Cellulose-based materials are widely used in a number of important applications (e.g. paper, wood, textiles). Additional developments are suggested by the growing interest for natural fibre-based composite and nanocomposite materials. The motivation is not only in the economic and ecological benefits, but is also related to advantageous properties and characteristics. The objective of this thesis is to provide a better understanding of process-structure-property relationships in some novel cellulose network materials with advanced functionalities, and showing potential large-scale processability. An important result is the favourable combination of mechanical properties observed for network-based cellulose materials. Compression-moulding of cellulose pulp fibres under high pressure (45 MPa) and elevated temperature (120 – 180 oC) provides an environmentally friendly process for preparation of stiff and strong cellulose composite plates. The structure of these materials is characterized at multiple scales (molecular, supra-molecular and microscale). These observations are related to measured reduction in water retention ability and improvement in mechanical properties. In a second part, cellulose nanofibrils (NFC) are functionalized with in-situ precipitated magnetic nanoparticles and formed into dense nanocomposite materials with high inorganic content. The precipitation conditions influence particle size distributions, which in turn affect the magnetic properties of the material. Besides, the decorated NFC network provides high stiffness, strength and toughness to materials with very high nanoparticle loading (up to 50 vol.%). Subsequently, a method for impregnation of wet NFC network templates with a thermosetting epoxy resin is developed, enabling the preparation of well-dispersed epoxy-NFC nanocomposites with high ductility and moisture durable mechanical properties. Furthermore, cellulose fibrils interact positively with the epoxy during curing (covalent bond formation and accelerated curing). Potential large scale development of epoxy-NFC and magnetic nanocomposites is further demonstrated with the manufacturing of 3D shaped compression-moulded objects. Finally, the wet impregnation route developed for epoxy is adapted to prepare UV-curable NFC nanocomposite films with a hyperbranched polymer matrix. Different chemical modifications are applied to the NFC in order to obtain moisture durable oxygen barrier properties. / <p>QC 20131111</p>

Sustainable agriculture is a crucial factor to be considered in order to meet the growing demand for food production. The need for low cost and highly functional materials to provide the most efficient cultivation process has led the agriculture industry to consume petrochemical and mineral based material in an enormous amount. Thus, disposal of the used mulch materials has become a serious environmental issue. In this work, the possibility of using wood pulp fibre in two distinct applications in agriculture is investigated. First, agricultural mulching is the subject of the study and second, we focus on using wood pulp fibre as growing medium in greenhouses. Mulching in agriculture is an essential practice in order to have high crop yield, healthy products, and more efficient cultivation process. Over the years, agricultural mulch has been made out of a variety of materials. The most common of all is plastic mulch due to its low price and high functionality. However, the problems associated with applying and removing the enormous load of plastic and their disposal have made it an option far from ideal. Therefore, there is a need to develop mulches based on biodegradable materials. Paper-based mulch is one of the candidates, In the first chapter of this work, with a review of previous works in this area, we attempt to develop a new spray-able mulch based on wood pulp fibre. A novel foam forming method is utilised to deposit wood pulp fibres in combination with other chemicals as an evenly distributed fibre network on a porous bed. Currently available paper based-mulch is of a very high basis weight. In first part of this work, application of a foam formed low basis weight paper-based mulch is investigated. Whereas, in the second chapter, the use of wood pulp fibres in a similar function as “rockwool” in soilless greenhouse farming is investigated. Rockwool is named after fibres made of melted minerals at temperatures as high as 2000°C. Rockwool is used as blocks for seeds growth and propagation and as an alternative for soil in greenhouses. The feasibility of microenvironment control of the rockwool blocks in crop production plus its low cost have made is popular. However, their disposal has always been an environmental issue. The biodegradability of wood pulp fibres is a great advantage over mineral fibres used in rockwool. In the second chapter of current work, we study the possibility of using wood pulp fibres as carriers for agriculturally beneficial chemicals. Specifically, we focus on binding and release properties of small organic molecules from wood pulp fibres. The goal is to achieve an understanding of the capability of wood pulp fibres to be used in building biodegradable growing medium blocks in greenhouses. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

The aim of this research was to study the effect of pre-treatment and modification processes on the properties of hemp cellulose fibre for biopolymer composites application. Hemp fibres have been modified by various extraction, swelling, chemical and enzymatic treatments. The morphology and mechanical properties of the modified fibres have been measured. Biopolymer composites have been prepared using the modified fibres and matrices of cellulose acetate butyrate and cellulose solutions derived from hemp. The first fibre treatment employed was acetone extraction and mercerization. A low pressure acrylonitrile grafting initiated by azo-bis-isobutylonitrile was performed using alkali treated fibre. The AN grafted fibres had no transformation of crystalline structure as observed after mercerization. The mechanical properties performed by a single fibre test method were strongly influenced by the cellulose structure, lateral index of crystallinity, and fraction of grafting. Bioscouring of hemp using pectate lyase (EC 4.2.2.2), Scourzyme L, was performed. Greater enzyme concentration and a longer treatment improved the removal of the low methoxy pectin component. Removal of pectate caused no crystalline transformation in the fibres, except for a slight decline in the X-ray crystalline order index. Smooth surfaces and separated fibres were evidence of successful treatment. The shortening of fibre by grinding and ball-milling was introduced to achieve a desired fibre size. An increase in the milling duration gradual ly destroyed the crystalline structure of the cellulose fibres. An increase in solvent polarity, solvent-fibre ratio, agitation speed and drying rate resulted in the rearrangement of the ball-milled cellulose crystalline structure to a greater order. The thermal degradation behaviour of hemp fibres was investigated by using TGA. The greater activation energy of treated hemp fibre compared with untreated fibre represented an increase in purity and improvement of structural order. The all hemp cellulose composites were prepared by an introduction of fibres into 12% cellulose N-methyl-morpholine N-oxide (NMMO) solution and water-ethanol regeneration. A broadening of the scattering of the main crystalline plane, (002) and a depression of the maximum degradation temperature of the fibres were observed. These revealed a structural change in the fibres arising from the preparation. The mechanical properties of composites depended on size, surface area, crystallinity and the structural swelling of the fibres. Composites of cellulose acetate butyrate (CAB) and modified hemp fibres were prepared. Composites containing pectate lyase enzyme treated fibres showed better mechanical property improvement than untreated and alkali treated fibres respectively.

<p>Smart textiles, characterized by their ability to sense and react to various environmental stimuli, represent an evolution beyond conventional textiles, with wide-ranging applications across healthcare, sports, fashion, and defense sectors. However, the prevalent use of synthetic, petroleum-based fibers in the production of these textiles presents significant environmental and sustainability challenges. This thesis addresses this concern by exploring the functionalization of cellulose fibers—a biodegradable and renewable resource—for use in smart textiles.</p><p>The central objective of this research is to develop methodologies for the functionalization of cellulose fibers that can impart them with the requisite properties. We have developed a smart textile with integrated sensor networks and self-powering units, which features excellent stretchability, bendability, washability, and comfort, without additional uncomfortable, bulky, and rigid power sources. Via a facile infiltration process, an active polymer-based semiconductor is incorporated into the primary thread and textile towards the realization of a high-performance, self-powered biaxial motion detection, and sensing network.</p><p>The results demonstrate that, through strategic functionalization, cellulose fibers can indeed be transformed into smart materials, effectively integrating the benefits of interactive textiles with the sustainability of cellulose. By bridging the gap between sustainability and functionality, this thesis points towards a future where the textile industry can thrive on the intersection of ecological responsibility and technological innovation.</p>

Im Zentrum der vorliegenden Arbeit steht ein zementgebundener Leichtbeton auf der Basis von aus Altpapier herausgelösten Cellulosefasern; hierfür wird im Folgenden die Bezeichnung CFLC (Cellulose-Fibre Lightweight Concrete) verwendet. Die Intention zur Untersuchung dieses mitunter auch als Papercrete bezeichneten und bislang nur verhältnismäßig wenig erforschten Materials beruht insbesondere darauf, dass von einer Kombination eines leicht verfügbaren pflanzlichen Faserstoffs mit einem mineralischen Bindemittel eine Reihe positiver Wechselwirkungen erwartet werden darf. Am Anfang stehen Erläuterungen zur Spezifik dieses Materials und eine Einordnung in den Kontext der üblichen Leicht- und Faserbetone. Nach einer Darstellung und Diskussion der bisher vorhandenen Erkenntnisse erfolgt eine Präzisierung der Aufgabenstellung. Anschließend werden die Besonderheiten von aus Altpapier herausgelösten Cellulosefasern vorgestellt und die charakteristischen Eigenschaften dieser Fasern beschrieben. Es folgen weiterhin Betrachtungen zur Problematik des Faseraufschlusses. In diesem Zusammenhang werden Wege aufgezeigt, wie dieser Prozess in betontechnologischer Hinsicht labor- und großtechnisch umgesetzt werden kann. Im Hinblick auf den Mischungsentwurf erfolgt eine Vorstellung von Methoden zur Bestimmung der für die Stoffraumrechnung relevanten Faserkennwerte. In einem weiteren Schritt werden die Methodik und der entwickelte Algorithmus für einen zielgerichteten Mischungsentwurf erläutert sowie eine Variante zur technologischen Klassifizierung von CFLC-Grundtypen vorgestellt. Nach Betrachtungen zur Auswirkung einer Cellulosefaserzugabe auf die Frisch- und Festbetoneigenschaften wird eine auf die Trockenrohdichte hin ausgerichtete Rezepturentwicklung anhand eines Beispiels demonstriert. Im Folgenden werden die Ergebnisse der umfangreichen Untersuchungen hinsichtlich der durch die Faserzugabe deutlich veränderten Frischbetoneigenschaften des CFLC sowie die Auswirkungen auf den Mischvorgang und die Einbautechnologie erläutert. Diesbezüglich erfolgt auch eine Darstellung der Erkenntnisse, die bei großtechnischen Versuchen mit dem CFLC in zwei Betonwerken gewonnen wurden. Des Weiteren werden die Ergebnisse aufgezeigt, die während begleitender Untersuchungen zum Erhärtungs- und Trocknungsprozess erzielt wurden. Dabei werden die strukturellen Auswirkungen der Hydratation des Zementes und der Trocknung beschrieben sowie die Aspekte erörtert, die im Zusammenhang mit der durch die Cellulosefaserzugabe verbundenen Erhärtungsverzögerung und den möglichen Gegenmaßnahmen stehen. Weiterhin werden auch Betrachtungen zur Effektivität einer Festigkeitssteigerung durch die Zugabe von Mikrosilika sowie zu den mit dem Trocknungsprozess einhergehenden Schwindverkürzungen durchgeführt. Schließlich erfolgt eine Darstellung der bei den Untersuchungen zu den Festbetoneigenschaften gewonnenen Erkenntnisse. Dabei werden die wesentlichsten mechanischen Kennwerte sowie das hygrische und wärmetechnische Verhalten unter Einbeziehung von Porositätskennwerten beleuchtet. Weiterhin erfolgt eine Beurteilung der Dauerhaftigkeit auf der Basis von Zeitraffer- und Auslagerungsversuchen. Das durch die Anwesenheit von Cellulose bestehende Risiko gegenüber einem biologischen Angriff wird dabei durch die Übertragung eines für Holzwerkstoffe üblichen Verfahrens bewertet. Einen wesentlichen Bestandteil dieser Arbeit stellen die bruchmechanischen Untersuchungen am CFLC dar. Nach einer Darstellung der verwendeten Ansätze und Kennwerte werden Überlegungen zur modellhaften Beschreibung des Verformungs- und Rissverhaltens erläutert. Weiterhin werden Möglichkeiten der optischen Erfassung von Bruchprozessen bzw. der mikroskopischen Untersuchung von Bruchflächen dargelegt. Dabei werden geeignete Wege zur Bestimmung geometrischer Kennwerte aufgezeigt. Das Versuchsprogramm zu den bruchmechanischen Untersuchungen konzentriert sich auf haufwerksporige CFLC-Zusammensetzungen im Bereich des Infraleichtbetons. Um eine Einordnung der ermittelten Ergebnisse vornehmen zu können, erfolgt die Einbeziehung von Porenbeton aus einem vergleichbaren Rohdichtebereich. Die gewonnenen Erkenntnisse basieren schwerpunktmäßig auf einaxialen Zugversuchen; mit in die Betrachtungen einbezogen werden allerdings auch Ergebnisse, die bei parallel durchgeführten Biege- und Druckversuchen gewonnen wurden. Zur Erfassung des Verformungs- und Bruchverhaltens des CFLC wird ein Ansatz auf der Basis des klassischen Wachstumsmodells formuliert. Auf der Grundlage der experimentellen Untersuchungen erfolgt letztlich eine Charakterisierung des Materialverhaltens durch die Beschreibung des typischen Kurvenverlaufs (Masterkurve). Darüber hinaus werden Betrachtungen zur Korrelation zwischen den bruchmechanischen Kennwerten und den geometrischen Texturkennwerten der Bruchflächen angestellt. Die anschließende Diskussion über die Ursachen der Strukturänderungen und den Rissbildungsprozess erfolgt unter Einbeziehung eines modellhaften Ansatzes zur Beschreibung der inneren Kontaktfläche zwischen den CFLC-Partikeln bei einer haufwerksporigen Situation. Das enorme Wasserspeichervermögen der Cellulosefasern hat zur Folge, dass die CFLC-Zusammensetzungen von jenem Wasseranteil dominiert werden, welcher für den Faseraufschluss benötigt wird. Eine Steigerung des Cellulosefaseranteils im Gesamtgemisch hat somit automatisch einen Anstieg der Porosität des trockenen Materials zur Folge, wodurch die ausgeprägte Abhängigkeit fast aller Kennwerte vom Cellulosefaseranteil resultiert. Hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften wurde festgestellt, dass der Bewehrungseffekt der Fasern nicht in der Lage ist, die Festigkeitseinbußen infolge des Ansteigens der Porosität zu kompensieren. Eine Cellulosefaserzugabe hat aber generell eine positive Auswirkung auf die Duktilität und bewirkt zudem die Entstehung einer nennenswerten Tragfähigkeit nach einer begonnenen Makrorissbildung. / The present work addresses a cement-bound lightweight concrete incorporating cellulose fibres extracted from waste paper; use is hereinafter made of the acronym CFLC (cellulose-fibre lightweight concrete) to describe the resultant product. The main case for investigating this, as yet, comparatively under-researched material, also commonly referred to as “papercrete”, is that the act of combining readily available fibrous plant material with a mineral binding agent can be expected to yield a number of positive interactions. The first step involves elucidating the material’s specific characteristics and contrasting it with other lightweight, fibre-based concretes. Following exposition and discussion of insights arrived at in past studies, the precise nature of the task in hand is defined. The distinguishing features and characteristic properties of cellulose fibres extracted from waste paper are then set out and this is followed by a number of observations on the problems involved in pulping such fibres. Means of implementing the process both in the laboratory and during the full-scale engineering of concrete are also pointed up here. Methods of determining those fibre characteristics that are of relevance to the material volume calculation to be performed in respect of the mix design are similarly presented. In a further step, the methodology adopted and algorithm developed for a target-responsive mix design are elucidated and a system for the technological classification of basic types of CFLC is presented. Following deliberation on how adding cellulose fibres affects the properties of fresh and hardened concrete, a formulation geared towards a specific dry bulk density is demonstrated citing an illustrative example. Thereafter, the results of exhaustive studies regarding the significant changes to the properties of fresh CFLC brought about by adding fibres and the implications these have for the mixing process and placing technology are explained. The findings arrived at during full-scale trials with CFLC in two concrete works are also set out in this context. Likewise detailed are the results gained from accompanying studies of the hardening and drying process. The section provides a description of the structural consequences of hydrating and drying cement before addressing aspects with a bearing on the delay in hardening brought about by adding cellulose fibres as well as on potential countermeasures. There is also analysis here of whether adding microsilica occasions any increase in mechanical strength, consideration similarly being given to levels of shortening through shrinkage during the drying process. The work concludes by setting out the findings arrived at when studying the properties of the hardened concrete. Light is shed on the material’s key mechanical characteristics as well as on its hygric and thermic behaviour inclusive of porosity characteristics. Time-lapse and precipitation tests are then run to assess its durability. The risk of biological attack arising from the presence of cellulose is gauged adopting a standard procedure for timber materials. Mechanical fracturing tests conducted on CFLC are a key constituent of this study. Following delineation of the approaches and characteristics adopted, consideration is given to depicting deformation and crack behaviour in model form. Means of recording fracture processes optically or of subjecting fracture faces to microscopic examination are additionally aired, in the process pointing up suitable ways of determining geometric characteristics. The fracture test programme focuses on no-fines CFLC compositions in the range of infra-lightweight concrete. With a view to contextualising the results obtained, testing is extended to cover autoclaved aerated concrete with a comparable bulk density range. The findings arrived at derive primarily from uniaxial tensile-strength tests, though results gained from bending and compression tests run in tandem are likewise factored into appraisals. An approach based on the conventional growth model is formulated for the purpose of establishing the deformation and fracture behaviour of CFLC. Drawing on experimental studies, finally, the material’s behaviour is characterised by describing its typical curve pattern (master curve). Consideration is additionally given to the correlation between the fracture characteristics and geometric texture characteristics of fracture faces. The ensuing discussion of what causes the structural changes as well as of the crack-formation process is conducted adopting a model-based means of describing the inner contact faces between CFLC particles under no-fines conditions. The enormous propensity of cellulose fibres for storing water results in CFLC compositions being dominated by the water fraction required to pulp them. Increasing the fraction of cellulose fibres in the total mix thus automatically causes the porosity of the dry material to rise, which in turn explains the pronounced dependence of almost all characteristics on the proportion of cellulose fibres in the mix. Having regard to the material’s mechanical properties, it was ascertained that the fibres’ reinforcing moment was insufficient to compensate for losses of strength due to the increase in porosity. Adding cellulose fibres nevertheless has a positive impact on ductility whilst also being conducive to a noteworthy capacity for bearing loads following the onset of macrocracking.

Im Zentrum der vorliegenden Arbeit steht ein zementgebundener Leichtbeton auf der Basis von aus Altpapier herausgelösten Cellulosefasern; hierfür wird im Folgenden die Bezeichnung CFLC (Cellulose-Fibre Lightweight Concrete) verwendet. Die Intention zur Untersuchung dieses mitunter auch als Papercrete bezeichneten und bislang nur verhältnismäßig wenig erforschten Materials beruht insbesondere darauf, dass von einer Kombination eines leicht verfügbaren pflanzlichen Faserstoffs mit einem mineralischen Bindemittel eine Reihe positiver Wechselwirkungen erwartet werden darf. Am Anfang stehen Erläuterungen zur Spezifik dieses Materials und eine Einordnung in den Kontext der üblichen Leicht- und Faserbetone. Nach einer Darstellung und Diskussion der bisher vorhandenen Erkenntnisse erfolgt eine Präzisierung der Aufgabenstellung. Anschließend werden die Besonderheiten von aus Altpapier herausgelösten Cellulosefasern vorgestellt und die charakteristischen Eigenschaften dieser Fasern beschrieben. Es folgen weiterhin Betrachtungen zur Problematik des Faseraufschlusses. In diesem Zusammenhang werden Wege aufgezeigt, wie dieser Prozess in betontechnologischer Hinsicht labor- und großtechnisch umgesetzt werden kann. Im Hinblick auf den Mischungsentwurf erfolgt eine Vorstellung von Methoden zur Bestimmung der für die Stoffraumrechnung relevanten Faserkennwerte. In einem weiteren Schritt werden die Methodik und der entwickelte Algorithmus für einen zielgerichteten Mischungsentwurf erläutert sowie eine Variante zur technologischen Klassifizierung von CFLC-Grundtypen vorgestellt. Nach Betrachtungen zur Auswirkung einer Cellulosefaserzugabe auf die Frisch- und Festbetoneigenschaften wird eine auf die Trockenrohdichte hin ausgerichtete Rezepturentwicklung anhand eines Beispiels demonstriert. Im Folgenden werden die Ergebnisse der umfangreichen Untersuchungen hinsichtlich der durch die Faserzugabe deutlich veränderten Frischbetoneigenschaften des CFLC sowie die Auswirkungen auf den Mischvorgang und die Einbautechnologie erläutert. Diesbezüglich erfolgt auch eine Darstellung der Erkenntnisse, die bei großtechnischen Versuchen mit dem CFLC in zwei Betonwerken gewonnen wurden. Des Weiteren werden die Ergebnisse aufgezeigt, die während begleitender Untersuchungen zum Erhärtungs- und Trocknungsprozess erzielt wurden. Dabei werden die strukturellen Auswirkungen der Hydratation des Zementes und der Trocknung beschrieben sowie die Aspekte erörtert, die im Zusammenhang mit der durch die Cellulosefaserzugabe verbundenen Erhärtungsverzögerung und den möglichen Gegenmaßnahmen stehen. Weiterhin werden auch Betrachtungen zur Effektivität einer Festigkeitssteigerung durch die Zugabe von Mikrosilika sowie zu den mit dem Trocknungsprozess einhergehenden Schwindverkürzungen durchgeführt. Schließlich erfolgt eine Darstellung der bei den Untersuchungen zu den Festbetoneigenschaften gewonnenen Erkenntnisse. Dabei werden die wesentlichsten mechanischen Kennwerte sowie das hygrische und wärmetechnische Verhalten unter Einbeziehung von Porositätskennwerten beleuchtet. Weiterhin erfolgt eine Beurteilung der Dauerhaftigkeit auf der Basis von Zeitraffer- und Auslagerungsversuchen. Das durch die Anwesenheit von Cellulose bestehende Risiko gegenüber einem biologischen Angriff wird dabei durch die Übertragung eines für Holzwerkstoffe üblichen Verfahrens bewertet. Einen wesentlichen Bestandteil dieser Arbeit stellen die bruchmechanischen Untersuchungen am CFLC dar. Nach einer Darstellung der verwendeten Ansätze und Kennwerte werden Überlegungen zur modellhaften Beschreibung des Verformungs- und Rissverhaltens erläutert. Weiterhin werden Möglichkeiten der optischen Erfassung von Bruchprozessen bzw. der mikroskopischen Untersuchung von Bruchflächen dargelegt. Dabei werden geeignete Wege zur Bestimmung geometrischer Kennwerte aufgezeigt. Das Versuchsprogramm zu den bruchmechanischen Untersuchungen konzentriert sich auf haufwerksporige CFLC-Zusammensetzungen im Bereich des Infraleichtbetons. Um eine Einordnung der ermittelten Ergebnisse vornehmen zu können, erfolgt die Einbeziehung von Porenbeton aus einem vergleichbaren Rohdichtebereich. Die gewonnenen Erkenntnisse basieren schwerpunktmäßig auf einaxialen Zugversuchen; mit in die Betrachtungen einbezogen werden allerdings auch Ergebnisse, die bei parallel durchgeführten Biege- und Druckversuchen gewonnen wurden. Zur Erfassung des Verformungs- und Bruchverhaltens des CFLC wird ein Ansatz auf der Basis des klassischen Wachstumsmodells formuliert. Auf der Grundlage der experimentellen Untersuchungen erfolgt letztlich eine Charakterisierung des Materialverhaltens durch die Beschreibung des typischen Kurvenverlaufs (Masterkurve). Darüber hinaus werden Betrachtungen zur Korrelation zwischen den bruchmechanischen Kennwerten und den geometrischen Texturkennwerten der Bruchflächen angestellt. Die anschließende Diskussion über die Ursachen der Strukturänderungen und den Rissbildungsprozess erfolgt unter Einbeziehung eines modellhaften Ansatzes zur Beschreibung der inneren Kontaktfläche zwischen den CFLC-Partikeln bei einer haufwerksporigen Situation. Das enorme Wasserspeichervermögen der Cellulosefasern hat zur Folge, dass die CFLC-Zusammensetzungen von jenem Wasseranteil dominiert werden, welcher für den Faseraufschluss benötigt wird. Eine Steigerung des Cellulosefaseranteils im Gesamtgemisch hat somit automatisch einen Anstieg der Porosität des trockenen Materials zur Folge, wodurch die ausgeprägte Abhängigkeit fast aller Kennwerte vom Cellulosefaseranteil resultiert. Hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften wurde festgestellt, dass der Bewehrungseffekt der Fasern nicht in der Lage ist, die Festigkeitseinbußen infolge des Ansteigens der Porosität zu kompensieren. Eine Cellulosefaserzugabe hat aber generell eine positive Auswirkung auf die Duktilität und bewirkt zudem die Entstehung einer nennenswerten Tragfähigkeit nach einer begonnenen Makrorissbildung.:1 Einleitung 1 1.1 Ausgangssituation 1 1.2 Problemstellung und Untersuchungsziele 2 1.3 Terminologische Einordnung des CFLC 4 1.4 Überblick 7 1.5 Anmerkungen zur Versuchsauswertung und Ergebnisdarstellung 8 2 Papierfasern als Betonzusatz 11 2.1 Pflanzliche Faserstoffe 11 2.2 Papier 14 2.3 Altpapier 15 2.4 Grundlegende Kennwerte 17 2.4.1 Cellulosefaser- und Füllstoffanteil 17 2.4.2 Wasserrückhaltevermögen 18 2.4.3 Dichte 19 2.5 Fasersuspension 19 3 Mischungsentwurf von Cellulosefaser-Leichtbeton 23 3.1 CFLC-Grundtypen 23 3.2 Mischungsentwurf 26 3.2.1 Methodik und Algorithmus der Rezepturentwicklung 26 3.2.2 Differenzierung von Wasseranteilen im Zementstein 29 3.2.2.1 Vorbemerkungen 29 3.2.2.2 Experimentelle Bestimmung der chemisch gebundenen Wassermenge 30 3.2.3 Kriterien für die Auswahl von Ausgangstoffen 33 3.2.3.1 Sekundärfaserstoffe 33 3.2.3.2 Zemente 33 3.2.3.3 Zusätze 34 3.2.3.4 Gesteinskörnungen 35 3.2.4 Beispiel 35 4 Frischbeton 38 4.1 Mischvorgang 38 4.2 Einbautechnologie 38 4.3 Frischbetonkonsistenz 42 4.3.1 Ergebnisse mit üblichen Konsistenzprüfverfahren 42 4.3.2 Konsistenzprüfung mittels modifiziertem Steifemessgerät 43 4.3.3 Vergleichbarkeit von Konsistenzmesswerten 44 4.3.4 Favorisierte Verfahrensweise bei der Konsistenzprüfung von CFLC 48 4.3.5 Ergebnisse 48 4.4 Schüttdichte und Hohlraumgehalt von unverdichtetem Frischbeton 51 4.4.1 Prüfverfahren 51 4.4.2 Ergebnisse 52 4.5 Großtechnische Versuche 53 4.5.1 Vorbemerkung und Zielstellung 53 4.5.2 Ergebnisse 53 4.5.3 Zusammenfassung 59 5 Erhärtungs- und Trocknungsprozess 60 5.1 Mikrostruktur 60 5.2 Festigkeitsentwicklung 61 5.2.1 Entwicklung der Biegefestigkeit 62 5.2.1.1 Konzeption der Untersuchungen 62 5.2.1.2 Ergebnisse 63 5.2.1.3 Zusammenfassung 64 5.2.2 Maßnahmen zur Kompensation von Erhärtungsverzögerungen 64 5.2.2.1 Mögliche Lösungswege 64 5.2.2.2 Konzeption der Untersuchungen 65 5.2.2.3 Ergebnisse 66 5.2.2.4 Zusammenfassung 67 5.2.3 Einfluss der Zugabe von Mikrosilika 68 5.2.3.1 Vorbemerkungen 68 5.2.3.2 Konzeption der Untersuchungen 68 5.2.3.3 Ergebnisse 70 5.2.3.4 Zusammenfassung 71 5.3 Schwinden 72 6 Festbetoneigenschaften 75 6.1 Probekörper und Nachbehandlung 75 6.2 Trockenrohdichte 76 6.3 Mechanische Kennwerte 77 6.3.1 Vorbemerkungen 77 6.3.2 Druckfestigkeit 79 6.3.3 Elastizitätsmodul 81 6.3.4 Biegefestigkeit 81 6.3.5 Zugfestigkeit 82 6.4 Hygrisches Verhalten 83 6.4.1 Kapillare Wasseraufnahme 83 6.4.2 Wasseraufnahme bei vollständiger Wasserlagerung 86 6.4.3 Sättigungswert 87 6.4.4 Hygrische Dehnung 88 6.5 Porosität 89 6.6 Wärmetechnisches Verhalten 91 6.6.1 Spezifische Wärmekapazität 92 6.6.2 Wärmeleitfähigkeit 92 6.7 Dauerhaftigkeit 94 6.7.1 Widerstand gegenüber Frost- und Frost-Tausalzbeanspruchung 94 6.7.2 Biologische Beständigkeit 96 6.7.3 Auslagerungsversuche 98 7 Bruchmechanische Untersuchungen 99 7.1 Einführung 99 7.1.1 Ansätze zur Beschreibung des bruchmechanischen Verhaltens 99 7.1.2 Bruchmechanische Kennwerte 102 7.1.2.1 Verformungsenergie 102 7.1.2.2 Bruchenergie 102 7.1.2.3 Charakteristische Länge 104 7.1.2.4 Modifizierte Bruchzähigkeit und kritische Rissöffnung nach JENQ und SHAH 104 7.1.3 Modellhafte Beschreibung des Verformungs- und Rissverhaltens 108 7.1.4 Optische Erfassung von Bruchprozessen 111 7.1.4.1 Mikroskopische Untersuchungen der Rissentstehung 111 7.1.4.2 Mikroskopische Untersuchung von Bruchflächen 112 7.1.4.3 Bestimmung geometrischer Eigenschaften von Bruchflächen 112 7.2 Versuchsprogramm 117 7.2.1 Zielstellung 117 7.2.2 Untersuchungsprogramm 118 7.2.2.1 Konzeption und Untersuchungsmethodik 118 7.2.2.2 CFLC-Zusammensetzungen 119 7.2.2.3 Prüfprogramm und Prüfkörper 121 7.2.2.4 Prüfkörperherstellung 122 7.3 Versuchsdurchführung 123 7.3.1 Grundsätze 123 7.3.2 Einaxiale Zugversuche 123 7.3.3 Biegeversuche 124 7.3.4 Druckversuche 125 7.3.5 Analyse von Bruchflächen 125 7.3.6 Modell zur Beschreibung des Verformungs- und Rissverhaltens 126 7.4 Versuchsergebnisse 129 7.4.1 Charakteristisches Verformungs- und Rissverhalten 129 7.4.1.1 Vorbemerkung 129 7.4.1.2 Lage charakteristischer Punkte 130 7.4.1.3 Charakteristischer Kurvenverlauf 133 7.4.2 Elastizitäts- und Erstbelastungsmoduln 137 7.4.3 Energetische Werte 138 7.4.3.1 Verformungsenergie 138 7.4.3.2 Bruchenergie 139 7.4.4 Bruchmechanische Kennwerte 139 7.4.4.1 Charakteristische Länge 139 7.4.4.2 Modifizierte Bruchzähigkeit und kritische Rissöffnung 140 7.4.5 Textureigenschaften von Bruchflächen 142 7.4.5.1 Vorbemerkung 142 7.4.5.2 Rauheit 142 7.4.5.3 Texturtiefe, Mittenrauwerte 143 7.4.5.4 Höhenwerte 144 7.4.5.5 Materialanteilwerte 144 7.4.5.6 Materialvolumen 145 7.4.6 Untersuchungen zur Rissentstehung und Rissausbreitung 146 7.5 Betrachtung der Ergebnisse am CFLC in Bezug zum Porenbeton 148 7.6 Zusammenfassung und Diskussion 151 8 Zusammenfassung und Ausblick 159 9 Anhang 165 9.1 Literaturverzeichnis 165 9.2 Abbildungen 172 9.3 Tabellen 176 / The present work addresses a cement-bound lightweight concrete incorporating cellulose fibres extracted from waste paper; use is hereinafter made of the acronym CFLC (cellulose-fibre lightweight concrete) to describe the resultant product. The main case for investigating this, as yet, comparatively under-researched material, also commonly referred to as “papercrete”, is that the act of combining readily available fibrous plant material with a mineral binding agent can be expected to yield a number of positive interactions. The first step involves elucidating the material’s specific characteristics and contrasting it with other lightweight, fibre-based concretes. Following exposition and discussion of insights arrived at in past studies, the precise nature of the task in hand is defined. The distinguishing features and characteristic properties of cellulose fibres extracted from waste paper are then set out and this is followed by a number of observations on the problems involved in pulping such fibres. Means of implementing the process both in the laboratory and during the full-scale engineering of concrete are also pointed up here. Methods of determining those fibre characteristics that are of relevance to the material volume calculation to be performed in respect of the mix design are similarly presented. In a further step, the methodology adopted and algorithm developed for a target-responsive mix design are elucidated and a system for the technological classification of basic types of CFLC is presented. Following deliberation on how adding cellulose fibres affects the properties of fresh and hardened concrete, a formulation geared towards a specific dry bulk density is demonstrated citing an illustrative example. Thereafter, the results of exhaustive studies regarding the significant changes to the properties of fresh CFLC brought about by adding fibres and the implications these have for the mixing process and placing technology are explained. The findings arrived at during full-scale trials with CFLC in two concrete works are also set out in this context. Likewise detailed are the results gained from accompanying studies of the hardening and drying process. The section provides a description of the structural consequences of hydrating and drying cement before addressing aspects with a bearing on the delay in hardening brought about by adding cellulose fibres as well as on potential countermeasures. There is also analysis here of whether adding microsilica occasions any increase in mechanical strength, consideration similarly being given to levels of shortening through shrinkage during the drying process. The work concludes by setting out the findings arrived at when studying the properties of the hardened concrete. Light is shed on the material’s key mechanical characteristics as well as on its hygric and thermic behaviour inclusive of porosity characteristics. Time-lapse and precipitation tests are then run to assess its durability. The risk of biological attack arising from the presence of cellulose is gauged adopting a standard procedure for timber materials. Mechanical fracturing tests conducted on CFLC are a key constituent of this study. Following delineation of the approaches and characteristics adopted, consideration is given to depicting deformation and crack behaviour in model form. Means of recording fracture processes optically or of subjecting fracture faces to microscopic examination are additionally aired, in the process pointing up suitable ways of determining geometric characteristics. The fracture test programme focuses on no-fines CFLC compositions in the range of infra-lightweight concrete. With a view to contextualising the results obtained, testing is extended to cover autoclaved aerated concrete with a comparable bulk density range. The findings arrived at derive primarily from uniaxial tensile-strength tests, though results gained from bending and compression tests run in tandem are likewise factored into appraisals. An approach based on the conventional growth model is formulated for the purpose of establishing the deformation and fracture behaviour of CFLC. Drawing on experimental studies, finally, the material’s behaviour is characterised by describing its typical curve pattern (master curve). Consideration is additionally given to the correlation between the fracture characteristics and geometric texture characteristics of fracture faces. The ensuing discussion of what causes the structural changes as well as of the crack-formation process is conducted adopting a model-based means of describing the inner contact faces between CFLC particles under no-fines conditions. The enormous propensity of cellulose fibres for storing water results in CFLC compositions being dominated by the water fraction required to pulp them. Increasing the fraction of cellulose fibres in the total mix thus automatically causes the porosity of the dry material to rise, which in turn explains the pronounced dependence of almost all characteristics on the proportion of cellulose fibres in the mix. Having regard to the material’s mechanical properties, it was ascertained that the fibres’ reinforcing moment was insufficient to compensate for losses of strength due to the increase in porosity. Adding cellulose fibres nevertheless has a positive impact on ductility whilst also being conducive to a noteworthy capacity for bearing loads following the onset of macrocracking.:1 Einleitung 1 1.1 Ausgangssituation 1 1.2 Problemstellung und Untersuchungsziele 2 1.3 Terminologische Einordnung des CFLC 4 1.4 Überblick 7 1.5 Anmerkungen zur Versuchsauswertung und Ergebnisdarstellung 8 2 Papierfasern als Betonzusatz 11 2.1 Pflanzliche Faserstoffe 11 2.2 Papier 14 2.3 Altpapier 15 2.4 Grundlegende Kennwerte 17 2.4.1 Cellulosefaser- und Füllstoffanteil 17 2.4.2 Wasserrückhaltevermögen 18 2.4.3 Dichte 19 2.5 Fasersuspension 19 3 Mischungsentwurf von Cellulosefaser-Leichtbeton 23 3.1 CFLC-Grundtypen 23 3.2 Mischungsentwurf 26 3.2.1 Methodik und Algorithmus der Rezepturentwicklung 26 3.2.2 Differenzierung von Wasseranteilen im Zementstein 29 3.2.2.1 Vorbemerkungen 29 3.2.2.2 Experimentelle Bestimmung der chemisch gebundenen Wassermenge 30 3.2.3 Kriterien für die Auswahl von Ausgangstoffen 33 3.2.3.1 Sekundärfaserstoffe 33 3.2.3.2 Zemente 33 3.2.3.3 Zusätze 34 3.2.3.4 Gesteinskörnungen 35 3.2.4 Beispiel 35 4 Frischbeton 38 4.1 Mischvorgang 38 4.2 Einbautechnologie 38 4.3 Frischbetonkonsistenz 42 4.3.1 Ergebnisse mit üblichen Konsistenzprüfverfahren 42 4.3.2 Konsistenzprüfung mittels modifiziertem Steifemessgerät 43 4.3.3 Vergleichbarkeit von Konsistenzmesswerten 44 4.3.4 Favorisierte Verfahrensweise bei der Konsistenzprüfung von CFLC 48 4.3.5 Ergebnisse 48 4.4 Schüttdichte und Hohlraumgehalt von unverdichtetem Frischbeton 51 4.4.1 Prüfverfahren 51 4.4.2 Ergebnisse 52 4.5 Großtechnische Versuche 53 4.5.1 Vorbemerkung und Zielstellung 53 4.5.2 Ergebnisse 53 4.5.3 Zusammenfassung 59 5 Erhärtungs- und Trocknungsprozess 60 5.1 Mikrostruktur 60 5.2 Festigkeitsentwicklung 61 5.2.1 Entwicklung der Biegefestigkeit 62 5.2.1.1 Konzeption der Untersuchungen 62 5.2.1.2 Ergebnisse 63 5.2.1.3 Zusammenfassung 64 5.2.2 Maßnahmen zur Kompensation von Erhärtungsverzögerungen 64 5.2.2.1 Mögliche Lösungswege 64 5.2.2.2 Konzeption der Untersuchungen 65 5.2.2.3 Ergebnisse 66 5.2.2.4 Zusammenfassung 67 5.2.3 Einfluss der Zugabe von Mikrosilika 68 5.2.3.1 Vorbemerkungen 68 5.2.3.2 Konzeption der Untersuchungen 68 5.2.3.3 Ergebnisse 70 5.2.3.4 Zusammenfassung 71 5.3 Schwinden 72 6 Festbetoneigenschaften 75 6.1 Probekörper und Nachbehandlung 75 6.2 Trockenrohdichte 76 6.3 Mechanische Kennwerte 77 6.3.1 Vorbemerkungen 77 6.3.2 Druckfestigkeit 79 6.3.3 Elastizitätsmodul 81 6.3.4 Biegefestigkeit 81 6.3.5 Zugfestigkeit 82 6.4 Hygrisches Verhalten 83 6.4.1 Kapillare Wasseraufnahme 83 6.4.2 Wasseraufnahme bei vollständiger Wasserlagerung 86 6.4.3 Sättigungswert 87 6.4.4 Hygrische Dehnung 88 6.5 Porosität 89 6.6 Wärmetechnisches Verhalten 91 6.6.1 Spezifische Wärmekapazität 92 6.6.2 Wärmeleitfähigkeit 92 6.7 Dauerhaftigkeit 94 6.7.1 Widerstand gegenüber Frost- und Frost-Tausalzbeanspruchung 94 6.7.2 Biologische Beständigkeit 96 6.7.3 Auslagerungsversuche 98 7 Bruchmechanische Untersuchungen 99 7.1 Einführung 99 7.1.1 Ansätze zur Beschreibung des bruchmechanischen Verhaltens 99 7.1.2 Bruchmechanische Kennwerte 102 7.1.2.1 Verformungsenergie 102 7.1.2.2 Bruchenergie 102 7.1.2.3 Charakteristische Länge 104 7.1.2.4 Modifizierte Bruchzähigkeit und kritische Rissöffnung nach JENQ und SHAH 104 7.1.3 Modellhafte Beschreibung des Verformungs- und Rissverhaltens 108 7.1.4 Optische Erfassung von Bruchprozessen 111 7.1.4.1 Mikroskopische Untersuchungen der Rissentstehung 111 7.1.4.2 Mikroskopische Untersuchung von Bruchflächen 112 7.1.4.3 Bestimmung geometrischer Eigenschaften von Bruchflächen 112 7.2 Versuchsprogramm 117 7.2.1 Zielstellung 117 7.2.2 Untersuchungsprogramm 118 7.2.2.1 Konzeption und Untersuchungsmethodik 118 7.2.2.2 CFLC-Zusammensetzungen 119 7.2.2.3 Prüfprogramm und Prüfkörper 121 7.2.2.4 Prüfkörperherstellung 122 7.3 Versuchsdurchführung 123 7.3.1 Grundsätze 123 7.3.2 Einaxiale Zugversuche 123 7.3.3 Biegeversuche 124 7.3.4 Druckversuche 125 7.3.5 Analyse von Bruchflächen 125 7.3.6 Modell zur Beschreibung des Verformungs- und Rissverhaltens 126 7.4 Versuchsergebnisse 129 7.4.1 Charakteristisches Verformungs- und Rissverhalten 129 7.4.1.1 Vorbemerkung 129 7.4.1.2 Lage charakteristischer Punkte 130 7.4.1.3 Charakteristischer Kurvenverlauf 133 7.4.2 Elastizitäts- und Erstbelastungsmoduln 137 7.4.3 Energetische Werte 138 7.4.3.1 Verformungsenergie 138 7.4.3.2 Bruchenergie 139 7.4.4 Bruchmechanische Kennwerte 139 7.4.4.1 Charakteristische Länge 139 7.4.4.2 Modifizierte Bruchzähigkeit und kritische Rissöffnung 140 7.4.5 Textureigenschaften von Bruchflächen 142 7.4.5.1 Vorbemerkung 142 7.4.5.2 Rauheit 142 7.4.5.3 Texturtiefe, Mittenrauwerte 143 7.4.5.4 Höhenwerte 144 7.4.5.5 Materialanteilwerte 144 7.4.5.6 Materialvolumen 145 7.4.6 Untersuchungen zur Rissentstehung und Rissausbreitung 146 7.5 Betrachtung der Ergebnisse am CFLC in Bezug zum Porenbeton 148 7.6 Zusammenfassung und Diskussion 151 8 Zusammenfassung und Ausblick 159 9 Anhang 165 9.1 Literaturverzeichnis 165 9.2 Abbildungen 172 9.3 Tabellen 176

To reach the net-zero carbon goal by 2045, the Swedish government want to push the building and construction sector to lower their greenhouse gas emissions. This push is performed by implementing a law requiring building developers to perform a climate declaration over greenhouse gas emissions, to receive a building’s final clearance. The climate declaration is limited to only include emissions from material extraction until completed building. However, there is a varying knowledge level in the industry regarding how to perform a climate declaration as well as how different materials impact the result. Therefore, this study aims to bring clarity concerning the topic, by investigating where the major and minor climate impacts occur in a building process. Additionally, the impact of different insulations materials and how they influence the result of a climate declaration is studied. To answer the research questions, a climate declaration is performed on a Swedish preschool. The insulation material in the building is altered between glass wool, stone wool, cellulose fibre, foam glass, and polystyrene insulation in different scenarios to see how it impacts the result. The stone wool scenarios use both carbon neutral and non-carbon neutral insulation. Cellulose fibre uses both loose wool with data from an EPD and board insulation with data from Boverket’s climate database in the scenarios. The major climate impact derives from the product stage (A1–A3), meaning material selection have a significant impact on the climate declaration result. The building element with the highest climate impact is the inner walls followed by the foundation, while the floor construction, roof and outer walls have the lowest climate impact. On a material level, plaster board, building plywood and concrete have the highest climate impact in the reference building. The cedar panel have the lowest climate impact and is the only carbon negative material in the reference building. However, this is due to different assumptions made in the climate impact data concerning the binding of carbon in organic materials. The results showed that the insulation material with the highest climate impact is non-carbon neutral stone wool that is 16 % higher than the original construction with glass wool, while loose cellulose wool has the lowest climate impact. The climate impact from the scenario with non-carbon neutral stone wool in the wall and roof construction is 33 % higher compared to the corresponding loose cellulose wool scenario. The scenario with the lowest climate impact, with loose cellulose wool, is approximately 13 % lower than the corresponding glass wool scenario. The carbon neutral stone wool scenario has a similar result to glass wool. Foam glass has a 9.5 % higher climate impact compared to polystyrene insulation in the foundation. Regarding the selection of insulation material, it influences the climate declaration by changing the climate impact. The influence derives from a combination of climate impact per unit and material quantity used in the building. The material quantity is partly dependant on the thermal conductivity (λ-value) of the insulation material. The climate declaration shows a limited view of a building’s environmental impact for a limited part of its lifecycle. Therefore, we would recommend additional lifecycle stages and environmental impacts to be part of the climate declaration in the future, as a means to avoid suboptimization and unintentional problem shifting. / För att nå klimatneutralitetsmålet 2045 vill den svenska regeringen driva bygg- och fastighetssektorn till att sänka sina växthusgasutsläpp. Denna insats utförs genom att införa en lag som kräver att byggherrar utför en klimatdeklaration över växthusgasutsläpp för att få ett slutbesked för byggnaden. Klimatdeklarationen är begränsad till att endast omfatta utsläpp från materialutvinning fram till färdig byggnad. Det finns dock en varierande kunskapsnivå i branschen om hur en klimatdeklaration utförs samt hur olika material påverkar resultatet. Därför syftar denna studie till att ge klarhet angående ämnet genom att undersöka var de större och mindre inflytandena på klimatpåverkan förekommer i en byggprocess. Dessutom studeras effekterna av olika isoleringsmaterial och hur de påverkar resultatet av en klimatdeklaration. För att besvara frågeställningarna utförs en klimatdeklaration på en svensk förskola. Isoleringsmaterialet i byggnaden ändras mellan glasull, stenull, cellulosafiber, skumglas och cellplast i olika scenarier för att se hur det påverkar resultatet. I stenullscenarierna används både koldioxidneutral och icke-koldioxidneutral isolering. Cellulosafibrer använder både lösull med data från en EPD och skivisolering med data från Boverkets klimatdatabas i scenarierna. Den största klimatpåverkan kommer från produktstadiet (A1–A3), vilket innebär att materialvalet har en betydande inverkan på klimatdeklarationsresultatet. Byggnadselementet med störst klimatpåverkan är innerväggarna följt av grunden, medan bjälklaget, taket och ytterväggarna har lägst klimatpåverkan. På materialnivå har gipsskivor, plywood och betong den högsta klimatpåverkan i referensbyggnaden. Cederpanelen har lägst klimatpåverkan och är det enda koldioxidnegativa materialet i referensbyggnaden. Detta beror dock på olika antaganden i klimatpåverkan angående bindningen av kol i organiska material. Resultaten visade att isoleringsmaterialet med den högsta klimatpåverkan är icke-koldioxidneutral stenull, som är 16 % högre än originalkonstruktionen med glasull, medan lös cellulosaull har lägst klimatpåverkan. Klimatpåverkan från scenariot med icke koldioxidneutral stenull i vägg- och takkonstruktion är 33 % högre jämfört med motsvarande scenario med lös cellulosaull. Scenariot med lägst klimatpåverkan, med lös cellulosaull, är cirka 13 % lägre än motsvarande glasullscenario. Det koldioxidneutrala stenullscenariot har ett liknande resultat som glasull. Skumglas har 9,5 % högre klimatpåverkan jämfört med cellplasten i grunden. När det gäller valet av isoleringsmaterial påverkar det klimatdeklarationen genom att förändra klimatpåverkan. Påverkan härstammar från en kombination av klimatpåverkan per enhet och mängden material som används i byggnaden. Mängden material beror delvis på isoleringsmaterialets värmekonduktivitet (λ-värde). Klimatdeklarationen visar en begränsad bild av en byggnads miljöpåverkan under en begränsad del av dess livscykel. Därför rekommenderar vi att ytterligare livscykelstadier och miljöindikatorer ingår i klimatdeklarationen i framtiden, för att undvika suboptimeringar och oavsiktliga problembyten.