DE19736527A1 - Baustoff mit Naturfaserbeimengung und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Baustoff mit Naturfaserbeimengung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Verfahren zu dessen Herstellung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 7.

Baustoffe wie Beton, Mörtel, Estrich o. dgl. verstärkt man häufig mit Kunstfasern, beispielsweise Polypropylen, um die Materialeigenschaften zu verbessern und die Belastbarkeit der fertigen Bauteile bzw. Bauflächen zu erhöhen. Europaweit wer­ den derzeit jährlich etwa 10 000 t Kunstfasern als Verstärkungen in Beton-, Mör­ tel- oder Estrichmischungen verwendet. Unverstärkte Beton-, Mörtel- oder Estrichbauteile neigen leicht zur Bildung von Schwindrissen oder Schwitzwasser. Flächen sind nur gering belastbar.

Kunstfaserverstärkte Bauteile bzw. Flächen haben jedoch den Nachteil, daß die chemisch hergestellten Fasern mit Preisen zwischen 15 und 28 DM/kg relativ teuer sind. Problematisch ist ferner das Verarbeiten der Kunstfasern. Die Bei­ mengung der Fasern erfolgt mittels teuren Zwangsmischgeräten. Versuche haben gezeigt, daß Kunstfasern, beigemengt durch Freifallmischer, zur Knollenbildung neigen, was sich ungünstig auf die Homogenität des Gemischs und damit negativ auf die Materialeigenschaften des fertigen Produkts auswirkt. Dadurch wird die Belastbarkeit z. B. von Betonbauteilen bzw. Estrichflächen stark herabgesetzt.

Neben der Verwendung von künstlichen Fasern ist es bekannt, zur Verbesserung der Materialeigenschaften von Kunststeinen natürliche Fasern einzusetzen. So beschreibt DE-PS 2 98 332 ein Verfahren zur Herstellung einer Kunststeinmasse unter Verwendung von Jutefasern, die mit einem hydraulischen Bindemittel und Wasser zu einer homogenen Masse vermischt werden. Die Kunststeinmasse wird anschließend abwechselnd mit netzartigen Gewebeschichten aus Jutefaser durch Feststampfen in die gewünschte Form gebracht. DE-C1 39 02 595 verwendet zur Herstellung von Bauplatten aus hydraulischen Bindemitteln als Füllstoff neben organischen Fasern wie Zellstoff, Papier, Flachs, Hanf, Jute u. dgl. auch Zellulose­ derivate wie Zelluloseacetat. Um die Festigkeitswerte der Bauplatten dauerhaft zu erhalten und damit deren Standzeit zu erhöhen, wird der Anteil an wasserlös­ lichem Natrium (Na₂O) auf unter 10 mg/10 g Feststoff reduziert. Der Anteil an wasserlöslichem Kalium (K₂O) liegt unter 15 mg/10 g Feststoff. Eine Schädigung der Zellulosefasern durch Alkalien wird somit weitgehend vermieden.

Aus WO 96/25370 A1 ist ferner ein Wandputz mit Naturfaserbeimengungen für Innen- oder Außenwände bekannt. Als Naturfasern verwendet man hierbei Hanf­ fasern oder Kapokhaare (Bombaxwolle), die zuvor durch einen Kotonisierungs­ prozeß aufgeschlossen wurden. Eine wirtschaftliche Herstellung dieses Baustoffs ist allerdings nicht möglich, da die Kotonisierung von Hanf zum heutigen Zeitpunkt technisch erst im Labormaßstab durchführbar ist. Der Aufbau einer Hanf-Kotoni­ sierungsanlage ist mittelfristig nicht in Sicht. Darüber hinaus erscheint eine aus­ reichende Bereitstellung von Hanffasern, geerntet nach den Beschreibungen aus WO 96/25370, nicht gegeben. Diese werden zu einem Zeitpunkt geerntet, in dem die Blüten ihre Pollen gerade erst ansetzen. Die Samenreife hat daher noch nicht begonnen, so daß aufgrund der EU-Marktordnung eine EU-Förderung an die erzeugenden Landwirte nicht ausbezahlt werden könnte. Der Anreiz zum Anbau von Hanf in ausreichender Menge ist daher äußerst gering.

Ziel der Erfindung ist es, einen kostengünstigen Beton-, Mörtel- oder Estrichbau­ stoff zu schaffen, der gegenüber nicht verstärkten Baustoffen deutlich höhere Biegezug-, Druck und Zugfestigkeiten aufweist. Angestrebt wird ferner die Ver­ ringerung der Schwitzwasserbildung und eine Erleichterung der Verarbeitung. Ein weiteres wichtiges Ziel der Erfindung besteht darin, den Anbau und den Verbrauch natürlicher Verstärkungsfasern anzuregen und zu steigern.

Hauptmerkmale der Erfindung sind in den Ansprüchen 1 und 7 angegeben. Aus­ gestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 6 und 8 bis 9.

Bei einem Baustoff, insbesondere Beton, Mörtel, Estrich oder Putz mit Natur­ faserbeimengung sieht die Erfindung laut Anspruch 1 vor, daß die Naturfasern ausgereifte, aufgeschlossene Bastfasern mit einer Länge von 1 bis 50 mm, vor­ zugsweise 5 bis 30 mm, sind und daß die Konzentration der Bastfasern 0,3 bis 3 kg/m³ Baustoff beträgt. Diese Zusammensetzungen gewährleisten eine über­ raschend gute Einarbeitung und gleichmäßige Verteilung der Naturfasern inner­ halb des Baustoffs, so daß die fertiggestellten Beton-, Mörtel bzw. Estrichbauteile oder -flächen deutlich höhere Biegezug-, Druck- und Zugfestigkeiten aufweisen. Darüber hinaus wird durch die gleichmäßige Verteilung der einzelnen Bastfasern im Baustoff die Schwitzwasserbildung drastisch verringert; Schwindrisse treten kaum noch auf. Die Verwendung mechanisch aufgeschlossener Bastfasern er­ möglicht eine äußerst kostengünstige Aufbereitung der Fasern, was sich günstig auf den Endpreis der einzelnen Baustoffe bzw. Bauteile auswirkt. Eine aufwendige und teure Kotonisierung ist nicht erforderlich. Da die Fasern nach der Samenreife geerntet werden, ist ferner ein wichtiger Impuls für die Landwirtschaft zum Anbau von Bastfasern gegeben. EU-Fördermittel lassen sich vollständig ausschöpfen. Im Rahmen der EU-Marktordnung stillgelegte Anbauflächen könnten genutzt werden. Der Anreiz für den Anbau von Hanf ist außerordentlich hoch. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Baustoffs besteht darin, daß der erforderliche Zement­ anteil aufgrund der Faserzusätze verringerbar ist, was sich ebenfalls günstig auf die Herstellkosten des Baustoffs auswirkt. Gemäß Anspruch 2 sind die Bastfasern Hanf-, Flachs-, Kenaf- oder Nesselfasern.

Eine weitere Reduzierung der Kosten bei immer noch ausreichender Qualität und Festigkeit der Baustoffe läßt sich dadurch erreichen, daß gemäß Anspruch 3 die Bastfasern bei einer Konzentration von 2 bis 3 kg/m³ Baustoff eine Länge von 6 bis 15 mm aufweisen.

Optimale Ergebnisse erzielt man mit der Ausgestaltung von Anspruch 4, wonach die Bastfasern einen Schäbenanteil von weniger als 30% aufweisen.

Zahlreiche Einsatzmöglichkeiten des Baustoffs ergeben sich durch die vorteilhafte Ausbildung von Anspruch 5. Danach sind die Bastfasern einem hydraulischen Bindemittel zugesetzt. Hierbei handelt es sich gemäß Anspruch 6 um Zement, der in ausreichenden Mengen stets kostengünstig zur Verfügung steht.

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Baustoffs, insbesondere Beton, Mörtel, Estrich oder Putz mit Naturfaserbeimengung ist laut Anspruch 7 erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Bastfasern vor, nach oder mit Beginn der Samenreife geerntet und in aufgeschlossenem Zustand mit einer Beton-, Mörtel-, Estrich- oder Putzmischung vermischt werden. Das Ernten der Bastfasern nach der Sa­ menreife gestattet das Ausschöpfen von EU-Fördermittel, bei Hanf- und Flachs, wodurch ein wichtiger Impuls für die Landwirtschaft zum Anbau dieser Fasern gegeben ist. Zudem wirkt sich die Nutzung der EU-Fördermittel äußerst günstig auf die Endpreise für die Naturbastfasern aus, so daß die naturfaserverstärkten Baustoffe erheblich kostengünstiger hergestellt und angeboten werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren gewährleistet eine einfache und problemlose Herstellung der Beton-, Mörtel-, Estrich- oder Putzmischungen, ohne daß Klumpen oder Knollen zwischen den Fasern entstehen. Diese lassen sich viel­ mehr mit handelsüblichen Freifallmischern gleichmäßig in der Mischung und damit in dem fertigen Produkt verteilen, namentlich gemäß Anspruch 8 durch Ein­ mischen der Bastfasern in eine fertige Grundmischung, so daß optimale Mate­ rialeigenschaften erzielbar sind.

Gemäß Anspruch 9 erfolgt die Beigabe der Bastfasern mittels eines Freifall­ mischgerätes oder eines Zwangsmischers. Diese sind leicht zu bedienen und auf jeder Baustelle vorhanden, was den Einsatz der Baustoffe erheblich vereinfacht.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche, aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbei­ spielen und aus Testergebnissen anhand der Tabellen 1 bis 8 sowie Meßdia­ grammen in Fig. 1 bis 6.

Für die Herstellung von Putz werden zwei Drittel des Anmachwassers mit einem gewünschten Zuschlag in einem Freifallmischer angemischt und unter Zugabe eines Mörtelbinders sowie des erforderlichen Zementanteils gut durchgemischt. In diese Grundmischung werden anschließend Hanffasern mit einer Länge von 6 mm eingemischt. Eine erste Mischung (Mischung 2) enthält 1 kg/m³ Hanffasern. Eine andere (Mischung 3) enthält 3 kg/m³ Hanffasern. Eine Vergleichsmischung (Mischung 4) enthält anstelle der Hanffasern Polypropylenfasern mit 12 mm Länge in einer Konzentration von 1 kg/m³. Beim Einmischen der Polypropylenfasern in den Frischmörtel tritt allerdings das Problem auf, daß ein knollenfreier Aufschluß der Kunstfasern auch bei längeren Mischzeiten des Freifallmischers nicht möglich ist. Es treten Knollen bzw. Verklumpungen auf, die eine gleichmäßige Verteilung der Polypropylenfasern innerhalb des Mörtels verhindern. Mischung 1 enthält keinerlei Faserbeimengungen. Die Zusammensetzungen der einzelnen Putz­ mischungen sind aus Tabelle 1 ersichtlich.

Mit dem restlichen Anmachwasser stellt man die Konsistenz der Putzmasse opti­ mal ein, damit eine gute Verarbeitung gewährleistet ist.

Alle vier Putzmischungen wurden zunächst unter gleichen Bedingungen ver­ arbeitet. Die Frischmörtelkenndaten sind in Tabelle 2 wiedergegeben.

Anschließend wurden die Putzmischungen auf ihre Biegezug- und Druckfestigkeit untersucht und mit den Werten des Blindmörtels (Mischung 1) verglichen. Die Ergebnisse des Vergleichs sind aus der nachfolgenden Tabelle 3 ersichtlich. Es ist deutlich erkennbar, daß Putze mit einer Naturfaserbeimischung aus 6 mm langen Hanffasern in einer Konzentration von 3 kg/m³ Putz eine deutliche Steigerung der Festigkeitswerte gegenüber unverstärktem Putz aufweisen.

Tabelle 4 zeigt die Biegezug-Druckverhältnisse der untersuchten Mischungen. Um Rißbildungen zu vermeiden, sollte das Biegezug-Druckverhältnis einer Putz- oder Mörtelmischung unter 1 : 3,5 liegen.

Für die Herstellung von Estrich verwendet man ebenfalls einen Zuschlag sowie Zement. Beide Ausgangsstoffe werden in einem Freifallmischer unter Zugabe von Wasser zu einer Grundmischung gut vermischt. Anschließend werden zwei Mi­ schungen mit Hanffasern und eine Vergleichsmischung mit Polypropylenfasern vermengt. Die genauen Zusammensetzungen der Estrichmischungen sowie die verwendeten Anteile an Hanf- bzw. Polypropylenfasern in den einzelnen Mi­ schungen sind aus Tabelle 5 ersichtlich.

Nach dem Einstellen der optimalen Konsistenz wurden alle vier Estrich­ mischungen unter gleichen Bedingungen verarbeitet. Die Frischmörtelkenndaten sind in Tabelle 6 wiedergegeben.

Anschließend wurden auch die Estrichmischungen auf ihre Biegezug- und Druckfestigkeit untersucht und mit den Werten des Blindmörtels (Mischung 1) verglichen. Die Ergebnisse des Vergleichs sind aus der nachfolgenden Tabelle 7 ersichtlich. Man erkennt, daß Estrich mit einer Naturfaserbeimischung aus 6 mm langen Hanffasern in einer Konzentration von 3 kg/m³ Estrich eine deutliche Steigerung der Festigkeitswerte gegenüber unverstärktem Estrich aufweist.

Tabelle 8 zeigt die Biegezug-Druckverhältnisse der untersuchten Estrich­ mischungen.

Schließlich zeigen die Fig. 1 bis 6 jeweils für Estriche (Fig. 1 bis 3) den zeitlichen Verlauf gemessener Größen, nämlich der Raumgewichtsänderung (Fig. 1 und 4), der Biegezugfestigkeit (Fig. 2 und 5) und der Druckfestigkeit (Fig. 3 und 6). Hier­ aus ergibt sich auf einen Blick, daß erfindungsgemäß nachweisbar außerordent­ lich günstige Baustoff-Eigenschaften erzielt werden.

Die Erfindung ist nicht auf eine der vorbeschriebenen Ausführungsformen be­ schränkt, sondern in vielfältiger Weise abwandelbar. So kann es von Vorteil sein, Bastfasern mit zwei oder mehreren verschiedenen Längen, beispielsweise 5, 10 und 15 mm zu verwenden, deren Konzentrationen jeweils in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen. Eine andere Ausführungsform sieht vor, anstelle einer einzigen Naturfasersorte verschiedene Naturfasern miteinander zu vermi­ schen, wobei die unterschiedlichen Naturfasern unterschiedliche Faserlängen und Konzentrationen aufweisen können. Möglich ist auch eine Kombination der Na­ turfasern mit anderen Fasern.

Man erkennt, daß natürliche Bastfasern wie Hanf, Flachs, Kenaf oder Nessel zu hydraulischen Bindemitteln oder zu Beton-, Mörtel-, Estrich- oder Putzmischun­ gen beigemischt werden, so daß bessere Biegezug-, Druck- und Zugfestigkeiten der fertigen Bauteile oder Flächen erzielt werden. Erfindungsgemäß ist vorge­ sehen, daß die Naturfasern ausgereifte, aufgeschlossene Bastfasern mit einer Länge von 1 bis 50 mm sind und daß die Konzentration der Bastfasern 0,3 bis 3 kg/m³ Baustoff beträgt. Darüber hinaus sieht ein Verfahren zur Herstellung der Beton-, Mörtel-, Estrich- oder Putzmischungen vor, daß die Bastfasern vor, nach oder mit Beginn der Samen reife geerntet und in mechanisch aufgeschlossenem Zustand mit einer Beton-, Mörtel-, Estrich- oder Putzmischung vermischt werden.

Sämtliche aus den Ansprüchen und der Beschreibung hervorgehenden Merkmale und Vorteile, einschließlich verfahrenstechnischer Einzelheiten und Verfahrens­ schritten, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.

Claims (10)

2. 1. Baustoff, insbesondere Beton, Mörtel, Estrich oder Putz mit Naturfaserbei­ mengung, dadurch gekennzeichnet, daß die Naturfasern ausge­ reifte, aufgeschlossene Bastfasern mit einer Länge von 1 bis 50 mm, vor­ zugsweise 5 bis 30 mm, sind und daß die Konzentration der Bastfasern 0,3 bis 3 kg/m³ Baustoff beträgt.
3. 2. Baustoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bast­ fasern Hanf-, Flachs-, Kenaf- oder Nesselfasern sind.
4. 3. Baustoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bastfasern eine Länge von 6 bis 15 mm aufweisen bei einer Konzentration der Bastfasern von 2 bis 3 kg/m³ Baustoff.
5. 4. Baustoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Bastfasern einen Schäbenanteil von weniger als 30% auf­ weisen.
6. 5. Baustoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Bastfasern einem hydraulischen Bindemittel zugesetzt sind.
7. 6. Baustoff nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das hydraulische Bindemittel Zement ist.
8. 7. Verfahren zur Herstellung eines Baustoffs, insbesondere Beton, Mörtel, Estrich oder Putz mit Naturfaserbeimengung, nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bastfasern vor, nach oder mit Beginn der Samenreife geerntet und in aufgeschlossenem Zustand mit einer Beton-, Mörtel-, Estrich- oder Putzmischung vermischt werden.
9. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bastfasern in eine fertige Grundmischung eingemischt werden.
10. 9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Beigabe der Bastfasern mittels eines Freifallmischgerätes oder eines Zwangsmischers erfolgt.