Pflanzenfasern können Zementprodukten unterschiedliche Eigenschaften verleihen. Sie können dazu beitragen, kleine Risse zu verteilen, die Dichte zu verringern und das thermische Verhalten einiger Wandbaustoffe zu verbessern. Außerdem nehmen sie Wasser auf, und viele Naturfasern verändern sich in der stark alkalischen Umgebung von Portlandzement. Eine sinnvolle Produktentwicklung beginnt damit, die Anforderungen an das Produkt festzulegen und anschließend eine bestimmte Faserqualität im tatsächlichen Bindemittel zu testen.
Bei Shandong Jianbang Chemical Fiber Co., Ltd. liefern wir Ecocretefiber™-Fasern für zementbasierte Materialien. Unser Sortiment an Zellulosefasern ist eine Option für Hersteller, die eine pflanzliche Faser suchen. Die Entscheidung erfordert jedoch eine klare Anwendungsvorstellung und einen kontrollierten Test. Eine Übersicht über Forschungsarbeiten zu Stroh, Bambus, Rapsstängeln und anderen Pflanzenfasern zeigt, warum es keine einheitliche “Beton mit Pflanzenfasern”Rezept“.
Was gilt als Pflanzenfaser in Beton?
Eine Pflanzenfaser ist ein Strang oder ein kurzes Fragment natürlichen Ursprungs, wie beispielsweise Stroh, Bambus, Sisal, Jute, Kokosfasern oder aufbereitete Zellulose. Ihre Hauptbestandteile sind Zellulose, Hemicellulose, Lignin sowie geringere Mengen an Wachsen und anderen Verbindungen. Ihre Anteile variieren je nach Art, Ernte, Verarbeitung und Lagerung. Zwei Produkte mit der Bezeichnung “Zellulosefaser”…“ kann daher in Zement sehr unterschiedliche Abmessungen, Saugfähigkeit und Eigenschaften aufweisen.
Die Form ist ebenso wichtig wie die Herkunft. Gehackte Stängel, gemahlene Strohpartikel und gereinigte kurze Zellulosefasern bieten nicht dieselbe Verstärkungswirkung. Ein langer Strang kann einen größeren Riss überbrücken, während eine feine Fibrille eine größere Kontaktfläche bietet und die Kohäsion der Frischmischung beeinflussen kann. Keine dieser Eigenschaften allein belegt eine strukturelle Tragfähigkeit. Länge, Seitenverhältnis, Zugfestigkeit, Haftung, Dosierung und Dispersion müssen für die ausgewählte Sorte gemessen werden.
Pflanzenfasern unterscheiden sich zudem von Polypropylen-Mikrofasern sowie aus löslichen Celluloseethern. PP-Monofilament weist ein anderes Wasseraufnahmeprofil auf, während Zelluloseether als Pulver das Wasser- und Fließverhalten von Mörtel verändert. Unser Leitfaden zu Zellulosefaser und Zelluloseetherr erklärt, warum sie nicht nach Gewicht ausgetauscht werden können.
| Materialform | Hauptaufgabe: Bewertung | Hauptbedenken hinsichtlich der Qualifikation |
| Rohe, gehackte Strohhalme oder Stängel | Geringe Dichte, Rissverteilung oder Isolierung bei ausgewählten Produkten | Variable Zusammensetzung, Wasseraufnahme, Extraktstoffe und Langzeitstabilität |
| Verarbeitete Zellulosefaser | Feinstskalige Risskontrolle und Kohäsion der Mischung | Qualitätskonstanz, Dosierung, Dispersion und Verträglichkeit |
| Bambus oder andere längere Pflanzenfasern | Potenzial Rissüberbrückung in einem abgestimmten Verbundwerkstoff | Haftung, Ausrichtung, Feuchtigkeitsbewegung und Alkali-Alterung |
| PP-Mikrofaser | Frühzeitige Rissbekämpfung bei geringer Wasseraufnahme der Fasern | Vorgeschriebene Güteklasse, Dosierung und Leistungsprüfungen im Rahmen des Projekts |
Der Vergleich beschreibt mögliche Konstruktionsmerkmale, keine garantierten Ergebnisse. In einer Spezifikation sollten das tatsächliche Produkt und seine geprüfte Leistungsfähigkeit genannt werden, nicht nur seine botanische Familie.
Wie Fasern die Festigkeit und das Rissverhalten beeinflussen
Fasern können einen sich bildenden Riss überbrücken und Zugkräfte aufnehmen, während sich die Zementmatrix aufreißt. Diese Überbrückung kann beeinflussen, wie ein Träger versagt und wie viele Risse entstehen. Ein feines, gut verteiltes Netzwerk kann dazu beitragen, einen Riss schmal zu halten. Die nutzbare Kraft hängt davon ab, ob die Faser intakt bleibt und ob die Grenzfläche die Last ohne übermäßiges Gleiten oder vorzeitiges Reißen überträgt.
Eine Übersichtsarbeit von Bai Shiqi aus dem Jahr 2020 in Neue Technologien und Produkte aus China Wir haben mehrere Forschungsbeispiele verglichen. In einer Studie zu Strohfaserbeton wurden mit steigendem Strohanteil niedrigere Druck-, Spaltzug- und Biegefestigkeiten festgestellt. Ein separates Experiment mit Bambusfasern ergab hingegen eine deutliche Verbesserung der Spaltzugfestigkeit. Diese Ergebnisse können nebeneinander bestehen, da die Fasern, Mischungszusammensetzungen, Dosierungsbereiche und Prüfverfahren unterschiedlich waren. Wir würden das Ergebnis aus dem Bambusversuch nicht heranziehen, um die Festigkeit einer Strohmischung vorherzusagen.
In der Übersicht wird zudem ein Versuch mit Rapsstängeln bei niedriger Dosierung beschrieben, bei dem die Fasergehalte 0,11 TP3T, 0,21 TP3T, 0,31 TP3T und 0,41 TP3T betrugen. Mehrere Festigkeitsparameter stiegen zunächst an und nahmen anschließend wieder ab. Die gemeldeten Spitzenwerte für die Spaltzugfestigkeit und die Biegefestigkeit traten bei etwa 0,21 TP3T nach Volumen mit 20 bis 30 mm langen Fasern. Das ist ein Ergebnis für ein bestimmtes Rapsstängelsystem. Es ist nicht Eine Ecocretefiber™-Zellulose-Dosierung sowie ein Volumenanteil sollten nicht ohne Berechnung der Faserdichte und der Mischungsverhältnisse in ein massenbasiertes Produktionsblatt übernommen werden.
Warum kann ein zu hoher Ballaststoffanteil schädlich sein? Ein höherer Anteil an pflanzlichem Material kann der frischen Masse Wasser entziehen, die Verarbeitbarkeit beeinträchtigen und Klumpenbildung verursachen. Die Masse kann dann Luft einschließen oder Bereiche mit zu wenig Masse um die Zuschlagstoffe und Fasern herum hinterlassen. Eine geringere Dichte kann für eine Wandkonstruktion von Vorteil sein, doch zusätzliche Hohlräume können die Druckfestigkeit verringern. Der Ingenieur muss entscheiden, welche Eigenschaft Vorrang hat, und die anderen Eigenschaften innerhalb akzeptabler Grenzen halten.
Bei baulichen Entscheidungen sollten Sie die gemessene Druckfestigkeit und das vollständige Biegeverhalten zum gewählten Alter erfragen. Die maximale Biegefestigkeit und die Restlast nach Rissbildung geben Aufschluss über unterschiedliche Aspekte. ASTM C39/C39M-26 bezieht sich auf die Druckfestigkeit der entsprechenden zylindrischen Betonproben. ASTM C78/C78M-22 misst die Biegefestigkeit mittels Dreipunktbelastung. Wenn die Resttragfähigkeit des Trägers von Bedeutung ist, ASTM C1609/C1609M-24 wertet aus faserverstärkter Beton anhand seiner Belastungs- und Durchbiegungskurve. Die Projektmethode und die Probenart müssen auf das zu qualifizierende Produkt abgestimmt sein.
Die Vorteile der Wärmedämmung erfordern einen fundierten Vergleich
Einige Verbundwerkstoffe auf Pflanzenfaserbasis weisen eine geringere Wärmeleitfähigkeit auf, da ihre Struktur mehr Luft einschließt und eine geringere Schüttdichte aufweist. Die Übersichtsarbeit aus dem Jahr 2020 beschreibt Rapsstängelbeton mit größeren Poren als eine Referenzmischung und einen Trend zu geringerer Wärmeleitfähigkeit bei steigendem Faseranteil. Dieselbe Veränderung der Porengröße kann sich auf die Festigkeit und den Wassertransport auswirken. Daher müssen Dämmung und Festigkeit gemeinsam geprüft werden.
Ein angeführter Vergleich ergibt eine Wärmeleitfähigkeit von 0,15 W/(m·K) für einen Strohhalm Magnesiumoxychlorid-Zementblock, gegenüber 0,81 W/(m·K) für einen Tonziegel und 1,51 W/(m·K) für einen Referenzbeton in dieser Quelle. Der Wert von 0,15 bezieht sich auf diesen speziellen Wandbaustein und dessen Testbedingungen. Er gilt nicht für gewöhnlichen Portlandzementbeton, jede Pflanzenfasermischung oder irgendein Ecocretefiber™-Produkt.
Ein Wandprodukt kann attraktiv sein, wenn ein geringerer Wärmefluss und moderate statische Anforderungen angestrebt werden. Bei einem Bodenbelag oder einem stark belasteten Bauteil gilt ein anderes Gleichgewicht. Erkundigen Sie sich nach der Wärmeleitfähigkeit bei der angegebenen Feuchtigkeit und Dichte, den Abmessungen des Elements sowie den relevanten Druckfestigkeits- und Haltbarkeitsprüfungen. Feuchtigkeit kann das thermische Ergebnis beeinflussen, sodass ein im Labor unter Trockenbedingungen ermittelter Wert möglicherweise nicht für eine freiliegende Wand repräsentativ ist.
Wenn ein Hersteller den Schwerpunkt auf die thermische Leistung legt, sollten die vollständig fertiggestellten Einheiten oder Paneele nach einer vereinbarten Methode verglichen werden. ASTM C518-21 ist ein Wärmeflussmessverfahren zur Bestimmung der stationären Wärmeübertragungseigenschaften. Wählen Sie einen geeigneten Versuchsaufbau und halten Sie die Konditionierung, die Probengröße, die Dichte und den Feuchtigkeitsgehalt fest.
Die Wasseraufnahme ist die erste Herausforderung bei der Mischungsauslegung
Pflanzenfasern enthalten häufig Poren und hydrophile Gruppen. Sie können vor oder während des Mischvorgangs Wasser aufnehmen. Dies kann die für die Benetzung von Zement und Zuschlagstoffen verfügbare Wassermenge verringern, den Setzmaßwert oder die Fließfähigkeit verändern und dazu führen, dass sich eine Mischung aus der Produktionsanlage anders verhält als eine kleine Labormischung. Im Einsatz kann die Benetzung eine Faser aufquellen lassen, während das Trocknen zu einem Schrumpfen führt. Wiederholte Veränderungen können die Grenzfläche zwischen Faser und Matrix schwächen.
In der zitierten Übersichtsarbeit wird ein Strohfaser-Verbundwerkstoff beschrieben, dessen Wasseraufnahme mit steigendem Faseranteil zunahm. Ein spezieller Behandlungstest ergab, dass das Waschen oder die Alkalibehandlung die Wasseraufnahme im Vergleich zu den unbehandelten Varianten verringerte. Ein berichtete Tiefstwert lag bei 9,321 TP3T nach einem 12-stündigen Eintauchen einer Mischung aus 51 TP3T Fasern, die in einer 41 TP3T Natriumhydroxidlösung behandelt worden waren. Hierbei handelt es sich um ein eng definiertes Versuchsergebnis. Es stellt weder eine allgemeine Vorhersage für alle Pflanzenfaserbetone dar, noch eine empfohlene chemische Rezeptur für eine Produktionsstätte.
Erfassen Sie in der Produktion den Feuchtigkeitsgehalt der Faser bei Wareneingang sowie deren Wasseraufnahmeverhalten. Ein Vorbefeuchtungsplan, eine kontrollierte Wasseranpassung oder eine andere Faserqualität können die Konsistenz verbessern, doch jede Änderung muss getestet werden. Das Hinzufügen von Wasser, bis eine Mischung verarbeitbar erscheint, kann das effektive Wasser-Bindemittel-Verhältnis erhöhen und die Festigkeit verringern. Bei einigen Mischungen kann eine Anpassung des Superplastifizierers besser geeignet sein, sofern dessen Verträglichkeit geprüft wird.
Messen Sie das Eindringen von Wasser in den Beton getrennt von der Faserabsorption. ASTM C1585-20 misst die Wasseraufnahme von Hydraulikzementbeton über eine freiliegende Oberfläche. Dies ist nützlich, wenn für die jeweilige Anwendung ein Vergleich der Sorptionsfähigkeit erforderlich ist. Es ersetzt weder eine Feuchtigkeitsmessung mittels Fasermethode noch ein Programm zur Überprüfung der Dauerhaftigkeit des Bauwerks.
Warum sich die Zementhydratation verlangsamen kann
Eine Pflanzenfaser enthält mehr als nur Zellulose. Einige Stängel und andere Rohfasern können lösliche Zucker sowie Verbindungen aus Hemicellulose oder Lignin ins Anmachwasser abgeben. Diese Extraktstoffe können die Zementreaktionen verzögern. Die Übersichtsarbeit aus dem Jahr 2020 zitiert Untersuchungen zur Wärmeabgabe, bei denen Stroh die maximale Hydratationsrate senkte und die in den ersten sieben Tagen freigesetzte Wärme reduzierte. Diese Beobachtung gilt für das getestete Stroh und das Bindemittel. Eine gereinigte oder aufbereitete Zellulosesorte könnte sich anders verhalten.
Eine Mischung mit langsamerer Abbindezeit kann das Entformen, die Endbearbeitung oder die frühzeitige Beladung verzögern. Außerdem kann sie die Produktion bei kaltem Wetter erschweren. Ein Werk sollte reine Mischungen und Fasermischungen mit demselben Bindemittel, derselben Wassermenge, denselben Zusatzmitteln, derselben Temperatur und derselben Aushärtungsmethode vergleichen. Erfassen Sie die Fließfähigkeit im frischen Zustand, die Abbindezeit sowie die Früh- und Spätfestigkeit. Wenn die Mischung zementäre Zusatzstoffe enthält, sollten Sie das gesamte Bindemittelsystem qualifizieren, anstatt davon auszugehen, dass eine Änderung des Zementgehalts Unverträglichkeiten behebt.
ASTM C403/C403M-23 kann die Abbindezeit anhand des Eindringwiderstands für geeignete Betonmischungen oder Mörtelfraktionen messen. Die isotherme Kalorimetrie kann zusätzliche Informationen zum Wärmefreisetzungsprofil liefern. Diese Prüfungen geben dem Team Aufschluss darüber, ob die Faseraufbereitung und das Bindemittel unter den geplanten Produktionsbedingungen gut zusammenwirken.
Das Problem der Alkalibeständigkeit und der Haftfestigkeit
Die Porenlösung von gewöhnlichem Portlandzement ist alkalisch. Im Laufe der Zeit kann dieses Milieu Bestandteile einiger Naturfasern angreifen. Feuchtigkeit sowie wiederholtes Befeuchten und Trocknen können zu weiteren Schäden führen. Eine Studie zu Sisal in Zementmatrizen untersuchte den Abbau unter alkalischen, mineralreichen Bedingungen, während andere experimentelle Arbeiten die Alterung von Naturfasern unter alkalischer Einwirkung gemessen haben. Die Lebensdauer eines Verbundwerkstoffs hängt von der jeweiligen Faser und Matrix ab, sodass ein vielversprechendes 28-Tage-Festigkeitsergebnis lediglich einen Ausgangspunkt darstellt. Lesen Sie die Studie zum Abbau der Zementmatrix und experimentelle Alterungsforschung.
Auch die Faseroberfläche kann die Haftung erschweren. Wachse oder Rückstände können den Kontakt mit der Zementpaste beeinträchtigen. Eine Faser, die sich zu leicht herausziehen lässt, kann über einen Riss hinweg nur wenig Last übertragen. Eine sehr starke Haftung an einer spröden Faser kann jedoch zum Bruch der Faser führen. Die optimale Grenzfläche hängt von der erforderlichen Rissbreite und der Belastungsphase ab.
Reinigung, kontrollierte Alkalibehandlung, Beschichtung sowie mechanische oder Plasma-Oberflächenbehandlung sind mögliche Ansätze. Sie weisen unterschiedliche Kosten und Wirkungen auf. Die Behandlung muss hinsichtlich Faserschäden, chemischer Rückstände, Wasseraufnahme, Mischkompatibilität und Langzeitleistung bewertet werden. Der Übersichtsartikel erörtert Kaltplasma als Möglichkeit zur Veränderung der Oberflächenchemie, legt jedoch weder ein universelles Verfahren noch einen wirtschaftlichen Nutzen für jede Pflanzenfaserqualität fest.
Ein Hersteller kann im Rahmen einer auf Dauerhaftigkeit ausgerichteten Auslegung auch Änderungen am Bindemittel, einschließlich geeigneter zementärer Zusatzstoffe, prüfen. Das bedeutet jedoch nicht automatisch, dass ein Material unter allen Einsatzbedingungen sicher ist. Kombinieren Sie beschleunigte Konditionierung mit der Bestimmung der Fasern und Verbundwerkstoffeigenschaften und klären Sie die Einsatzbedingungen mit dem Ingenieur ab.
Wo Pflanzenfasern zum Einsatz kommen und wo weitere Untersuchungen erforderlich sind
Wandplatten, Leichtbauziegel, bestimmte Fertigteilelemente, Putz und ausgewählte Mörtelsorten können eine Kombination aus geringerer Dichte, Kohäsion oder thermischer Leistung aufweisen. Für jedes Produkt gelten dennoch eigene Festigkeits- und Feuchtigkeitskriterien. Ein stark belastetes tragendes Betonbauteil erfordert eine wesentlich höhere Festigkeit, insbesondere wenn die Konstruktion auf Restlast nach Rissbildung. Betrachten Sie nicht jede Pflanzenfaser als direkten Ersatz für Stahlbewehrung oder eine technisch hergestellte synthetische Makrofaser.
Wir bieten ein Ecocretefiber™-Zellulosefaser Option mit angegebenen Schnittlängen und Informationen zur Güteklasse. Es handelt sich um ein verarbeitetes Produkt, nicht um das rohe Stroh oder die Bambusproben aus den zitierten Studien. Die Produktseite kann eine Diskussion über die Güteklasse anstoßen, während die gewählte Mischung einer eigenen Überprüfung bedarf. Wir bieten außerdem eine breiteres Glasfaser-Portfolio wenn PP, PVA, Stahl oder ein anderes Material entspricht dem Leistungsziel besser.
Für einen aussagekräftigen Versuch sollten Sie zunächst das Endprodukt definieren. Wählen Sie eine unbehandelte Referenzprobe und mindestens zwei Faserkonzentrationen aus. Verwenden Sie für jede Versuchsreihe dasselbe Bindemittel, denselben Zuschlagstoff, dieselbe Aushärtung und dieselbe Wasserkontrolle. Erfassen Sie die Faserfeuchte, die Dispersion, die Frischfließfähigkeit, den Luftgehalt, das spezifische Gewicht, die Abbindezeit, die Druckfestigkeit und das Biegeverhalten. Führen Sie zusätzlich Absorptions-, Wärme- und Alterungstests durch, sofern diese Eigenschaften im Einsatz von Bedeutung sind. Fotografieren Sie die gebrochenen Probekörper und notieren Sie, ob Fasern herausgerissen wurden, gebrochen sind oder sich gebündelt haben.
Führen Sie anschließend einen Misch- und Einbauversuch im industriellen Maßstab durch. Die Fasern müssen gleichmäßig zugeführt werden, sich ohne Klumpen verteilen und die gewünschte Oberflächenbeschaffenheit beibehalten. Sollte für die Verarbeitbarkeit mehr Wasser erforderlich sein, sollten Sie die Rezeptur überarbeiten und erneut testen, anstatt die genehmigte Mischung stillschweigend zu ändern. Die optimale Rezeptur ist diejenige, die alle geforderten Eigenschaften bei wiederholbaren Kosten und einem wiederholbaren Verfahren erfüllt.
Häufig gestellte Fragen
Ist Beton mit Pflanzenfasern immer fester als normaler Beton?
Nein. Bestimmte Fasern und geringe Dosierungen verbessern bestimmte Zug- oder Biegewerte, während andere Mischungen an Festigkeit einbüßen. Überschüssiges Wasser, Luft oder eine schlechte Dispersion können die Druckfestigkeit verringern. Vergleichen Sie die gewählte Sorte mit einer reinen Kontrollprobe unter Anwendung derselben Prüfmethode.
Verbessert jede Pflanzenfaser die Wärmedämmung?
Nein. Dichte, Porenstruktur, Feuchtigkeitsgehalt, Bindemittel und Produktgeometrie spielen eine Rolle. Das Beispiel mit 0,15 W/(m·K) bezieht sich auf einen bestimmten Magnesiumoxychlorid-Strohblock und lässt sich keinem anderen Produkt zuordnen.
Können wir die angegebene Dosierung von 0,2 Prozent für Zellulosefasern verwenden?
Nicht direkt. Diese Zahl bezog sich auf den Volumenanteil in einem bestimmten Versuch mit Rapsstängeln. Erfragen Sie die Schüttdichte, entscheiden Sie, ob in Ihrer Produktion volumen- oder massenbasiert dosiert wird, und legen Sie in Ihrem Lastenheft einen Versuchsbereich fest.
Wird die Alkali-Behandlung das Problem der langfristigen Haltbarkeit lösen?
Eine Behandlung kann eine Eigenschaft verbessern und eine andere beeinträchtigen. Wählen Sie ein festgelegtes Verfahren aus und messen Sie anschließend die Wasseraufnahme, die Faserintegrität, das Abbinden, die Festigkeit sowie die erhalten gebliebenen Eigenschaften nach einer entsprechenden Alterungszeit. Befolgen Sie im Werk die entsprechenden Vorschriften für den Umgang mit Chemikalien.
Ist verarbeitete Zellulosefaser dasselbe wie Zelluloseether?
Nein. Eine Zellulosefaser bleibt ein physikalischer Strang, der zur Rissüberbrückung beitragen kann. Ein Zelluloseether ist ein lösliches oder hydratisierbares Pulver, das hauptsächlich zur Veränderung der Wasserretention und der Fließfähigkeit der Frischmischung eingesetzt wird. Die beiden Materialien erfordern unterschiedliche Spezifikationen.
Schlussfolgerung
Pflanzenfasern können in Zementprodukten von Nutzen sein, insbesondere wenn die Rissverteilung, der Zusammenhalt der Mischung, das Gewicht oder das thermische Verhalten eine Rolle spielen. Ihre Wasseraufnahme, Oberflächenchemie, Hydratationseffekte und Alkalibeständigkeit können die Leistungsfähigkeit jedoch auch einschränken. Die genannten Forschungsbeispiele weisen auf eine praktische Regel hin: Prüfen Sie eine bestimmte Fasersorte in einem bestimmten Bindemittel und messen Sie die Eigenschaften, die Ihr Kunde tatsächlich nutzen wird.
Die Shandong Jianbang Chemical Fiber Co., Ltd. kann Ihnen Muster der Ecocretefiber™-Zellulosefasern zur Verfügung stellen und mit Ihnen weitere Faseroptionen für Ihr Produkt besprechen. Kontaktieren Sie unser Team mit Angaben zur Zielanwendung, zum Bindemittel, zur Mischmethode und zu den erforderlichen Prüfungen, damit wir Ihnen bei der Auswahl einer geeigneten Testcharge helfen können.
