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Flammwidrig ausaerüstetes Holz für Bauzwecke
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Bekanntlich hat der Baustoff Holz neben vielen Vorteilen den Nachteil
der leichten Brennbarkeit bzw. Entflammbarkeit.
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Trotzdem ist anerkannt, daß Holz im Falle eines Brandes z.B. eine
größere Feuerwiderstandsdauer als eiserne Tragewerke besitzt, weil stärkere Hölzer
in Inneren ihre Struktur ziemlich lange erhalten, wogegen Eisen durch Weichwerden
frühzeitig nachgibt.
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Eine Verbesserung des Brandverhaltens von Holz kann daher die Feuersicherheit
von Gebäuden noch beträchtlich verbessern.
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Gegenwärtig beschränkt sich der Brandschutz von Holz praktisch auf
die oberflächliche Behandlung mit feuerhemmenden Anstrichstoffen, z.B. solchen,
die anorganische Stoffe wie Kieselsäure, Ammoniumsalze, Salze der Bor- und Phosphorsäure
enthalten.
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Zwar ist schon vor Jahren versucht worden, Bauholz genen Entflammung
dadurch zu schützen, daß es der sog. Vakuum--Druck-Imprägnierung oder Tränkung mit
Flammschutzmitteln (d.h. Tränkung unter Druck, wobei das Holz vorher vermindertem
Druck, also sog. ?Vakuum? ausgesetzt wird) unterworfen
wurde; vgl.
hierzu Mahlke-Troschel, Handbuch der Holzkonservierung, 2. Aufl. Berlin 1928, S.
396-400.
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Die Vakuum-Druck-Tränkung wird allerdings gegenwärtig so gut wie ausschließlich
zur Ausrüstung von Rundholz und ähnlichen Baustoffen (Eisenbahnschwellen, Gartenzaunpfostein,
Baumpfähle usw.) gegen Schädlingsbefall verwendet, wobei praktisch ausschließlich
nichtwäßrige Tränkmittel verwendet werden. Dabei ist auch bekannt, daß die als Bauholz
üblichen Welchhölzer (Tanne - abies alba - und vor allem Fichte - picea excelsa
-) sich nur schlecht trinken lassen, weil die Durchlässigkeit des Gewebes in radialer
Richtung also quer zu den Jahresringen nur gering ist; wie die einschlägige Fachliteratur
angIbt, sind bei Fichtenholz die sog. Hoftüpfel, die die Verbindung zwischen den
Holz zellen in radialer Richtung herstellen, verschlossen, und flüssigkeitsleltende
Markstrahlen, wie sie etwa Kiefernholz aufweist sind bei Fichtenholz nicht vorhanden.
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Man hat daher schon vorgeschlagen, schwer tränkbare Hölzer anzubohren
oder anzustechen, um der Tränkflüssigkeit das Eindringen zu erleichtern (vgl. Mahlke-Troschel,
a.a.O., S. 195-199 sowie Bub/Bodmar-Tilger, Die Konservierung des Holzes in Eneorie
und Praxis, Berlin 1922, S. 841 bis 848). Diese Verfahren beziehen sich jedoch ausschließlich
auf Rundholz, weil man von der Vorstellung ausging, daß es auf die radiale Richtung
der Einstiche ankäme, während eine Ausbreitung der Tränkflüssigkeit in Längsrichtung
zur Faser bzw. tangential (entlang der Jahresrlngrichtung) keine Schwierigkeiten
machen sollte; die letztere Vorstellung liegt z.B. dem sog. Saftverdrängungsverfahren
zugrunde, das das Vorliegen frischer Hölzer voraussetzt.
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Auf den vorbeugenden Brandschutz sind die vorstehenden überlegungen
bis jetzt offenbar nicht mit Erfolg angewendet worden; möglicherweise wurde angenommen,
daß bei Schnittholz> wie es im Bauwesen praktisch ausschließlich vorkommt, ein
Anstrich bzw. eine oberflächliche Tränkung mit Flammschutzmitteln ausreichend sei:
Der Hinweis bei Mahlke-Troschel, a.a.O., S. 399 unten, daß es auf das tiefe Einbringen
der Feuerschutz-Chemikalien ankäme, hat jedenfalls kein technisch üblich gewordenes
Verfahren zur Folge gehabt und ist, wie nachstehend erläutert werden wird, auch
nur bedingt richtig.
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Auch ein kürzlicher Vorschlag in der DE-OS 27 14 010 für eine Finrichtung
zur mechanischen Vorbehandlung von 3auholz mittels rotierender Nadeln erwähnt keine
Einzelheiten, aus denen auf die Anwendung von Flaminschutzmitteln geschlossen werden
könnte. Dies liegt wahrscheinlich daran, daß die Vorstellung besteht, wirksamer
Brandschutz, der über einen Anstrich hinausgeht, setze eine vollständige Durchtränkung
des Holzes voraus. Die Vorrichtung nach der DE-OS 27 14 010 gestattet nämlich nur
eine geringe Einstichtiefe.
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Es wurde nun gefunden, daß das Ziel der Erfindung, nämlich mindestens
schwer entflammbar ausgerüstetes Bau- bzw.
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Schnittholz vorzugsweise aus Fichte, schon erreicht werden kann, wenn
man das Holz oberflächlich, aber gleichmäßig bis zu einer Tiefe von wenigstens 5
n mit an sich bekannten Flarnmschutzmitteln tränkt. Derartig schwer entflammbares
Bauholz kann dadurch erhalten werden, daß man ein Flammschutzmittel aus wäßriger
Lösung im Wege der Vakuum--Druck-Tränkung in vorzugsweise ebenflächig begrenztes
Holz einbringt, das vorher durch ein regelmäßiges Muster von oberflächlichen Einstichen
mit Nadeln in der Weise vorbereitet worden war, daß die Einstichtiefe mindestens
5 mm und der Abstand der Einstiche in Faserrichtung höcherstens
30
und quer zur Faser höchstens 15 mm beträgt. Eine gewisse Unter- bzw. Überschreitung
der vorgenannten vierte ist im Einzelfalle möglich, ohne daß ein Mi.3erfolg eintritt.
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Die Stirnflächen (Hirnholzflächen) des Holzes brauchen i.a. nicht
vorbehandelt zu werden.
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Wichtig ist dabei, daß keine größeren Flächen ohne solche Einstiche
bleiben; während das Fehlen einzelner Einstiche hingenommen werden kann, sollen
keine größeren Flächen zusammenhängend ohne Schutz bleiben. Die Einstichtiefe braucht
gewöhnlich 10 bis 12 mm nicht zu überschreiten.
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Erfindungsgemäß wird bevorzugt ein regelmäßiges geometriseines Muster
solcher Einstiche angebracht, das diesen Bedingen entspricht.
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Dabei ist berücksichtigt, daß die Imprägnierung (Tränkung) des bearbeiteten
Holzes mit der wäßrigen Lösung des Flamme schutzmittels bei einem Druck von bis
zu 10 bar nach einer vorherigen Anwendung von vermindertem Druck von wenigstens
minus 900 mbar (d.h. unter 100 mbar absolut) stattfindet.
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Wenn die vorhandene Anlage einen wesentlich höheren Druck und/oder
geringeren Restdruck bei der Druckverminderung erlaubt, können die angegebenen Abstände
auch etwas überschnitten werden und umgekehrt. Außerdem spielt natürlich die Dauer
dieser Vorgang eine Rolle. Druckverminderung unter 15 mbar ist gewöhnlich nicht
sinnvoll, weil es dabei bekanntlich zu Störungen des Verfahrens (Einfrieren des
Zellwassers) kommt.
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Geeignete Vorrichtungen zur Anbringung der Einstiche sind z.B. aus
der DE-OS 27 14 010 bekannt.
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'Es ist überraschend, da.3 für die erzielte Flammwidrigkeit bei stärkeren
Hölzern die angegebene Eindringtiefe ausreicht. Praktisch werden nur Bretter bis
zu einer Stärke von 20 bis 30 mm vollständig impragniert, wie man an einem Versuch
mit gefärbter Lösung sehen kann.
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Natürlich ist es möglich, stärkeres Vollholz, z.B. verleine Binderkonstruktionen,
aus Brettern zu verleimen, die vorher imprägniert waren oder ggf. ein tiefer eindringendes
Stichmuster zu erzeugen sowie stärkeren Druck usw. anzuwenden. Wichtig ist, daß
nach der Tränkung keine wesentlich spanabhebenden Bearbeitungsgänge mehr stattinden.
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Erfindungsgemäß hat sich besonders die Anwendung wäßriger Lösungen
von primäre Ammoniumphosphat und Borsäure bewährt. Jeweils 10 ßige Lösungen sind
unter den üblichen Bedingungen der Tränkung ausreichend, wobei der Borsäureanteil
auch fungizid und insektizid wirkt.
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Andere geeignete Mittel können z.B. Alkaliphosphate enthalten.
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Die Tränkbedingungen sollten wie gesagt, eine Druckverminderung unter
100 mbar, praktisch z.B. 20 bis 25 mbar, also bis auf den Wasserdampf-Partialdruck
erlauben sowie einen Imprägnierdruck von etwa 4 bis 15 bar, wofür die meisten Anlagen
ausgelegt sind.
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Dabei werden, bezogen auf die durchtränkte Zone, 300 bis 800 1 Flüssigkeit
Je m3 aufgenommen, bei stärkeren Hölzern also, bezogen auf das gesamte Holzvolumen,
entsprechend weniger. Die Tränkdauer beträgt z.B. 1 bis 5 Stunden, praktisch unter
den o.g. Bedingungen etwa 2 Stunden. win Kriterium fur ausreichende Tränkung ist
nicht so sehr die absolute
Menge als die Gleichmäßigkeit der Gewichtszunahme
verschiedener Proben, wobei jedesmal die infragekommende Oberfläche zur Gewichtszunahrne
in Beziehung gesetzt werden muß. Die Schwankungen sollten i.a. geringer als 25 0
sein.
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Bemerkenswerterweise ist bei dem so behandelten Holz die Verkohlungstemperatur
gegenüber unbehandeltem Holz herabgesetzt.
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Wie die Erfahrung lehrt, genügt bei den üblichen Flammschutzmitteln
auf der Grundlage von BorsSure- und/oder Phosphorsäure-Verbindungen die erfindungsgemäß
erzielbare relativ geringe Schichtdicke der Imprägnierung für ein Brandverhalten
der imprägnierten Hölzer, bei dem praktisch keine sichtbare Flamme mehr auftritt
(das also, hinausgehend über die bisher höchste Brandschutzstufe schwer entflammbar",
als "unentflammbar" bezeichnet werden muB), vorausgesetzt, die durchdrungene Schicht
weist keine Lücken auf. Das Holz übertrifft jedenfalls, wie das nachstehende Beispiel
zeigt, die Voraussetzungen der Klasse "schwerentflammbare Baustoffe"> wie sie
die einschlägige DIN-Vorschrift vorschreibt.
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Aufgrund verschiedener Beobachtungen nach der Tränkung kann angenommen
werden, daß bei der erfindungsgemäßen Einbringung wäßriger Brandschutzmittel ein
Konzentrationsgefälle von außen nach innen praktisch nicht auftritt, sondern u.U.
sogar der Schutzmittelgehalt des behandelten Holzes nach innen zunimmt (jedenfalls
bis zur Grenze des Eindringens, die nur geringfügig tiefer als die Einstichtiefe
liegt).
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Die Wirkung der Flammschutzmittel bei dieser Anwendung scheint vornehmlich
in der Herabsetzung der Temperatur der Pyrolysegase zu liegen; das Holz verkohlt
gewissermaßen
kalt und dieser Vorgang steuert keine Eigenwärme zur
Brandausbreitung bei.
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Beispiel 20 m starke gehobelte Bretter aus Fichtenholz, die etwa 100
cm lang und 19 cm breit waren und beliebige Orientierung in Bezug auf den Rohstamm
hatten, wurden n der Weise mit 0,8 mm starken Stahlnadeln behandelt, daß die Einstechtiefe
rund 9 mm war; die Nadeln wurden während des Dinstechens durch einen entsprechenden
Antrieb mit einer Seschwindigkeit von etwa 1000 min-1 in Umdrehung versetzt.
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Das Flächenmuster der Einstiche bestand aus jeweils 8 mm voneinander
entfernten Reinen in Faserlängsrichtung. Die Einstiche in der Reihe waren 5 mm voneinander
entfernt, wobei die Einstiche benachbarter Reihen jeweils soweit gegeneinander versetzt
waren, daß sie in einem Winkel von 50° zur Faserlängsrichtung schräg verlaufende
Reihen bil deten.
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Die vorbereiteten Bretter wurden in eine handelsübliche Vakuum-Druck-Tränkanlage
verbracht und zunächst während 10 min einem Restdruck von rund 20 m@ar, dann 60
min einem Restdruck von 17,5 mbar ausgesetzt.
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Die Anlage wurde dann mit einer wäßrigen Lösung von 7% Monoammoniumphosphat
und 3 % Borsäure geflutet und während 45 min ein Überdruck von 8,25 bis 8,5 bar
(d.h. 9>25 bis 9,5 bar zbsolut) aufrechterhalten.
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Nach dem Belüften und Entne½r"en der Bretter erwiesen sich diese als
äußerlich praktisch trocken; ein "Nachbluten", d.n. Austritt von Tränkflüssigkeit,
fand nicht statt.
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Die Wägung vor und nach der Tränkung ergab, daß die Proben mit relativ
einer Schwankungsbreite etwa 45 kg je m3 durchtränkter Masse an Schutzsalzen (trocken;
d.h. runa 400 kg Lösung) aufgenommen hatten; dabei wurde vollständige Tränkung in
diesem Falle vorausgesetzt (Berechnungsbeispiel: Probengewicht vor der Tränkung
1730 g, danach 3500 g; bezogen auf die Probenmantelfläche von 0,43 m2 bedeutet die
Aufnahme von 1770 g etwa 10 %iger Lösung eine 2 Schutz:nittelaufnahme (fest) von
414 , wobei eine Eindringtiefe von 10 mm (d.h. beidseitig vollständige Durchtränkung)
den o.g. Wert von 45 kg/m³ ergibt.). Die Bretter wurden bis zum Erreichen der Gewichtskonstanz
bei Normalklima-Bedingungen gelagert und dann die folgenden Untersuchungen angestellt.
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Die Brandversuche wurden im sog. Brandschacht (nach DIN 4102, Teil
I, 1977) vorgenommen, dessen Ablauf hier als bekannt vorausgesetzt werden kann.
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Als Ergebnis ergab sich nach der 10 Minuten dauernden Beflammung:
Flamme erlischt unmittelbar mit dem Abstellen des Brenngases, weder Nachbrennen
noch Nachglimmen wird beobachtet.
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Der Gewichtsverlust der Probekörper beträgt rund 10 Z, die Länge des
oberflächlich noch unzersetzten Probenteils beträgt im Mittel 22 cm.
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Während des Brandversuches überschreitet die Rauchgastemperatur zu
keiner Zeit 118°C.