Brandverhalten anorganisch gebundener Span- und Faserplatten

Volker Thole
Fraunhofer-Institut für Holzforschung, Wilhelm-Klauditz-Institut

Einleitung

Für eine Vielzahl von Baustoffen sind neben den mechanischen und bauphysikalischen Eigenschaften auch die Brandeigenschaften ausschlaggebend. Prinzipiell werden die Baustoffe in unbrennbare (Klasse A) und in brennbare (Klasse B) unterteilt. Auf die Prüfung kann bei den Baustoffen verzichtet werden, die explizit in der DIN 4102, Teil 4 aufgeführt sind.Sind brennbare Bestandteile in dem Baustoff enthalten, so ist in jedem Fall der Nachweis der Baustoffklasse durch eine Prüfung vorgeschrieben. Dies gilt auch für Werkstoffe mit organischen Bindemitteln wie Gips oder Zement und organischen Bewehrungskomponenten (Späne, Fasern). Anorganisch gebundene Span- und Faserplatten können ohne Schutzmittel die Anforderungen der Baustoffklasse A2 erfüllen. Zur Klassifizierung muss das Abbrandverhalten (Brandschacht), die Entflammbarkeit und die Temperaturerhöhung (Ofenprüfung), die Rauchdichte und die Rauchgastoxizität geprüft werden. Die Ofenprüfung ist hierbei besonders kritisch. Eine aus Gründen des Brandverhaltens notwendige Reduzierung der organischen Strukturelemente, ist in Bezug auf die mechanischen Eigenschaften der Plattenwerkstoffe nachteilig. Es wäre daher wünschenswert, wenn der noch zulässige Masseanteil organischer Strukturelemente in den Werkstoffen genauer angegeben werden könnte.

Problemstellung

Bisherige Untersuchungen von gipsgebundenen Spanplatten haben mit einem bindemittelbezogenen Spananteil (Holz-Bindemittel-Verhältnis x) von 0,15 # x # 22% bei der Ofenprüfung bzw. Prüfung der Toxizität der Rauchgase beträchtliche Messwertschwankungen ergeben. Eine eindeutige Beziehung zwischen dem Anteil organischer Stoffe und dem Brandverhalten konnte bisher nicht angegeben werden. Dies legt die Hypothese nahe, dass eine Reihe weiterer Faktoren neben dem Span- oder Faseranteil das Brandverhalten beeinflussen. Um die Wirkung weiterer Einflussfaktoren zu erfassen, wurden bei der Herstellung der Prüfplatten die Rohdichte, das Holz-Bindemittel-Verhältnis, die Spandicke, die Trocknungstemperatur und die Spanverteilung im Plattenquerschnitt variiert.

Ergebnisse

Erwärmungsverhalten und Dehydratation von reinem Gipsstein bei der Ofenprüfung nach DIN 4102

Werden reine Gipsprismen entsprechend DIN 4102 wie bei der Prüfung anderer Werkstoffe behandelt, ergeben sich hinsichtlich der Ofentemperatur der Probenrandtemperatur und der Probenmittentemperatur die beispielhaft in Abb. 1 dargestellten Temperatur-Zeit-Kurven. Beim Einbringen der Proben - der Ofen wird geöffnet - sinkt die Ofentemperatur zunächst sehr schnell auf etwas unter 600 °C ab. Nach dem Schließen des Ofens kommt es zu einem langsamen stetigen Temperaturanstieg, bis nach etwa 30 min eine Ofentemperatur von 770 °C bis 780 °C erreicht ist.

Abb. 1: Temperatur-Zeit-Kurven von reinem Gipsstein bei der Ofenprüfung (Vorbehandlung: Trocknung bei 40 °C)

Der Prüfkörper wird zunächst mit einer relativ hohen Erwärmungsgeschwindigkeit auf eine Temperatur im Bereich von 100 °C bis 105 °C aufgeheizt. Auf Grund der guten Wärmeleitfähigkeit des Gipssteins ist die Zeitdifferenz zwischen der Durchwärmung der Zwischenschicht und der Probenmitte gering.

Eine unter 100 °C einsetzende Beharrung ist nicht sichtbar. Eine Beharrung liegt erst bei einer Temperatur von ca. 105 °C vor. In diesem Temperaturintervall erfolgt die Dehydratation des Dihydrats zu Halbhydrat. In Abhängigkeit von der Trocknungszeit und der Trocknungstemperatur wurde nach der Ofenprüfung durch Rückwiegen des Prüfkörpers ein unterschiedlicher Masseverlust ermittelt. Wenn durch die Art der Vorbehandlung keine Dehydratation eingetreten ist, muss der Masseverlust -bei der Ofenprüfung wird das Dihydrat in jedem Fall vollständig dehydratisiert- ca. 21 % betragen. Ist der festgestellte Masseverlust geringer als 21 %, hat bereits durch die Vorbehandlung eine Dehydratation des Dihydrats in wasserärmere Phasen stattgefunden. Die Abb. 2 und 3 zeigen die an Gipsprismen gefundenen Zusammenhänge. Hiernach ist eine Trocknungstemperatur von 60 °C auch bei einer Trocknungszeit von 480 min unkritisch.

Abb. 2: Masseverlust bei der Ofenprüfung von reinem Gipsstein in Abhängigkeit von der Trocknungszeit und der Trocknungstemperatur

Abb. 3: Masseverlust bei der Ofenprüfung von reinem Gipsstein in Abhängigkeit von der Trocknungszeit und der Trocknungstemperatur

Wird die Trocknungstemperatur auf 70 °C (Trocknungszeit 480 min) erhöht (Abb. 3) ergibt sich nach der Ofenprüfung eine Masseverlust von ca. 20 %. Die Differenz zum maximal möglichen Masseverlust beträgt somit 1 %. Unter den gegebenen Temperaturbedingungen beruht diese Differenz auf einer Umwandlung des Dihydrats in Halbhydrat. Wird der Kristallwasseranteil des Halbhydrates von 15,69 % zugrunde gelegt, war in der getrockneten Probe bereits ein Halbhydratanteil von ca. 6 % vorhanden.

Eine Trocknungstemperatur von 105 °C ergibt bei einer Trocknungszeit von 480 min im Anschluss an die Ofenprüfung lediglich ein Masseverlust von 8 %. Da durch die Trocknung kein Anhydrit entsteht, was durch ein Thermoanalyse nachgewiesen wurde, besteht die Probe bereits zu 82 % aus Halbhydrat. Wenn durch die Vorbehandlung der Prüfkörper eine Phasenumwandlung des Dihydrats in Halbhydrat verhindert werden soll um den Selbstkühlungseffekt des Gipssteins zu nutzen, ist entweder die Trocknungszeit oder die Trocknungstemperatur anzupassen.

Brandeigenschaften von gipsgebundenen Spanplatten

Die Brandeigenschaften von gipsgebundene Werkstoffen werden maßgeblich durch die Zeit bestimmt, in der die Durchwärmung der Probe bei der Ofenprüfung erfolgt. Die Durchwärmung wird entscheidend von der Vorbehandlung der Proben beeinflusst.

Abb. 4: Temperatur-Zeit-Kurven in der Probenmitte in Abhängigkeit von der Plattenrohdichte bei verschiedenen Vorbehandlungsvarianten Spandicke $ 0,5 mm; Plattendicke d = 12 mm; Holz-Bindemittel-Verhältnis x = 0,26

In Abb. 4 sind die Durchwärmungsbedingungen in Abhängigkeit von der Rohdichte und drei Vorbehandlungsvarianten dargestellt. Prüfkörper, die bis zur Gewichtskonstanz im Normalklima (20 °C, 65 rel. Luftfeuchte) klimatisiert wurden, bzw. für 6 h bei Temperaturen von 40 °C bis 60 °C getrocknet wurden, zeigen im Erwärmungsverhalten nur geringe Unterschiede. Die bei der Ofenprüfung aufgenommenen Temperatur-Zeit-Kurven im Randbereich der Probe oder in der Probenmitte sind durch eine ausgeprägte Beharrungsphase gekennzeichnet. Während dieser Phase findet in dem Gipsstein eine Phasenumwandlung durch die Abspaltung von Kristallwasser statt. Da hierzu Wärmeenergie verbraucht wird, verläuft die Durchwärmung relativ langsam. Selbst bei Holz-Bindemittel-Verhältnissen im Bereich von 0,30 wurde keine Entflammung beobachtet, die mit den Anforderungen an die Baustoffklasse A2 unvereinbar wäre.

Bei Trocknungstemperaturen ab etwa 80 °C findet eine Teildehydratation des Gipssteins statt. Die Temperatur-Zeit-Kurven bei der Ofenprüfung zeigen keine Beharrungsphase (Abb 4). Der Prüfkörper erwärmt sich deutlich schneller, was innerhalb einer relativ kurzen Zeitspanne zu einer entsprechenden Pyrolyse der organischen Bestandteile beiträgt. Die aus dem Ofen austretenden Gase sind leicht entzündlich. Lediglich bei Holz-Bindemittel-Verhältnissen von weniger als 0,18 lag die Entflammungszeit bzw. die Flammenhöhe im Rahmen der in der DIN 4102 für eine Baustoffklasse A2 zulässigen Größe.

Ein unmittelbarer Zusammenhang zwischen den Werkstoffparametern und der Temperaturerhöhung bzw. der Entflammung ist erst bei Holz-Bindemittel-Verhältnissen von mehr als 0,26 nachweisbar. Auch der Einfluss der Plattenstruktur, der Plattendicke und der Plattenrohdichte ist nur von geringer Signifikanz.

Bei zementgebundenen Werkstoffen - die Selbstkühlungseffekte sind gering - hat das Holz-Bindemittel-Verhältnis einen größeren Einfluss. Holz-Bindemittel-Verhältnisse im Bereich von 0,25 sind bereits als kritisch zu beurteilen.

Schlussfolgerung

Werden abgebundene Gipsbindemittel über eine Temperatur von 45 °C erwärmt, kann bei einer entsprechend langen Trocknungszeit eine Dehydratation einsetzen. Für diesen Prozess wird zusätzlich Wärmeenergie verbraucht, die im Brandfall eine Selbstkühlung des Werkstoffes bewirken würde. Die Vorbehandlung für die Ofenprüfung entsprechend DIN 4102 (Trocknung 6 h bei 105 °C), hat bei gipsgebundenen Werkstoffen eine Teildehydratation zu Folge. Unter diesen Bedingungen wird nicht nur die freie Feuchte ausgetrieben, sondern der Werkstoff wird bereits bis in die chemisch-physikalische Struktur hinein zerstört. Der faktisch im Brandfall vorhandene Selbstkühlungseffekt kann bei der Ofenprüfung nicht erfasst werden. Wird ferner die sehr geringe freie Feuchte des Gipssteins (Trocknung bei 40 °C << 0,1 %) und damit auch der Gipsplatten berücksichtigt, muss ernsthaft eine Korrektur der entsprechenden Bestimmungen erwogen werden.

Die Untersuchungen wurden vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) gefördert. Förderkennzeichen 10814 N

Der vollständige Bericht kann bestellt werden bei:
Internationaler Verein für Technische Holzfragen e. V.
Bienroder Weg 54 E
38108 Braunschweig

Zuletzt geändert am: 2015-11-30 10:42:56 UTC
Quelle: https://ivth.org/de/publikationen/aif-berichte/aif-10814-n/

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