Mechanische Untersuchung von Lehm mit Additiven und natürlichen Rohstoffen als Armierung

Abstract

Die vorliegende Diplomarbeit untersucht mechanische Eigenschaften von Lehm und Lehm mit Additiven und natürlichen Rohstoffen, welche als Armierung dienen. Untersuchte Eigenschaften sind die Biegezugfestigkeit, Druckfestigkeit und Haftzugfestigkeit im Hinblick auf die Verwendung der Materialien in Trockenbaustoffen wie Lehmplatten. Ziel der Arbeit ist es, durch Grundlagenforschung eine Basis zu schaffen, um ein Produkt entwickeln zu können, welches komplett ohne Abfall und für die Umwelt bedenkliche Stoffe auskommt. Das daraus entwickelte Bauprodukt soll ebenfalls ressourcenarm herzustellen sowie möglichst weltweit leicht zugänglich und leistbar sein. Es sind Lehmprobekörper hergestellt worden, die bei Normklima bis zur Massenkonstanz getrocknet und danach beprobt worden sind. Im Rahmen von Vorversuchen lag der Fokus bei der Herstellung auf zwei verschiedenen Verdichtungsarten. Dabei wurde die dynamische Verdichtung mit dem Proctorverdichtungsgerät mit der statischen Verdichtung mittels hydraulischem Druckstempel verglichen. Es zeigte sich, dass bei annähernd gleicher Verdichtung die dynamisch verdichteten Prüfkörper eine um etwa 20% höhere Biegezugfestigkeit als die statisch verdichteten Probekörper aufwiesen. Die Druckfestigkeit lässt sich durch eine dynamische Verdichtung um etwa 40% erhöhen. Es wurde darüber hinaus festgestellt, dass orthogonal zur Verdichtungsrichtung belastete Probekörper im Mittel eine 38% höhere Druckfestigkeit aufweisen als parallel zur Verdichtungsrichtung belastete Probekörper. Eine Literaturrecherche und mechanische Überlegungen führten zur Auswahl folgender Additive bzw. natürlicher Rohstoffe: Flachsgewebe, Filz, Kasein, Kalk gelöscht und Holzfasern. Die Additive Kasein, Kalk gelöscht und Holzfasern wurden dem Lehm in verschiedenen Konzentrationen beigemengt. Durch das Flachsgewebe kann die Biegezugfestigkeit um etwa 4.5% gegenüber dem Referenzprobekörper aus reinem Lehm gesteigert werden. Eine Armierung von Lehmproben mit Filzfasermatten führte bei einer einzelnen Probe zu einer Steigerung der Biegezugfestigkeit auf 240% der Biegezugfestigkeit des unbewehrten Lehmes. Bei allen anderen Proben lag die Biegezugfestigkeit jedoch unter jener der Referenzprobekörper. Die Additive Kasein und Löschkalkbewirkten eine signifikante Verringerung sowohl der Biegezug- als auch der Druck- und Haftzugfestigkeiten. Die Beimengung von Holzfasern in verschiedenen Massenanteilen erhöhte die Haftzugfestigkeit um 11%. Allerdings verringerte sich die Druckfestigkeit um bis zu 20% und die Biegezugfestigkeit um bis zu 35%. Für die zukünftige Forschung ist der Verbund zwischen den Komponenten Flachs-Lehm bzw. Filz-Lehm zu verbessern. Holzfasern bieten das Potential, die Haftzugfestigkeit von Lehmplatten zu erhöhen. Kasein ist ohne Natriumhydrogencarbonat oder Calciumhydroxid nicht in der Lage die Druckfestigkeit von Lehmplatten zu verbessern und die Weiterverfolgung von Lehm mit Löschkalkzusätzen wird nicht empfohlen.

This diploma thesis does research of the mechanical properties of clay with and without additives and natural raw materials that serve as reinforcement. The properties investigated are the flexural strength, compressive strength and adhesive tensile strength with regard to the use of the resources in dry construction materials such as clay panels. The aim of the work is to create a basis through research in order to be able to develop a product that is completely free of waste and substances that are harmful to the environment. The building product developed from this should also be produced using few resources and be accessible and affordable worldwide as easily as possible. Clay test specimens were produced, dried to constant mass at a standard climate and then sampled. In the course of preliminary tests, the focus was on two different types of compaction during production. Dynamic compaction using the Proctor compactor was compared with static compaction using a hydraulic pressure ram. It was shown that with approximately the same compaction, the dynamically compacted test specimens had a flexural tensile strength that wasabout 20% higher than the statically compacted test specimens. The compressive strength can be increased by about 40% by dynamic compaction. It was also found that specimens loaded orthogonally to the direction of compaction had an average 38% higher compressive strength than specimens loaded parallel to the direction of compaction. Literature research and mechanical considerations led to the selection of the additives or natural materials: flax fabric, felt, casein, slaked lime and wood fibres. Casein, slaked lime and wood fibres were added to the clay in different concentrations. The flax fabric can increase the flexural strength by about 4.5% compared to the reference specimen made of pure clay. Reinforcement of clay specimens with felt fibre mats resulted in an increase of the flexural tensile strength to 240% for a single specimen compared to the unreinforced clay. In all other samples, however, the flexural strength was below that of the reference specimens. The additives casein and slaked lime caused a significant reduction in all strengths. Added wood fibres in various mass proportions increased the adhesive tensile strength by 11%. However, the compressive strength decreased by up to 20% and the flexural tensile strength by up to 35%. For future research, it is recommended to improve the bond between the flax-loam or felt-loam components. Wood fibres offer the potential to increase the adhesive tensile strength of clay panels. Casein is not able to improve the mechanical strengths of clay panels without sodium hydrogen carbonate or calcium hydroxide and the pursuit of clay with slaked lime additives is not recommended.