zwischen 0,45 und 0,28 W/m2K)ein marktfähiges Potenzial als thermisch pas-sives Außenwandbauteil erwarten.Die spezifische Wärmekapazität von Holz-leichtbeton (0,9 bis 1,5 J/gK) liegt zwischenZiegelstein oder Beton und Schaumkunst- be-ziehungsweise pflanzlichen Faserdämmstof-fen. Die Volumen bezogene Wärmekapazität(0,39 bis 0,48 / ρ ≈1250 kg/m3) erreicht daheretwa 60 bis 70 % von Normalbeton (0,67 / ρ =2400 kg/m3). Damit erscheint ein ausreichen-des Potenzial als Material für thermisch aktiveBauteile gegeben. Ferner gilt das Material alsdiffusionsoffen und weist eine geringe kapilla-re Feuchtigkeitsleitung auf.Die ermittelten Kennwerte zur Wärmeleitfä-higkeit [λ] und Wärmekapazität [c] bilden dieBasis für eine Potenzialabschätzung ausge-wählter Wandaufbauten. Die Ergebnisse zei-gen, dass Holzleichtbeton-Außenwände miteiner Wandstärke von ≤ 30 cm mindestensden Standard von konventioneller Ziegelbau-weise (WSVO 1995) erreichen, und partiellder Heizwärmebedarf um 15 bis 20 % redu-ziert werden kann. Werte im Bereich derNiedrigenergiebauweise sind mit den bisherkonzipierten Wandaufbauten jedoch (noch)nicht zu erzielen.

Anhand der baukonstruktiven und bauphysi-kalischen Eigenschaften zeigt sich, dass derHolzleichtbeton durchaus mit am Markt übli-chen Baustoffen konkurieren kann.Bei einer vereinfachten, überschlägigen Ab-schätzung gegenüber Normalbeton muss derHolzleichtbeton auf jeden Fall als etwa 1/3teurer eingestuft werden.49 Dies liegt vor al-lem an dem erhöhten Bindemittelanteil undden niedrigen Kosten für normale Gesteins-körnungen. Vergleicht man den Holzleichtbe-ton jedoch mit Leichtbeton, bei dem als Zu-schläge gewöhnlich hochfeste Stoffe wieBlähton etc. eingesetzt werden,50 und mit die-ser Baustoffgruppe müssen bezüglich derMarktpotenziale die Materialeigenschaftenund Einsatzmöglichkeiten verglichen werden,verspricht dies Kostenvorteile zwischen 30und 40 %,51 da es sich beim ZuschlagsstoffHolz um ein vorhandenes Restprodukt han-delt.

Nicht zuletzt wird der Primärenergieaufwandfür Herstellung, Transport und Montage alsoptimal bezeichnet.52 Das Material ist leicht zutransportieren, darüber hinaus einfach zu zer-kleinern, abzubauen und auch als Zuschlags-stoff für neue Bauteile wiederzuverwenden.Ein weiterer ökologischer Gesichtspunkt istdie Verbundbauweise mit einer tragendenSchicht aus Massivholz, da bei solcherartWand- und Deckenaufbauten der Einsatz vonHolz in den Hochbaukonstruktionen noch ein-mal deutlich erhöht werden kann.53

Holzleichtbeton eignet sich aufgrund der brei-ten Streuung seiner Materialeigenschaften inAbhängigkeit von den unterschiedlichen Mi-schungsverhältnissen gleichermaßen für eineVerarbeitung als Fertigteil wie auch für eineOrtbetonherstellung. Darüber hinaus könnenElemente für den Wand- und Deckenbereichsowohl als Außenbauteil, wie auch als Innen-bauteil hergestellt werden.


Zusammenfassung

60

32 ZAE Bayern, 2000, S. 333 Vgl. Gliniorz/Natterer, 2000, S. 84-87; Fax IEZ Natte-

rer GmbH, 28.11.200034 Vgl. Vollenschaar (Hg.), 25/1998, S. 700f.35 Vgl. Beraus, 2001, S. 10636 Vgl. Brandt/Moritz, 1995, S. 47ff.37 Vgl. Gliniorz/Natterer, 2000, S. 78-8238 Vgl. Vollenschaar (Hg.), 25/1998, S. 3039 Z.B. in Verbindung mit der Brettstapelbauweise:

Holzleichtbeton als leichter und damit schlechter di-rekter Schalleiter und Brettstapel als massiver unddamit guter Luftschalldämmstoff. Vgl. Fax IEZ Natte-rer GmbH, 28.11.2000

40 Vgl. Gliniorz/Natterer, 2000, S. 75-7841 Vgl. Brandt/Moritz, 1995, S. 83ff.42 Vgl. Oberdorf, 08/2001, S. 1-443 Vgl. Niewienda, 2002, S. 3.11.1-3.11.2144 “Die Geschosshöhe von 2,60 m und die maximale

Anzahl von zwei Vollgeschossen berechtigen zumNachweis des Wärmeschutzes nach dem Bauteilver-fahren.” Oberdorf, 08/2001, S. 4

45 Vgl. Oberdorf, 08/2001, S. 5-746 Vgl. Gliniorz/Natterer, 2000, S. 19647 Diese chemischen Reaktionen zwischen dem Rest-

holzsortiment, Zement und Wasser müssen aller-dings noch weiter erforscht werden. Vgl. Gliniorz/Nat-terer, 2000, S. 196

48 Vgl. Gliniorz/Natterer, 2000, S. 90-13149 Preise: Schweiz 2000. Vgl. Gliniorz/Natterer, 2000,

S. 88f.50 Vgl. Recycling-Glas des IPB etc.51 Vgl. Gliniorz/Natterer, 2000, S. 87ff.; Fax IEZ Natterer

GmbH, 28.11.200052 Vgl. Sambeth, 1996, S. 158-18353 So beträgt der Einsatz von Holz in der Baukonstrukti-

on heute nur mehr etwa 1/10 des Volumens, das um1900 verbaut wurde. Vgl. Herzog, 22.05.2000

Anmerkungen1 Vgl. Gliniorz/Natterer, 2000, S. 112 Vgl. Gliniorz/Natterer, 2000, S. 233 Der untere Grenzbereich der Verarbeitbarkeit liegt

bei einem Zementanteil von ≥ 275 kg/m3. Vgl. Gli-niorz/Natterer, 2000, S. 25

4 Vgl. Gliniorz/Natterer, 2000, S. 23f.5 Vgl. Gliniorz/Natterer, 2000, S. 25-746 Da für Restholzsortimente keine Siebkurven beste-

hen, musste an der EPF Lausanne/I-Bois durch em-pirische Verfahren ein Siebkurvenbereich definiertwerden. Korngrößen bis max. 2,50 mm bezeichnetman als Feinstzuschlag. Vgl. Gliniorz/Natterer, 2000,S. 45

7 Eine zusätzliche chemische und/oder mechanischeVorbehandlung des Holzes wurde nicht vorgenom-men

8 Auch als “idealer” Wasser-Zement-Wert bezeichnet;diese Werte weist z.B. der Portlandzement, die wich-tigste Zemenart auf.

9 Vgl.Vollenschaar (Hg.), 25/1998, S. 308, 315, 382f.10 Die Herstellung der Proben erfolgte mit konventionel-

len 20-Liter-Planetenrührmischern.11 Steht im Widerspruch zum klassischen Betonbau.

Vgl. Gliniorz/Natterer, 2000, S. 65f.12 Vgl. Gliniorz/Natterer, 2000, S. 6913 Dabei unterscheidet sich die feuchtebedingte Län-

genänderung bei Zement (sehr kleiner Porenraum imEigengefüge, ca. 0,05 %) und Holz (max. radialesSchwindmaß der Fichte ca. 7,8 %) enorm. Vgl. Gli-niorz/Natterer, 2000, S. 70

14 Vgl. Natterer, 2000d, S. 67ff.15 Eine praxistaugliche Überprüfung dieser Einschät-

zungen steht noch aus, da der praktische Feuchtege-halt und die Baufeuchte in den Untersuchungen nichtberücksichtigt wurden.

16 Vgl. Gliniorz/Natterer, 2000, S. 6117 Vgl. ZAE Bayern, 2000, S. 1018 Vgl. Gliniorz/Natterer, 2000, S. 7419 Vgl. Roider, 19.02.2001a20 R = d / λ [m2K/W]. Vgl. DIN EN ISO 6946, Oktober

200321 Vgl. DIN EN ISO 6946, Oktober 2003; Bundesarchi-

tektenkammer (Hg.), 1996, S. 93f.22 Vgl. Brandt/Moritz, 1995, S. 25ff.23 Vgl. ZAE Bayern, 2000, S. 4ff.; Gliniorz/Natterer,

2000, S. 82ff.24 Insgesamt liegen für die Rezepturen I und II je 3, für

die Rezepturen III, IV und VI jeweils 2 Probekörpervor.

25 Vgl. ZAE Bayern, 2000, S. 326 ZAE Bayern, 2000, S. 4f.27 Vgl. Kapitel 8.2.2 und 8.2.428 ZAE Bayern, 2000, S. 529 Gliniorz/Natterer, 2000, S. 8430 Vgl. Wetzell (Hg.), 28/1998, S. 174ff.31 Vgl. Vollenschaar (Hg.), 25/1998, S. 203

Darüber hinaus kann durch thermisch aktiveBauteile, wie Massivabsorber, die Brauch-wasserbereitung beziehungsweise Raumhei-zung durch eine erweiterte Nutzung der Um-weltenergie sinnvoll unterstützt werden. Mit-tels in die äußere Schicht der Außenwandeingelegter Leitungsrohre besteht die Mög-lichkeit über die passive Bauteilfunktion zu-sätzlich einen höheren Anteil der eingestrahl-ten Solarenergie zu nutzten. Über das dieRohre durchströmende Trägermedium (in derRegel Wasser oder Sole) wird die im Bauteileingespeicherte Energie aufgenommen unddirekt oder über eine Wärmepumpe einemSpeicher zur Brauchwasserbereitung be-ziehungsweise Raumheizung zugeführt. So genannte Absorberwände, mit in Betonvergossenen Stahlrohren, werden erstmalsum 1900 gebaut. Verstärkt erfolgt die Ent-wicklung von flüssigkeitsdurchströmten Be-ton-Außenbauteilen insbesondere nach1973.1 In der BR Deutschland werden bis Mit-te der 90er Jahre mehr als 100.000 m2 Mas-sivabsorber hergestellt, die über 300.000 m2

Wohn- und Nutzfläche umweltfreundlich be-heizen.2 Wie verbreitet dieser solartechnischeAnsatz ist, zeigt der Vergleich, das seinerzeitdie Fläche an Massivabsorbern etwa an dieFläche installierter Sonnenkollektoren heran-reicht.3

Massivabsorber sind flächige, massive Aus-senbauteile aus Beton – meist als Fertigteileproduziert –, die der Umgebungswärme aus-gesetzt sind. Diese Wärmetauscher absorbie-ren aus Erdreich, Luft und Regen, zum TeilSchnee, aber auch aus der Luftfeuchte überihre Oberflächen und innenliegende Zirkulati-onsrohre Wärme.In der Regel sind Massivabsorber an eineWärmepumpe angeschlossen sind. DieseKombination wird in Deutschland, Österreichund der Schweiz häufig als “Massiv-Absorber-

Holzleichtbeton aktives Bauteil

Stand derEntwicklung von

Massivabsorbern

61

6 Holzleichtbeton als Material für thermisch aktive Bauteile

Für die Reduktion des thermischen Energie-verbrauchs von Gebäuden stellt zunächst einguter Wärmeschutz der Umschließungsflä-chen eine wirksame Maßnahme dar. DurchNutzung von Solarenergie mittels passiver(direkter, über transparente beziehungsweisetransluzente Flächen) und/oder aktiver (indi-rekter) Systeme besteht zusätzlich ein großesSubstitutions- beziehungsweise Einsparungs-potenzial von fossil erzeugter Energie. Die in-direkten Systeme charakterisiert der apparati-ve und maschinelle Zusatzaufwand, das heißtthermisch aktive Bauteile sind verrohrt undkombiniert mit Speicheranlagen, Wärmepum-pe etc. und somit in haustechnische Anlageneingebunden.

Jede Außenwand kann einen Teil der auftref-fenden Solarstrahlung aufnehmen und jenach Aufbau und Schichtenfolge an denRaum zeitversetzt abgeben. Der Ertrag einerkonventionellen Wand fällt jedoch vergleichs-weise gering aus. Durch modifizierte Aufbau-ten lassen sich die passiven solaren Gewinnevon Außenwandkonstruktionen steigern. Diezusätzliche Anbringung einer Glasabdeckungbeziehungsweise einer Transluzenten Wär-medämmschicht (TWD) kann den nutzbarenAnteil deutlich erhöhen.Durch die vorgesetzte Schicht wird der Strah-lungsanteil entsprechend dem Transmissions-grad des Materials abgemindert. Die Verlage-rung der Absorberschicht in tiefere Bauteil-schichten verringert jedoch die Wärmeverlu-ste nach außen und erhöht die solaren Ge-winne für den Raum. Zur Vermeidung vonÜberhitzung im Sommer ist allerdings insbe-sondere bei der Verwendung von TWD einwirksamer Sonnenschutz erforderlich.

6.1 Stand der Entwicklung vonMassivabsorbern


Stand derEntwicklung vonMassivabsorbern

62

Abb. 6.1 Volumen bezogene Wärmekapazität S von (Bau-)Stoffen (Vgl. Schramek (Hg.), 69/1999, S. 92ff.; Schwarz, 1987, S. 10ff.)

raturdifferenz gespeichert werden kann. Was-ser erreicht mit 1,16 kWh/m3K einen sehr ho-hen Wert, während Beton von den gebräuchli-chen Baustoffen mit 0,67 kWh/m3K bei etwa60 % der Speicherkapazität von Wasser liegt.Aufgrund des für Baustoffe recht hohen Wär-mespeichervermögens und mit seiner gutenWärmeleitfähigkeit gilt Beton als in besonde-rer Weise für die Massivabsorbertechnik ge-eignet. (Abb. 6.1)

Im stationären Betrieb stellt der Beton zu-nächst einen Wärmeleitwiderstand dar, dervon der Umweltwärme auf dem Weg durchdas Bauteil zur Wärmeträgerflüssigkeit8, die ineiner Rohrleitung den Absorber durchströmt,überwunden werden muss. Dieser fällt aller-dings bei einer hohen Wärmeleitfähigkeit rela-tiv gering aus.Im so genannten Taktbetrieb stellt der Betoneinen Zwischenspeicher für die absorbierteUmweltwärme dar. Diese wird in einer Still-standphase gespeichert und erst unter günsti-gen Wärmeübergangsbedingungen, das heißteiner ausreichenden Temperaturdifferenz,vom Beton über das Rohr an das Trägermedi-um abgegeben. Da Wärme somit nicht nurder Umgebung, sondern vor allem auch demBeton entzogen werden kann, können imTaktbetrieb hohe spezifische Leistungen vonBetonabsorbern erzielt werden.9 (Abb. 6.5)

Über Absorberflächen kann Umweltenergiedirekt (passiv) oder indirekt (aktiv) genutztwerden. Der Umfang der Wärmeaufnahmewird zunächst durch Klimafaktoren, wie Strah-lungsangebot, Außentemperatur, Windge-schwindigkeit, Niederschlag und Luftfeuchtig-keit bestimmt. Neben der jahreszeitlichen Än-derung des Sonnenhöhenwinkels und des ta-geszeitlichen Wechsel bestimmt die Strah-lungsintensität, das heißt direkte beziehungs-weise diffuse Strahlung, das Angebot.

6.1.1 Bauphysikalische Einflussgrößenund lokale Randbedingungen

Die thermische Leistungsfähigkeit von Bau-stoffen zum Betrieb von thermisch aktivenBauteilen hängt wesentlich von der Wärme-leitfähigkeit λ (W/mK) und der Wärme-speicherfähigkeit c (kJ/kgK) ab. Beide Werte stehen in direkter Relation zurRohdichte, woraus erhebliche Unterschiedehinsichtlich der Einsatzmöglichkeiten vonBaustoffen resultieren. Schwere, kompakteMaterialien besitzen eine gute Wärmeleit- undWärmespeicherfähigkeit, während leichte, po-röse Stoffe nur geringe Werte aufweisen.

Zur Beurteilung des Wärmespeichervermö-gens ist die Volumen bezogene Wärmespei-cherkapazität S7 eine wichtige Kenngröße.Sie bezeichnet, welche Energiemenge in ei-nem bestimmten Volumen pro Kelvin Tempe-

Heizsystem”4 bezeichnet. Man unterscheidet- luftgekoppelte- luft-erdgekoppelte- erdgekoppelteSysteme.5

Thermisch aktive Elemente lassen sich alsBauteilschicht sowohl außen als auch raum-seitig anordnen. Dabei kann ein Teil der inden Raumumschließungsflächen eingespei-cherten solaren Strahlung über ein Wärmeträ-germedium an das Heizsystem abgeben wer-den. Dieser Effekt ist besonders bei Leicht-bauten von großem Interesse.6

Nachfolgend werden wesentliche Aspekte fürdie Entwicklung und den Einsatz von Massiv-absorbern, als zusätzliche ‘Kollektoren’ undSpeicher von Umweltenergie, als Basis für dieexperimentellen Arbeiten zusammenfassendbehandelt und bilanziert.

Vo

l-b

ez. W

ärm

ekap

azit

ät [

kWh

/m3 K

]

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

0 500 1000 1500 2000 2500

Wasser (20°C)BetonHolz, EicheHolzwerkstoffeHolz, Kiefer/FichteLeichtbetonKalksandsteinMauerwerk HLZHolzleichtbetonHolzleichtbetonLB/NaturbimsPorenbetonPfl. Faserdämmst.SchaumkunststoffLuft (20°C)

Rohdichte [kg/m3]



Massivabsorbern

63

Bei Solarstrahlung erwärmen sich die Außen-wandflächen unterschiedlich stark. DunkleOberflächen absorbieren einen höherenStrahlungsanteil als hellere Oberflächen.Maßgebend für den Grad der Erwärmung istdas Absorptionsvermögen, bemessen mit derAbsorptionszahl aS. Eine Oberfläche mit aS =0,55, wie Beton glatt, absorbiert 55 % der auf-treffenden Strahlung, die restlichen 45 % wer-den reflektiert. Helle Flächen besitzen eineAbsorptionszahl zwischen 0,20 und 0,60.10

(Abb. 6.3)Für die Farbigkeit von Oberflächen wird vonvielen Herstellern der so genannte Hellbe-zugswert (HBW in %) angegeben. Dieserkennzeichnet das Maß für die Absorptions-

Darüber hinaus sind die Reflektionsverhältnis-se der umgebenden Flächen von Bedeutung;so kann auch aus den diffusen und reflektier-ten Strahlungsanteilen Umweltenergie aufge-nommen werden. Ferner beeinflussen bauliche Randbedingun-gen, wie Exposition, Flächenneigung, Höheüber Erdreich, Verschattung, Material oderFarbgebung die Leistungsfähigkeit vonMassivabsorbern. (Abb. 6.2) Für die Aufstellung von Massivabsorbern sindvor allem bebaute Gebiete geeignet, da hierin der Regel nur geringe Windgeschwindigkei-ten auftreten und damit der Wärmeübergangvon dem Absorber an die Luft relativ geringist.

zahl des Farbtons und gibt das Reflexionsver-mögen einer Farbe im Bereich des sichtbarenLichtes (Spektralbereich zwischen 0,38 und0,78 µm) an. Je kleiner der HBW, desto mehrSolarstrahlung kann auf der Bauteil-Oberflä-che absorbiert und damit für Heizzwecke ge-nutzt werden. Die Hellbezugswerte könnensich bis um den Faktor 10 (Perlweiß 71 %und Oxydrot 8 %) unterscheiden.11

In Untersuchungen12 ist festgestellt worden,dass die Absorptionszahl von Oberflächenbe-schichtungen auf Dispersions-, Kunstharz-

Abb. 6.2 Systematik thermisch aktiver Bauteile und wesentlicher Parameter(Vgl. Primus, 1995, S. 32f., 53)

Massivabsorber

Geographische Lage

Neigungswinkel

Himmelsrichtung

Strahlungsangebot

Umgebungstemperatur

Höhe über Erdreich

Windgeschwindigkeit

Materialeigenschaften

Rohrmaterial

Oberflächenstruktur

Belegungsdichte, Lage

Farbe

Bauteileigenschaften

Standort

Klimafaktoren

Umgebende Bebauung

Abb. 6.3 Absorptionszahlen ausgewählter Bau-stoffe (Vgl. Schwarz, 1987, S. 29)1 (Pigment Eisenoxid)2 (3 Teile schwarz/1 Teil weiß)3 (je nach Helligkeit)4 (Pigment Titandioxid)

Baustoff-Oberfläche

Absorptions-zahl aS

Dispersionsfarbe schwarz1

Schieferplatten

0,92

0,90

Dispersionsfarbe grau2

Faserzementplatten (1 Jahr)

Mineralischer Verputz

Kalksandstein

0,82

0,70

0,65

0,60

Ziegelsteine rot3

Granit

Beton glatt

Tannenholz

0,55–0,70

0,55

0,55

0,44

Kunststoffverputz weiß

Floatglas (6 mm)

Dispersionsfarbe weiß4

0,36

0,12

0,09



64

Wärmeentzug durch die stärkere Abkühlungder äußeren Bauteilschicht erscheint vernach-lässigbar klein.16

Beton weist gegenüber anderen Materialieneine Reihe besonderer Merkmale auf:- hervorragende Formbarkeit- hohe Wärmeleitfähigkeit- gute Wärmespeicherkapazität- Dauerhaftigkeit17

- unproblematische Kombination mit Metall-und Kunststoffrohren

Durch die aufgrund der Masse relativ hoheWärmespeicherkapazität, kann eine 15 cmdicke Betonplatte bei einer Temperaturände-rung von 10 K pro m2 Fläche etwa 1 kWhWärmeenergie speichern. Praktische Anwen-dungen mit Beton-Massivabsorbern zeigen,dass sich je nach Aufbau und Leistung etwa180 W Heizleistung pro m2 Massivabsor-beroberfläche erzielen lassen.18

Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit undWärmespeicherfähigkeit von Beton treten indem Bauteilquerschnitt nur sehr geringe Tem-peraturdifferenzen auf und ist insgesamt einelangsame Änderung der Bauteiltemperaturfestzustellen. Massivabsorber aus Beton rea-gieren stark gedämpft und zeitverzögert aufdas Energieangebot und den Wärmeentzugdurch das Wärmeträgermedium.Weniger als die Hälfte der aus der Umweltentzogenen Energie nimmt das flüssigkeits-durchströmte Rohrregister unmittelbar auf.Der größere Teil wird zunächst von dem Be-ton zwischengespeichert und erst sukzessiveabgegeben. “Die interne Speichermasse«glättet» die Unterschiede zwischen demwechselnden Energieangebot aus der Umweltund dem Entzug durch die Wärmepumpe.”19

Von den Eigenschaften sind insbesondere:- Bauteildicke (Einfluss der Masse)- Mischungsverhältnis

bau gedämpft und zeitverschoben die raum-seitige Oberfläche. Allerdings zeigt sich, dassüber konventionelle Wandaufbauten nur einsehr geringer Wärmegewinn zu erzielen ist.Die solaren Zusatzgewinne von opaken Aus-senwandkonstruktionen werden mit einemAbminderungsfaktor berücksichtigt. Der tat-sächliche, effektive U-Wert [Ueff] resultiert ausdem U-Wert [UW] und dem Solargewinnfaktor[SW] der Wand:

SW wird beeinflusst von dem Strahlungsange-bot und der Exposition der Fläche, deren Be-schattung sowie Farbgebung. Etwa 1 bis 6 %der absorbierten Strahlung kann von einernormalen Außenwand für Raumwärme ge-nutzt werden.13 (Abb. 6.4)

Untersuchungen14 von mehrschichtigen Au-ßenwandkonstruktionen zeigen, dass trotzder hohen Wärmeleitfähigkeit und des großenWärmespeichervermögens von Beton keinehöheren solaren Gewinne zu erzielen sind.Nach durchgeführten Berechnungen undMessungen lässt sich bei durchschnittlichenwinterlichen Klimaverhältnissen15 der U-Werteiner opaken Wand durch die Solarstrahlungum etwa 2 bis 12 % reduzieren.

6.1.2 Betonbauteile als thermisch aktives System

Prinzipiell kann jeder Betonkörper durch dasEinlegen von Rohrschlangen beziehungs-weise Rohrregistern als thermisch-aktivesBauteil genutzt werden. Durch ein Absorber-system, das in Außenwandbauteile integriertist, können zum einen solare Gewinne zu-sätzlich genutzt und zum anderen Transmissi-onswärmeverluste partiell wieder (zurück-)ge-wonnen werden. Ein etwaiger zusätzlicher

Ueff = UW · SW

Abb. 6.4 Solargewinnfaktoren für Außenwändeund Dächer (Vgl. Schwarz, 1987, S. 32)

Orientierung der Fläche

WandNorden

Farbehell

0,98

Farbemittel

0,96

WandOsten/Westen

WandSüden

Dach

0,97

0,96

0,95

0,95

0,96 0,93

Farbedunkel

0,94

0,93

0,90

0,90

Solargewinnfaktor SW

und Wasserglasbasis, wesentlich durch dieFarbpigmente beeinflusst wird. Dagegen sindBindemittel und Glanzgrad der Beschichtungsowie die Oberflächenstruktur (glatt, rau) vonnachgeordneter Bedeutung.Für die Beurteilung der thermischen Lei-stungsfähigkeit einer Außenwand sind dieWärmeströme von der Oberfläche in be-ziehungsweise durch das Bauteil von Interes-se. Durch die Absorption der Solarstrahlungwerden zunächst die äußeren Bauteilschich-ten erwärmt, wobei die Temperatur der Ober-fläche schnell die der Außenluft übersteigt.Während ein Teil der aufgenommenen Ener-gie wieder an die kältere Umgebung abgege-ben wird, setzen in der Wand Wärmeleitungs-und Wärmespeicherungsvorgänge ein.Die Wärme wandert durch den Wandquer-schnitt und erreicht je nach Material und Auf-



Massivabsorbern

65

- Oberflächenbeschaffenheit (Farbe, Ober-flächengüte)

- Belegungsdichte der Zirkulationsrohre20

zu beachten.Massivabsorber werden üblicherweise in Ele-mentgrößen von 10 m2 Fläche mit etwa 70 bis80 m Zirkulationsrohr hergestellt. Wie bei ei-ner Fußbodenheizung werden diese in einerEndlosschleife auf Bewehrungsmatten fixiertund in die Schalung eingelegt.

Da bei Massivabsorbern das Verrohrungssy-stem in das Bauteil eingegossen und somitnicht austauschbar ist, sind an die Haltbarkeitdie gleichen Anforderungen wie an die Ge-bäudehülle beziehungsweise das Gebäudezu stellen.Wesentliche Fragestellungen sind:- Beständigkeit bei Frost-Tau-Wechsel- Haltbarkeit des VerrohrungssystemsBei entsprechender Zusammensetzung, Ver-arbeitung, Nachbehandlung (gegebenenfallsOberflächenschutz) des Betons kann dieserden Anforderungen an ausreichende Frostbe-ständigkeit gut angepasst werden.Hinsichtlich des Langzeitverhaltens insbeson-dere von Kunststoffrohren zeigen Untersu-chungen, dass eine etwa dreifache Sicherheitbei einer Beanspruchungsdauer von bis zu 50Jahren immer noch gegeben ist. Der Alte-rungsprozess ist von der Betriebstemperaturabhängig und setzt umso früher ein, je höherdiese ist.21

Feuchte im Beton kann sowohl in festem, alsauch im flüssigem oder gasförmigem Zustandauftreten und wirkt sich auf dessen Wärme-leitfähigkeit aus. Die Summe der Feuchte inden verschiedenen Aggregatszuständen wirdals Wassergehalt w [kg/m3] bezeichnet.22 Im Betrieb sind Massivabsorber einem häufi-gen Frost-Tau-Wechsel ausgesetzt. Deshalbwird die Wasseraufnahmefähigkeit durch ei-nen hohen Zementgehalt vermindert.

Thermisch aktivesBauteil

Thermisch aktivesBauteil mit

Glas-Abdeckung

Thermisch aktivesBauteil mit TWD

Abb. 6.5 Energiebilanz von Massivabsorbern

Abb. 6.6 Außenwandbauteile zur indirekten (aktiven) Solarenergienutzung



66

des Solarstrahlungsangebots durch eine Rei-he von Vorteilen aus:27

- lassen sich prinzipiell überall aufstellen- gute Auslegung möglich- Betrieb bis in tiefen Temperaturen- zusätzliche bauliche Funktionen- keine speziellen baurechtlichen Genehmi-

gungenMassivabsorber aus Beton können im Werkvorgefertigt werden. Als integriertes Bauteil inder Gebäudehülle lassen sich durch Mehr-fachfunktionen Kostenvorteile erzielen.Optimierungspotenziale28 werden im Bereichbaukonstruktiver Aspekte gesehen- begrenzte Absorberstärke- hohe Rohrbelegungsdichte bei gleichzeitig

geringem Durchflusswiderstand- Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit- absorptionsfähige Farbe

Durch den Betrieb mit einer Wärmepumpen-heizung sind gegenüber fossil betriebenenHeizungen (nennenswerte) Einsparungen anSchadstoffemissionen zu erzielen. Sowohlhinsichtlich von Primärenergieeinsparungen(zum Beispiel mit einer Elektrowärmepumpeallein aufgrund verbesserter Kraftwerkswir-kungsgrade in 10 bis 20 Jahren etwa 20 bis30 %) als auch in Bezug auf eine Reduktionvon CO2-Emissionen galten Massivabsorberals zukunftsorientiertes Heizsystem.29

Abb. 6.7 Geschoßwohnungsbau mit Betonmas-sivabsorber beheizt

Die Frostbeständigkeit lässt sich darüber hin-aus durch Beimischung von Zuschlagsstoffenund Luftporenbildner erhöhen. Spezielle Oberflächenbeschichtungen könnenebenfalls die Wasseraufnahmekapazität her-absetzen. Bei diesen Maßnahmen ist aller-dings auf die Sicherstellung einer ausreichen-den Feuchtigkeitsabgabe des Betons an dieUmgebungsluft zu achten.23

In der Regel wird wasserundurchlässiger Be-ton der Festigkeitsklasse C35/45 (früher B 35)verwendet, der für eine geeignete Betongütefolgende Anforderungen erfüllen muss:24

- Zementgehalt 350 kg/m3 - W/Z-Wert < 0,5- hoher Frost-Tauwechsel-Widerstand- Größtkorn des Zuschlags 16 mm, - 3 kg/m3 LuftporenbildnerBei der Herstellung ist auf eine hohe Verdich-tung, das heißt waagerechte Herstellung, die

Vermeidung von Kiesnestern und ausreichen-de Betondeckung zu achten.

Massivabsorber lassen sich in unterschiedli-che Außenwandaufbauten (einschalig/mehr-schalig) als Fassadenelemente integrieren.(Abb. 6.6) Freistehende Bauteile, wie Mauernoder Flachdachabsorber, ermöglichen einebeidseitige Absorption und können somit dieErträge erhöhen.Prinzipiell können Massivabsorber in allen mitder Außenluft in Kontakt stehenden Bauteilenim Gebäude oder in baulichen Anlagen einge-setzt werden und übernehmen dabei auchbauliche Funktionen: Neben Fassadenele-menten und Balkonbrüstungen insbesonderealle Typen von Einfriedungen und ebenso Ne-benanlagen, wie Garagen. (Abb. 6.7)Allerdings bleibt sowohl bei den seriell herge-stellten als auch in Kleinserien produziertenElementen das gestalterische Potenzial vonBetonbauteilen bislang weitgehend unge-nutzt.

6.1.3 FazitAm Fraunhofer-Institut für Bauphysik in Holz-kirchen wurden ab Anfang 1980 eine Reihevon Detail-Untersuchungen zu Beton-Massiv-absorbern durchgeführt,25 unter anderem zurLeistung bei unterschiedlichen Oberflächen-strukturen, Bauteildicken und Farben. WeitereParameter waren Feuchtigkeitsverhältnisseund Druckverluste in den Bauteilen sowiespezielle Oberflächenbeschichtungen.26

Diese Arbeiten zeigen, dass Massivabsorberaus Beton dann günstig arbeiten, wenn derenWärmekapazität durch einen Taktbetrieb gutausgenutzt werden kann. Aufgrund geringererWindgeschwindigkeiten sind diese vor allemfür Standorte in bebauten Gebieten geeignet.Thermisch aktive Betonfertigteile zeichnensich neben erweiterten Nutzungspotenzialen

- ein- oder mehrlagige Anordnung von Me-tall- beziehungsweise Kunststoffrohren zurAufnahme des Wärmeträgermediums

- Farbige Betonoberfläche, durch Einsatzvon Pigmenten, Kohlestaub, Ziegelmehloder Dispersionsfarbe

- Abdeckung aus Glas oder Isolierglas- Transluzente Wärmedämmung aus unter-

schiedlichen Werkstoffen (zum Beispiel Si-likatglas, PMMA, Polycarbonat)

Daraus sollen an ausgewählten BeispielenGrundlagen für die Entwicklung von thermischaktiven Bauteilen im Bereich der Gebäudefas-sade erarbeitet werden. Darüber hinaus wä-ren ebenso Einsatzmöglichkeiten in Massiv-dächern und bei Umfriedungen oder als be-witterte Bodenbeläge (zum Beispiel bei Ter-rassen) denkbar.

Die Messergebnisse der Untersuchungen zurWärmeleitfähigkeit λ und spezifischen Wär-mekapazität c von Holzleichtbeton bilden dieBasis für die Auswahl der Mischungen. Es zeigt sich, dass die Volumen bezogeneWärmekapazität von einem (mittel-)schwerenHolzleichtbeton (ρ ≈ 1250 kg/m3) mit Wertenzwischen 0,39 und 0,48 kWh/m3K bei etwa 60bis 70 % der von Normalbeton (0,67 kWh/m3K/ ρ = 2400 kg/m3) liegt, bei einer Halbierungdes spezifischen Gewichts.Um die Grenzbereiche des möglichen Lei-stungsspektrums von Holzleichtbeton als Ma-terial für thermisch aktive Bauteile ausloten zukönnen, wird als weitere Variante eine leichte-re, mehr wärmedämmende Mischung heran-gezogen. Mit einer Rohdichte von etwa 600kg/m3 wird eine Volumen bezogenen Wärme-kapazität von 0,18 bis 0,26 kWh/m3K erreicht,das sind knapp 30 bis 40 % von Normalbeton.Auf Grundlage dieser Mischungen erfolgt dieHerstellung von zwei verrohrten, 1 m2 großenFunktionsmodellen mit einer verdichteten,glatten Bauteiloberfläche.


Thermisch aktive Bauteile aus

Holzleichtbeton

67

Trägermedium in die haustechnische Anlageeingespeist werden kann.

Es bestehen verschiedene Möglichkeiten, die-se Wärme zu nutzen:- Die thermisch aktiven Bauteile (zum Bei-

spiel aus Holzleichtbeton, Massivholz) wir-ken selbst als Wärmespeicher, beispiels-weise um in Außenwänden zwischenge-pufferte Wärme zeitversetzt in den Wohn-raum abzustrahlen, zur Unterstützung derGebäudeheizung

- Die Wärme wird über ein Trägermedium(meist Sole oder Wasser) über eingebette-te Rohre oder Rohrregister zu einemBrauchwasserspeicher geleitet (Unterstüt-zung der Brauchwasser-Bereitung)

- Im Sommer wird das warme Wasser abge-leitet und durch kaltes Wasser ersetzt. Da-durch können die Wände an heißen Tagengekühlt werden. Die thermisch aktivenBauteile ermöglichen so einen verbesser-ten sommerlichen Wärmeschutz des Ge-bäudes

Die Untersuchungen im Rahmen der Arbeitumfassen die Schritte:- Auswahl der Schichten und Aufbauten- Bau von Versuchsrahmen- Herstellung zweier Funktionsmodelle- Vermessung unterschiedlicher Versuchs-

anordnungen- Potenzialabschätzung

Die auf Basis der Holzleichtbeton-Massivholz-Verbundbauweise konzipierten Aufbautensetzen sich aus verschiedenen Materialienund Schichten zusammen:- Massivholz, zum Beispiel Brettstapel,

Dickholz- Holzleichtbeton als Absorber, mit unter-

schiedlich bearbeiteter Oberfläche, glatt,geriffelt oder gewellt

6.2 Thermisch aktive Bauteile aus Holzleichtbeton

Anknüpfend an die Grundlagendarstellungvon thermisch aktiven Bauteilen, das heißtBeton-Massivabsorber, sowie die skizzierteÜbersicht zu baulichen und energetischenRandbedingungen erfolgen erste Überlegun-gen zur Verwendung von Holzleichtbeton inVerbindung mit Massivholz (vor allemBrettstapelelemente) für ein solcherart solar-technisches System.Die bei der IEZ Natterer GmbH in Saulburg/Wiesenfelden konzipierten Aufbauten30 warenso angelegt, dass die Materialeigenschaftendes Holzleichtbetons zusätzlich mit Farbmi-schungen und strukturierten Oberflächen so-wie unterschiedlichen Abdeckungsarten kom-biniert wurden. Dabei ist man davon ausge-gangen, dass zum einen das Maß an absor-bierter Solarstrahlung über evtentuell einge-färbte Betonoberflächen erhöht, zum anderendurch die Strukturierung der Oberflächen (Rif-felung, Wellung etc.) weniger Strahlung re-flektiert und somit mehr Energie aufgenom-men werden kann.

Eine vorgesetzte Glasscheibe reduziert diekonvektiven Wärmeverluste. Die Verwendungvon Transluzenter Wärmedämmung (TWD)an der Außenseite des Betons verstärkt die-sen Prozess. Die Solarstrahlung geht durchdie TWD und trifft auf die dahinter liegendeWand-/Absorberfläche. Der spezielle Aufbauder TWD minimiert die thermischen Verlustedurch Leitung, Strahlung und Konvektion undverhindert derart, dass die gewonnene Wär-me wieder nach außen abgegeben wird undwirkt gleichzeitig als Dämmung.31

Damit wird eine Steigerung der in Wärme um-gewandelten Solarstrahlung im Bauteil er-reicht, die über das in den Rohren befindliche


Thermisch aktive Bauteile aus Holzleichtbeton

68

Für die experimentellen Arbeiten stehen zu-nächst zehn Varianten zur Diskussion:- offener Absorber I / Holzleichtbeton

(Rohdichte ρ ≈ 1250 [kg/m3])- offener Absorber II / Holzleichtbeton

(Rohdichte ρ ≈ 600 [kg/m3]) (Abb. 6.8)- offener Absorber III / Holzleichtbeton

(Rohdichte ρ ≈ 1250 [kg/m3]) mit Brett-stapel (Nadelholz)

- offener Absorber IV / Holzleichtbeton(Rohdichte ρ ≈ 600 [kg/m3]) mit Brett-stapel (Nadelholz)

- Absorber I hinter Glas- Absorber II hinter Glas- Absorber III hinter Glas- Absorber IV hinter Glas - Absorber II hinter TWD (Abb. 6.9)- Absorber IV hinter TWDDavon werden sechs Aufbauten für die expe-rimentellen Untersuchungen ausgewählt.

Zulauf

Ablauf

Zulauf

Ablauf

8 2 1,00 2 8

1,20

1,20

1,00

28

6 18 6

30

4 8 8 8 8 8 12 8 8 8 8 835

Zulauf

Ablauf

Zulauf

Ablauf

TWD 57 mm

8 2 1,00 2 8

1,20

1,20

1,00

28

6 18 6

30

5 10 10 105

75

145

8 10 10 95

5

Abb. 6.8 Versuchsaufbau: Holzleichtbeton als of-fener Absorber

Abb. 6.9 Versuchsaufbau: Brettstapel und Holz-leichtbeton mit TWD


Bau von Funktionsmodellen

69

Abb. 6.10 Anfertigung von Versuchsrahmen imTechnischen Zentrum der Fakultät fürArchitektur der TU München

Abb. 6.11 Elemente sind u.a. Rahmenunterbau,Vorsatzrahmen und Glasscheibe (4 mm)

Abb. 6.12 Zusammengesetzter Versuchsrahmenmit TWD-Element (57 mm)

6.3 Bau von Funktionsmodellen

6.3.1 VersuchsrahmenDie Arbeit mit den Funktionsmodellen erfor-dert Versuchsrahmen die gut handhabbarsind und die einen (raschen) Wechsel der je-weils unterschiedlichen Schichtaufbauten er-möglichen. Die angefertigten Holzrahmen die-nen der Aufnahme der Holzleichtbeton- undBrettstapel-Elemente und bilden eine robusteRahmenkonstruktion (bei Bauteilgewichtenbis zu 250 kg) für die Vermessung. Aus Gewichtsgründen wird die Elementgrößeauf 1 m2 Bauteilfläche mit gleichen Kantenlän-gen begrenzt. Dieses Maß stellt gleichzeitigeine ausreichende Größe für ‘belastbare’Messergebnisse dar.

Aufgrund der unterschiedlichen Schichtenfol-gen und Aufbauhöhen bei der Abdeckung istder Rahmen zweigeteilt, das heißt dieser be-steht aus einem ‘Unterbau’ mit einer Bauhöhevon 30 cm, das Maximalmaß der vorgeschla-genen Außenwandkonstruktionen, der dasHolzleichtbeton- und ein zusätzlichesBrettstapelelement aufnehmen kann. Fernergibt es einen Vorsatzrahmen (d = 16 cm) fürdie Glasabdeckung und die TWD. (Abb. 6.10-6.12)Unterbau und Vorsatzrahmen können mittelsSchraubenbolzen kraftschlüssig verbundenund wieder gelöst werden.

6.3.2 Herstellung der Holzleichtbeton-Funktionsmodelle 32

Die Herstellung der beiden Holzleichtbetonmi-schungen erfolgt auf Grundlage der Rezeptu-ren, die im Kapitel 5.3.1 beschrieben sind.Über die unterschiedlichen Rohdichten hinausist die Kombination mit verschiedenen Ver-rohrungsweisen zu klären, die hinsichtlich

Rohrdurchmesser und Belegungsdichte un-terschiedlich gewählt werden sollen, umebenfalls Einflüsse zum Wärmeübergang vonBauteil/Rohrwandung/Wärmeträgerflüssigkeitund Durchflussgeschwindigkeit zumindest ab-schätzen zu können.Diese gleichzeitige Variation von spezifischerWärmekapazität und Verrohrung dient ange-sichts eines knappen Versuchszeitraums zurBewertung eines möglichst breiten Spek-trums. Bei der späteren Simulation sind auf-grund der Parametermodifikation keine Pro-bleme zu erwarten.

Für die Funktionsmodelle wird die- Rezeptur III (ρ ≈ 1250 kg/m3) mit einer

16 mm Aquatherm-Verrohrung- Rezeptur VI (ρ ≈ 600 kg/m3) mit einer

‘konventionellen’ 8 mm Kupfer-Verrohrung ausgewählt.33

Rezeptur III zeichnet sich durch einen hohenZement- (600 kg/m3) und niedrigen Holzge-halt (135 kg/m3) aus, während Rezeptur VIbei hohem Holz- (250 kg/m3) einen niedrigenZementgehalt (410 kg/m3) aufweist.Auf Basis der vorliegenden Rezepturen er-folgt die Herstellung der beiden Funktionsmo-delle bei der IEZ Natterer GmbH in Saulburg/Wiesenfelden. Die zwei Elemente werden mitden Abmessungen 100 x 100 x 12 cm anzwei Arbeitstagen hergestellt.34


Bau von Funktionsmodellen

70

Abb. 6.14 Bearbeitung des Funktionsmodells, ein-bringen der zweiten Holzleichtbetonlage

Abb. 6.13 Siebung des Restholzsortiments

Nach der Siebung des Restholzsortiments(Abb. 6.13) werden die Holzspäne in einenBetonmischer eingefüllt und der Zementanteilhinzugefügt. Nach mehrminütigem Mischenerfolgt die Zugabe von etwa 60 % des An-machwassers. Nach einer weiteren Misch-phase wird das restliche Wasser sukzessivebeigefügt und bis zum Erreichen der Regel-Konsistenz weiter vermischt.Der Frischbeton wird in zwei Arbeitsgängen indie vorbereitete Holzschalung eingefüllt. NachFertigstellung der ersten Schicht wird etwa inMittellage die schneckenförmige Verrohrungeingelegt. Bei Rezeptur III beträgt die einbeto-nierte Länge der Verrohrung l = 9,28 m, beiRezeptur VI l = 8,59 m. (Abb. 6.14–6.17)Das Verdichten erfolgt mit Hilfe eines Holzsta-bes und einer Schaufel, sowie mit Hammer-schlägen an die seitlichen Schalungsbretter.Anschließend folgt das Einbringen und Ver-dichten der zweiten Schicht. Die Oberflächender fertigen Funktionsmodelle werden mit ei-ner Kelle geglättet.35

Die Absorberoberflächen der Elemente wer-den zur besseren Lichtabsorption mit demGrundierungsmittel Amphisilan Tiefgrund LFder Firma Caparol vorbehandelt und anschlie-ßend mit der Fassadenfarbe schwarz, eben-falls Firma Caparol, gestrichen.Beide Funktionsmodelle werden an die vorbe-reiteten Versuchsrahmen angepasst und miteinem Brettstapelelement (d =12 cm) für dieexperimentellen Untersuchungen vorbereitet.

Abb. 6.15 Verrohrung ø 16 mm “aquatherm”

Abb. 6.16 Betoniertes Funktionsmodell (schwer)

Abb. 6.17 HLB-Funktionsmodelle (schwer/links,leicht/rechts) und Brettstapel


Vermessung der Funktionsmodelle

71

bar einzurichten, da dies innerhalb weniger,fortlaufender Versuchstage einen besserenAbgleich bezüglich der Abweichungen in derSolargeometrie ermöglicht. Aufgrund des Ge-samtgewichts vor allem des schwererenFunktionsmodells konnte dies mit den vorhan-denen Geräten nicht realisiert werden.

Um störende Randdefekte während der Ver-messung zu minimieren, wird der Rahmen mit120 mm dicken Hartschaumplatten zusätzlichgedämmt. Ferner wird aufgrund der Bauteil-höhe (d = 12 cm) auf den Einsatz des Vor-satzrahmens verzichtet, da durch den letztlichgewählten Aufbau mit großen Verschattungs-effekten insbesondere bei der Glasabdeckungzu rechnen ist. Somit wird die Glas- bezie-hungsweise TWD-Abdeckung unmittelbar aufden Versuchsrahmen aufgebracht und abge-dichtet. (Abb. 6.18+6.22)

Die Absorberfläche befindet sich 20 mm un-terhalb der Oberkante des Versuchsrahmens.Um einen Luftstrom von der kühleren Rück-seite (Brettstapel) zur Vorderseite zu unter-binden, werden die Fugen zwischen Rahmenund Funktionsmodell abgedichtet. Zur Messung des Temperaturverlaufs in demjeweiligen Funktionsmodell sind vor allem dieoberflächennahen Schichten von besonderemInteresse. In verschiedenen Positionen wer-den Meßfühler zur Aufzeichnung der Tempe-raturen eingesetzt:- TBvorn, nach 4,5 mm- TB1, nach 10 mm- TB2, nach 20 mm- TBmitte, in Bauteilmitte, das heißt Lage der

Verrohrung) - TBrück, 4,5 mm unterhalb der RückseiteZur Messung des Temperaturhubs in demWärmeträgermedium sind Temperaturfühlerebenfalls direkt am Ein- und Auslauf der Ver-rohrung angebracht. (Abb. 6.19+6.20, 6.23)

6.4 Vermessung der Funktionsmodelle

Die thermische Leistungsvermessung wird ei-nerseits für eine erste Einschätzung derFunktionsmodelle, andererseits als Grundlagefür eine Potenzialabschätzung der thermischaktiven Bauteile in Holzleichtbeton-Massiv-holz-Verbundbauweise durchgeführt. Die Ver-messung erfolgt auf der solaren Versuchssta-tion des ZAE Bayern, Abt. 4: Solarthermieund Biomasse, in Garching.

6.4.1 Der experimentelle Aufbau 36

Die beiden Holzleichtbeton-Funktionsmodellewerden mit drei verschiedenen Aufbau-Vari-anten vermessen:- OA, ohne Abdeckung: Die nicht abgedeck-

te Absorberfläche ist der Umgebung undnatürlichen Bewitterung unmittelbar aus-gesetzt.

- GL, mit Glasabdeckung: Der Absorberflä-che ist eine Glasscheibe (4 mm) vorge-setzt

- TWD, mit transparenter Wärmedämmung:Abdeckung der Absorberfläche mit einemTWD-Element (ESG außen 5 mm, ≈ 10mm Luftraum, glasklares PMMA, ESG in-nen 4 mm; Gesamtaufbau 57 mm)

Daraus resultieren insgesamt 6 verschiedeneVersuchsaufbauten:- HLB-LE_OA (LE = leichtes Element)- HLB-LE_GL- HLB-LE_TWD- HLB-SE_OA (SE = schweres Element)- HLB-SE_GL- HLB-SE_TWD

Der Versuchsaufbau wird nach Süden orien-tiert und mit einer Neigung von 35 ° stationäraufgestellt. Ursprünglich war vorgesehen, die-sen mittels eines “Solar-Trackers” nachführ-

Holzleichtbeton

Brettstapel

zusätzliche Dämmung

TWD-Abdeckung

Glasabdeckung

Abb. 6.18 Modifizierter Versuchsaufbau mit Holz-leichtbeton und Brettstapel (oben), mitGlas-Abdeckung (mitte) und mit TWD-Abdeckung (unten)

4,5

10 20 60

4,5

20

40

TBvornTB1TB2

TBmitte

TBrück

Abb. 6.19 Lage der verschiedenen Temperatur-fühler im Funktionsmodell [mm]



72

Wirkungsgrad:

Leistung des Versuchaufbaus:

“Eine Auswertung der Momentanwerte ist auf-grund der großen Wärmekapazität des Ver-suchaufbaus nicht möglich. Das maximaleStrahlungsangebot und die maximale Ener-gieausbeute liegen typischerweise ca. 3,5 bis

AEQ

glob

k

⋅=

•

η

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛ −⋅⋅⋅= •

••

2)()( kw

Vk

TTTcpTVQ ρ

6.4.2 Durchführung der Vermessung 37

Die Vermessung der 6 verschiedenen Auf-bauten erfolgt jeweils über mehrere Tage indem Zeitraum von 14.08.2001 bis zum29.10.2001. Ermittelt wird ausschließlich dieLeistung, die die Funktionsmodelle im Ver-suchsaufbau an das durchströmende Wärme-trägermedium abgeben. Eine Erfassung dar-über hinausgehender Leistungsdaten (zumBeispiel Wärmeertrag durch den Plattenver-bund) war nicht möglich.

“Für die Ermittlung des Wirkungsgrades wirddie aus dem gemessenen Temperaturhubdes durchströmenden Mediums bestimmteLeistung ins Verhältnis zum solaren Strah-lungsangebot gesetzt.”38 (Abb. 6.21)

4 Stunden auseinander. Zur Auswertung derMessdaten werden nur ganze Tage herange-zogen und die Messgrößen über den gesam-ten Tag integriert.Um vergleichbare Ergebnisse der verschiede-nen Aufbauten zu erhalten, werden nur Tagemit ähnlichem Wetter miteinander verglichen.Zu diesem Zweck, sind Tage mit gleichenAufbauten und ähnlichem (schönen) Wetterzu einem Mittelwert zusammengefasst wor-den.”39

6.4.3 Messergebnisse 40

Aufgrund der sehr unterschiedlichen Witte-rungsverhältnisse im Vermessungszeitraumstehen nahezu keine Tage mit annäherndgleichen klimatischen Bedingungen zur Verfü-

Wirkungsgrad des Versuchaufbaus

kalorimetrisch ermittelte Leistung

gesamte solare Bestrahlungsstärke in Bauteilebene

Aperturfläche des Versuchsaufbaus

=A

=η

=globE

=•

kQ

Volumenstrom

Rohdichte des Wärmeträgermediums

Wärmekapazität des Wärmeträgermediums

Auslasstemperatur

Einlasstemperatur

=•

V=ρ

=cp

=wT

=kT

Abb. 6.21 Formelzeichen und Kenngrößen

Sensoren

I_Sglob2

Volstrom

Messgröße Einheit

solare Bestrahlungsstärke in Bauteilebene

Volumenstrom

W/m2

l/h

Wind

TUmgebung

TBetk

TBetw

Windgeschwindigkeit

Umgebungstemperatur

m/s

°C

Mediumeinströmtemperatur

Mediumausströmtemperatur

°C

°C

TBvorn

TBmitte

TBrück

TB1

Betonoberflächentemperatur

Betonkerntemperatur

°C

°C

Betonrückwandtemperatur

1 cm unterhalb Oberfläche

°C

°C

TB2 2 cm unterhalb Oberfläche °C

Gerät

Pyranometer

Magnetisch-induktiver Durchflussmesser

Schalensternanemometer

belüfteter Pt100

Pt100

Pt100

Pt100

Pt100

Pt100

Pt100

Pt100

Abb. 6.20 Die erfassten Messgrößen mit den jeweiligen Messgeräten



73

fällt, als die im Versuchsaufbau gemessene.Da die Fühler 4 cm beziehungsweise 2 cmtief von der Seite in den Holzleichtbeton ein-gebohrt sind, können ebenfalls störendeRanddefekte nicht gänzlich ausgeschlossenwerden. (Abb. 6.19)

Die vorliegenden Messergebnisse lassen fol-gendes erkennen:- Der schwerere Holzleichtbeton (HLB-SE)

schneidet bei den Versuchen letztlich auf-grund der Materialeigenschaften erwar-tungsgemäß deutlich besser ab, als dasleichte Funktionsmodell (HLB-LE). Dies istmaßgeblich auf die bessere Wärmeleitfä-higkeit zurückzuführen. Die Messungenzeigen ferner, dass beim leichteren Holz-leichtbeton zwar höhere Oberflächentem-peraturen erreicht werden, demgegen-über sind aber die Kerntemperaturen nied-riger als beim schweren Element.

- Beide Funktionsmodelle leisten ohne Ab-deckung signifikant weniger als mit Ab-deckung. Das ist unter anderem auf diedadurch bedingten hohen konvektivenWärmeverluste zurückzuführen.

- Zwischen den beiden Abdeckungsarten(Glas und TWD) sind sowohl bei demschwereren als auch bei dem leichterenFunktionsmodell keine auffälligen Lei-stungsunterschiede zu erkennen.42

Die Ergebnisse stellen eine erste Einschät-zung der zu erwartenden energetischen Lei-stungsfähigkeit von Holzleichtbeton als Mas-sivabsorber dar. Diese über den Versuchs-zeitraum von über 10 Wochen generiertenDaten bilden eine wichtige Grundlage für dienachfolgende Modellierung von thermisch ak-tiven Bauteilen aus Holzleichtbeton in einerGebäudesimulation.

gung. Daher muss bei der Auswertung auchauf Tage mit einer breiten Schwankung derEinstrahlung zurückgegriffen werden. Fernerist zu berücksichtigen, dass sich aufgrund derrelativ langen Messzeiten die täglichen Wet-terbedingungen auch jahreszeitenbedingt ver-ändern.

Daraus resultiert, dass bei “fortschreitenderMessdauer auch an vergleichbar klaren Ta-gen das Energieangebot aufgrund kürzererSonnenscheindauer und flacheren Einfalls-winkeln geringer ausfällt als zu Messbeginn.So variiert die tägliche solare Einstrahlungzwischen 7,5 kWh/m2 und 4,1 kWh/m2.”41

Durch diese unterschiedlichen Randbedin-gungen ist ein direkter Vergleich zwischenden verschiedenen Aufbauten nur einge-schränkt möglich.Bei der Betrachtung der so genannten Über-temperatur, also die Temperaturdifferenz zwi-schen mittlerer Umgebungstemperatur undmittlerer Fluidtemperatur, zeigen sich bereitsdeutliche Unterschiede zwischen dem leichte-ren und schwereren Element. Die Werte vari-ieren bei den verschiedenen Versuchsreihenzwischen 0,9 und 2,8 °C beziehungsweise 4und 10,6 °C. (Abb. 6.24+6.25)

Die gemessenen Temperaturen in den Funkti-onsmodellen (Oberfläche, Kernbereich, Rück-seite etc.) können nur als Anhaltswerte die-nen. Zwar werden die jeweiligen Temperatu-ren exakt erfasst, aber die Anzahl und Lageder Messpunkte führt zu Einschränkungen.So kann nur ein Oberflächenfühler für die ge-samte Oberflächentemperatur herangezogenwerden, der sich aus bearbeitungstechni-schen Gründen etwa 4,5 mm unterhalb derOberfläche am Rand des Funktionsmodellsbefindet.Daher ist davon auszugehen, dass die tat-sächliche Oberflächentemperatur höher aus-

Abb. 6.22 Modifizierter Versuchsaufbau mit TWD-Abdeckung

Abb. 6.23 Rückseite des Versuchsaufbaus mitHeizung



74

Abb. 6.25 Tageskurven des “leichten” Funktionsmodells mit TWD-Abdeckung (HLB-LE_TWD, am 13.10.2001)

Versuchs-aufbau

HLB_

LE_OA

Rohdichte

Vol.-bez.Wärme-

kapazität

[kg/m3]

≈ 600

[kWh/m3K]

0,18–0,26

LE_GL

LE_TWD

SE_OA

SE_GL

≈ 1250 0,39–0,48

SE_TWD

Strah-lungs-

angebot

Energie-ausbeute

[kWh/m2]

4,97

[kWh/m2]

0,127

Wirkungs-grad

mittlereÜbertem-peratur

[%]

3

[°C]

0,94

4,06

5,25

0,442

0,790

7,52

6,71

0,417

2,150

11

15

1,44

2,80

6

32

10,56

4,09

7,55 1,992 26 6,20

Tempera-turhub

mittlereTUmgeb.

[°C]

0,18

[°C]

12,42

mittlereTBetmit

max. TOber

[°C]

14,19

[°C]

38,78

0,83

0,82

14,04

14,02

3,81

2,37

24,56

20,91

20,70

25,22

68,56

68,72

35,34

31,89

62,16

66,18

2,49 15,55 28,09 53,67

Abb. 6.24 Messergebnisse der verschiedenen Versuchsaufbauten

TUmgeb

Wind

Volstrom

TBetk

TBetw

TBvorn

TBmitte

TBrueck

TB1

TB2

I_Sglob2

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

0

70

140

210

280

350

420

490

560

630

700

770

840

910

980

1050

1120

Zeit [h]

Tem

per

atu

r [°

C];

Win

dg

esch

win

dig

keit

[m

/s]

Vo

l.-S

tro

m [

l/h]

Bes

trah

lun

gss

tärk

e [W

/m2 ]

che und deren Wärmeübergangsverhalten zurUmgebungsluft beeinflusst. Beide Phänome-ne werden im Rechenmodell durch den sola-ren Absorptionskoeffizienten as und den Koef-fizienten für den konvektiven Wärmeübergangh berücksichtigt.

Da die Kennwerte as und h erst ermittelt wer-den müssen, wird anhand der Messdaten ei-nes repräsentativen Tages ein Fitting durch-geführt, eine gängige mathematische Metho-de zur Parameterangleichung zwischen expe-rimentell ermittelten Daten und Simulations-werten. Damit wird das gemessene Verhaltendes Funktionsmodells an das simulierte Sy-stemverhalten eines 1,00 m2 großen Fassa-denelements angepasst. “Mit den gemessenen Daten der Eintrittstem-peratur und des Volumenstromes in das akti-ve Element sowie den Meteorologiedaten desTestreferenzjahres (TRY) München als Ein-gangsgrößen für das Simulationsmodell wer-den die Parameter as und h solange variiert,bis der errechnete Verlauf der Austrittstempe-ratur aus dem aktiven Element bei vergleich-


Potenzial-abschätzung

75

Die Gebäudesimulation erfolgt nur mit Holz-leichtbeton der Rezeptur III (ρ ≈ 1250 kg/m3;spezifische Wärmekapazität cp = 1,08 kJ/kgK,Wärmeleitfähigkeit λ = 0,436 W/mK). Darüberhinaus wird aufgrund der Ergebnisse aus denexperimentellen Versuchen von den unter-schiedlichen Aufbau-Varianten nur die Ab-deckung mit einer Glasscheibe berücksichtigt.Zum einen weisen offene, das heißt nicht ab-gedeckte Absorberflächen einen niedrigenSystemwirkungsgrad auf, zum anderen konn-te im Rahmen der Vermessung bei dem Ein-satz einer transluzenten Wärmedämmung(TWD) keine nennenswerte Effizienzsteige-rung nachgewiesen werden.

6.5.2 Parameterbestimmung 44

Zur Entwicklung eines möglichst realitätsna-hen Simulationsmodells, wird auf die Ergeb-nisse der Funktionsmodellvermessungen zu-rückgegriffen. Das thermische Verhalten vonaktiven Bauteilen wird neben der spezifischenWärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit dereingesetzten Materialien wesentlich durchdas solare Absorptionsverhalten der Oberflä-

6.5 Potenzialabschätzung

Ziel der auf die experimentellen Arbeiten fol-genden Gebäudesimulation ist eine Potenzial-abschätzung des Holzleichtbetons als Materi-al für thermisch aktive Bauteile hinsichtlichdes Heizwärmebedarfs eines Gebäudes. DieDurchführung der Arbeiten erfolgt ebenfallsam ZAE Bayern, Abt. 4: Solarthermie undBiomasse, in Garching.

6.5.1 Simulationskonzept 43

Ein Gebäude mit Holzleichtbeton-Massivab-sorbern in der Außenwand wird mit dem dy-namischen Simulationsprogramm TRNSYS(Version 15) im Mehrzonen-Gebäudemodulmodeliert. Die Untersuchungen erfolgen ex-emplarisch an dem Haustyp “Einfamilien-haus”, der bereits für die Abschätzung desthermischen Verhaltens von Holzleichtbetonals Material für thermisch passive Bauteileverwendet wurde. (Abb. 5.13)Die thermisch aktiven Bauteile aus Holzleicht-beton werden in der Südfassade angeordnet.Über ein in Rohrleitungen zirkulierendes Wär-meträgermedium sollen solare Wärmegewin-ne in eine Fußbodenheizung der Nordzonetransferiert werden, um dort, wo passive sola-re Gewinne nicht direkt wirksam sind, dieRaumheizung zu unterstützen. (Abb. 6.26)

Die Abbildung der thermisch aktiven Bauteileim Simulationsprogramm entspricht dem Auf-bau der messtechnisch untersuchten Funkti-onsmodelle: Auf der raumseitig angeordnetenBrettstapelschicht (d = 12 cm) folgt eine au-ßenliegende Schicht aus Holzleichtbeton (d =12 cm), in deren Mittellage Metallrohrschlan-gen DN 8 in einem Verlegeabstand von 8 cmvergossen sind. Das Wärmeträgermedium istWasser.

Abb. 6.26 Prinzip der Gebäudesimulation mit thermisch aktiven Bauteilen ausHolzleichtbeton zur Abschätzung des energetischen Potenzials



76

barer solarer Einstrahlung möglichst gut mitder Messung übereinstimmt.”45 Dadurch wirdein Abgleich zwischen gemessenem und be-rechnetem Energieeintrag in das Wärmeträ-germedium erreicht. Hierbei zeigt sich für denausgewählten Tag, unter vergleichbarenStrahlungsbedingungen, eine sehr gute Über-einstimmung von gemessener und simulierterAustrittstemperatur. (Abb. 6.27)

Die auftretenden deutlichen Unterschiede inden Oberflächentemperaturen zwischen Ver-messung und Simulationsmodell resultierenaus dem beschriebenen Sachverhalt, dassbei den Funktionsmodellen der ‘Oberflächen’-Messfühler seitlich und 4,5 mm unterhalb derOberfläche des Holzleichtbeton angeordnetist, während das Modell die Temperatur direktauf der Oberfläche abbildet. (Abb. 6.28)Die im Rahmen der Parameterbestimmungermittelten Zahlenwerte ergeben für denKoeffizienten des konvektiven Wärmeüber-gangs h = 1,4 W/m2K und den der solarenAbsorption as = 0,95.Beide Werte sind physikalisch plausibel. “Zubeachten ist, dass in dem Modell die Glasab-deckung nicht explizit berücksichtigt wird, sodass die entsprechenden Strahlungsverhält-nisse in der Fassade (insbesondere im infra-

Messung Simulation

Einstrahlung

Energieeintrag ‘Hydraulik’

7,4 kWh

2,2 kWh

7,3 kWh

2,1 kWh

Abb. 6.27 Als Tagesintegrale ermittelte Vergleichs-werte aus Messung und Simulation

Abb. 6.28 Zeitlicher Verlauf verschiedener Größen im Tagesgang gemäß Messung (Messdaten vom25.08.2001) und Simulation (Meteorologiedaten der Simulation eines vergleichbaren Tages ausdem Testreferenzjahr (TRY) Würzburg)

Zeit [h]

Tem

per

atu

r [°

C];

Win

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[m

/s]

Vo

l.-S

tro

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l/h]

Bes

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tärk

e [W

/m2 ]

roten Spektrum) nicht abgebildet werden kön-nen. Die thermischen Auswirkungen sind überdie Berechnungsmethode der beiden Para-meter as und h im Modell jedoch mit impli-ziert.”46

Erfahrungen zeigen, dass Versuche eineGlasscheibe explizit zu berücksichtigen, inder Regel nicht zu besseren Ergebnissen füh-ren. Insgesamt wird die Modellbildung als“ausreichend gut” bewertet, was ‘verlässliche’Aussagen im Rahmen der Potenzialabschät-zung erwarten lässt.

6.5.3 Ergebnisse und Bilanzierung 47

Auf Basis des erstellten Gebäudemodellskann nun der energetische Beitrag von Holz-leichtbeton als Massivabsorber zur Deckungdes Heizwärmebedarfs, in diesem Fall einesEinfamilienhauses, bewertet werden.Bei dem untersuchten Gebäude werden 80 %(36,8 m2) der opaken südorientierten Außen-wand (46,0 m2) mit thermisch aktiven Bautei-len ausgebildet. Die Jahressimulation erfolgtmit den Wetterdaten des Testreferenzjahres(TRY) Würzburg.

Abb. 6.29 Verlauf der Ein- und Austrittstemperatur der thermisch aktiven Wandelemente aus Holzleichtbe-ton in der Südfassade eines Einfamilienhauses und Vergleich der benötigten Heizleistung ausdem konventionellen Heizsystem mit und ohne Betrieb an einem ‘sonnigen’ Wintertag



77

Der Aufbau des solaren Heizsysystems istderart ausgelegt, dass der Massivabsorberimmer dann in Betrieb geht, wenn dessenTemperatur über der Temperatur in der Fuß-bodenheizung der Nordzone liegt. Besteht zudiesem Zeitpunkt ein Wärmebedarf wird daskonventionelle Heizsystem um einen gewis-sen Umfang entlastet. Als Referenzszenariodient dasselbe Gebäudemodell mit einer nichtverrohrten Außenwand aus Holzleichtbeton.

Vergleicht man den zeitlichen Verlauf der Ein-und Austrittstemperatur der thermisch aktivenBauteile und die Heizleistung mit und ohneaktivem System an einem ‘sonnigen’ Winter-tag, so zeigt sich, dass die erforderliche Heiz-leistung der ‘konventionellen’ Anlage in derNordzone bei Betrieb des Absorbers deutlichgeringer ausfällt, als ohne Unterstützungdurch die solaren Gewinne aus der Südfassa-de. (Abb. 6.29) Die Heizleistung in der Südzo-ne bleibt praktisch unverändert.

Obwohl an einem Tag unter den genanntenRandbedingungen ein erheblicher Teil desHeizwärmebedarfs durch den Holzleichtbe-ton-Massivabsorber solar substituiert werdenkann, bleibt letztlich die energetische Leistungdes Systems über das Jahr begrenzt. Dieseliegt für den untersuchten Aufbau bei etwa 6 %. (Abb. 6.30)Der beschriebene positive Effekt wird über dieHeizperiode nicht wirksam (in den MonatenDezember bis Februar 1 % bis 3 %), da einer-seits solche Tage in der Summe vergleichs-weise selten vorkommen, andererseits bei ho-hen solarem Strahlungsangebot bereits derHeizwärmebedarf durch passive solare Ge-winne reduziert ist, was in gewissem Maßeauch für die Nordzone zutrifft. Angesichts des grundsätzlichen Problems beieiner solaren Heizungsunterstützung – dieGegenläufigkeit von Angebot und Bedarf –

35

30

25

20

15

10

5

00 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Eintrittstemperatur inaktives WE

Austrittstemperatur ausaktivem WE

Heizleistung Nordzoneaktives WE in Betrieb

Heizleistung Südzoneaktives WE in Betrieb

Leistung Hydraulikkreisaktives WE

Heizleistung Nordzoneakt. WE außer Betrieb

Heizleistung Südzoneakt. WE außer Betrieb

3,5

3

2,5

2

1,5

1

0,5

0

aktive Elemente außer Betriebaktive Elemente in Betrieb

Jan Feb Mar Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jahr

2500

2000

1500

1000

500

0

10000

8000

6000

4000

2000

0

Abb. 6.30 Vergleich des für das konventionelle Heizsystem verbleibenden Heizwärmebedarfs mit undohne Betrieb der thermisch aktiven Fassadenelemente in monatlicher Auflösung

Zeit [h]

Tem

per

atu

r [°

C]

Lei

stu

ng

[kW

]

Hei

zwär

meb

edar

f [k

Wh

]



78

Vgl. Tel. mit Herrn Dr. Primus, Betonbau GmbH,Waghäusel, 17.11.2003

30 Vgl. Natterer, 02/199931 Vgl. Schild/Weyers, 2003, S. 151-16832 Vgl. Roider, 19.02.2001b33 Von der ursprünglich vorgesehenen ø 20 mm Verroh-

rung wurde abgesehen, da diese in einem 1 m2-Ele-ment aufgrund zu enger Biegeradien trotz einigerVersuche nicht realisierbar war.

34 Verwendete Materialien:- Zement Portland Kalkzementstein, DIN 1164,

CEM II/A-L 32,5 R, Fa. Buechl - Sägespangemisch der Sägerei Bayerl aus Kiefer-,

Fichten- und Tannenhölzern; gemessenen, durch-schnittlichen Feuchtegehalt von 8,1 % bzw. 8,3 %

- Leitungswasser35 Die Herstellung der Rezeptur III erfolgt am Freitag,

den 03.11.2000 bei 18 °C und Sonnenschein; die Mi-schung weist erwartungsgemäß 3 Tage später be-reits eine hohe Festigkeit auf; daher kann hier aufeine Nachbehandlung verzichtet werden.Rezept VI wird am Montag, den 06.11.2000 bei 10 °C und bewölktem Himmel hergestellt. Diese wirdim Rahmen der Nachbehandlung mit Folie und Dek-ken gegen Wärme- und Feuchteverlust geschützt.Vgl. Roider, 19.02.2001b

36 Vgl. Hacker, 2002, S. 1-437 Vgl. Hacker, 2002, S. 5-1138 Hacker, 2002, S. 539 Hacker, 2002, S. 540 Vgl. Hacker, 2002, S. 1241 Hacker, 2002, S. 1242 Grundsätzlich ist davon auszugehen, dass mit einer

TWD-Abdeckung über das Jahr, insbesondere in derHeizperiode, ein höherer Ertrag zu erwarten ist; die-ser ist jedoch auch von der Anzahl der Glasscheibenim TWD-Verbund abhängig, d.h. mit höherer Schei-benanzahl verringern sich die solaren Gewinne.

43 Vgl. Oberdorf, 2002, S. 1f.44 Vgl. Oberdorf, 2002, S. 2f.45 Oberdorf, 2002, S. 246 Oberdorf, 2002, S. 347 Vgl. Oberdorf, 2002, S. 4f.

bleibt das Potenzial des Massivabsorber-Sy-stems begrenzt. Daher wird auch die relativhohe Volumen bezogene Wärmespeicherfä-higkeit des schwereren Holzleichtbetons beimthermischen Verhalten unter den abgebilde-ten Randbedingungen nicht wirksam.

Auch für eine etwaige Unterstützung derBrauchwasserbereitung ist der Temperatur-hub zwischen Eintritts- und Austrittstempera-tur nicht ausreichend (≈ 2 K im Winter und ≈ 5 K im Sommer, vgl. Abb. 6.28+6.29). In weiterführenden Untersuchungen wäre beieinem verbesserten konstruktiven Aufbau derthermisch aktiven Bauteile indes zu prüfen,ob ein signifikanter Effekt im Bereich der Vor-wärmung zu erwarten ist.

Wie beschrieben stellen die Funktionsmodellehinsichtlich des konstruktiven Aufbaus keines-wegs ein Optimum dar, so dass sich derenthermische Leistungsfähigkeit durch eine Rei-he von Maßnahmen noch verbessern lassenmüsste (Randlage der Verrohrung, möglichstdicht an der Absorberoberfläche, dichtere Be-legung durch Einsatz von Rohrregistern etc.). Darüber hinaus können diese Effekte durcheine andere Oberflächengestaltungen (Farbeund Struktur) wie auch die Kombination desHolzleichtbetons mit Latentwärmespeicher-materialien mitunter gesteigert werden. Allerdings muss die Leistung stets mit demhöheren Aufwand an apparativer Ausstattungsowie dem Anteil an Investitions- und Be-triebskosten eingehend geprüft werden.Das vorliegende Datenmaterial bildet gleich-wohl eine gute Basis zu weiteren Untersu-chung von Einsatzmöglichkeiten des Holz-leichtbetons als Material für thermisch aktiveBauteile im Bereich der Bauteiltemperierungvon Böden, Decken und Wänden.

Anmerkungen1 Vgl. Schwarz, 1987, S. 472 Vgl. Primus, 1995, S. 533 Thomas Herzog, Arbeitstreffen am Lehrstuhl,

18.11.19994 U.a. Fa. Betonbau, Ingolstadt5 Zur Begriffsdefinition und Beschreibung der einzel-

nen Systeme. Vgl. Jastrow, 1997, S. 16 Vgl. Schwarz, 1987, S. 12ff.; BAK (Hg.), 1996,

S. 65ff.7 S = c · ρ [J/m3K]; 1 kWh = 3,6 · 106 J8 Wasser und Antifrogen (als Frostschutzmittel bis

-20 °C, verringert auch den Durchflusswiderstand).Tel. mit Herrn Pötzl, Fa. Betonbau, Ingolstadt,20.09.2000. Zu den physikalischen Eigenschaftenvon Antifrogen und verschiedenen Solekonzentratio-nen. Vgl. Jastrow, 1997, S. 56

9 Vgl. Jastrow, 1997, S. X10 Für eine Reihe von Oberflächen, z.B. Holz und Beton

sind Werte der Absorptionszahl noch zu ermitteln.11 Vgl. Handbuch Sonnenheiztechnik, 1997, S. 3.312 Vgl. Schwarz, 1987, S. 29f.13 Vgl. Schwarz, 1987, S. 36f.14 Vgl. Schwarz, 1987, S. 30ff.15 Außenlufttemperatur 0° C, Solarstrahlung 1 kWh/

m2d, Windgeschwindigkeit 2 m/s. Vgl. Schwarz,1987, S. 35

16 Vgl. Schwarz, 1987, S. 51f.17 Bei sorgfältiger Verarbeitung.18 Vgl. Schwarz, 1987, S. 51; Primus, 1995, S. 53f.19 Vgl. Schwarz, 1987, S. 56ff.20 Z.B. HDPE-Rohre; a = 125 mm, ø = 25 mm,

d = 2,3 mm. Vgl. Primus, 1995, S. 37ff., 53f.21 Vgl. Schwarz, 1987, S. 66ff.22 “Messungen an Betonabsorbern im Freien ergaben

mittlere Wassergehalte von ungefähr 140 kg/m3, dasentspricht 6 Massen-%.” Jastrow, 1997, S. 18

23 Vgl. Jastrow, 1997, S. 17f.24 Vgl. Primus, 1995, S. 3925 Ferner wurde das “Berechnungsprogramm MOMA

erstellt, das den Wärmeübergang aus der Umgebungan einen Betonabsorber beliebiger Geometrie, diekurzzeitige Wärmespeicherung in demselben undden Wärmeübergang vom Beton an die Sole” be-schreibt. Vgl. Jastrow, 1997, S. XI

26 Die Betonabsorber in der Solar-Thermie-WohnanlageOberhausen-Rheinhausen (Baden-Württemberg)sind in unterschiedlichen Bauweisen ausgeführt: Fas-saden-/Dachelemente, Fundamentplatten, Garagen,Mauern/Winkelstützmauern, freistehende Skulpturen,sogen. Energiesterne. Vgl. Jastrow, 1997, S. 5

27 Vgl. Primus, 1995, S. 44f.28 Vgl. Jastrow, 1997, S. 88f.29 Vgl. Primus, 1995, S. 55f.

Gleichwohl konnte sich das “Massiv-Absorber-Heiz-system” nicht am Baumarkt in der erhofften Weisedurchsetzen, so dass die Arbeiten zu diesem solar-technischen Ansatz z.Zt. ‘zurück gestellt’ sind.

Für diese wie auch für einen günstigenHeizwärmebedarf sollte die TemperaturRaumluft relativ niedrig und die der Umge-bungsflächen relativ hoch sein, bei einer Dif-ferenz beider von maximal 3–4 K. Erhöhteraumseitige Oberflächentemperaturen könnenim Bereich der opaken Außenwand zum Bei-spiel durch wärmegedämmte Aufbauten, imBereich der Öffnungen durch den Einsatz vonWärmeschutzverglasungen erzielt werden.Eine einfache, überschlägige Betrachtungzeigt, dass an kalten Wintertagen (-10 °C) dieOberflächentemperatur bei einer mehrschich-tigen Außenwand mit Außendämmung umetwa 5 K über der einer gleichdicken mono-lithischen Wand liegt. In diesem Zusammen-

Holzleichtbeton mit Latentwärme-

speichermaterialien

Thermische Behaglichkeit undHeizwärmebedarf

von Räumen

79

Betrachtet man die Faktoren die das Raumkli-ma und den Wärmehaushalt von Gebäudenbeeinflussen – und als pars pro toto den vonRäumen – sind zwei wesentliche Bereichevon Bedeutung: Individuelle Aspekte im Zu-sammenhang mit dem Effekt der so genann-ten “empfundenen” Temperatur sowie bau-konstruktive Aspekte im Zusammenhang mitder direkten Nutzung von Solarenergie, näm-lich dem Zusammenspiel von thermischerMasse der Raum umschließenden Flächenund dem Heizwärmebedarf.

Ein als behaglich beurteiltes Arbeits- undWohnumfeld wird von einer Reihe von Para-metern bestimmt. Zunächst hängt dieses vonindividuellen Faktoren wie Bekleidung undAktivitätsgrad ab. Der Mensch fühlt sich unbe-haglich, wenn der Bereich der Selbstregulie-rung von Wärmeverlusten durch Wärmeer-zeugung oder zusätzliche Wärmeabgabe desKörpers aus dem Gleichgewicht gerät. Sinddie Verluste zu groß, empfindet man es als zukalt, sind diese zu klein, als zu warm. Für diethermische Behaglichkeit besteht eine Abhän-gigkeit zwischen Tätigkeit und Kleidung. Wärmeverluste lassen sich durch zusätzlicheKleidung, gesteigerte Aktivität oder die Erhö-hung der Raumtemperatur ausgleichen.Weitere wesentliche Einflussfaktoren sind kli-matische und bauliche Parameter, wie Luft-und Oberflächentemperatur. Über die Wärme-transportmechanismen, Konvektion undStrahlung, erfolgt ein Austausch zwischenPersonen und Raum. Dabei kann die vonPersonen “empfundene” Temperatur1, derMittelwert aus Luft- und Oberflächentempera-tur, zur Bestimmung der thermischen Behag-lichkeit herangezogen werden.

7 Holzleichtbeton mit Latentwärme-speichermaterialien

7.1 Thermische Behaglichkeit undHeizwärmebedarf von Räumen

Abb. 7.1 Einfluss der raumseitigen Oberflächen-temperatur und Raumlufttemperatur aufdie thermische Behaglichkeit

Holzleichtbeton mit Latentwärme-speichermaterialien

Thermische Behaglichkeit undHeizwärmebedarf von Räumen

80

genschaften, Wärmeleitfähigkeit und Wärme-kapazität, bestimmt. Neben der Senkung desHeizwärmebedarfs ermöglicht ein gutes Wär-mespeicherverhalten von Baustoffen die Re-duktion von- Temperaturschwankungen- sommerlicher ÜberhitzungIm Rahmen einer Studie3 wurden die Zusam-menhänge von thermischer Masse einesRaums und Fensterflächenanteil auf denHeizwärmebedarf untersucht. Die Autorenkommen zu dem Ergebnis, dass “sommerli-che[r] Komfort kein Hinderungsgrund für gro-ße Fensterflächen [ist], sobald die Masse desRaumes richtig gewählt wird.” Stehen solareGewinne und Wärmespeicherfähigkeit derRaum umschließenden Flächen in einem opti-mierten, ausgewogenen Verhältnis zueinan-der, “lassen sich Heizenergieeinsparungenvon bis zu 20 % erreichen.” Allerdings weisen

hang kann nicht von einem als behaglich ein-zustufenden Temperaturwert gesprochenwerden, sondern handelt es sich um einengrößeren Bereich, der zwischen 4 und 6 Kel-vin schwankt.2 (Abb. 7.1)Am Beispiel des Zusammenwirkens von Luft-und Oberflächentemperatur wird deutlich, wiestark die Behaglichkeit auch den zusätzlichenEnergieeinsatz beeinflusst. So kann die Ver-ringerung der Lufttemperatur um 1 Kelvin denHeizwärmebedarf um etwa 4 % reduzieren.Auch resultieren aus niedrigeren Lufttempera-turen geringere Lüftungswärmeverluste.Die thermische Behaglichkeit ist zudem vonder Raumluftfeuchte und der Luftgeschwin-digkeit abhängig.

Energiehaushalt der Gebäude und Raumkli-ma werden maßgeblich durch die verwende-ten Baustoffe und deren bauphysikalische Ei-

die Autoren daraufhin, dass bei diesen kom-plexen Vorgängen die Betrachtung des Spei-chervermögens einzelner Bauteile nicht aus-reicht, sondern das Verhalten des gesamtenRaums besonders hinsichtlich der sommerli-chen Überhitzung mit beurteilt werden muss.

Für die Speicherwirkung von Materialien sindneben den spezifischen Eigenschaften auchdie Dicke der Bauteilschichten und derenOberflächen zu berücksichtigen. In der Regelsind hierfür nur die raumseitig angeordneten,oberflächennahen Schichten von 5 bis 10 cmwirksam. “Für jedes Material steigt die Wär-mekapazität zuerst mit der Bauteildicke bis zueinem Maximum an, sinkt dann leicht undwird bei großen Stärken konstant.” Die Ein-und Ausspeichervorgänge erfolgen in Formvon “Wärmewellen, die sich sehr langsam be-wegen und deshalb im Verlauf eines Tagesnur 10 bis 30 cm je nach Material in die Tiefeeindringen.”4

Ein Vergleich der Wärmeaufnahme5 von gän-gigen Baustoffen zeigt dabei große Abwei-chungen. Diese sind weitgehend auf derenunterschiedliche spezifische Wärmekapazitätzurückzuführen; Materialien mit großer ther-mischer Masse weisen die größte Speicher-wirkung auf. (Abb. 7.2)

Man kann jedoch nicht von der thermischenMasse der Raum umschließenden Flächendirekt auf die Raumlufttemperatur schließen.Einspeicher- und vor allem Ausspeichervor-gänge stellen sehr komplexe physikalischeAbläufe dar. Computergestützte Simulations-berechnungen haben gezeigt, dass massiveKonstruktionen mit effektiv hohen Speicher-massen auf den sommerlichen Überhitzung-schutz sowie – in geringerem Maße – denHeizwärmebedarf positiv einwirken. Darüberhinaus kann im Winter der Nutzungsanteil so-larer Gewinne erhöht werden.6

Wär

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2 K]

90

80

70

60

50

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30

20

10

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0 20 40Materialstärke [cm]

Abb. 7.2 Einfluss der Materialeigenschaften und der Einbaustärke auf dieSpeicherwirkung von Bauteilen

Holzleichtbeton mit Latentwärmespeicherma-terialien im Bereich von Gebäudefassaden.Die Arbeiten umfassen zunächst:- Auswahl geeigneter Holzleichtbeton-Re-

zepturen (Rohdichte, Zement-, Wasser-,Holz-Anteil/Korngrößen) für die Material-kombination, das heißt die Klärung derVerträglichkeit des PCM mit Zement, Holz-reststoffen und Wasser

- Vorbereitung, Durchführung und Auswer-tung von Tests von verschiedenen Mi-schungen hinsichtlich materialspezifischerKennwerte und bauphysikalischer Aspekte

- Potenzialabschätzung ausgewählterWandaufbauten hinsichtlich des thermi-schen Verhaltens


speichermaterialien

Holzleichtbetonund PCM

81

7.2 Holzleichtbeton und PCM

Die in den vorangegangenen Kapiteln darge-stellten Versuchsarbeiten zeigen, dass Holz-leichtbeton als Material für passiv und aktivwirksame Bauteile vielfältige positive Material-eigenschaften aufweist. Daher erscheint essinnvoll, angesichts der aktuellen Forschun-gen im Bereich der Latentwärmespeicher-technologie, dieses Kompositmaterial auch imVerbund mit PCM zu untersuchen.Gerade in der Betrachtung solcher Kombinati-onsmöglichkeiten lässt sich ein interessantesEntwicklungspotenzial hinsichtlich zusätzli-cher und neuer Optionen der Einsatzmöglich-keiten von Holzleichtbeton erkennen. Die Ver-bindung verspricht eine Reihe funktionalerund baukonstruktiver Vorteile, das heißt leich-tere und dünnere Wandelemente bei gleich-zeitig verbesserten thermodynamischen Stof-feigenschaften.

Während bereits eine Reihe von Verfahrenzum Einmischen von PCM in anorganischeBaustoffe bestehen, stellen die Untersuchun-gen der Kombination von organischen Latent-wärmespeichermaterialien (Abb. 7.3) mit hy-draulischen Bindemitteln (Zement) und orga-nischen Zuschlagsstoffen (Holz) ein neuesForschungsfeld dar.Dieser Ansatz verspricht Kosteneinsparungensowie Erleichterung beim Bauablauf, da zu-sätzliche Integrationsmaßnahmen entfallen.Darüber hinaus kann Holzleichtbeton in denBauteiloberflächen sichtbar und damit auchdas PCM-Material gestalterisch wirksam ein-gesetzt werden.

Ziel der Arbeiten ist eine vorbereitende Unter-suchung zur Klärung materialspezifischerGrundlagen zu Einsatzmöglichkeiten von

Mit einem höheren Konstruktionsgewicht unddamit größerer Wärmespeicherfähigkeit derRaum umschließenden Flächen nimmt der“Gestaltungsspielraum” hinsichtlich des Öff-nungsanteils in (Süd-)Fassaden bei gutem bissehr gutem sommerlichen Überhitzungs-schutz, effizienter (luftgeführter, passiver)Kühlung sowie geringem bis sehr geringenHeizwärmebedarf zu.7

Das Ziel einer Anhebung der thermischenMasse kann auf unterschiedliche Art und Wei-se erfolgen, zum Beispiel durch den Einsatzvon Baustoffen mit hoher Wärmespeicherka-pazität in der Primärkonstruktion beziehungs-weise nachträglich im Innenausbau (Estriche,abgehängte Deckenelemente). Die Nutzungvon Wärmespeichereffekten ohne einen Pha-senübergang mit sensibler (fühlbarer) Wärme,erfordert jedoch aufgrund der meist niedrige-ren Energiedichte der Baustoffe und damitgeringeren Wirksamkeit ein höheres spezifi-sches Gewicht oder größeren Flächenbedarf.8

Insbesondere bei Leichtbauten, bestehen auf-grund fehlender Speichermassen Problememit der Überhitzung und mit der Auskühlung.Diese Lastunterschiede können zu starkenBeeinträchtigungen des Komforts führen und – aufgrund der zur Kompensation zusätzlichaufgewendete Kühlung oder Heizung – zu er-höhtem Energieverbrauch. Die Aufgabe, überschüssige Wärme zwi-schenzuspeichern und zu einem späterenZeitpunkt an dem Raum wieder abzugeben,erfordert Materialien mit hohen Speicherener-giedichten. In diesem Zusammenhang stellenLatentwärmespeichermaterialien (PCM), diein einem Temperaturbereich große Wärme-mengen speichern können, äußerst viel ver-sprechende neue Baustoffe dar.

Abb. 7.3 Latentwärmeparaffin RT


Latentwärmespeichermaterialien

82

(versteckte) Wärme nutzen, die beim Auf-schmelzen eines Stoffes zugeführt und beimErstarren wieder freigesetzt wird.Aufgrund der latenten Wärme des Phasen-übergangs, dem Wechsel von einem physika-lischen Zustand (fest) in einen anderen (flüs-sig) durch Schmelzen beziehungsweise Er-starren sind diese Materialien in der Lage,große Wärmemengen bei vergleichsweiseniedrigem Temperaturhub zu speichern undwieder abzugeben. Dabei erfolgt der Lade-beziehungsweise Entladevorgang unabhän-gig vom Ladezustand des Speichers. (Abb. 7.4) Den bekanntesten Phasenübergang stellt dasSchmelzen beziehungsweise Erstarren vonEis dar. Die latente Wärme dieses Übergangsentspricht etwa der sensiblen Wärme, die er-forderlich ist um Wasser von 0 auf 80 °C zuerhitzen. Dies verdeutlicht im Vergleich zurfühlbaren Wärme die sehr hohe Energiedichtein einem schmalen Temperaturbereich. DieLeistungsfähigkeit von Latentwärmespeicher-materialien veranschaulicht auch der Ver-gleich von Wärmeaufnahmevermögen undBauteildicke: Eine 1 cm PCM-Schicht hat inetwa dieselbe Speicherkapazität wie 12 cmBeton oder 18 cm Massivholz.10 (Abb. 7.5)

Für die Wärme- und Kältespeicherung stehteine Reihe von PCM-Materialarten am Marktzur Verfügung. Man unterscheidet:- organische (Paraffine) und - anorganische Stoffe (Salze, zum Beispiel

Natrium-Acetat11, Natriumsulfat-Decahy-drat, das heißt Glaubersalz)

Diese besitzen unterschiedliche Schmelztem-peraturbereiche und Masse- beziehungswei-se Volumen bezogene Energiedichten: (Abb. 7.6)- Salz-Wasser-Eutektika (> 0 °C)- Gashydrate (0 °C bis 20 °C)- Salzhydrate (5 °C bis 130 °C)

7.3 Latentwärmespeichermaterialien

Der Ansatz die Latentwärme von Stoffen zunutzen, um Wärme und Kälte einzuspeichern,ist nicht neu. Bis in die römische Antike lässtsich das Schmelzen von Eis zum Kühlen vonLebensmitteln zurückverfolgen. Versuche derWärmespeicherung mit solchen Materialienbeginnen um das Jahr 1940 in den USA.9

Verstärkt werden Latentwärmespeichermate-rialien Anfang der 1970er Jahre in der Welt-raumfahrt, zum Schutz der Astronauten vorextremen Temperaturschwankungen und zurUmmantelung der temperaturempfindlichenInstrumente eingesetzt. Mittlerweile bestehtein breites Einsatzspektrum von der Fahr-zeug- und Verfahrenstechnik sowie Elektro-nik, Energie- und Medizintechnik bis zu Cate-ring-Anwendungen.Seit einigen Jahren werden PCM auch fürSpezialtextilien, ‘Outdoor’-Kleidung wie Ano-raks, Handschuhe etc. als Wärme- sowie Käl-teschutz eingesetzt und dienen als Schuh-einlagen, um Wärme zwischenzupuffern. Fer-ner findet man Latentwärmespeichermateriali-en in Schutzanzügen vor extrem hohen Tem-peraturen oder in den unterschiedlichstenAusformungen von Transportbehältern, zumBeispiel zur Kühlung von Blutkonserven oderzum Warmhalten von Lebensmitteln. Heutesind (am Markt beziehungsweise im Labor)weit über 100 verschiedene PCM bekannt.

7.3.1 Latente Wärme-/KältespeicherungKlassische Wärmespeichermaterialien kön-nen nur die sensible Wärme speichern. Beiden im Baubereich relativ geringen Tempera-turdifferenzen erfordern diese Materialien zurWärmeaufnahme große Volumina. Dem ge-genüber können Latentwärmespeichermate-rialien neben der sensiblen auch die latente

- Paraffine (< 0 °C bis 130 °C)- Zuckeralkohole (90 °C bis 180 °C)Neben dem Phasenübergang fest-flüssig sindauch Latentwärmespeichermaterialien mitfest-fest Phasenübergängen bekannt, die sichjedoch aufgrund von technischen Problemennoch im Versuchsstadium befinden.12

Aufgrund des Phasenwechselverhaltens er-fordern PCM-Materialien ein Behältnis für denfunktionalen und konstruktiven Einsatz. Die“Konfektionierung” kann in verschiedenerWeise und mit unterschiedlichen Materialienerfolgen, durch:- Makroverkapselung- Mikroverkapselung- VerbundmaterialienBei einer Verkapselung wird das Speicherma-terial von einer Kapselhülle, überwiegend aufKunststoffbasis (Polypropylen, Polyethylen,PMMA), zum Teil auch aus Metall, geschlos-sen umhüllt. Demgegenüber fügt man beimVerbund einem Trägermaterial das PCM hin-zu, das ‘offen’ in dessen innerer Struktur ein-gebettet ist.Die Makroverkapselung kann in Form vonplattenförmigen Containern, Kugeln oder Mat-ten mit tiefgezogenen Hohlräumen erfolgen.Mittlerweile werden PCM auch in Beuteln ausmetallisch beschichteter Spezialfolie konfek-tioniert. Bei makroverkapselten PCM wirktsich der schlechte Wärmetransport, insbeson-dere bei der Speicherentladung, nachteiligaus. Dagegen haben Mikrokapseln wegen dergeringen Größe (3 bis 20 µm) eine gute Wär-meübertragung, eine große Austausch-Ober-fläche, lassen sich gut dosieren und einfachwie ein weiterer Zuschlagsstoff verarbeiten.13

Für die Einbringung in Verbundmaterialienbestehen ebenfalls zwei grundsätzlich ver-schiedene Ansätze, einerseits die Befüllungbeziehungsweise Tränkung von (mikro-)porö-

PCM austritt. Aufgrund dieser Probleme blei-ben zunächst breitere Forschungsaktivitätenaus. Ab Mitte der 80er Jahre arbeitet man bereitsmit mikroverkapselten PCM und mischt dieseals Zuschlagsstoff in gängige Baustoffe. Trotzzahlreicher Patentanmeldungen können sichdiese Ansätze ebenfalls (noch) nicht amMarkt durchsetzen.Über diese Anwendungen in opaken Wand-und Deckenaufbauten hinaus, werden Latent-wärmespeichermaterialien, vergleichbar einerTWD, auch als Direktgewinn-Systeme einge-setzt. Ein konzeptioneller Ansatz führt bereitsin den 1970er Jahren zur Befüllung von Glas-bausteinen mit Glaubersalz.16 Bei einem aktu-ellen Bauvorhaben wird eine neu entwickeltelichtdurchlässige Solarwand im Bereich derSüdfassade erstmals eingesetzt, bei der dasParaffin in eingefärbten transparenten Kunst-stoff-Behältern eingefüllt ist.17 Neben der ho-hen Wärmespeicherfähigkeit ermöglichen sol-che Systeme noch eine natürliche Belichtungund partiell eine Sichtverbindung nach außen.

Ein großer Schub in der Entwicklung und Er-probung von PCM erfolgt in den 90er Jahren.Möglich wird dies vor allem durch verbesserte


speichermaterialien


83

sen, plattenförmigen Trägermaterialien, wieHolzfaserplatten oder Grafitschaum; anderer-seits erfolgt die Einbringung in Granulatform,wobei in diesem Fall das PCM zwar ‘vollstän-dig’ umhüllt, jedoch nicht hermetisch einge-schlossen ist.14

7.3.2 PCM in Gebäuden 15

Die Möglichkeit mit Latentwärmespeicherma-terialien Wärme und Kälte zu speichern, unddamit Energie zu sparen, lenkt früh den Blickauf den Bausektor. Allerdings bestehen beiGebäude bezogenen Anwendungen Ein-schränkungen hinsichtlich des Schmelztem-peraturbereichs. Für einen effizienten Einsatzvon PCM ist eine auf den Anwendungsbe-reich abgestimmte Phasenübergangstempe-ratur wichtig.Typische Speichertemperaturen liegen zwi-schen 0 und 40 °C, bei haustechnischen An-lagen wie Fußbodenheizungen können dieseüber 50 bis 60 °C betragen. Soll das PCMraumseitig zum sommerlichen Überhitzungs-schutz und zur Pufferung von Temperaturspit-zen oder zur Speicherung von niedrigen Tem-peraturen, zum Beispiel für die Pufferung küh-ler Nachtluft dienen, sind 22 bis 25 °C anzu-streben. Doch gerade in diesem Bereich ste-hen nur wenig Praxis erprobte Materialien zurVerfügung.Erstmals finden um 1940 in den USA Versu-che mit PCM statt, um solar erzeugte Wärmezur Beheizung eines Wohnhauses (zwischen)zu speichern. Weiterentwicklungen mit ma-kroverkapselten Paraffinen (tischtennis- be-ziehungsweise tennisballgroße Kapseln) inden 1970er Jahren zeigen sich indes eineReihe von den bereits genannten Nachteilen,vor allem beim Entladen. Zusätzlich schrän-ken die Makrokapseln in Bauteilen wie Raum-wänden die Benutzbarkeit ein, da durch Na-geln oder Bohren die Gefahr einer Zerstörungder Kapseln besteht, mit der Folge, dass

gespeicherte Wärmemenge

Tem

per

atu

r

latente Wärme

Temperatur desPhasenübergangs

fest schmelzen/erstarren flüssig

latentsensibel

sensibel

Dicke [cm]

Mat

eria

lien

0 4 8 12 16 20

PCM

Massivholz

Beton

500

400

300

200

100

0Schmelztemperatur [°C]

Sch

mel

zen

thal

pie

[kJ

/l]

Paraffine

Zucker-alkohole

Salzeund deren

eutektischeMischungen

Salzhydrateund deren

Mischungen

Salz-WasserEutektika

Gashydrate

Wasser

-100 0 +100 +200

Abb. 7.4 Temperaturverlauf beim Phasenwechselfest / flüssig (Vgl. Mehling, 2002, S. 2)

Abb. 7.5 Notwendige Schichtdicke unterschiedli-cher Materialien zur Speicherung glei-cher Wärmemenge(Vgl. DELTA-PCM, (12)/2003, o.S.)

Abb. 7.6 Latentwärmespeichermaterialien mit ty-pischen Volumen spezifischen Schmelz-enthalpien und Temperaturbereichen (Vgl. Mehling, 2002, S. 2)



84

Abb. 7.7 Stoffdaten von (Wärme-)Paraffinen. * Abhängig vom Paraffintyp

Paraffine

Schmelztemperatur [°C]

Spezifische Schmelzenthalpie (∆HS) [kJ/kg]

-30 … 110 *

160 … 230

Spezifische Wärmekapazität (cp) [kJ/kgK]

Wärmeleitfähigkeit (λ) [W/mK]

Dichte fest (ρ fest) [kg/m3]

Dichte flüssig (ρ flüssig) [kg/m3]

2,50

0,20

800 … 900

750 … 850

Volumenänderung geb./ungeb. (∆V) [∆T=100 °C]

Zündtemperatur (tZünd) [°C]

pH-Wert

Wassergefährdungsklasse

0 % / 10 %

> 250

7 (neutral)

0

- Sehr hohe spezifische Schmelzenthalpie(für organische Stoffe), bis zu 230 kJ/kg

- Sehr hohe Speicherenergiedichte vonetwa 54 kWh/m3

- Thermische Stabilität bis etwa 250 °C;selbst bei hohen Betriebstemperaturenkommt es zu keinem nennenswertenDampfdruck

- Paraffine sind inert, das heißt gehen kaumReaktionen mit anderen Stoffen ein (gerin-ge/keine Korrosion)

- Gelten als alterungsbeständig und absolutzyklenstabil

- Sind toxikologisch unbedenklich, daher so-wohl in der Lebensmittel- als auch derKosmetikindustrie eingesetzt

- hohe Verfügbarkeit

Als Wärmespeichermaterial werden bevor-zugt ungebundene Paraffine eingesetzt, da indiesem Fall die Speicherenergiedichten be-sonders hoch sind. Um hohe Ein- und Aus-speicherleistungen zu realisieren, muss durchein geeignetes Verfahren beziehungsweiseeinen günstigen Aufbau für große Wärme-übertragungsflächen gesorgt werden. Aller-dings ist der Einsatz ungebundener Paraffinebesonders im Baubereich nur eingeschränktmöglich.Gebundene Paraffine werden dagegen in einMatrixmaterial (zum Beispiel Tonerde), einge-bettet, das eine homogene Verteilung ermög-licht. Bei Temperaturanstieg verflüssigen sichdie Paraffine in den Mikrokapseln und entzie-hen dabei der Umgebung Wärme. Bei Tem-peraturabfall wird diese eingelagerte Wärmelangsam wieder abgegeben, ohne dass dasMatrixmaterial durch den Wechsel des Aggre-gatzustandes verändert wird.Obwohl Paraffine entzündbar sind, lassensich diese äußerst sicher einkapseln, so dassauch bei hohen Temperaturen eine Feuerbe-ständigkeit gewährleistet ist. Gekapselte Pa-

7.3.3 Paraffine 19

Im Folgenden werden ausschließlich Paraffi-ne behandelt, da einerseits das Gebäude be-zogene Spektrum dieser PCM (zum Zeitpunktder experimentellen Arbeiten) sich größer undviel versprechender gestaltet; andererseitsstehen diese Materialien im Gegensatz zu an-deren für die Versuche zur Verfügung.Paraffine sind organische Stoffe, die aus Erd-öl gewonnen werden und chemisch zur Grup-pe der gesättigten Kohlenwasserstoffe(CnH2n+2) zählen. Für wärmetechnische An-wendungen werden vornehmlich so genannteNormal-Paraffine, die aus unverzweigtenKohlenwasserstoffketten bestehen, einge-setzt. Die Höhe der Schmelztemperatur steigtmit der Kettenlänge, das heißt der Anzahl derKohlenstoffatome im Molekül.Für eine effiziente Wärmespeicherung weisenParaffine eine Reihe günstiger Materialeigen-schaften auf: (Abb. 7.3, 7.7)

technische Eigenschaften der PCM. Aller-dings betreffen diese Fortschritte zunächstnicht den Bausektor. Der breite Einsatz in Bauprodukten ist, trotzgroßer Entwicklungsfortschritte, auch heutenoch eingeschränkt. Zum einen fehlen (stabi-le) Stoffe im Bereich niedriger Schmelztempe-raturen, vor allem Salze; zum anderen beste-hen eine Vielzahl technischer Probleme, wieinkongruentes Schmelzverhalten oder Entmi-schung der Substanzen beim Schmelzen.

Gleichwohl sind partiell Durchbrüche zur Pro-duktentwicklung zu verzeichnen. Vielerortswird intensiv an unterschiedlichen Konfektio-nen und Kombinationen geforscht, werdenzunehmend wieder Patente angemeldet und(Vorstudien für) Bauprodukte, verstärkt auchfür den Einsatz im Gebäudebestand, vorge-stellt.18

Für den Bereich der Baukonstruktion sindprinzipiell zwei Möglichkeiten zu unterschei-den:- addiert: das PCM-Material wird in Elemen-

ten wie abgehängte Decken, Trennwände,Manipulatoren etc. eingesetzt

- integriert: die Paraffine beziehungsweisedas Speichergranulat sind in Elemente derPrimärkonstruktion, also Böden, Wände,Decken eingebunden

Additiver EinsatzDurch den Einsatz von (dünnwandigen) Spei-cherelementen, zum Beispiel bei abgehängteDecken, kann die Speicherkapazität der Rau-mumschließungsflächen deutlich erhöht wer-den, so dass Lastspitzen zwischengepuffertund die eingelagerte Wärme zeitversetzt anden Raum wieder abgegeben werden kann.


speichermaterialien


85

Das Speichermaterial, Granulat oder Platten,ermöglicht frei wählbare Speichergeometrienund gewährleistet große Wärmeübertra-gungsflächen sowie geringe Druckverluste.Latentwärmespeicher erreichen gegenüberMineralspeichern auf Basis von Sand, Kiesoder Steinen bei gleichem Volumen eine 3-bis 5-fach höhere Speicherkapazität. Darausresultieren zum einen geringere Speicherge-wichte, zum anderen reduziert sich der Platz-bedarf wodurch die Flächenkosten gesenktwerden können.Paraffine lassen sich ebenso in der Kältetech-nik zur Steigerung des ‘Kältehaltevermögens’einsetzen. Neben einem gleichmäßigen Be-trieb der Anlage (Kühlhauswände, Kühltru-hen) und dem Abbau von Lastspitzen, ermög-lichen die PCM einen kleineren Anlagenbau.

raffine behalten ebenso während des Pha-senwechsels ihre Form. Auftretende Ausdeh-nungen werden durch das Matrixmaterial auf-genommen. Selbst bei hohen Betriebstempe-raturen tritt kein flüssiges Material aus derStützmatrix aus.Weitere Vorteile gebundener Paraffine sind:- Hervorragende thermodynamische Stoffei-

genschaften, wie hohe Speicherkapazitätund keine Unterkühlungseffekte

- Verzögerungsarmes Ein- und Ausspei-chern der Wärme

- Einfache Handhabung- Große Variabilität in Form und Konsistenz:

Verarbeitung in Platten, als Granulat, Pul-ver und Paste

- Ökologische und technische Unbedenk-lichkeit

- Hohe Lebensdauer und 100 % Recycle-barkeit

Durch diese positiven Eigenschaften eignensich Paraffine besonders, um im Leichtbaukompakte Bauteile mit großen Wärmespei-cherkapazitäten zu realisieren. Solche Ver-bundmaterialien sind in Form und Einsatztem-peratur gut anzupassen und können für unter-schiedliche Anwendungszwecke dienen.

7.3.4 AnwendungsmöglichkeitenBeim Einsatz von Latentwärmespeichermate-rialien lassen sich zunächst technische undnicht technische Anwendungen unterschei-den. In einer weiteren Betrachtungsebenestellen unter den technischen Anwendungenneben Apparate- und Fahrzeugtechnik dieGebäude bezogenen Einsatzmöglichkeitenein großes Potenzial dar. (Abb. 7.8)

Bei der Gebäudetechnik besteht eine Vielzahlvon Anwendungsmöglichkeiten als Wärme-und Kältespeicher. Ein Einsatzgebiet stellenLuftheizungssysteme dar.

Abb. 7.8 Übersicht und Klassifizierung von Latentwärmespeichermaterialien und ihrer Anwendungen(12/2003). Unterlegt ist der Betrachtungsschwerpunkt der Versuchsarbeiten

Anorganische PCM's (Salze) Organische PCM's (Paraffine)

Nichttechnische Anwendungen Technische Anwendungen

Spez.-TextilienMedizinCatering FahrzeugtechnikApparatetechnikGebäude

DeckenWändeBödenVorhängeTrennwändeAbgeh. Decke

GebäudetechnikBaukonstruktion

additiv integriert


Herstellung erster Funktionsmodelle

86

7.4 Herstellung erster Funktionsmodelle

7.4.1 Bau von SchalungenFür die Herstellung unterschiedlicher Muster-platten werden zunächst drei Schalungskör-per gebaut. Diese sollen einerseits für mehre-re Betonierungsgänge genutzt werden, ande-rerseits die Herstellung unterschiedlicher Plat-tenformate ermöglichen. Ferner besteht dieAnforderung an eine gute Handhabbarkeit be-züglich der Abmessungen wie des Ge-wichts.22 Darüber hinaus sollen die Abschalerund der ‘Wechselrahmen’ einfach, ohne zu-sätzliche Verbindungsmittel zusammen zu-bauen sein.

Für den Einsatz von Schaltafeln sind die an-gestrebte Betonoberfläche sowie die Einsatz-häufigkeit wesentliche Parameter. Mit den ge-planten Versuchsreihen bewegt man sich insehr überschaubaren Verwendungszyklen,hinsichtlich der Oberflächen sollen aber ver-schiedene Optionen möglich sein. Als Materi-al für Grundplatte und Abschaler werdenWESTAG-Schalungsplatten (WESTAPLEX)verwendet, mit denen matte Betonoberflä-chen erzielt werden können. Diese 11-fachFurniersperrholzplatte mit einer Filmbeschich-tung von 120 g/m2, gilt je nach Beschich-tungsart für bis zu 100 Einsätze als geeignet.

Für die quadratischen Funktionsmodelle wirdals Abmessung eine Kantenlänge von 600mm gewählt sowie für kleinere Muster durcheinfache Unterteilung 290 mm. Auf einerGrundplatte von 760 x 760 x 21 mm werdenMehrschicht-Leisten (50 x 30 mm) als An-schlag für die Abschaler fest mit der Grund-platte verschraubt. Als ‘Gegenhalter’ dienenauswechselbare Schalungsplatten mit einerDicke von 21 mm.

Dies führt gleichermaßen zu einer spürbarenVerbesserung der Behaglichkeitssituation undeinem reduziertem Energiebedarf.Weitere Einsatzmöglichkeiten sind unter an-derem Manipulatoren20: die Einbindung inSonnenschutzsysteme (Jalousien) oder dieBeschichtung von Vorhängen. So kann zwi-schen zwei Stoffen eine drei Millimeter dünneSchicht aus Polyurethanschaum mit gekap-selten Paraffinen eingebettet sein. Auch wenndie Wärme- und Kältespeicherkapazität sol-cher Systeme aufgrund der dünnen Schichtbegrenzt ist, kann zum Beispiel der Wärme-schutz von Glasfassaden verbessert wer-den.21

Integrierter EinsatzDie Verwendung von Latentwärmespeicher-materialien in Fußbodenheizungs-Systemengewährleistet eine größere Temperaturkon-stanz im Bodenaufbau, das heißt Temperatur-spitzen im Bereich des Heizregisters bezie-hungsweise der Bodenoberfläche werdenbesser abgepuffert. Durch die hohe Wärme-speicherkapazität (dünnschichtiger) Spei-cherelemente kann die Schichtstärke des Bo-denaufbaus bis zu 50 % einer konventionellenEstrichlösung reduziert werden. Diese Spei-chermaterialien eignen sich durch das gerin-ge Eigengewicht besonders für die Altbaumo-dernisierung. Als weiterer Vorteil gilt der Weg-fall der für Estriche üblichen Trocknungszei-ten (6 bis 8 Wochen).Zu dem Bereich der integrierten Anwendun-gen sind ferner die Verfahren zum Einmi-schen beziehungsweise Tränken von Latent-wärmespeichermaterialien in anorganischebeziehungsweise organische Baustoffe zuzu-ordnen, die im Bereich der Primärkonstruktionoder des Innenausbaus eingesetzt werdenkönnen.

Zwischen Anschlagleiste und Schalungsplattewerden die vier Abschaler (Länge 760 mmbeziehungsweise 600 mm) auf der Grundplat-te eingeschoben. Als Gesamthöhe sind 80 mm gewählt, um bei etwa 60 mm starkenFunktionsmodellen noch ausreichend Spiel-raum für die Arbeit mit Strukturschalungenvorzuhalten.Dieser Aufbau führt nicht nur zu einer sehreinfachen Handhabung, sondern erleichtertauch die Reinigung der einzelnen Elemente.Um eine ausreichende Dichtigkeit währenddes Einfüllens des Frischbetons sicher zustellen, sind die Abschaler noch mit Schraub-zwingen fest zu verankern. (Abb. 7.9–7.11)

Diese elementierte Form des Schalungsbausermöglicht zusätzlich auch die Arbeit mit un-terschiedlichen Oberflächentexturen bezie-hungsweise -strukturen. Neben der mattglat-ten WESTAPLEX-Platte wird eine verschleiß-feste Holzkunststoff-Verbundplatte – eine 21mm dicke Stabsperrholzplatte auf der einenSeite mit glattem Deckfurnier, auf der Rück-seite ein Furnier mit “markanter” Brettstruktur(STRUKTOPLAN special 21) – verwendet.Als dritte Variante dient eine ebenfalls 21 mmdicke OSB/323 Bau- und Verlegeplatte. Die inder Regel parallel verlaufenden Längsspänehaben sehr unterschiedliche Dimensionenund sind im Mittel etwa 100 mm lang und 30 mm breit. Dadurch ergibt sich eine lebhaftstrukturierte Deckschicht, die auch zu interes-santen Sichtbeton-Oberflächen führen kann.Ein ‘Kreuz’ aus ineinander gesteckten Fur-niersperrholzplatten (Höhe 60 mm), das aufdie Wechselplatten gelegt und durch einesorgfältige Einfüllung der Betonage positio-niert wird, vervollständigt das Repertoire anSchalungselementen.24


speichermaterialien


87

76

76

76

6026 2 6

664

62

8

10

2921

29

29 21 29

8 60 8

- Holzleichtbeton - Wechselplatte für verschiedene Oberflächenstrukturen - Schalungsplatte - Wechselrahmen

22

6

Abb. 7.9 Zeichnun-gen der Scha-lungsformen

Abb. 7.10 Schalung mit Grundplatte, Wechsel-boden und seitlichen Abschalern

Abb. 7.11 Zusammenbau einer Schalung



88

sammensetzung für die Auswahl als Zu-schlagsstoff für Holzleichtbeton letztlich eineuntergeordnete Rolle spielt. Bei der Auswahlfür die Versuche wird jedoch darauf geachtet,das Restholzsortiment möglichst von einemUnternehmen zu beziehen. So lassen sich dieEinflussparameter (insbesondere die Korn-form durch die verwendeten Bearbeitungsma-schinen, aber auch die Holzfeuchte) gut an-gleichen um weitgehend einheitliche Ver-suchsbedingungen zu erhalten.28

Für die experimentellen Arbeiten konnte dieUnterstützung einer Firma gewonnen werden,die im großen Maßstab das Restholz vorsor-tiert und in großen Halden im Freien lagert.Das verwendete Holzgranulat setzt sich zu99,9 % aus Fichtenholz zusammen. Die Spä-ne werden vom Lagerplatz in schweren Last-kraftwagen zur Verarbeitung von Spanplatten(95 %) oder als Beimengungen zur industriel-len Ziegelherstellung verwendet (5 %).29 (Abb. 7.12+7.13)Bei der Vorauswahl der Korngröße wird eineObergrenze der Sieblinie mit ≤ 10 mm festge-legt, da sich Versuche an der EPF Lausanne/I-Bois mit größeren Spänen30 nicht bewährthatten. Das Restsägeholz stand in vier Frak-tionen für die Versuche zur Verfügung: Säge-mehl, ungesiebt31 sowie Granulat, abgesiebtin den Stufen 4 mm, (Abb. 7.14) 3 mm, 2 mm.

Ein Problem bei Mischungen mit (‘niedrigschmelzenden’) PCM auf paraffinischer Basiskönnen die durch die Hydratation des Ze-ments auftretenden Temperaturen darstellen.Bei den 60 mm dicken, plattenförmigen Bau-teilen wird davon ausgegangenen, dass einausreichender Wärmeabfluss gegeben ist, sodass bezüglich der Zementart keine Ein-schränkungen bestehen. Auch hinsichtlichdes unterschiedlichen Erhärtungsverhaltensspielt die Wahl des Zementes eine unterge-

7.4.2 Vorarbeiten und AusgangsstoffeFür die Identifizierung geeigneter Material-kombinationen muss vorab die Verarbeitungs-weise geklärt werden. Anknüpfend an dieVersuche an der EPF Lausanne/I-Bois sowiebei der IEZ Natterer GmbH in Saulburg/Wie-senfelden wird für die Herstellung der Funkti-onsmodelle eine Trockenmischung gewählt.Zunächst werden die Holz- und Zementzu-schläge gemischt, anschließend das PCM-Material zugegeben, bevor man zum Schlussdas Zugabewasser dosiert, bis der Frischbe-ton die erwünschte Konsistenz erreicht.Trockenmischungen bewähren sich zum ei-nen bei der Verarbeitung von Speichergranu-laten,25 zum anderen haben solche Mischun-gen den zusätzlichen Vorteil, für eine spätereBaustellenverarbeitung portioniert und in Säk-ken abgepackt geliefert werden zu können.Eine Vorbehandlung der Holzspäne erscheintnach den bisherigen Erfahrungen nicht zwin-gend erforderlich.26 Besondere Einflüsse hinsichtlich der Auswir-kung einer ‘feuchten’ Vorbehandlung desRestholzes auf die Mischfolge sollen gegebe-nenfalls in späteren Testreihen untersuchtwerden.27

Die in der Holz verarbeitenden Industrie anfal-lenden Sägespäne setzen sich in der Regelaus einer Mischung verschiedener Nadelhöl-zer zusammen, wobei die prozentuale Zu-

Abb. 7.12 Baumstämme werden aus dem Waldzur Bearbeitung angeliefert …

Abb. 7.13 … und nach der Bearbeitung die Spänevorsortiert auf Halden gelagert

Abb. 7.14 Für die Versuchsarbeiten verwendetesRestsägeholz, abgesiebt 4 mm


speichermaterialien


89

Zusammensetzung *

Korngröße [mm]

Schüttgewicht [g/l]

RUBITHERMGR 41

RUBITHERMGR 54

1 – 3

750

0,2 – 0,6

750

Schmelzpunkt [°C]

PCM-Anteil Masse-%

Speicherkapazität [kJ/kg]

Temperaturbereich [°C]

≈ 45

≈ 34

≈ 54

≈ 34

64

35 – 50

72

46 – 61

maximale Arbeitstemperatur



Flammpunkt (Paraffin) [°C]

70

0,2

85

0,2

1,5

187

1,5

220

Volumenänderung

Korrosivität

Toxikologie

Wassergefährdung

praktisch nicht vorhanden

chemisch inert

keine bekannte toxische Wirkung

nicht wassergefährdender Stoff

Abb. 7.15 Kenndaten der verwendeten Latentwärmespeichermaterialien* SiO2, Paraffin, AL2O3, Fe2O3, MgO,CaO, K2O + Na2O, Sonstige

chermaterial/PCM-Material/PCM folgendeVorgehensweise gewählt:- PCM auf paraffinischer Basis statt ParaffinFür die im Rahmen der Versuchsarbeiten ein-gesetzten gebundenen PCM auf paraffini-scher Basis- Speichergranulate beziehungsweise nach

der Herstellerfirma RUBITHERM-Material

Eine wichtige Grundvoraussetzung für die Ar-beit mit PCM auf paraffinischer Basis ist dieBestimmung des Einsatzbereichs, auf den derSchmelzpunkt des PCM bezogen werdenmuss. Für die skizzierten Anwendungsfälle

ordnete Rolle. Für die Versuche wird ein Port-landkalksteinzement (CEM II/A-LL 32,5 R)verwendet, der sich neben seiner feinenStruktur auch durch einen geringeren CO2-Ausstoß bei der Herstellung auszeichnet.32

Hinsichtlich der Bezeichnung der verwende-ten PCM muss vorab ein Hinweis gestellt wer-den. Da zwischen einzelnen Materialartenund Produktnamen keine konsistente Durch-gängigkeit bei der begrifflichen Zuordnung be-steht, insbesondere weil PCM nicht immer inreiner Form verarbeitet werden, wird für dieübergeordneten Termini Latentwärmespei-

Abb. 7.16 RUBITHERM GR 41 (KG 1 – 3 mm)

Abb. 7.17 RUBITHERM GR 54 (0,2 –0,6 mm)



90

ment-Wasser-Gemisch zu untersuchen. Dar-über hinaus soll eine erste Einschätzung hin-sichtlich der Druckfestigkeitswerte erfolgenund als weiteres Resultat der Einfluß der un-terschiedlichen Korngröße des Speichergra-nulats auf das Gefüge und die Oberflächenaufgezeigt werden.

Die Mischungen werden zunächst sehr über-schlägig anhand der Veränderung des Mas-se-Anteils von Holz und Paraffin berechnet.Bei den Mischungen a-b wird jeweils RUBI-THERM GR 41 verwendet, bei den Mischun-gen c-d jeweils RUBITHERM GR 54. Bei denRezepturen I a-b/c-d und II a-b/c-d wird 20 %des rechnerischen Holzmasseanteils von 250beziehungsweise 135 kg/m3 durch Speicher-granulat auf 200 beziehungsweise 108 kg/m3

reduziert («s»). Dagegen erfolgt bei der Re-zeptur III a-b/c-d die Zugabe von 20 % PCM-Material zur Ausgangsmischung, das heißtder rechnerische Holzmasseanteil von 250kg/m3 bleibt unverändert («a»). Die weitereDifferenzierung innerhalb der Rezepturreihen

- Bei (Masse-)Anteilen < 15 % ist in der Re-gel kein thermischer Effekt mehr zu erwar-ten, allerdings ein ausreichender Brand-schutz gewährleistet

- Bei (Masse-)Anteilen > 30 % sind auf-grund des relativ teuren Zuschlagmaterialshohe Bauteilkosten zu erwarten.

7.4.3 Herstellung erster MischungenBetonage 1

Den geplanten Versuchsreihen werden wie-der zwei Holzleichtbetonmischungen als Aus-gangsrezeptur zugrunde gelegt. Wie bei denexperimentellen Untersuchungen zu Holz-leichtbeton als Material für thermisch aktiveBauteile, soll eine leichte, mit geringerem, so-wie eine schwere Rezeptur, mit größerem Ze-mentgehalt, getestet werden. Insgesamt wer-den aus den beiden Ausgangsrezepturensechs unterschiedliche Mischungen aufge-stellt, vier auf der Basis der leichten und zweimit der schweren Variante. (Abb. 7.18)Ziel ist zunächst vor allem die Verarbeitbar-keit des Speichergranulats mit dem Holz-Ze-

- innen, zwischen 20 und 25 °C- außen, zwischen 40 und 50 °C (oder

gegebenenfalls noch höher)liegen verschiedene Produkte mit unter-schiedlichen (Praxis-)Erfahrungen vor. (Abb.7.15) Bei der Auswahl des PCM-Materialswerden zunächst zwei verschiedene Vorge-hensstrategien unterschieden. Einerseits istzum Zeitpunkt der ersten Versuchsreihen dasVerhalten und die Wirkungsweise von ‘GR 25’(eine Art Kompositparaffin) noch nicht hinrei-chend erforscht;33 andererseits bestehen hin-sichtlich der Verarbeitung der Speichergranu-late GR 41 und GR 5434 gute Erfahrungen,gelten diese hinreichend erprobt und als sehrstabile PCM. Daher erfolgen zunächst parallelverlaufende Versuchsarbeiten.Bei der Fa. RUBITHERM in Fürstenwalde sol-len Vorversuche mit ‘GR 25’ durchgeführtwerden, da dieses PCM-Material sich fürraumseitige Anwendungen gut eignet. Bis zurKlärung prinzipieller Einflussfaktoren (Auf-schwemmung, Entmischung etc.) erfolgt dieAnfertigung von Funktionsmodellen jedochmit den ‘höhergrädigen’ PCM.Bezüglich der Zusammenstellung der Korn-größen des Speichergranulats wird Materialmit 0,2 – 0,6 mm sowie 1 – 3 mm verwendet.Kleinere Partikel erscheinen nicht sinnvoll, dadiese dann in der Oberfläche nicht sichtbarwerden, größere galt es zu vermeiden, da mitdem Ziel eines möglichst homogenen Er-scheinungsbilds die Größe der Holzpartikel (4 mm) nicht überschritten werden sollte. So-mit werden die Versuche schließlich mit RU-BITHERM GR 41 (1 – 3 mm) (Abb. 7.16) undRUBITHERM GR 54 (0,2 – 0,6 mm) durchge-führt. (Abb. 7.17)

Für die Verwendung von PCM auf paraffini-scher Basis beziehungsweise Speichergranu-laten bestehen im Grunde zwei wesentlicheRandbedingungen:

Abb. 7.18 Übersicht über die Zusammensetzung der vorgenommenen Mischungen * Beim Holzanteil wurde etwa 1 kg der Siebfraktion 3 mm zugegeben

Rezeptur Rohdichte(Ausgangs-)

HLB

Zement-Anteil

kg/m3 kg/m3

Holz-Anteil

Wasser-Anteil

kg/m3 kg/m3

PCM-Anteil

W/Z-Wert

kg/m3

Ia-b

Ic-d

IIa-b

20%/41/s ≈ 600

20%/54/s

20%/41/s ≈ 1250

IIc-d

IIIa-b*

IIIc-d*

20%/54/s

20%/41/a ≈ 600

20%/54/a

410 200 (250)

410

600

200 (250)

108 (135)

445 50

280

50

27

600

410

108 (135)

250

410 250

445

27

50

50

1,09

0,47

1,09


speichermaterialien


91

Frischbeton zunächst noch eine sehr steifeKonsistenz. Nachdem ein weiteres Viertel zu-gegeben ist, zeigt sich eine relativ rascheVeränderung von einem ‘zähen’ zu einemmehr ‘sämigen’ Zustand, so dass nach Einmi-schung von gut 80 % des Wasseranteils erst-mals die Konsistenz geprüft wird. Mit 43 cmliegt der Frischbeton knapp über den erforder-lichen 42 cm für die (Regel-)KonsistenzklasseC3/F3. Nach Augenschein und ‘Fingerprobe’wird der erste Durchgang in Rücksprache mitden Betonprüfern für ausreichend gut befun-den. Der W/Z-Wert = 0,88 liegt im oberen Be-reich.Beim zweiten Durchgang, Rezeptur Ic-d, mitdem ‘pulverförmigen’ Speichergranulat GR54, erreicht man mit bereits reduziertem Was-sergehalt die knapp ausreichende, plastischeKonsistenz des Frischbetons. Der Unter-schied in der Korngröße des Latentwärme-speichermaterials nimmt auf die Verarbeitbar-keit wie auch die Frischbetoneigenschaftenkeinen feststellbaren Einfluss.

Den Rezepturen IIa-b und IIc-d liegt ein deut-lich höherer Zementanteil (etwa 46 %) zu-grunde. Bei der angesetzten Betonage tretenhinsichtlich der Mischung keine nennenswerteUnterschiede auf. Auffallend ist, dass mitebenfalls reduziertem Wasseranteil, RezepturIIa-b um gut 8 % und Rezeptur IIc-d umknapp 6 %, eine bereits sehr gute Konsistenz

resultiert aus den verwendeten Speichergra-nulaten.Die Durchführung der Arbeiten erfolgt in denRäumen des Materialprüfungsamts für dasBauwesen (MPA Bau) der Technischen Uni-versität München.35

Zunächst wird der Masseanteil der Materiali-en anhand der aufgestellten Rezepturtabelleauf eine Betonage von 25 Liter berechnet, ex-akt abgewogen und bereitgestellt. (Abb. 7.19)Für die Betonage verwendet man einen klei-nen Zwangsmischer (50 Liter) der Firma Ei-rich. (Abb. 7.20) Die trockenen Zuschläge werden in der Rei-henfolge: Holz, Zement und Speichergranulatin die Mischtrommel gegeben. Nach jeder Zu-gabe erfolgt eine kurze Mischphase von etwa1 Minute. Zum Schluss wird das Anmachwas-ser zugegeben. Von jeder Frischbetonmi-schung ermittelt man anhand des Ausbreit-maßes die Frischbeton-Konsistenz. Im An-schluss erfolgt die Befüllung der Schalungenund die Herstellung der Prüfwürfel für dieDruckfestigkeitsversuche. (Abb. 7.21–7.23)Insgesamt kann bei allen Rezepturen festge-stellt werden, dass hinsichtlich der Verarbei-tung der drei Zuschlagsstoffe – mit doch zumTeil deutlich abweichendem spezifischen Ge-wicht – kaum Probleme auftreten. Auch ohnedie Verwendung von Betonzusätzen ist ein re-lativ gutes Frischbetongefüge36 zu beobach-ten.

Die Versuchsreihe wird mit der leichtestenRezeptur (R Ia-b) in Kombination mit dem‘grobkörnigen’ Speichergranulat GR 41 be-gonnen. Da keine Erfahrungen bezüglich desWasseranteils vorliegen, erfolgt die Wasser-zugabe in abgestuften Schritten, wodurchsich insgesamt auch die Mischzeit etwas er-höht. Nach dem Einfüllen der ersten Hälftedes errechneten Zugabewassers hat der

Abb. 7.19 Bemessung des Wasseranteils für dieMischung R Ic-d

Abb. 7.20 Zugabe des Wassers für die MischungR II a-b

Abb. 7.21 Ermittlung des Ausbreitmaßes der Mi-schung R II c-d (47 cm)



92

nehmen. Die Überprüfung des Ausbreitmaßeszeigt mit 44 beziehungsweise 43 cm wiederWerte im unteren Bereich der (Regel-)Konsi-stenz C3/F3. Der W/Z-Wert liegt durch denhöheren Wasseranteil gegenüber den Rezep-turen I bei 1.Eine Nachbehandlung des Holzleichtbetons,vor allem gegen schnelles Austrocknen, er-folgt durch das Belassen in der Schalungs-form sowie durch eine Abdeckung mit Folie.

Das Ausschalen der Elemente erfolgt vierTage nach dem Betonieren.38 Ansätze bereitsam darauf folgenden Tag die Musterplattenund Prüfkörper auszuschalen muss man auf-grund des noch relativ starken Feuchtege-halts der Proben abbrechen. Nachdem Wo-chenende kann trotz einer Reihe von Feuch-testellen das Ausschalen problemlos vorge-nommen werden. (Abb. 7.24)Parallel zur 28-tägigen Abbindedauer im Kli-maraum39 werden die Platten im wöchentli-chen Turnus gewogen. Hierbei sollen einer-seits die Feuchteabnahme bei den unter-schiedlichen Rezepturen, andererseits dieUnterschiede zwischen verdichteten und un-verdichteten Probekörpern überprüft werden.

Im Nachgang der Betonierungsarbeiten wer-den die einfachen Rezepturaufstellungen ei-ner genaueren Stoffraumberechnung unterzo-gen. Dabei können eine Reihe von Abwei-chungen zu den vorliegenden Ausgangsdatenfestgestellt werden.So liegt die Summe des Volumen bezogenenAnteils der jeweiligen Zuschlagsstoffe bei denRezepturen I a-d (1,12 m3) und III a-d (1,24m3) deutlich über den Wert von 1 m3. DieseUnregelmäßigkeiten sind wohl auf den Zu-schlagsstoff Holz zurückzuführen. Die an derEPF Lausanne/I-Bois verwendete Mischungund damit die zugrunde zu legende Rohdich-te, ist nicht mehr genau zu ermitteln.

erreicht wird, die sich mit 47 cm im oberenC3/F3-Bereich bewegt. Der durch den hohenZementgehalt bedingte, niedrige (Ausgangs-)W/Z-Wert sinkt durch den geringeren Was-seranteil auf 0,43 beziehungsweise 0,44.Auch bei der Rezeptur II kann kein Einflussder unterschiedlichen Korngröße des Spei-chergranulats auf die Verarbeitbarkeit wieauch die Frischbetoneigenschaften festge-stellt werden.

Die beiden abschließenden ‘leichten’ Betona-gen der Rezeptur III kennzeichnen gegenüberder Anfangs-Rezeptur I ein um 5 Volumen-Prozent höherer Holzanteil37. Darin liegt wohlbegründet, dass die Menge des berechnetenAnmachwassers, wie bei allen vorangegange-nen Mischungen, zwar unterschritten wird, je-doch mit 10,24 Liter bei 92 % des Ausgangs-gehaltes liegt (gegenüber knapp 81 % derRezeptur I). Hinsichtlich Verarbeitbarkeit und Frischbeton-eigenschaften bestätigen sich die Beobach-tungen der ersten vier Durchgänge. Das Ma-terial lässt sich gut verarbeiten und gewinntnach Zugabe des letzten Viertels Wasser miteinem gewissen, Zeit versetzten Schub eineweiche, und besonders bei den leichteren Mi-schungen eine schwach fließende Konsi-stenz. Ferner scheinen eine verlängerteMischzeit sowie partielle Pausen zusätzlichEinfluss auf den ‘frischen’ Holzleichtbeton zu

Abb. 7.22 Verdichtung der Prüfwürfel (15 cm) derMischung R I a-b

Abb. 7.23 Glattstreichen der eingefüllten MischungR II c-d

Abb. 7.24 Prüfwürfel und Plattenmuster nach demAusschalen


speichermaterialien


93

Abb. 7.25 Kennwerte der untersuchten Mischungen (MPA BAU/TU München)1 Herstellungstag, 06.09.2001, 2 Prüfkörper verdichtet, 3 Prüfungstag, 04.10.2001

Rezeptur1

Ia-b

Zement-Anteil

Holz-Anteil

kg/m3

410

kg/m3

200 (250)

Ic-d

IIa-b

IIc-d

IIIa-b

410

600

200 (250)

108 (135)

600

410

108 (135)

250

IIIc-d 410 250

Wasser-Anteil

PCM-Anteil

kg/m3

445

kg/m3

50

Bezeich-nung2

Gewicht

1501

g

3737

280

50

27

445

27

50

1502

1003

3651

1514

1004

1505

1513

3594

50 1506 3169

Abmessung(lxbxh)

Rohdichte

mm

150x150x147

kg/m3

1130

Bruchlast Festigkeit3

kN

80,50

N/mm2

3,60

150x150x147

100x100x99

1100

1530

100x100x99

150x150x147

1530

1090

105,60

206,60

4,80

20,90

194,70

105,90

19,70

4,80

150x150x146 960 58,60 2,70

Die Hauptunbekannte stellt jedoch der Holz-feuchtegehalt dar, der entscheidenden Ein-fluss auf den Masse bezogenen Anteil desZuschlagsstoffs nimmt. Kleinere Abweichun-gen können unter Umständen auch aus derVerwendung unterschiedlicher Zementartenherrühren. Dagegen war eine Erhöhung desVolumens bei der Variante “Addition zumRestholzanteil” (Rezeptur III) zu erwarten.

7.4.4 MessergebnisseUm erste Einschätzungen hinsichtlich der ge-änderten Rohdichten sowie der Druckfestig-keitswerte der Mischungen zu erlangen, wirdje Rezeptur ein Norm-Prüfwürfel vermessen. Die Ergebnisse können jedoch nur ‘grobe’Hinweise geben, denn wie groß die Abwei-chung, das heißt der Fehlerindikator seinkann, zeigen gerade die einzelnen Werte beiden leichten Mischungen, die um 25 % bezie-hungsweise über 45 % auseinander liegen,was im Fall der Rezeptur IIIc-d auch auf dasdeutlich geringere Prüfwürfelgewicht zurück-zuführen ist. (Abb. 7.25)

Abb. 7.26 Druckfestigkeitswerte der untersuchten Holzleichtbetonproben(EPFL/I-Bois 2000) und Holzleichtbetonproben mit Latentwärme-speichermaterialien (MPA Bau 2001)

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

400 600 800 1.000 1.200 1.400 1.600

EPFL/I-Bois 2000

MPA Bau 2001

Linear (EPFL/I-Bois 2000)

Linear (MPA Bau 2001)D

rcu

kfes

tig

keit

[N

/mm

2 ]

Rohdichte [kg/m3]



94

Zunächst ist festzustellen, dass mit dem ge-genüber Holz fast dreifach schwereren Spei-chergranulat sich die Rohdichte erwartungs-gemäß erhöht. Bei den Rezepturen I und IIIverdoppelt sich das spezifische Gewicht fastauf etwa 1100 kg/m3. Auffällig ist, das bei derVariante “Addition zum Restholzanteil” (Re-zeptur III), beide Prüfkörper eine niedrigereRohdichte aufweisen, das heißt dass der zu-sätzliche Holzanteil keinen Einfluss zu neh-men scheint. Die beiden Mischungen der Re-zeptur II mit dem erhöhten Zementgehalt lie-gen bei 1530 kg/m3.

Bezüglich der Druckfestigkeit von Holzleicht-beton mit Latentwärmespeichermaterialienlässt sich – im Vergleich zu den an der EPFLausanne/I-Bois ermittelten Ergebnissen –feststellen, dass bei den leichteren Mischun-gen die Rohdichtezunahme nicht mit einernennenswerten Erhöhung der Druckfestigkeiteinhergeht: 4,80 N/mm2 bei etwa 1100 kg/m3

gegenüber 4,20 N/mm2 bei einer Rohdichtevon 850 kg/m3. Mit Werten um 5 N/mm2 wärejedoch eine wichtige Kenngröße, insbesonde-re für das Ausschalen erreicht.Dagegen erhöht sich die Druckfestigkeit beider schweren Rezeptur II mit dem Speicher-granulat gegenüber der Holzleichtbeton-Aus-gangsmischungen deutlich; das bei einem Ze-mentgehalt von nur 60 %. Allerdings ist zu be-achten, dass die Versuche mit den kleinerenPrüfwürfeln mit 100 mm Kantenlänge durch-geführt werden mussten. Die beiden gemes-senen Werte liegen um 20 N/mm2 bei einerRohdichte von etwa 1550 kg/m3, im Vergleichzu 15,00 N/mm2 bei von 1450 kg/m3. (Abb. 7.26)Ein Einfluss der unterschiedlichen Korngrößeauf die Druckfestigkeit lässt sich nicht feststel-len. Während bei der Rezeptur Ic-d mit dem‘pulverförmigen’ Speichergranulat GR 54 einehöhere Bruchlast erreicht wird, liegen die

Werte der Rezepturen II c-d und III c-d unterdenen der Mischungen mit dem ‘grobkörni-gen’ Speichergranulat GR 41.

7.4.5 Messreihen zum MasseverlustEin wichtiger Parameter hinsichtlich der Ver-arbeitbarkeit und der Festigkeit von Holz-leichtbeton ist der Feuchtegehalt des Materi-als über die einzelnen Abbindephasen40, vomAnsteifen über das Erstarren41 bis zum Erhär-ten und darüber hinaus. Im Rahmen dieserVersuche können für die ersten 12 Stundenkeine Daten erhoben werden, da sich diePrüfkörper zum Teil nicht entschalen ließen.Gleichwohl erscheint es wichtig, den Verlaufdes Masseverlustes durch die Abnahme derFeuchtigkeit zu analysieren. Diese Messreihen werden sowohl an den Mu-sterplatten als auch an den Prüfwürfelndurchgeführt. Die vier Messungen erfolgennach dem Ausschalen (4 Tage nach der Beto-nage) sowie nach 14, 22 und 28 Tagen. An-hand von zwei Prüfkörpern der Rezeptur Ia-bwird die Entwicklung über weitere zwei Mona-te verfolgt.

Bei allen Prüfkörpern tritt ein Masseverlustein; dieser beträgt bei den leichteren Rezep-turen I und III im Mittel etwa 17 %, bei derschweren Rezeptur II um die 5 %. Darüberhinaus zeigt sich, dass nach der Hälfte derZeit eine markante Beschleunigung derFeuchtigkeitsabnahme erfolgt, die sich in derletzten Messwoche wieder verlangsamt. Die-se Effekte sind bei den Mischungen mit demhöheren W/Z-Wert ebenfalls wesentlich deut-licher ausgeprägt. Ferner bestätigt der Ver-gleich zwischen verdichteten und unverdich-teten Prüfwürfeln, dass in der Regel bei allenMischungen die Feuchteabnahme mit demVerdichten geringer ausfällt. Überraschend dagegen ist der relativ großeUnterschied zwischen den Rezepturen IIIa-b

und IIIc-d. Die Mischung mit dem ‘pulverförmi-gen’ Speichergranulat GR 54, weist sowohlbei den Prüfwürfeln als auch bei den Muster-platten ein geringeres Gewicht (zwischen 12und 16 %) auf und der Masseverlust erreichtWerte bis zu 20 %. (Abb. 7.27)Insgesamt zeigt sich, dass der Wasseranteilbei den Holzleichtbetonmischungen vielfachnoch zu hoch ist, ein Effekt, der durch einehohe Feuchte des Holzzuschlags noch zu-sätzlich verstärkt werden kann. Dieser zumTeil beträchtliche Masseverlust führt zwangs-läufig zu einem erheblichen Schwindverhaltendes Materials.Betrachtet man die Entwicklung über einenlängeren Zeitraum, ist festzustellen, dassnach 28 Tagen dieser Prozess noch nicht ab-geschlossen ist. Zwar vermindert sich derMasseverlust, aber innerhalb von zwei Mona-ten ist eine Gewichtsabnahme von erneutetwa 10 % zu verzeichnen. Dabei gleichensich die Unterschiede zwischen verdichtetenund unverdichteten Prüfwürfeln weitgehendan. (Abb. 7.28)

7.4.6 Oberflächen und ZwischenfazitNeben den Testläufen zur Verarbeitbarkeitvon Holzleichtbeton mit organischen Latent-wärmespeichermaterialien sowie ersten Un-tersuchungen zu baukonstruktiven Eigen-schaften, sind auch materialspezifische Merk-male hinsichtlich der Oberflächenbeschaffen-

Abb. 7.27 Gemessene Werte (28 Tage) der Mas-severluste (Platten) der untersuchtenRezepturen (MPA BAU/TU München)

Abb. 7.28 Gemessene Werte (3 Monate) der Mas-severluste (Prüfwürfel 150 mm) von R Ia-b (MPA BAU/TU München)vd = verdichtet / uvd = unverdichtet


speichermaterialien


95

heit sowie der farblichen Ausprägung von gro-ßem Interesse. Für einen Baustoff, der auchsichtbar im Gebäudefassadenbereich bezie-hungsweise in Raum umschließenden Flä-chen eingesetzt werden soll, stellen die Mög-lichkeiten der Oberflächengestaltung bezie-hungsweise -bearbeitung ebenfalls wesentli-che Entscheidungskriterien für einen Einsatzdar.Hier zeigt sich bei den Versuchsreihen, dassnach dem Ausschalen (Abb. 7.24), durch dieAblagerung von Feinstanteilen des Zementesan der Oberfläche, ein relativ homogenes Er-scheinungsbild sichtbar wird, das zunächstkaum Unterschiede zu Normalbeton erkenn-bar werden lässt. Es dominiert das dunklereGrau des Portlandkompositzements in denhergestellten Platten der schwereren Mi-schung, während bei den leichteren Mischun-gen ein wärmerer Gelb-Braun-Ton vor-herrscht.

Ganz anders präsentiert sich der Zustand,wenn die Holzleichtbetonoberfläche bearbei-tet, in diesem Fall gesägt wird. In der ange-schnittene Fläche werden sowohl die Holz-partikel als auch das Speichergranulat optischprägnant wirksam, erinnern die Oberflächenan rötlich gelbe bis graugelbe Naturwerkstei-ne. (Abb. 7.29–7.31)Mit Zunahme des Holzanteils gewinnt dasMaterial einen warmen Grundton. Selbst beiden Mischungen mit höherem Zementanteilwird die sonst eher ‘kalte’ Wirkung des Nor-malbetons auf angenehme Weise abgemil-dert. Die sehr gute Verteilung der Holzpartikellässt sich in allen Oberflächen zeigen. Fürdieses gleichmäßige Bild sorgt auch die rela-tiv kleine Korngröße (4 mm) des Restholzes.Besonders markant sind die Einsprengsel des1–3 mm großen Speichergranulats GR 41 inden a-b-Mischungen. (Abb. 7.29+7.30) Wäh-rend bei den leichteren Mischungen schöne,

Rezepturen

Pla

tten

gew

ich

t [g

]

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

R Ia R Ib R Ic R Id R IIa R IIb R IIc R IId R IIIa R IIIb R IIIc R IIId

10.09.200120.09.200128.09.200104.10.2001

Pla

tten

gew

ich

t [g

]

Messtage

0

500

1000

2000

3000

4000

10.0

9.20

01

17.0

9.20

01

24.0

9.20

01

01.1

0.20

01

08.1

0.20

01

15.1

0.20

01

22.1

0.20

01

29.1

0.20

01

05.1

1.20

01

12.1

1.20

01

19.1

1.20

01

26.1

1.20

01

03.1

2.20

01

10.1

2.20

01

3500

2500

1500

R Ia-b/1 vd

R Ia-b/2 vd

R Ia-b/3 uvd


Optimierung der Mischungen

96

7.5 Optimierung der Mischungen

7.5.1 Aufstellen neuer RezepturenWie dargestellt, konnten anhand der durchge-führten Versuchsreihe erste Ergebnisse zuder Kombination von Holzleichtbeton und or-ganischen Latentwärmespeichermaterialienermittelt werden. Im Zusammenhang mit zweider wesentlichen Zuschlagsstoffe, Holz undPCM-Material, zeigt sich, dass detaillierte Un-tersuchungen vorgeschaltet beziehungsweiseKorrekturen unternommen werden müssen.

SpeichergranulatDie Berechnung des Granulats erfolgt bezo-gen auf den Holzmasseanteil, der einerseitsum 20 % durch PCM substituiert, andererseitsum 20 % des ursprünglichen Holzmassean-teils durch PCM ergänzt wird. Diese Vorgehensweise lässt jedoch zwei we-sentliche Randbedingungen außer Acht: EinKilogramm Speichergranulat enthält nur inetwa 30 % ‘reines’ Paraffin/Wachs. Die Be-rechnung des PCM-Anteils muss bezogen aufdie Gesamtmasse der jeweiligen Rezeptur er-folgen.42

Für praxisnahe Anwendungen stellt vor allemdie Optimierung des Verhältnisses von Fe-stigkeit und Wärmespeicherkapazität einwichtiges Arbeitsziel dar. Der Masseanteil des Granulats wird wesent-lich durch die Anforderung an hohe Festigkeitund gute Verarbeitbarkeit der Mischung sowieden daraus resultierenden PCM-Inhalt be-stimmt. Neben der im Vergleich zum PCM aufparaffinischer Basis (≈ 970 kg/m3) höherenRohdichte (1200 kg/m3), stellt auch der Anteilder sensiblen Wärme im Granulat eine nochunbekannte Größe dar, die das thermodyna-mische Verhalten beeinflusst.

weiche Komplementäreffekte entstehen, führtder kräftige Zementstein zu einem kontrastrei-cheren Ausdruck. Dagegen tritt das pulverförmige Granulat GR54 in der Gesamtwirkung deutlich zurück, ver-stärkt aber auch bei diesen Mischungendurch die rötlich-braune Tonerde einen ange-nehm warmen Ausdruck. (Abb. 7.31)

Insgesamt kann nach den durchgeführten er-sten experimentellen Arbeiten zum Verbundvon Holzleichtbeton und Latentwärmespei-chermaterialien eine positive Einschätzungvorgenommen werden. Die Verarbeitbarkeitist gut und die Druckfestigkeitswerte liegen imBereich des Erforderlichen. Als viel verspre-chendes Resultat erscheinen die optisch sehransprechenden Oberflächen des Komposit-materials.Gleichwohl stellt sich eine Reihe von Proble-men ein. Zum einen tritt mit dem hohen W/Z-Wert ein starker Masseverlust insbesonderebei den leichten Mischungen auf. Ferner zei-gen sich Ungenauigkeiten bei der nachträg-lich zu den Mischungen durchgeführtenStoffraumberechnungen. Insgesamt muss bi-lanziert werden, dass der Masse bezogeneAnteil der Speichergranulats mit einer Grö-ßenordnung um die 4 % hinsichtlich einesthermisch wirksamen Verhaltens deutlich zuniedrig ausfällt.

Abb. 7.29 Rezeptur II a-b (Darstellung 1:1)

Abb. 7.30 Rezeptur III a-b (Darstellung 1:1)

Abb. 7.31 Rezeptur I c-d (Darstellung 1:1)


speichermaterialien


97

Nach Angaben des PCM-Herstellers beste-hen bei den erprobten und am Markt erhältli-chen Speichergranulaten GR 41 und GR 54diese Schwierigkeiten nicht beziehungsweisesind die Gefahren bei “sanften” Trocknungs-verfahren “relativ gering”.49

Prinzipiell sind bei den PCM auf paraffinischerBasis ‘offene’ und ‘geschlossene’ Systeme zuunterscheiden. Die meisten am Markt befindli-chen Speichergranulate sind als Verbundma-terialien offene Systeme. Daher kann es beiTemperaturen im Bereich des Schmelzpunk-tes, zum Beispiel bei Hydratationswärme (≈ 40 °C), bereits zum ‘Ausschwitzen’ desPCM beziehungsweise in Verbindung mitWasser zu ‘Auswaschungen’ kommen.Bei geschlossenen Systemen, den mikrover-kapselten PCM-Materialien, ist ein ‘Wasser-zugang’ unterbunden. Bei dieser Art der Kon-fektionierung ist jedes ‘Paraffin-Partikel’ (jederWachskern) komplett in einer Polymerhüllevon 3 bis 20 µm eingekapselt.50 Dadurch gel-ten diese PCM-Materialien sogar als kochfest;sie sind allerdings auch entsprechend teurerals der Verbund in Speichergranulaten.

Da sich GR 41 und GR 54 hinsichtlich derVerarbeitbarkeit bewährt haben und für dieErmittlung baukonstruktiver sowie bauphysi-kalischer Kenngrößen keine Nachteile zu er-warten sind, stellen die für den späteren An-wendungsbereich nur eingeschränkt nutzba-ren Latentwärmespeichermaterialien für dieOptimierung der Mischungen zunächst keineHemmnisse dar.Somit werden die in den Vorversuchen einge-setzten Speichergranulate GR 41 und GR 54der Fa. RUBITHERM weiter verwendet.

Die vorgenommene Auswahl erscheint dar-über hinaus anwendungsbezogen durchaussinnvoll. Einsatzmöglichkeiten von höherschmelzenden Paraffinen bestehen zum Bei-

Da sich mit Zunahme des Granulatanteils dasspezifische Gewicht zum Teil deutlich erhöhtund negative Einflüsse auf die Verarbeitbar-keit nicht ausgeschlossen werden können, er-scheinen Rezepturen mit einem Gesamtmas-seanteil von > 40 % nicht sinnvoll.43 Dagegensinkt bei Mischungen < 20 % der Anteil desPCM auf paraffinischer Basis bereits auf < 6 % und lässt für die (spezifische) Wärme-kapazität im Holzleichtbeton kaum noch Stei-gerungen erwarten.Da ein Optimum im Verhältnis von Festigkeitund Wärmespeicherkapazität bei etwa 30 %Granulatmasseanteil zu erwarten ist,44 sollenbegleitend noch jeweils Mischungen mit 20 %(≈ 6 % PCM auf paraffinischer Basis) und 40 % (≈ 12 %) hergestellt werden.Organische PCM-Materialien mit für den In-nenausbau sinnvollen Schmelztemperaturenvon etwa 25 °C – das heißt mit einemSchmelzpunkt deutlich unter 30 °C – sindzum Zeitpunkt der Untersuchungen nur im La-bor getestet worden. Dabei bereitet die Ho-mogenität des Materials Probleme für dassich bisher keine Langzeitstabilität einstellt.45

So arbeitet man beim Hersteller an der Kom-bination unterschiedlicher Arten, deren Ver-bund sich weitgehend wie ein GR 25 verhält,aber letztlich ein Mix mit vielen Begleitproble-men bleibt. Als problematisch gestaltet sichferner, dass dieses PCM auf paraffinischerBasis in sehr kleinen Mengen per Hand her-gestellt wird und daher zum Teil auch großeSchwankungen in der Zusammensetzung auf-weist.46 Weitere zum Teil “elementare techni-sche Probleme” sind bei niedrig schmelzen-den PCM auf paraffinischer Basis:47

- hoher Dampfdruck- Wasserverträglichkeit vor allem bei der

Herstellung, das heißt Austausch vonWasser und Paraffin48

- Trocknungstemperaturen zwischen 100und 150 °C

spiel im Bereich von opaken Flächen in dop-pelschaligen Glasfassaden, da dort deutlichhöhere Temperaturen auftreten.In diesem Zusammenhang ist zu beachten,dass für den Einsatz im InnenbereichSchmelztemperaturen weit unter 30 °C erfor-derlich sind. Neben der Schmelztemperaturist aber das Entladeverhalten von besondererBedeutung. Ist eine Wand erstmal ‘beladen’,besteht die Notwendigkeit, die darin einge-speicherte Wärme wieder abzugeben. Da dasEntladepotenzial durch Konvektion begrenztist, muss bei Anwendungen im Innenbereich,vor allem im Verwaltungsbau, der Einsatzpassiver Kühlungsstrategien und/oder einetechnische Klimatisierung mit in Betracht ge-zogen werden.

Verwendete HolzrestfraktionBei der Bestimmung der Rezepturen tretenmit dem Holz als Zuschlagsmaterial vorabeine Reihe von Schwierigkeiten auf. Für dieBerechnung der Stoffmengen werden zu-nächst die beiden in den vorangegangenenBearbeitungsschritten benutzten Holzleichtbe-ton-Rezepturen wieder zugrunde gelegt.Bei einer näheren Überprüfung mittels einerklassischen Stoffraumberechnung stellt sichheraus, dass für die beide Rezepturen keinstimmiges Ergebnis bezogen auf 1 m3 zu er-zielen ist; die Abweichungen betragen im Ex-tremfall über 40 %. Da die Kennwerte zu Roh-und Schüttdichte bei Zement, Wasser unddem Speichergranulat bekannt sind, könnendie Abweichungen nur beim Holz liegen.

Desweiteren ist zu berücksichtigen, dass dieVersuche an der EPF Lausanne/I-Bois mit un-terschiedlichen Sieblinien (und Mischungen)hergestellt wurden, und daher kein einheitli-cher Wert für das Holz für die Berechnungenzugrunde gelegt werden konnte.51



98

Abb. 7.32 Vibrationsrinne mit Restholzfraktion zurBefüllung …

Abb. 7.33 … wiegen des Maßzylinders für dieSchüttdichtebestimmung

Abb. 7.34 Schnelldarrwaage (“Ultra X” = 711) zurErmittlung des Holzfeuchtegehalts

sätzlich eine Schüttgewichts- sowie eineFeuchtebestimmung der Restholzfraktiondurchgeführt. (Abb. 7.32+7.33)

Um den Wasseranteil genau bestimmen zukönnen, ist die Kenntnis der Holzeigenfeuchtewichtig. Diese setzt sich aus der Oberflächen-und Kernfeuchte zusammen. Beim Abbinde-prozess reagiert nur das Oberflächenwassermit dem Zement und beeinflusst die Konsi-stenz des (Frisch-)Betons. Gliniorz/Nattererstellen heraus, dass es sich in der Praxis alsschwierig erweist, eine exakte, massemäßigeBestimmung von Oberflächen- und Kern-feuchte für eine Stoffraumberechnung vorzu-nehmen. Daher wird ein Mittelwert von “25%Wassermasseanteil des Holzes” vorgeschla-gen.56

Da es sich bei dem verwendeten Holz umRestholz aus der Holzbearbeitung handelt,57

ist bezüglich des Feuchtegehalts zu berück-sichtigen, dass ein sehr hoher Anteil vonSplintholz vorliegt. Besonders bei frisch ge-schlagenem Fichtenholz weist Splintholz ei-nen bis zum Faktor 5 höhere Holzfeuchte (≈ 150 %) auf, als Kernholz (≈ 30 %).58

Auch die Lagerung im Freien ist zu berück-sichtigen, da durch Regenfälle gerade im Be-reich der oberflächennahen Schichten einezusätzliche Wasseraufnahme erfolgt.Wie groß die Spanne bezüglich der Holz-feuchte bei dem für die Versuche verwende-tem Material ist, zeigen die Untersuchungenam Institut für Holzforschung. (Abb. 7.34) Bei Lieferung des Materials, direkt von denHalden in Plastiksäcke verpackt, beträgt derFeuchtegehalt bei ersten Messungen zu-nächst etwa 120 %. Bereits nach 40 StundenRaumlagerung ist dieser um bis zu 30 % ge-sunken.Wie groß die Abhängigkeit von Lieferung undLagerung des Holzmaterials ist, verdeutlicht

Einen schwierig zu bestimmenden Parameterstellt gerade die im Restholz vorhandeneHolzfeuchte dar, so dass ebenfalls nicht mehrexakt verifiziert werden konnte, welche Holz-feuchten im Zuschlagsmaterial bei den durch-geführten Versuchen an der EPF Lausanne/I-Bois vorhanden waren.52 Gliniorz/Nattererweisen darauf hin, dass in der Fachliteraturbei den physikalischen Kennwerten selten aufHolzteilchen oder Holzgemische eingegangenwird.53

Nach der Ermittlung von Ausgangswerten undder Überprüfung des Luftporengehalts sowieeiner Stoffrückraumrechnung zu den jeweili-gen Siebfraktionen erfolgt in mehreren Schrit-ten die Bestimmung der Rohdichte. Der Un-terschied von bis zu 137 kg/m3 resultiert ausder unterschiedlichen Anzahl eingeschlosse-ner Luftporen.

Zur Bestimmung des Schüttgewichts desRestholzes nach unterschiedlicher Größe be-ziehungsweise Siebfraktion und Feuchtege-halt, liegen noch keine differenzierten Unter-suchungen vor.54 Daher wird im Rahmen derVersuchsarbeit, ausgehend von den Firmen-angaben55, zunächst mit 250 kg/m3 ein ersterSchätzwert angenommen.Die Korngrößenverteilung führt bei schüttfähi-gen Materialien stets zu einer Separierung.Am Institut für Holzforschung der Techni-schen Universität München wird daher zu-


speichermaterialien


99

bleiben hinsichtlich der Restholzfraktion letzt-lich bis zum Schluss zwei Fragen offen: - Wird den Berechnungen die Schüttdichte

(lose eingelaufen beziehungsweise einge-rüttelt) oder die Rohdichte zugrunde ge-legt?

- Mit welchem Wert ist die Stoffraumberech-nung durchzuführen?

Insgesamt stehen sieben zum Teil beträcht-lich von einander abweichende Kennwertezur Verfügung.60

Zunächst wird festgelegt, die Berechnung mitder Rohdichte fortzuführen, insbesondere dadieser Wert für Zement einzusetzen ist. Beider näheren Betrachtung von fünf Stoffraum-berechnungen zeigen die zurückgerechnetenKennwerte der Ausgangsrezepturen für denZuschlag Holz mit 590 kg/m3 für die leichtere

der Verlauf nach weiteren 10 Tagen, in denensich die Holzfeuchte insgesamt um den Fak-tor 10 auf nur mehr 12 % (im Normklima59) re-duziert. (Abb. 7.35)

ZugabewasserBezüglich des Wasseranteils zeigen die vor-angegangenen Versuche zum Teil deutlichniedrigere Werte (bis zu 20 %) des ursprüngli-chen Wassergehalts. Daher und in Abhängig-keit von den ermittelten Holzfeuchtegehalten,wird den Rezepturen nur mehr ein Wasser-masseanteil von 75 % zugrunde gelegt. Dieser Wert berücksichtigt einerseits die obengenannten Angaben; andererseits bleibt mitniedrigen Ausgangswerten die Möglichkeit ei-ner Nachsteuerung bestehen.

StoffraumberechnungNachdem im Vorfeld die Zuschlagsstoffe ei-ner genaueren Untersuchung unterzogenwurden, soll eine Stoffraumberechnung alsfundierte Grundlage für beide Rezepturreihenerstellt werden. Die einzige fest bestimmteGröße ist der (ab der Betonage 2 verwende-te) Portlandzement (CEM I 32,5 R) mit einerRohdichte von 3100 kg/m3. Die Ausgangsgleichung für die leichtere Mi-schung (ρ ≈ 600 kg/m3) sowie die schwerere(ρ ≈ 1250 kg/m3) lautet:

1 m3 = Zement + Holz + Wasser

1 m3 = (410/3100) + (250/x) + (445/1000)x = 250 / (1- (410/3100) - (445/1000))

1 m3 = (600/3100) + (135/x) + (280/1000)x = 135 / (1- (600/3100) - (280/1000))

Für den Anteil des Zugabewassers wird denBerechnungen zunächst der ursprünglich an-gegebene Wert zugrunde gelegt. Nach aber-maliger Sichtung der Fachliteratur sowie nachRücksprache mit einer Reihe von Fachleuten

beziehungsweise 250 kg/m3 für die schwereRezeptur sehr unterschiedliche Zahlen.Werden beide Rezepturen mit dem höherenRohdichtewert von Fichtenholz (470 kg/m3)gerechnet, beträgt die Abweichung etwa plus10 % beziehungsweise minus 24 %.Reduziert man nun den Wasseranteil auf-grund des anzunehmenden Holzfeuchtege-halts um 25 %, so zeigt sich bei der leichterenMischung mit 0,998 m3 eine exakte Überein-stimmung, während bei der schweren Mi-schung sich der Wert mit 0,691 m3 nochmals,auf mehr als 30 % verringert.

Weitere Versuche einer Angleichung führenzu keinem brauchbaren Resultat. Auch dieBerücksichtigung eines Luftporenanteils61 zwi-schen 8 und 14 % kann die Unterschiedenicht beheben. Daher werden den beiden ge-

Abb. 7.35 Holzfeuchte des Restholzgranulats in Abhängigkeit von Lieferungund Lagerung (Untersuchung am Institut für Holzforschung/TU München)

0

20

40

60

80

100

120

140

100 125 150 175 200 225 250 275 300

Ho

lzfe

uch

te [

%]

Schüttdichte [kg/m3]



100

chen Mischungen R IV und V sowie R VII undVIII.

Zunächst muss der Masseanteil der Materiali-en anhand der aufgestellten Stoffraumberech-nung auf die erforderliche Betonage berech-net, exakt abgewogen und bereitgestellt wer-den. Neben den unterschiedlichen Massenan-teilen des PCM-Materials wird bei der schwer-sten Mischung (R VIII) statt dem grobkörnige-ren RUBITHERM-Material GR 41 (1–3 mm),das feinkörnigere GR 54 (0,2–0,6 mm) ver-wendet.Da sich ein Einfluss der unterschiedlichenKorngrößen auf die Druckfestigkeit nicht fest-stellen ließ, und das Speichergranulat GR 41nur eingeschränkt zur Verfügung steht, wirddieses vor allem zum Vergleich der Oberflä-chen bei den Mischungen mit dem erhöhtemPCM-Anteil verwendet.Die Trockenmischung wird in leicht geänder-ter Variante zur Betonage 1 durchgeführt.

und maximal fünf Prüfzylinder hergestellt:(Abb. 7.37)- Prüfzylinder für die Druckfestigkeits- und

E-Modul-Messungen ø 150 mm x 300 mm

- Prismen für die Biegezugfestigkeits-Mes-sungen 150 x 150 x 700 mm

Darüber hinaus erfolgt die Anfertigung vonMusterplatten für Untersuchungen im Son-nensimulator sowie für erste Brandversucheund eine Frost-Tau-Wechsel-Prüfung:- Platten 298 x 298 x 60 mm (Rezeptur III

und VI)- Platte 600 x 600 x 60 mm (Rezeptur V)Für die Herstellungsarbeiten wird ein großerZwangsmischer mit 300 l Fassungsvermögenund mit Einkippvorrichtung der Zuschläge derFirma Eirich verwendet. (Abb. 7.38)

In einem ersten Durchgang werden die Re-zepturen I, II und III sowie VI hergestellt. VierTage später erfolgt die Betonage der restli-

planten Rezepturreihen folgende Ausgangs-daten zugrunde gelegt: Der Volumen bezoge-ne Anteil des Holzes wird mit 400 kg/m3 be-rechnet (für Fichte stellt dieser Wert die unte-re Grenze dar und für die beiden Ausgangsre-zepturen wird damit fast eine Art Mittelwertvon 420 kg/m3 erreicht). Für das Zugabewas-ser werden 75 % der ursprünglichen Masse-anteile angesetzt. Daraus resultieren nachfolgende Angaben:

Rezepturen I - V:1 m3 = (1,091 m3)Zement: 410 kg / 3100 kg/m3 = 0,132 m3

Holz: 250 kg / 400 kg/m3 = 0,625 m3

Wasser: 334 kg / 1000 kg/m3 = 0,334 m3

Rezepturen VI - VIII:1 m3 = (0,741 m3)Zement: 600 kg / 3100 kg/m3 = 0,194 m3

Holz: 135 kg / 400 kg/m3 = 0,338 m3

Wasser: 210 kg / 1000 kg/m3 = 0,210 m3

Aufbauend auf die festgelegte Basisrezepturerfolgt die Berechnung des Speichergranulat-anteils. Bei dessen (Neu-)Bemessung wirdeine moderate Aufstockung gewählt.Für die Rezepturen I - V wird in 5 %-Schritten,ausgehend von 30 % bis 50 % der Holzmas-seanteil durch das Granulat ersetzt. Für dieRezepturen VI - VIII ist mit 5 % der niedrigsteWert angesetzt, während die beiden abschlie-ßenden Stufen 20 % und 30 % betragen.62

(Abb. 7.36)

7.5.2 Herstellung der optimierten Mischungen (Betonage 2)

Die Herstellung der optimierten Mischungenerfolgt in zwei Schritten á jeweils vier Rezep-turen.63 Je nach Anzahl von Prüfkörpern undMusterplatten ist eine Betonage von 100 be-ziehungsweise 150 l erforderlich. Von jederRezeptur werden mindestens drei Prismen

Abb. 7.36 Übersicht über die Zusammensetzung der optimierten Mischungen

Rezepturen Rohdichte(Ausgangs-)

HLB

Zement-Anteil

kg/m3 kg/m3

Holz-Anteil

Wasser-Anteil

kg/m3 kg/m3

Paraffin-Anteil

W/Z-Wert

kg/m3

I

II

III

30%/41 ≈ 600

35%/41

40%/41

≈ 600

≈ 600

IV

V

VI

VII

45%/41

50%/41

≈ 600

≈ 600

5%/41

20%/41

≈ 1250

≈ 1250

VIII 30%/54 ≈ 1250

410 175

410

410

162,5

150

334 116

334

334

153

191

410

410

137,5

125

600

600

128,25

108

334

334

228

266

210

210

331

392

600 94,5 210 432

0,81

0,35


speichermaterialien


101

(B 25)-Herstellung auf einem Rütteltisch (15Sekunden) verdichtet. (Abb. 7.41)

Begonnen wird mit der Mischung R I, die denhöchsten Holzanteil in der ‘leichten’ Reiheaufweist. Da die ermittelte Holzfeuchte einenweiter reduzierten Wasserbedarf erwartenlässt, wird das Zugabewasser stufenweise zu-gegeben und bei 30 l (etwa 90 %) ein erstesAusbreitmaß genommen; mit 35 cm liegt die-ses deutlich unter den erforderlichen 42 cm.Nach Zugabe weiterer 2 l ist mit 46 cm die(Regel-)Konsistenz C3/F3 erreicht.Bei dieser Betonage zeigt sich, dass der fri-sche Holzleichtbeton nach mehrmaligem Mi-schen, und weiterer Wasserzugabe, zumSchluss nahezu sprunghaft von einer mehrzähen, zu einer weichen Konsistenz über-geht. Dies erfordert bei der Wasserzugabeein hohes Maß an Einschätzungsvermögender Frischbetonqualität durch die Betonprüfer.Der verarbeitete Wassergehalt erreicht letzt-lich knapp 96 % des errechneten Wertes, wasangesichts der relativ hohen Holzfeuchteüberrascht; im Vergleich zu dem Ausgangs-wert beträgt der Wasseranteil 72 %. Der W/Z-Wert liegt im Vergleich zur Rezeptur I a-b/c-d(Betonage 1) mit 0,78 gegenüber 0,88 etwasniedriger; dies ist wohl auf den doppelt so ho-hen PCM-Anteil zurückzuführen. Bei einerFrischbetonrohdichte von 1,067 kg/dm3 liegtder Luftporenanteil bei 17 %.

Die Zuschläge werden diesmal in der Reihen-folge: Holz, Zement, PCM-Material in den ‘Be-schicker’ gefüllt und über die Einkippvorrich-tung in die erhöht angeordnete Mischtrommelgegeben. Nach einer kurzen Mischphase er-folgt die Zugabe des Wasseranteils.

Die Ermittlung der restlichen Feuchte in denHolzspänen wird mit einer Darrtrocknung aufeiner Elektro-Heizplatte durchgeführt. DasHolz wird ausgewogen (500 g) und anschlie-ßend solang erhitzt, bis die Feuchtigkeit ver-dampft ist. Nach dem anschließenden Wie-gen des trockenen Materials (230 g) kann ausder Differenz der Feuchteanteil im Zuschlags-stoff ermittelt werden: (Abb. 7.39)

Für das verwendete Material resultiert darauseine Holzfeuchte u = 117 %.

Von jeder Frischbetonmischung wird anhanddes Ausbreitmaßes die Frischbeton-Konsi-stenz sowie mit dem Luftgehalt-Prüfgerät dieRohdichte und der Luftporengehalt ermittelt. Die Rohdichte des Frischbetons kann Hinwei-se auf die Gleichmäßigkeit der Zusammen-setzung geben und im Vergleich zu einer Soll-Rohdichte Fehler in der Herstellung anzeigen.“Beim Leichtbeton kann von der Frischbeton-herstellung auf die Trockenrohdichte desFestbetons geschlossen werden.”Mit dem selben Prüfgerät (Volumen 8 l) wirdder Gehalt an Luftporen bestimmt, der Hin-weise auf den Verdichtungsgrad desFrischbetons gibt.64 (Abb. 7.40)Im Anschluss erfolgt die Herstellung der Prüf-körper für die Festigkeitsversuche sowie dieBefüllung der Schalungen. Die Prismen undPrüfzylinder werden analog einer C20/25

500u - 230o

230ou = · 100 [%]

Abb. 7.37 Prüfzylinder und Prismen für die Festig-keits-Messungen

Abb. 7.38 Großer Zwangsmischer (300 Liter) mitEinkippvorichtung für die Zuschläge

Abb. 7.39 Bestimmung der Holzfeuchte durch‘Auskochen’ des Wasseranteils



102

nannten Ungenauigkeiten in der Stoffraumbe-rechnung auch in der Herstellung wider. Erstim vierten Versuch kann ein Ausbreitmaß ge-nommen werden, das jedoch immer noch zuniedrig ausfällt, und das obwohl der errechne-te Wasseranteil bereits mit 40 % überschrittenist. Mit weiteren 2 l wird gerade der untereGrenzwert der (Regel-)Konsistenz C3/F3 er-reicht (42,50 cm). Der Gesamtwasseranteilvon 46 l liegt um 10 % über dem Ausgangs-wert.Trotz des hohen Wasseranspruchs ist der W/Z-Wert mit 0,51 gegenüber 0,43 bezie-hungsweise 0,44 nur leicht über den Wertender Rezeptur II a-b/c-d (Betonage 1), bei ei-nem um den Faktor 8 (24 Masse-Prozent) hö-heren PCM-Anteil. Erwartungsgemäß liegtdurch den höheren Zementanteil auch dieFrischbetonrohdichte mit 1,334 kg/dm3 deut-lich über den bisher gemessenen Werten;dies führt zu einem reduzierten Luftporenan-teil von 13 %.

Der zweite Teil der Betonage startet mit derRezeptur IV. Hier zeigt sich, dass mit einemerhöhten Wasseranteil beim ersten Ausbreit-maß die Regelkonsistenz noch nicht erreichtwird (41 cm). Nach Zugabe eines weiteren Li-ters ist ein Sprung auf 46 cm zu verzeichnen,das heißt mit Zugabe von 3 % Wasser erhöhtsich das Ausbreitmaß um etwa 13 %. Mit demverarbeiteten Wasseranteil weist diese Mi-schung insgesamt den höchsten W/Z-Wert(0,87) auf. Die Frischbetonrohdichte steigt beieinem Luftporengehalt von 18 % auf 1,153kg/dm3.

Bei der Herstellung der Rezeptur V, mit 23Masse-Prozent dem höchsten PCM-Anteil inder ‘leichten’ Versuchsreihe, bestätigen sichim Wesentlichen die vorher gemachten Erfah-rungen. Der Wasseranteil liegt etwa 5 % überdem errechneten Wert, was zu einem W/Z-

Nach der Mischung der Rezeptur I erfolgtebenfalls eine vereinfachte Überprüfung desWassergehalts im Frischbeton durch Darr-trocknung. Dabei werden 1000 g eingewogenund auf der oben genannten Heizplatte unterständigem Rührem stark erhitzt, bis keinWasserdampf mehr aufsteigt. Nach dem Ab-kühlen wird die Probe (603 g) wieder gewo-gen. Anhand des Masseverlustes lässt sicheine nicht gebundene Feuchte U = 66 % fest-stellen.Bei der Rezeptur II fällt der Wasseranteil etwaum 7 % niedriger aus, liegt damit bei nurmehr 70 % des Ausgangswertes, so dass imersten Durchgang bereits die Regelkonsi-stenz mit 45 cm erreicht werden kann. Mit Zu-nahme des PCM-Masseanteils gegenüber R I(4 %) erhöht sich erwartungsgemäß etwas dieFrischbetonrohdichte (1,118 kg/dm3); der Luft-porenanteil ist mit 20 % dennoch (deutlich)höher.

Die anschließende Betonage (R III) muss zu-nächst aufgrund der zusätzlichen Plattenher-stellung auf 150 l erhöht werden. Bei dieserMischung zeigt sich, dass mit längerenMischzeiten eine höhere Feuchtigkeitsabgabedes Holzzuschlags einhergeht; dies erschwertpartiell die Beurteilung der Konsistenz. DerFrischbeton scheint häufiger eine ausreichen-de Konsistenz aufzuweisen, indes gelingt erstim dritten Versuch die Erzielung der weichenKonsistenzklasse. Ein Wasseranteil von fast98 % des Ausgangswertes, führt zu einem W/Z-Wert = 0,8. Obwohl bei weiterer Zunah-me des PCM-Masseanteils (3 %) der Luftpo-rengehalt mit 17 % wieder den Wert der Re-zeptur I aufweist, fällt die Frischbetonroh-dichte (1,079 kg/dm3) der Mischung etwasniedriger aus.Als letzte Betonage des ersten Durchgangswird die Rezeptur VI aus der schwereren Rei-he hergestellt. Hier spiegeln sich die vorge-

Abb. 7.40 Ermittlung des Luftporengehalts desFrischbetons mit dem ‘Luftporentopf’

Abb. 7.41 Verdichtung von Prüfzylindern auf ei-nem Flachrüttler


speichermaterialien

BaukonstruktiveEigenschaften

103

des Holzzuschlags. Vor allem bei den schwe-reren Mischungen (R VI bis VIII) wird der Re-chenwert bis zu 3/4 überschritten, was jedoch(angesichts des hohen Zementanteils) immernoch zu günstigen W/Z-Werten zwischen 0,50und 0,60 führt.Bei den Frischbetoneigenschaften zeigen sichebenfalls einige Unterschiede zwischen denbeiden Rezepturreihen. So kann zunächst beiden leichteren Mischungen I bis IV bezüglichRohdichte und Luftporengehalt keine lineareAbhängigkeit hinsichtlich der Zunahme desPCM-Anteils beziehungsweise Abnahme desHolzanteils festgestellt werden. InsbesondereRezeptur II fällt mit einem Luftporengehaltvon 20 % heraus, während bei Rezeptur IIIdie Rohdichte des Frischbetons mit 1,079 kg/dm3 einen niedrigeren Wert aufweist. Da-gegen nimmt bei den schwereren Mischun-gen VI bis VIII mit dem PCM-Anteil jeweils mitzunehmender Rohdichte der Luftporengehaltab.

Nach der Herstellung der Probekörper undMusterplatten werden diese in einem Kli-maraum mit definierten Konditionen (Raum-lufttemperatur 20 °C, 65 % Luftfeuchte) zu-nächst eine Woche abgedeckt, anschließendvom achten bis zum achtundzwanzigsten Tagoffen gelagert.

Wert von 0,85 führt. Der durch den hohenPCM-Anteil niedrigere Holzzuschlag spiegeltsich in Frischbetonrohdichte (1,268 kg/dm3)und Luftporengehalt (13 %).

Demgegenüber treten bei der Herstellung derRezeptur VII größere Probleme mit dem Zu-gabewasser auf. Erst im vierten Versuch, miteinem um 70 % höherem Wasseranteil kannein erstes Ausbreitmaß genommen werden(40 cm), und mit einem weiterem Liter wirderst eine ausreichend weiche Konsistenz er-zielt; damit summiert sich der Wasseranteilauf dreiviertel des Ausgangswerts. Hoher Ze-ment- und PCM-Anteil führen zu einem Luft-porengehalt von 10 % bei einer Frischbeton-rohdichte von 1,391 kg/dm3.

Die abschließende Rezeptur VIII unterschei-det sich zusätzlich durch das feinere PCM-Material. Hier wird von Beginn an der Was-seranteil deutlich erhöht und erreicht mit 36 letwa die Größenordnung von Rezeptur VII(37 l). Insgesamt wird der ursprüngliche Wert(der Holzleichtbeton-Ausgangsmischungohne PCM) immer noch um knapp 30 % über-schritten; der W/Z-Wert liegt bei 0,60. Dienochmals höhere Frischbetonrohdichte von1,488 kg/dm3 lässt in Verbindung mit dem fei-nen Zuschlagsmaterial auch einen geringerenLuftporenanteil erwarten, was die Messungenmit 5,6 % – dem mit Abstand niedrigsten Wertin der Versuchsreihe – bestätigen.

Nach Durchführung der beiden Rezepturrei-hen der Betonage 2 können gegenüber denersten Versuchen insgesamt eine Reihe vonBeobachtungen bestätigt werden. Bei allenRezepturen zeigt sich, dass hinsichtlich derVerarbeitung der drei Zuschlagsstoffe kaumProbleme auftreten. Ein schwieriger Parame-ter bleibt jedoch die Bestimmung des Was-seranteils in Abhängigkeit von der Feuchte

7.6 Baukonstruktive Eigenschaften

Zur Beurteilung eines (neuartigen) Baustoffssind umfangreiche materialspezifische Unter-suchungen erforderlich. Im Rahmen der expe-rimentellen (Optimierungs-)Arbeiten mit Holz-leichtbeton und PCM-Material werden Mes-sungen zu zwei grundlegenden Bereichenvorgenommen:- Baukonstruktive Eigenschaften- Bauphysikalische EigenschaftenZum einen umfasst dies Prüfungen hinsicht-lich Kenndaten zum mechanischen Verhalten,wie Druckfestigkeit, Biegezugfestigkeit, E-Mo-dul, die wiederum am Materialprüfungsamt fürdas Bauwesen (MPA Bau) der TechnischenUniversität München durchgeführt werden.Zum anderen erfolgen Untersuchungen zumthermischen Verhalten, das heißt Wärmeleit-fähigkeit, spezifische Wärmekapazität undSchmelzenthalpie sowie Vermessung vonProben im Sonnensimulator. Diese finden amZAE Bayern, Abt. 2: Wärmedämmung undWärmetransport, in Würzburg statt.Die Arbeiten erstrecken sich auf alle acht imZuge der Betonage 2 angefertigten Mischun-gen. Darüber hinaus werden zu ausgewähltenRezepturen noch weitere, ergänzende Unter-suchungen durchgeführt, die sowohl das Ma-terialverhalten nach der Herstellung und denGefügeaufbau behandeln, sowie Einschät-zungen zum Brandverhalten, der Dauerhaftig-keit und dem Verhalten bei feuchtetechni-scher Beanspruchung ermöglichen.

Mechanische Prüfungen von Baustoffen cha-rakterisieren deren Verhalten auf mechani-sche Beanspruchungen. Die erforderlichenMaterialeigenschaften um diese Spannungenaufnehmen zu können, betreffen den “gesam-ten Bereich der Beanspruchbarkeit, angefan-



104

gen vom Gebrauchszustand eines Bauteilsbis hin zu dessen Versagen.”65

Allerdings sind die Anforderungen an Baustof-fe hinsichtlich Festigkeit und Verformungsver-halten bei statisch beanspruchbaren Bautei-len wesentlich höher, als bei nicht tragendenKomponenten. Wichtige Parameter zur Einschätzung der Lei-stungsfähigkeit eines Materials sind einerseitsdie Druckfestigkeit, die sehr stark die Einsatz-bereiche bestimmt, sowie andererseits der E-Modul, der Aufschluss über die Homogenitätund den Aufbau des Gefüges gibt.

7.6.1 DruckfestigkeitEine Prüfung der Druckfestigkeit kann beiBauwerken und Bauteilen sowohl zerstörend(anhand entnommener Proben) als auch zer-störungsfrei (durch Schlagprüfungen) erfol-gen. Bei gesondert hergestellten Probekör-pern wird diese stets in einem zerstörendenVerfahren ermittelt. Dazu ist eine sorgfältigeBehandlung der Probekörper, insbesondereder Stirnflächen bei Prüfzylindern zu beach-ten. Bei der Druckfestigkeitsprüfung unterKurzzeitbelastung wird in einer hydraulischenPrüfmaschine eine Bruchlast F einachsig aufden Probekörper kontinuierlich so aufge-bracht, dass in Sekundenintervallen dieDruckspannung um 0,5 N/mm2 zunimmt, bisder Gefügeverbund bricht. (Abb. 7.45) An-hand des Bruchbildes lassen sich erste Rück-schlüsse auf das Materialverhalten schließen.

Beton ist ein heterogener Verbundwerkstoff.Daher werden dessen Festigkeitseigenschaf-ten und Bruchverhalten wesentlich von demGefügeaufbau bestimmt. Darüber hinaus un-terliegt die Festigkeit beim Beton den Erhär-tungsbedingungen, das heißt ist ein zeitab-hängiger Parameter.66 Beim Holzleichtbeton mit Speichergranulatensind dabei zwei Einflussfaktoren zu berück-

sichtigen: die Zuschläge weisen unterschiedli-che Elastizitäten (> Holz) und Festigkeiten (>Granulat) untereinander, aber auch gegen-über dem Beton auf. Dies beeinflusst die Ver-bundwirkung maßgeblich und hat damit Aus-wirkungen auf den Bruchmechanismus.

Dies spiegeln die unterschiedlichen Bruchbil-der aus den Rezepturreihen bei den durchge-führten Druckfestigkeitsversuchen wider. Beiden leichteren Mischungen ist ein stark asym-metrischer Bruch festzustellen, der mehr aufein Abscheren schließen lässt. Dagegen zei-gen die schwereren Mischungen (zum Bei-spiel Rezeptur VI) ein eher symmetrischesBruchbild. Das ist auf einen dichteren Gefü-geaufbau zurückzuführen, der dadurch einebessere Lastverteilung ermöglicht. (Abb. 7.42–7.43) Darüber hinaus kann festgestellt werden,dass die Prüfzylinder nach 28 Tagen im Kernmeist noch feucht sind. Insgesamt zeigen dieBruchflächen jedoch eine gute, homogeneVerteilung der einzelnen Zuschlagsstoffe.

Hinsichtlich der Druckfestigkeitswerte sind imVergleich zu den Ergebnissen der Betonage 1eine Reihe von Übereinstimmungen festzu-stellen. Es zeigt sich, dass sich mit dem ge-genüber Holz fast dreifach schwereren PCM-Material die Rohdichte – wie erwartet – er-höht. Bei den Mischungen I bis V (Ausgangs-rohdichte Holzleichtbeton ρ ≈ 600 kg/m3) be-trägt der Holzmasseanteil zwischen 17 und11 % und der Anteil des PCM-Materials zwi-schen 11 und 23 %; bei den Mischungen VIbis VIII (Ausgangsrohdichte Holzleichtbeton ρ ≈ 1250 kg/m3), jeweils 6 bis 9 % bezie-hungsweise 24 bis 29 %. Die durchgeführten Messungen (an Prüfzylin-dern) bestätigen ferner die Tendenz, dass dieKombination mit dem PCM-Material bei denschwereren Mischungen höhere Druckfestig-

Abb. 7.42 Prüfzylinder (R III, links/ R VI/(IV)1,rechts) mit unterschiedlichem Bruchbildnach Druckfestigkeitsversuch

Abb. 7.43 Prüfzylinder (R II/2) mit offener Bruch-stelle nach Druckfestigkeitsversuch


speichermaterialien


105

keits-Werte wie von Holzleichtbeton bei etwagleicher Rohdichte erkennen lassen.Die Festigkeiten der leichteren Rezepturen Ibis IV bewegen sich bei Rohdichten um 1050kg/m3 zwischen 4 und 5 N/mm2; Rezeptur Verreicht bei einer Dichte von 1150 kg/m3 be-reits 6 N/mm2. Damit liegen die Zahlen etwasüber denen der Betonage 1, die jedoch an-hand von Prüfwürfeln (150 und 100 mm) er-mittelt wurden. Rechnet man die Zylinder-druckfestigkeit auf eine Würfeldruckfestigkeitmit dem Faktor 1,25 beziehungsweise 1,18um, dann erhöhen sich die Werte auf einenBereich zwischen 5 und 7,5 N/mm2.Gleiches gilt für die schwereren RezepturenVI bis VIII. Die Rohdichten liegen im Bereichvon 1300 und 1400 kg/m3 deutlich unter den1530 kg/m3 der Rezepturen II a-b/c-d. Somiterreichen die Zylinderdruckfestigkeiten Wertezwischen 11,6 und 16,7 N/mm2; rechnet mandiese Werte ebenfalls hoch, liegen die Würfel-druckfestigkeiten zwischen 15 und 20 N/mm2.(Abb. 7.44)

Als abschließende Messung erfolgt anhandder Betonage 5 (leichte Ausgangsmischung ρ ≈ 600 kg/m3 mit Fliesmitteln) eine weitereDruckfestigkeitsprüfung. Bei einer Rohdichtevon 620 kg/m3 und Werten von 1,94 N/mm2

decken sich die Ergebnisse mit den an derEPF Lausanne/I-Bois ermittelten Kenngrößenvon Holzleichtbeton. (Abb. 10.5.2d)

Mit diesen Ergebnissen werden wesentlicheAusgangsdaten bestätigt. Werte (der Zylin-der-)Druckfestigkeit um 5 N/mm2 stellen ins-besondere für den Zeitpunkt des Ausschalenseine wichtige Kenngröße dar, die auch ausrei-chendes Potenzial für weitere Optimierungenverspricht. Im Vergleich der Rohdichten desFrischbetons und des Festbetons zeigt sich,dass die Werte nach der Herstellung, bedingtdurch den Feuchtigkeitsanteil, im Mittel zwi-

Abb. 7.45 Druckfestigkeitsmessungen an einemPrüfzylinder ø 150 mm an der MPABAU/TU München

Abb. 7.44 (Würfel-)Druckfestigkeiten der unter-suchten Holzleichtbetonproben (EPFL/I-Bois, 2000) und Holzleichtbetonprobenmit Latentwärmespeichermaterialien(MPA Bau 2001/Betonage 1; MPA Bau2002/Betonage 2)

Dru

ckfe

stig

keit

[N

/mm

2 ]

0,00

2,50

5,00

7,50

10,00

12,50

15,00

17,50

20,00

22,50

400 600 800 1000 1200 1400 1600

MPA Bau 2002

MPA Bau 2001

EPFL/I-Bois 2000

Rohdichte [kg/m3]



106Rohdichte [kg/m3]

Bie

gez

ug

fest

igke

it [

N/m

m2 ]

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

4,50

5,00

5,50

6,00

400 600 800 1.000 1.200 1.400 1.600

MPA Bau 2002EPFL/I-Bois 2000Linear (EPFL/I-Bois 2000)Linear (MPA Bau 2002)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5500

6000

6500

7000

400 600 800 1000 1200 1400 1600

MPA Bau 2002EPFL/I-Bois 2000Linear (EPFL/I-Bois 2000)Linear (MPA Bau 2002)

E-M

od

ul [

N/m

m2 ]

Rohdichte [kg/m3]

Abb. 7.47 E-Modulwerte untersuchter Holzleichtbetonproben (EPFL/I-Bois, 2000) und HLB mit PCM (MPA Bau 2002)

Abb. 7.49 Biegezugfestigkeitswerte untersuchter Holzleichtbetonproben(EPFL/I-Bois, 2000) und HLB mit PCM (MPA Bau 2002)

Abb. 7.46 E-Modul-Messung an einem Prüfzylin-der ø 150 mm

Abb. 7.48 Biegezugfestigkeits-Messung an einemPrüfprisma 100 x 100 x 700 mm


speichermaterialien


107

HLB-PCM-Mischungen die Werte von Holz-leichtbeton (6.500 N/mm2 bei einer Rohdichtevon 1.450 N/mm2) nicht erreicht werden. Indieser Messreihe werden vor allem Unter-schiede zwischen der Zunahme an Rohdichteund Abnahme des E-Moduls (zwischen Re-zeptur VI und VII) sichtbar, die sich nichtschlüssig erklären lassen. (Abb. 7.47)Anhand der Spannungs-Diagramme der E-Modulmessungen wird der sehr homogeneAufbau des Komposit-Materials bestätigt.

Bei der Prüfung der Biegezugfestigkeit wirdauf dem balkenförmigen Probekörper (Pris-ma) über zwei, in den Drittelpunkten des Auf-lagers ansetzende Lastschneiden eine Bruch-last F aufgebracht und bis zum Bruch kontinu-ierlich gesteigert. (Abb. 7.48)

schen 3 und 6 % über der Trockenrohdichteliegen. Dabei lässt sich beobachten, dass dieAbweichung bei den leichteren Mischung hö-her ist (Maximalwert ≈ 8 % bei R V), und beibeiden Rezepturreihen mit steigendem Anteildes Speichergranulats zunimmt. Wohl in Ab-hängigkeit des Zementanteils, fällt dieser An-stieg bei der schwereren Messreihe gedämpf-ter aus.

7.6.2 E-Modul und BiegezugfestigkeitDie Messungen des Elastizitätsmoduls (E-Modul) erfolgen ebenfalls an einer hydrau-lischen Prüfmaschine. Dabei wird eine defi-nierte einachsige Prüfspannung σ auf denProbekörper kontinuierlich aufgebracht. bis indem Gefügeverbund eine Formveränderungauftritt, die mittig gelagerte Messfühler am Zy-lindermantel (Messlänge 150 mm) aufzeich-nen. (Abb. 7.46) Der E-Modul stellt für die Ho-mogenität und für tragende Bauteile als Maßder Verformbarkeit, des elastischen Verhal-tens von Materialien, eine wichtige Größe dar.

Im Vergleich der Holzleichtbeton-Mischungen(ohne und mit PCM) zeigen die Messungeneine vergleichbare Tendenz wie bei der Prü-fung der Druckfestigkeit. Allerdings bestehenUnterschiede innerhalb der Rezepturreihen.Beim E-Modul verlaufen beide Kurven nahezuparallel, wobei die Zunahme der Rohdichteauch bei der schweren Mischung sich nichtpositiv auswirkt. Beim ‘normalen’ Holzleicht-beton sind die Zahlenwerte bei etwa gleichemspezifischen Gewicht im Schnitt etwa um denFaktor 1,5 höher.Bei den Rezepturen I bis V liegt der E-Modulzwischen 1600 und 2300 N/mm2. Mit der Zu-nahme der Rohdichte (und damit des Ze-mentgehalts) der Rezepturen VI bis VIII ver-doppelt sich der E-Modul auf Werte zwischen3500 und 4500 N/mm2. Allerdings könnenwohl durch den geringeren Holzanteil in den

Im Vergleich mit ‘normalem’ Holzleichtbetonzeigen die Messergebnisse ein anderes Bildgegenüber den vorangegangenen Untersu-chungen. Zum einen besteht eine relativ große Streu-ung der Werte auch innerhalb der Rezeptur-reihen, zum anderen erreicht die Biegezugfe-stigkeit der Holzleichtbetonmischungen mitSpeichergranalut nur etwa 50 % der Wertedes Ausgangsmaterials.Die leichten Rezepturen I bis V liegen im Be-reich von 1,50 bis 2,10 N/mm2 (1,50 N/mm2

bei ρ = 850 kg/m3, EPF Lausanne/I-Bois), dieschweren Rezepturen VI bis VIII etwas dar-über bei 1,90 bis 2,70 N/mm2. Dagegen zei-gen die Untersuchungen an der EPF Lau-sanne/I-Bois doch (Spitzen-)Werte bis 5,20 N/mm2, bei einer Rohdichte von 1.450 kg/m3.(Abb. 7.49)

Probe W/Z-Wert Rohdichte*(MPA)

ρρρρ

R I 0,78

[kg/m3]

1.029

R II

R III

R IV

R V

0,76

0,80

1.079

1.039

0,87

0,85

1.069

1.166

R VI

R VII

R VIII

0,51

0,62

1.304

1.348

0,60 1.419

Druckfestig-keit

ββββZylinder

Druckfestig-keit ββββWürfel

[N/mm2]

4,05

[N/mm2]

5,06

E-ModulEββββ

Biegezug-festigkeit

ββββBZ

[N/mm2]

1.600

[N/mm2]

1,58

4,83

4,64

6,03

5,79

4,90

6,17

6,13

7,71

1.933

1.833

1,82

1,60

1.800

2.200

1,62

2,00

12,25

11,61

15,31

14,51

16,67 19,66

3.533

3.400

2,51

2,25

4.433 2,00

Abb. 7.50 Rohdichtewerte ρ (MPA Bau/TU München) und untersuchte baukonstruktive Parameter vonHolzleichtbetonproben mit Latentwärmespeichermaterialien* Mittelwerte aus den drei Festigkeitsprüfungen


BauphysikalischeEigenschaften

108

Bei der Biegezugfestigkeit wird ebenfallsdeutlich, dass mit der Abnahme des Holzan-teils trotz erhöhter Rohdichte durch das PCM-Material keine Erhöhung der Festigkeitswerteeinhergeht. Das Speichergranulat stellt nebendem geringeren ‘elastischen’ Verhalten ge-genüber dem Holz, im Vergleich zum Holzteil-chen auch keinen ‘zähen’ Verbund mit demZementstein her. Die Bruchbildung erfolgtstets relativ sauber zwischen dem ‘Tonerde’-Granulat und dem Zementstein.

Die durchgeführten Prüfungen zeigen für denangestrebten Anwendungsbereich von Holz-leichtbeton als Material für nichttragende (Au-ßen-)Wände viel versprechende Ergebnisse.In weiteren Versuchs- und Testreihen mussinsbesondere das Verhalten unter Belastungin der und die Auswirkungen auf die Zement-leimmatrix eingehender analysiert werden. Insgesamt werden hinsichtlich des mechani-schen Verhaltens eine Reihe von positiven Ei-genschaften deutlich. Der Verbund von Holz-leichtbeton mit Latentwärmespeichermateriali-en weist ausreichende (Mindest-)Druckfestig-keiten auf und die Untersuchungen des Ela-stizitätsmoduls lassen ein sehr homogenesMaterialgefüge erkennen. (Abb. 7.50)

drei verschiedene Probenstücke mit den Ab-messungen 50 x 50 x 20 mm hergestellt. An-hand dieser Proben sollen die Wärmeleitfä-higkeit λ, die spezifische Wärmekapazität cp

sowie die Schmelzenthalpie Hs der einzelnenHolzleichtbeton-Rezepturen mit Latentwärme-speichermaterialien bestimmt werden. DieseMessungen stellen auch eine wichtige Grund-lage für eine spätere Potenzialabschätzungmit Computer gestützten Simulationen dar.

Darüber hinaus stehen zwei Musterplatten,mit den Abmessungen 290 x 290 x 60 mm,zur Verfügung. Am Beispiel einer leichten Mi-schung (Rezeptur III) mit einem Speichergra-nulatanteil von 18 Masse-Prozent und einerschwereren Rezeptur (Rezeptur VI) mit 24Masse-Prozent Speichergranulatanteil erfolgtim Sonnensimulator eine Überprüfung der La-bormessungen (Schmelzenthalpie Hs).

7.7 Bauphysikalische Eigenschaften 67

Nach den experimentellen Arbeiten zur Verar-beitung und Herstellung von Holzleichtbetonmit Latentwärmespeichermaterialien sowieder Untersuchung von Festigkeitseigenschaf-ten, fehlen noch wichtige Untersuchungen zurEinschätzung des thermischen Verhaltensdes Kompositmaterials. Ergänzt werden dieVersuche durch Testreihen in einem Sonnen-simulator zur Verifizierung der Schmelzent-halpie. Die Materialprüfungen zur Bestim-mung von Wärmeleitfähigkeit und spezifischerWärmekapazität erfolgen wieder beim ZAEBayern in Würzburg.

Von jeder Rezeptur werden aus den Prismenfür die Biegezugfestigkeitsprüfungen jeweils

Abb. 7.51 Vergleich der ermittelten Rohdichtewerte ρ der untersuchten Holz-leichtbetonproben mit Latentwärmespeichermaterialien

Ro

hd

ich

te [

kg/m

3 ]

Probenkörper

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

MPA Bau 2002

ZAE Bayern 2002

I/1-3 II/1-3 III/1-3 IV/1-3 V/1-3 VI/1-3 VII/1-3 VIII/1-3


speichermaterialien


109

gung des thermischen Kontaktwiderstandeszwischen Probe und Draht sowie von Wärme-verlusten in axialer Richtung ermittelt. […] Beieiner Temperatur von 25 °C werden an jederProbe mindestens 10 Einzelmessungendurchgeführt. Die resultierenden zeitlichenTemperaturanstiege werden anschließendgemittelt und die gemittelte Kurve zur Aus-wertung herangezogen.”69

Vergleicht man die gemessenen Werte mitdenen der früher durchgeführten Vermessungdes ‘reinen’ Holzleichtbetons, ist eine weitge-hend identische Entwicklung festzustellen: Mitsteigender Rohdichte (etwa 3 bis 5 %) nimmtauch die Wärmeleitfähigkeit zu.

Bei dem Vergleich der Rohdichtewerte zwi-schen den gemessenen Werten an der MPABau der Technischen Universität Münchenund den Daten der Probenuntersuchungenbeim ZAE Bayern in Würzburg sind bei ein-zelnen Probemustern zum Teil deutliche Ab-weichungen festzustellen. Im Mittel beträgtdie Differenz etwa 6,5 %, wobei gerade beiden beiden leichtesten Mischungen Unter-schiede bis zu 10 % auftreten. (Abb. 7.51)Dies ist vor allem auf die unterschiedlichenProbekörper beziehungsweise Materialein-waagen zurück zu führen. Diese sind beimZAE Bayern mit Werten zwischen 9 und 12mg besondern leicht, so dass eine gewisseFehlerquote nicht zu vermeiden ist.Bezüglich der Messergebnisse sind diese Ab-weichungen vernachlässigbar. In den Dia-grammen werden den bauphysikalischenKenndaten stets die höheren, von der MPABau ermittelten Werte zugrunde gelegt.

7.7.1 WärmeleitfähigkeitDie Wärmeleitfähigkeitswerte der jeweiligenRezepturen werden mit der dynamischen Hit-zedrahtmethode ermittelt.68 Bei dieser Meß-apparatur befindet sich zwischen zwei aufein-ander gepressten, identischen Probestückenein Hitzedraht. Dieser eingelegte Draht ausPlatin mit einem Durchmesser von 100 µm,dient gleichzeitig als “Heizelement und Tem-peratursensor”. (Abb. 5.8+7.52) Während des Messvorgangs wird der “Drahtmit einer konstanten elektrischen Leistung be-heizt. Die zeitliche Entwicklung der mittlerenTemperatur des Hitzedrahts lässt sich anhanddes temperaturabhängigen Drahtwiderstandserfassen. Dieser Temperaturverlauf hängt vonder Wärmeleitfähigkeit der Probe ab. DieWärmeleitfähigkeit der Probe wird durch An-passung einer analytischen Lösung der Wär-meleitungsgleichung an diesen zeitabhängi-gen Temperaturverlauf unter Berücksichti-

Abb. 7.52 Hitzedrahtapparatur zur Messung derWärmeleitfähigkeit. Der Draht befindetsich zwischen den beiden Proben.

Abb. 7.53 Vergleich der Wärmeleitfähigkeit λ von Holzleichtbeton (EPFL/I-Bois 2000; ZAE Bayern 2000)und Holzleichtbeton mit Latentwärmespeichermaterialien (ZAE Bayern 2002)

Wär

mel

eitf

ähig

keit

[W

/mK

]

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

ZAE Bayern 2002ZAE Bayern 2000EPFL/I-Bois 2000Linear (EPFL/I-Bois 2000)Linear (ZAE Bayern 2000)Linear (ZAE Bayern 2002)

Rohdichte [kg/m3]



110

Abb. 7.54 Prinzip der Dynamischen Differenz Ka-lorimetrie (DDK)

Abb. 7.55 Blick in das geöffnete Temperaturmodu-lierte Dynamische Differenz Kalorimeter(TDDK) mit den Aluminium-Tiegeln

Abb. 7.56 Gesamtansicht des TDDK

Messungen zu Holzleichtbeton mit dem sel-ben Versuchsaufbau.70

Bei dem Messverfahren, TDDK (Temperatur-modulierte Dynamische Differenz Kalorime-trie), “wird der Differenz-Wärmestrom zwi-schen der Probe und einer Referenz alsFunktion der Zeit und Temperatur bestimmt.”Die Holzleichtbetonprobe befindet sich in ei-ner Messzelle, (Abb. 7.54) die gleichmäßigaufgeheizt wird. Aus dem Differenz-Wär-mestrom zwischen beiden kann auf die spezi-fische Wärmekapazität geschlossen werden.“Mittels der TDDK lassen sich auch quasi-iso-therme DDK-Messungen durchführen. Hierkann zum Beispiel die zeitliche Veränderungder spezifische Wärmekapazität einer Probeunter quasi-isothermen Bedingungen verfolgtwerden, wenn sich diese durch physikalischeUmwandlungen oder chemischen Reaktionenzeitlich verändert.”71

Zur Durchführung der Messungen werden dieHolzleichtbetonproben zermörsert und in ei-nen Aluminium-Tiegel eingefüllt, der sich inder Messzelle des TDDK befindet. (Abb. 7.55+7.56) Die Messungen erfolgen unter einerdynamischen Stickstoffatmosphäre.Exemplarisch ist eine Messung anhand derProbe VII/1 in der Grafik von Abb. 7.57 ge-zeigt. “Die Heizrate beträgt 2 K · min-1. DieTemperaturerhöhung ist […] als Funktion derAufheizzeit zu sehen (gestrichelte Linie). Zu-sätzlich ist […] der Differenz-Wärmestrom alsFunktion der Aufheizzeit dargestellt (durchge-zogen Linie).” Mit dem Quotienten des Differenz-Wärme-stroms Q [W · g-1] und der Heizrate kann diespezifische Wärmekapazität ermittelt werden.

Vergleicht man die spezifische Wärmekapazi-tät von Holzleichtbeton ohne und mit Latent-wärmespeichermaterialien kann vereinfa-chend gesagt werden, dass innerhalb der bei-

Allerdings bleiben die λ-Werte durchgängigfast 10 bis 15 % darunter, obwohl das Spei-chergranulat gegenüber dem Nadelholz einhöheres λ (0,15 statt 0,10 bis 0,12 W/mK)aufweist. Somit spiegelt sich das dreimal sc-hwerere spezifische Gewicht nicht in erhöhtenWärmeleitfähigkeitswerten wider.Bei Rohdichten zwischen 1000 (900) kg/m3

und 1175 (1120) kg/m3 liegen die λ-Mittelwer-te der untersuchten leichteren Rezepturenzwischen 0,285 und 0,363 W/mK. Insgesamtist bei diesen Mischungen noch eine deutlicheStreuung der einzelnen Messwerte festzustel-len. Auffallend hoch sind zwei Spitzenwerteder Rezeptur IV, die trotz des geringerenParaffinanteils mit 0,381 beziehungsweise0,386 W/mK etwa 15 % über den Werten derRezeptur V liegen.Mit Rohdichten zwischen etwa 1320 (1240)kg/m3 und 1450 (1400) kg/m3 erreichen dieMischungen mit dem höheren Zementanteil λ-Mittelwerte von 0,412 bis 0,492 W/mK. Be-merkenswert in diesem Zusammenhang sinddie viel gleichmäßigeren Werte; möglicher-weise führt der Zementanteil zu einer größe-ren Stabilität der Rezepturen. (Abb. 7.53)

7.7.2 Wärmespeicherkapazität undSchmelzenthalpie

Die Ermittlung der Wärmespeicherkapazitätvon Holzleichtbeton mit Latentwärmespei-chermaterialien erfolgt ebenfalls analog der

den Rezepturklassen, jeweils mit Zunahmeder Rohdichte eine Abnahme der Werte fest-zustellen ist. Diese fällt bei Betrachtung dergemittelten Werte bei den leichten Mischungetwas deutlicher aus. Dies lässt sich vermut-lich darauf zurückführen, dass der Holz-Anteilbei ansteigender Dichte geringer ist.Insgesamt ist eine große Streuung bei denMessergebnissen zu verzeichnen, die vor al-lem auf lokale Rohdichteschwankungen beiden relativ kleinen Proben und auf Einflüssebei der Probenpräparierung zurückzuführenist. (Abb. 7.58)

Die Schmelzenthalpie, das heißt die Energie-menge die einem Stoff zugeführt werdenmuss um den Phasenübergang von fest zuflüssig herbeizuführen, entspricht der Flächeunter den beiden Peaks des Differenz-Wär-


speichermaterialien


111

Abb. 7.57 Der Differenz-Wärmestrom Q und die Temperatur der Messzelle Tin Abhängigkeit von der Aufheizdauer t für die Probe VI/1

Abb. 7.59 Schmelzenthalpie HS der Holzleichtbetonproben in Abhängigkeitdes Anteils XPCM des beigemischten Granulats GR 41 (RezepturenI bis V) bzw. GR 54 (Rezepturen VI und VIII). Die Schmelzenthalpiedes reinen RUBITHERM Granulats beträgt 63 J·g-1

Abb. 7.58 Vergleich der spezifischen Wärmekapazität cp bei 0° von Holzleicht-beton (ZAE Bayern 2000) und Holzleichtbeton mit Latentwärmespei-chermaterialien (ZAE Bayern 2002)

0 10 20 30 400.00

0.05

0.10

0.15

0.20

Differenz-Wärmestrom

-20

0

20

40

60

80

Temperatur der Messzelle

Probe IV/1

Aufheizdauer t / min

Dif

fere

nz-

Wär

mes

tro

mQ

/ W×××× g

-1

Tem

peratu

rT

/ °C

0 5 10 15 20 25 300

5

10

15

20

gemessene SchmelzenthalpieFit der Schmelzenthalpie:HS = 0.63×XPCM

Beimischung PCM XPCM / Gew.%

Sch

mel

zen

thal

pie

HS /

J×××× g

-1

Sp

ez. W

ärm

ekap

azit

ät b

ei 0

°C [

J/g

K]

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

ZAE Bayern 2002ZAE Bayern 2000Linear (ZAE Bayern 2000)Linear (ZAE Bayern 2002)

Rohdichte [kg/m3]



112

Probe PCMMasse-anteil

Rohdichte (MPA)

ρ

R I

[%]

11

[kg/m3]

1.029

R II

R III

R IV

R V

15

18

1.079

1.039

20

23

1.069

1.166

R VI

R VII

R VIII

24

27

1.304

1.348

29 1.419

Wärmeleit-fähigkeit

λ

SpezifischeWärme-

kapazitätcp 0°

[W/mK]

0,285

[J/gK]

1,34

SpezifischeWärme-

kapazitätcp 55°

Schmelz-enthalpie

Hs

[J/gK]

1,57

[J/g]

8,67

0,286

0,300

1,17

1,16

0,363

0,324

1,18

1,07

1,39

1,37

9,21

11,78

1,43

1,29

14,27

13,26

0,412

0,443

1,23

1,20

0,492 1,20

1,47

1,45

14,94

17,35

1,50 17,01

Abb. 7.60 Gemittelte Rohdichtewerte ρ (MPA Bau/TU München) sowie der untersuchten bauphysikali-schen Parameter von Holzleichtbetonproben mit Latentwärmespeichermaterialien

Teststand, in dem Proben mit einer Lichtquel-le bestrahlt werden können, deren Spektrumin etwa dem der Solarstrahlung auf der Erd-oberfläche entspricht; im eingeschalteten Zu-stand erreicht die Bestrahlungsstärke derLampe etwa 700 W/m2. Die Abmessungen des Probenhalters betra-gen 70 x 70 cm und die der homogen be-strahlten Fläche 50 x 50 cm.Die (Außen-)Lufttemperatur in der ‘Kuppel’sowie die Temperatur in der Messbox werdenjeweils von einem Thermostaten auf den kon-stanten Werten Ta beziehungsweise Ti gehal-ten. Zur Messung wird anstelle der Öffnungdas Plattenmuster in den Probenhalter einge-baut. Der vordere Bereich des Sonnensimula-tors ist mit Weißglas ‘eingehaust’, das einenweitgehend ungefilterten Strahlungsdurch-gang ermöglicht.74 (Abb. 7.61)Nach Einbau der Musterplatten in den Probe-halter werden die Temperaturen Ta bezie-hungsweise Ti auf die voreingestellten Werteeingeregelt und bei ausgeschalteter Lampeabgewartet, bis sich ein Temperaturgleichge-wicht einstellt. Nach dem Einschalten derLichtquelle erfolgt die Durchführung der Mes-sung bis sich wieder ein Temperatur-Gleich-gewicht einstellt. Nach dem Abschalten derLichtquelle ermittelt man zusätzlich das Ab-kühlverhalten.

Die Untersuchungen im Sonnensimulator er-folgen mit je einer Musterplatte der Rezeptu-ren III und VI. Neben dem Wärmestrom durchdie Probe werden die Temperaturen auf derProbenvorder- und Probenrückseite sowie andrei Stellen innerhalb der Probe (Sensor 1 bis 3) erfasst; desweiteren wird die Strah-lungsintensität der Lichtquelle gemessen.75

(Abb. 7.62+7.63)“Bei ausgeschalteter Lampe tritt ein Wärme-fluss von der Rück- zur Vorderseite hin auf(hier positiv gewählt), da die Rückseite auf ei-

sultiert daraus eine Schmelzenthalpie von 63 J/g, ein Wert, der sich mit den Herstel-lerangaben für ‘reines’ RUBITHERM-PCM-Material deckt.73 (Abb. 7.59)

7.7.3 Messungen mit dem Sonnen-simulator

Zusätzlich zur Bestimmung von bauphysikali-schen Kennwerten im Labor soll im Rahmender Versuchsarbeiten das thermische Verhal-ten von Holzleichtbeton mit Latentwärmespei-chermaterialien experimentell untersucht wer-den. Ziel ist dabei vor allem die Überprüfungder Schmelzenthalpiewerte anhand der bei-den Musterplatten unter möglichst realitätsna-hen Bedingungen. Für die angestrebte Poten-zialabschätzung stellt die SchmelzenthalpieHS eine entscheidende Größe dar.Das ZAE Bayern verfügt in Würzburg über ei-nen so genannten Sonnensimulator, einen

mestroms. “Als Basislinie wird dabei die nä-herungsweise lineare Verbindung zwischen 0 °C und 55 °C gewählt. Zwischen 0 °C und55 °C ist keine Bestimmung der spezifischenWärmekapazität möglich, da sie in diesemBereich von der Schmelzenthalpie überlagertwird.”72

Zur Verifizierung der Messungen wird “dieSchmelzenthalpie als Funktion des AnteilsXPCM” der beigemischten SpeichergranulateRUBITHERM GR 41 (Rezepturen I bis VII)beziehungsweise GR 54 (Rezeptur VIII) dar-gestellt.“Die Werte werden durch einen linearen Fitangenähert, der durch den Koordinatennull-punkt geht, da die Schmelzenthalpie Null seinmuss, falls dem Holzleichtbeton kein Paraffinbeigemischt ist. Als Ergebnis erhält man eineGerade mit der Steigung 0,63 (gestrichelte Li-nie).” Bei einem Granulatanteil von 100 % re-


speichermaterialien


113

schen den beiden Kurven berechnet. “Für denAufschmelzvorgang ergibt sich eine Schmelz-enthalpie von 13,26 J/g und für den Erstar-rungsvorgang 13,44 J/g. Mit der DDK-Mes-sung wird die Schmelzenthalpie an drei Pro-ben der Rezeptur VI untersucht. Die Wertebetragen HS = 15,382, 12,695 und 14,472 J/g.Somit ist eine gute Übereinstimmung zwi-schen den Messungen mit dem DDK unddem Sonnensimulator zu erkennen.”77

Ein ähnliches Ergebnis erhält man für dieMessung der Musterplatte aus Rezeptur III.

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dassdie vorliegenden Kenndaten zum thermischenVerhalten weitgehend die erste Einschätzungzu Holzleichtbeton ohne Latentwärmespei-chermaterialien bestätigen.Bei der Wärmeleitfähigkeit wird anhand derumfangreichen Messungen sichtbar, dassaufgrund des gegenüber Holz schwererenPCM-Materials, bei Rohdichten von 1000 bis1400 kg/m3, die λ-Werte im Bereich zwischen0,30 und 0,50 W/mK liegen. Damit schneidetdas Kompositmaterial im Vergleich mit Leicht-betonen (mit Quarz- oder Leichtsand) besser

ner höheren Temperatur gehalten wird als dieVorderseite.”76 Nach dem Einschalten derLampe kehrt sich dieser um (in der graphi-schen Darstellung negativ gewählt).(Abb. 7.64)

Betrachtet man den Temperaturverlauf aufund innerhalb der Musterplatte VI nach demEinschalten der Lichtquelle ist eine leichteVerzögerung der Temperaturzunahme inner-halb der Probe zu erkennen, die mit einerVerzögerung bei der Abnahme des Wärme-flusses in Abb. 7.65 übereinstimmt.“Im stationären Fall, ohne Wärmequellen oderWärmesenken innerhalb der Probe gilt die fol-gende Wärmeleitungsgleichung:

wobei d den Abstand zwischen den Tempera-tursensoren angibt. Berechnet man nun den Wärmestrom durchdie Probe VI mit dieser Gleichung, so weichtdieser Wert teilweise vom […] mit dem Wär-meflussmesser ermittelten Wert ab. Die Ab-weichung ist durch eine Wärmesenke bezie-hungsweise Wärmequelle innerhalb der Holz-leichtbetonprobe zur erklären. Für den Auf-schmelzvorgang des im Holzleichtbeton ent-haltenen PCM ist Energie notwendig, die derUmgebung entzogen wird (Wärmesenke).Deshalb ist der gemessene Wärmefluss(durchgezogene Linie) geringer als der be-rechnete (gestrichelte Linie).” Ist das gesamtePCM aufgeschmolzen beziehungsweise er-starrt, sind der gemessene und der berechne-te Wärmefluss identisch. Beim Erstarren desPCM wird schließlich Energie freigesetzt, waszu einer Wärmequelle führt. (Abb. 7.65) Zur Bestimmung der Schmelzenthalpie HS derHolzleichtbetonprobe wird die Fläche zwi-

λd

q =– (T2 - T1)

Abb. 7.61 Schematische Darstellung des Sonnen-simulators

Abb. 7.62 In den Sonnensimulator eingebauteHolzleichtbetonprobe. Davor in Bildmitteist ein Solarimeter zu erkennen, das dieauf die Probe einfallende Strahlungsin-tensität mißt

Abb. 7.63 Lichtquelle des Sonnensimulators, diedie Probe bestrahlt. Die Vorderseite desTeststands ist mit Weißglas bekleidet,um einen möglichst guten Strahlungs-durchgang zu gewährleisten



114

Abb. 7.64 Wärmefluss q und Bestrahlungsstärke s bei Vermessung der ProbeVI in Abhängigkeit von der Zeit t.

Abb. 7.65 Gemessener (durchgezogene Linie) und berechneter (gestrichelteLinie) Wärmefluss durch die Probe VI. Aus der Fläche zwischen denbeiden Kurven beim Aufschmelz- und beim Erstarrungsprozesslässt sich jeweils die Schmelzenthalpie bestimmen

15 20 25 30 35 40 45-80

-60

-40

-20

0

20

40

vom Wärmeflussmesser ermittelter Wärmefluss

Probe IV

aus dem Temperaturverlauf berechneter Wärmefluss

t / h

Wär

mef

luss

q /

W×××× m

-2

15 20 25 30 35 40 45-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

-100

0

100

200

300

400

500

600

700

800

WärmeflussBestrahlungsstärke

Probe IV

t / h

Wär

mef

luss

q /

W×××× m

-2

Bestrah

lun

gsstärke

s / W×× ××m

-2

ab. Allerdings fällt auf, dass die Wärmeleitfä-higkeitswerte der Rezeptur VIII etwa um 15 %und bei der Rezeptur V um 20 % gegenüberder Holzbetonausgangsmischung niedrigersind. Dies obwohl beide Mischungen in den jeweili-gen Messreihen den höchsten Speichergra-nulatanteil aufweisen.Betrachtet man die Ergebnisse zur spezifi-schen Wärmespeicherkapazität, zeigen sichim Vergleich der gemittelten Werte vor allembei den leichteren Mischungen Abweichungengegenüber den Messungen von 2000 im Be-reich von +/- 7 %. Auch hier ist der cp-Wertder Rezeptur V etwa 15 % niedriger.Auch die Validierung der Schmelzenthalpiedes PCM in den Holzleichtbetonproben undden Musterplatten ergibt eine gute Überein-stimmung von gemessenen und gerechnetenWerten.

Die guten thermischen Eigenschaften vonHolzleichtbeton werden insgesamt auch inder Kombination mit Latentwärmespeicher-materialien bestätigt. Indes ist aufgrund derhöheren Rohdichten die wärmedämmendeFunktion begrenzt. Somit liegen grundlegende Kennwerte vor,die als Grundlage für eine Potenzialabschät-zung von Holzleichtbeton mit PCM dienen.


speichermaterialien

Ergänzende Untersuchungen

115

seits eine Einschätzung der Holzleichtbeton-Ausgangs-Mischung zu erhalten und anderer-seits den Einfluss des PCM-Materials sowieder Additive Farbe und Fließmittel aufzuzei-gen. Im Rahmen der Betonage 380 werden aus denMischungen:- HLB+PCM (R VI) = Holzleichtbeton der

schweren Mischung mit PCM-Material- HLB (R VI) Rot 8 % = Holzleichtbeton der

schweren Mischung mit 8 % Farbzusatz- HLB (R III) Gelb 8 % = Holzleichtbeton der

leichteren Mischung mit 8 % Farbzusatzjeweils drei kleinformatige Prismen, mit denAbmessungen 40 x 40 x 160 mm, mitFrischbeton befüllt, verdichtet und in einer Kli-makammer81 gelagert. (Abb. 7.66+7.67) MitHilfe eines Messgerätes wird nach dem Aus-schalen täglich das Längenmaß der Prüfkör-pers ermittelt. (Abb. 7.68) Innerhalb von 28Tagen erfolgt jeweils an den Arbeitstageneine Messung der Prismen.

In zwei ergänzenden Betonagen (4+582) wer-den Prüfkörper zu den Mischungen- Holzleichtbeton (600) = leichte Ausgangs-

mischung (ρ ≈ 600 kg/m3)- HLB+PCM (R III) = Holzleichtbeton der

leichten Mischung mit PCM-Material- HLB (600) + FM = Holzleichtbeton der

leichten Mischung mit 1 % Fließmittelhergestellt.Hinsichtlich der Abweichungen in den Resul-taten muss bei der Interpretation die zeitlich

In Anknüpfung an die dargestellten grundle-genden materialspezifischen Untersuchungenwerden weitere wichtige Eigenschaften vonHolzleichtbeton mit Latentwärmespeicherma-terialien – als Material für Bauteile im Bereichvon Gebäudefassaden – ermittelt. Diese Ar-beiten beschäftigen sich ergänzend mit zweiParametern zum Materialverhalten bezie-hungsweise Gefügeaufbau. Damit eng ver-knüpft, sind Anforderungen an die Dauerhaf-tigkeit des Materials. Fragen zum Brandver-halten sowie Aspekte des Feuchteausgleichs-verhalten vervollständigen diese exempla-risch durchgeführten Prüfungen.78

7.8.1 Schwind-MessungenAls Schwinden wird eine lastunabhängigeVerformung des Betons beim Austrocknungs-prozess und dem damit einhergehenden Ab-klingen der Hydratationstemperatur bezeich-net. Wesentlichen Einfluss auf das Schwind-verhalten nimmt neben der Zusammenset-zung, insbesondere Zementart und -festig-keitsklasse, vor allem der W/Z-Wert. Für eingeringes Schwindmaß sollte dieser niedrigausfallen.79 Besonders für die Maßhaltigkeitvon Fertigteilen stellt das Schwindverhaltendes Betons eine wichtige Kenngröße dar.

Bereits im Zusammenhang mit der Betonage1 erfolgten Messungen zum Masseverlust vonHolzleichtbeton, bei denen aufgrund des ho-hen Feuchtegehaltes ein hohes Schwindver-halten des Materials erwartet werden musste.In Ergänzung zu den Festigkeitsuntersuchun-gen der Betonage 2 werden in drei SchrittenSchwind-Messungen an sechs unterschiedli-chen Mischungen durchgeführt.Ziel ist an ausgewählten Rezepturen einer-

7.8 Ergänzende Untersuchungen

Abb. 7.66 Prismenschalform auf Rütteltisch

Abb. 7.67 Prismen für Schwindmessungen mit auf-geklebten Messköpfen

Abb. 7.68 Messeinrichtung



116

zum Teil ein halbes Jahr auseinander liegen-de Herstellungszeit der Probekörper berück-sichtigt werden.

Betrachtet man die ersten Schwindmessun-gen kann man beim Verlauf drei Phasen un-terscheiden. Während bis zum dritten Tag eingleichmäßiger Anstieg bei allen Proben fest-zustellen ist, steigt bis kurz vor Ablauf der er-sten Woche das Schwindmaß der schwerenMischungen steiler, aber gleichmäßig an. Da-gegen verläuft dieser Prozess bei der leichtenfarbigen Mischung zunächst langsamer, ver-stärkt sich aber nach fünf Tagen. Nach einer Woche zeigen sich deutlich Unter-schiede im Austrocknungsverhalten. Bis zum16 Tag nimmt das Schwindmaß bei allen Pro-bekörpern stark zu, beim schweren Holz-leichtbeton um den Faktor 3, wobei die Farb-beimischung zu etwas höheren Werten führt,und bei dem leichten Holzleichtbeton mit ge-mittelten 4,74 mm pro Meter weit über denFaktor 5.Danach verlangsamt sich die Trocknung deut-lich, verläuft bei allen Mischungen etwa paral-lel; dabei nimmt das Schwindmaß jeweils um10 % zu. Ähnlich wie bei den Meßreihen zumMasseverlust von Prüfkörpern der Betonage 1ist dieser Prozess nach 28 Tagen keineswegsabgeschlossen. Auch für die folgenden Tageist ein Ansteigen der Kurve um weitere 3 bis 4 % festzustellen. (Abb. 7.69)

Abb. 7.69 Schwindmessung von unterschiedlichenHolzleichtbeton-Proben (MPA Bau/TUMünchen, 10.01.2003)

Abb. 7.70 Ergänzende Schwindmessung vonHolzleichtbeton-Proben (MPA Bau/TUMünchen, 03.07.2003 bzw. 16.07.2003«HLB (600) mit FM»)

Tage

Sch

win

dm

aß [

mm

/m]

0

1

2

3

4

5

6

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

HLB+PCM (R III)

HLB (600) mit FM

Holzleichtbeton (600)

Tage

Sch

win

dm

aß [

mm

/m]

0

1

2

3

4

5

6

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

HLB (R III) Gelb 8 %

HLB (R VI) Rot 8 %

HLB+PCM (R VI)


speichermaterialien


117

Da diese Rezeptur mit 0,35 den niedrigstenW/Z-Wert aller Mischungen aufweist (Konsi-stenzbereich C1/F1), überrascht das hoheSchwindmaß. Das Fließmittel scheint jedochdas Schwindverhalten nach vier Wochen zu-beenden, während der Kurvenverlauf bei denanderen beiden Proben darüber hinaus nocheinen schwachen Anstieg zeigt.Im Vergleich von Holzleichtbeton ohne undmit PCM schneidet die Ausgangsmischungmit 4,61 zu 5,24 mm/m etwa 10 % günstigerab. Das liegt wohl in dem gebundenen PCM-Material begründet, das zusätzlich nochFeuchte einlagern kann. (Abb. 7.70)

Somit bestätigen sich die ersten Einschätzun-gen: Mit dem Latentwärmespeichermaterialnimmt das Schwindverhalten zu, während einnachteilger Einfluss der Flüssigfarbe nicht ge-geben scheint. Ferner zeigen alle Probenohne Fließmittel, dass der Trocknungspro-zess nach 28 Tagen noch nicht abgeschlos-sen ist. Mögliche Optimierungsschritte sind inmehrfacher Hinsicht gegeben:- Vorbehandlung des Holzzuschlags- Verwendung anderer Zementarten- Einsatz von Fließmitteln

7.8.2 LuftporengehaltWie bereits beschrieben, wurde während derBetonage 2 mit dem Luftgehalt-Prüfgerät derLuftgehalt bestimmt, der als Hinweis für denVerdichtungsgrad und somit für den Gehaltan Luftporen im Frischbeton gilt.Die Druckfestigkeit und den angestrebtenFrost- und Tausalzwiderstand beeinflusst derLuftgehalt. Fällt dieser zu hoch aus, sinkt dieFestigkeit, wird dieser unterschritten, mindertdies die angestrebte Widerstandfähigkeit. “Auch ein optimal verdichteter Beton enthältnoch einen restlichen Luftgehalt von rund 1bis 2 Volumen-Prozent.” Bei Verwendung ei-nes Luftporenbildners kann dieser auf rund

Damit wird zunächst deutlich dass die schwe-rere Mischung mit höherem Zementanteil unddamit niedrigem W/Z-Wert ein kleineresSchwindmaß aufweist. Insgesamt ist bei derBetonage 3 festzustellen, dass sowohl beiRezeptur III als auch bei Rezeptur VI auf-grund des niedrigen Holzfeuchtegehalts derW/Z-Wert um etwa 80 % höher ist. Zwischenbeiden Mischungen weist der W/Z-Wert beiBetonage 2 und bei Betonage 3 eine Diffe-renz um den Faktor 1,6 auf. Somit spiegeltdas um etwa 40 % höhere Schwindmaß zwi-schen der leichten und den beiden schwerenHLB-Mischungen näherungsweise die Unter-schiede aus der Zusammensetzung und denFrischbetonwerten.Der Wert bei der farbigen Mischung fällt ge-genüber dem ‘Ausgangsmaterial’ um etwa 3 % höher aus, was auch auf das flüssige Ad-ditiv zurückgeführt werden kann.Insgesamt muss festgestellt werden, dassSchwindmaße zwischen 3,7 und 5,2 mm/mnoch recht hoch für baupraktische Anwendun-gen sind, allerdings innerhalb des Toleranz-bereichs im ‘klassischen’ Betonbau liegen.

In einer weiteren Messreihe kann anhand derleichteren Holzleichtbeton-Ausgangsmi-schung der Einfluss des PCM-Materials sowiedes Fließmittels (FM)83 auf das Schwindver-halten gezeigt werden.Gegenüber den vorgenannten Ergebnissenzeigen sich im Kurvenverlauf markante Unter-schiede. Die beiden Vergleichsmischungen(HLB + FM und HLB + PCM / R III) liegenquantitativ (5,18/5,24 mm/m) ziemlich nah beieinander; die Zugabe des Fliessmittel führt zueinem leicht niedrigeren Wert. Alle drei Mi-schungen verzeichnen zwischen dem drittenund sechsten Tag eine äußerst starke Zunah-me des Schwindmaßes. Interessant dabei ist,dass mit dem Fließmittelzusatz der Anstiegsich erst nach 2 Wochen verlangsamt.

Abb. 7.71 Aufnahme unter dem Mikroskop der Rezeptur III (Vergrößerung ≈ 20:1)

Abb. 7.72 Rezeptur III/5 (Darstellung ≈ 8:1)



118

Abb. 7.73 Luftporengehalt der hergestellten Holz-leichtbetonmischungen

“4 Volumen-Prozent gesteigert (für Beton mithohem Frost- und Tausalzwiderstand)” wer-den.84

Die bewusste Einbringung von Luft in das Be-tongefüge (Porenbeton) wird darüber hinauszur Verbesserung der Wärmedämmeigen-schaften genutzt und ermöglicht zudem einestarke Gewichtsreduzierung.

Betrachtet man die Luftgehalte der hergestell-ten Holzleichtbetonmischungen mit Speicher-granulat, zeigt sich bei den Rezepturen I bis Vein deutlich höherer Anteil an Luftporen (zwi-schen 13 und 20 %), während dieser bei denschweren Mischungen zwischen knapp 5 und13 % beträgt. Der niedrige Wert von RezepturVIII ist auch maßgeblich auf das eingesetztepulverförmige PCM-Material zurückzuführen.(Abb. 7.73)Die daraus resultierenden Einflüsse auf dieOberflächen lassen sich im Vergleich zweierProbestücke verdeutlichen. Bei der photogra-phischen Vergrößerung unter dem Mikroskopist bei der Rezeptur III (Luftporengehalt 17 %)die offenporige Struktur gut zu sehen, mit Po-ren zwischen 0,5 und 1 mm Größe. (Abb.7.71+7.72) Demgegenüber zeigt die RezepturVI (Luftporengehalt 13 %) aufgrund des höhe-ren Zementanteils eine geschlossenere Ober-fläche. (Abb. 7.74+7.75) Allerdings sind mitHolzleichtbeton auch bei sehr niedrigem Luft-porengehalt (5,6 %/Rezeptur VIII) ganz ge-schlossene, gefügedichte Strukturen nicht zuerzielen.

Abb. 7.74 Aufnahme unter dem Mikroskop der Rezeptur VI (Vergrößerung ≈ 20:1)

Abb. 7.75 Rezeptur VI/2 (Darstellung ≈ 5:1)

Abb. 7.76 Rezeptur VIII/1 (Darstellung ≈ 5:1)

Interessant erscheint darüber hinaus der Ver-gleich des Luftgehalts zwischen Frischbetonund Festbeton. Beim Materialprüfungsamt fürdas Bauwesen (MPA Bau) der TechnischenUniversität München hat man dazu eine Soft-ware zur Ermittlung des Porenanteils entwik-kelt. Zunächst werden bis zu 40 Sektoren derOberfläche des Probenkörpers in starker Ver-größerung abgescannt. Das Programm identi-fiziert nun Fehlstellen, berechnet und sum-miert deren Flächenanteile und setzt diese inRelation zur jeweilig vorab bestimmten Ge-samtfläche des Sektors.Für 4 Mischungen können somit die Luftpo-rengehalte des Festbetons abgeschätzt wer-den. Diese liegen mit Werten zwischen 2,5und 5,8 % etwa um den Faktor 2 bis 3 unterdenen des Frischbeton-Luftgehalts.Neben diesen Untersuchungen zum Gefügedes Holzleichtbetons ermöglichen diese Ar-beitsschritte auch das Studium der Mate-rialoberflächen hinsichtlich der Verteilung derZuschlagsstoffe, Größenrelationen etc.So zeigt sich zum Beispiel, dass die Siebfrak-tionen des Speichergranulats bei den Rezep-

Frischbeton-Rohdichte [kg/m3]

0

5

10

15

20

25

1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600

HLB+PCM

Linear (HLB+PCM)

Lu

ftg

ehal

t [[

%]


speichermaterialien


119

Frost-Tausalz-Angriffe mit hoher Zuverlässig-keit bestimmt werden.87

Für den Holzleichtbeton und dessen Einsatz-bereiche stellt die Hauptbeanspruchung dieFrost-Tau-Wechselbelastung dar. Daher wirdentschieden, die Untersuchungen mit demCIF-Test88 durchzuführen, bei dem die innereSchädigung des Betons durch einen definier-ten Frostangriff bestimmt wird. Mit diesemstandardisierten Verfahren wird im Labor“durch Frost-Tau-Wechselbelastung einSchaden erzeugt, der von der äußeren Mate-rialoberfläche nach innen fortschreitet. DerAbfall von E-Modul und Festigkeit wird alsMaß für die Betonschädigung gemessen.”89

Die Untersuchungen werden am WilhelmDyckerhoff Institut für Baustofftechnologie inWiesbaden durchgeführt.

Dieser CIF-Test erfolgt an jeweils einer Mi-schung aus jeder Rezepturreihe. Für die er-forderlichen 5 Probekörper wird jeweils eineleichtere sowie eine schwerere Mischung ge-wählt. Der Holzleichtbeton der Rezeptur IIIweist mit 14 % Holz- und 18 % PCM-Masse-anteil einen mittleren Wert auf, Rezeptur VIwird dagegen gewählt, weil diese Mischungmit 9 % den höchsten Holz-Masseanteil (24 % PCM) der schwereren Reihe hat.

Zunächst werden die Prüfkörper in einen La-gerungsbehälter gegeben. Am Behälterbodenbefindet sich der Abstandshalter von 5 mmund die Prüfflüssigkeit (demineralisiertesWasser). In einer Kühltruhe erfolgt die Steue-rung der Frost-Tau-Zyklen nach den im CIF-Test von Prof. Setzer vorgegeben Zeiten undTemperaturen. (Abb. 7.77+7.78)Nach jeweils 14, 28, 42 und 56 Frost-Tau-Wechseln wird die Abwitterung an den Probe-körpern mittels Ultraschallbad gelöst und diePrüfflüssigkeit gefiltert. (Abb. 7.83) Fernerwird die Schalllaufzeit im Wasserbad ermittelt.

turen nicht vollständig voneinander getrenntwerden konnten. In der Oberfläche einer Re-zeptur VIII-Probe sind deutlich sichtbar größe-re 3 mm-Partikel zu erkennen. (Abb. 7.76)Gleichwohl sieht man in den Vergrößerungenbereits eine gute, ausgewogene Verteilungder Zuschlagsstoffe sowohl in Bezug auf diegewählten Korngrößen als auch auf derenAnordnung im Materialgefüge.

7.8.3 Frost-Tau-WechselbeständigkeitEin wesentliches Ziel beim Betonbau ist dieSchaffung eines äußerst dichten Gefüges so-wie einer geringen Porosität der Oberfläche,damit der Beton vor dem Eindringen insbe-sondere von Wasser geschützt ist.Zum Verarbeiten benötigt man in der Regelmehr Wasser, als für das Erhärten des Ze-ments erforderlich ist. Dieses überschüssigeWasser hinterlässt später im erhärteten Betonein System haarfeiner Kapillarporen. Das dar-in enthaltene Wasser dehnt sich beim Gefrie-ren aus und erzeugt einen starken Druck aufdie Porenwandungen, was zu Zerstörungenim Gefügeverbund führen kann.85

Der Holzleichtbeton – vor allem die leichterenMischungen – weist ein sehr poröses Gefügeauf. Demgegenüber erfordert der Einsatz vonBeton im Außenbereich von Fassaden füreine ausreichende Widerstandsfähigkeit inder Regel sehr dichte Oberflächen.Die Gewährleistung der Beton-Dauerhaftigkeiterfolgt mittels einer Prüfung am Festbetondurch die Ermittlung der Wassereindringtiefeund der Druckfestigkeit. Allerdings ist eineeinheitliche Prüfmethode für jede geforderteBetoneigenschaft aufgrund der vielfältigenUmweltbeanspruchungen nicht gegeben. ZurPrüfung der Widerstandsfähigkeit von Betonsind in den letzten Jahren zwei Prüfmethodenentwickelt worden.86 Mit diesen kann die be-sondere Eignung von Beton gegen Frost- und

Abb. 7.77 Truhe zur Steuerung der Frost-Tau-Zyklen

Abb. 7.78 Lagerungsbehälter mit Prüfkörper



120Wasseraufnahme [%]

rel.

dyn

. E-M

od

ul [

%]

rel.

dyn

. E-M

od

ul [

%]

Frost-Tauwechsel

Frost-Tauwechsel

Ab

wit

teru

ng

[kg

/m2 ]

Abb. 7.80 Auswertung AbwitterungRezeptur III (‘leicht’)

Abb. 7.81 … relativer dynamischerE-Modul Rezeptur III(‘leicht’)

Abb. 7.82 … Wasseraufnahme Re-zeptur III (‘leicht’)

Mit einem Messgerät (Pundit) lassen sich an-hand der Schallimpulsübertragungen die Ver-änderungen im Materialgefüge bestimmen.(Abb. 7.84) Die Auswertung der Messwerteerfolgt nach dem CIF-Verfahren.

Die Untersuchungen zeigen bei beiden Holz-leichtbeton-Mischungen aufgrund der festge-stellten Veränderungen des relativen dynami-schen E-Moduls, einen geringen Schädi-gungsgrad des Materials. Den Richtwert(1500 g/m2) für eine maximale Abwitterungunterschreiten die Proben deutlich.Diese Ergebnisse stellen, zumindest von denAusgangsbedingungen her gesehen, zu-nächst in der Form eine gewisse Überra-schung dar. Erstaunlich ist darüber hinaus,dass hinsichtlich der Schädigungen am Mate-rial gerade die leichte Mischung mit einem

Probendaten:

Proben-Kennzeichnung:

Herstelldatum:

Prüfdatum:

Prüfalter:

Ergebnisse als Mittelwerte

Zahl der F-T-Wechsel

Abwitterung

Rel. dyn. E-Modul

Wasseraufnahme

Rezeptur III / 1+4

13.05.2002

Rezeptur VI / 1+4

13.05.2002

3.07.2002

51 Tage

3.07.2002

51 Tage

56 Wechsel

53 g/m2

56 Wechsel

92 g/m2

96,0 %

21,5 Vol.%

95,6 %

8,0 Vol.%

Abb. 7.79 Prüfung der Frost-Tau-(F-T-)Wechselbeständigkeit nach demCIF-Verfahren. Probendaten des Prüfbericht Nr.: 2002000284 (R III) und Prüfbericht Nr.: 2002000285 (R VI)


speichermaterialien


121

Abwitterungswert von 53 g/m2 fast um dieHälfte unter dem der schweren Mischung mit92 g/m2 liegt. (Abb. 7.79–7.82)Wie erstaunlich gering der Schädigungsgradnach 56 Frost-Tau-Wechseln bei den beidenMischungen ist, wird ebenfalls an den Ober-flächen der Probenstücke sichtbar. (Abb. 7.85–7.88)

Einer der Gründe für den guten Frost-Tau-Wi-derstands von Holzleichtbeton scheint die be-sondere ‘Zähigkeit’ des Gefüges von Zement-Holz-Wasser-Mischungen zu sein, das trotzoffenporiger Oberflächen Abplatzungen ver-hindert. Allerdings sind die spezifischen Phä-nomene auf materialtechnologischer Ebenenoch im Einzelnen zu bestimmen.

7.8.4 BrandversucheDie Baustoffe werden, wie bereits in Kapitel5.3.5 dargelegt, hinsichtlich ihres Brandver-haltens, das auch von der Art der Zuschlags-stoffe und ihrer Einbindung in das Materialge-füge bestimmt ist, in zwei Hauptkategorienunterschieden: (Abb. 7.89)- nicht brennbar (Klasse A)- brennbar (Klasse B)

Abb. 7.83 Wiegen der Proben nach jedem Frost-Tau-Zyklus

Abb. 7.84 Prüfeinrichtung zur Messung der Schall-laufzeit

Abb. 7.85 Probe 284_1(Rezeptur III/‘leicht’) vor Prüfung

Abb. 7.86 … nach Prüfung

Abb. 7.87 Probe 285_1 (Rezeptur VI/‘schwer’) vor Prüfung

Abb. 7.88 … nach Prüfung



122

Im Betonatlas heißt es zum Beton, dass alleArten “aus natürlichen Zuschlägen und ausBlähton, Blähschiefer oder Hüttenbims […]nicht brennbare Baustoffe der Klasse A 1”sind.90

Für den Holzleichtbeton zeigen die Untersu-chungen an der EPF Lausanne/I-Bois, dassbei einem Holzmasseanteil < 15 % maximaldie Baustoffklasse A 2 möglich ist. Davonausgehend, stellt sich die Frage ob für die Mi-schungen mit einem PCM auf paraffinischerBasis (= ‘reines’ Wachs = brennbar) dieseEinstufung überhaupt zu erreichen ist.Nach den vorliegenden Erfahrungen der Fa.RUBITHERM mit organischen PCM-Materiali-en sind jedoch bei einem reinen PCM-Anteilvon ≤ 15 % keine brandschutztechnischenProbleme zu erwarten.91 Bei den Mischungender Betonage 2 weist die Rezeptur VIII mit29-Masse-Prozent den höchsten PCM-Anteilauf. Da bei diesen PCM jedoch etwa 2/3 derMasse das Verbundmaterial einnimmt, wirddieser (Grenz-)Wert nicht überschritten.

Zur Einschätzung und Überprüfung desBrandverhaltens von Holzleichtbeton mit La-tentwärmespeichermaterialien erfolgen zweiexperimentelle Untersuchungen. Zunächstwird in einem Kleinbrandofen eine Musterplat-te eingesetzt um die Feuerwiderstandsdauerzu testen. In einem weiteren Schritt werdenPlatten von zwei verschiedenen Rezeptureneinem Brandschachttest unterzogen.

Der Kleinbrandofen-Test erfolgt am Institut fürHolzforschung der Technischen UniversitätMünchen.92 Dabei wird eine Musterplatte derRezeptur V93, mit den Abmessungen 520 x520 x 60 mm, vor die Heizkammer einesKleinbrandofens eingesetzt. An der außenlie-genden Oberfläche befinden sich fünf Mess-fühler, die jeweils die Oberflächentemperaturaufzeichnen. (Abb. 7.90+7.91)

320

440

520

TE 1 TE 2

TE 3 TE 4

TE 5320

440

520

Abb. 7.90 Position der Messfühler (TE) Abb. 7.91 Musterplatte im Kleinbrandofen

Baustoff-klasse

Bauaufsichtliche Zulassung

Materialien (Auswahl) *

A

A 1

nicht brennbare Baustoffe

Zement, Beton, Glas, Metall,Steinzeug, Keramik

A 2

B

B 1

B 2

brennbare Baustoffe

Gipskartonplatten, Mineral-faserplatten m. org. BM

schwerentflammbar

normalentflammbar

Holzwolleleichtbauplatten

Holz und Holzwerkstoffe mit d = > 2 mm

B 3 leichtentflammbar Holz mit d = < 2 mm, Papier

Abb. 7.89 Einteilung von Baustoffen entsprechend ihrem Brandverhalten inBaustoffklassen nach DIN 4102-1, Mai 1998, S. 3* Vgl. Rostásy, 1983, S. 66


speichermaterialien


123

Die Aufheizung des Ofens erfolgt anhand ei-nes standardisierten Verlaufs. Der Versuchwird beendet, wenn einer der Messfühler eineTemperatur von ≥ 200 °C feststellt oder imMittel alle fünf Messfühler eine Temperaturvon mehr als 150 °C anzeigen.

Betrachtet man den Temperaturverlauf, zeigtsich ein ausgeprägter ‘Sattel’, der nach 30 Mi-nuten und einer Oberflächentemperatur vonetwa 75 °C einsetzt. In der folgenden halbenStunde steigen die gemessenen Temperatu-ren geringfügig auf etwa 85 °C. Danach lässtsich ein steiler Anstieg feststellen bis nach 80Minuten Versuchszeit die Solltemperaturüberschritten wird und die Platte entflammt.(Abb. 7.92– 7.95)Das Ergebnis ist zunächst angesichts des‘hohen’ PCM-Anteil (23 Masse-Prozent) sehrpositiv. Welchen Einfluss das ‘höhergrädige’

Abb. 7.92 Gemessene Temperaturen auf der Probe während des Versuchesim Kleinbrandofen beim Institut für Holzforschung/TU München

Abb. 7.93 Blick in die Heizkammer des Kleinbrand-ofens nach etwa 30 Minuten. An densich unter der Temperaturerhöhung bil-denden Rissen in der Plattenoberflächeist deutlich die austretende Feuchte desMaterials zu sehen

Abb. 7.94 … nach etwa 60 Minuten

Abb. 7.95 … nach etwa 80 Minuten, die Muster-platte beginnt zu entflammen

0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

TE 1TE 2TE 3TE 4TE 5

Heizdauer [min]

Tem

per

atu

r [°

C]



124

Abb. 7.96 Brandschacht (auf dem Photo keineHolzleichtbeton-Proben) vor dem Prüfverfahren

Dicke Raum-gewicht

R III

[mm]

28,5

[kg/m3]

689

Glüh-verlust

Rest-länge

[%]

42,7

[cm]

VS: 37*

R VI 32 980 38,7 VS: 46*

Abb. 7.97 Brandschachtergebnisse der Holzleicht-betonplatten Rezeptur III und VI, durch-geführt beim Otto-Graf-Institut (FMPA)/Universität Stuttgart (Vaihingen)* RS: unversehrt

min im Integral) auch Probleme bei der fürBaustoffklasse A 2 erforderlichen Rauchga-sentwicklung, sowohl unter Verschwelungs-bedingungen als auch unter Luftzufuhr” be-stehen.97

Daraus resultiert, dass Holzleichtbeton mitPCM-Material nur in Baustoffklasse B 1, alsbrennbarer, aber schwerentflammbarer Bau-stoff, einzustufen ist.98

7.8.5 Untersuchungen zum Feuchteaus-gleichsverhalten 99

Das feuchtetechnische Verhalten von Bau-stoffen hat viele baupraktische Bedeutungen.So kann eindringende Feuchte zu Schädigun-gen im Material führen und Feuchteänderun-gen können Verformungen verursachen.Feuchtigkeits- und Wärmeschutz sind eben-falls eng miteinander gekoppelt, da eineDurchfeuchtung des Materials den Wärme-durchgangswiderstand mindert. Für Innenräu-me stellen das Wasseraufnahme- (Sorption,das heißt die Eigenschaft Feuchte in den Po-ren einzulagern) und Wasserabgabevermö-gen (Desorption) wichtige Parameter dar.Die Feuchtigkeitsaufnahme kann durch Was-serdampfdiffussion oder durch kapillare Lei-tung erfolgen. Ebenso zu beachten ist die Ab-gabe von Feuchte, die durch den Feuchtig-keitsübergang auf der Bauteiloberfläche so-wie den Feuchtigkeitstransport aus dem Inne-ren bestimmt wird.100

Bei plötzlichem Anstieg und Schwankungender relativen Luftfeuchte müssen die Baustof-fe von Innenräumen Feuchte aufnehmen,speichern und später durch Trocknung wiederabgeben. Sie tragen zur Regulierung desRaumklimas bei. Hinsichtlich der Sorptionsfä-higkeit zeigt sich, dass organische Stoffe(Holz, Wollstoffe etc.) im Vergleich zu anorga-nischen Stoffen, wie Beton “erheblich mehrFeuchte speichern können.”101

RUBITHERM-Material, mit einer Schmelz-punkt von etwa 45 °C, einnimmt, kann an-hand solch eher einfacher Untersuchungsauf-bauten nur schwer abgeschätzt werden. In-des lässt der Kurvenverlauf vor allem daraufschließen, dass die im Holzleichtbeton gebun-dene Feuchtigkeit ein wesentlicher Grund fürdas retardierende Verhalten darstellt. Nach-dem das Wasser verdampft ist, verringert sichdie Brandwiderstandsdauer erheblich.94

Bei den zweiten Untersuchungen zum Brand-schutz werden jeweils vier Musterplatten derRezepturen III sowie VI, mit den Abmessun-gen 190 x 1100 x 30 mm, bei dem Otto-Graf-Institut (FMPA) der Universität Stuttgart (Vai-hingen) nach DIN 4102, Teil 1 im Brand-schacht geprüft.95

“Der Brandschacht besteht aus einem senk-recht stehenden Gehäuse mit quadratischemQuerschnitt, in das von unten ein gleichblei-bender Luftstrom eingeblasen und aus demoben Rauchgas abgeführt wird.” Darin “befin-det sich ein quadratischer Gasbrenner zurBeflammung der Proben, die in einem Gestellschlotartig um den Brenner angeordnetsind.”96 (Abb. 7.96)

Die Ergebnisse zeigen das für Zement gebun-dene Spanplatten typische Brandverhalten.Es besteht eine für A 2 (also > 35 cm) ausrei-chend große Restlänge bei der Materialprobe.Der höhere Zementanteil in Rezeptur VI ge-genüber Rezeptur III wird in der unterschiedli-chen Restlänge auch sichtbar. (Abb. 7.97)Während des Brandschachttests entsteht je-doch eine zu hohe maximale Rauchgastem-peratur. Diese liegt bei beiden Rezepturen bei132 °C. Damit wird der Grenzwert für B 1 < 200 °C unterschritten, aber nicht die für A 2geforderten < 125 °C. Zudem ist festzustellen,dass bei der maximalen “Rauchgasdichte vongemessenen 8 % (beziehungsweise 33 % ·


speichermaterialien


125

bis 60 Minuten einen sprunghaften Anstieg,der je nach Material gedämpft wird.In fünf Versuchsreihen werden neben denbeiden Holzleichtbetonproben Sperrholz,Kunststoff und Gipskarton in verschiedenenKombinationen hinsichtlich des Feuchteauf-nahmeverhaltens betrachtet.103 Die kombinier-te Abbildung von Temperatur und relativerFeuchte ermöglicht im direkten Vergleich dieDarstellung der Wechselwirkungen. Die Ordi-natenachse zeigt die Anzahl der Messpunkte;bei den statischen Messungen erfolgt die Auf-zeichnung der Feuchte- und Temperaturwertealle 30 Sekunden.

Der Versuch104 mit Holzleichtbeton ‘leicht’ undSperrholz startet in der Prüfkammer bei einerTemperatur von 23,7 °C und relativen Luft-feuchte von ≈ 67,8 %. Im Vergleich zeigt sichnach einem ersten Messdurchgang (22 Stun-den), dass beim Sperrholz deutlich mehrWasser verdunstet (6,70 g, etwa 20 %) alsbeim Holzleichtbeton (5,55 g), das heißt dieReferenzprobe weist ein höheres Feuchteauf-nahmevermögen auf. Über einen fast dreifachso langen Zeitraum in getauschten Kammerndurchgeführt bestätigt sich das Ergebnis (HLB15,9 g vs. Sperrholz 17,5 g). Die Differenz beider Wasserverdunstung fällt jedoch deutlichgeringer aus (≈ 10 %). (Abb. 7.101) Daraus resultiert, dass sich über einen länge-ren Zeitraum die Feuchteaufnahme des leich-teren Holzleichtbetons dem günstigen Verhal-

Dies gilt als ein Grund für die physiologischhäufig als problematisch empfundenen Sicht-betonflächen in Innenräumen.

Der Holzleichtbeton (mit oder ohne Latent-wärmespeichermaterialien) kann als Kompo-sitmaterial durch den Holz-Anteil, auch wennder Anteil des organischen Zuschlagsstoffs < 17 Masse-Prozent beträgt, im Verbundbeim Feuchte-Verhalten deutlich besser ab-schneiden. Daher erfolgen an den Rezeptu-ren III und VI ebenfalls Untersuchungen zumFeuchteausgleichsverhalten bei der Fa. Del-zer Kybernetik in Lörrach.Diese Materialprüfung lässt sich mittels zwei-er unterschiedlicher Methoden durchführen:Mit einem so genannten “statischen” oderdem “dynamischen” Messverfahren. Beide beider Fa. Delzer entwickelten und eingesetztenPrüfungen werden in einer geschlossenenund isolierten Kammer durchgeführt. (Abb. 7.98+7.99)

Bei dem statischen Verfahren wird in derPrüfkammer über eine definierte Wasserober-fläche eines Behälters Wasser verdunstet.Die während des Zeitverlaufs gemessenenParameter (Abb. 7.100) sind die relativeFeuchte und die Temperatur. Nach Abschlussdes Tests wird die verdunstete Wassermengeüber den verbliebenen Anteil ermittelt. An-hand dieser Werte können unterschiedlicheMaterialproben miteinander verglichen wer-den.102

Der Versuchsaufbau startet bei einer Tempe-ratur von 25 °C, bei der sich eine relativeFeuchte zwischen 65 und 70 % in der Kam-mer einstellt. Unter den nahezu konstantenBedingungen verdunstet Wasser und derWassergehalt in der Luft steigt an. In Abhän-gigkeit vom Feuchteaufnahmevermögens desProbenmaterials verändert sich die relativeFeuchte. Die Verläufe zeigen in den ersten 30

Abb. 7.98 Versuchsaufbau (mit Holzleichtbeton-probe) und Messeinrichtung bei derFa. Delzer Kybernetik/Lörrach

Abb. 7.99 Verwendete Materialproben

Abb. 7.100 Erfasste Meßgrößen

Versuchs-platte

Gewicht Abmes-sungen

Holzleicht-beton (R III)

[kg/m3]

≈ 1000

[cm]

40 x 60

Holzleicht-beton (R VI)

Sperrholz(Referenz)

≈ 1300 40 x 60

40 x 60

Meßgrößen

%rF

°C

relative Feuchte in Prozent

Temperatur in °C

li_Box

re_Box

HLB (1)

HLB (2)

linke Prüfkammer

rechte Prüfkammer

leichtes Element

schweres Element



126

Abb. 7.101 Vergleich des Feuchteaufnahmeverhaltens von Sperrholz (blau)und Holzleichtbeton ‘leicht’ (gelb)105 (Versuch 22, Fa. Delzer Kybernetik/Lörrach)

Abb. 7.102 Vergleich des Feuchteaufnahmeverhaltens von Holzleichtbeton‘leicht’ (blau) und Holzleichtbeton ‘schwer’ (gelb)(Versuch 24, Fa. Delzer Kybernetik/Lörrach)

Tem

per

atu

r [°

C]

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ativ

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euch

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%]

Meßpunkte

Tem

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C]

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ativ

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euch

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%]

Meßpunkte

ten von (Sperr-)Holz deutlich annähert.Betrachtet man die beiden Holzleichtbetonmi-schungen miteinander zeigt sich, das dieFeuchteaufnahme bei dem leichteren, porö-sen Material etwa um 10 % höher ausfällt. Al-lerdings ist über den Meßzeitraum (20 Stun-den) eine kontinuierliche Angleichung festzu-stellen. (Abb. 7.102) Der Vergleich106 des schwereren Holzleicht-betons mit einer Gipskartonplatte zeigt einenähnlichen Verlauf. Hierbei ist der Einfluss derKartonbeschichtung auf die Feuchteaufnah-me noch zu klären.

Über diese “statische” Untersuchung hinausberücksichtigt ein dynamischer Test desFeuchteausgleichsverhaltens die gesamtenMaterialeigenschaften (Masse, Speicherfähig-keit, Wärmeleitung, Feuchteaufnahme undFeuchtetransport) als Einflussparameter. Die-se Untersuchungen erfolgen über Abküh-lungs- und Erwärmungsvorgänge in dersel-ben luftdichten Kammer. Temperatur und re-lative Feuchte sind variabel einzustellen. ImVerlauf des Tests wird der Messkammer Wär-me entzogen und wieder zugeführt. Bei Wär-mentzug kühlt sich der Raum ab; an der Kühl-fläche kondensiert die Feuchte, die beim Auf-heizen wieder verdampft. “Die Eigenschaften des Prüfmaterials in derSchnelligkeit der Feuchteaufnahme über dieOberfläche und den Weitertransport ins Mate-rial sowie die Feuchteaufnahme im Materialbeeinflussen die relative Feuchte in der Prüf-kammer.”107

Wird nun beim “Abkühlen vom PrüfmaterialFeuchte abgegeben, sinkt die Abnahme derrelativen Feuchte langsamer. Das Gleiche giltin umgekehrter Form für den Aufheizvorgang.Ist die Oberfläche aktiver [das heißt nimmtdas Material Feuchte auf], wird die Anfangs-spitze bei der relativen Feuchte im Testraumgeringer ausfallen. Ist die Feuchteweiterlei-


speichermaterialien


127

tung in das Material dahinter groß”, werdendie “gesamte[n] Feuchteschwankungen” inder Prüfkammer im Testraum geringer.108

Wie bei dem “statischen” Verfahren werdendie Abläufe reproduzierbar, das heißt “parallelin zwei Prüfkammern und zur Elimination vonUnterschieden in der Prüf- und Messvorrich-tung mit ausgetauschten Proben”, durchge-führt. Dadurch lassen sich die Ergebnisse mit“unterschiedlichen Prüfobjekten direkt verglei-chen und bewerten.” Als Referenzprobe dientebenfalls eine Sperrholzplatte, da dieses Ma-terial “sehr gute und reproduzierbare Ver-gleichsgrößen” liefert.109 Auswertung und Aufzeichnung erfolgen ana-log der vorher dargestellten Weise, allerdingsmißt das Messgerät den Feuchte- und Tem-peraturwert in der Prüfkammer pro Minute,das heißt bei Versuch 13 ist eine Versuchs-dauer von 20 Stunden abgebildet. (Abb. 7.103)

Die Messung110 beginnt mit 63,9 beziehungs-weise 62,7 % relativer Feuchte und 19,8 be-ziehungsweise 19,4 °C Temperatur in denBoxen (links/rechts). Nachdem sich dieFeuchte bei etwa 79 % (Holzleichtbeton‘schwer’) und 81 % (Holzleichtbeton ‘leicht’)eingependelt hat, wird nach etwa 7 Stundendie Temperatur auf knapp 0 beziehungsweise2 °C heruntergefahren. Mit dem Temperatur-abfall sinkt die Feuchte auf Werte um 50 %.Kontinuierlich fährt man anschließend dieTemperatur in der Prüfkammer wieder bis aufetwa 14,5 °C herauf, um damit das Feuchte-ausgleichsverhalten der Probekörper zu te-sten. Dabei fällt zunächst auf, dass bezüglichder Temperaturschwankungen das schwerereElement träger reagiert.

Interessant ist der Vergleich111 zwischen demleichten Holzleichtbeton und dem Sperrholz.

Abb. 7.103 Vergleich des Feuchteausgleichsverhaltens von Holzleichtbeton‘leicht’ (blau) und Holzleichtbeton ‘schwer’ (gelb) (Versuch 13, Fa. Delzer Kybernetik/Lörrach)

Abb. 7.104 Vergleich des Feuchteausgleichsverhaltens von Sperrholz undHolzleichtbeton ‘leicht’ (gelb) (Versuch 17, Fa. Delzer Kybernetik/Lörrach)

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Meßpunkte

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%]

Meßpunkte



128

7.9 Potenzialabschätzung

Aufbauend auf den materialspezifischen Un-tersuchungen soll114 eine Potenzialabschät-zung zu den Holzleichtbetonmischungen mitPCM-Material durchgeführt werden.Forschungsarbeiten zu Einsatzmöglichkeitenvon Latentwärmespeichermaterialien im Bau-bereich zeigen, dass eine ‘effiziente’ Verwen-dung vor allem bei der Reduktion von som-merlicher Überhitzung in Verwaltungsbautenzu erwarten ist.115 Daher wird anhand einesSüd orientierten Büroraums das thermischeVerhalten von Holzleichtbeton (mit und ohneBeimischung von PCM) in insgesamt sechsVarianten verschiedener Trennwandaufbau-ten untersucht. Die Arbeiten werden beimZAE Bayern, Abt. 4: Solarthermie und Bio-masse, in Garching durchgeführt.

7.9.1 Einflüsse sommerlicher ÜberhitzungBetrachtet man das thermische Verhalten vonGebäuden, so ist vor allem in der Hitzeperi-ode über den Tag ein Anstieg der Raumluft-temperatur festzustellen, das heißt es erfolgteine ‘Anpassung’ an die Außentemperaturen.

Die Raumlufttemperatur ist Resultat viel-schichtiger Wechselwirkungen zwischen äu-ßeren und inneren Einflüssen: - Lage und Standort des Gebäudes- Materialwahl und Konstruktionsart - Anteil von Öffnungsflächen- Solarstrahlung- Interne Wärmeeinträge, von Personen,

Bürogeräte, Belichtung, Heizung, Lüftungund gegebenenfalls Kühlung

- Art, Maß und Häufigkeit von Lüftungsvor-gängen

Eine vereinfachte Darstellung kann wesentli-che Grundphänomene der sommerlichen

Wirkung, das heißt der Verringerung vonSchwankungen der relativen Luftfeuchte oderPufferung von Feuchtespitzen, wie sie beimDuschen auftreten, einen guten und wirksa-men Beitrag leisten. Dies hat zum Beispiel konkrete Auswirkungauf die Lüftung von Gebäuden. Bei Materiali-en mit gutem Feuchteverhalten kann insbe-sondere im Winter und in der Übergangszeittagsüber der hygienisch erforderliche Luft-wechsel zum Abführen der Raumluftfeuchteausreichen, wenn kurze, zeitlich begrenzteBelastungsspitzen hinsichtlich des feuchtebe-dingten Frischluftbedarfs (zum Beispiel beiVersammlungsräumen) durch das Materialder Umschließungsflächen gepuffert werden.Dadurch können Lüftungsanlagen kleiner di-mensioniert werden, mit dem Effekt signifi-kanter Energie- und Kosteneinsparungen.

Die durchgeführten Untersuchungen sehrvielschichtiger physikalischer Wirkmechanis-men dienen zweierlei: zunächst einer erstenEinschätzung des Materials hinsichtlich desFeuchteaufnahme- und -ausgleichsverhal-tens; darüber hinaus stellen die generiertenDaten eine wichtige Basis für eine komplexe,auf eine kybernetische Betrachtung basieren-de dynamische Gebäudesimulation für Wär-me und Feuchte dar. Für eine solche Untersuchung, die auch einenVergleich unterschiedlicher Wandaufbautenermöglicht, ist eine breite Datenlage zumHolzleichtbeton geschaffen worden.

Gegenüber der Referenzprobe ist die relativeFeuchte im Prüfraum beim Holzleichtbetonum 5 bis 6 % geringer, das heißt das Materialpuffert mehr Feuchte. Dieser Effekt wird beider Gegenprobe noch stärker sichtbar; dieUnterschiede betragen zwischen 10 und 11 %.112 (Abb. 7.104)

Die Messungen liefern für den Holzleichtbe-ton “ein sehr gutes Ergebnis”. Beim Feuchte-ausgleichsverhalten schneidet dieser gegen-über der Referenzplatte aus Sperrholz nur ge-ringfügig schlechter ab. Im Vergleich derHolzleichtbeton-Mischungen verhält sich dieschwerere Rezeptur etwas günstiger. Zwarkann das leichtere, porösere Material besserdie Feuchte aufnehmen, puffert jedoch nichtim gleichen Maße die Wärme. “Der Hauptgrund liegt in der größeren Massebei gleichzeitig etwas schlechteren Eigen-schaften im Feuchtverhalten (Aufnahme undTransport). Für die Kurzzeitdynamik hat sichdas etwas günstiger ausgewirkt. Die größereMasse sorgt für ein größeres Beharrungsver-mögen bei der Temperatur, das etwasschlechtere Feuchteverhalten sorgt für einelängere höhere Feuchte in der Prüfkam-mer.”113

Diese Einschätzungen des Holzleichtbetonssind eher von qualitativer ‘Natur’, das heißtprinzipielle Vorgänge des Feuchte- und Wär-meverhaltens des Baustoffs konnten in einemvalidierten Versuchsaufbau ermittelt werden.Eine quantitative Bewertung, insbesonderehinsichtlich der (primär-)energetischen Aus-wirkungen des Materialeinsatzes, ist (noch)schwierig, da es sich hinsichtlich Raumklimaund Wärmehaushalt von Gebäuden um einenTeilaspekt handelt.Zur Regulierung eines als behaglich empfun-denen Raumklimas können Materialien wieder Holzleichtbeton mit ihrer stabilisierenden


speichermaterialien


129

Ferner belegen Untersuchungen von Büroge-bäuden, dass der Komfortbereich nach DIN1946118 durch passive Kühlungsstrategienselbst in Hitzeperioden “(fast) immer einge-halten werden” kann. Passive Kühlung mitNachtlüftung erfordert jedoch eine strikte Re-duzierung solarer und interner Wärmelastenüber den Tag und eine wirksame Nutzung derthermischen Speichermasse im Gebäude.119

Durch die kühlere Außenluft kann der Büro-raum mit steigender Nacht-Luftwechselrate,zum Beispiel durch geöffnete Fenster oderein aktives Lüftungssystem, effizienter ‘ent-wärmt’ werden. Bleiben die Fenster indesüber Nacht geschlossen, kann die Tempera-tur im Büro am nächsten Morgen noch 25 °Cbetragen. Unter gleichen Witterungsbedin-gungen führt dies zu einer stärkeren Erwär-mung des Raumes am nachfolgenden Tag.

Diese (etwas vereinfacht) dargestellten Ein-flüsse verdeutlichen folgende wichtige Zu-sammenhänge: Für die Vermeidung von som-merlicher Überhitzung stellt neben den exter-nen und internen Lasten die thermische Spei-cherkapazität der Materialien einen wichtigenParameter dar. Eine Überhitzung des Rau-mes kann durch schwerere Bauweisen ver-langsamt werden, jedoch muss die in denBauteilen gespeicherte Wärme durch Nacht-lüftung mit entsprechenden Luftwechselratenwieder entladen werden.

Ziel der nachfolgenden Untersuchungen istes, die thermische Wirkung von Wandaufbau-ten aus Holzleichtbeton (mit und ohne PCM-Material) bei der Reduktion einer sommerli-chen Überhitzung ohne aktive Kühlstrategienund technische Anlagensysteme, sondern le-diglich unter Einsatz von erhöhter Nachtlüf-tung, abzuschätzen.

Überhitzung qualitativ veranschaulichen.Angenommen, die Raumtemperatur einessüdorientierten Büros beträgt am Morgen ei-nes wolkenlosen Sommertages 18 °C. Überden Tag erwärmen sich Raumluft und Um-schließungsflächen. Gegen Abend kann dieTemperatur 27 °C betragen.Bei einer hohen Temperaturamplitude der Au-ßenluft ist in den Nachmittagsstunden mitÜberhitzungseffekten zu rechnen. Grundsätz-lich bewirken schwerere Bauweisen einen ge-ringeren Anstieg, dämpfen die Amplitude biszum Faktor 3 und führen damit zu einer aus-gleichenden Wirkung. (Abb. 7.105) Mit ansteigender Raumtemperatur erfolgtüber primäre und sekundäre Speicherprozes-se auch eine Temperaturerhöhung der Bau-teiloberflächen und Zeit versetzt der tieferenSchichten. Dabei ist der Anteil der Einspei-cherung von der spezifischen Wärmekapazi-tät und Wärmeleitfähigkeit der Materialien ab-hängig. Insgesamt bewirken diese Speicher-prozesse (im Idealfall) eine Verteilung dertagsüber eingelagerten Wärme in die Abend-und Nachtstunden. Die Einspeicherung ist je-doch auch durch die Höhe der Oberflächen-temperaturen begrenzt; diese sollten für einbehagliches Raumklima ein ∆T von 3 bis 4 Kzur Raumlufttemperatur – wie schon ausge-führt – nicht überschreiten.116

Maßgeblich für die Aufheizung am nächstenTag ist die ‘Entladung’ der eingespeichertenWärme. Bei Konzepten der so genannten“passiven Kühlung” werden hierzu “natürlicheKältequellen” wie Nachtluft oder Erdreich ge-nutzt. Dabei haben die nächtlichen Außenluft-temperaturen einen wichtigen Einfluss auf de-ren Wirksamkeit. Klimaaufzeichnungen und -auswertungen zeigen, dass in Mitteleuropa inder Regel ausreichende Temperaturunter-schiede über das Jahr für eine effizienteNachtlüftung bestehen.117

7.9.2 Beschreibung des Beispielraums Der Potenzialabschätzung ist ein Büroraumeines Verwaltungsgebäudes mit ‘typischen’Abmessungen zugrunde gelegt, dessenSchmalseiten nach Süden (Außenfassade)und zu einem Erschließungsgang im Nordenorientiert sind. Der Raum liegt zwischen be-nachbarten Büroräumen. Die lichten Maßebetragen 6,00 m x 3,48 m bei einer Raumhö-he von 2,70 m, woraus eine Nettogrundflächevon 20,9 m2 resultiert. Außenwand, Deckeund Boden sowie Wand zum Flur bestehenaus einer Holzleichtbeton-Massivholz-Ver-bundbauweise. (Abb. 7.106)

In den Untersuchungen werden jeweils dieBürotrennwände, die knapp 40 % der Raum-umschließungsflächen einnehmen, hinsicht-lich der Aufbauten mit unterschiedlicher Wär-mespeicherkapazität betrachtet.Vorab sind zwei Randbedingungen zu be-rücksichtigen. Die angenommene baukon-struktive Ausführung des Büroraums weistbereits relativ hohe thermische Speichermas-

Abb. 7.105 Vergleich des sommerlichen Verhal-tens einer leichten und schwerenBauweise

Sommertage

Rau

mlu

ftem

per

atu

r [°

C]

32

30

28

26

24

22

200 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10



130

6,00

3,48

90

2,70

84 1,80 84

Deckenaufbau - Brettstapel 16 cm - Holzleichtbeton 10 cm = 26 cm

Trennwand - 2x Holzleichtbeton 6 cm = 12 cm

Trennwand Flur - Holzleichtbeton 3 cm - Brettstapel 8 cm - Holzleichtbeton 3 cm = 14 cm

Außenwand - Brettstapel 12 cm - Climate Chips 6 cm - Holzleichtbeton 12 cm = 30 cm

1,7484

Abb. 7.106 Büroraum, der den Simulationsstudien zugrunde gelegt wurde

konstruktionen stellen auch einen wichtigenAspekt da. Darüber hinaus ist davon auszu-gehen, dass über den zugrunde gelegtenDeckenaufbau ohne Bauteiltemperierungkaum Steigerungseffekte zu erwarten sind.

Die Auswahl der Holzleichtbeton-Mischungenerfolgt basierend auf einer leichten undschweren Ausgangsmischung, die jeweilsnoch mit PCM-Material (Rezeptur V und VIIIder Betonage 2) angereichert sind. Diese Vor-gehensweise wird gewählt, um innerhalb derjeweiligen Holzleichtbeton-Mischungen die er-warteten Effekte des PCM besser aufzeigenzu können. Es ist hierbei zu berücksichtigen,dass sich mit dem PCM-Material (23 Masse-Prozent Rezeptur V und 29 Masse-ProzentRezeptur VIII) die Rohdichte gerade bei derleichten Mischung nahezu verdoppelt und beidem schwereren Holzleichtbeton um knapp15 % erhöht. (Abb. 7.107)Das im Rahmen der Arbeiten aus Gründender Verfügbarkeit verwendete RUBITHERM-Material mit Schmelzpunkten von etwa 45 be-ziehungsweise 54 °C ist für raumseitige An-wendungen zum sommerlichen Überhitzungs-schutz nicht geeignet. Für diesen Einsatzbe-reich müssen die PCM einen niedrigenSchmelzpunkt aufweisen, der zwischen 22und 26 °C, also dem Komfortbereich, liegensollte. Daher werden für das PCM Schmelz-punkte von 22 beziehungsweise 24 °C ange-nommen. Dies stellt keine Fehlerquelle dar,weil auch für diese neuen, teils noch in Ent-wicklung befindenden, niedrig schmelzendenPCM die Schmelzenthalpie, Wärmeleitfähig-keit und Rohdichte im Bereich des vermesse-nen RUBITHERM-Materials liegen.121

7.9.3 Einflüsse der Bauweise auf die Wär-mespeicherfähigkeit des Raums

Die Abschätzung des sommerlichen Verhal-tens von Räumen (und Gebäuden) erfolgt in

koppeln’ sind. Auch besteht dort nicht dasProblem einer Flächenbelegung, durch eineMöblierung mit Tischen, Stühlen, Regalenetc.120 Bei dem vorgeschlagenen Beispiel-raum handelt es sich in der Summe um einepraxisnahe Speicherfläche. Die gestalteri-schen Potenziale von sichtbaren Brettstapel-

sen gegenüber konventionellen Verwaltungs-bauten auf. Im Bereich der Decke wird aufeine (partielle) Belegung mit Holzleichtbeton-Schichten beziehungsweise additiven Ele-mente verzichtet, obwohl die Decken im Be-reich von (passiven und vor allem aktiven)Kühlungsstrategien besser thermisch ‘anzu-


speichermaterialien


131

DIN V 4108-2 unter anderem anhand der Be-rechnung der wirksamen Wärmespeicherfä-higkeit der Bauarten.122 Zur Berechnung der wirksamen Wärme-speicherfähigkeit wird die Wärmekapazität al-ler raumseitig angeordneten Bauteile bis zueiner Tiefe von 10 cm aufsummiert,123 unddurch die Nettogeschossfläche (NGF) geteilt.Diese Größe hat somit die Einheit einer Wär-mekapazität pro Fläche (Wh/m2K) und ist einMaß für die “thermische Schwere” eines be-stimmten ‘Raumaufbaus’. Sie ist geeignet zurvereinfachten Einteilung von Konstruktionenin verschiedene thermische “Bauschwereklas-sen” und beschreibt die Wärmeaufnahme desRaumes pro m2 NGF bei einer Temperaturer-höhung von einem Kelvin.124

Die Berechnung der sensiblen Wärmekapazi-tät führt zu einer ersten Einordnung hinsicht-lich der thermischen Masse der sechs ausge-wählten Aufbauten. Die jeweiligen Abwei-chungen zwischen der leichten («-5») undschweren («-8») Variante betragen etwa 30 %(REF / PCM) beziehungsweise 40 % (HLB).Es fällt indes auf, dass die sensibel wirksameWärmespeicherfähigkeit zwischen den Auf-bauten REF-8 / HLB-5 und HLB-8 / PCM-5nahezu gleich ausfällt, was auf die Rohdichte-werte zurückzuführen ist.

Die DIN V 4108-2 berücksichtigt nur die sen-sible Wärmeaufnahme. Um auch Wandauf-bauten mit PCM in ähnlicher Form anhand ei-ner einfachen Größe ‘bemessen’ zu können,wird in den nachfolgenden Untersuchungenzusätzlich deren latente Wärmeaufnahme(Schmelzwärme), durch eine entsprechendeTemperaturerhöhung des Raums geteilt undals wirksame thermische Wärmekapazität be-rechnet. Hierbei geht man von einer mittlerentäglichen Temperaturschwankung der raum-seitigen Bauteile von 5 Kelvin aus. Diese la-tenten Anteile der Wärmeaufnahme sind in

HLB‘leicht’

Rohdichte

Wärmeleitfähigkeit

[kg/m3]

[W/mK]

≈ 600

0,156

HLB+PCMR V

HLB‘schwer’

1177

0,324

1265

0,436

HLB+PCMR VIII

1437

0,492

spezifische Wärme-kapazität (sensibel)

Schmelzenthalpie (latent)

[kJ/kgK]

[kJ/kg]

1,32

-

1,18

13,26

1,08

-

1,35

17,01

Abb. 7.107 Materialkennwerte der eingesetzten Holzleichtbeton-Mischungen

Abbildung 7.108 gelb dargestellt. Die Fehler-balken stellen die Abweichungen bei einermittleren Tagesdifferenz von 3 beziehungs-weise 10 K dar.125

Die gesamte thermisch wirksame Speicherfä-higkeit des Raumes (sensibel und latent) be-wegt sich in einem Bereich zwischen 60 und160 Wh/m2K für die leichteren sowie zwi-schen 80 und 275 Wh/m2K für die schwererenMischungen. (Abb. 7.108)“Bei diesen Betrachtungen wird von einer sta-tionären, gleichmäßigen Erwärmung des Rau-mes und aller Bauteile ausgegangen. Dies isthilfreich, um die physikalischen Zusammen-hänge und die grundsätzliche Eignung derPCM-Beimischung darstellen und die erwarte-ten Effekte” der verschiedenen Aufbauvarian-ten einer ersten Einschätzung unterziehen zukönnen. Die unter realistischen Bedingungen‘tatsächlich’ wirksamen Einflüsse auf Wärme-speicherung und Raumtemperatur, das heißtdie dynamischen Wechselwirkungen von So-larstrahlung, internen Lasten und Nachtlüf-tung werden erst in den Simulationsrechnun-gen abgebildet.126

7.9.4 Beschreibung der untersuchten Simulationsvarianten 127

Um festzustellen, wie sich die thermischeSpeicherfähigkeit der Umschließungsflächenauf die Anzahl der Überhitzungsstunden imRaum auswirkt, werden “thermische Gebäu-desimulationen mit 4-minütiger Zeitschrittwei-te über jeweils ein Jahr durchgeführt.” Alle Si-mulationen erfolgen jeweils für hohe und re-duzierte interne Lasten und drei verschiedeneNachtluftwechselraten.128

Als Nutzungszeitraum wird für den Raum eineBüroarbeitszeit von Montag bis Freitag, je-weils 8:00 bis 18:00 Uhr, zugrunde gelegt.Alle Simulationsberechnungen erfolgen fürdrei verschiedene Aufbauten: - Trennwand in Metallständerbauweise129

als Referenzfall (REF)- Trennwand aus Holzleichtbeton (HLB)- Trennwand aus dem Verbund von Holz-

leichtbeton und PCM-Material (PCM)Die angehängten Zahlen «5» und «8» verwei-sen auf die leichte und schwere Holzleichtbe-tonmischung der Rezepturen V beziehungs-weise VIII. Somit stehen sechs bauliche Vari-



132

Wär

mea

ufn

ahm

ep

ro K

Tem

per

atu

rerh

öh

un

g

un

d m

2 N

GF

[W

h/m

2 K]

Abb. 7.108 Wirksame thermische Speicherfähigkeit aller Bauvarianten

anten mit unterschiedlichen internen Lastfäl-len und Luftwechselraten zur Auswahl.Das PCM wird im Rahmen dieser Potenzial-abschätzung in Form eines rechteckigenSchmelzpunkts mit 3 K Breite abgebildet, mitangenommenen 22 °C. Innerhalb diesesTemperaturbereichs vollzieht sich der Auf-schmelz- und Erstarrungsvorgang. Zur Unter-suchung des Einflusses der Schmelztempera-tur erfolgen ebenfalls Berechnungen mit ei-nem Schmelzpunkt von 24 °C.

Den solaren Energieeintrag beeinflussen derÖffnungsflächenanteil130, der aus dem Ver-hältnis von Öffnungsfläche zur Raumgrundflä-che resultiert – im vorliegenden Fall ≈ 23 % –der Gesamtenergiedurchlassgrad der Vergla-sung (g-Wert) sowie Lage und Regelung ei-ner Verschattungseinrichtung. Aus der Viel-zahl möglicher Kombinationen werden imRahmen dieser Studie exemplarisch eine 2-Scheiben Wärmeschutzverglasung ohne so-wie mit Verschattung ab einer Einstrahlungvon 150 W/m2 gewählt.

Während solare Einträge grundsätzlich durchAbschattungssysteme reduziert werden kön-nen, lassen sich hohe interne Wärmelasten,zum Beispiel durch die Abwärme von Perso-nen, Bürogeräten, Beleuchtung, nur durch ak-tive Kühlung oder schwere Bauweise mit effi-zienter passiver Nachtlüftung unterbinden.Die beiden zugrunde gelegten Last-Szenarienvon 410 und 610 Watt varieren hinsichtlichdes Energieverbrauchs der Bürogeräte.

Während der Bürozeiten wird grundsätzlichder hygienisch erforderliche Luftwechsel miteiner Luftwechselrate von 1/h aufrechterhal-ten. Für den Sommerfall wird außerhalb derBürozeiten die Luftwechselrate variiert undwerden drei verschiedene Varianten mit kon-stanter ein-, vier- und achtfacher Nachtluft-wechselrate untersucht. (Abb. 7.109)Liegt die Außenlufttemperatur unter der Tem-peratur des Raums, kann über eine Nachtlüf-tung Wärme abgegeben werden; dabei steigtdie Wärmeabgabe mit Zunahme der Luft-wechselrate.

Dabei bleibt unberücksichtigt, “ob diese Luft-wechselraten mechanisch erzwungen werdenoder einen Mittelwert für natürliche Lüftungdurch geöffnete Fenster oder Klappen dar-stellen.” Eine mögliche Temperaturregelungder Nachtlüftung ist nicht abgebildet.131

Untersuchungen verschiedener Lüftungskon-zepte bei sommerlichen Spitzentemperaturenin Büroräumen zeigen, dass die passive Lüf-tung bei “nachts geöffneten Fenstern im Hin-blick auf die maximalen sommerlichen Raum-temperaturen Grenzen hat.” Betrachtet manallerdings den gesamten Jahresverlauf wirddeutlich, dass auch mit Fensterlüftung (nachtsoffen) “die sommerlichen Raumtemperaturenbis auf wenige heiße Tage im Hochsommerrecht gut begrenzt werden können”, da durch-aus ein “5 bis 10-facher Luftwechsel erreichtwerden” kann.132 Damit liegen die Annahmenvon vie- und achtfachen (Nacht-)Luftwechsel-raten durch Fenster/Klappenlüftung im praxis-nahen Bereich.

Vorab ist desweiteren ein wichtiges Kriteriumfür die Überhitzung festzulegen. In diesemZusammenhang stellt die kontrovers disku-tierte maximale Raumlufttemperatur von 26°C einen wichtigen Grenzwert dar, da in Ab-hängigkeit der internen Wärmelasten ein strik-tes Ein- beziehungsweise Festhalten an die-ser Maximaltemperatur durchaus ein Ent-scheidungskriterium gegen natürliche Lüf-tungsstrategien sein und den Einsatz einertechnischen Klimatisierung erfordern kann.Soll die Gewährleistung einer maximalenRaumlufttemperatur von 26 °C mit rein bauli-chen Maßnahmen erfolgen erfordert dies vorallem bei Verwaltungsbauten mit einem ho-hen Verglasungsanteil große Wärmespeicher-massen und geringe Strahlungslasten.

Aus den Erfahrungen mit dem sehr unter-schiedlichen menschlichen Empfinden und

REF-5LatentSensibel

060

REF-8 HLB-50

790

81

HLB-8 PCM-50

11447

116

PCM-8126148

400

350

300

250

200

150

100

50

0

∆T=5K

∆T=10K

∆T=3K

der Wert der zulässigen Überhitzung mit 103Stunden um 60 % unterschritten. (Abb. 7.110)Daraus folgt, dass eine Verschattung zwin-gend vorzusehen und trotzdem noch einegute Nachtlüftung erforderlich ist.


speichermaterialien


133

bei sehr guter Nachtlüftung (Luftwechselratevon 8/h) mit 172 Bürostunden das Begren-zungskriterium um 1/3 unterschritten werden.Im Falle einer reduzierten internen Last von410 W zeichnet sich der Effekt noch deutli-cher ab. Bereits bei guter Nachtlüftung wird

Verhalten sowie den vielschichtigen Interak-tionen von Temperatur, Feuchte, Luftge-schwindigkeit etc., das sich auch in den Be-haglichkeitsdiagrammen widerspiegelt,133 istdaher in DIN 1946-2 eine Grenze für dieÜberschreitungshäufigkeit von 26 °C am Bü-roarbeitsplatz mit 10 % angenommen wor-den.134 Auf das Jahr bezogen, beträgt dieserWert unter der angenommenen Nutzung ma-ximal 261 Überhitzungsstunden. In den nachfolgend dargestellten Untersu-chungen sind für die gerechneten Variantendie tatsächlich während der Bürozeiten auftre-tenden Überhitzungsstunden diesem Wert ge-genübergestellt.

7.9.5 Untersuchungsergebnisse 135

In einem ersten Schritt werden anhand desReferenzraums mit Trennwänden in Leicht-bauweise (REF-8) der Einfluss von Nachtluft-wechselrate und internen Lasten ohne Ver-schattung untersucht.Dabei zeigt sich schnell, dass ohne eine ex-terne Verschattungseinrichtung der Öffnungs-flächen im Raum die Grenze von maximal261 Überhitzungsstunden deutlich überschrit-ten wird. Selbst bei einer zugrunde gelegtenNachtlüftung mit 8-facher Luftwechselratesind bei internen Lasten von 610 W während767 Bürostunden über das Jahr die Raum-temperaturen höher als 26 °C (Faktor 3) undunter einer reduzierten Last von 410 W liegtdie Anzahl der Überhitzungsstunden (503) im-mer noch fast um den Faktor 2 darüber. Welch enormen Einfluss eine Verschattungeinnimmt, zeigen die durchgeführten Berech-nungen der vorgenannten Varianten mit au-ßen liegendem Sonnenschutz, der ab Ein-strahlung von 150 W/m2 wirksam wird.Während die Überhitzung des Referenzrau-mes für interne Lasten von 610 W mit guterNachtlüftung (Luftwechselrate von 4/h) nochum etwa 1/4 überschritten wird, kann bereits

Kurzbe-zeichnung

Beschreibung

REF-5

HLB-5

Trennwände in konventioneller Ständerleichtbauweise (…)Außenwand, Trennwand Flur: Holzleichtbeton “leicht”, BrettstapelBodenbelag: Holzleichtbeton “leicht” und BrettstapelDecke: Brettstapel und Holzleichtbeton “leicht”

wie REF-5, Trennwände aus Holzleichtbeton “leicht”

PCM-5

REF-8

HLB-8

PCM-8

wie REF-5, Trennwände aus Holzleichtbeton+PCM, Rezeptur V

Trennwände in konventioneller Ständerleichtbauweise (…)Außenwand, Trennwand Flur: Holzleichtbeton “schwer”, BrettstapelBodenbelag: Holzleichtbeton “schwer” und BrettstapelDecke: Brettstapel und Holzleichtbeton “schwer”

wie REF-8, Trennwände aus Holzleichtbeton “schwer”

wie REF-8, Trennwände aus Holzleichtbeton+PCM, Rezeptur VIII

Sol-U

Sol-V

Last 410 W

Last 610 W

2-Scheiben Wärmeschutzverglasung ohne Verschattung

2-Scheiben Wärmeschutzverglasung mit Verschattung ab einer Ein-strahlung von 150 W/m2

Interne Last von 410 W während der Bürozeiten (entspricht 2 Perso-nen, gelegentliche Beleuchtung und energiesparende Bürogeräte)

Realistischer Fall von 610 W während der Bürozeiten (entspricht 2 Personen, gelegentliche Beleuchtung und normale Bürogeräte)

Lü1*

Lü4*

Lü8*

Luftwechselrate 1/h auch außerhalb der Bürozeiten

Luftwechselrate 4/h außerhalb der Bürozeiten

Luftwechselrate 8/h außerhalb der Bürozeiten

Abb. 7.109 Parameter (Kurzbezeichnung und Beschreibung) der untersuchten Simulationsvarianten. * Alle Lüftungs-Varianten haben eine Luftwechselrate von 1/h

während der Bürozeiten



134

Abb. 7.110 Vergleich von unverschatteten und verschatteten Varianten für den Referenzraum (Leichtbau)NV = Nicht verschattetV = VerschattetLü = Lüftungsvariante (vgl. Abb. 7.109)Bh = Bürostunden

Einfluss von Speichermasse und PCMIn weiteren Betrachtungen wird der Einflusseiner erhöhten thermischen Speicherfähigkeitin den Bürotrennwänden auf die sommerlicheÜberhitzung untersucht. Diese Schritte erfol-gen zunächst anhand der schweren Mischun-gen (Rezeptur VIII, blaue Messreihe), bei ei-nem Standardfall mit Verschattung und inter-ner Last von 610 W.Die Ergebnisse zeigen deutlich den Einflussder Nachtluftwechselrate auf die Anzahl der

Stunden über 26 °C. Während bei einfachemNachtluftwechsel alle Varianten um etwa Fak-tor 3,5 darüber liegen, sinken die Werte mitHolzleichtbeton-Trennwänden bereits bei gu-ter Nachtlüftung um 10 % (HLB-8) bezie-hungsweise knapp 25 % (PCM-8) unter diezulässige Grenze; bei sehr guter Nachtlüftungmit 71 beziehungsweise 39 Überhitzungs-stunden erreichen diese nurmehr etwa 65 be-ziehungsweise knapp 40 % des ‘Normwertes’.Ferner ist deutlich zu erkennen, dass der Zu-

sammenhang von Zunahme der thermischenSpeicherfähigkeit des Raums und damit ein-hergehender Abnahme der Überhitzungsstun-den keinen linearen Verlauf darstellt. Die Dif-ferenz zwischen Referenzwand und Holz-leichtbeton (ohne PCM) beträgt bei erhöhterNachtlüftung etwa zwischen 30 und 60 %,während die Beimischung von PCM, bei Ver-doppelung thermischer Speicherfähigkeit undeiner Nachtluftwechselrate von 4/h nur zu-sätzliche Effekte von knapp 15 % erzeugt. Bei sehr guter Nachtlüftung werden die Über-hitzungsstunden nochmal fast halbiert (von 71auf 39). Eine solche Reduktion muss aber imEinzelfall mit dem erhöhten Aufwand und denzusätzlichen Kosten abgeglichen werden.(Abb. 7.111)

Diese Untersuchungen werden ebenfalls mitden leichteren Mischungen, bei gleichenRandbedingungen von Verschattung und in-terner Last durchgeführt. Der Vergleich zeigtgroße Parallelen, wobei aufgrund der geringe-ren thermischen Speicherfähigkeit der Rezep-tur V (‘rötliche’ Messreihe) das Reduktionspo-tenzial etwas niedriger ausfällt. Die Zahlen-werte der Überhitzungsstunden der schwerenReferenzwand (REF-8) und der leichten Holz-leichtbetonwand (HLB-5) insbesondere beider besseren Nachtlüftung fallen nahezugleich aus.Das PCM-Material scheint bei Messreihe «-5»einen deutlicheren Effekt zu erzeugen, wasindes auf die geringere thermische Speicher-fähigkeit (pro NGF) zurückzuführen ist. Eszeigt sich, dass bei der leichten Holzleichtbe-ton-Mischungen nur mit PCM-Material undmindestens guter Nachtlüftung der Grenzwertunterschritten wird.

Bei reduziertem Lastfall verstärkt sich dieserEffekt. So bleiben die leichteren Holzleichtbe-ton-Mischungen (ohne und mit PCM) mit ma-

Last 410 WNV+Lü1NV+Lü4

1229738

NV+Lü8V+Lü1

503616

V+Lü4V+Lü8

10343

Last 610 W1456998767934320172

10% Bh 261 261

1600

1200

800

400

0B

üro

stu

nd

en (

Bh

) ü

ber

26

°C

0 50 100 150 200 250 300

1200

1000

800

600

400

200

0

PCM-8

HLB-8REF-8

PCM-5HLB-5REF-5

Basis leichte Rezeptur V (REF-5, HLB-5, PCM-5)

Basis schwere Rezeptur VIII (REF-8, HLB-8, PCM-8)

Mi8+Lü1+La 610WMi8+Lü4+La 610WMi8+Lü8+La 610WMi5+Lü1+La 610WMi5+Lü4+La 610WMi5+Lü8+La 610W10% Bürostunden

wird als ein Kriterium in Anlehnung an DIN1946-2 die Anzahl der Stunden gewählt, indenen die empfundene Temperatur über 26°C liegt. Am Arbeitsplatz darf diese höchstenszu 10 % der Bürostunden im Jahr überschrit-ten werden.Die Untersuchungen beschränken sich indem vorgeschlagenen Raum auf die Büro-trennwände, die etwa 40 % der Umschlies-sungsflächen umfassen. Im Vordergrund derBetrachtung steht dabei der Vergleich vonHolzleichtbeton mit und ohne PCM-Material.Beide Varianten werden in einer leichten undeiner schweren Mischung gerechnet und ei-


speichermaterialien


135

7.9.6 Fazit 137

Ziel der Untersuchungen ist, hinsichtlich desEinflusses und der Wirksamkeit verschiede-ner Wandaufbauten aus Holzleichtbeton ersteEinschätzungen auf die sommerliche Überhit-zung eines südorientierten Büroraums vorzu-nehmen. Dabei stellt der Verzicht auf “aktive”Kühlstrategien eine wesentliche Randbedin-gung dar. Als “passive” Strategien werden eine externeVerschattung (ab einer solaren Einstrahlungvon 150 W/m2) sowie eine erhöhte Nachtlüf-tung zugrunde gelegt. Für das Maß der som-merlichen Überhitzung in einem Büroraum

ximal 45 und 25 % (LW 4/h) beziehungsweise15 und 5 % (LW 8/h) deutlich unter demÜberhitzungskriterium.Erfolgt ein mindestens vierfacher Nachtluft-wechsel, so unterschreiten alle untersuchtenbaulichen Varianten bei reduzierten internenLasten den Grenzwert. Dabei weist der leich-tere Holzleichtbeton gegenüber der Referenz-wand nur mehr zwei Drittel der Überhitzungs-stunden auf; diese werden bei Wandaufbau-ten mit PCM-Material insgesamt fast halbiert.Mit schweren Holzleichtbeton-Mischungenlassen sich die Überhitzungsstunden gar aufein Fünftel beziehungsweise ein Zehntel (mitPCM) im Vergleich zur Leichtbauwand redu-zieren.

Einfluss der SchmelztemperaturErgänzend zu den vorgenannten Untersu-chungen erfolgt abschließend noch anhandder schweren Mischung ein Vergleich zumEinfluss der PCM-Schmelztemperatur auf dieÜberhitzung des Raums. Hierbei werden zu-sätzlich Simulationen mit einer Schmelztem-peratur des PCM von 24 °C durchgeführt. Wiebei dem bisher abgebildetem PCM (22 °C)beträgt die Breite des Schmelzpunkts in allenBerechnungen 3 K.Obwohl mit einer niedrigeren Schmelztempe-ratur des PCM der Phasenwechsel früherwirksam wird, führt dies nur zu einer geringfü-gigen Reduktion der Überhitzungsstunden.Erst mit deutlicher Zunahme des Nachluft-wechsels ist diese stärker ausgeprägt (bis zu30 %). (Abb. 7.112) Auch im Vergleich der unterschiedlichen inter-nen Lastfälle ist der Einfluss unerheblich.Dies Ergebnis “muss allerdings vor dem Hin-tergrund betrachtet werden, dass es sich hierum eine bloße Potenzialabschätzung handeltund der Schmelzpeak sehr vereinfacht abge-bildet wurde.”136

Abb. 7.111 Untersuchte Trennwandaufbauten mit Verschattung und Last 610 W

Bü

rost

un

den

(B

h)

üb

er 2

6 °C

Thermische Speicherfähigkeit pro NGF [Wh/m2K]



136

Abb. 7.112 Einfluss der Schmelztemperatur des PCM

0 50 100 150 200 250 300

1000

900

800

700

600

500

400

300

200

100

0

PCM-8HLB-8

REF-8

PCM-8HLB-8

REF-8

PCM-8HLB-8

REF-8

22°C+Mi8+Lü1+La 610W22°C+Mi8+Lü4+La 610W22°C+Mi8+Lü8+La 610W24°C+Mi8+Lü1+La 610W24°C+Mi8+Lü4+La 610W24°C+Mi8+Lü8+La 610W10% Bürostunden

hung der thermischen Speicherfähigkeit einesRaums führt. Dabei ist der Einfluss bei derleichten Mischung erwartungsgemäß größer.Insgesamt lassen die gerechneten Variantenbereits beim ‘normalen’ Holzleichtbeton beieffizienten “passiven” Lüftungs- und Küh-lungsstrategien ein viel versprechendes Po-tenzial erkennen. Darüber hinaus ist zu konstatieren, dass eineexterne Verschattung, reduzierte internen La-sten und hohe Nachtluftwechselraten wesent-liche Einfussparameter darstellen. Mittlerweilestehen bei den “passiven” Kühlungskonzep-ten zwischen den Extremen Fensterlüftungund Klimaanlage “zahllose Konzeptvariantenmit unterschiedlich intensiver Luftbehandlung”zur Verfügung.138 Wenn auch bei einer sol-chen Lüftungsstrategie die Behaglichkeitsfak-toren nicht ‘genau’ eingestellt werden können,sind doch hinsichtlich des geforderten Tem-peraturbereichs in der Regel keine Einschrän-kungen zu erwarten.

Gerade die Kombination von Fensterlüftungund Betonkernkühlung wird hinsichtlich dessommerlichen Wärmeschutzes von Verwal-tungsbauten als “zielführend” bezeichnet unddarin vor allem ein “kostengünstiges low-tech-Konzept” gesehen.139 Inwieweit das vorhan-dene Potenzial – der thermischen Speicherfä-higkeit – von Holzleichtbeton, ohne und imVerbund mit PCM-Material, bei einer Bauteil-temperierung noch zu signifikanten Verbesse-rung führt, muss in weiteren Arbeiten erstnoch untersucht werden.

sparende Bürogeräte 410 W) modelliert wer-den. Mit reduziertem Lastfall erfüllen alle bau-lichen Varianten mit 4-und 8-fachem Nacht-luftwechsel deutlich die Anforderung. Der 10 %-Grenzwert wird mit den leichten Mi-schungen auf maximal ein Drittel, bei derschweren gar auf ein Viertel reduziert.Eine niedrige Schmelztemperatur ist zur Ver-meidung einer sommerlichen Überhitzunggünstiger, da ein deutlicherer Unterschied zur‘kritischen’ Temperatur den Speichereffekt zu-mindest bei erhöhtem Luftwechsel verstärkt;dies zeigt der Vergleich zweier Varianten (22 und 24 °C).Die Untersuchungen zeigen, dass der Einsatzvon PCM im Holzleichtbeton zu einer Erhö-

nem ‘konventionellen’ System in Ständer-leichtbauweise gegenüber gestellt.

Prinzipiell ist festzustellen, dass bereits zwi-schen der Referenzwand und dem Holzleicht-beton eine deutliche Reduktion der Überhit-zungsstunden eintritt. Mit weiterer Erhöhungder thermischen Speicherfähigkeit durch dieVerwendung von PCM-Material können diesenoch etwas gesenkt werden, jedoch nur mehrin geringerem Maße. Dieser Zusammenhangzeigt sich bei allen drei untersuchten Nacht-luftwechselraten.Einen weiteren signifikanten Faktor stellen dieinternen Lasten dar, die in zwei Varianten(610 W sowie unter Einbeziehung energie-

Bü

rost

un

den

(B

h)

üb

er 2

6 °C

Thermische Speicherfähigkeit pro NGF [Wh/m2K]


speichermaterialien

Zusammenfassung

137

Demgegenüber zeigt Rezeptur VIII eine‘schöne’ Verknüpfung von hohem PCM-Anteilund deutlich andere Oberflächenwirkung, wasbei der Diskussion um höhere Gewichtsantei-le des PCM-Materials für kleinere Korngrößen(< 1 mm) spricht. (Abb. 7.116)

7.10.2 OptimierungenNach den umfangreichen Materialprüfungenist gegenüber den ersten Einschätzungen derBetonage 1 nun eine recht gute Beurteilungder Kombination von Holzleichtbeton und La-tentwärmespeichermaterialien möglich, glei-chermaßen zum mechanischen und zum ther-mischen Verhalten. Insgesamt können die po-sitiven Ergebnisse beziehungsweise Ein-schätzungen weitgehend bestätigt werden.Die Druckfestigkeiten des leichten Holzleicht-betons mit PCM-Material erreichen nicht ganzdie Werte der ‘normalen’ Ausgangsmischun-gen. Demgegenüber liegt die Druckfestigkeitbeim schweren Holzleichtbeton – durch denhöheren Zementanteil – mit etwa 20 N/mm2

deutlich darüber.

Für den betrachteten Anwendungsfall im Be-reich von Gebäudefassaden und Innenräu-men liegen somit gute mechanische Kenngrö-ßen vor.

Das Schwindverhalten fällt für baupraktischeAnwendungen mit Werten zwischen 3,7 und5,2 mm/m etwas hoch aus, bleibt jedoch in-nerhalb üblicher Toleranzen des ‘klassischen’Betonbaus. Durch die besondere Elastizitätdes Holzleichtbetons sind Gefügeschädigun-gen nicht zu erwarten und aufgrund der feh-lenden Stahlbewehrung stellen Schwindrisseauch kein Problem für Korrosion dar.Einschränkungen bestehen zur Zeit hinsicht-lich des Brandschutzes, da für den Holzleicht-beton in der Kombination mit PCM in dieserForm und mit diesen PCM-Materialien Bau-stoffklasse A 2 nicht erreichbar ist.

7.10 Zusammenfassung

7.10.1 OberflächenBereits anhand der Oberflächen der Muster-platten aus der Betonage 1 zeigen sich die inder Kombination von Holzleichtbeton und La-tentwärmespeichermaterialien liegenden ge-stalterischen Potenziale. Gegenüber diesenersten Versuchen sind die ‘optimierten’ Mi-schungen vor allem durch einen höheren An-teil des Speichergranulats gekennzeichnet,(Abb. 7.113) der sich auch deutlich in der vi-suellen Wirkung widerspiegelt. Das PCM-Ma-terial wird zum wichtigen Ausdrucksmittel.Dieser Aspekt der Arbeiten zur Kombinationvon Holzleichtbeton mit Latentwärmespei-chermaterialien zeigt in bisher einzigartigerWeise ein in den Fachdiskussionen über-haupt noch nicht berücksichtigtes Potenzial,nämlich die thermisch hochleistungsfähigenStoffe in ästhetisch wirkungsvollen Oberflä-chen auch sichtbar – und damit ablesbar –werden zu lassen.

Im Bereich der leichten Mischungen (Rezep-turen I bis V) führt die Verdoppelung desPCM-Gesamtmasseanteils (von 11 auf 13 %),und damit der Verringerung des Holzanteilsum etwa 1/3 (von 17 auf 11 %), zu Oberflä-chen, die von den bis ø 3 mm großen Granu-latteilchen dominiert werden. Die aus derOberflächenbearbeitung resultierenden An-schnitte der Zuschlagsstoffe führen zu ver-schiedenartigen formalen sowie farblichenAusprägungen und erzeugen reizvolle Textu-ren. Durch den hohen Anteil an Speichergra-nulat tritt die visuellen Wirkung von Zementund Holz etwas zurück, was in beiden Rezep-turreihen festzustellen ist. Indes bleibt der‘wärmere’ Grundton in den leichten Mischun-gen spürbar. (Abb. 7.114+7.115)

Die thermische Beurteilung spiegelt das gro-ße Potenzial in dem Materialkomposit wider.Die Wärmeleitfähigkeit liegt bei höheren Roh-dichten unter dem Bereich der Holzleichtbe-ton-Ausgangsmaterials. Damit werden die λ-Werte von gängigen Holzwerkstoffen nichterreicht (≤ 0,18 W/mK). Das Material befindetsich im Bereich von Zement beziehungsweiseGips gebundenen Holzplatten und von Leicht-beton, wobei mit Zunahme des spezifischenGewichts der Holzleichtbeton günstigere Wär-meleitfähigkeitswerte aufweist.140 (Abb. 7.117)

Weitere Vorteile bestehen im Bereich derthermischen Speicherfähigkeit und desFeuchteausgleichsverhaltens. Gerade hin-sichtlich der Kombination mit PCM ist bei die-sen Anforderungen noch reichlich Optimie-rungspotenzial zu erwarten. Ferner zeigen dieFrost-Tauwechsel-Prüfungen, dass Holz-leichtbeton für sichtbare Anwendungen in derGebäudefassade sich hervorragend eignet.Dies stellt hinsichtlich der gestalterisch inter-essanten Oberflächen einen wichtigen Aspekt

Abb. 7.113 Vergleich der PCM-Masseanteile desHolzleichtbetons der Betonage 1(2001) und der Betonage 2 (2002)

0

5

10

15

20

25

30

35

400 600 800 1.000 1.200 1.400 1.600

HLB+PCM 2002HLB+PCM 2001Linear (HLB+PCM 2002)Linear (HLB+PCM 2001)

PC

M-M

asse

ante

il [%

]

Rohdichte [kg/m3]


Zusammenfassung

138

für vielfältige Einsatzmöglichkeiten dar, glei-chermaßen für Bodenbeläge wie für Wand-und Deckenoberflächen.

7.10.3 PCM-MaterialEine Reihe von zusätzlichen Untersuchungenzur Kombination von Holzleichtbeton mit PCMerfordert indes das PCM-Material. Diese Stof-fe stellen auf dem Bausektor zwar keineneue, aber eine in dem letzten Jahrzehnt un-ter enormem Entwicklungsschub und damitVeränderungsdruck stehende Technologiedar. Somit kann eine getroffene Auswahl fürexperimentelle Arbeiten schnell verbessertund können augenblickliche Hemmnisse inkurzer Zeit durch eine neue Materialgenerati-on überwunden sein. Dieser Kontext ist beiden vorliegenden Untersuchungen vor allemhinsichtlich des verwendeten Speichergranu-lats zu berücksichtigen.Die durchgeführten Versuche erfolgen mitden RUBITHERM-Materialien GR 41 (Korn-größe 1 – 3 mm) sowie GR 54 (Korngröße0,2 – 0,6 mm). Da der Schmelzpunkt bei die-sen PCM deutlich über den Temperaturspit-zen von Innenräumen liegt (GR 41 ≈ 45 °Cund GR 54 ≈ 54 °C), sind die Einsatzmöglich-keiten in Decken, Wänden und Böden einge-schränkt beziehungsweise erfordern andere,niedriger schmelzende PCM oder eine Modifi-kation des Schichtenaufbaus.

Darüber hinaus bestehen nach dem jetzigenStand der experimentellen Untersuchungenfür den Einsatz von gebundenem, das heißt

Abb. 7.114 Rezeptur III (Darstellung 1:1)

Abb. 7.115 Rezeptur VI (Darstellung 1:1)

Abb. 7.116 Rezeptur VIII (Darstellung 1:1)

nicht gekapseltem PCM als Zuschlagsstoff ineinem offenporigen Material wie Holzleichtbe-ton (noch) eine Reihe von bautechnischenSchwierigkeiten.Es kann durchaus passieren, dass nachdemdas PCM bei Raumtemperatur den Phasen-wechsel von fest nach flüssig vollzogen hat,bei einem weiteren Temperaturanstieg kon-densiert und aufgrund des Dampfdruckaus-gleichs durch die vorhandenen kapillaren Öff-nungen in dem Granulat, die aus der Herstel-lung resultierten, ausdiffundiert. (Abb. 7.118+7.119)Dabei spielt die Art der Einbringung des PCM(Mischung/Tränkung) keine Rolle; in beidenFällen muss mit einem 'Verdunstungseffekt',dem “Ausschwitzen” gerechnet werden.141

Für Anwendungen im Innenraum, das heißt inBöden, Wänden und Decken, resultiert dar-aus:- mehrlagige Ausbildung der Holzleicht-

betonoberfläche - Kombination des Holzleichtbetons mit an-

deren Trägermaterialien.Bei der mehrlagigen Ausbildung muss derHolzleichtbeton mit PCM beidseitig dampf-dicht ausgebildet, das heißt mit einer Dampf-sperre abgedichtet werden. Da in diesem Falldie Sorptionsfähigkeit unterbunden ist, kanndies nur in ausgewählten Flächenbereichenerfolgen. Am Markt werden zahlreiche opakebis transparente ‘Schutzanstriche’ unter-schiedlicher Hersteller angeboten. In diesem Zusammenhang ist noch zu klären,welche Wirkung die Zementleimmatrix alsDampfbremse beziehungsweise Dampfsperreübernehmen kann. Diesbezüglich fehlen(Langzeit-)Erfahrungen. Es ist zu erwarten,dass gerade die leichten Holzleichtbetonmi-schungen, weil sehr offenporig, diese Funkti-on nicht werden leisten können. Auch bleibtnoch offen, inwieweit bei ‘hydrophobierenden’

Plattenwerkstoffe ebenfalls vorstellbar.Ferner bestehen hinsichtlich der Verarbeitungweitere Optionen, zum Beispiel das ‘Tränken’.Bei diesem Verfahren wird zunächst das Bau-teil hergestellt. Nachdem Aushärten erfolgtdas Eintauchen in das flüssige PCM-Material,um den oberflächennahen Bereich zu trän-ken. Da Holzleichtbeton eine recht offenpori-ge Oberflächenstruktur aufweist, ist das Mate-rial in besonderer Weise für ein solches Her-stellungsverfahren geeignet.Allerdings erfordert ein solcher Ansatz hoheWärmeleitfähigkeiten der “Stützmatrix” und ei-


speichermaterialien

Zusammenfassung

139

rung.145 Allerdings ist zu beachten, dass beiden erforderlichen Maßnahmen für Verroh-rung und Anschluss an das haustechnischeSystem etc., es sich eher um einen technischaufwendigeren und kostenintensiveren An-satz handelt, das heißt man hat es einerseitsmit einem recht einfachen Schüttgut zu tun,anderseits mit einer komplizierten (Appara-te-)Technik.

Um die gestalterischen Qualitäten der Holz-leichtbetonoberflächen zur Wirkung bringenzu können, sind Anwendungen im Bereich der

Anstrichen, zum Beispiel Dispersionsfarbe,eine ausreichende Haftung im Bereich desGranulats gewährleistet ist. (Abb. 7.120) PCM auf paraffinischer Basis wirken wieTrennmittel. Somit sind Schwierigkeiten beider Abdeckung zu erwarten; ferner muss eineMaterialverträglichkeit berücksichtigt wer-den.142 Demgegenüber stellt eine raumseitige‘Beplankung’ der Holzleichtbetonwand mit ei-ner ‘dampfdichten’ Trägerplatte keinen sinn-vollen Lösungsansatz dar, da in diesem Be-reich die Materialeigenschaften und Oberflä-chenqualitäten des Holzleichtbetons nichtmehr zur Wirkung kommen.Mittlerweile sind auf dem Markt auch mikro-verkapselte PCM-Materialien mit einemSchmelzpunkt unter 28 °C erhältlich.143 Diesesind hinsichtlich ihrer Eigenschaften erprobt.Da für die Verarbeitung in Zement gebunde-nen Werkstoffen keine Probleme zu erwartensind, eröffnen diese PCM auch neue Optio-nen für den Verbund mit Holzleichtbeton.

Mit dem verwendeten Speichergranulat kannunter anderem die Ausbildung von opakenFlächen in Zwischentemperaturbereichen,zum Beispiel Doppelfassaden oder Wintergär-ten mit dem Material erfolgen; darüber hinauskönnen Bauteile aus Holzleichtbeton mit PCMüber Lüftungsklappen auch die natürliche Be-und Entlüftung von Räumen unterstützen.In diesem Zusammenhang erscheinen auch‘passive’ Luftkollektor-Wandaufbauten144 vielversprechend.Ferner ist die Kombination mit thermisch akti-ven Elementen denkbar, wobei in diesem Falleine Erhöhung des PCM-Anteils sinnvoll er-scheint. Zum einen gilt die Bauteiltemperie-rung für energetisch optimierte Verwaltungs-bauten mittlerweile als Standardtechnologie,zum anderen zeigen Pilotanwendungen gro-ße Potenziale für die Latentwärmespeicher-materialien, auch im Bereich der Altbausanie-

Holzleichtbeton + PCM

R I R V

Rohdichte [kg/m3]

Zementgehalt [kg/m3]

1025

410

1175

410

Wassergehalt [kg/m3]

Holzgehalt [kg/m3]

Körnung Zuschlag “Nadelholz” (Fichte)

Vorbehandlung “Nadelholz”

320

175

350

125

4 mm

keine

4 mm

keine

Additive/Zusatzstoffe “PCM-Material”

Paraffingehalt [kg/m3]

W/Z-Wert

Konsistenz

GR 41

116

GR 41

266

0,78

C3/F3

0,85

C3/F3

E-Modul [N/mm2]




1600

5,06

2200

7,71

1,57

0,285

2,00

0,324

R VI R VIII

1300

600

1425

600

307

122

360

95

4 mm

keine

4 mm

keine

GR 41

331

GR 54

432

0,51

C3/F3

0,60

C3/F3

3533

15,31

4433

19,67

2,51

0,412

2,00

0,492

Spez. Wärmespeicherkapazität [J/gK, 0 °C] 1,34 1,07 1,23 1,20

Abb. 7.117 Übersicht von materialspezifischen Kenndaten ausgewählter Holzleichtbetonmischungen mitLatentwärmespeichermaterialien

Ho lzle ich tbe ton mit La ten twä rm e- spe ich erm ate ria lie n

Zus am me nfa ssu ng

140

G r a n u l a t " T o n e r d e "

P a r a f f i n ( f e s t ) R L T = 2 0 ° C

G r a n u l a t " T o n e r d e "

P a r a f f i n ( g a s f ö r m i g ) R L T = 3 0 ° C

Ab b. 7.1 18 In ‘To ner de’ gek aps elte s PC M- Ma te- ria l au f pa raf fini sch er Bas is in fes tem Zus tan d RL T = Ra um luft tem pe rat ur

Ab b. 7.1 19 In ‘To ner de’ gek aps elte s PC M- Ma te- ria l … in ga sfö rm ige n Zus tan d

Ab b. 7.1 20 Ha ftun g von Ans tric hen auf den unter sch ied lich en Ob erf läc he n - Ho lzle ich tbe ton - an ge sch nitt en e Ton erd e - an ge sch nitt en es Par affi n

schen 10 und 40 % ( je nach Anwendu ngsfall als Zement gebunde ne Holzwerk stoffe, Gipse beziehun gsweise Putze, Spachtelm assen, Farben etc.), ‘reines’ PCM-Mate rial ein her- stellungste chnisch machbare r Zielbere ich. Hier liegen die untersuch ten Holzleich tbeton- mischunge n noch unter dem Minimal wert. Auch dahinge hend besteht bei verbesser ten PCM zusätzlich ein Optimieru ngspotenz ial. Gleichwo hl wird die Effizienz dieser Art verar- beiteter PCM-Mate rialien auch kritisch diskutiert. Für leistungs fähige Kühlungs strategie n gelten als Zielgröße n Belegung sdichten von > 10 bis 20 kg/m 2 , 148 die in dieser Form mit solchen Ansätzen wohl nicht realisie rbar sind.

Allerdin gs darf es bei Material - und Baupro- duktentwi cklungen nicht nur um eine Teilopti- mierung gehen. Die Einsatzmög lichkeiten von Baumater ialien im Bereich von Gebäude fassaden und Innenräu men werden über lei- stungsfähi ge funktiona le und konstruktive Merkmale auch stark von ästhetische n Para- metern bestimmt. Gerade für diesen Anwen- dungsber eich weist der Holzleich tbeton (mit und ohne Latentwä rmespeic hermater ialien) sehr gute Eigenscha ften auf.

Anmerkunge n 1 Auc h “Ra umt emp erat ur” ode r “ope rativ e Tem pera tur”

gen ann t. Vgl. DIN 194 6-2, Jan uar 199 4, S. 2 2 Vgl. Bun des arch itek tenk amm er (Hg .), 199 6, S. 29-3 2 3 Vgl. Ham mer /Jun g, Okt obe r 200 0, S. 20, 4 4 Bun des arch itek tenk amm er (Hg .), 199 6, S. 67 5 Die Wär mea ufna hme die eine Sch icht verg leich bare r

Stär ke “pro Gra d Tem pera turs chw ank ung sam plitu de und pro m 2 Fläc he vom Tag bis in die Nac ht spe i- che rt”. Vgl. Bun des arch itek tenk amm er (Hg .), 199 6, S. 67

6 Vgl. Ham mer /Jun g, 200 0, S. 20 7 Vgl. Ham mer /Jun g, 200 0, S. 15 8 Vgl. Inno vati ve PCM -Tec hno logi e. In: Täti gke itsb e-

rich t 199 9. Wür zbu rg, 200 0, S. 25 9 Vgl. Meh ling, 200 2, S. 1 10 Vgl . DEL TA ® -PC M Wär mes peic herp latte n. Pro duk tin-

fo der Fa. Dör ken Gm bH Her dec ke, 03.1 2.20 03

nen hohen PCM-Antei l, 146 was beim Holz- leichtbeto n nur bedingt gegeben ist. Der Holzleich tbeton kann aber auch als ab- schließen de Schicht (etwa 2 bis 4 cm) aufgebracht werden, sowohl in der Schalung sform gegeben enfalls direkt auf ein Trägerma terial als auch (nicht nur im Bestand) auf vorhande - ne Bauteilsch ichten.

Im Rahmen der durchgef ührten Potenzial ab- schätzung zeigt sich, dass die Erhöhung der thermisch en Speicher fähigkeit zu einer Re- duktion der sommerli chen Überhitzu ng führt (unter Berücksichti gung externer Verschat- tung und ausreiche nder Nachluftw echselrate ). Damit liegen die Ergebniss e in der Tendenz im Bereich anderer Untersuch ungen mit PCM-halt igen Baustoffen. Experime ntelle Ar- beiten am Fraunhofe r-ISE in Freiburg zeigen, dass ein Testraum mit PCM angerei chertem Innenputz im Temperat urberei ch von 20 bis 26 °C im Mittel 2 K, bei Temperatu ren über 30 °C bis zu 4 K kühler als der Referenz raum ist. 147

Das Maß der thermisch en Speicherfä higkeit wird indes nachhalti g durch den PCM-Antei l bestimmt. Dabei scheinen Masse-Ante ile zwi-

A n s t r i c h

bzgl. Spanform, Sieblinie etc. Auskunft Herr Hainzin-ger, Holzforschung/TU München, 02.05.2002

58 Auskunft Herr Hainzinger, Holzforschung/TU Mün-chen, 02.05.2002

59 Raumlufttemperatur 20 °C, 65 % Luftfeuchte60 Vgl. im Anhang: Abb. 10.0.1–10.0.3 61 Vgl. Kapitel 5.2.362 Gespräch mit Herrn Dr. Fieback und Herrn Büttner,

Fa. RUBITHERM GmbH, Fürstenwalde, 16.08.200163 Die Arbeiten werden am 13. und 16. Mai 2002 beim

Materialprüfungsamt für das Bauwesen (MPA Bau)/TU München durchgeführt.

64 Vgl. Bayer/Klose, 10/1996, S. 21-2365 Rostásy, 1983, S. 1766 Vgl. Rostásy, 1983, S. 16967 Vgl. ZAE Bayern, 10/2002; Gespräch mit Herrn Dr.

Manara, ZAE Bayern/Abt. 2, Würzburg, 09.10.2003.68 Vgl. auch Abbildung 5.8 in Kapitel 5.3.269 ZAE Bayern, 10/2002, S. 4f.70 Vgl. Kapitel 5.3.271 ZAE Bayern, 10/2002, S. 7f.72 ZAE Bayern, 10/2002, S. 873 ZAE Bayern, 10/2002, S. 1174 Vgl. ZAE Bayern, 10/2002, S. 1375 Vgl. ZAE Bayern, 10/2002, S. 1476 ZAE Bayern, 10/2002, S. 14f.77 ZAE Bayern, 2/2003, S. 378 Die Durchführung solch aufwändiger Untersuchun-

gen, die über den Kernbereich der Projektziele hin-ausgehen, konnte nur durch die sowohl inhaltlichewie auch finanzielle Unterstützung der beteiligten In-stitute, Firmen und Ingenieurbüros realisiert werden.

79 Vgl. Kind-Barkauskas et al., 1995, S. 57f., 10580 10. Januar 200381 20 °C Raumlufttemperatur, 65 % Luftfeuchte82 03. bzw. 16. Juli 200383 Diese Messreihe aus der Betonage 5 erfolgt um 13

Tage Zeit versetzt; die Rezepturanteile bleiben je-doch gegenüber der Betonage 4 gleich.

84 Vgl. Rostásy, 1983, S. 16385 Vgl. Betone mit besonderen Eigenschaften, 06.00/20 86 Der ausreichende “Widerstand gegen Frost-Tau-Be-

anspruchung […] erfordert eine Prüfmethode, die so-wohl eine dargelegte Präzision, d.h. Wiederhol- undVergleichspräzision, als auch eine ausreichende Kor-relation der Prüfergebnisse zum Verhalten des Be-tons in der Praxis aufweist. Wie in anderen Bereichenauch, z.B. der Festigkeitsprüfung, kann ein Prüfver-fahren des Frost-Taumittel-Widerstands nicht allemöglichen praktischen Beanspruchungen erfassen.[…] Der CDF-Test wurde entwickelt, um eine hohePräzision mit minimalem Kostenaufwand für Ausstat-tung und Labor zu erreichen.” CDF bedeutet “Capilla-ry suction of De-icing solution and Freeze thaw test”(Kapillares Saugen von Taumittellösung und Frost-Tau-Test). Vgl. http://www.uni-essen.de/ibpmw/cdf/cdfrecde.htm <15.01.2002>

87 Vgl. Auberg <15.08.2003>


speichermaterialien

Zusammenfassung

141

Speichergranulat GR 27 mit Korngrößen zwischen < 0,5 und > 4 mm an. Vgl. Datenblatt v. 20.10.2003

34 Zum Zeitpunkt der Herstellung erster Funktionsmu-ster noch als GR 40 und GR 50 bezeichnet. Vgl. Da-tenblatt v. 28.02.2001

35 06. September 200136 Unter Frischbetongefüge wird der Zusammmenhalt

von Zememtleim und Zuschlagsstoff verstanden. Beieinem schlechten Frischbetongefüge können Entmi-schungen, Wasserabsonderungen oder Probleme mitder Verarbeitbarkeit auftreten. Vgl. Kind-Barkauskaset al., 1995, S. 268

37 Dem Holzanteil (Siebfraktion 4 mm) mussten nochetwa 1 kg der Siebfraktion 3 mm zugegeben werden.

38 10. September 200139 Genormte Konditionen: 20 °C Temperatur und 65 %

Luftfeuchte40 Vgl. Kind-Barkauskas et al., 1995, S. 26741 Nach DIN 1164 darf das Erstarren frühesten eine

Stunde nach dem Anmachen beginnen und muß spä-testens nach 12 Stunden beendet sein. Kind-Bar-kauskas et al., 1995, S. 267

42 Tel. Auskunft Herr Dr.-Ing. Fieback, Fa. RUBITHERMGmbH, Fürstenwalde, 04.02.2002

43 50% Granulatanteil sei kaum unter zu mischen. Tel.Auskunft Herr Dr.-Ing. Fieback, Fa. RUBITHERMGmbH, Fürstenwalde, 06.03.2002

44 Dieser Information lägen langjährige Versuchsarbei-ten zugrunde. Tel. Auskunft Herr Dr.-Ing. Fieback,Fa. Rubitherm GmbH, Fürstenwalde; 06.03.2002




48 Das Paraffin wandert, wenn es nicht ausreichend ge-bunden ist, aufgrund von Diffusionsvorgängen. Aus-kunft Herr Dr. Mehling, ZAE Bayern/Abt. 1, Garching;11.02.2004

49 Tel. Auskunft Herr Dr.-Ing. Fieback, Fa. RUBITHERMGmbH, Fürstenwalde; 06.03.2002

50 Vgl. Schmidt/Jahns, 2003, o.S.51 Tel. Auskunft Herr Kreher, EPFL/I-Bois, 03.05.200252 Während die Ausgangsuntersuchungen sehr umfang-

reich dokumentiert sind (vgl. Gliniorz/Natterer, 2000,S. 32ff.), liegen für die Herstellung der Probekörperzur Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit und spezifi-schen Wärmekapazität (vgl. Kapitel 5.3.1) keine Pro-tokolle und/oder Aufzeichnungen vor.

53 Vgl. Gliniorz/Natterer, 2000, S. 29. U.a. Vollenschaar,(Hg.), 25/1998, S. 643; Sell, 4/1997, S. 28

54 Tel. Auskunft Herr Tröger, Holzforschung/TU Mün-chen, 10.04.2002

55 Tel. Auskunft Herr Herzig, Fa. Künneth Holz & Logi-stik KG, Alling/Obb., 09.04.2002

56 Vgl. Gliniorz/Natterer, 2000, S. 3157 Der Hinweis ist wichtig, da in anderen Produktionszu-

sammenhängen von Holzwerkstoffen Holzspäne alsZuschlagsstoff durchaus extra angefertigt werden,

11 Vgl. Puch, 03.04.2001, S. V2/712 Vgl. Mehling, 2002, S. 2, 813 Vgl. Henning, 2003, o.S.14 Vgl. Mehling, 2002, S. 6-815 Vgl. Mehling, 2002, S. 1, 4f.16 Schmelztemperatur von 32 °C. Vgl. Hebgen, 1982,

S. 81, 8817 Vgl. Detail, 6/2002, S. 736f.18 Vgl. Koschenz, 2003, S. 60-65; SOBIC Seminar,

03.12.200319 Vgl. Produktunterlagen der Fa. RUBITHERM GmbH,

Hamburg (2001)20 Als Manipulatoren bezeichnet man multifunktionale

Bauteile vor Öffnungen (Türen, Fenster, Verglasun-gen) für die gezielte Steuerung der klimatischen undwitterungsbedingten Einflüsse in Abhängigkeit desTages- und Jahresverlaufs. Vgl. Krippner, 2001, o.S.

21 Eine Erstanwendung erfolgte bei dem Demonstrati-onsgebäude “Phoenix” auf der Swissbau 2000 in Ba-sel. Vgl. Lainsecq, 1/2001, S. 40

22 Etwa 600 kg/m3 ≈ 13 kg; 1275 kg/m3 ≈ 28 kg; 1500 kg/m3 ≈ 32 kg

23 Diese sogenannten “Oriented Strand Board”-Plattenhaben einen dreischichtigen Aufbau aus Schälspä-nen. Diese Späne werden in drei Schichten jeweilsum 90° versetzt zueinander gestreut. Dabei verlaufendie Längsspäne vorzugsweise in den Deckschichtenparallel und in der Mittelschicht quer zur Fertigungs-richtung. Vgl. http://www.bm-holz.de/Produkte/Plat-ten/schaltafplatten.html <04.08.2003>

24 Während der sich über zwei Jahre erstreckendenVersuchsarbeiten bewährten sich die Schalungsfor-men sowohl hinsichtlich der Handhabung als auchder Robustheit.

25 Tel. Auskunft von Herrn Büttner, Fa. RUBITHERMGmbH, Fürstenwalde, 23.08.2001

26 An der EPF Lausanne/I-Bois experimentierte man mitKalkwasser. Dieses Verfahren soll die den Abbinde-vorgang verzögernden Holzinhaltinhaltsstoffe ‘neutra-lisieren’ bzw. herausfiltern. Insgesamt wurden indeskeine signifikanten Vorteile festgestellt.

27 Diesbzgl. wurden bisher keine Untersuchungendurchgeführt. Tel. Auskunft v. Herrn Roider, IEZ Nat-terer GmbH, Saulburg/Wiesenfelden, 27.08.2001

28 Gerade bei kleinen Testreihen besteht häufig dasProblem, nicht immer die gleiche Zusammensetzungder Siebfraktion zu erhalten. Tel. Auskunft v. HerrnRoider, IEZ Natterer GmbH, Saulburg/Wiesenfelden,27.08.2001

29 Tel. Auskunft von Herrn Herzig, Fa. Künneth Holz &Logistik KG/Alling/Obb., 31.08.2001

30 Vgl. Kap. 5.2.131 Eine Fraktion, die künftig den Hauptanteil des bei der

Holzbearbeitung und Weiterverwendung anfallendenRestsägeholzes ausmachen wird. Gespräch mitHerrn Herzig, Fa. Künneth Holz & Logistik KG/Alling/Obb., 31.08.2001

32 Gespräch mit Herrn Dr. Kling, Bauberatung ZementBayern/München, 31.07.2001

33 Seit (Herbst) 2003 bietet die Fa. RUBITHERM ein


Zusammenfassung

142

zum Faktor 6 (z.B. zwischen Weichholz und Beton).Vgl. Bundesarchitektenkammer (Hg.), 1996, S. 67

124 Vgl. E-Mail, Herr Winkelmüller, ZAE Bayern/Abt. 4,09.02.2004

125 Vgl. E-Mail, Herr Winkelmüller, ZAE Bayern/Abt. 4,09.02.2004

126 Vgl. Winkelmüller, 2003, S. 5127 Vgl. Winkelmüller, 2003, S. 6f.128 Vgl. Winkelmüller, 2003, S. 14129 Knauf: W111 Metallständerwand Einfachständerwerk

- einlagig beplankt; Aufbau: Beplankung jeweils 12,5mm Gipskartonplatten; Metall-Ständer CW 100 / 100mm; Achsabstand = 62,5 cm; Dämmung = 80 mm;Wandstärke gesamt = 12,5 cm.

130 Die Einschränkung von Wandöffnungen auf Fenstererscheint (nicht nur in diesem Zusammenhang) we-nig sinnvoll; daher wird nachfolgend stets von derÖffnung gesprochen auch wenn Normen etc. denTerminus Fenster verwenden.

131 Vgl. Winkelmüller, 2003, S. 7132 Vgl. Pültz, 2002, S. 142-144; Pfafferott, 2003, S. 8133 Vgl. DIN 1946-2; Bundesarchitektenkammer (Hg.),

1996, S. 29-32134 Vgl. Pültz, 2002, S. 130f.135 Vgl. Winkelmüller, 2003, S. 8-13136 Vgl. Winkelmüller, 2003, S. 13137 Vgl. Winkelmüller, 2003, S. 14f.138 Vgl. Pfafferott, 2003, S. 3139 Vgl. Pültz, 2002, S. 146140 Vgl. Cerliani/Baggenstos, 2000, S. 204f.; Neunast/

Lange, 2001, S. 85141 Vgl. Schmidt/Jahns, 2003, o.S.

Bei den Speichergranulaten GR 41, GR 54 und höherscheint dieses Problem nicht gegeben.

142 Versuche mit Holzbeton-Proben wurden indes imRahmen der Arbeit nicht mehr durchgeführt.

143 Vgl. Schmidt/Jahns, 2003, o.S.Auch bei der Fa. RUBITHERM GmbH wird dieMarkteinführung einer (Neu-) Entwicklung eines Gra-nulats für raumseitige Anwendungen vorbereitet. Vgl.Datenblatt v. 20.10.2003

144 Vgl. Pfeifer, 11/2002, S. 37-44.145 Vgl. Schmidt/Jahns, 2003, o.S.; Koschenz, 11/2003,

S. 60-65146 Vgl. Wärmespeicher auf PCM-Basis für die Haushei-

zungstechnik. In: Tätigkeitsbericht 2001. Würzburg,2002, S. 25

147 Vgl. Kruse/Friedrich, 06/2002, S. 4; Schossig, 2003,o.S.

148 Vgl. SOBIC Seminar, 03.12.2003

88 CIF bedeutet “Capillary suction, Internal damage andFreeze thaw test” (Kapillares Saugen, innere Schädi-gung und Frost-Tau-Test).

89 Setzer <15.08.2003> 90 Kind-Barkauskas et al., 1995, S. 8891 Gespräch mit Herrn Dr.-Ing. Fieback, Fa. RUBI-

THERM GmbH, Fürstenwalde, München (Bau 2003),15.01.2003

92 18. Juli 200293 Diese Mischung weist mit 23 Masse-% den höchsten

PCM-Anteil in der leichten Holzleichtbetonreihe, mitdem niedrigsten Zementgehalt, auf.

94 In diesem Zusamenhang wäre die Auswirkung desW/Z-Wertes, d.h. der Feuchteabgabe über die 28Tage hinaus zu klären.

95 Vgl. Schreiben von Dr. Kindermann, Fa. OWA, Amor-bach, 28.03.2003

96 DIN 4102-15, Mai 1990, S. 297 Schreiben von Dr. Kindermann, Fa. OWA, Amorbach,

den 28.03.200398 Vgl. DIN 4102-1, Mai 1998, S. 999 Vgl. Delzer, 06/2003100 Vgl. Rostásy, 1983, S. 44ff.101 Rostásy, 1983, S. 54102 E-Mail, Fa. Delzer Kybernetik, 21.09.2003103 Vgl. Delzer, 09/2003, o.S.104 22. September 2003105 Zu beachten ist der jeweilige Wechsel der Farbe in

den Grafiken, der aus dem Versuchsablauf resultiert;dies wird an dieser Stelle bewusst in Kauf genom-men.

106 24. September 2003107 E-Mail, Fa. Delzer Kybernetik, 21.09.2003108 E-Mail, Fa. Delzer Kybernetik, 21.09.2003109 Delzer, 06/2003, S. 2110 08. Mai 2003111 19. Mai 2003112 Allerdings ist bei allen Bewertungen der Ergebnisse

eine mögliche 5 bis 10 %-ige Fehlerabweichung mitzu berücksichtigen.

113 Delzer, 06/2003, S. 2114 Analog zu den vorangegangenen Betrachtungen in

Kapitel 5 und 6.115 Vgl. Kruse/Friedrich, 2002; Schossig, 2003, o.S.116 Vgl. Bundesarchitektenkammer (Hg.), 1996, S. 30,

65f.117 Vgl. Pfafferott, 2003, S. 4, 6118 Die “operative Raumtemperatur soll bis zu einer Au-

ßentemperatur von 26 °C zwischen 20 und 26 °C(Komfortbereich: 22 – 25 °C) liegen, bei höheren Au-ßentemperaturen sind höhere Raumtemperaturen zu-lässig.” Pfafferott, 2003, S. 2

119 Vgl. Pfafferott, 2003, S. 2120 Vgl. Schossig, 2003, o.S.121 Vgl. Winkelmüller, 2003, S. 4122 Vgl. Hellwig/Hausladen, 6/2003, S. 82-84123 In Abhängigkeit der spezifischen Wärmekapazität be-

stehen bei den gängigen Baustoffen Unterschiede bis

Im Bereich des Beton-Fertigteilbaus habenNeuerungen in der Produktionstechnologie,der Einsatz von CAD und CAM zu einer ArtParadigmenwechsel geführt. Während früherdie Reduktion der Elemente auf möglichst vie-le gleiche Teile einen wichtigen Planungspa-rameter darstellte, sind heute durch die Com-puter gestützte Fertigung auch (Klein-)Serienmit individuellen Formaten und komplexenGeometrien kein technisches Problem mehr.Die Kombination von (Holzleicht-)Beton mitkorrosionsbeständigen textilen Fasern als Be-wehrungsmaterial ermöglicht die Fertigung re-lativ dünnwandiger Bauteile, da nur noch einegeringe konstruktiv notwendige Überdeckungder Bewehrung erforderlich ist.3

Im Zusammenhang mit der Betrachtung derStoff- und Energieströme im Bauen gewinnenauch die Kombinationsmöglichkeiten von Be-ton mit organischen Zuschlagsstoffen an Be-deutung.

Somit bestehen für die Einsatzmöglichkeitenvon Holzleichtbeton gerade im Verbund mitMassivholzkonstruktionen große Entwick-lungspotenziale.Daher werden nachfolgend, zum Abschlussder materialspezifischen Arbeiten, prinzipielle(architektonische) Aspekte für eine Holzleicht-beton-Massivholz-Verbundbauweise behan-delt.

Außenwand-Konstruktionen mit

Holzleichtbeton

143

8 Außenwandkonstruktionen mit Holzleichtbeton

In den vorgegangenen Kapiteln konnten diePotenziale des Holzleichtbetons als Materialfür thermisch passive und aktive Bauteile inunterschiedlichen Zusammensetzungen auf-gezeigt werden. Daran anknüpfend erfolgtnun die Darstellung experimenteller Untersu-chungen und baulicher Konzepte zu Einsatz-und Gestaltungsmöglichkeiten von Holzleicht-beton in (Außen-)Wandkonstruktionen.

Der Holzbau verzeichnet zum Ausgang des20. Jahrhunderts eine erneute Prosperität.Trotzdem ist der Marktanteil in Deutschlandinsgesamt noch relativ gering. Mittlerweileliegt der Holzbau bei den Ein- und Zweifamili-enhäusern bei etwa 15 % (2002).1 Von diesen Bauten werden über dreiviertel inHolztafel- oder Holzrahmenbauweise gefer-tigt. Insbesondere im mehrgeschossigenHolzbau erreichen jedoch diese Bauweisenhinsichtlich höherer Lasten, Setzungen undVerformungen sowie aufwendiger Fugenaus-bildung ihre baukonstruktiven Grenzen.In diesem Zusammenhang gewinnen dieMassivholzbauweisen an Bedeutung. Mit derWahl einer Holz-Bauweise wird auch die Artder Gewinnung und Herstellung von Kon-struktionshölzern (aus den runden Baum-stämmen) wesentlich beeinflusst. Die Haupt-produktausbeute, in der Regel Hölzer mitquadratischen oder rechteckigen Querschnit-ten, schwankt zwischen 40 % (Blockbau) und52 % (Rahmenbau). Die restlichen Anteileentfallen auf Nebenprodukte wie Seiten- oderSchwartenbretter.2 Dieser Anteil kann ver-stärkt in Massivholzbauweisen und/oder neu-en Holz- und Holzverbundwerkstoffen genutztwerden. Darüber hinaus bestehen Möglichkei-ten einer stofflichen Verwertung sowohl vonAbfallprodukten aus der Holz verarbeitendenIndustrie als auch von Durchforstungsmateri-al, das in den Wäldern in großen Mengen an-fällt.

Außenwand-Konstruktionen mit Holzleichtbeton

Holzleichtbeton-Massivholz-Verbundbauweise

144

nahezu von jedem Zimmereibetrieb herstell-bar sind. Ferner können bei detaillierter Pla-nung die Bauteile (bis hin zum gesamten Ge-bäude) als Bausystem witterungsunabhängigvorgefertigt werden. Dies führt zur Senkungvon Risiken und erhöht die Qualität der Aus-führung. Ferner lassen sich durch den Einsatzvon einfach gehobelten Brettern, raumseitigsichtbaren Flächen und den Wegfall der Ver-leimung ebenfalls die Baukosten senken.

Baukonstruktion und Bauphysik 8

Brettstapelelemente können aus Nadelholzder Sortierklasse S10 nach DIN 4074-1 her-gestellt werden und bestehen primär aus Sei-tenbrettern (GK1.II/III) mit einer Stärke von 24bis 45 mm. Es handelt sich also um ein Mate-rial, dass in großen Mengen vorrätig und so-mit kostengünstig zu beziehen ist.Nachdem die Bretter oder Bohlen auf eineHolzfeuchte von 15 ± 3 % getrocknet und zu-mindest egalisiert sind, werden sie hochkantstehend, dicht an dicht nebeneinander geord-net und durch kontinuierliche Nagelung auf ei-ner Computer gestützten Fertigungsanlagemiteinander verbunden. (Abb. 8.1)Durch die Nagelung beziehungsweise Verdü-belung entsteht bei dem Brettstapel “ein belie-big breiter, einachsig gespannter Holzträger.Die Querverbindung bewirkt die Quervertei-lung von punktförmigen Lasten und ein konti-nuierliches Verformungsverhalten quer zurSpannrichtung der Elemente.”9

Bei der Durchbiegung sind unter anderem derGrad der Ausgleichsfeuchte, die Art der Stoß-anordnungen und gewählten Verbindungsmit-tel (Nägel, Bleche oder Holzdübel) zu berück-sichtigen.10

Wenn die BS-Elemente ausreichend getrock-net eingebaut werden, besteht die Möglichkeitdes Verzichts auf chemischen Holzschutz. ImBereich von Sanitärräumen wird jedoch eine

8.1 Massivholz-Holzleichtbeton-Verbundbauweise

Der nachwachsende Baustoff Holz war überJahrhunderte wesentlicher Bestandteil derPrimärkonstruktion von Bauten. Erst im Zugeder Entwicklung moderner Materialien in der2. Hälfte des 19. Jahrhunderts, insbesondereStahlbeton, wird das Material zeitweise in denHintergrund gedrängt.4 Durch die Verwen-dung von Brettstapeln als massive Bauweise,kann Holz in großen Mengen nutzbar ge-macht werden, um seinen derzeitgen Anteilam gesamten Bauvolumen von weniger als 5 % wieder anzuheben. In den Wäldern der BR Deutschland wachsenjährlich 60 Millionen Kubikmeter Holz nach,von denen nur zwei Drittel geerntet werden.Für waldreiche Bundesländer sind massiveBauweisen besonders zukunftsweisend, dadurch die Ausnutzung des vorhandenen Na-turrohstoffs die Walderhaltung und Auffor-stung zusätzlich gefördert und damit die Wert-schöpfung der Wälder verbessert werdenkann.

Holzleichtbeton-Massivholz-Verbundkonstruk-tionen stellen ein enormes (Weiter-)Entwick-lungspotenzial im Bereich des innovativenHolzbaus dar. Solche Verbundkonstruktionenführen zu einer erheblichen Verbesserung derstatischen und schalltechnischen Eigenschaf-ten von Decken- und Wandbauteilen. Derhohlraumarme Aufbau ermöglicht:- besseres Wärmespeichervermögen- ausgeglichenen Feuchtehaushaltund unterbindet die- “innere” BrandweiterleitungIn Verbundkonstruktionen besteht neben demWitterungs- und Brandschutz zudem eineVielzahl von herstellungstechnischen Vortei-len:

- Hoher Vorfertigungsgrad- Geringes Gewicht- Einfacher Transport- Schnelle MontageSowohl Vollholzprodukte als auch Holzwerk-und Holzverbundwerkstoffe eröffnen großekonstruktive und gestalterische Möglichkeiten.Dabei kommt der Kombination von leistungs-fähigen Kompositmaterialien mit innovativerFertigung als Basis für ausgereifte Bausyste-me auch im Holzbau eine enorme Bedeutungzu.

8.1.1 BrettstapelBei der Brettstapelbauweise5 (BS) handelt essich um ein neu aufgegriffenes und weiterent-wickeltes Holzbausystem, dessen primäreTragelemente aus massiven, flächigen, wahl-weise sägerauen oder gehobelten Brettsta-pelelementen bestehen. Verdübelte Bretterlamellen werden bereitsvon dem französischen Architekten PhilibertDe L'Orme verwendet und im 18. Jahrhundertsetzt Friedrich Gilly ebenfalls verdübelte Boh-lenkonstruktionen ein.6 Anfang der 1940er Jahre beschreibt Kress dieBrettstapelbauweise als “Rippenbauweise zurHerstellung von massiven Holzwänden”.Ende der 80er Jahre greift Julius Natterer die-se Bauweise wieder auf und entwickelt sieweiter. 1991 wird ein erstes Haus, dessen pri-märe Tragstruktur vollständig aus BS-Holzbesteht vorgestellt.7

Verwendet werden Brettstapelelemente alsDecken-, Wand- und Dach-Bauteile im Einfa-milien- und Geschosswohnungsbau, Indu-strie- und Gewerbebau, Kindergärten, Schu-len und Sporthallen sowie für landwirtschaftli-che Gebäude; dies gleichermaßen bekleidetoder sichtbar belassen.Ein großer Vorteil der Brettstapelbauweise ist,dass die Elemente mit geringen Investitionen


Holzleichtbeton

Holzleichtbeton-Massivholz-

Verbundbauweise

145

der Vertikallasten gewährleisten und zum an-deren die Scheibenwirkung der Decke sicher-stellen. Die Überfälzung scheint für dieseBauweise die sinnvollste Lösung. Zur Über-tragung der Schubkräfte können die Elementezusätzlich mit Stabdübeln oder auf der Ober-seite mit Nagelblechen beziehungsweiseHolzwerkstoffplattenstreifen verbunden wer-den. Der Einsatz von Brettstapelelementen ermög-licht zum Beispiel im Wohnungsbau gegen-über Mauerwerkskonstruktionen eine Redukti-on der Lasten um 20 bis 50 %.Da Nadelholz in Faserrichtung und Beton C 25/30 in etwa ein gleiches Schwindverhal-ten aufweisen,15 eignen sich beide Materialienfür Verbundkonstruktionen. Dabei dient derBrettstapel als Schalung für den Aufbeton.BS-Elemente, die schubfest mit dem Betonverbunden sind, können auch für größereSpannweiten zwischen 5 und 10 m (versuchs-weise bereits 12 m) eingesetzt werden. ZurÜbertragung der Schubkräfte gibt es ver-schiedene Produkte am Markt.

Für tragende Brettstapelwände (BSW)16 sindBretthöhen von 8 bis 12 cm üblich. Im Woh-nungsbau müssen die BS-Außenwände in derRegel mit einer zusätzlichen Dämmung ver-sehen werden. Bei raumseitig sichtbarenOberflächen ist zu beachten, dass durch die

Abdichtung empfohlen. Bei Kombinationenmit anderen Baustoffen wie Beton und Mauer-werk sind insbesondere die Hirnholzflächenzu schützen.11

Brettstapelkonstruktionen weisen eine Reihebauphysikalischer Vorteile auf. Das thermi-sche Speichervermögen und die guten feuch-teregulierenden Eigenschaften der Holzmas-se wirken sich positiv auf das Raumklima aus:- geringere zusätzliche Wärmedämmung- in den meisten Fällen kann bei sichtbarer

raumseitiger Oberfläche auf Dampfbremseoder Dampfsperre verzichtet werden

- große Temperatur-Amplitudenverschie-bung

Beim Schallschutz lassen sich reine Brettsta-peldecken mit konventionellen Holzdecken-konstruktionen vergleichen. BS-Beton-Ver-bunddecken tragen zu einer deutlichen Ver-besserung des Trittschallschutzes bei undverhalten sich schalltechnisch etwa wie bie-gesteife Massivbetonplatten.Bei einschaligen BS-Wänden wirkt sich derFugenanteil schalltechnisch ungünstig aus.Dies erfordert bei Wohnungstrennwändeneine zweischalige Konstruktion.12

Decken- und WandbauteileIm Wohnungsbau lassen sich bei reinenBrettstapeldecken (d = 12–20 cm) Spannwei-ten bis zu 6 m erzielen.13 Die Elemente kön-nen bis zu Breiten von 2,40 m entsprechendden Transportmöglichkeiten vorgefertigt wer-den, sollten aber nicht länger als 12 m sein.Für die statische Bemessung des Aufbausund der Stärke ist das Schwingungsverhaltender Decke zu berücksichtigen. Brettstapeldek-ken sind im Vergleich zu Holzdecken undmassiven Stahlbetondecken weniger schwin-gungsempfindlich.14

Die Verbindung der einzelnen Deckenele-mente muss zum einen die Querverteilung

Abb. 8.1 Nagelung der Bretter zum Brettstapel-element (Fa. Merkle, Bissingen/Teck)

Abb. 8.2 Brettstapelelement aus so genanntenAkustikprofilen

Abb. 8.3 Brettstapeldecke im Restaurant derMesse-Halle 26, Hannover (Arch. Tho-mas Herzog+Partner, München)


Holzleichtbeton-Massivholz-Verbundbauweise

146

Geltung. Die verschiedenen Bearbeitungs-techniken sind in der DIN 18500 beschriebenund können auch kombiniert zur Anwendungkommen. Das häufigste Verfahren ist das Auswaschen,bei dem die oberste Feinmörtelschicht abge-tragen wird. An- und aufgerauht wird die Be-tonoberfläche durch Absäurern und Sand-oder Flammstrahlen. Dagegen entstehen beider manuellen oder maschinellen, steinmetz-mäßigen Bearbeitungweise (wie Stocken,Spitzen, Scharrieren, Bossieren) neue Ober-flächen.Zur Herstellung von Fertigteilen bestehenweitere mechanische Methoden der Oberflä-chenbearbeitung. Hier sind herstellungsbe-dingte Strukturen (Sägen, Spalten, Schleifen) – ohne zusätzliche Maßnahmen – und feineBearbeitungen (Feinschleifen, Polieren), diezu besonders glatten oder glänzenden Ober-flächen führen, zu unterscheiden.Die bearbeitete Betonoberfläche wird bis zu80 % durch die Farbigkeit der Gesteinskör-nung geprägt. Den restlichen Anteil beein-flusst die Farbe des Zements beziehungswei-se die der Feinstanteile und eingemischtenPigmente.

BehandlungDie Möglichkeiten des Auftrags verschiedenerSchichten aus Silanen, Siloxanen oder Acry-laten dienen zur Hydrophobierung, Beschich-tung oder Versiegelung der Oberfläche. In der Regel weisen Behandlungen, die dek-kend oder lasierend ausgeführt werden kön-nen, nur eine zeitliche begrenzte Dauerhaftig-keit auf. (Abb. 8.6)

FarbigkeitDarüber hinaus bestehen unterschiedlicheFormen zur farblichen Akzentuierung wäh-rend der Betonherstellung.18 Dies kann erfol-gen durch Verwendung von

keitsklasse ≥ C25/30 und einen Wasserze-mentwert (W/ZWert) von ≤ 0,60 bei einem Ze-mentgehalt von ≥ 280 kg/m3 aufweisen.

OberflächenDie Betonoberfläche wird maßgeblich durchdie Schalung geprägt, da das plastische Ma-terial bis zum Erstarren nahezu jede ge-wünschte Form annehmen kann.Der Festbeton hat das Aussehen eines Ge-steins und spiegelt an der Oberfläche denSchalungsabdruck wider. Die optischen Wir-kungen, die dabei erzielt werden können, sindäußerst vielfältig, von sägerauen Brettern biszu glatten oder durch Strukturmatrizen gestal-teten Oberflächen. (Abb. 8.4+8.5)Durch Anordnung und Behandlung der Scha-lungselemente läßt sich eine Vielzahl graphi-scher Effekte unterscheiden. Gerichtete undungerichtete, vertikale, horizontale bezie-hungsweise diagonale Anordnung, flächigeStrukturen, die Widerspiegelung von Material-texturen ebenso wie die Erzeugung von per-spektivischen Wirkungen.Über der materialabhängige Oberflächen-struktur hinaus kann jede Betonoberflächeauch Ornamente erhalten. Allerdings erfordertdies in der Regel aufwendigere Schalungenund ist ein schwierigerer Verarbeitungsvor-gang zu beachten.Neben den Gestaltungsmöglichkeiten der Be-tonoberfläche durch die Schalhaut lassen sichdie Ansichtsflächen durch Bearbeitung undBehandlung weiter verändern. Beide Verfah-ren sind prinzipiell zu unterscheiden.

BearbeitungDurch mechanische, thermische und/oderchemische Bearbeitung der frischen bezie-hungsweise ausgehärteten Betonoberflächekann die Farbigkeit der Gesteinskörnung ge-zielt zur Wirkung gebracht werden und kommtdie Farbgebung insgesamt gleichmäßiger zur

Fugen zwischen den einzelnen Brettlamellendie Dämmung beziehungsweise Trennschichtin direkten Kontakt zur Raumluft steht. Dieserfordert eine Winddichtung zwischen Brett-stapel und Dämmung.Für den raumseitigen Abschluss können dieOberflächen sichtbar belassen werden (sä-gerau, gehobelt, gestrichen oder unbehan-delt) beziehungsweise dienen die Elementeals Tragschale für Ausbaumaterialien.

Gehobelte Brettstapel-Elemente erfüllen auchhohe gestalterische Anforderungen. So be-wirkt die Linearität der Brettlamellen dieStrukturierung der Flächen, die in unter-schiedlicher Weise ausgebildet sein kann.Bei der einfach geschlossenen, scharfkanti-gen Anordnung, über die gefasten Variantenbis zu den so genannten Akustikprofilen, wirdeine ebene Fläche gebildet. (Abb. 8.2)Durch eine versetzte beziehungsweise ver-schwenkte Ausbildung lassen sich die Brettla-mellen noch deutlicher ablesen. (Abb. 8.3)Hierbei sind vielfältige Variationen in rhythmi-schen Gestaltungen denkbar, von dichter Be-legung im Bereich der Wände zu weiteren Ab-ständen in Raummitte etc.

8.1.2 Beton für Außenbauteile 17

Bei Bauteilen aus Stahlbeton im Außenbe-reich ist eine Reihe planungs- und herstel-lungstechnischer Vorgaben zu beachten. Diesbetrifft vor allem eine vollständige Verdich-tung über den gesamten Querschnitt sowieeine ausreichende Überdeckung der Beweh-rung und Vermeidung einer allzu ‘feingliedri-ger’ Formgebung sowie die Berücksichtungkonstruktiver Maßnahmen insbesondere fürden Feuchtigkeitsschutz.

Allgemein sind Außenbauteile aus Beton indie Expositionsklassen XC4 und XF1 einge-stuft. Der verwendete Beton muss die Festig-


Holzleichtbeton

Farbige und strukturierteOberflächen

147

8.2 Farbige und strukturierte Oberflächen

Die Kombination von (Holzleicht-)Beton mitMassivholzbauweisen weist neben den ein-gangs genannten funktionalen und konstrukti-ven Vorteilen, ein großes Repertoire an Ge-staltungsoptionen auf.Daher ist es ein wichtiges Anliegen dieser Ar-beit, neben den Konzepten für Aufbauten undSchichtenfolgen auch die besonderen Mög-lichkeiten der farblichen Gestaltung und derplastischen Ausprägung von Holzleichtbeton-oberflächen exemplarisch aufzuzeigen. Dieseexperimentellen Arbeiten konnten ebenfallsbeim Materialprüfungsamt für das Bauwesen(MPA Bau) der Technischen Universität Mün-chen durchgeführt werden.

8.2.1 Farbmuster (Betonage 3)Aus der Vielzahl an farblichen Variationenmuss zunächst eine Vorauswahl getroffenwerden. Von den existierenden Pigmentenkönnen im Zement nur diejenigen eingesetztwerden, die im Zementleim und im Zement-stein chemisch stabil bleiben und auch be-züglich Witterungs- und Umwelteinflüsseninert sind.19 Auch können die Kosten einenwichtigen Faktor darstellen. Von den gängigen farblichen Zusätzen sindzu unterscheiden - Eisenoxide (gelb, rot, anthrazit, braun,

orange)- Kohlenstoff (tiefschwarz)- Chromoxidgrün, Titandioxid (weiß)- Mischoxid (Kobaltblau, auch Kobaltspinell

oder Kobaltaluminiumoxid genannt)Gegenüber Eisenoxiden20 können die Kostenetwa um den Faktor 2 (Titandioxid) und 3(Chromoxidgrün) differieren, bei Kobaltblaugar bis zum 20-fachen. Im Regelfall werdenfür einen ‘gesättigten’ Farbton Dosierhöhen

- Zementen mit besonderer Farbwirkung(Weiß- oder Portlandölschieferzement)

- Gesteinskörnungen mit besonderer Farb-wirkung (roter Granit, Carrara Marmor)

- Pigmenten (unter anderem Eisenoxidgelb,Chromoxidgrün)

Das Erscheinungsbild wird zunächst durchdie Zementfarbe beeinflusst. Ein relativ hoherEisenoxidgehalt führt zu dem dunkleren Grau-ton des Portlandzements, Anteile vonÖlschieferabbrandt beim Portlandölschiefer-zement zu einem rötlichen Ton. Insgesamt er-zeugt die Verwendung von grauem Zementgedecktere und dunklere Farbtöne, währendWeißzement die Farben heller und reiner er-scheinen lässt.Die Farbigkeit der Gesteinskörnung wird erstdurch eine Oberflächenbearbeitung wirksam.Da die Korngröße in Abhängigkeit von derBearbeitung zu unterschiedlichen Intensitätenführt, ist besonders bei schalungsglatten Flä-chen auf eine gleichmäßige Verteilung vonMehlkorn- und Feinstsandanteilen zu achten.Leichte Oberflächenprofilierungen verstärkendie Farbwirkung. Die Einfärbung von Beton istdauerhaft und witterungsbeständig.

Abb. 8.4 Glatte Betonoberfläche, Betonplan-schalung, grauer Zement

Abb. 8.5 Industrieschalung, Reckli-Strukturscha-lung 2/30 Havel, weißer Zement

Abb. 8.6 Holzbretterschalung; Oberfläche mittransparenter Lasur, Mineralfarbe



148

Vorab muss zudem geklärt werden, inwieweitFarbpigmente oder Flüssigfarbe zum Einsatzkommen. Pigmente haben den Vorteil größe-rer Farbintensität, lassen sich jedoch bei ge-stuften Beimischungen in den Frischbetonnicht mehr wirksam verarbeiten. Bei Flüssigfarbe gilt es indes zu beachten,dass diese in der Regel bei saugenden, dasheißt nicht vorbehandelten organischen Zu-schlägen nicht eingesetzt wird, da dies zurEinfärbung sowie Umhüllung des Holzparti-kels führen kann.22

Für die experimentellen Arbeiten stellt erste-rer Gesichtspunkt kein (gestalterisches)Hemmnis dar, jedoch bleibt zu beobachten,inwieweit die Verarbeitbarkeit und der Ver-bund innerhalb der Zementleimmatrix mögli-cherweiser dadurch beeinträchtigt wird. Auf-grund der ‘gestuften’ Vorgehensweise wirdFlüssigfarbe eingesetzt. Die Arbeiten im Rahmen der Betonage 3 um-fassen zunächst die Herstellung von Prüfmu-stern der leichten Rezeptur III und schwerenRezeptur VI, so dass anknüpfend an die je-weilige Mischung die Herstellung einer Far-breihe23 erfolgt: (Abb. 8.7)- Rezeptur III mit Flüssiggelb HS 420 F- Rezeptur VI mit Flüssigrot HS 110 F

Die Vorgehensweise erfolgt in drei Schritten.Nach Herstellung der Grundmischung undEntnahme der erforderlichen Betonage für diePrüfmuster, wird der restliche Frischbeton ge-wogen und anschließend der Anteil an Flüs-sigfarbe in den Abstufungen 2, 5, 8 % bezo-gen auf die Gesamt(Rest)Masse errechnet.24

Zu berücksichtigen ist, dass einerseits dieProzentangaben deutlich über vergleichbarenMischungsansätzen auf Basis des Zement-Masseanteils liegen; andererseits summierensich die Mischzeiten nach Farbzugabe (je Ar-beitsschritt etwa 3 Minuten) für die nachfol-genden Rezepturen doch merklich auf.

zwischen 2 und 5 %, bezogen auf den Binde-mittelgehalt, empfohlen. Bei Verwendung vonWeißzement wirken die Pigmente brillanterund farbstärker, weil der Grauanteil des Port-landzementes fehlt. Wird der Anteil der Farb-pigmente etwa halbiert (0,5–2 %) führt dies inKombination mit Weißzement zu mehrpastellartigen Farben.21

Daraus resultiert eine Einschränkung auf Rot-und Gelbtöne, beides kostengünstige undproblemlos verfügbare Additive. Diese spie-geln auch eine spezifische Farbigkeit desHolzleichtbetons und seiner in diesen Ver-suchsarbeiten verwendeten Zuschläge wider.Hinsichtlich der Oberflächenwirkung wird miteiner gestuften Zunahme der farblichen Inten-sität eine starke Konturierung eines der Zu-schlagmaterialen erwartet.

Für die kleine Versuchsreihe, in der nebender Verarbeitung auch der erforderliche Anteilfür eine Farbsättigung zu untersuchen ist,werden die Schalungsformen wieder genutzt.Mittels der Möglichkeit der Unterteilung ste-hen für jede Farbgruppe sechs Musterplattenmit den Abmessungen 290 x 290 mm zur Ver-fügung. Ausgehend von einem (Zement-)Masseanteil von 5 % werden zusätzlich je-weils Mischungen mit 2 und 8 % aufgestellt,um das Maß der Farbintensität und dasWechselspiel mit der Eigenfarbe der Zu-schlagsmaterialien besser beurteilen zu kön-nen.

Abb. 8.7 Bemessung der Flüssigfarbe …

Abb. 8.8 … und Zugabe in den Frischbeton

Abb. 8.9 Schalungen mit den gelben (8 Mas-se-%) und roten (8, 5, 2 Masse-%; v.l.) Musterplatten


Holzleichtbeton


149

stellung von Holzleichtbeton. Das Materiallässt sich gut verarbeiten, aber der Einflussdes Zugabewassers und der Mischzeiten istschwierig abzuschätzen. Der W/Z-Wert liegtbei beiden Versuchsreihen jeweils 80 % überder Basismischung. Hierin spiegelt sich dererhöhte Wasseranspruch des deutlich trocke-neren Holzzuschlags (Feuchte < 10 % gegen-über > 110 % Betonage 2) wider.Darüber hinaus wird ein gleichermaßen gro-ßes wie interessantes Gestaltungspotenzialsichtbar. In beiden Reihen lässt sich aufgrundder Zunahme der Farbsättigung, die bei denroten Mustern intensiver ausfällt, eine stärke-re Akzentuierung des jeweils andersfarbigenZuschlagsstoffs erkennen, das heißt beimgelben Holzleichtbeton treten die Holzpartikelin den Hintergrund, während das Speicher-granulat deutlicher betont wird und umge-kehrt. Trotzdem entsteht durch diesen Effektkeine einheitliche Angleichung. Das ange-schnittene PCM-Material weist eine Vielzahlunterschiedlicher Schattierungen auf undauch das Holz bleibt in beiden Farbreihen ge-stalterisch wirksam. (Abb. 8.11+8.12)

8.2.2 Strukturschalungen (Betonage 4)Anknüpfend an die Arbeiten zu farbigemHolzleichtbeton sollen in einer abschließen-den Versuchsreihe die Optionen hinsichtlichplastischer Oberflächengestaltungen mitHolzleichtbeton untersucht werden.

Aus dem Wasseranteil der jeweiligen Flüssig-farbe resultiert ferner ein Multiplikator zur Er-rechnung des Masseanteils.25

Die Versuchsreihen erfolgen aufgrund dergrößeren Betonage für die Musterplatten miteinem mittleren Zwangsmischer (100 l) derFirma Zyklos. (Abb. 8.8) Nach jeder Mischungwerden jeweils zwei Schalungsfelder befüllt.26

(Abb. 8.10+9.11)

Analog der Herstellung von Betonage 2 wirdzu Beginn der Arbeiten eine vereinfachteÜberprüfung des Wassergehalts im Frischbe-ton (500 g) von Rezeptur III vorgenommen.Nach dem ‘Auskochen’ und dem anschließen-den wiegen (266 g) der Probe lässt sich dieGesamtwassermenge bestimmen. Der Wertvon 88 % liegt aufgrund der erhöhten Was-serzugabe um etwa ein Drittel über der beiBetonage 2 ermittelten nicht gebundenenFeuchte U.An der ersten roten Mischungen (RezepturVI / 2 %) wird die Konsistenz mittels des Aus-breitmaßes untersucht. Mit 40 cm liegt derWert knapp unter der (Regel-)Konsistenz C3/F3. Da in zwei weiteren ArbeitsschrittenFlüssigfarbe hinzu kommt, wird auf eine wei-tere Wasserzugabe verzichtet. Darüber hin-aus werden keine Untersuchungen vonFrischbetoneigenschaften durchgeführt.Bei der Herstellung des Holzleichtbetons zeigtsich, dass dieser mit der Farbzugabe eherplastischer, steifer wird. Das überrascht, damit der Flüssigfarbe ein weiterer Wasseranteil(50 % bei rot/ 40 % bei gelb) dem Frischbetonzugeführt wird. Möglichweise lässt sich diesmit den längeren Mischzeiten begründen, diezusätzlich zur Steigerung des Farbanteilsauch noch zu einem höheren Sättigungsgradführen können.

Insgesamt bestätigen die Ergebnisse die bis-herigen Einschätzungen hinsichtlich der Her-

Abb. 8.10 Farbige Musterplatten nach dem Aus-schalen

Abb. 8.11 Rezeptur III (5 % Farbe Gelb)(Darstellung 1:1)

Abb. 8.12 Rezeptur VI (5 % Farbe Rot)(Darstellung 1:1)



150

Hierbei gilt zu berücksichtigen, dass in denbisherigen Mischungen keine weiteren Additi-ve eingesetzt wurden und dass insbesonderebei leichtem Holzleichtbeton möglicherweiseProbleme mit einer dichteren Oberfläche be-stehen.

Vorbereitung und Herstellung der MischungenFür diese Untersuchungen werden die dreiSchalungsformen vorbereitet. Einerseits sol-len mittels zweier elastischer Schalungsmatri-zen der Fa. Reckli-Chemiewerkstoff ‘gerunde-te’ sowie ‘scharfkantige’ Formen hergestelltwerden- Strukturschalung “Welle”/Reckli #2/94- Strukturschalung “Rippe”/Reckli #1/34Andererseits wird mit einer im TechnischenZentrum der Fakultät für Architektur angefer-tigten Holzschalung- Strukturschalung “Absorber”eine strukturierte Oberfläche für eine Art So-larabsorber27 angestrebt. (Abb. 8.13–8.15)

Für die Arbeiten soll weitgehend auf bereitsgetestete Mischungen zurückgegriffen wer-den. Daher wird eine leichte und eine schwe-re Rezeptur mit unterschiedlichen PCM-Zu-schlägen ausgewählt. Als Ausgangsrezepturwird auf eine ‘reine’ Holz-Zement-Mischungzurückgegriffen, da im Zusammenhang mitden bisherigen Arbeiten keine Erfahrungswer-te vorliegen. Dies ermöglicht einerseits den Vergleich mitErgebnissen, die an der EPF Lausanne/I-Boisermittelt wurden, andererseits kann so eineReferenzprobe zu den HLB-PCM-Rezepturenangefertigt werden.Von den acht hergestellten Mischungen derBetonage 2 werden für die Funktionsmodellezwei (Rezeptur III ρ ≈ 600 kg/m3 sowie Re-zeptur VI ρ ≈ 1250 kg/m3) ausgewählt. Beidestellen einen guten Mittelwert der untersuch-ten Reihen dar.

Struktur- Schalung 3 RECKLI Nr. 1/34 Rippe Typ F

Struktur- Schalung 1 RECKLI Nr. 2/94 Orinoco

5

3

Struktur- Schalung 2 “Absorber”

102

8

3,5

2,5 3,5

2,5 5,5

13

2,5

,72

Abb. 8.13 Zeichnungen der Schalungsformen mit den Strukturformen


Holzleichtbeton


151

Bei der Mischung 1 zeigt sich, dass nach demMischen mit den berechneten Massenanteilender Zuschlagsstoffe das Ausbreitmaß mit 34cm deutlich unter der Konsistenzklasse (C3/F 3) liegt. Im Unterschied zu Normalbetonenverfügt jedoch der frische Holzleichtbetonnoch über eine ausreichende Plastizität. Durch die längere Pause im Zuge der Herstel-lung des Ausbreitmaßes, der Zugabe vonweiteren 4,7 % Wasser, und einer nochmali-gen Mischphase von etwa 2 Minuten, wird be-reits das erforderliche Ausbreitmaß – wennauch mit 43 cm im unteren Bereich – erreicht.Somit scheint die Mischdauer beim Holz-Ze-ment-Wasser-Gemisch eine wesentliche Ein-flussgröße darzustellen.30

Mit einem W/Z-Wert von 1,24 liegt die Mi-schung 1 weit über den für Holzleichtbetonals günstig erachteten Bereich von 0,55 bis0,65. Allerdings zeigen die Druckfestigkeits-werte eine große Nähe zu den Ergebnissender EPF Lausanne/I-Bois.Die beiden nachfolgenden Durchgänge zei-gen die bereits mehrfach genannten Proble-me mit dem Wasseranteil. Bei Mischung 2,mit dem grobkörnigen Speichergranulat GR41, erfolgt in vier Arbeitsschritten á 2 kg einegute Verdoppelung (Gesamtmischzeit > 5min). Der daraus resultierende W/Z-Wert von1,72 liegt nochmal um 20 % über dem Ver-gleichswert aus Betonage 3.Zunächst ermöglicht die Mischung 3 eine Va-riation hinsichtlich der Farbzugabe. Nebendem pulverförmigen PCM-Material GR 54wird 5 % Farbe (Flüssigrot HS 110 F), bezo-gen auf den Zementmasseanteil unterge-mischt. Die Farbzugabe erfolgt erst nach derBestimmung der Regelkonsistenz (44 cm).Auch in diesem Fall erhöht sich der W/Z-Wertmit 1,08 um knapp 20 %.Hinsichtlich des Sättigungsgrades und derFarbintensität ist indes gegenüber den Ver-

Für die Mischungen wird wieder ein Port-landzement (CEM I 32,5R) verwendet unddas Holz aus den Resten der bereits verwen-deten ‘Chargen’ genommen, die in einem ‘dif-fusionsoffenem’ Sack lagerten. Die im Trockenschrank ermittelte Holzeigen-feuchte beträgt 7,53 %. Diese liegt damit umetwa 23 % niedriger als bei den vorangegan-genen Versuchsreihen.28 Bezüglich des Was-seranteils werden zunächst die Werte der Be-tonage 2 zugrunde gelegt.

Für die Auswahl der jeweiligen Strukturscha-lung werden Rohdichte und Verarbeitbarkeitim Vorfeld mit einbezogen. Die leichteste Mi-schung 1 für die “Welle”, die Kombination derAusgangsmischung mit PCM (Mischung 2) fürden “Absorber” und für die relativ tiefe “Rippe”die schwerste, die Mischung 3, um eine guteVerteilung und Ausprägung eines scharfkanti-gen Profils zu gewährleisten.

Betonieren und Ausschalen 29

Insgesamt muss festgestellt werden, dass beiallen Mischungen der Wasseranteil zu erhö-hen war. Während bei der Mischung 1 für daserforderliche Ausbreitmaß zusätzlich nur etwa5 % ausreichen, fällt dieser bei den Mischun-gen 2 und 3 deutlich höher aus, verdoppeltsich bei Mischung 2 und verdreifacht sich beider dritten Mischung.Dies führt bei den Mischungen mit PCM zu ei-ner ‘guten’ plastischen Konsistenz, wobei sichbereits bei der Herstellung des Ausbreitmas-ses zeigt, dass der Frischbeton stark ‘blutete’.Die Differenz zwischen den Festteilchen undden Wasserrändern beträgt teilweise über 3 cm. (Abb. 8.16)Die Mischzeit beträgt in der Regel 1 Minutenach der Trockenmischung sowie 2 Minutenim Anschluss an die Wasserzugabe. Auf Zu-gabe von Fließmitteln sowie ein Verdichtenmittels Rütteltisch wird zunächst verzichtet.

Abb. 8.14 Zusammenbau der so genanntenStrukturschalung “Absorber” (aus Holz)

Abb. 8.15 Strukturschalung, Schalungsmatrize“Rippe Typ F”, der Fa. Reckli #1/34



152

8.2.3 Einsatz von Fließmitteln 31

Als Bilanz der Arbeiten zu den strukturiertenOberflächen (und nach Rücksprache mitFachleuten) ist festzustellen, dass der Ver-such, ohne Beton-Zusatzmittel hochwertigeSichtbetonoberflächen herzustellen, eher ‘un-üblich’ ist. Ziel sind normalerweise homogeneund sehr dichte Oberflächen. Dazu werdenfeine Mischungen benötigt, zum Beispiel ver-setzt mit Glas- oder Propylenfasern. Damitkann zum einen Beton plastischer verarbeitetund auch das Frühschwinden reduziert wer-den. Zum anderen dienen die Zusatzmittel zurErhöhung der Eigenfestigkeit. Darüber hinauskann der Einsatz von Farbpigmenten zu einerstärkeren ‘Zähigkeit’ des Betons führen.

Trocken- vs. NassmischungenIn den bisherigen Versuchen wurden aus-schließlich Trockenmischungen vorgenom-men: Die Hauptbestandteile Holz und Zementzugegeben und gemischt, danach erfolgte dieZugabe des Speichergranulats, und nach ei-ner weiteren Mischphase die errechnete Was-sermenge. Zur Verbesserung der Verarbeit-barkeit des Frisch-Holzleichtbetons ist jedochauch eine Nassmischung denkbar.Hierbei wird dem Holz im Mischer ein gewis-ser Anteil des Zugabewassers beigegeben.Je nach Eigenfeuchte kann dieser Anteil beiLeichtbetonen etwa 30 % betragen. Der Wertdarf nicht zu gering angesetzt werden, dasonst ‘Verklumpungen’ der Holzpartikeln auf-treten können. Auch sind gegebenenfalls län-gere Mischzeiten notwendig.Aus diesen Überlegungen resultiert folgendeVorgehensweise: - Etwa 30 % der errechneten Wassermenge

mit dem Holz mischen (1 Minute), - den Zementanteil hinzugeben (ebenfalls

1 Minute mischen), - das restliche Wasser soweit zugeben bis

eine ausreichende Plastizität32 gegeben ist

gleichsmustern der Betonage 3 kein nennens-werter Unterschied festzustellen. Die Oberflä-che wirkt auch durch das feine Zuschlagsma-terial insgesamt dichter.Zu Messzwecken werden darüber hinaus vonder Mischung 1 drei Prüfwürfel (15 x 15 x 15cm) sowie von den Mischung 1 und 2 jeweilsdrei Prismen für Schwindversuche hergestellt.

Beim Ausschalen, (Abb. 8.17) drei Tage nachder Betonage, sind insbesondere bei derSchalung 1 (Welle) große Probleme im Be-reich der Oberfläche festzustellen. Bei derleichtesten Mischung ohne PCM-Material, tre-ten eine Vielzahl an Fehlstellen in der Ober-fläche auf. (Abb. 8.18)Da beim Einbringen des Betons in die Scha-lungsformen, bis auf manuellen ‘Druck’ mitder Kelle, keine weiteren Verdichtungsmaß-nahmen vorgenommen werden, und man aufZusatzmittel insgesamt verzichtet, sollen in ei-nem abschließenden Arbeitsschritt einige Op-timierungsmaßnahmen diskutiert und umge-setzt werden.Bei den anderen beiden Funktionsmodellen,die unter den gleichen Herstellungsbedingun-gen entstanden, sind sehr gute Oberflächenerzielt worden. Insbesondere Mischung 3 mitder farbigen Rippenstruktur zeigt in großenTeilen eine hervorragende Sichtbetonfläche.

Abb. 8.16 Ausbreitmaß der Mischung 2 (“Absor-ber”) zeigt deutlich das ‘Bluten’ desFrischbetons

Abb. 8.17 Ausschalung des farbigen Funktions-modells “Rippe” (Mischung 3)

Abb. 8.18 Abnahme der elastischen Schalungs-matrize “Welle” (Mischung 1)


Holzleichtbeton


153

FließmittelVon den Betonzusatzmitteln sind zunächstFließmittel (FM) und Betonverflüssiger (BV)zu unterscheiden.Betonverflüssiger weisen in der Regel einelängere Wirkungszeit auf, zum Beispiel denBeton über mehrere Stunden ‘weich’ zu hal-ten – erforderlich besonders bei Transportbe-tonen – und vergrößern die Konsistenzklassedes Frischbetons um eine Stufe zum Beispielvon C2/F2 auf C3/F3 oder von C1/F1 auf C2/F2.Demgegenüber wirken Fließmittel nur eineknapp begrenzte Zeit, abhängig von der Tem-peratur etwa eine halbe Stunde. Daher sindsie vor allem für den Bereich der Fertigteilher-stellung gut geeignet, überbrücken jedochzwei Konsistenzklassen, und ermöglichenAusbreitmaße von 50 bis 60 cm (F4 bis F5).Neu dagegen sind Fließmittel auf Polycar-boxylatetherbasis (PCE). Diese hochlei-stungswirksamen Fließmittel oder “Superver-flüssiger”33 werden bei der Herstellung selbst-verdichtender Betone eingesetzt und kombi-nieren die Vorteile von Betonverflüssigernund Fließmitteln; sie weisen ebenso langeWirkungszeiten wie Betonverflüssiger auf.34

Beide Betonzusatzmittel weisen häufig einenFarbbereich von tiefbraun bis honiggelb auf.Allerdings sind farblose Fließmittel mittlerwei-le am Markt verfügbar, die eine Beeinträchti-gung der Farbwirkung zu verhindern. Einge-setzt werden Fließmittel unter anderem bei:- (Früh-)Hochfestem Beton- Selbstverdichtendem Beton- Wasserundurchlässigem Beton- Beton mit hohem Frost-/Frosttaumittel-

widerstand- Sichtbeton- Leichtbeton- Beton mit geringem Feinkornanteil

- anschließend das Fließmittel (1 bis 2 Mi-nuten Mischzeit) zuführen

Für spätere Potenzialabschätzungen er-scheint die Kenntnis des Wassergehalts imFertigbeton interessant, um zu prüfen, inwie-weit sich gegebenenfalls die Masseverhältnis-se ändern. Allgemein kann gesagt werden,dass beim Gesamtvolumen keine Verände-rung eintritt, das heißt an Stelle des Wassersentstehen Luftporen. Indes verschieben sichdie Anteile bei dem Zementleim. GenauereAngaben lassen sich jedoch nicht ermitteln,man geht aber von etwa 3 bis 6 % Wasseran-teil im ausgehärteten Beton aus.

Zum VerdichtenBei Sichtbetonqualitäten stellt der Anteil desZementleims eine wichtige Einflussgröße dar.Ein zu geringer Anteil kann zu ‘Fehlstellen’führen. Ist der Anteil zu hoch, besteht unterUmständen die Gefahr der Bildung vonSchwindrissen. Ein Hauptaugenmerk stellt je-doch die Art des Verdichtens, und damit ein-hergehend der Anteil der Luftporen dar. Da-her ist insbesondere bei Strukturschalungenauf zweierlei zu achten:- Partielles, stufenweises Verdichten per

Hand- Einsatz von Rütteltischen beziehungswei-

se RüttelplattenPartielles Verdichten heißt, dass die tiefer lie-genden Bereiche der Strukturschalung bezie-hungsweise der Schalungsmatrize zunächstbefüllt werden, dann maschinell und anschlie-ßend per Hand (bei der verwendeten Formder Welle zum Beispiel mit Holzleisten oderRundstählen) verdichtet werden. Anschlie-ßend werden die flächigen Bereiche – gege-benenfalls in zwei Schichten – aufgefüllt undebenfalls maschinell und per Hand verdichtet.

Die Verwendung von Fließmittel bewirkt einebessere Dispergierung des Zements, verrin-gert die Reibungskräfte zwischen Zement undZuschlagsstoff sowie verringert den Was-seranspruch. Der der W/Z-Wert35 kann beigleicher Verarbeitbarkeit (deutlich) reduziertoder eine Verbesserung der Verarbeitbarkeitdes Frischbetons bei gleichem Wasseranteilerzielt werden.Durch die geringere Entmischungsneigungwird der Beton homogener und die Früh- undEndfestigkeit sowie die Dauerhaftigkeit er-höht. Ferner kann das Schwind- und Kriech-verhalten gesenkt und können insgesamt ver-besserte Sichtbetonoberflächen erzielt wer-den.36

Bei den Arbeiten zeigt sich, dass (zumindestbei den kontaktierten Firmen)37 wenige bis garkeine Erfahrungen bei der Verwendung vonFließmitteln im Zusammenhang mit organi-schen Zuschlagsstoffen bestehen. NachRücksprache und ersten Einschätzungenkann davon ausgegangen werden, dass dieArt des Fließmittels keinen negativen Einflussauf die Mischung und deren Bestandteile hat.Bei der Vielzahl von Produkten ist zu berück-sichtigen, dass zum Beispiel manche Fließ-mittel Tendenzen zur Entmischung aufweisen(Naphtalin), andere wie Polycarbonat-‘Ester’,“gutartig” reagieren, Entmischungstendenzenunterbinden und dem Frischbeton eine ho-nigartige Konsistenz verleihen. Für die vorge-nommene Auswahl bildet letztlich die organi-sche Zusammensetzung des Fließmittels denausschlaggebenden Faktor. Die Versuchsmischungen werden mit einemFM für hochwertigen Beton mit Melaminsulfo-nat als Hauptwirkstoff durchgeführt, da vonder gelben, fast durchsichtigen Farbigkeit kei-ne negativen Auswirkungen auf die Oberflä-chen erwartet werden. (Abb. 8.19+8.20)38



154

Große Unterschiede bestehen bei den Her-stellerangaben hinsichtlich der Bewertung vonDosierung und Mischzeit. Gängige Werte zwi-schen 0,2 und 2 %, in besonderen Fällenüber 3 % vom Zementmasseanteil, erforderneigene Versuchsreihen, um einen geeigneten,exakten Anteil zu ermitteln.Insgesamt erscheint es daher sinnvoll, sichvon kleinen Zugabemengen (unverdünnt, be-ginnend mit einem Prozent, dann jeweils inweiteren Halb- oder Ganz-Prozentschritten)heranzutasten. Weist der Frischbeton nachder Zugabe noch keine ausreichende Plastizi-tät auf, kann man sukzessive nachdosierenund das Fließmittel untermischen.

Das Fließmittel soll nie direkt nach dem Holzzugegeben werden, da es so durch die sau-gende Wirkung des Holzes dem Beton weit-gehend entzogen wird, sondern mit dem Zu-gabewasser oder kurz danach. Bezüglich derMischzeit gibt es ebenfalls keine genauenVorgaben. Allerdings wird ein Minimum von60 bis 90 Sekunden empfohlen. Bei spätererZugabe und Nachdosierungen soll das Mi-schen mindestens 5 Minuten betragen, umeine ausreichend gleichmäßige Verteilungdes Fließmittels im Beton zu gewährleisten.Die Verwendung von Fließmitteln erfordertinsgesamt eine rasche Verarbeitung des ver-flüssigten Betons, da die Wirkung nur einebegrenzte Zeit vorhält.

8.2.4 Herstellung der modifizierten Mischungen (Betonage 5)

Im Rahmen der Arbeiten konnten erste Erfah-rungen zum Einsatz von Fließmitteln bei Holz-leichtbeton-Mischungen gesammelt werden.Um die Zahl möglicher Einflüsse zu reduzie-ren und die Strukturoberfläche aus Betonage4 zu verbessern, erfolgt die modifizierte Re-zeptur anhand der Mischung 1.39

Bei der Mischung 1 (FM) wird erstmals imRahmen der Versuche der Mischvorgang vonder Trockenmischung auf eine Nassmischungumgestellt. Dem Holz wird zunächst 30 %(3,30 Liter) des Zugabewassers beigegebenund etwa 1 Minute gemischt. Das Wasser istdanach komplett aufgesogen; die Späne füh-len sich leicht feucht an.Anschließend erfolgt die Zugabe des Ze-ments und in mehreren Stufen, zunächst 30,dann weitere 20 % des Wassers. Bei der Mi-schung ist eine Tendenz zum ‘Verklumpen’festzustellen. Da der Frischbeton noch keineausreichende Plastizität aufweist, werden dierestlichen 20 % des ursprünglich berechnetenZugabewassers beigegeben. Da der Effektdes Fließmittels nicht einzuschätzen ist, wirdauf den zusätzlichen halben Liter, um den derWasseranteil bei den vorangegangenen Mi-schungen erhöht werden musste, verzichtet.

Wie bereits zuvor beobachtet, setzt nach derlängeren Mischzeit und der nachmaligenWasserzugabe nahezu ‘sprunghaft’ ein Konsi-stenzwechsel ein. Der Holzleichtbeton wirdauf einmal sehr weich. Um die Plastizität zuerhöhen kommt nun 1 % des Fließmittels hin-zu, was den Frischbeton zunächst ‘sämig’und ‘geschmeidig’ werden lässt. Allerdingsbleibt das ermittelte Ausbreitmaß mit 31 cm(C1/F1) sehr deutlich unter den Erwartungen. Nun wird in zwei Schritten der Anteil desFließmittels auf 3 % erhöht. Allerdings mussfestgestellt werden, dass der Beton zuneh-mend dichter wird und schließlich ‘in sich zu-sammenfällt’. (Abb. 8.21) Ein weiteres Aus-breitmaß kann nicht mehr ermittelt werden.

Somit bleibt festzustellen, dass bei diesemVersuch weder der Wasseranteil gesenkt,noch die Verarbeitbarkeit verbessert werdenkonnte. Inwieweit dies eventuell mit der ge-wählten Nassmischung zusammenhängt, das

Produktname

Farbe und Form

Hauptwirkstoff

Dichte (20 °C)

Feststoffgehalt

pH-Wert

Chloridgehalt

Alkaligehalt (Na2O-Äquivalent)

empfohlener Dosierbereich

Merkmale und Kennwerte

Fließmittel FM F

gelbe Flüssigkeit

Melaminsulfonat

1,12 g/cm3

20,0 %

8 bis 11

< 0,1 %

< 5 %

0,2 bis 3,4 % vom Zementmasseanteil

Abb. 8.19 Technische Daten (Gemäß DIN EN 934-2, Tab. 1)

Abb. 8.20 … des verwendeten Fließmittels


Holzleichtbeton


155

Holzleichtbeton-Rezepturen darstellt.Die Beschickung der Strukturschalung erfolgtebenfalls in zwei Schichten. Vor dem Einfül-len wird der Frischbeton noch einmal etwa 30 Sekunden gemischt, dann eine erste Lagebis zur kompletten Deckung der Schalungs-matrize eingebracht. Die gesamte Schalungwird zwei mal zehn Sekunden auf die Rüttel-platte gesetzt. Anschließend erfolgt noch eineNachverdichtung per Hand und danach derVorgang noch einmal wiederholt. (Abb. 8.22)Dabei zeigt sich, dass beim zweiten Schrittkaum mehr aufsteigende Luftporen sichtbarwerden, was auf einen guten Grad an Ver-dichtung schließen lässt. Gleichwohl erfolgtdas Abziehen der Oberfläche, aufgrund derbisherigen Erfahrungen, dass der Holzleicht-beton nach dem Befüllen sich noch setzt, erstetwa eine Stunde später.

Vergleicht man beide Funktionsmodelle mitder Strukturschalung “Welle”, ist eine deutlichdichtere Oberfläche bei Betonage 5 festzu-stellen. (Abb. 8.23) Gleichwohl bleibt das Er-gebnis dieser leichten Ausgangsmischung inder Qualität hinter den beiden strukturiertenOberflächen der Mischungen 2 und 3 aus derBetonage 4 zurück.Inwieweit das verbesserte Resultat allein aufdie intensivere Verdichtungsarbeit zurückzu-führen ist, oder ob auch ein positiver Effekt

heißt dass dem Beton nicht ausreichendWasser zur Verfügung steht, muss in künfti-gen Versuchsreihen geklärt werden. Auffälligist indes, dass die Verarbeitbarkeit des Holz-leichtbetons sehr raschen Veränderungen un-terliegt, und vor allem von der Mischzeit starkabhängig ist.

Der zweite Versuch erfolgt wieder in Trocken-mischung. Nach Zugabe der berechneten Be-standteile wird 1 % des Fließmittels eingefülltund etwa drei Minuten untergemischt. Auchhier zeigt sich nach der anfänglich positivenEinschätzung der Konsistenz, dass sich derHolzleichtbeton rasch ‘verfestigt’. Bereitsnach zwei Schlägen sackt die Probe auf derArbeitsplatte in sich zusammen.Überraschend ist dennoch, dass das Aus-breitmaß mit 32 cm sehr dicht an dem Wertder vorher gemessenen Mischung (31 cm)liegt. Dies würde dafür sprechen, dass die Artder Mischung doch eher von nachgeordnetemEinfluss ist.Statt weiter Fließmittel beizugeben wird nunder Wasseranteil in zwei Halbliter-Schrittenerhöht. Nach einer Mischzeit von insgesamtetwa 10 Minuten kann nun eine gute Verar-beitbarkeit erreicht werden, was der deutlicheAnstieg des Ausbreitmaßes auf 46 cm belegt.Es deutet darauf hin, dass die Zugabe vonchemischen Additiven zu einer Reihe vonschwer zu beurteilenden Einflüssen in demHolz-Zement-Wasser-Gemisch führt.

Luftporengehalt und Frischbetonrohdichtewerden mit einem kleinen Luftporentopf40 be-stimmt. Hierbei zeigt sich erneut der Einflussder Verdichtung. So liegt der Wert der aus-schließlich ‘geschockten’41 Probe mit 0,784kg/dm3 nur bei etwa 80 % der eingerüttelten42

Probe (0,982 kg/dm3). Das verweist auf einenhohen Luftporenanteil, der mit ermittelten 30 % auch den höchsten Wert der gesamten

Abb. 8.21 Nach Zugabe von 3 % Fließmittel fielder Frischbeton ‘in sich zusammen’

Abb. 8.22 Verdichtung der Strukturschalung perHand und mit Rütteltisch

Abb. 8.23 “Welle” (Auschnitt) mit deutlich verbes-serter Oberfläche (Mischung 2)


Wandaufbauten

156

8.2.5 Fazit

Mit diesen experimentellen Arbeiten sind überdie baukonstruktiven und bauphysikalischenMaterialprüfungen hinaus, auch wesentlichegestalterische Aspekte zum Holzleichtbetonuntersucht worden.Die angefertigten Funktionsmodelle lassenein großes Spektrum beim Holzleichtbeton er-kennen. Sowohl hinsichtlich der Farbigkeit be-stehen vielfältige Optionen, wie auch Experi-mente unter anderem mit Weißzement (Abb. 8.24) an der EPF Lausanne/I-Bois zei-gen, als auch im Bereich von strukturiertenOberflächen.Allerdings erfordert gerade die Arbeit mitSchalungsmatrizen beziehungsweise an fein-gliedrigen plastischen Formen einen höherenAnteil an Feinststoffen im Bereich derHolzleichtbetonoberfläche. Dies bestätigt sichbeim Funktionsmodell “Rippe”. Die schwereMischung mit einem größeren Zementanteilund der Einsatz von Flüssigfarbe führen zu ei-ner dichten Oberfläche.Hinsichtlich der Bearbeitungsmöglichkeitenbestehen beim Holzleichtbeton aufgrund desporösen Gefüges Einschränkungen. Im Rah-men der Versuchsarbeiten wurden die Ober-flächen in erster Linien gesägt und geschlif-fen.

Das Beispiel des Fließmitteleinsatzes zeigt,dass gerade die Arbeit mit Betonzusatzmittelnbesondere Anforderungen an das Holz-Ze-ment-Wasser-Gemisch stellt. Welchen Ein-fluss W/Z-Wert und Mischzeit auf die Wirkungvon Fließmitteln nehmen, bedarf einer hinrei-chenden Überprüfung in späteren Versuchs-reihen.

des eingesetzten Fließmittels bilanziert wer-den kann, müssen spätere Versuchsreihenzeigen. Auch ist gerade bei gummiartigenSchalungsmatrizen die richtige Handhabe vongeeigneten Trennmitteln wichtig. Bei allenStrukturschalungen wird ein Produkt des Ma-trizen-Herstellers eingesetzt. Die Inaugen-scheinnahme der Schalungsmatrize vor allemnach dem ersten Versuch mit der “Welle”,lässt aufgrund von Materialresten daraufschließen, dass beim Holzleichtbeton auf-grund seiner porösen, saugenden Oberflächemit einem erhöhtem Auftrag gerechnet wer-den muss.

Abb. 8.24 Holzleichtbeton-Oberflächen mit Weiß-Zement (EPFL/I-Bois, 2000)

8.3 Wandaufbauten

Nach umfangreichen Untersuchungen zufunktionalen, konstruktiven und gestalteri-schen Eigenschaften von Holzleichtbeton,werden Aufbauten und Schichtenfolgen vonAußenwandkonstruktionen in der Holzleicht-beton-Massivholz-Verbundbauweise abschlie-ßend vorgestellt und erörtert.

Dabei spiegeln sich in den mehr konzeptio-nellen Arbeiten noch einmal die im Rahmender experimentellen Arbeiten vorgenommenBetrachtungsebenen von Holzleichtbeton imBereich von Gebäudefassaden. Für das Ma-terial lassen sich primär Einsatzmöglichkeitenunterscheiden für- thermisch passive Bauteile- thermisch aktive BauteileDarüber hinaus besteht die - Kombination mit Latentwärme-

speichermaterialien insbesondere bei raumseitiger Anordnung.Diese prinzipiellen Anwendungsformen las-sen sich in verschiedenen Aufbauten mit un-terschiedlichen Schichtenfolgen ‘realisieren’.(Abb. 8.25)

Bei den gewählten Wandaufbauten wird zu-nächst eine funktionale Trennung zwischenLastabtragung und Wärmedämmung sowieWärmespeicherung vorgenommen. Bei Holz-leichtbeton als statisch beanspruchbaresBauteil (ρ > 1500 kg/m3) beträgt der Holzmas-seanteil weit unter 10 %. Mit der erhöhtenDichte steigt die Wärmeleitfähigkeit undnimmt der Wärmeschutz deutlich ab. Daher ist zur Lasttragung eine massive Holz-schicht – in den nachfolgenden BeispielenBrettstapelelemente – vorgesehen. Hierbeiwerden die Vorteile der Massivholzbauweise,


Holzleichtbeton

Wandaufbauten

157

auch einiger Einschränkungen in der Funkti-onsweise zusammengefasst sind. Insbeson-dere im Zusammenhang mit der Verlegungvon Installationen sind Konsequenzen für dieAnordnung der Schichten zu beachten.

Dabei steht eine sichtbare Verwendung desHolzleichtbetons beziehungsweise der Mas-sivholzschicht, sowohl im Bereich der Außen-wand wie auch raumseitig im Vordergrund derÜberlegungen:- Holzleichbeton “außen dämmend”

Außen angeordnet, sichtbar, direkt bewit-tert oder mit unterschiedlichen transparen-ten beziehungsweise transluzenten Ab-deckungen. Raumseitig Brettstapel mitsichtbar belassener Holzfläche.

- Holzleichbeton “außen mit Kerndämmung”Anordnung wie oben, jedoch zusätzlicheDämmebene, die auch zur Aufnahme vonInstallationsführungen dienen kann.

- Holzleichbeton “außen dämmend, innenspeichernd”raumseitig sichtbar angeordnet, mit derMöglichkeit einer guten Anpassung an

hohe Traglasten unter vertikaler und horizon-taler Beanspruchung aufnehmen zu können,genutzt.In den mehrschichtigen Wandaufbauten über-nimmt der Holzleichtbeton als passives Bau-teil Wärme dämmende und speicherndeFunktionen und kann darüber hinaus auch alsthermisch aktives Bauteil zur Unterstützungder Brauchwassererwärmung oder Kühlungeingesetzt werden. (Abb. 8.26)

Mögliche Bauteilschichten:Holzleichtbeton als Material für thermischpassive Bauteile- (Abdeckung, zum Beispiel Glas, glasfaser-

verstärkter Kunststoff)- Holzleichtbeton- zusätzliche Dämmung, zum Beispiel Wei-

che (Holz-)Faserplatte, “Climate Chips”- Brettstapel- (Holzleichtbeton)Holzleichtbeton als Material für thermisch aktive Bauteile- Abdeckung, zum Beispiel TWD, Einfach-

glas- Holzleichtbeton- BrettstapelHolzleichtbeton mit Latentwärmespeicher-materialien- (Abdeckung, zum Beispiel Glas, glasfaser-

verstärkter Kunststoff)- Holzleichtbeton- (zusätzliche Dämmung, zum Beispiel Wei-

che (Holz-)Faserplatte, “Climate Chips”)- Brettstapel- Holzleichtbeton mit PCM

Bei der prinzipiellen Anordnung des Holz-leichtbetons bestehen jedoch einige funktio-nale und gestalterische Besonderheiten (auchgegenüber ‘konventionellen’ Massivholzkon-struktionen), die in einer ersten Beurteilunghinsichtlich der Lage, einiger Vorteile wie

Lastabtragung

Wärme- speicherung

Wärme- dämmung

Abb. 8.25 Mögliche Bauteilschichten für die unterschiedlichen Wandaufbauten

Abb. 8.26 Funktions-Schichten der Holzleicht-beton-Massivholz-Verbundbauweise:- Brettstapel (BS), Lastabtragung- Holzleichtbeton (HLB), Wärme dämmung und -speicherung

Holzleichtbeton als passives Bauteil

Holzleichtbeton als aktives Bauteil

Holzleichtbeton mit PCM's


Wandaufbauten

158

raumklimatischen Erfordernisse. Außenwie oben

Insgesamt stellen sichtbar belasseneWandoberflächen immer hohe konstruktiveund gestalterische Anforderungen an die Aus-bildung der Fügungspunkte. Hierzu steht in-des ein breites Produkt- und Systemspektrumzur Verfügung.

Zwei wichtige Randbedingungen sind bei denWandaufbauten zu erfüllen: Mit Außenwand-stärken von ≤ 30 cm müssen die Mindestan-forderungen des Wärmeschutzes, das heißtU-Werte ≤ 0,5 W/m2K (WSVO 1995) erreichtwerden. Bei den untersuchten Aufbauten wer-den neben Brettstapelelementen (Nadelholz)die zwei Holzleichtbeton-Ausgangsmischun-gen (ρ ≈ 600 kg/m3, ρ ≈ 1250 kg/m3) mit denunterschiedlichen Rohdichten eingesetzt.Überschlägige Berechnungen von mehr-schichtigen Wandaufbauten (U-Werte zwi-schen 0,45 und 0,33 W/m2K) in Holzleichtbe-ton-Massivholz-Verbundbauweise lassenauch thermisch ausreichendes Potenzial alspassive Außenwandkonstruktion erkennen.(Abb. 5.12)

Der einfachste Aufbau besteht aus einerBrettstapel-Schicht als tragendes Element so-wie außenliegend einer leichten, dämmendenHolzleichtbeton-Schicht von jeweils 15 cm.Mit diesem Aufbau werden die gestellten Min-destanforderungen hinsichtlich des Wärme-schutzes (U-Wert 0,45 W/m2K) bereits er-reicht. (Abb. 8.27) Hiervon ausgehend, erfolgen unterschiedlicheOptimierungen. Zunächst erscheint die Bau-teilminimierung als wichtige Maßnahme. DerZwischenschritt mit Holzleichtbeton als au-ßenliegender dämmenden Schicht (12 cm)sowie einem Brettstapelelement von ebenfalls12 cm, lässt durch den fast dreifach so hohenλ-Wert der wärmespeichernden, raumseitig

angeordneten Schicht (6 cm) jedoch keineVerbesserung hinsichtlich des Wärmeschut-zes erkennen. Indes zeigt die durchgeführtePotenzialabschätzung43, dass bei diesemWandaufbau der Holzleichtbeton als Spei-chermasse wirksam werden kann. (Abb. 8.28)Zur Verbesserung des Wärmeschutzes wer-den weiterere, dreischichtige Aufbauten be-trachtet. Zwischen der Brettstapel- und Holz-leichtbetonschicht, jeweils 12 cm, kann einezusätzliche (Kern-)Dämmung (6 cm) angeord-net werden. Als organisches Material dienenvorbehandelte Holzspäne, sogenannte “Cli-mate Chips”44, das heißt obwohl ebenfalls aufHolzbasis entwickelt, kann damit der λ-Wertum den Faktor 3 auf 0,05 W/mK verbessertwerden. Mit solchen Außenwandkonstruktio-nen lässt sich der U-Wert (0,33 W/m2K) umnahezu 40 % reduzieren. Werden die dreiSchichten jeweils mit Dicken von 10 cm aus-geführt, verbessert sich der Wärmeschutz umweitere 15 % auf einen U-Wert 0,28 W/m2K.(Abb. 8.29)

Holzleichtbeton kann ebenfalls in mehrschali-gen und/oder mehrschichtigen Konstruktionenmit konventionellen, hinterlüfteten (Holz-)Be-kleidungen als Witterungsschutz beziehungs-weise raumseitigem Abschluss verwendetwerden.Da das Material, obwohl mit sehr offenporigerStruktur, eine hohe Witterungsbeständigkeitaufweist, darüber hinaus durch das organi-sche, feinkörnige Zuschlagsmaterial ästhe-tisch reizvolle Oberflächen ermöglicht, die mitweiteren Zusätzen noch akzentuiert werdenkönnen, eignet sich der Holzleichtbeton imbesonderen Maße für sichtbare Anwendun-gen. Die Aufbauten können je nach Anforde-rung, zum Beispiel bei der Ausführung alsthermisch aktives Bauteil mit Gläsern oderTWD abgedeckt beziehungsweise mit translu-zenten Materialien wie Polycarbonat-Doppel-

Abb. 8.27 Zweischichtiger Aufbau, BS + HLB (außen)

Abb. 8.28 Dreischichtiger Aufbau, HLB (innen) +BS + HLB (außen)


Holzleichtbeton

Wandaufbauten

159

stegplatten kombiniert werden. (Abb. 8.30+8.31)

Darüber hinaus sind ebenfalls im Bereichnichttragender Außenwände auch Aufbautenmit hoch Wärme dämmenden Schichten, wieVakuumisolationspaneelen (VIP) denkbar.Das sind plattenförmige Elemente, die bei mi-nimaler Dicke eine bisher nicht erreichte, ex-trem hohe Wärmedämmung bieten. Die Wär-meleitfähigkeit der VIP beträgt nur etwa einZehntel des Wertes herkömmlicher Dämm-materialien (ca. 0,004 W/mK im Vergleich zuca. 0,040 W/mK). Somit kann ein 2 cm dün-nes Vakuumisolationspaneel bis zu 20 cm di-cke Schaumstoff- oder Mineralfaserpakete er-setzen. (Abb. 8.32)

Die skizzierten Aufbauten gewinnen ebenfallsan Bedeutung im Zusammenhang mit der Be-trachtung von Luftkollektoren und Hypokau-stensystemen. Bei diesen Außenwandaufbau-ten wird vor eine massive Wand eine Vergla-sung angeordnet. Im Wechselspiel von Solar-strahlung, Speichermassen, Luftraum undVerglasungsart sind mit solchen Konstruktio-nen in der Gesamt-, das heißt Jahresbilanzthermisch leistungsfähige Gebäudefassadenzu realisieren, die weit über das Maß hinaus-gehen, das eine ‘statische’ Betrachtung eines U-Werts erwarten lässt. Darüber hinaus be-stehen Kombinationsmöglichkeiten mit einerHypokaustenheizung, das heißt die solar er-wärmte Luft “kann bei richtiger Anwendung …durch Unterdruck in den Boden/die Wand ge-leitet werden” und sorgt so für eine Grund-temperierung von Gebäuden.45

Abb. 8.30 Dreischichtiger Aufbau, BS + HLB +TWD-Abdeckung

Abb. 8.32 Dreischichtiger Aufbau, HLB (innen) +Vakuum-Isolierpanel + HLB (außen)

Abb. 8.29 Dreischichtiger Aufbau, BS + zusätzli-che Dämmung + HLB (außen)

Abb. 8.31 Dreischichtiger Aufbau, BS + HLB (z.B.)als Massivabsorber + Glasabdeckung


Zusammenfassung

160

8.4 Zusammenfassung

Zwei Tendenzen bestimmen zurzeit den inno-vativen Holzbau: - Verstärkter Einsatz in mehrgeschossigen

Bauten und in städtischen Bebauungen - Kombination mit Glas und anderen trans-

parenten beziehungsweise transluzentenMaterialien

Dabei ist eine fast ‘paradigmatische’ Neuaus-richtung des industrialisierten Holzbaus zuverzeichnen, von stabförmigen Elementen zuscheibenförmigen Bauteilen.46

Gerade in mehrgeschossigen öffentlichen wieprivaten Wohn- und Verwaltungsbauten be-steht ein großes Potenzial, Massivholz und/oder Holzverbundwerkstoffe auch in großenMengen einzusetzen.Holzleichtbeton-Massivholz-Verbundbauwei-sen verknüpfen baukonstruktive und bauphy-sikalische Vorteile mit einem hohen Grad anVorfertigung und einer guten Bilanz hinsicht-lich der Stoff- und Energieströme. (Regionale)Holzarten sind im Vergleich zu vielen techni-schen Materialien gleichermaßen ein kosten-günstiger Roh- und Zuschlagsstoff. Auch einArgument für Holzleichtbeton und Massivholz,

bei denen auch weniger qualitative Hölzeroder Reststoffe zu leistungsfähigen Bauteilenverarbeitet werden können.Für ein Holzhochhaus in Zürich, im Rahmeneines Planungsgutachtens entwickelt und vor-gestellt,47 bilden diese Aspekte den program-matischen Prospekt. Für die Grundstrukturdes Gebäudes sind zwei Funktionsbereiche,Wohnen nach Süden und Verwaltung nachNorden, definiert worden. Das Haupttragwerkist als Stahlskelett konzipiert, mit Geschoss-decken aus Stahlbetonfertigteilen. Das Kon-zept sieht innerhalb dieser Brandabschnittefür die Wohn- und Büroteile jeweils dreige-schossige Holzkonstruktionen vor, deren Dek-ken und tragende Wände in Holzleichtbeton-Massivholz-Verbundbauweise geplant sind.48

Das Projekt zeigt in anschaulicher Weise, un-ter Nutzung vor allem der verbesserten ther-modynamischen Stoffeigenschaften, die viel-fältigen und erweiterten architektonischenEinsatzmöglichkeiten von Holzleichtbeton.(Abb. 8.33-8.36)

Die Kostenentwicklung im Bauwesen bewegtsich, im Gegensatz zu anderen Industriebe-reichen, besonders bedingt durch hohe Lohn-kosten, sowie fehlende Rationalisierungs-maßnahmen, auf einem hohen Niveau. Dahermuss bei der Entwicklung von (Außen-)Wand-und Decken-Konstruktionen mit Holzleichtbe-ton der Weg zum großformatigen Wandele-ment beschritten werden.Für die genannten Aufbauten lassen sich Ver-bindungsmittel wie auch Fügetechniken so-wohl aus dem Ingenieur-Holzbau als auchdem Bereich der Betonfertigteilherstellungnutzbar machen. Gerade neue Produkte wieder an der Technischen Universität Münchenentwickelte “Innovative Schnellverbinder”49 fürGeschoss hohe Elemente, eröffnen auch derHolzleichtbeton-Massivholz-Verbundbauwei-se ein großes Anwendungsgebiet.

Abb. 8.33 ‘Außenwandbaukasten’ (60 x 60 cm):Dreischichtiger Aufbau, BS + zusätzli-che Dämmung + HLB “Welle” (außen)

Abb. 8.34 Dreischichtiger Aufbau, BS + zusätzli-che Dämmung + HLB “Absorber” (au-ßen)

Abb. 8.35 Vierschichtiger Aufbau, HLB (innen) +BS + zusätzliche Dämmung + HLB “Rippe” (außen)


Holzleichtbeton

Zusammenfassung

161

Beim Holzbau sind in Deutschland in den letz-ten Jahren eine Reihe hoch entwickelter Vor-fertigungsmethoden erfolgreich eingeführtworden. Die produktionstechnische Lei-stungsfähigkeit sowie die architektonischenPotenziale der Beton-Fertigteilindustrie zei-gen sich auch im Bereich des Wohnungs- undVerwaltungsbaus in Veröffentlichungen ausden letzten Jahren.50 Die intelligenten Ver-knüpfung beider Arbeitsfelder lässt vielfältigeSynergieeffekte erkennen.

Anmerkungen1 Bei einem Gesamtvolumen von etwa 165.000 Einfa-

milienhäusern (1996), entfallen nur etwa 21.000 aufden Bereich der Holzbauweise.

2 Vgl. Kolb, 2/1992, S. 383 Vgl. Gliniorz/Natterer, 2000, S. 90-1314 Im Vergleich zu heute wird um 1900 in Mitteleuropa

etwa die 10fache Menge an Massivholz in der Bau-konstruktion eingesetzt.

5 Vgl. Bauen mit Holz, 5/1997, S. 324f.; Natterer, 6/1997, S. 9f.

6 Jung, 5/1998, S. 187 Vgl. Schaal et al., 1/1997, S. 208 Vgl. Schaal et al., 1/1997, S. 20-29; Natterer, 6/1997,

S. 9f.9 Vgl. Natterer, 6/1997, S. 910 Vgl. Schaal et al., 2/1997, S. 89

Nagelschema und Querkraftübertragung sowie Aus-bildung von Stößen vgl. Schaal et al.,1/1997, S. 24ff.

11 Vgl. Schaal et al., 2/1997, S. 89f.12 Vgl. Schaal et al., 2/1997, S. 9013 Für eine Spannweite von 5 m und einer angenomme-

nen Last von 3,0 KN/m2 wird eine Brettstapelhöhevon 16 cm benötigt.

14 Vgl. Schaal et al., 2/1997, S. 8915 Vgl. Braun et al., 8/1998, S. 54216 Bis zu 2 Stockwerken, sind Wandstärken von 8 cm

erforderlich; ab drei Stockwerken und je nach demGrad des Fensteranteils erhöht sich der Aufbau.Nichttragende Innenwände werden mit d = 8 cm aus-geführt. Zur Verbesserung des Schallschuztes sinddiese einseitig zu beplanken.

17 Vgl. Kind-Barkauskas et al., 1995. S. 53-73; Fassa-den aus Stein, 2004, 2-57; Merkblatt Sichtbeton,1997

18 Durch den so genannten “Nasseffekt” kann die Far-bigkeit des Beton verändert werden.

19 Vgl. DIN EN 12878, Dezember 200320 Eisenoxide ca. 2 €/kg, für Pulverpigmente; für Flüs-

sigtypen reduziert sich der Preis entsprechend dem

Abb. 8.36 Hochhaus in Holz. Planungsgutachten für Zürich (2002)(Architekten: Thomas Herzog mit Matthias Sieveke)


Zusammenfassung

162

Feststoffgehalt.21 Vgl. E-mail, Herr Dr. Weber, Chem. Fabrik Harold

Scholz GmbH, Lohr, 04.02.2004; Besprechung mitHerrn Heeß und Herrn Dr. Kling am Lehrstuhl,18.12.2001

22 Dies trifft nur bei Trockenmischungen zu.23 Die Flüssigfarbe wird von der Fa. Chem. Fabrik Ha-

rold Scholz GmbH in Lohr zur Verfügung gestellt24 Der Bezug der Dosierhöhe auf die Gesamtmasse ist

eher nicht üblich, wird jedoch bei der Mörtel- undPutzherstellung durchaus angewandt.

25 Flüssiggelb HS 420 F, Faktor 2; Flüssigrot HS 110 F,Faktor 1,67, Tel. Auskunft Herr Dr. Weber, Chem.Fabrik Harold Scholz GmbH, Lohr, 16.12.2002

26 10. Januar 200327 Vgl. zur Formfindung: Sieveke, 2000, S. 53f.28 Holzeinwaage feucht: 500 g; Holzeinwaage trocken:

465 g29 07. bzw. 13. Juli 200330 Hierbei wäre zu klären, inwieweit nach der Ummante-

lung des Spans, der Frischbeton ‘blutet’, d.h. eineSättigung erfährt

31 Gespräch mit Herrn Krauß, MPA Bau/TU München,08.07.2003

32 Der Frischbeton sollte bereits die erforderliche ‘Ho-mogenität’ aufweisen, ohne bereits eine zu steifeKonsistenz zu haben, ein schwieriges Unterfangen,dass Erfahrung routinierter Betonfacharbeiterbraucht.

33 Vgl. Kolczyk/Rings <09.07.2003>34 Haben eine honigartige Konsistenz und weisen ein

‘tixotropes’ Verhalten auf, d.h. im ruhendem Zustandist der Frischbeton steif und bei Zufuhr von (kineti-scher) Energie wird dieser flüssig. Gespräch mitHerrn Krauß, MPA Bau/TU München, 08.07.2003

35 Allerdings stellt der errechnete und in der Rezeptur-Tabellen aufgeführte W/Z-Wert einen theoretischenGesamt-Wert dar, da das gesamte zugegebene Was-ser zunächst für die Mischung nicht zur Verfügungsteht (vgl. 40 % für die Hydratation).Von den 40 % Wasser im Frischbeton (0,40) sindetwa 28 % chemisch und 12 % physikalisch gebun-den. Gespräch mit Herrn Krauß, MPA Bau/TU Mün-chen, 08.07.2003

36 Vgl. Technisches Merkblatt der Fa. Sika Addiment,Leimen: Ausgabe 01.03, Sortennummer 10503

37 Fa. Wörmann, Darmstadt; Fa. Sika Addiment, Lei-men

38 Vgl. Technisches Merkblatt der Fa. Sika Addiment,Leimen: Ausgabe 01.03, Sortennummer 10503

39 16. Juli 200340 Wird normalerweise für kleinere Zuschläge (0 bis

4 mm, d.h. Mörtel) eingesetzt. Daher sind die Werteuntereinander nur näherungsweise zu vergleichen.

41 Der Behälter wird in zwei Lagen eingefüllt und jeweilsmit 10 Hüben á 3 cm ‘verdichtet’. Dieses Vorgehenwird ebenfalls bei der Befüllung der Prismen für dieSchwindmessungen vorgenommen.

42 Wie bei den Prüfwürfeln wird der Behälter in zwei La-gen eingefüllt und jeweils 15 Sekunden (bzw. beim

zweiten Mal bis keine Luftporen mehr aufsteigen) aufder Rüttelplatte verdichtet.

43 Vgl. Kapitel 6.5.344 Fa. Dr.-Ing. Mahler+Partner GmbH, Finnentrop.

Vgl. Prüfzeugnis der MPA NRW - Materialprüfungs-amt Nordrhein-Westfalen, Nr. 42 0609 0 96, v. 20.08.1996

45 Vgl. Pfeiffer, 11/2002, S. 37-3946 Vgl. Seidel, 8/2003, S. 26-2947 Tagung “Holz im Hochhausbau”. ETH Zürich, Haupt-

gebäude, Auditorium Maximum, 20.11.200248 Vgl. Herzog/Sieveke, 11/ 2002, S. 4-949 Vgl. Prochiner et al., 4/2001, S. 701-704.50 Vgl. Lindner/Schmitz-Riol, 2001.

Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dassVerbundwerkstoffe aus Holz und anorgani-schen Bindemitteln eine Reihe interessanterOptionen für den Einsatz im Hochbau, vor al-lem im Bereich des Ressourcen schonendenBauens aufweisen.

Holzleichtbeton kennzeichnet im Vergleich zuNormalbeton ein höherer Bindemitteleinsatz.Das Material lässt sich sehr gut verarbeiten,sowohl per Hand als auch mit gängigenMischgeräten. Gegenüber herkömmlichenHolz- und Holzverbundwerkstoffen unter-scheidet sich Holzleichtbeton durch wesent-lich höhere Rohdichten, Sprödbruchverhaltenund geringe hygrische Längenänderung. DasKompositmaterial zeichnet eine Reihe vorteil-hafter Bearbeitungseigenschaften aus, eslässt sich sägen, nageln, schrauben. Auch beider Oberflächenbehandlung bestehen vielfäl-tige Optionen.Als hygroskopisch dampfdurchlässiger Bau-stoff ist das thermische Verhalten positiv zubewerten, sowohl hinsichtlich der Wärme-speicherfähigkeit als auch der Wärmedäm-mung. Der Holzleichtbeton weist gute Anpas-sungsmöglichkeiten in den Mischungen aufund kann sowohl einen wirksamen sommerli-chen Überhitzungsschutz als auch winterli-chen Wärmeschutz leisten.

Demgegenüber lassen die experimentellenArbeiten zu Holzleichtbeton als Massivabsor-ber nur ein begrenztes Potenzial erkennen.Trotz einer relativ hohen Volumen bezogenenWärmespeicherfähigkeit des schweren Holz-leichtbeton (1250 kg/m3) wird dies beim ther-mischen Verhalten unter den abgebildetenRandbedingungen nicht wirksam. Es liegtdennoch gutes Datenmaterial zu weiteren Un-tersuchungen von Einsatzmöglichkeiten alsMaterial für thermisch aktive Bauteile im Be-reich der Bauteiltemperierung vor.

Schluss-bemerkungen

Ausblick

163

9 Schlussbemerkungen – Ausblick Die vorliegenden Forschungsergebnisse derim Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Ver-suchs- und Messreihen haben zum Holz-leichtbeton auf unterschiedlichen Ebenen zuneuen Erkenntnissen geführt.

Einerseits werden vorhandene Arbeitsergeb-nisse, zu den Mischungen und hinsichtlichbaukonstruktiver sowie insbesondere bauphy-sikalischer Eigenschaften validiert und erwei-tert. Andererseits werden für Holzleichtbetonneue Anwendungen und Kombinationen un-tersucht, wie die Eignung als Massivabsorbersowie der Verbund mit organischen Latent-wärmespeichermaterialien.Zu dieser Materialkombination sind zum Teilerstmalig sowohl materialspezifische als auchexperimentelle Arbeiten durchgeführt undFunktionsmodelle in unterschiedlichen Maß-stäben hergestellt worden. Über diese For-schung an Grundlagen hinaus, liegen für allewesentlichen Schritte Ergebnisse aus vorbe-reitenden Untersuchungen und mittels Simu-lationsprogrammen durchgeführte Potenzial-abschätzungen zum thermischen Verhaltenvor.

Vor dem Hintergrund, dass die Arbeit an derFakultät für Architektur von einem Architektendurchgeführt wurde, steht immer auch derbauliche Anwendungsbereich, das heißt dieGebäudefassaden und/oder die Innenräumemit ihren wichtigen Ausdrucksqualitäten, imBlickfeld und wird die Materialkombinationauch hinsichtlich ihrer gestalterischen Optio-nen untersucht und bewertet.

Das Ziel der bisherigen Arbeiten ist es, Ein-sichten in das enorme Potenzial der Holz-leichtbeton-Massivholz-Verbundbauweise zugewinnen, sowie Untersuchungen zur Klärungvon Grunddetails für die Anwendung im allge-meinen Hochbau durchzuführen.

Schluss-bemerkungen Ausblick

164

Verarbeitungsverfahren und zum Einsatz tex-tiler Bewehrungsarten.Um vorgefertigte, großformatige Bauteile ausHolzleichtbeton für den Hochbau einsetzen zukönnen, sind ebenfalls noch detaillierte For-schungsarbeiten zum baukonstruktiven Ver-halten sowie zu herstellungstechnischenAspekten erforderlich, zum Beispiel hinsicht-lich:- der verwendeten Form des Holzzuschla-

ges, ob als Partikel, Granulat, Faser, Spanbzw. Kombinationen

- des Verhaltens bei anderen Zementarten,vor allem zur Verbesserung der Eigen-schaften in der Frischbetonphase

- des Einflusses von Zusatzmitteln auf dieVerarbeitbarkeit

- des Einsatzes von Verbindungsmitteln undder Aufstellung vereinfachter Berech-nungsverfahren

Weitere wichtige Untersuchungen betreffendie Bewertung des Holzleichtbetons unterAspekten der Nachhaltigkeit, Einsparungspo-tenziale von mineralischen Rohstoffen sowiedessen Recyclingfähigkeit.

Aufgrund der positiven Eigenschaften lässtsich Holzleichtbeton als zukunftweisendesund leistungsfähiges Material bezeichnen.Holzleichtbeton kann als Baumaterial mit amMarkt üblichen Baustoffen konkurrieren undBauteile aus diesem Material eignen sich fürvielfältige Einsatzmöglichkeiten im Baube-reich. Die Holzleichtbeton-Massivholz-Ver-bundbauweise ist sowohl für den Einsatz imMehrgeschossbau als auch im Fertigteilbauoder Innenausbau gut geeignet.

diesen PCM-Materialien, Baustoffklasse A 2nicht erreichbar ist.In der thermischen Beurteilung zeigen sichebenfalls positive Materialeigenschaften. DieWärmeleitfähigkeit (λ-Werte zwischen 0,28und 0,50 W/mK) liegt bei höheren Rohdichtenunter dem Bereich der Holzleichtbeton-Aus-gangsmaterials. Weitere Vorteile bestehen imBereich der Wärmespeicherfähigkeit und desFeuchteausgleichsverhaltens. Gerade hin-sichtlich der Kombination mit PCM ist bei die-sen Anforderungen noch reichlich Optimie-rungspotenzial zu erwarten.Eine durchgeführte Potentialabschätzungzeigt, dass mit Holzleichtbeton eine deutlicheReduktion von Überhitzungsstunden in einemBüroraum – bei effizienten passiven Lüftungs-und Kühlungsstrategien – möglich ist. Mit wei-terer Erhöhung der thermischen Speicherfä-higkeit durch Verwendung von PCM-Materialkann der sommerliche Überhitzungsschutznoch verbessert werden. Damit liegen die Er-gebnisse in der Tendenz im Bereich andererUntersuchungen mit PCM-haltigen Baustof-fen.

Darüber hinaus eröffnet die Kombination vonHolzleichtbeton mit PCM-Materialien aucheine Reihe interessanter gestalterischer Op-tionen gleichermaßen für Wand- und Dek-kenoberflächen sowie für Bodenbeläge. Diethermisch hochleistungsfähigen Stoffe kön-nen sichtbar, und damit ablesbar, in gestalte-risch hochwertigen Oberflächen gezeigt wer-den. Diese Vielfalt, die in diesem Verbundma-terial liegt, zeigen exemplarisch Farbmuster-reihen sowie Funktionsmodellen mit struktu-rierten, plastischen Oberflächen.

Gleichwohl besteht trotz einer Vielzahl erar-beiteter Kenngrößen und vorhandener Erfah-rungen, noch Optimierungsbedarf; insbeson-dere hinsichtlich der Mischungsverhältnisse,

Für die Kombination von Holzleichtbeton mitLatentwärmespeichermaterialien ist nach um-fangreichen Versuchen eine gute Beurteilungmöglich, gleichermaßen zum mechanischenund zum thermischen Verhalten.Bei höheren Rohdichten (von etwa 1000 bis1450 kg/m3) gegenüber ‘normalem’ Holz-leichtbeton liegt die Druckfestigkeit zwischen5 und 20 N/mm2. Für den betrachteten An-wendungsfall im Bereich von Gebäudefassa-den und Innenräumen werden insgesamt gutebaukonstruktive Kenngrößen erreicht.

Die W/Z-Werte besonders der leichten Mi-schungen liegen bei den durchgeführten Ver-suchen mehr als Faktor 2 über den als ‘ideal’bezeichneten 0,55 bis 0,65. Die Ergebnissezeigen indes, dass bei Holzleichtbeton eineAnlehnung an den ‘klassischen’ Betonbaudiesbezüglich wenig sinnvoll ist. Auch bei ho-hen W/Z-Werten gewährleistet das Materialaufgrund seiner elastomechanischen Eigen-schaften eine sehr gute Dauerhaftigkeit. Dasehr hohe Festigkeiten keine Anforderungsind, stellt somit der W/Z-Wert bei der Beur-teilung von Holzleichtbeton nicht den gewich-tigen herstellungstechnischen und baukon-struktiven Parameter dar.Dieser ist beim Schwindverhalten indes einwichtiger Indikator, da hohe W/Z-Werte auchzu größerem Schwinden führen. Bei den un-tersuchten Holzleichtbetonmischungen fälltdas Schwindmaß mit Werten zwischen 3,7und 5,2 mm/m etwas hoch aus. Aber auchhier bewegt sich das Material letztlich in ‘nor-malen’ Toleranzbereichen. Ferner bestehenverschiedene Formen einer Vorbehandlungdes Restholzes, die eine Minimierung desSchwindverhaltens ermöglichen können.Einschränkungen bestehen zur Zeit hinsicht-lich des Brandschutzes, da für den Holzleicht-beton in der Kombination mit Latentwärme-speichermaterialien, in dieser Form und mit

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Anhang

Literatur-verzeichnis

165

10 Anhang 10.1 Literaturverzeichnis

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Betonfasertechnik mit alkaliresistenten Glasfasern.Sonderdrucke aus: BWI - BetonWerk Interna-tional. Zürich 2001

Anhang


166

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Herzog, Thomas; Sieveke, Matthias: Im Dreitakthimmelwärts. In: Beilage zur Hochparterre 11/ 2002, S. 4-9

Hoeft, Markus: Jenseits von Blockhaus-Charme.In: bba, 11/2002, S. 46-50

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Hullmann, Heinz: Materialexperimente. Innovatio-nen bei Konstruktion und Gestaltung. In: DBZ -Deutsche Bauzeitschrift, 12/2002, S. 26-29

Hummel, Alfred: Das Beton-ABC. Schwerbeton,Leichtbeton. Ein Lehrbuch für die zielsichere

Kress, Fritz: Der Zimmerpolier. Ein Fachbuch fürZimmerleute, Techniker, Architekten aus allenGebieten des Holzbaues. Buch der Zimmerleu-te; Bd. 2. Ravensburg 7/1942

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Krippner, Roland: Neue Holzverbundwerkstoffe fürdas Bauwesen - Zum Stand der Entwicklungund Einsatzmöglichkeiten von Holzleichtbeton.Vortrag ETH Tagung "Holz im Hochhausbau".Zürich 20.11.2002

Kruse, Martin; Friedrich, Uwe: Latentwärmespei-cher in Bausystoffen. BINE projektinfo 06/02.Eggenstein-Leopoldshafen 2002

Kuhlmann, Ulrike; Gerold, Matthias; Schänzlin,Jörg: Brettstapel-Beton-Verbund - Berücksichti-gung von Kriechen und Schwinden. In: Bauin-genieur, 75. Jg., 6/2000, S. 281-288

Lainsecq, Margrit de: Speicherndes Leichtgewicht.In: Architektur & Technik, 24. Jg., 1/2001, S. 40

Lenzen, Birgit: Entwicklung und Untersuchung ei-nes latentwärmespeichernden Baumaterialszum Einsatz in transparent gedämmten Außen-wänden. Dissertation. Berlin 2001

Lindner, Gerhard; Schmitz-Riol, Erik: Systembau-weise im Wohnungsbau. Kostengünstiger, qua-litätsvoller und ökologischer Wohnungsbau.Düsseldorf 2001.

Löfflad, Hans: Brettstapelbauweise. Technologi-sche, ökologische und ökonomische Aspekte.Aachen 1998.

Ludwig, Horst-Michael; Hemrich, Wolfgang; Weise,Frank; Ehrlich, Norbert: Der neue Beton.Selbstverdichtender Beton - Grundlagen undPraxis. In: Beton + Fertigteil Jahrbuch 2002.Wiesbaden u.a. 2002, S. 113-131

Mehling, H.; Hiebler, S.; Cabeza, L. F.: News onthe Application of PCM for Heating and Coolingof Buildings. In: 3rd Workshop IEA, ECES IAAnnex 17 Tokyo/Japan, 01–02 October 2002

Anhang


167

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Hummel, Alfred: Das Beton-ABC. Schwerbeton,Leichtbeton. Ein Lehrbuch für die zielsichereHerstellung und eine wirksame Baustellenüber-wachung. Berlin 10/1948

Hummel, Alfred: Das Beton-ABC. Ein Lehrbuch derTechnologie des Schwerbetons und des Leicht-betons. Berlin 12/1959

Informationen zur Eigenheimbau; Bd. 13. Einzel-haus HB2 “Crottendorf”. Berlin(Ost) 1973

Informationen zur Eigenheimbau; Bd. 7. Holzbe-ton-Einzelhäuser HB3 HB4. Berlin(Ost) 1972

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Kind-Barkauskas, Friedbert; Kauhsen, Bruno;Polónyi, Stefan; Brandt, Jörg: Beton Atlas. Ent-werfen mit Stahlbeton im Hochbau. Münchenu.a. 1995.

Kling, Bernhard; Peck, Martin: Sichtbeton im Kon-text der neuen Betonnormen. Verantwortlich-keiten und besondere Anforderungen. In: Be-ton. 53. Jg., 4/2003, S. 170-176

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Kolb, Josef: Bausysteme im Holzbau. In: Bauhand-werk, 17. Jg., 5/1995, S. 41-46

Kolb, Josef: Systembau mit Holz. Tragkonstruktionund Schichtaufbau der Bauteile. Zürich-Dieti-kon 2/1992

König, Gert; Faust, Thorsten: Konstruktiver Leicht-beton im Verbundbau. In: Stahlbau, 69. Jg., 7/2000, S. 528-533

Koschenz, Markus: Tabs mit Phasenwechselmate-rial. In: Technik am Bau, 1/2003, S. 60-65.

Koschenz, Markus; Lehmann, Beat: ThermoaktiveBauteilsysteme tabs. Dübendorf 2000

Mehling, Harald: Latentwärmespeicher. BINE Infor-mationsdienst; themeninfo IV/02. Eggenstein-Leopoldshafen 2002

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Meyers Großes Taschenlexikon in 24 Bänden.Mannheim; Wien, Zürich 2/1987

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Natterer, Julius: Bauphysikalische Kennwerte undBetrachtungen zum Holzbeton. (Textmanu-skript). Saulburg/Wiesenfelden 2000e

Natterer, Julius: Brettstapelbauweise. In: Wohnung+ Gesundheit, 19. Jg., Nr. 83, 6/1997, S. 9 - 10

Natterer, Julius: Entwicklung von wärmeaktivenVerbundelementen. (Textmanuskript.) Saul-burg|Wiesenfelden 02/1999.

Natterer, Julius: Stand der Entwicklung von textil-bewehrten Holzleichtbeton für thermoaktiveBauteile. (Textmanuskript.) Saulburg/Wiesen-felden 2000

Natterer, Julius: Stapelbauweise und Holz-Beton-Verbundbauweise. In: Detail, 37. Jg., 1/1997,S. 10-11.

Natterer, Julius; Gliniorz, Kai-Uwe: Holzleichtbetonder ETH Lausanne. Ökologie und Ökonomiesinnvoll verbinden. Publication IBOIS 00:24.Lausanne 2000, S. 2-6

Natterer, Julius; Gliniorz, Kai-Uwe: Vom Steinholzzum Holzleichtbeton. Publication IBOIS 00:21.Lausanne 2000, S. 2-4

Natterer, Julius; Herzog, Thomas; Volz, Michael:Holzbau Atlas Zwei. München 2/1996.

Neunast, Armin; Lange, Friederike: Leichtbeton-Handbuch. Düsseldorf 2001

Anhang


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Reichel, Alexander: Vielfalt mit System - Fassadenaus Glasfaserbeton. In: Detail, 41. Jg., 4/2001,S. 696-700

Roider, Michael: Forschungsvorhaben Holzleicht-beton. (Interner) Bericht IEZ Natterer GmbH.Saulburg/Wiesenfelden 19.02.2001a

Roider, Michael: Betonierung der beiden HLB-Ele-mente. (Interner) Bericht IEZ Natterer GmbH.Saulburg/Wiesenfelden 19.02.2001b

Rostásy, Ferdinand S.: Baustoffe. Stuttgart u.a.1983

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Schaal, Werner; Braun, Hans-Jürgen; Gerold, M.:Brettstapel als Konstruktionselement. Eine Al-ternative für Decken und Wände, die hand-werklich und industriell hergestellt werden kön-nen. Teil 1. In: Bauen mit Holz, 99. Jg., 1/1997,S. 20 - 29; Teil 2, 2/1997, S. 89-96

Scherer, Robert: Die künstlichen Fußböden- undWändebeläge. Wien u.a. 1907

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Schölkopf, Wolfgang (Hg.): Endbericht SOLEG.Solar gestützte Energieversorgung von Gebäu-den. Würzburg 2002

Schossig, Peter: Baustoffe mit mikroverkapseltenLatentmaterialien – Aufbau, Anwendung. In:SOBIC Seminar, 03.12.2003, o.S.

Schubert, Bärbel: Untersuchungen zum System

Niesing, Birgit: Wärme speichern mit Wachs. In: Arconis. Wissen zum Planen und Bauen, 8. Jg., 4/2003, S. 48-49

Niewienda, Andreas: Konzepte zur solar gestütztenEnergieversorgung von Gebäuden. In: Schöl-kopf, Wolfgang (Hg.): Endbericht SOLEG.Würzburg 2002, S. 3.11-1 - 3.11-21

Oberdorf, Christian: Massivholz-Leichtbeton-Ver-bundbauweise. Holzleichtbeton als passivesBauteil. (Interner) Bericht ZAE Bayern Abt. 4.München/Garching 08/2001

Oberdorf, Christian: Thermisch aktive Bauteile inMassivholz-Leichtbeton-Verbundbauweise –Potenzialabschätzung. (Interner) Bericht ZAEBayern. München/Garching 2002

Pfafferott, Jens: Passive Kühlung mit Nachtlüftung.BINE Informationsdienst; themeninfo I/03. Eg-genstein-Leopoldshafen 2003

Pfäffinger, Jörg: Dünne Dämmsysteme verschlan-ken den Holzbau. In: mikado, 12/2002, S. 22-25

Pfeifer, Günter: Das kybernetische Prinzip. In: DerArchitekt, 11/2002, S. 37-44

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Primus, Illo-Frank (Hg.): Massivabsorber. Die Wär-mequelle für die Wärmepumpe. Düsseldorf1995

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Prochiner, Frank O.; Walczyk, Ralf; Hartmann, Do-menikus: Innovative Schnellverbinder - dieSchlüsseltechnologie zum Fertighausbau. In:Detail, 41. Jg., 4/2001, S. 701-704

Puch, Volker: Wärmeflasche für Häuser. In: Süd-deutsche Zeitung, Nr. 78, 03.04.2001, S. V2/7

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Seidel, Arnim: Aus Stab ward' Platte. Holzbau imWandel. In: DBZ - Deutsche Bauzeitschrift, 51.Jg., 8/2003, S. 26-29

Selbstverdichtender Beton - eine Demonstration.In: Das Bauzentrum/Baukultur, 49./22. Jg., 6/2001, S. 28

Setzer, Max J.: DFG - Sonderforschungsbereich -SFB 398. “Lebensdauerorientierte Entwurfs-konzepte unter Schädigungs- und Deteriorati-onsaspekten”. http://www.uni-essen.de/ibpmw/DE/sfb398.htm <15.08.2003>

Sieveke, Matthias: Möglichkeiten der konstruktivenAusbildung und der baulichen Integration vonnachträglich eingebauten thermischen Flüssig-keitsspeichern […]. Dissertation. München2000

SOBIC Seminar “Leichte Baustoffe – thermischschwer”. Freiburg, Fraunhofer - Solar BuildingInnovation Center SOBIC / Fraunhofer ISE,03.12.2003

Tätigkeitsbericht 1999. Hrsg. Bayerisches Zentrumfür Angewandte Energieforschung e.V. (ZAEBayern). Würzburg 2000

Tätigkeitsbericht 2001. Hrsg. Bayerisches Zentrumfür Angewandte Energieforschung e.V. (ZAEBayern). Würzburg 2002

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Vollenschaar, D. (Hg.): Wendehorst Baustoffkun-de. Hannover 25/1998

Watts, Andrew: Moderne Baukonstruktion. NeueGebäude, neue Techniken. Reihe moderneBaukonstruktion. Wien; New York 2001

Werner, Gerhard: Holzbau. Teil 1 Grundlagen.Werner-Ingenieur-Texte 48. Düsseldorf 1977

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Anhang

Abbildungs-nachweis

169

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Krippner, Roland: Holzleichtbeton im Fassadenbe-reich. Manuskript anläßlich des “Pressege-sprächs” zur “Swissbau 02/Metallbau 02”. Basel 31.10.2001.

Krippner, Roland; Herzog, Thomas: Wood-light-weight-concrete in the building skin. V5.55. Po-sterpräsentation. 12th European Conferenceand Technology Exhibition on Biomass forEnergy, Industry and Climate Protection. Am-sterdam RAI International Exhibition and Con-gress Centre The Netherlands, 17.-21. June2002,

Krippner, Roland: Wood-lightweight-concrete in thebuilding skin. Posterpräsentation. UIA Berlin2002, XXI. World Congress of Architecture.Berlin, 22.-26. July 2002,

Krippner, Roland: Untersuchung von Einsatzmög-lichkeiten von Holzleichtbeton mit Latentwär-mespeichermaterialien im Bereich von Gebäu-defassaden. In: Tätigkeitsbericht 2001. Würz-burg 2002, S. 29

Krippner, Roland: Holzleichtbeton. In: DBZ - Deut-sche Bauzeitschrift, 50. Jg., 12/2002, S. 74-77

Krippner, Roland: Untersuchungen zur Optimie-rung des Verbunds von Holzleichtbeton mit La-tentwärmespeichermaterialien. In: Tätigkeitsbe-richt 2002. Würzburg 2003, S. 58

Wetzell, Otto W. (Hg.): Wendehorst BautechnischeZahlentafeln. Stuttgart u.a. 28/1998

Winkelmüller, Stefan: Thermische Gebäudesimula-tionen zur Potenzialabschätzung des Verbundsvon Holzleichtbeton mit Latentwärmespeicher-materialien. (Interner) Bericht ZAE Bayern Abt.4. Garching 26.11.2003

Winter, Wolfgang; Dreyer, Jürgen; Schöberl, Hel-mut: Holzbauweisen für den verdichtetenWohnbau. Wien September 2001

Wolf, T.; Tichelmann, Karsten; Pfau, Jochen: Brett-stapelbauweise. Konstruktionsübersichten, Be-messung, Bauphysik, Details. Neu-Isenburg1998

ZAE Bayern: Thermische Charakterisierung vonHolzbeton-Proben. Report ZAE 2 - 1000 - 3.Würzburg 2000

ZAE Bayern; Manara, Jochen; Beck, Andreas:Messungen mit dem Sonnensimulator. Ergän-zung zu: Report ZAE 2 - 1002 - 1 (2002). Würzburg 2/2003

ZAE Bayern; Manara, Jochen; Beck, Andreas:Thermische Charakterisierung von Holzbeton-proben mit Latentwärmespeichermaterialien.Report ZAE 2 - 1002 - 1 (2002). Würzburg 10/2002

Zürcher, Christoph; Frank, Thomas: Bauphysik.Leitfaden für Planung und Praxis. Bau undEnergie; Bd. 2. Zürich, Stuttgart 1998

Zwerger, Markus; Gahr, Peter: Mögliche Anwen-dungen von Latentwärmespeichern in Bausy-stemen. In: Baumeister, 99. Jg., 3/2002, S. 29-31

10.3 Abbildungsnachweis

Betonfasertechnik mit alkaliresistenten Glasfa-sern, 2001, S. 4Abb. 2.5

Bundesarchitektenkammer (Hg.), 1996, S. 30, 67,65Abb. 7.1, 7.2, 7.105

Bursian/Pinternagel, 1973, S. 40 ol., 41 ul., 40 ml.Abb. 4.8, 4.9, 4.10

DELTA-PCM, (12)/2003, o.S.Abb. 7.5

DELZER-Kybernetik, LörrachAbb. 7.99, 7.100, 7.101, 7.102, 7.103, 7.104

Fasse, 1921, S. 46Abb. 4.1

Gliniorz, 1/2001, S. 37 o., 36 o, 38 oAbb. 2.6, 5.2, 5.5

Gliniorz/Natterer, 2000, S. 16, 26, 26Abb. 3.2, 5.3, 5.4,

Hacker, 02/2002, S. 2, 3, 3f., 5, 2, 8, 11Abb. 6.18, 6.19, 6.20, 6.21, 6.22, 6.24, 6.25

Handbuch Sonnenheiztechnik, 1997, S. 7.1-4Abb. 6.7

HeinzeBauOffice, 2000, Datenblatt-Nr. 2093/01Abb. 4.17

Herzog (Hg.), 1996, S. 57Abb. 8.3

Herzog, Thomas; Sieveke, Matthias. MünchenAbb. 8.36

Holzforschung MünchenAbb. 7.92

Hummel, 12/1959, S. 266Abb. 4.6

IEZ Natterer GmbH, Saulburg/Wiesenfelden, 11/2000Abb. 5.6

Informationen zur Eigenheimbau, 1972, TitelAbb. 4.13

Kind-Barkauskas et al., 1995, S. 63, 63, 71Abb. 8.4, 8.5, 8.6

Kruse/Friedrich, 2002, S. 1 m.Abb. 2.7

10.2 Eigene Veröffentlichungen im Rah-men der Dissertation

Anhang

Abkürzungen, Formelzeichenund Einheiten

170

Mehling, 2002, S. 2, 2Abb. 7.4, 7.6

MPA BAU, TU MünchenAbb. 7.20, 7.27, 7.28, 7.69, 7.70, 7.71, 7.72,7.74, 7.75, 7.76

Oberdorf, 08/2001, S. 2, 2, 3, 3, 4, 5, 5, 7Abb. 5.13, 5.14, 5.15, 5.16, 5.17, 5.18, 5.19,5.20

Oberdorf, 2002, S. 1, 3, 3, 4, 5Abb. 6.26, 6.27, 6.28, 6.29, 6.30

Odenwald Faserplattenwerk, AmorbachAbb. 7.96, 7.97

Primus (Hg.), 1995, S. 46 oAbb. 6.5

Produktunterlagen “Der ökologische Baustoff” derFa. ISOSPAN Baustoffwerk GmbH, Ra-mingstein/A (10/2001)Abb. 4.15

RUBITHERM , Produktunterlagen der Fa. RUBI-THERM, Hamburg/FürstenwaldeAbb. 7.3, 7.7, 7.15

Schwarz, 1987, S. 29, 32Abb. 6.3, 6.4

Technische Berichte, 1956, S. 29, 26 u., 32 u. Abb. 4.2, 4.4, 4.5

Wilhelm Dyckerhoff Institut für Baustofftechnolo-gie, WiesbadenAbb. 7.79, 7.80, 7.81, 7.82, 7.85, 7.86, 7.87,7.88

Winkelmüller, 2003, S. 4, 5, 6f., 9, 11, 13Abb. 7.107, 7.108, 7.109, 7.110, 7.111, 7.112

ZAE Bayern, 10/2002, S. 5, 7, 8, 8, 9, 12, 13, 14,14, 15Abb. 7.52, 7.54, 7.55, 7.56, 7.57 7.59, 7.61,7.62, 7.63, 7.64

ZAE Bayern, 2/2003, S. 5Abb. 7.65

ZAE Bayern, 2000, Tab. 5, S. 5, 9Abb. 5.7, 5.8, 5.10

Die übrigen Abbildungen stammen vom Autor

10.4 Abkürzungen, Formelzeichen und Einheiten

aS AbsorptionszahlAt

AperturflächeAufheizdauer

cm2/m2

dBSFQ

Bauteil-/SchichtdickeBrettstapel

cm/m

BruchlastDifferenz-Wärmestrom

kNW/g

βW

βZyl

DDKEβ

Druckfestigkeit WürfelDruckfestigkeit Zylinder

N/mm2

N/mm2

Dynamischer Differenz KalorimeterE-Modul N/mm2

FMHBWuHLB

FliessmittelHellbezugswert %HolzfeuchteHolzleichtbeton

%

PCMLWmu

mo

LatentwärmespeichermaterialLuftwechsel/-rate h/1Masse der feuchten HolzprobeMasse der trockenen Holzprobe

gg

σo

σu

ρHS

Prüfspannung, oberePrüfspannung, untere

N/mm2

N/mm2

RohdichteSchmelzenthalpie

kg/m3

J/g

Εglob

SW

GRTw

Solare BestrahlungsstärkeSolargewinnfaktor, Wand

W/m2

Speichergranulat/PCMTemperatur, Auslass- °C

Tk

tDtTDDK

Temperatur, Einlass-Temperatur, °Celsius

°C°C

TemperaturdifferenzTemperaturmodulierter Dynami-

scher Differenz Kalorimeter

K

tU

VUUeff

Umgebungslufttemperatur =Lufttemperatur

Volumenstrom

°C

l/hWärmedurchgangskoeffizientWärmedurchgangskoeffizient,

tatsächliche, effektive

W/m2KW/m2K

UW

R

Wärmedurchgangskoeffizient,Wand

Wärmedurchlasswiderstand

W/m2K

m2K/W

cp

SWärmekapazität, spezifischeWärmekapazität, Volumen bezogene

J/gKkWh/m3K

QλWRGη

WärmeleistungWärmeleitfähigkeit

WW/mK

WärmerückgewinnungWärmerückzahl

h

Rsi

Rse

w

Wärmeübergangskoeffizient, äußerer konvektiver

Wärmeübergangswiderstand, innerer

W/m2K

m2K/W

Wärmeübergangswiderstand,äußerer

Wassergehalt

m2K/W

kg/m3

W/Z-η

Wasser-Zement-WertWirkungsgrad

Anhang

171

10.5 Rezepturen - Stoffraumberechnung 172

Im Zusammenhang der Untersuchungen zur Kombination von Holzleichtbeton mit Latentwärmespeichermaterialien wurdeninsgesamt fünf verschiedene Testreihen vorgenommen:

- Betonage 1 (06.09.2001)Rezepturen I a-b bis III c-d Erste Versuche auf Basis der Veränderung des Masse-Anteils von Holz und Paraffin; Messungen der Druckfestigkeit 173

- Betonage 2 (13./16.05.2002)Rezepturen I bis VIIIOptimierung der Rezepturen auf Basis einer Stoffraumberechnung mit in Stufen modifiziertemParafingehalt; Messungen der Druckfestigkeit, Biegezug-festigkeit, des E-Moduls sowie der Wärmeleitfähigkeit und Wärmespeicherkapazität; Versuch im Kleinbrandofen; Frost-Tauwechsel-Prüfung an ausgewählten Proben 180

- Betonage 3 (10.01.2003)Rezepturen III und VIHerstellung von Farbmustern; Messung des Schwind-verhaltens, Brandschachttest sowie Untersuchungen zumFeuchteausgleichsverhalten (ohne Farbzusätze) 196

- Betonage 4 (03.07.2003)Ausgangsrezeptur (600 kg/m3) plus Rezepturen III und VIHerstellung von Funktionsmodellen mit strukturierten Oberflächen; weitere Messung des Schwindverhaltens, Messungen der Druckfestigkeit bei der Ausgangsrezeptur 200

- Betonage 5 (16.07.2003)Ausgangsrezeptur (600 kg/m3)Versuche mit Fließmitteln; Herstellung von Funktions-modellen mit strukturierten Oberflächen 203

Anhang

Stoffraum-berechnung

172

• Zement + Holz +

•

600/3100

Zement +

135/250

Holz +

Wasser

280/1000

Wasser

= 1,014 m3

•

•

600/3100

Zement +

135/400

Holz +

600/3100

Zement +

135/470

Holz +

280/1000

Wasser

=

280/1000

Wasser

=

0,811 m3

0,761 m3

•

600/3100

Zement +

135/590

Holz +

600/3100 135/720

280/1000

Wasser

=

280/1000 =

0,702 m3

0,661 m3

• Zement + Holz +

•

410/3100

Zement +

250/250

Holz +

Wasser

445/1000

Wasser

= 1,577 m3

•

•

410/3100

Zement +

250/400

Holz +

410/3100

Zement +

250/470

Holz +

445/1000

Wasser

=

445/1000

Wasser

=

1,202 m3

1,109 m3

•

410/3100

Zement +

250/590

Holz +

410/3100 250/720

445/1000

Wasser

=

445/1000 =

1,001 m3

0,924 m3

Stoffraumberechnung Überprüfung der Ausgangsrezepturen (ρ ≈ 600 kg/m3)

Stoffraumberechnung Überprüfung der Ausgangsrezepturen (ρ ≈ 1250 kg/m3)

Abb. 10.0.1 Vorab durchgeführte Stoffraumberechnungen zur Aus-gangsrezeptur ρ ≈ 600 kg/m3

Abb. 10.0.2 … und zur Ausgangsrezeptur ρ ≈ 1250 kg/m3

Bestandteil Rohdichteρρρρ

Schüttdichte(lose ein-gelaufen)

Zement

kg/dm3

3,101

kg/dm3

0,90–1,20

Holzpellets

(Nadel-)Holz

(Nadel-)Holz

Fichte

0,595

0,654

0,256

0,40–0,472 0,2578

Nadelholz-Mix

Wasser

GR 41/GR 54

0,723

1,00

0,173

1,00

1,209 0,7510

Abb. 10.0.3 Roh- und Schüttdichten der Mischungs-Bestandteile

1 Ebeling et al., 12/1999, S. 62 Fichte (darrtrocken 0,40-0,43 kg/dm3;lufttrocken [15 %] 0,43-0,47 kg/dm3), Kie-fer (Föhre) (darrtrocken 0,46-0,51 kg/dm3; lufttrocken [15%] 0,51-0,55 kg/dm3);vgl. Sell, 4/1997, S. 283 Gliniorz/Natterer, 2000, S. 304 Holzpellets der Größengruppe HP5 ha-ben bei einem Durchmesser von 4 bis 10mm eine Länge von unter 5 cm und eineDichte von 1.000 bis 1.400 kg/m3

5 Rechenwert der Ausgangsrezeptur ρ ≈ 600 kg/m3

6 … Ausgangsrezeptur ρ ≈ 1250 kg/m3

7 Tel. Auskunft Fa. Künneth Holz & Logi-stik KG, Alling/Obb.; 09.04.20028 Untersuchung am Institut für Holzfor-schung der TU München, 02.05.20029 Tel. Auskunft Frau Kutzker, Fa. Rubit-herm GmbH; 26.03.200210 Vgl. Datenblatt der Fa. RUBITHERMGmbH 20.10.2003

Anhang

RezepturenBetonage 1

(06.09.2001)Rezeptur I a-b

173

Rezeptur I a-b

Zuschlagsstoffe

Portlandkalksteinzement*

Nadelholz “Fichte” (250 kg/m3)

Wasser

Granulat GR 41 (20% v. Holz)

Summe

Stoffraum Korn-rohdichte

m3

0,132

kg/dm3

3,1

0,500

0,445

0,40

1,00

0,042

1,12

1,20

GewichtZuschlagtrocken

berechnet

Anteil /Ges.Volumenberechnet

kg/m3

410

%

12

Betonageberechnet

Betonage

kg/25 l

10,25

kg/25 l

10,25

200

445

45

40

50 4

100

5,00

11,13

5,00

8,99

1,25 1,25


Anteil /Ges.-Masse

kg/m3

410

%

40

200

360

20

35

50 5

100

Abb. 10.1.1a Zusammensetzung der Rezeptur I a-b (MPA Bau/TU München; 06.09.2001)* Portlandkalksteinzement (CEM II/A-LL 32,5 R)

Abb. 10.1.1c Oberfläche der Rezeptur I a-b(Darstellung 1,25 : 1)

Rezeptur I a-b

Konsistenz (8,99 l Wasser) [cm]

Luftporengehalt [%]

W/Z-Wert

Frischbeton ρ [kg/dm3]

42,50

0,88

Abb. 10.1.1b Ermittlung von Frischbetoneigenschaften derRezeptur I a-b (MPA Bau/TUM; 06.09.2001)

Anhang

RezepturenBetonage 1(06.09.2001)Rezeptur I c-d

174

Rezeptur I c-d

Zuschlagsstoffe



Wasser


Summe


m3

0,132

kg/dm3

3,1

0,500

0,445

0,40

1,00

0,042

1,12

1,20


berechnet


kg/m3

410

%

12

Betonageberechnet

Betonage

kg/25 l

10,25

kg/25 l

10,25

200

445

45

40

50 4

100

5,00

11,13

5,00

8,99

1,25 1,25


Anteil /Ges.-Masse

kg/m3

410

%

40

200

360

20

35

50 5

100

Abb. 10.1.2a Zusammensetzung der Rezeptur I c-d (MPA Bau/TU München; 06.09.2001)* Portlandkalksteinzement (CEM II/A-LL 32,5 R)

Abb. 10.1.2c Oberfläche der Rezeptur I c-d(Darstellung 1,25 : 1)

Rezeptur I c-d


Luftporengehalt [%]

W/Z-Wert


42,50

0,88

Abb. 10.1.2b Ermittlung von Frischbetoneigenschaften derRezeptur I c-d (MPA Bau/TUM; 06.09.2001)

Anhang


(06.09.2001)Rezeptur II a-b

175

Rezeptur II a-b

Zuschlagsstoffe



Wasser


Summe


m3

0,194

kg/dm3

3,1

0,270

0,280

0,40

1,00

0,023

0,77

1,20


berechnet


kg/m3

600

%

25

Betonageberechnet

Betonage

kg/25 l

15,00

kg/25 l

15,00

108

280

35

37

27 3

100

2,70

7,00

2,70

6,43

0,68 0,68


Anteil /Ges.-Masse

kg/m3

600

%

60

108

257

11

26

27 3

100

Abb. 10.1.3a Zusammensetzung der Rezeptur II a-b (MPA Bau/TU München; 06.09.2001)* Portlandkalksteinzement (CEM II/A-LL 32,5 R)

Abb. 10.1.3c Oberfläche der Rezeptur II a-b(Darstellung 1,25 : 1)

Rezeptur II a-b


Luftporengehalt [%]

W/Z-Wert


47,00

0,43

Abb. 10.1.3b Ermittlung von Frischbetoneigenschaften derRezeptur II a-b (MPA Bau/TUM; 06.09.2001)

Anhang

RezepturenBetonage 1(06.09.2001)Rezeptur II c-d

176

Rezeptur II c-d

Zuschlagsstoffe



Wasser


Summe


m3

0,194

kg/dm3

3,1

0,270

0,280

0,40

1,00

0,023

0,77

1,20


berechnet


kg/m3

600

%

25

Betonageberechnet

Betonage

kg/25 l

15,00

kg/25 l

15,00

108

280

35

37

27 3

100

2,70

7,00

2,70

6,60

0,68 0,68


Anteil /Ges.-Masse

kg/m3

600

%

60

108

264

11

26

27 3

100

Abb. 10.1.4a Zusammensetzung der Rezeptur II c-d (MPA Bau/TU München; 06.09.2001)* Portlandkalksteinzement (CEM II/A-LL 32,5 R)

Abb. 10.1.4c Oberfläche der Rezeptur II c-d(Darstellung 1,25 : 1)

Rezeptur II c-d


Luftporengehalt [%]

W/Z-Wert


46,50

0,44

Abb. 10.1.4b Ermittlung von Frischbetoneigenschaften derRezeptur II c-d (MPA Bau/TUM; 06.09.2001)

Anhang


(06.09.2001)Rezeptur III a-b

177

Rezeptur III a-b

Zuschlagsstoffe


Nadelholz “Fichte”

Wasser

Granulat GR 41

Summe


m3

0,132

kg/dm3

3,1

0,625

0,445

0,40

1,00

0,042

1,24

1,20


berechnet


kg/m3

410

%

11

Betonageberechnet

Betonage

kg/25 l

10,25

kg/25 l

10,25

250

445

50

36

50 3

100

6,25

11,13

6,25

10,24

1,25 1,25


Anteil /Ges.-Masse

kg/m3

410

%

37

250

410

22

37

50 4

100

Abb. 10.1.5a Zusammensetzung der Rezeptur III a-b (MPA Bau/TU München; 06.09.2001)* Portlandkalksteinzement (CEM II/A-LL 32,5 R)

Abb. 10.1.5c Oberfläche der Rezeptur III a-b(Darstellung 1,25 : 1)

Rezeptur III a-b


Luftporengehalt [%]

W/Z-Wert


43,50

1,00

Abb. 10.1.5b Ermittlung von Frischbetoneigenschaften derRezeptur III a-b (MPA Bau/TUM; 06.09.2001)

Anhang

RezepturenBetonage 1(06.09.2001)Rezeptur III c-d

178

Rezeptur III c-d

Zuschlagsstoffe



Wasser

Granulat GR 41

Summe


m3

0,132

kg/dm3

3,1

0,625

0,445

0,40

1,00

0,042

1,24

1,20


berechnet


kg/m3

410

%

11

Betonageberechnet

Betonage

kg/25 l

10,25

kg/25 l

10,25

250

445

50

36

50 3

100

6,25

11,13

6,25

10,24

1,25 1,25


Anteil /Ges.-Masse

kg/m3

410

%

37

250

410

22

37

50 4

100

Abb. 10.1.6a Zusammensetzung der Rezeptur III c-d (MPA Bau/TU München; 06.09.2001)* Portlandkalksteinzement (CEM II/A-LL 32,5 R)

Abb. 10.1.6c Oberfläche der Rezeptur III c-d(Darstellung 1,25 : 1)

Rezeptur III c-d


Luftporengehalt [%]

W/Z-Wert


42,50

1,00

Abb. 10.1.6b Ermittlung von Frischbetoneigenschaften derRezeptur III c-d (MPA Bau/TUM; 06.09.2001)

Anhang


(06.09.2001)MPA Kennwerte

RezepturenI a-b / III c-d

179

Rezeptur Gewicht Höhe*

Ia-b

[g]

3737

[mm]

147

Ic-d

IIa-b

IIc-d

IIIa-b

3651

1514

147

99

1513

3594

99

147

IIIc-d 3169 146

Länge* Breite*

[mm]

150

[mm]

150

Rohdichteρρρρ

BruchlastF

[g/cm3]

1,13

[kN]

80,50

150

100

150

100

100

150

100

150

1,10

1,53

105,60

206,60

1,53

1,09

194,70

105,90

150 150 0,96 58,60

Druckfestig-keit ββββW

[N/mm2]

3,60

4,80

20,90

19,70

4,80

2,70

Abb. 10.1.7 Kennwerte der untersuchten Mischungen der Betonage I; Druckfestigkeit an Prüfwürfeln; Herstellungstag, 06.09.2001, Prüfungstag, 04.10.2001* Prüfkörper verdichtet

Anhang

RezepturenBetonage 2(13./16.05.2002)Rezeptur I

180

Rezeptur I “30% GR 41”ρ ≈ 600 kg/m3

Zuschlagsstoffe

Portlandzement CEM I*

Nadelholz “Fichte” °

Wasser (75% von 445 kg/m3)

Granulat GR 41

Summe


m3

0,132

kg/dm3

3,1

0,438

0,334

0,40

1,00

0,096

1,00

1,20


berechnet

Granulat-Anteil /

Ges.-Masseberechnet

kg/m3

410

%

40

Betonageberechnet

Betonage

kg/100 l

41,00

kg/100 l

41,00

175

334

17

32

116 11

100

17,50

33,38

17,50

32,00

11,58

103

11,58

102


Granulat-Anteil /

Ges.-Masse

kg/m3

410

%

40

175

320

17

31

116

0,986

11

100

Rezeptur I “30% GR 41”ρ ≈ 600 kg/m3

Konsistenz (30 l Wasser) [cm]

Konsistenz KR (32 l Wasser) [cm]

Luftporengehalt [%]

W/Z-Wert


Wasseranteil (x/445) [%]

34,5

46

17

0,78

1,067

72

Abb. 10.2.1a Zusammensetzung der Rezeptur I (MPA Bau/TU München; 13.05.2002)* Portlandzement (CEM I 32,5 R) ° Holzfeuchtegehalt 117 %

Abb. 10.2.1b Ermittlung von Frischbetoneigenschaften der Rezeptur I (MPA Bau/TUM; 13.05.2002)

Abb. 10.2.1c Oberfläche der Rezeptur I (rauh)(Darstellung 1:1)

Anhang


(13./16.05.2002)MPA Kennwerte

Rezeptur I

181

Prüfkörper Gewicht Höhe/Bruchhöhe

I/1

[g]

15400

[mm]

150

I/2

I/3

Kleinster Einzelwert

Mittelwert:

15680

16680

150

150

Länge Breite

[mm]

700

[mm]

148

Rohdichteρρρρ

BruchlastF

[g/cm3]

0,99

[kN]

9,80

700

700

150

150

1,00

1,06

7,58

9,06

0,99

1,02

Biegezug-festigkeit ββββBZ

[N/mm2]

1,77

1,35

1,61

1,35

1,57

Abb. 10.2.1f Rezeptur I “30% GR 41”, ρ ≈ 600 kg/m3; Biegezugfestigkeit am Balken; Herstelltag: 13.05.2002, Prüftag: 10.06.2002, Prüfer: Numberger


I/1

[g]

5497

[mm]

299

I/2


Mittelwert:

5386 299

ø Prüfhöhe

[mm]

150

[mm]

301

Rohdichteρρρρ

BruchlastF

[g/cm3]

1,04

[kN]

72,90

150 301 1,02

1,02

70,20

1,03

Druckfestig-keit ββββZyl.

[N/mm2]

4,13

3,97

3,97

4,05

Abb. 10.2.1d Rezeptur I “30% GR 41”, ρ ≈ 600 kg/m3; Druckfestigkeit am Zylinder; Herstelltag: 13.05.2002, Prüftag: 10.06.2002, Prüfer: Hribar

Prüfkörper Gewicht Höhe

I/3

[g]

5453

[mm]

298

I/4

I/5


Mittelwert:

5500

5470

298

298

ø Rohdichteρρρρ

[mm]

150

[g/cm3]

1,04

Untere Prüf-spannung σσσσu

Obere Prüf-spannung σσσσo

[N/mm2]

0,50

[N/mm2]

1,40

150

150

1,04

1,04

1,04

1,04

0,50

0,50

1,40

1,40

E-ModulEβ

[N/mm2]

1600

1600

1600

1600

1600

Abb. 10.2.1e Rezeptur I “30% GR 41”, ρ ≈ 600 kg/m3; Statischer Elastizitätsmodul am Zylinder; Herstelltag: 13.05.2002, Prüftag: 10.06.2002, Prüfer: Hribar

Anhang

RezepturenBetonage 2(13./16.05.2002)Rezeptur II

182

Rezeptur II “35% GR 41”ρ ≈ 600 kg/m3

Zuschlagsstoffe




Granulat GR 41

Summe


m3

0,132

kg/dm3

3,1

0,406

0,334

0,40

1,00

0,128

1,00

1,20


berechnet

Granulat-Anteil /

Ges.-Masseberechnet

kg/m3

410

%

39

Betonageberechnet

Betonage

kg/100 l

41,00

kg/100 l

41,00

163

334

15

31

153 14

100

16,25

33,38

16,25

31,00

15,33

106

15,33

104


Granulat-Anteil /

Ges.-Masse

kg/m3

410

%

40

163

310

16

30

153

0,976

15

100

Rezeptur II “35% GR 41”ρ ≈ 600 kg/m3


Luftporengehalt [%]

W/Z-Wert



44,50

20

0,76

1,118

70

Abb. 10.2.2a Zusammensetzung der Rezeptur II (MPA Bau/TU München; 13.05.2002)* Portlandzement (CEM I 32,5 R) ° Holzfeuchtegehalt 117 %

Abb. 10.2.2b Ermittlung von Frischbetoneigenschaften der Rezeptur II (MPA Bau/TUM; 13.05.2002)

Abb. 10.2.2c Oberfläche der Rezeptur II (rauh)(Darstellung 1:1)

Anhang



Rezeptur II

183


II/1

[g]

5703

[mm]

300

II/2


Mittelwert:

5874 299

ø Prüfhöhe

[mm]

150

[mm]

301

Rohdichteρρρρ

BruchlastF

[g/cm3]

1,08

[kN]

90,80

150 301 1,11

1,08

79,70

1,09


[N/mm2]

5,14

4,51

4,51

4,82

Abb. 10.2.2d Rezeptur II “35% GR 41”, ρ ≈ 600 kg/m3; Druckfestigkeit am Zylinder; Herstelltag: 13.05.2002, Prüftag: 10.06.2002, Prüfer: Hribar


II/3

[g]

5599

[mm]

300

II/4

II/5


Mittelwert:

5829

5749

300

300


[mm]

150

[g/cm3]

1,06



[N/mm2]

0,50

[N/mm2]

1,60

150

150

1,10

1,08

1,04

1,04

0,50

0,50

1,60

1,60

E-ModulEβ

[N/mm2]

2000

1900

1900

1900

1933

Abb. 10.2.2e Rezeptur II “35% GR 41”, ρ ≈ 600 kg/m3; Statischer Elastizitätsmodul am Zylinder; Herstelltag: 13.05.2002, Prüftag: 10.06.2002, Prüfer: Hribar


II/1

[g]

16920

[mm]

150

II/2

II/3


Mittelwert:

17330

16140

150

150

Länge Breite

[mm]

701

[mm]

150

Rohdichteρρρρ

BruchlastF

[g/cm3]

1,07

[kN]

10,45

701

700

150

150

1,10

1,02

10,66

9,49

1,02

1,07


[N/mm2]

1,86

1,90

1,69

1,69

1,81

Abb. 10.2.2f Rezeptur II “35% GR 41”, ρ ≈ 600 kg/m3; Biegezugfestigkeit am Balken; Herstelltag: 13.05.2002, Prüftag: 10.06.2002, Prüfer: Numberger

Anhang

RezepturenBetonage 2(13./16.05.2002)Rezeptur III

184

Rezeptur III“40% GR 41ρ ≈ 600 kg/m3

Zuschlagsstoffe




Granulat GR 41

Summe


m3

0,132

kg/dm3

3,1

0,375

0,334

0,40

1,00

0,159

1,00

1,20


berechnet

Granulat-Anteil /

Ges.-Masseberechnet

kg/m3

410

%

38

Betonageberechnet

Betonage

kg/150 l

61,50

kg/150 l

61,50

150

334

14

31

191 18

100

22,50

50,06

22,50

49,00

28,62

163

28,62

162


Granulat-Anteil /

Ges.-Masse

kg/m3

410

%

38

150

327

14

30

191

0,993

18

100





Luftporengehalt [%]

W/Z-Wert


31,00

41,00

45,00

17

0,80

1,079

Wasseranteil (x/445) [%] 73

Abb. 10.2.3a Zusammensetzung der Rezeptur III (MPA Bau/TU München; 13.05.2002)* Portlandzement (CEM I 32,5 R) ° Holzfeuchtegehalt 117 %

Abb. 10.2.3b Ermittlung von Frischbetoneigenschaften der Rezeptur III (MPA Bau/TUM; 13.05.2002)

Abb. 10.2.3c Oberfläche der Rezeptur III (rauh)(Darstellung 1:1)

Anhang



Rezeptur III

185


III/1

[g]

5585

[mm]

300

III/2


Mittelwert:

5454 299

ø Prüfhöhe

[mm]

150

[mm]

301

Rohdichteρρρρ

BruchlastF

[g/cm3]

1,05

[kN]

79,90

150 301 1,03

1,03

84,00

1,04


[N/mm2]

4,52

4,75

4,52

4,64

Abb. 10.2.3d Rezeptur III “40% GR 41”, ρ ≈ 600 kg/m3; Druckfestigkeit am Zylinder; Herstelltag: 13.05.2002, Prüftag: 10.06.2002, Prüfer: Hribar


III/3

[g]

5620

[mm]

300

III/4

III/5


Mittelwert:

5591

5542

300

299


[mm]

150

[g/cm3]

1,06



[N/mm2]

0,50

[N/mm2]

1,60

150

150

1,05

1,05

1,05

1,05

0,50

0,50

1,60

1,60

E-ModulEβ

[N/mm2]

1900

1800

1800

1800

1833

Abb. 10.2.3e Rezeptur III “40% GR 41”, ρ ≈ 600 kg/m3; Statischer Elastizitätsmodul am Zylinder; Herstelltag: 13.05.2002, Prüftag: 10.06.2002, Prüfer: Hribar


III/1

[g]

16090

[mm]

150

III/2

III/3

III/4

III/5

15960

16000

150

150

15860

15750

150

150


Mittelwert:

Länge Breite

[mm]

700

[mm]

149

Rohdichteρρρρ

BruchlastF

[g/cm3]

1,03

[kN]

9,26

700

700

148

148

700

700

148

148

1,03

1,03

8,69

9,26

1,02

1,01

8,95

8,33

1,01

1,02


[N/mm2]

1,66

1,57

1,67

1,61

1,50

1,50

1,60

Abb. 10.2.3f Rezeptur III “40% GR 41”, ρ ≈ 600 kg/m3; Biegezugfestigkeit am Balken; Herstelltag: 13.05.2002, Prüftag: 10.06.2002, Prüfer: Numberger

Anhang

RezepturenBetonage 2(13./16.05.2002)Rezeptur IV

186

Rezeptur IV“45% GR 41ρ ≈ 600 kg/m3

Zuschlagsstoffe




Granulat GR 41

Summe


m3

0,132

kg/dm3

3,1

0,344

0,334

0,40

1,00

0,190

1,00

1,20


berechnet

Granulat-Anteil /

Ges.-Masseberechnet

kg/m3

410

%

37

Betonageberechnet

Betonage

kg/100 l

41,00

kg/100 l

41,00

138

334

12

30

228 21

100

13,75

33,38

13,75

35,80

22,83

111

22,83

113


Granulat-Anteil /

Ges.-Masse

kg/m3

410

%

36

138

358

12

32

228

1,024

20

100

Rezeptur IV“45% GR 41ρ ≈ 600 kg/m3


Konsistenz KR (35,8 l Wasser) [cm]

Luftporengehalt [%]

W/Z-Wert



40,50

46,00

18

0,87

1,153

80

Abb. 10.2.4a Zusammensetzung der Rezeptur IV (MPA Bau/TU München; 16.05.2002)* Portlandzement (CEM I 32,5 R) ° Holzfeuchtegehalt 117 %

Abb. 10.2.4b Ermittlung von Frischbetoneigenschaften der Rezeptur IV (MPA Bau/TUM; 16.05.2002)

Abb. 10.2.4c Oberfläche der Rezeptur IV (rauh)(Darstellung 1:1)

Anhang



Rezeptur IV

187


IV/1

[g]

5462

[mm]

298

IV/2


Mittelwert:

5672 298

ø Prüfhöhe

[mm]

150

[mm]

300

Rohdichteρρρρ

BruchlastF

[g/cm3]

1,04

[kN]

86,00

150 300 1,08

1,04

87,20

1,06


[N/mm2]

4,87

4,93

4,87

4,90

Abb. 10.2.4d Rezeptur IV “45% GR 41”, ρ ≈ 600 kg/m3; Druckfestigkeit am Zylinder; Herstelltag: 16.05.2002, Prüftag: 13.06.2002, Prüfer: Hribar


IV/3

[g]

5677

[mm]

298

IV/4

IV/5


Mittelwert:

5669

5696

298

298


[mm]

150

[g/cm3]

1,08



[N/mm2]

0,50

[N/mm2]

1,60

150

150

1,08

1,08

1,08

1,08

0,50

0,50

1,60

1,60

E-ModulEβ

[N/mm2]

1700

1700

2000

1700

1800

Abb. 10.2.4e Rezeptur IV “45% GR 41”, ρ ≈ 600 kg/m3; Statischer Elastizitätsmodul am Zylinder; Herstelltag: 16.05.2002, Prüftag: 13.06.2002, Prüfer: Hribar


IV/1

[g]

17020

[mm]

150

IV/2

IV/3


Mittelwert:

16680

16600

150

150

Länge Breite

[mm]

700

[mm]

151

Rohdichteρρρρ

BruchlastF

[g/cm3]

1,07

[kN]

8,92

700

700

149

149

1,07

1,06

8,51

9,76

1,06

1,07


[N/mm2]

1,58

1,52

1,75

1,52

1,62

Abb. 10.2.4f Rezeptur IV “45% GR 41”, ρ ≈ 600 kg/m3; Biegezugfestigkeit am Balken; Herstelltag: 16.05.2002, Prüftag: 13.06.2002, Prüfer: Numberger

Anhang

RezepturenBetonage 2(13./16.05.2002)Rezeptur V

188

Rezeptur V“50% GR 41ρ ≈ 600 kg/m3

Zuschlagsstoffe

Portlandzement CEM II



Granulat GR 41

Summe


m3

0,132

kg/dm3

3,1

0,313

0,334

0,40

1,00

0,221

1,00

1,20


berechnet

Granulat-Anteil /

Ges.-Masseberechnet

kg/m3

410

%

36

Betonageberechnet

Betonage

kg/150 l

61,50

kg/150 l

61,50

125

334

11

29

266 23

100

18,75

50,06

18,75

52,50

39,87

170

39,87

173


Granulat-Anteil /

Ges.-Masse

kg/m3

410

%

36

125

350

11

30

266

1,016

23

100


Konsistenz KR (52,5 l Wasser) [cm]

Luftporengehalt [%]

W/Z-Wert



44,00

13

0,85

1,268

79


Zuschlagsstoffe




Granulat GR 41

Summe


m3

0,132

kg/dm3

3,1

0,313

0,334

0,40

1,00

0,221

1,00

1,20


berechnet

Granulat-Anteil /

Ges.-Masseberechnet

kg/m3

410

%

36

Betonageberechnet

Betonage

kg/150 l

61,50

kg/150 l

61,50

125

334

11

29

266 23

100

18,75

50,06

18,75

52,50

39,87

170

39,87

173


Granulat-Anteil /

Ges.-Masse

kg/m3

410

%

36

125

350

11

30

266

1,016

23

100

Abb. 10.2.5a Zusammensetzung der Rezeptur V (MPA Bau/TU München; 16.05.2002)* Portlandzement (CEM I 32,5 R) ° Holzfeuchtegehalt 117 %

Abb. 10.2.5b Ermittlung von Frischbetoneigenschaften der Rezeptur V (MPA Bau/TUM; 16.05.2002)

Abb. 10.2.5c Oberfläche der Rezeptur V (rauh)(Darstellung 1:1)

Anhang



Rezeptur V

189


V/1

[g]

18520

[mm]

150

V/2

V/3

V/4

V/5

18660

18300

150

150

19070

18980

151

149


Mittelwert:

Länge Breite

[mm]

700

[mm]

150

Rohdichteρρρρ

BruchlastF

[g/cm3]

1,18

[kN]

10,94

700

700

151

149

700

700

150

151

1,18

1,17

11,83

11,38

1,20

1,21

11,27

10,99

1,17

1,19


[N/mm2]

1,94

2,09

2,04

1,98

1,97

1,94

2,00

Abb. 10.2.5f Rezeptur V “50% GR 41”, ρ ≈ 600 kg/m3; Biegezugfestigkeit am Balken; Herstelltag: 16.05.2002, Prüftag: 13.06.2002, Prüfer: Numberger

Abb. 10.2.5e Rezeptur V “50% GR 41”, ρ ≈ 600 kg/m3; Statischer Elastizitätsmodul am Zylinder; Herstelltag: 16.05.2002, Prüftag: 13.06.2002, Prüfer: Hribar


V/1

[g]

6145

[mm]

300

V/2


Mittelwert:

6069 299

ø Prüfhöhe

[mm]

150

[mm]

301

Rohdichteρρρρ

BruchlastF

[g/cm3]

1,16

[kN]

109,60

150 300 1,15

1,15

108,40

1,16


[N/mm2]

6,20

6,13

6,13

6,17

Abb. 10.2.5d Rezeptur V “50% GR 41”, ρ ≈ 600 kg/m3; Druckfestigkeit am Zylinder; Herstelltag: 16.05.2002, Prüftag: 13.06.2002, Prüfer: Hribar


V/3

[g]

6201

[mm]

300

V/4

V/5


Mittelwert:

6068

6145

299

300


[mm]

150

[g/cm3]

1,17



[N/mm2]

0,50

[N/mm2]

2,10

150

150

1,15

1,16

1,15

1,16

0,50

0,50

2,10

2,10

E-ModulEβ

[N/mm2]

2100

2200

2300

2100

2200

Anhang

RezepturenBetonage 2(13./16.05.2002)Rezeptur VI

190

Rezeptur VI“5% GR 41”ρ ≈ 1250 kg/m3

Zuschlagsstoffe




Granulat GR 41

Summe


m3

0,194

kg/dm3

3,1

0,321

0,210

0,40

1,00

0,276

1,00

1,20


berechnet

Granulat-Anteil /

Ges.-Masseberechnet

kg/m3

600

%

47

Betonageberechnet

Betonage

150 l

90,00

150 l

90,00

128

210

10

17

331 26

100

19,24

31,50

18,23

46,00

49,65

190

49,65

204


Granulat-Anteil /

Ges.-Masse

kg/m3

600

%

44

122

307

9

23

331

1,080

24

100







Luftporengehalt [%]

k. Abm.

k. Abm.

k. Abm.

37,50

42,50

13

W/Z-Wert



0,51

1,334

110

Abb. 10.2.6a Zusammensetzung der Rezeptur VI (MPA Bau/TU München; 13.05.2002)* Portlandzement (CEM I 32,5 R) ° Holzfeuchtegehalt 117 %

Abb. 10.2.6b Ermittlung von Frischbetoneigenschaften der Rezeptur VI (MPA Bau/TUM; 13.05.2002)

Abb. 10.2.6c Oberfläche der Rezeptur VI (rauh)(Darstellung 1:1)

Anhang



Rezeptur VI

191


VI/1

[g]

6875

[mm]

299

VI/2


Mittelwert:

6817 299

ø Prüfhöhe

[mm]

150

[mm]

301

Rohdichteρρρρ

BruchlastF

[g/cm3]

1,30

[kN]

210,30

150 300 1,29

1,29

222,40

1,30


[N/mm2]

11,90

12,59

11,90

12,24

Abb. 10.2.6d Rezeptur VI “5% GR 41” ρ ≈ 1250 kg/m3; Druckfestigkeit am Zylinder; Herstelltag: 13.05.2002, Prüftag: 10.06.2002, Prüfer: Hribar


VI/3

[g]

6840

[mm]

300

VI/4

VI/5


Mittelwert:

6868

6844

299

298


[mm]

150

[g/cm3]

1,29



[N/mm2]

0,50

[N/mm2]

4,10

150

150

1,30

1,30

1,29

1,30

0,50

0,50

4,10

4,10

E-ModulEβ

[N/mm2]

3500

3500

3600

3500

3533

Abb. 10.2.6e Rezeptur VI “5% GR 41” ρ ≈ 1250 kg/m3; Statischer Elastizitätsmodul am Zylinder; Herstelltag: 13.05.2002, Prüftag: 10.06.2002, Prüfer: Hribar


VI/1

[g]

20890

[mm]

150

VI/2

VI/3

VI/4


21000

20960

151

150

20900 151

Mittelwert:

Länge Breite

[mm]

700

[mm]

151

Rohdichteρρρρ

BruchlastF

[g/cm3]

1,32

[kN]

15,51

700

700

151

151

700 150

1,32

1,32

12,96*

14,44

1,32

1,32

14,19

1,32


[N/mm2]

2,74

2,26

2,55

2,49

2,26

2,51

Abb. 10.2.6f Rezeptur VI “5% GR 41” ρ ≈ 1250 kg/m3; Biegezugfestigkeit am Balken; Herstelltag: 13.05.2002, Prüftag: 10.06.2002, Prüfer: Numberger

Anhang

RezepturenBetonage 2(13./16.05.2002)Rezeptur VII

192

Rezeptur VII “20% GR 54”ρ ≈ 1250 kg/m3

Zuschlagsstoffe




Granulat GR 41

Summe


m3

0,194

kg/dm3

3,1

0,270

0,210

0,40

1,00

0,326

1,00

1,20


berechnet

Granulat-Anteil /

Ges.-Masseberechnet

kg/m3

600

%

46

Betonageberechnet

Betonage

kg/100 l

60,00

kg/100 l

60,00

108

210

8

16

392 30

100

10,80

21,00

10,80

37,00

39,17

131

39,17

147


Granulat-Anteil /

Ges.-Masse

kg/m3

600

%

41

108

370

7

25

392

1,160

27

100

Rezeptur VII “20% GR 54”ρ ≈ 1250 kg/m3






Luftporengehalt [%]

k. Abm.

k. Abm.

k. Abm.

40,00

43,00

10

W/Z-Wert



0,62

1,391

132

Abb. 10.2.7a Zusammensetzung der Rezeptur VII (MPA Bau/TU München; 16.05.2002)* Portlandzement (CEM I 32,5 R) ° Holzfeuchtegehalt 117 %

Abb. 10.2.7b Ermittlung von Frischbetoneigenschaften der Rezeptur VII (MPA Bau/TUM; 16.05.2002)

Abb. 10.2.7c Oberfläche der Rezeptur VII (rauh)(Darstellung 1:1)

Anhang



Rezeptur VII

193


VII/1

[g]

7131

[mm]

301

VII/2


Mittelwert:

7128 302

ø Prüfhöhe

[mm]

150

[mm]

302

Rohdichteρρρρ

BruchlastF

[g/cm3]

1,34

[kN]

206,60

150 303 1,34

1,34

203,80

1,34


[N/mm2]

11,69

11,53

11,53

11,61

Abb. 10.2.7d Rezeptur VII “20% GR 54” ρ ≈ 600 kg/m3; Druckfestigkeit am Zylinder; Herstelltag: 16.05.2002, Prüftag: 13.06.2002, Prüfer: Hribar


VII/3

[g]

7112

[mm]

300

VII/4

VII/5


Mittelwert:

7140

7142

299

298


[mm]

150

[g/cm3]

1,34



[N/mm2]

0,50

[N/mm2]

3,90

150

150

1,35

1,36

1,34

1,35

0,50

0,50

3,90

3,90

E-ModulEβ

[N/mm2]

3200

3500

3500

3200

3400

Abb. 10.2.7e Rezeptur VII “20% GR 54” ρ ≈ 600 kg/m3; Statischer Elastizitätsmodul am Zylinder; Herstelltag: 16.05.2002, Prüftag: 13.06.2002, Prüfer: Hribar


VII/1

[g]

21480

[mm]

150

VII/2

VII/3


Mittelwert:

21270

21350

150

150

Länge Breite

[mm]

700

[mm]

151

Rohdichteρρρρ

BruchlastF

[g/cm3]

1,35

[kN]

12,22

700

700

150

150

1,35

1,36

12,20

13,11

1,35

1,35


[N/mm2]

2,16

2,26

2,33

2,16

2,25

Abb. 10.2.7f Rezeptur VII “20% GR 54” ρ ≈ 1250 kg/m3; Biegezugfestigkeit am Balken; Herstelltag: 16.05.2002, Prüftag: 13.06.2002, Prüfer: Numberger

Anhang

RezepturenBetonage 2(13./16.05.2002)Rezeptur VIII

194

Rezeptur VIII “30% GR 54”ρ ≈ 1250 kg/m3

Zuschlagsstoffe




Granulat GR 54

Summe


m3

0,194

kg/dm3

3,1

0,236

0,210

0,40

1,00

0,360

1,00

1,20


berechnet

Granulat-Anteil /

Ges.-Masseberechnet

kg/m3

600

%

45

Betonageberechnet

Betonage

kg/100 l

60,00

kg/100 l

60,00

95

210

7

16

432 32

100

9,45

21,00

9,45

36,00

43,22

134

43,22

149


Granulat-Anteil /

Ges.-Masse

kg/m3

600

%

40

95

360

6

24

432

1,150

29

100

Rezeptur VIII “30% GR 54”ρ ≈ 1250 kg/m3


Luftporengehalt [%]

W/Z-Wert



45,00

5,6

0,60

1,488

129

Abb. 10.2.8a Zusammensetzung der Rezeptur VIII (MPA Bau/TU München; 16.05.2002)* Portlandzement (CEM I 32,5 R) ° Holzfeuchtegehalt 117 %

Abb. 10.2.8b Ermittlung von Frischbetoneigenschaften der Rezeptur VIII (MPA Bau/TUM; 16.05.2002)

Abb. 10.2.8c Oberfläche der Rezeptur VIII (rauh)(Darstellung 1:1)

Anhang



Rezeptur VIII

195


VIII/1

[g]

7550

[mm]

301

VIII/2


Mittelwert:

7501 301

ø Prüfhöhe

[mm]

150

[mm]

302

Rohdichteρρρρ

BruchlastF

[g/cm3]

1,42

[kN]

294,90

150 302 1,41

1,41

294,10

1,42


[N/mm2]

16,69

16,64

16,64

16,67

Abb. 10.2.8d Rezeptur VIII “30% GR 41” ρ ≈ 600 kg/m3; Druckfestigkeit am Zylinder; Herstelltag: 16.05.2002, Prüftag: 13.06.2002, Prüfer: Hribar


VIII / 3

[g]

7452

[mm]

300

VIII / 4

VIII / 5


Mittelwert:

7481

7429

301

300


[mm]

150

[g/cm3]

1,41



[N/mm2]

0,50

[N/mm2]

5,60

150

150

1,41

1,40

1,40

1,40

0,50

0,50

5,60

5,60

E-ModulEβ

[N/mm2]

4400

4400

4500

4400

4433

Abb. 10.2.8e Rezeptur VIII “30% GR 41” ρ ≈ 600 kg/m3; Statischer Elastizitätsmodul am Zylinder; Herstelltag: 16.05.2002, Prüftag: 13.06.2002, Prüfer: Hribar


VIII /1

[g]

22630

[mm]

150

VIII /2

VIII /3


Mittelwert:

22540

22720

150

150

Länge Breite

[mm]

700

[mm]

150

Rohdichteρρρρ

BruchlastF

[g/cm3]

1,44

[kN]

10,63

700

700

150

150

1,43

1,44

11,23

10,44

1,43

1,44


[N/mm2]

1,89

2,26

1,86

1,86

2,00

Abb. 10.2.8f Rezeptur VIII “30% GR 41” ρ ≈ 1250 kg/m3; Biegezugfestigkeit am Balken; Herstelltag: 16.05.2002, Prüftag: 13.06.2002, Prüfer: Numberger

Anhang

RezepturenBetonage 3(10.01.2003)Rezeptur III

196


Zuschlagsstoffe


(Nadel-)Holz “Fichte”°


Granulat GR 41

Summe


m3

0,132

kg/dm3

3,1

0,375

0,334

0,40

1,00

0,159

1,00

1,20


berechnet

Granulat-Anteil /

Ges.-Masseberechnet

kg/m3

410

%

38

Betonageberechnet

Betonage

kg/≈54 l

22,11

kg/≈54 l

22,11

150

334

14

31

191 18

100

8,09

18,00

8,09

31,92

10,29 10,29


Anteil /Ges.-Masse

kg/m3

410

%

31

150

592

11

44

191 14

100

Abb. 10.3.1a Zusammensetzung der Rezeptur III (MPA Bau/TU München; 16.05.2002)* Portlandzement (CEM I 32,5 R) ° Holzfeuchtegehalt zwischen 9,73 % und 9,86 %




Konsistenz (31,92 l Wasser) [cm]*

Luftporengehalt [%]

W/Z-Wert


k. Abm.

34,00

39,00

1,44


Abb. 10.3.1b Ermittlung von Frischbetoneigenschaften derRezeptur III (MPA Bau/TUM; 10.01.2003)* Auf Regelkonsistenz wird verzichtet, da derFrischbeton bereits nach Augenschein und inAbstimmung mit den Betonprüfern eine guteVerarbeitbarkeit aufweist

Abb. 10.3.1c Oberfläche der Rezeptur III (glatt)(Darstellung 1:1)

Anhang


(10.01.2003)Rezeptur IIIFarbmuster

“Gelb, # 420”

197


Zuschlagsstoffe


(Nadel-)Holz “Fichte”


Granulat GR 41


m3

0,132

kg/dm3

3,1

0,375

0,334

0,40

1,00

0,159 1,20


berechnet

Granulat-Anteil /

Ges.-Masseberechnet

kg/m3

410

%

38

Betonage Rest-Betonagefür Farb-muster

kg/≈54 l

22,11

150

334

14

31

191 18

8,09

31,92

10,29

Farbpigment ≈ 2 %#



Summe 1,00 100

Σ = 39,0

Σ = 28,3

Σ = 16,8

Farb-Zuschlag

flüssig

Granulat-Anteil /

Ges.-Masse

kg %

31

11

44

14

1,56

1,70

1,01

Abb. 10.3.2a Zusammensetzung der Rezeptur III; * Portlandzement (CEM I 32,5 R); ° Holzfeuchtegehalt zwischen 9,73 % und 9,86 %# Multiplikator Flüssigfarbe (“Gelb, # 420”) = 2 (bezogen auf die Gesamt-Restmasse)

Abb. 10.3.2b Oberfläche der Rezeptur III Farbmuster “Gelb, # 420” (≈ 2 %)(Darstellung 1,25 : 1)

Abb. 10.3.2c Oberfläche der Rezeptur III Farbmuster “Gelb, # 420” (≈ 5 %)(Darstellung 1,25 : 1)

Abb. 10.3.2d Oberfläche der Rezeptur III Farbmuster “Gelb, # 420” (≈ 8 %)(Darstellung 1,25 : 1)

Anhang

RezepturenBetonage 3(10.01.2003)Rezeptur VI

198


Zuschlagsstoffe




Granulat GR 41

Summe


m3

0,194

kg/dm3

3,1

0,321

0,210

0,40

1,00

0,276

1,00

1,20


berechnet

Granulat-Anteil /

Ges.-Masseberechnet

kg/m3

600

%

47

Betonageberechnet

Betonage

kg/≈54 l

32,35

kg/≈54 l

32,35

128

210

10

17

331 26

100

6,92

11,32

6,92

29,32

17,85 17,85


Anteil /Ges.-Masse

kg/m3

600

%

37

128

544

8

34

331 21

Abb. 10.3.3a Zusammensetzung der Rezeptur VI (MPA Bau/TU München; 16.05.2002)* Portlandzement (CEM I 32,5 R) ° Holzfeuchtegehalt zwischen 9,73 % und 9,86 %



Luftporengehalt [%]

W/Z-Wert



40,00

0,91

Abb. 10.3.3b Ermittlung von Frischbetoneigenschaften derRezeptur VI (MPA Bau/TUM; 10.01.2003)* Auf Regelkonsistenz wird verzichtet, da derFrischbeton bereits nach Augenschein und inAbstimmung mit den Betonprüfern eine guteVerarbeitbarkeit aufweist

Abb. 10.3.3c Oberfläche der Rezeptur VI (glatt)(Darstellung 1:1)

Anhang


(10.01.2003)Rezeptur VIFarbmuster“Rot, # 110”

199


Zuschlagsstoffe


(Nadel-)Holz “Fichte”


Granulat GR 41


m3

0,194

kg/dm3

3,1

0,321

0,210

0,40

1,00

0,276 1,20


berechnet

Granulat-Anteil /

Ges.-Masseberechnet

kg/m3

600

%

47

Betonage Rest-Betonagefür Farb-muster

kg/≈54 l

32,35

128

210

10

17

331 26

6,92

29,32

17,85




Summe 1,00 100

Σ = 44,0

Σ = 33,65

Σ = 21,7

Farb-Zuschlag

flüssig

Granulat-Anteil /

Ges.-Masse

kg %

37

8

34

21

1,47

1,69

1,09

Abb. 10.3.4a Zusammensetzung der Rezeptur VI; * Portlandzement (CEM I 32,5 R); ° Holzfeuchtegehalt zwischen 9,73 % und 9,86 %# Multiplikator Flüssigfarbe (“Rot, # 110”) = 1,67(bezogen auf die Gesamt-Restmasse)

Abb. 10.3.4b Oberfläche der Rezeptur VIFarbmuster “Rot, # 110” (≈ 2 %)(Darstellung 1,25 : 1)

Abb. 10.3.4d Oberfläche der Rezeptur VIFarbmuster “Rot, # 110” (≈ 8 %)(Darstellung 1,25 : 1)

Abb. 10.3.4c Oberfläche der Rezeptur VIFarbmuster “Rot, # 110” (≈ 5 %)(Darstellung 1,25 : 1)

Anhang

RezepturenBetonage 4(03.07.2003)Mischung 1Strukturschalung‘Welle’/Reckli #2/94

200

Mischung 1(Ausgangs-Rezepturρ ≈ 600 kg/m3)

Zuschlagsstoffe



Wasser

Summe


m3

0,132

kg/dm3

3,10

0,375

0,445

0,40

1,00

0,95


berechnet

Granulat-Anteil /

Ges.-Masseberechnet

kg/m3

410

%

41

Betonageberechnet

Betonage

kg/24,7 l

10,14

kg/24,7 l

10,14

150

445

15

44

100

3,71

11,00

3,71

11,52


Granulat-Anteil /

Ges.-Masse

kg/m3

410

%

40

150

466

15

45

100

Abb. 10.4.1a Zusammensetzung der Mischung 1 (MPA Bau/TU München; 03.07.2003)* Portlandzement (CEM I 32,5 R) ° Holzfeuchtegehalt 7,53 %

Mischung 1(Ausgangs-Rezepturρ ≈ 600 kg/m3)



Luftporengehalt [%]

W/Z-Wert



34,00

43,00

23

1,14

1307

105

Abb. 10.4.1b Ermittlung von Frischbetoneigenschaften derMischung 1 (MPA Bau/TUM; 03.07.2003)

Abb. 10.4.1c Oberfläche der Mischung 1‘Welle’/Reckli #2/94 (Verkleinerung,Platte 60 x 60 cm)

Anhang


(03.07.2003)Mischung 2

StrukturschalungAbsorber

201

Abb. 10.4.2a Zusammensetzung der Mischung 2 (MPA Bau/TU München; 03.07.2003)* Portlandzement (CEM I 32,5 R) ° Holzfeuchtegehalt 7,53 %

Abb. 10.4.2b Ermittlung von Frischbetoneigenschaften der Mischung 2 (MPA Bau/TUM; 03.07.2003)* Bis zu den Festteilen** einschließlich der Wasserränder

Mischung 2(Rezeptur III “40% GR 41”ρ ≈ 600 kg/m3)

Zuschlagsstoffe




Granulat GR 41 (1–3 mm)

Summe


m3

0,132

kg/dm3

3,10

0,375

0,334

0,40

1,00

0,159

1,00

1,20


berechnet

Granulat-Anteil /

Ges.-Masseberechnet

kg/m3

410

%

38

Betonageberechnet

Betonage

kg/21,6 l

8,86

kg/21,6 l

8,86

150

334

14

31

191 18

100

3,24

7,21

3,24

15,21

4,12 4,12


Granulat-Anteil /

Ges.-Masse

kg/m3

410

%

28

150

704

10

48

191 13

100

Mischung 2(Rezeptur III “40% GR 41”ρ ≈ 600 kg/m3)


Konsistenz (15,21 l Wasser) [cm]**

Luftporengehalt [%]

W/Z-Wert



45,00

49,00

1,72

211


Abb. 10.4.2c Oberfläche der Mischung 2Absorber (Verkleinerung, Platte 60 x 60 cm)

Anhang

RezepturenBetonage 4(03.07.2003)Mischung 3Strukturschalung‘Rippe’/Reckli #1/34

202

Abb. 10.4.3a Zusammensetzung der Mischung 3 (MPA Bau/TU München; 03.07.2003); * Portlandzement (CEM I 32,5 R) ° Holzfeuchtegehalt 7,53 %; # Multiplikator Flüssigfarbe (“Rot, # 110”) = 1,67 (bezogen auf den Zement-Masseanteil)

Abb. 10.4.3b Ermittlung von Frischbetoneigenschaften derMischung 3 (MPA Bau/TUM; 03.07.2003)

Mischung 3(Rezeptur VI “5% GR 41”ρ ≈ 1250 kg/m3)

Zuschlagsstoffe




Granulat GR 54 (0,2–0,6 mm)


m3

0,194

kg/dm3

3,10

0,321

0,210

0,40

1,00

0,276 1,20


berechnet

Granulat-Anteil /

Ges.-Masseberechnet

kg/m3

600

%

47

Betonageberechnet

Betonage

kg/21,6 l

12,96

kg/21,6 l

12,96

128

210

10

17

331 26

2,77

4,54

2,77

14,06

7,15 7,15


Summe 1,00 100

1,08 1,08


Granulat-Anteil /

Ges.-Masse

kg/m3

600

%

35

128

651

7

38

331 19

100

Mischung 3(Rezeptur VI “5% GR 41”ρ ≈ 1250 kg/m3)


Luftporengehalt [%]

W/Z-Wert




44,00

1,08

310

232

Abb. 10.4.3c Oberfläche der Mischung 3‘Rippe’/Reckli #1/34 (Verkleinerung,Platte 60 x 60 cm)

Anhang


(16.07.2003)Mischung 1

Fließmittel (FM)Strukturschalung

‘Welle’/Reckli #2/94

203

Abb. 10.5.1a Zusammensetzung der Mischung 1 (FM) (MPA Bau/TU München; 16.07.2003)* Portlandzement (CEM I 32,5 R); ° Holzfeuchtegehalt 7,53 % (vgl. Betonage 4; wurde nicht mehr erneut ermittelt)

Abb. 10.5.1b Ermittlung von Frischbetoneigenschaften der Mischung 1 (FM) (MPA Bau/TUM;03.07.2003)

Mischung 1 (FM)(Ausgangs-Rezepturρ ≈ 600 kg/m3)

Zuschlagsstoffe



Wasser

Fließmittel (1 %)


m3

0,132

kg/dm3

3,10

0,375

0,445

0,40

1,00


berechnet

Granulat-Anteil /

Ges.-Masseberechnet

kg/m3

410

%

41

Betonageberechnet

Betonage

kg/24,7 l

10,14

kg/24,7 l

10,14

150

445

15

44

3,71

11,00

3,71

11,00

0,101

Fließmittel (2 %)

Fließmittel (3 %)

Summe 0,95 100

0,203

0,304


Granulat-Anteil /

Ges.-Masse

kg/m3

410

%

41

150

445

15

44


Konsistenz (11,00 l W./1% FM) [cm]


Luftporengehalt [%]

W/Z-Wert

Frischbeton ρ [kg/dm3] (1% FM)


31,00

–

1,09

900

100

Anhang

RezepturenBetonage 5(16.07.2003)Mischung 2 Fließmittel (FM)Strukturschalung‘Welle’/Reckli #2/94

204

Abb. 10.5.2a Zusammensetzung der Mischung 2 (FM) (MPA Bau/TU München; 16.07.2003)* Portlandzement (CEM I 32,5 R); ° Holzfeuchtegehalt 7,53 % (vgl. Betonage 4; wurde nicht mehr erneut ermittelt)

Abb. 10.5.2b Ermittlung von Frischbetoneigenschaften der Mischung 2 (FM) (MPA Bau/TUM;03.07.2003)* Frischbeton ‘geschockt’° Frischbeton eingerüttelt

Abb. 10.5.2c Oberfläche der Mischung 2 (FM)(Darstellung 1:1)


Zuschlagsstoffe



Wasser

Fließmittel (1 %)


m3

0,132

kg/dm3

3,10

0,375

0,445

0,40

1,00


berechnet

Granulat-Anteil /

Ges.-Masseberechnet

kg/m3

410

%

41

Betonageberechnet

Betonage

kg/24,7 l

10,14

kg/24,7 l

10,14

150

445

15

44

3,71

11,00

3,71

12,00

0,101

Summe 0,95 100


Granulat-Anteil /

Ges.-Masse

kg/m3

410

%

39

150

485

14

46




Luftporengehalt [%]

W/Z-Wert

Frischbeton* ρ [kg/dm3] (1% FM)

Frischbeton° ρ [kg/dm3] (1% FM)

32,00

46,00

30

1,18

784

982


Anhang


(16.07.2003)MPA Kennwerte

Mischung 2 Fließmittel (FM)

Strukturschalung‘Welle’/Reckli #2/94

205


V/1

[g]

2023

[mm]

149

V/2


Mittelwert:

2106 150

Länge Breite

[mm]

150

[mm]

148

Rohdichteρρρρ

BruchlastF

[g/cm3]

0,61

[kN]

41,60

150 148 0,63

0,61

44,33

0,62

Druckfestig-keit ββββW

[N/mm2]

1,87

2,00

1,87

1,94

Abb. 10.5d Mischung 2 (FM); Druckfestigkeit am Prüfwürfel; Herstelltag: 16.07.2003, Prüftag: 13.08.2003, Prüfer: Hribar

untersuchungen zu einsatzmÖglichkeiten von ...herrn dirk rogge, herrn dr. holger kindermann, fa....

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