Wärmeleitfähigkeit und Dichte von Baustoffen

Die Wärmeleitfähigkeit λ [W/m K] ist eine Stoffeigenschaft, die in Baustoffen überwiegend auf der Übertragung von Schwingungsenergie durch die mechanische Kopplung benachbarter Atome beruht. Die Wärmeleitung ist besonders hoch, z. B. bei Metallen, wenn parallel zur Energieleitung durch Übertragung der Schwingungsenergie der Atomrümpfe frei bewegliche Elektronen bei Stoßprozessen Energie transportieren. Der Beitrag dieser beiden Mechanismen zur Wärmeleitung ist abhängig vom Werkstoff.

In der Bauindustrie liegt seit vielen Jahren ein Schwerpunkt auf der Entwicklung von Dämmstoffen bzw. von Baustoffen mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit. Die Grundstrategie bei diesen Entwicklungen liegt vorzugsweise in dem Einbringen von ruhenden Gasschichten zwischen Mineral-, Glas-, Holz- oder Korkfasern. Ebenso in der Porosierung von Mauersteinen z. B. aus Beton oder Ziegel bzw. in der Zugabe von porigen Zuschlägen wie z. B. Bims oder Liapor. Die Wärmeleitfähigkeit dieser Dämmstoffe liegt in der Regel bei λ < 0,5 W/m K.

Aufgrund dieser Maßnahmen zur Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit wurde zwangsläufig auch die Dichte ρ [g/cm³] der Bauelemente gesenkt. Entsprechend den nachstehenden Diagrammen liegt die Dichte gängiger Leichtbauelemente meist zwischen ρ = 0,20 g/cm³ und 0,80 g/cm³.

Eine Zielsetzung in der Werkstoffentwicklung unserer Firma liegt darin, mechanisch stabile Bauteile mit einer niedrigen Dichte und einer deutlich höheren Wärmeleitfähigkeit im Vergleich mit den marktgängigen Bauelementen zu entwickeln. Die entsprechend den physikalischen Gesetzen zwangsläufige Abnahme der Wärmekapazität unserer Bauteile lässt sich z. B. mit dem Einbinden von Phasenwechselmaterialien (PCM) ausgleichen. Die sehr hohe Temperaturleitfähigkeit unserer Bauteile begünstigt zudem den effizienten Einsatz von PCM-Materialien, insbesondere bei Temperier- und Speichersystemen.

In den nachstehenden zwei Balkendiagrammen ist der Vergleich der Wärmeleitfähigkeiten zwischen zementgebundenen Graphitbauteilen und marktgängigen Bauteilen dargestellt.

Porosität von Baustoffen

Die Porosität von Baustoffen stellt eine wichtige dimensionslose Kenngröße dar und beschreibt das Verhältnis von Hohlraumvolumen zu Gesamtvolumen eines Baustoffes oder Stoffgemisches.

Die Porosität liegt z. B. bei Ziegeln in der Größenordnung von 10 % bis 40 %.

Durch eine gezielte Verwendung unterschiedlicher Graphitsysteme wurden in Verbindung mit dem Bindemittel Zement Baustoffe entwickelt, die eine einstellbare offene Porosität von Leichtbauelementen zulassen.

Bei diesen Bauteilen aus zementgebundenem Graphitmahlgut kann die offene Porosität zur Aufnahme und Abgabe von Flüssigkeiten wie Wasser genutzt werden und somit auch zur Verbesserung des Raumklimas beitragen.

Eine signifikante Dimensionsänderung der Bauteile liegt hierbei nicht vor, da die Flüssigkeit vorzugsweise von den vorhandenen Poren des Graphitmahlguts aufgenommen wird.

Bisherige Versuche zeigen, dass ein wiederholtes Einfrieren und Auftauen von wassergetränkten Bauteilen aus zementgebundenem Graphitmahlgut unbedenklich zu sein scheint.

Elektromagnetische Schirmung von Baustoffen

Elektromagnetische Wellen sind durch ein elektrisches und magnetisches Feld gekennzeichnet. Die Maßeinheit für die Leistungsflussdichte S ist Watt pro Quadratmeter [W/m²].

Die Schirmung bzw. Dämpfung dieser Wellen durch Werkstoffe, insbesondere Baustoffe, basiert auf zwei Mechanismen, die in der Regel immer gleichzeitig stattfinden. Elektromagnetische Wellen werden von Baustoffen reflektiert und absorbiert.

Eine hohe Reflektion elektromagnetischer Wellen erfordert elektrisch gut leitende Baustoffoberflächen, die beispielsweise durch metallische Partikel in Farben, Spachtelmassen oder Putzen wie auch durch die Verwendung von metallischen Geweben aus Kupfer, metallisierten Polymergeweben, oder durch die Verwendung von Folien aus Aluminium oder Blei erreicht werden.

Eine hohe Absorption elektromagnetischer Wellen erfordert in Baustoffen das Vorhandensein elektrisch leitfähiger Partikel, die vorzugsweise ein elektrisch leitfähiges Netzwerk, ein sogenanntes Perkolationsnetzwerk bilden. Die absorbierte Strahlenenergie wird vom Baustoff in Wärme umgewandelt. Eine elektrische Erdung dieser Baustoffe ist vorzunehmen.

Die Bewertung der Schirmdämpfung wird häufig als Dämpfungsfaktor in Dezibel, z. B. 20 dB, 30 dB oder als Schirmwirkungsgrad in Prozent z. B. 99 % oder 99,9 % angegeben. Der Schirmwirkungsgrad bezeichnet hierbei die Reduzierung der eingestrahlten Leistungsflussdichte.

Baubiologisch wohngesunde Putze aus lehmgebundenen Naturgraphit weisen hohe Dämpfungen elektromagnetischer Wellen auf.

Graphit-Lehmputz zur Abschirmung elektro­magnetischer Wellen

Aus Naturgraphit und Lehm wurde ein baubiologisch empfehlenswerter Baustoff entwickelt, der neben sehr guten Materialkennwerten über eine hohe Schirmdämpfung verfügt. Dieser Graphit-Lehmbaustoff kann sowohl als Grundputz als auch auf bestehenden Putzflächen oder auf Trockenbauplatten eingesetzt werden.

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