Der Werkstoff Holz zeigt ein ausgeprägtes hygroskopisches Verhalten mit einer Vielzahl davon abgeleiteter Erscheinungen wie Veränderung des Feuchtegehalts bzw. Einstellen eines Feuchtegleichgewichts in Wechselwirkung zur umgebenden Atmosphäre, Quell- und Schwinderscheinungen usw. Holz ist ein zellular aufgebauter poröser Werkstoff, dessen Zellwände wiederum in mehreren Schichten strukturiert sind, wobei im Holz des lebenden Baums jeder Schicht eine ganz besondere Aufgabe zukommt. Aus dieser perfekten Zell- und Laminatstruktur erklärt sich das nahezu unglaubliche Leistungsverhältnis des Holzes hinsichtlich der Festigkeit und Steifigkeit im Verhältnis zu seiner Dichte. Die poröse Leichtbaustruktur des Holzes hat den Vorteil, bei geringstmöglichem Materialeinsatz bestmögliche mechanische Eigenschaften zu erzielen. Sie ermöglicht aber auch die intensive Wechselbeziehung von Holz und Feuchtigkeit.
Wasser in den Quellkapillaren der Holzzellwand
Der zelluläre Aufbau des Holzes und die submikroskopische Struktur der Holzzellwand ermöglichen es Gasen, wie Wasserdampf durch den Werkstoff zu diffundieren. Die kapillarporöse Struktur der Zellwand ergibt eine »innere« Oberfläche des Holzes von etwa 100m² pro Kubikzentimeter. Die Fläche ist gegenüber dem Wasserdampf in der Luft physikalisch hoch reaktiv und kann somit Feuchtigkeit aus der Umgebungsluft aufnehmen (adsorbieren) oder an sie abgeben (desorbieren). Daraus ergibt sich bei einer gegebenen Temperatur ein exakt beschreibbares Feuchtegleichgewicht zwischen dem Feuchtegehalt der Luft und dem Feuchtegehalt des Holzes, das durch die Sorptionsisotherme beschrieben ist.
Die Feuchteaufnahme aus der Umgebungsluft erklärt sich aus verschiedenen physikalischen Phänomenen in der Holzzellwand sowie dem Dipolcharakter des Wassermoleküls. Die »innere« Oberfläche des Holzes ist durch die chemischen Bestandteile des Holzes, der Zellulose und Hemizellulose elektrochemisch polar und damit in der Lage, die Wasser-Dipole aus der Umgebungsluft an sich zu binden (Sorption). Damit wird der ursprünglich in der Luft gasförmig vorliegende Wasserdampf kondensiert und hat den Charakter einer Flüssigkeit. Da diese Verflüssigung des Wasserdampfes in feinsten Kapillaren zwischen der fibrillären Struktur der Zellwand erfolgt, baut sich im Zuge dieser Verflüssigung ein entsprechender Kapillardruck auf. Dieser Kapillardruck verbreitert die Zellwände, was makroskopisch als Quellung des Holzes oder im Falle des Abtrocknens als Schwindung erkennbar wird.
Der Kapillardruck in der Zellwand kann enorme Werte bis zu theoretisch 500N/mm² annehmen. Durch die Zellmorphologie werden praktisch wesentlich kleinere Werte zwischen 4 bis 30N/mm² wirksam. Die Drücke sind immer noch groß genug, um beträchtliche Bauschäden infolge von Quellen und Schwinden von Holz zu verursachen, wie zum Beispiel das Abheben eines auf einen Betonestrich verklebten Fußbodenbelags bei zu großen Feuchtigkeitsschwankungen.
Nachdem Holz durch seine Zellstruktur anisotrop aufgebaut ist, erfolgt auch das Quellen und Schwinden in den anatomischen Hauptrichtungen des Holzes (längs, radial und tangential) in unterschiedlichem Ausmaß. Als Faustregel gilt dabei, dass sich die Quell-/Schwindmaße längs zu radial zu tangential wie etwa 1:10:20 verhalten.
Das Schwindmaß pro 1% Feuchteänderung liegt bei den einheimischen Nadelhölzern im Mittel bei radial ca. 0,16%/% und tangential bei ca. 0,32%/%. Eine Änderung der Holzfeuchte von nur 5% führt damit zu einem radialen Schwindmaß von 5% x 0,16%/% = 4%. Eine einen Meter breite Massivholzplatte würde bei der angegebenen Feuchteänderung also in radialer Richtung (das entspräche einer stehenden Jahrringlage) um 4% oder 4mm schwinden, bei liegenden Jahrringen, also in tangentialer Richtung, sogar um das Doppelte. Das sehr geringe Quell-/Schwindmaß in der Längsrichtung des Holzes ist in den meisten baupraktischen Fällen ohne Bedeutung. Massivholz wird daher bei maßhaltigen Bauteilen immer stabförmig bzw. in Rahmenkonstruktionen eingesetzt.
Dem bei vielen Einsätzen von Holz nachteiligen Quellen und Schwinden kann handwerklich durch verschiedene Maßnahmen entgegengewirkt werden. Die stabförmige Rahmenkonstruktion eines Türrahmens mit einer darin beweglichen Füllung ist dafür ein typisches Beispiel. Ebenso reduzieren bzw. vergleichmäßigen bestimmte Verlegemuster bei Parkett wie z.B. die Fischgrätverlegung oder das Schachbrettmuster die Quell- und Schwindbewegungen des Parkettbodens.
Das Sperrholz als Holzwerkstoff ist wiederum eine technische Lösung, wo sich verleimte Längs- und Querlagen von Furnieren gegenseitig am Quellen und Schwinden behindern und so ein vergleichsweise dimensionsstabiler Flächenwerkstoff geschaffen wurde.
Holzmodifikation – ein Ausweg aus dem Dilemma des Quellens und Schwindens
Ganz allgemein umfasst der Begriff Modifizieren einen Vorgang, der etwas in Hinblick auf bestimmte Erfordernisse oder Gegebenheiten abwandelt, d.h. das Herbeiführen einer Veränderung. Der Begriff Holzmodifikation hat sich daher primär mit Bezug auf eine Veränderung bzw. Verbesserung des Feuchtigkeitsverhaltens und damit eng verbunden auch der Verbesserung der Dauerhaftigkeit des Holzes durchgesetzt. Dabei werden unterschiedliche Verfahren eingesetzt:
Thermische Modifikation
Durch eine Hitzebehandlung des Holzes im Temperaturbereich von 150 bis über 250°C werden die Sorptionsstellen für Wasser in der Zellwand abgebaut bzw. vernetzt. Dadurch kann der Wasserdampf der Umgebungsluft nicht mehr adsorbiert werden und das Holz reagiert nur mehr in ganz geringem Ausmaß auf Luftfeuchteänderungen. Gleichzeitig wird das Holz auch gegenüber holzabbauenden Pilzen resistent.
Thermisch modifiziertes Holz wird unter verschiedenen Handelsnamen wie Thermoholz, Thermowood usw. am Markt angeboten.
Chemische Modifikation
Durch bestimmte Vernetzungs- bzw. Propfungsreaktionen chemischer Reagenzien wie Essigsäureanhydrid, Furfurylalkohol etc. mit reaktiven Gruppen in der Holzzellwand werden die Sorptionsstellen vernetzt, sodass keine Reaktion des Wasserdampfes aus der Luft mit den Holzbestandteilen mehr möglich ist. Das Holz ist gewissermaßen im gequollenen Zustand stabilisiert.
Ebenso können die interfibrillären Hohlräume der Zellwand durch Imprägnierharze oder andere Polymere gefüllt werden und damit auch der Zugang des Wasserdampfes zum Holz verhindert werden.
Die Verfahren der chemischen Modifikation sind relativ teuer, aber sehr wirkungsvoll. Einige Verfahren sind derzeit bereits marktgängig.
Positive Aspekte der Holz-Feuchte-Relationen
Die Diffusion von Wasserdampf durch das Holz und die Sorption von Wasserdampf hat neben den oben beschriebenen negativen auch einige positive Aspekte. Die Sorptionsaktivität des Holzes kann beispielsweise zur Pufferung von Schwankungen der Raumluftfeuchte genutzt werden. Bei kurzzeitigen Feuchtespitzen diffundiert Wasserdampf in das Holz und kann später wieder an die Raumluft abgegeben werden. Allerdings wird diese feuchteausgleichende Wirkung des Holzes vielfach überschätzt, da sie eine möglichst diffusionsoffene Oberfläche des Holzes und entsprechend große Holzflächen in Relation zum Raumvolumen erfordert.
Schwindverformung von Holzquerschnitten infolge der Jahrringlage durch unterschiedliches Schwinden in tangentialer (ßtan) und radialer (ßrad) Richtung. Beim gezeigten Brettquerschnitt schwindet die Brettoberseite durch einen höheren Anteil an liegenden Jahrringen (ßtan) stärker als die Brettunterseite mit vorwiegend radialer Jahrringstruktur (ßrad).
Sorptionsisotherme von Holz für 20°C. Zwischen der relativen Luftfeuchte (φ) und der Holzfeuchte (ω) besteht ein funktionaler Zusammenhang. Ablesebeispiel: Eine Raumluftfeuchte von 50% ergibt eine Gleichgewichtsholzfeuchte von ca. 10%. Bei einem Verbund zweier Werkstoffe mit unterschiedlicher Sorptionsisotherme (z.B. Verklebung eines Holzparketts auf Betonestrich) müssen die einzelnen Werkstoffe hinsichtlich ihrer Feuchte aufeinander abgestimmt sein (z.B. Holz 10%, Estrich ca. 1,8%), um miteinander im Gleichgewicht zu stehen.
Text
Univ.-Prof. DI Dr.
Alfred Teischinger
geboren 1954
Studium der Holzwirtschaft an der Universität für Bodenkultur Wien
Professor für Technologie des Holzes und Leiter der Versuchsanstalt für Holzindustrie, htbluva Mödling
Seit 2000 Professor für Technologie des Holzes an der BOKU Wien und wissenschaftlicher Leiter des Kompetenzzentrums für Holzverbundwerkstoffe und Holzchemie (Wood K plus)
alfred.teischinger@ boku.ac.at
Holzspektrum – Ansichten, Beschreibungen und Vergleichswerte
Josef Fellner, Alfred Teischinger, Walter Zschokke
proHolz Austria (Hrsg.), Wien 2006
116 Seiten, Leinenschuber
ISBN 3-902320-31-1, €75,-
Das Buch enthält ganzseitige Faksimiledrucke, Bildbeispiele, Illustrationen und Beschreibungen (Vergleichswerte, Kenndaten, Verwendungshinweise) von 24 heimischen Holzarten sowie eine Kollektion der Holzabbildungen als perforierte Farbmusterkarten.
Zu bestellen unter:
shop.proholz.at
