Schutz von Gefahrpunkten

Schutz von Gefahrpunkten
Dr. André Peylo, lavTOX
Problemstellung
Gerade in alten Bauwerken liegen Balkenköpfe oder ganze Schwellen auf nicht, oder nicht
mehr gegen Feuchteaufnahme abgedichteten Mauerteilen auf. Besteht in diesen Bereichen die
Gefahr erhöhter Holzfeuchten, können die noch ausreichend tragfähigen Balkenköpfe
vorbeugend geschützt werden (Bild 3).
Eigenschaften
Impel-Bordübel bestehen aus reiner Borsalzen, die als Schmelze in Formen gegossen eine
glasartige Konsistenz annehmen und sich so leicht verarbeiten lassen. Der Vorteil der
gegossenen IMPEL-Bordübeln gegenüber gepreßtem Material besteht (Beauford, Morris 1986)
in der kontinuierlichen und stetigen Freisetzung von Borsäure über lange Zeiträume. Durch die
Herstellung ist Wasser entwichen, so daß Impel-Bordübel hygroskopisch sind und Feuchte aus
der Umgebung anziehen. Dadurch quellen sie und erreichen einen engen Kontakt zu
umgebenden Holz, der für die Diffusion von Bor in das Holz erforderlich ist (Müller, Peylo 2000).
Der durch Diffusion von Bor geschützte Bereich hängt von der Holzfeuchte und der Holzart ab
(Tab. 1), wie bereits viele Autoren aufgezeigt haben (Dicker et a. 1983; Dickinson et al. 1988;
Dietz, Schmidt 1988; Dirol 1988; Edlund et al. 1983; Ruddick et al. 1992; Highley, Ferge 1995).
Die aus der unterschiedlichen Feuchteverteilung resultierenden Verteilungsmuster von Bor in
den bautechnisch bedeutenden heimischen Holzarten Eiche, Fichte und Kiefer zeigt
exemplarisch Bild1 im Querschnitt und Bild 2 in der axialen Ausbreitung für Kiefer.
Impel-Bordübel werden seit fast zwei Jahrzehnten in Skandinavien, England, Kanada und den
USA erfolgreich zum Schutz feuchtegefährdeter Punkte eingesetzt, die nicht der freien
Bewitterung ausgesetzt sind, wie z.B. Balkenköpfe, Auflager, Schwellen, (Bild 3), etc.. Seit
einiger Zeit liegt auch für Deutschland die erste und einzige bauaufsichtliche Zulassung für
einen Feststoff als vorbeugendes Holzschutzmittel vor.
Die Mehrzahl der genannten Arbeiten wurde im Labor unter kontrollierten Feuchtebedingungen
durchgeführt. Dabei zeigte sich, daß ab Holzfeuchten von 20% eine schnelle Diffusion in den
2
Lifetime of Impels in Poles
feuchten und somit pilzgefährdeten Bereichen erfolgt (Bild 2). Zusätzlich belegten
Felduntersuchungen an nachträglich behandelten Fensterrahmen (Edlund et al. 1983), Masten
(Dickinson et al 1988; Dirol et al. 1989; Henningson et al. 1989, Forsyth et al. 1992) und
Eisenbahnschwellen (Bechgaard et al. 1979; Beauford at al. 1987) das Verhalten von ImpelBordübeln unter Feuchtebelastungen.
Tabelle 1: Penetration von Bor aus IMPEL-Bordübeln in Abhängigkeit von Holzart und Holzfeuchte
Feuchte
Penetration axial
Zeit
Kiefer
13-40%
18%
25-40%
40%
18cm (Splint)
8cm (Kern)
11cm
23cm (Splint)
4 Monate
2 Monate
4 Monate
2 Monate
Dirol
Dirol
Edlund et al.
Dirol
Quelle
Fichte
13-40%
40%
10cm
11cm
4 Monate
2 Monate
Edlund et al.
Dirol
Eiche
30%
25%
4cm
8cm
4 Wochen
1 Jahr
Morrell et al.
Highley et al.
Douglasie
20%
8cm
1 Jahr
Highley et al.
Bild 1: Borverteilung aus Impel-Bordübeln bei
einer Lagerung in 90% Luftfeuchte über 6
Wochen: Bor durch Curcumin rot angefärbt.
links Eiche, Mitte Fichte, rechts Kiefer. Auffällig
sind die sehr unterschiedlichen Verteilungsmuster, je nach Feuchteaufnahme der
Holzarten. Während Kiefer eine deutliche elipsoide Verteilung in achsialer Richtung zeigt, ist bei Eiche bereits nach
2cm axial kein Bor im trockenen Holz diffundiert. Dafür zeigt aber die gesamte Oberfläche bei Eiche und Fichte,
auch auf der der Bohrung abgewandten Seite eine Diffusion von Bor! (Maße: Eiche 15*15cm, Fichte, Kiefer
8*16cm).
3
Lifetime of Impels in Poles
Bild 3: Einbauskizze für IMPEL-Bordübel in
Balkenköpfe in einer Mauerkrone
.
Bild 2: Freisetzung von Bor (Curcumin-Färbung) aus IMPEL-Bordübel
bei 25% Holzfeuchte innerhalb von 6 Wochen. Kiefer in Segmente
zerlegt. Ausbreitung axial ca. 20cm. (Maße 7*7cm)
Die notwendige Mindestkonzentration zum Schutz gegen Pilzbefall wird mit 0,1-0,2%
(Massenprozent Borsäure bezogen auf Holz) angegeben (Carr 1959, Cross 1992, Morrell et al.
1998). Ausgedrückt in elementarem Bor entspricht dies 0,017-0,035% oder bezogen auf das in
Deutschland übliche Volumen etwa 0,5-1kg/m³. Bavendamm (1958, 1960) und Becker (1964)
etablierten eine der bauaufsichtlichen Zulassung nach DIN 68 800 zugrunde liegenden
Mindestaufnahmemenge von 1Kg/m³ für die Effektivität gegen Braun- und Weißfäulen sowie
Insekten. Einige Moderfäulen werden jedoch erst bei höheren Konzentrationen von 2kg/m³
sicher gehemmt (Edlund et al. 1983; Henningsson et al, 1986, 1989).
Trotz der erheblichen Anzahl von Untersuchungen blieben jedoch Fragen nach dem
Langzeitverhalten von Impel-Bordübeln offen.
Laborversuche können unter kontrollierten Bedingungen in der Regel nur für begrenzte
Zeiträume erfolgen. Außerdem stellt sich die Frage der Übertragbarkeit der Ergebnisse in die
Praxis. Feldversuche, bzw. Proben aus realen Objekten haben daher gewisse Vorteile, sie sind
jedoch meist nur in geringem Umfang vorhanden und die Umgebungsbedingungen, hier also
die Feuchteverhältnisse, sind oft nicht dokumentiert. Somit ist eine Sicherheit der Ergebnisse
nur durch eine statistische Auswertung möglich, die aber eine große Probenanzahl erfordert.
Diese Datenbasis liegt nun durch eine Untersuchung an über 800 Leitungsmasten über einen
Beobachtungszeitraum von über 8 Jahren vor. Masten stellen durch den direkten Erd- und
somit Feuchtekontakt eine Art von „worst-case“-Betrachtung dar. Die Ergebnisse können aber
aufgrund ihrer Absicherung eine bessere Abschätzung des Verhaltens von Impel-Bordübeln in
Konstruktionsholz ermöglichen.
Diffusionsverhalten von Bordepots in Leistungsmasten
Methoden
Nachschutz mit IMPEL-Bordübeln
Ca. 20.000 Masten hatten im Zeitraum von 1992 bis 1998 jeweils 2 oder 3 Bohrlöcher erhalten,
in die jeweils 3 Impel-Bordübel eingebracht wurden. Masten mit Durchmessern zwischen 150
und 210 mm (Mittel 190 mm) erhielten zwei Bohrlöcher (6 Impels), Masten mit Durchmessern
4
Lifetime of Impels in Poles
zwischen 220 und 260 mm (Mittel 240 mm) drei Bohrlöcher (9 Impels). Somit wurde ein
Maximum von etwa 150g Borsäure eingebracht.
Der theoretische, rechnerische Borsäuregehalt, basierend auf dem Gewicht der Impel-Bordübel
zur Masse des durchbohrten Mastabschnitts (35 cm Länge als Projektionsfläche der schrägen
Bohrungen) beträgt ca. 3,3%. Bei einer mittleren Dichte von 0,5 kann somit eine
Aufnahmemenge von 16,5 kg Bor/m³ Holz berechnet werden.
Die Löcher wurden mit einem festgelegten Winkel von 15cm oberhalb des Erdbodens bis 20cm
unterhalb um den Mast herum angelegt (Bild 4), so daß eine gesamte Bohrlochlänge von ca.
37cm entstand. Das Bohrloch wurde abschließend mit einem Plastikverschluß geschlossen.
Die Masten, in ihrer Mehrheit Fichte, standen auf verschiedenen Standorten mit sandigen,
lehmigen oder feuchten Marschböden.
Felduntersuchungen
Zwischen 1996 und 2000 wurden 832 von diesen Masten jährlich untersucht. Dabei wurde
gemessen, ob die Dübel noch vorhanden waren, indem eine kalibrierte Metallstange in die
Bohrungen gestoßen wurde. Aus der Eindringtiefe, bedingt durch den Widerstand noch fester
Dübel konnte auf die deren Anzahl geschlossen werden. Zur Vereinfachung wurden die Daten
zusammengefaßt, indem die Bohrung entweder als leer (Depot aufgelöst) oder als noch gefüllt
(Dübel oder deren Reste noch vorhanden) bewertet wurden. Die Begründung für diese
Vereinfachung war die Annahme, daß die Borkonzentration im Holz nicht unter die notwendige
Mindestkonzentration fallen kann, solange noch ungelöstes Borsalz als Depot vorhanden ist.
Diese Annahme wurde im Folgenden durch die chemischen Analysen bestätigt.
Anschließend erfolgte eine statistische Auswertung (Peylo, Beechgard 2001).
Bild 4:Beispiel eines Mastes mit zwei Bohrlöchern
Vertikalschnitt
Horizontalschnitt
Chemische Analyse
Bohrkerne wurden 1997 von 14 Masten entnommen, nachdem diese Masten bereits bei der
1996´er Inspektion leere Bohrlöcher gezeigt hatten. Die Masten waren ursprünglich 1992 (5),
1993 (5) und 1994 (4) behandelt worden. Die selben Masten wurden 2000 erneut beprobt.
Zur Analyse wurde jeder Bohrkern in drei Abschnitte, äußere 40mm (A), mittlere 40mm (B) und
inneren Rest (C) aufgeteilt. (Proben B + C wurden bei der 2000´er Probenahme
zusammengefaßt)
Die Proben wurden extrahiert und die gewonnene Lösung photometrisch mit Azomethin H
bestimmt (Peylo 1993)
5
Lifetime of Impels in Poles
Die Holzfeuchte wurde an weiteren Bohrkernen der selben Masten bestimmt, wobei jeweils ein
Bohrkern sofort nach der Entnahme in einen äußeren (40mm) und einen inneren Abschnitt
getrennt und gewogen wurde. Nach der Darrtrocknung bei 103°C wurden die Abschnitte erneut
verwogen, so daß die Feuchte als Gewichtsdifferenz ermittelt werden konnte.
Ergebnisse und Diskussion
Beispielhaft für einen Standort wird der Einfluß des Mastdurchmessers auf die Auflösung der
Dübel in der Graphik 1 gezeigt. Dargestellt ist der Anteil der Bohrlöcher, die noch Dübel oder
deren Reste aufweisen. Zusätzlich ist aufgrund einer statistischen Auswertung ein
Vertrauensbereich mit 80%iger Sicherheit angegeben. Es zeigt sich, daß bei dickeren Masten
nach ca. 7 Jahren die Hälfte der Bohrlöcher leer ist, während unter gleichen
Umweltbedingungen bei den dünneren Masten nach ca. 5 Jahren die Dübel in der Hälfte der
Masten aufgelöst sind.
Anteil der Masten mit Dübeln oder deren Resten [%]
120
100
80
24cm Durchmesser
19cm Durchmesser
60
40
20
0
0
10
20
30
40
50
60
70
Monate
Bild. 2: Anteil der Masten, die nach bestimmten Zeiten noch Impel-Bordübel oder deren Reste enthalten
haben.
Borgehalte
Sogar 8 Jahre nach der Behandlung war die Borkonzentration mehrheitlich oberhalb der
erforderlichen Mindestkonzentration (Tab. 2). Erwartungsgemäß ist die Borkonzentration im
Inneren (C) höher als an der Oberfläche (A). Im Inneren der jüngsten (1994) behandelten
Masten war der Borgehalt deutlich höher als bei Masten mit längerer Standzeit. An der
Oberfläche zeigten
Tabelle 2 Borgehalte in Erdbodenhöhe in Masten, die 1996 bereits leere Bohrlöcher aufwiesen. Trotzdem können
auch im Jahre 2000 noch teilweise ausreichende Borgehalte gemessen werden. Bohrkerne wurden aufgeteilt
in einen Außenbereich (A) 40mm, Mittelteil (B) 40mm und den restlichen Kernbereich (C). B+C sind für
6
Lifetime of Impels in Poles
die Analyse der Proben des Jahres 2000 zusammengefaßt. Die Angabe der Standardabweichung bei den
prozentualen Gehalten zeigt die relativ geringe Streubreite der Ergebnisse.
Ursprünglicher Abschnitt
Nachschutz
Oberfläche (A)
1992
Mitte (B)
Kern (C)
Oberfläche (A)
1993
Mitte (B)
Kern (C)
Oberfläche (A)
1994
Mitte (B)
Kern (C)
Borsäure
[%]
0,25 +-0,16
0,34 +- 0,13
0,57 +-0,39
0,29 +- 0,15
0,43 +- 0,29
0,42 +-0,20
0,29 +-0,12
0,92 +-0,60
1,99 +-1,39
1997
Kg/m³
1,1
1,5
2,6
1,3
2,0
1,9
1,3
5,2
11,2
Borsäure
[%]
0,21 +-0,16
2000
Kg/m³
0,95
0,23 +-0,07
0,10 +-0,03
1,04
0,45
0,17 +-0,06
0,21 +-0,12
0,77
0,95
0,27 +-0,09
1,22
jedoch alle Masten unabhängig von der Standzeit eine ähnliche Borkonzentration, die etwa der
erforderlichen Mindestkonzentration entspricht.
Da die Impel-Bordübel bei allen hier untersuchten Masten bereits 1996 vollständig aufgelöst
waren, zeigt sich hier eine erstaunlich hohe Speicherkapazität für den mobilen Wirkstoff
Borsäure, vor allem unter Berücksichtigung daß in den folgenden drei Jahren die
Borkonzentration nur geringfügig abnahm. Die jüngsten Masten aus dem Jahre 1994 zeigen in
der Verringerung des Bohrgehalts im Zentrum von ca. 11kg auf ca. 1kg die erhebliche
Verlangsamung der Auswaschung mit abnehmendem Borgradienten (Peylo et al. 1995)
Die Analysedaten von 1997 zeigen, daß Bor in Masten mit bereits vollständig aufgelösten
Dübeln in eine Konzentration von 1,1 - 2,8 kg/m3 (Oberfläche-Kern) für mindestens ein Jahr
vorhanden ist, so daß ein Schutz gewährleistet ist.
Die angegebene Standardabweichung zeigt die relativ geringe Streubreite der Einzelwerte, so
daß offenbar eine gleichmäßige Verteilung in den Masten vorliegt und die Probenanzahl nicht
zu zufälligen Aussagen führt.
Da die Holzfeuchte, wie oben bereits genannt, der entscheidende Faktor der Diffusion von
Borsäure ist, wurden die Holzfeuchten in den beprobten Masten bestimmt (Bild 5). Dabei zeigte
sich unabhängig vom Bodentyp (Sand oder lehmig) ein Feuchtegehalt von ca. 40-80% (Mittel
66%) in den äußeren 4cm und 20-40% (Mittel 28%) im Kern. Eine ähnliche Feuchteverteilung
war bereits für Teerölmasten von Morris und Dickinson (1984) gemessen worden.
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Lifetime of Impels in Poles
100,0
90,0
Sand
80,0
Holzfeuchte [%]
70,0
Lehm
60,0
50,0
40,0
30,0
20,0
10,0
0,0
Splint
Kern
Bild 5: Feuchteverteilung in Leitungsmasten (24cm ∅) auf zwei verschiedenen Standorten. Mittelwerte
(farbig) +-Standardabweichung.
Eindeutig ist die zunehmende Geschwindigkeit der Auflösung mit steigender Holzfeuchte, die
im Vergleich der unterschiedlichen Durchmesser deutlich wird.
Umweltaspekte
Verbunden mit der hohen Mobilität von Borsalzen, ist ihre leichte Auswaschbarkeit, die bei der
bauaufsichtlichen Zulassung von reinen Borsalzen ihre Anwendung nur in den
Gefährdungsklassen 1+2 zuläßt. Da Impel-Bordübel aber tief im Inneren des Bauteils
eingesetzt sind, sind sie praktisch der direkten Bewitterung nicht ausgesetzt. Trotzdem sollen
durch einen Vergleich mögliche ökologische Konsequenzen betrachtet werden:
Durch den Nachschutz mit Impel-Bordübeln werden etwa 150g Borsäure eingebracht, die nach
obigen Ergebnissen unter ungünstigen Bedingungen nach 5 Jahren aufgelöst sind. Zur
Vereinfachung wird entgegen obiger Analysedaten eine vollständige Auswaschung
angenommen.
Zum Vergleich werden die Daten eines Auswaschversuches an Telegraphenmasten der
damaligen Deutschen Bundespost herangezogen. Hier ist bei zugelassenen Chrom-KupferBor-Salzen innerhalb von 5 Jahren mit einem Verlust von ca. 35% zu rechnen (Peylo, Willeitner
1995, 1997).
Unter Annahme einer üblichen Aufnahmemenge eines Telegraphenmasten von ca. 10kg
Schutzsalz /m³, das einen Boranteil von 25% aufweist (vergl. Holzschutzmittelverzeichnis 1999
für „Post“-Salze), ergibt sich eine Aufnahmemenge eines durchschnittlichen Mastes von ca.
500g Borsäure. Somit werden während 5 Jahren etwa 175g Borsäure ausgewaschen.
Lifetime of Impels in Poles
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Bei einer üblichen Linie von Leitungsmasten stehen auf einen Hektar etwa drei Masten, die in
der Summe in 5 Jahren eine Freisetzung von ca. 0,5-0,6kg Borsäure ergeben.
Bor ist ein natürliches Mineral und wird in der Landwirtschaft als Spurenelement benötigt (Lloyd
1998; Peylo 2001). Hier werden Mengen von 4 kg Borsäure pro Hektar und Jahr benötigt
(Anonymus 2001). Als Konsequenz dieser einfachen Analogiebetrachtung kann eine
Schädigung der Umwelt weder von geschützten Masten noch durch deren Nachschutz mit
Impel-Bordübeln erwartet werden, wodurch eine begrenzte lokale Freisetzung akzeptiert
werden kann.
Schlußfolgerungen
Zur vollständige Auflösung von Impel-Bordübeln unter der Extrembedingung eines im Erdboden
stehenden Leistungsmastes werden je nach Feuchteverhältnissen aufgrund der
Masteigenschaften (Durchmesser) und Umweltbedingungen 2 bis 10 Jahre benötigt.
Durchschnittlich ist eine statistisch abgesicherte Standzeit von mindestens 5 Jahren in Masten
mit Durchmessern von 15-26cm zu erwarten. Somit sind Impel-Bordübel für einen Nachschutz
derartiger Bauteile geeignet.
Da die Freisetzung des Minerals und Spurenelementes Bor nicht über das bei Masten ohnehin
übliche Maß erhöht wird, das zudem deutlich unter den Anwendungsmengen der
Landwirtschaft liegt, sind keine negativen Auswirkungen zu erwarten.
In einem Gebäude können derartige Bedingungen eigentlich nicht vorkommen, so daß eine
vollständige Auflösung nur in Einzelfällen, wie z.B. der bewitterten Grundschwelle eines
Fachwerkgebäudes möglich erscheint. Da aber die Diffusion von Borsäure bereits bei niedrigen
Holzfeuchten erfolgt, wie sie langfristig durch feuchtes Mauerwerk oder auch Kondensation
entstehen können, ist ein sicherer, gezielter Schutz gefährdeter Punkte mit Impel-Bordübeln
möglich.
Da notwendige Holzschutzmaßnahmen so auf wenige Punkte konzentriert werden können, sind
Impel-Bordübel
eine
ökonomisch
und
ökologisch
günstige
Alternative
zu
Druckimprägnierungen.
Zusammenfassung
Das Diffusionsverhalten von Bor bei Holzfeuchten ab 20% ist seit langen bekannt, so daß eine
große Anzahl von Untersuchungen zur Verteilung von Bor aus Impel-Bordübeln vorliegt. Diese
Untersuchungen beruhen jedoch zwangsläufig auf einem eng begrenzten Probenumfang. Eine
Untersuchung an 832 Leitungsmasten ermöglichte nun breit angelegte, statistisch abgesicherte
Auswertungen, deren Auswertungen auch Rückschlüsse auf das Verhalten von ImpelBordübeln in verbautem Holz gestatten.
Insgesamt hatten etwa 20.000 Leitungsmasten in Dänemark einen Nachschutz mit ImpelBordübeln erhalte, wobei diese als konzentriertes Bor-Depot kapp oberhalb des Erdbodens
eingesetzt werden, von wo aus sie sich langsam auflösen und durch Diffusion im feuchten Holz
der Erd-Luftzone verteilen. Durch die gezielte Behandlung der gefährdeten Zone kann der
Einsatz von Holzschutzmitteln auf ein nötiges Mindestmaß reduziert werden.
Bei der Untersuchung wurde der verbliebene Borgehalt im Holz bestimmt, sowie die Zeit
gemessen, die zur vollständigen Auflösung der Bor-Depots nötig war. Dabei zeigte sich, daß
auch 8 Jahre nach der Behandlung der Borgehalt im Holz über der notwendigen
Mindestkonzentration lag, obwohl die Bor-Depots teilweise bereits seit 4 Jahren aufgelöst
waren. Die Holzfeuchten lagen in den Masten zwischen 20 und 80%.
Lifetime of Impels in Poles
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Somit kann durch die Verwendung von Impel-Bordübeln in periodischen Serviceintervallen von
5-8 Jahren die Standzeit von Masten erheblich verlängert werden, was aufgrund der
geschonten natürlichen Ressourcen auch ökologisch und ökonomisch sinnvoll erscheint.
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