MMFA erforscht Temperaturverhalten unterschiedlicher Mehrschichtböden

Bodentemperaturen wie auf der Formel-1-Piste in Abu Dhabi…

(Stand: 10/2016) Jeder Handwerker weiß, dass schwimmend verlegte Böden „Spiel“ brauchen – z.B. an Wänden, Rohrdurchleitungen oder Türzargen. Großflächige Verlegungen müssen Dehnfugen berücksichtigen. Aber ist das „wieviel“ dem Zufall überlassen – das sprichwörtliche „Pi mal Daumen“? Oder stecken intensive Forschung und problembewusste Produktentwicklung dahinter? Der MMFA betrachtet sich als verantwortlich für gründliche Forschung und hat mit dem Institut für Holztechnologie Dresden (IHD, www.ihd-dresden.de) ein Projekt zum Thema „Temperaturbeständigkeit“ in Angriff genommen. Ein Bereich befasst sich mit Maßänderungen aufgrund von Temperaturschwankungen.

Der weltweit wachsende Markt der mehrschichtig modularen, schwimmend verlegten Fußböden mit thermoplastischen Nutz- und Trägerschichten (auch als LVT oder im deutschsprachigen Raum als Designböden bezeichnet) hat 2012 zur Gründung des europaweit tätigen MMFA-Verbands geführt. Eine Gruppe von knapp 50 Unternehmen – Hersteller, Importeure, Zulieferer – hat sich u.a. zum Ziel gesetzt, durch intensive Forschung allgemeinverbindliche Qualitätsanforderungen zu entwickeln. Verleger und Verwender sollen so langjährige Sicherheit mit diesen attraktiven Böden gewinnen.

Mehrschichtige modulare Fußbodenbeläge gibt es in verschiedenen Ausführungen. Meist besteht die Nutzschicht aus thermoplastischen Kunststoffen, bei einem hohen Anteil auch das Trägermaterial. Thermoplaste tragen es in ihrem Namen: Unter Temperatureinwirkung können sie sich theoretisch verformen. Das in der Verlegepraxis zu beachtende „Spiel“ respektiert mögliche Dimensionsänderungen.

Aber wie genau lassen Temperaturschwankungen einen Boden abhängig von seiner Konstruktion „wachsen“ oder „schrumpfen“? Welche Unterschiede gibt es?

Dabei sind übliche Temperaturen von Fußbodenheizungen relativ unbedeutend, denn der „Klassiker“ – ein Sommertag am großen Südfenster – kann durch Sonneneinstrahlung leicht zu Temperaturen an der Oberfläche des Fußbodens führen, die heißer sind als der Asphalt auf den Formel 1-Rennstrecken in Abu Dhabi oder im tropischen Malaysia.

Ein eventuelles Schrumpfen als bleibende Veränderung der Bodenbeläge nach Temperaturbeanspruchung wird nach der bestehenden Prüfung gemäß EN ISO 23999 erfasst. Ein vorübergehendes Ausdehnen während der Temperaturbeanspruchung wurde jedoch bisher nicht berücksichtigt.

Nun bilden systematische Untersuchungen bei verschiedenen Temperaturen die Grundlage für einen Vorschlag zum Erfassen dieser Art von Dimensionsänderungen. In einem Ringversuch wurde dieser Vorschlag verifiziert.

Versuchsaufbau, Temperaturzyklus und Messzeitpunkte bestimmen die Aussagekraft

Drei verschieden aufgebaute MMF-Böden wurden für den Ringversuch in sechs verschiedenen Laboren ausgewählt:
(1) 5 mm dicke Elemente mit Glasfaserarmierung in der Vinyl-Mittellage,
(2) 4 mm dicke Elemente mit Vinyl-Mittellage ohne Glasfaserarmierung sowie
(3) 4,5 mm dicke Elemente mit einer thermoplastischen Mittellage nicht aus Vinyl.

Die Muster wurden beim federführenden IHD gleichmäßig auf ein Seitenmaß von 160 x 160 mm geschnitten und jedem Labor von jeder der drei Ausführungen je drei Muster zur Verfügung gestellt.

Bei diesem Ringversuch wurde jedes Muster zwei unterschiedlichen Prüfzyklen aus sechs Teilschritten unterzogen.

Ein Zyklus erreichte maximal 60°C, der andere Zyklus ging sogar bis 80°C.

Jeder 72-stündige Prüfzyklus (60 alternativ 80°C) setzte sich aus den folgenden Schritten zusammen:
(1) Mindestens 24 Stunden Konditionierung der Prüfkörper bei 23°C und 50% relativer Luftfeuchte,
(2) Messen und Erfassen der Anfangsmaße jedes Musters in der X- und Y-Dimension,
(3) sechs Stunden Lagerung der Muster auf definierten Stahlplatten bei der Maximaltemperatur des jeweiligen Zyklus (60 oder 80°C), Messung nach sechs Stunden,
(4) 18 Stunden Lagerung der Muster bei 23°C und 50% relativer Luftfeuchte auf derselben Stahlplatte, Messung nach 18 Stunden,
(5) erneute Lagerung der Muster über sechs Stunden bei der Maximaltemperatur des jeweiligen Zyklus (60 oder 80°C) auf derselben Stahlplatte, Messung nach sechs Stunden und schließlich
(6) abschließende 18 Stunden Lagerung der Muster bei 23°C und 50% relativer Luftfeuchte und Dimensionsmessung nach 18 Stunden.

Pro Zyklus ergaben sich also je fünf Messwerte für die X- bzw. Y-Dimension.

Als digitale Messgeräte dienten in einem Labor ein Rahmen mit Taster (Abb. links), in den anderen fünf Laboren Rahmen mit Messschiebern (Abb. rechts), jeweils mit Messgenauigkeiten von 0,01 mm.

Signifikanz der Ergebnisse macht Grenzwerte plausibel

Der Ringversuch mit sechs beteiligten Laboren führte für die drei geprüften unterschiedlichen Materialaufbauten bei den Spitzenbelastungen von 60°C bzw. 80°C zu aussagekräftigen Wertereihen der relativen Dimensionsveränderungen.

Ohne an dieser Stelle in die Einzelheiten gehen zu können, sei eine erste Erkenntnis aus der Summe aller Messungen hier wiedergegeben:

Für alle drei Materialausführungen sind die Ergebnisse des ersten und des zweiten Aufheiz- und Abkühlungs-Teilzyklus (Schritte 3/4 versus 5/6) so wenig unterschiedlich, so dass sich die Frage stellt, ob einmaliges Aufheizen und wieder Abkühlen nicht für verlässliche Ergebnisse ausreichen sollte. Das würde die Gesamtprüfung deutlich verkürzen und in der Praxis Prüfkosten einsparen.

Der Materialaufbau 2 (4 mm dicke Elemente ohne Glasfaserarmierung) zeigt nach dem Erhitzen Dimensionsveränderungen im niedrigen einstelligen Promillebereich, wobei der Unterschied zwischen den relativen Ausdehnungen in Längen- und Breitenrichtung interessant erscheint. Hinsichtlich der Veränderungen nach dem Abkühlen sind kaum Unterschiede zwischen den drei Materialaufbauten erkennbar. Der Durchschnittswert aller Labore bei Materialaufbau 2 im 80°C-Zyklus lässt den Vorschlag einer Obergrenze von 1,5 Promille für die Dimensionsänderung nach dem Abkühlen als plausibel erscheinen.

Zusammenfassung

Zusammenfassend ziehen die Fachleute aus dem Ringversuch die folgenden Schlüsse:

Anders als bei verklebten Vinyl-Böden ist es wichtig, dass bei schwimmend verlegten Elementen nach dem Aufwärmen eine Messung vorgenommen wird. Diese gibt wichtige Aufschlüsse darüber, wie die Click-Verbindungen beansprucht werden. Das gleiche gilt für die Frage, ob die relative Ausdehnung in Längs- und Querrichtung Unterschiede aufweist.
Die Anforderungen an die Prüfungen sollten eine Zeitgrenze für das Messen direkt nach dem Erhitzen enthalten.
Die Reproduzierbarkeit der Testergebnisse bei 60°C ist besser als bei 80°C.
Es bleibt abzuwägen, ob nicht der 60°C-Test ausreichen sollte, zumal diese Temperatur praxisrelevanter erscheint.
Eine systemische Auswirkung der unterschiedlichen Messgeräte (Taster mit Rahmen versus Messschieber) lässt sich nicht erkennen. Also steht dem Gebrauch beider Typen mit einer Genauigkeit von 0,01 mm auf definiert verlegten Prüfkörpern nichts entgegen.
Mögliche Abweichungen der Prüfergebnisse können durch Temperaturschwankungen während des Messens und unterschiedlichen Zeitbedarf bis zum Messen verursacht sein. Gleiches gilt für die unterschiedliche Dauer des Messvorgangs im erhitzten Zustand.
In den zukünftigen Prüfregularien muss daher eine Maximalzeit für das Messen nach der jeweiligen Temperaturexposition festgelegt werden. Die Arbeitsgruppe schlägt eine Obergrenze von einer Minute vor.

Aus diesen Erkenntnissen resultiert Entscheidungsbedarf über zu definierende Anforderungen:

(1) Höchstwerte für die X- und Y-Ausdehnung unmittelbar nach der sechsstündigen Aufwärmphase von 60°C,
(2) Höchstwerte für die X- und Y-Schrumpfung unmittelbar nach der 24-stündigen Abkühlphase auf 23°C und 50% relativer Luftfeuchte.

Offen bleibt für die weitere Diskussion die Frage, wie neben zweidimensionalen Veränderungen in X- und Y-Richtung konvexe oder konkave Verformungen in Z-Richtung erfasst werden können, die ebenfalls durch Temperatureinwirkung entstehen können. Bei dem hier beschriebenen Ringversuch wurden nur zweidimensionale Änderungen erfasst.

Das Ziel: Sicherheit im täglichen Gebrauch

Aus Sicht des MMFA muss gerade bei schwimmenden, modular verlegten Böden mit Click-Verbindungen das Dimensionsverhalten bei schwankenden Temperaturen erforscht und normiert werden. Ausdehnen und Schrumpfen können Kräfte entwickeln, die beim parallelen MMFA-Projekt „Verriegelungsfestigkeit“ relevant werden.
Volker Kettler (MeisterWerke), stellvertretender Vorsitzender des MMFA und Obmann des Arbeitskreis Technik, stellt dazu fest: „Durch den Aufbau der Bodenelemente und die Festigkeit der Verriegelung der Planken muss sichergestellt sein, dass neben mechanischen Einflüssen auch Temperaturschwankungen den schwimmend verlegten Böden möglichst wenig anhaben können.“

Die Forschungsergebnisse des hier beschriebenen Ringversuchs bedeuten einen ersten erheblichen Erkenntnisgewinn. Nun geht es dem MMFA darum, eigenständige Testmethoden für schwimmend verlegte, unterschiedlich aufgebaute Böden mit thermoplastischen Oberflächen mit Click-Verbindungen zu entwickeln und diese in der internationalen Normungsarbeit zu verankern – zur Sicherheit und zum Nutzen von Verbrauchern, Anwendern im Objektbereich, Planern, Handel und Verlegern gleichermaßen.