Bestimmung des Abbaugrades von Nasshölzern

Rezente Hölzer können bis zur Fasersättigung im Durchschnitt ca. 28% ihrer Holzmasse an Wasser in und an den Zellwänden binden („gebundenes Wasser“). Bei weiterer Wasseraufnahme werden nur noch die Zellhohlräume befüllt („freies Wasser“). Die Wassermenge ist hierbei abhängig von dem Porenanteil (oder der Dichte) des Holzes, d.h. besonders leichte Hölzer mit einem hohen Porenanteil können mehr Wasser aufnehmen als schwerere, dichtere Hölzer.

Sind Zellwände und Zellhohlräume komplett mit Wasser gesättigt, ist der maximale Wassergehalt erreicht. Das prozentuale Verhältnis von Holzmasse zur aufgenommen Wassermenge wird als maximales Wasseraufnahmevermögen (Umax) bezeichnet und wird nach folgender Formel berechnet:

$$ {U_{max} = {{Nassgewicht - Trockengewicht}\over{Trockengewicht}} \ x\ 100\%} $$

Da archäologische Nasshölzer durch bakterielle und hydrolytische Abbauprozesse meist der Cellulose, an Masse verlieren und somit noch mehr Wasser aufnehmen können als rezente Hölzer, kann das „gesteigerte“ maximale Wasseraufnahmevermögen zur näheren Bestimmung des Abbaugrades herangezogen werden. Je höher der Umax –Wert also ausfällt, umso stärker ist das Holz abgebaut.

Eine Methode zur genauen Bestimmung des Wassergehaltes archäologischer Nasshölzer besteht darin, dass Objekt zu wiegen, danach im Ofen bei ca. 105°C bis zur Gewichtskonstanz zu trocknen (absolut trocken/atro) und erneut zu wiegen. Aus der Differenz der Gewichte errechnet sich die Wassermenge, die dann zur reinen Holzmasse, dem Trockengewicht, ins Verhältnis gesetzt wird.

Der Nachteil ist, Nassholzobjekte sind nach der Behandlung zerstört. Die Methode ist also nur für Großobjekte / Konstruktionshölzer geeignet, wenn Probenmaterial zu Verfügung steht. Opfert man dennoch hierfür ein kleineres Holzfragment, stellt sich die Frage nach der Repräsentativität dieser Messung für den Erhaltungszustand des kompletten Holzes.

Unter der Voraussetzung, dass Nassholz komplett mit Wasser gesättigt ist bietet die vergleichende Massebestimmung mit einer Wägung an Luft und unter Wasser eine zerstörungsfreie Alternative. Nach dem Archimedischen Prinzip erfährt das Holz durch die Wasserverdrängung entsprechend seines Volumens einen Auftrieb und wird leichter. Da die reine Holzmasse (Zellwandsubstanz) unabhängig von seiner Holzart nahezu eine Dichte von 1,5 kg/dm³ besitzt und das umgebende Medium Wasser eine Dichte von 1 kg/dm³, entspricht das Unterwassergewicht nur noch einem Drittel des an der Luft vorhandenen Holzgewichtes, d.h. das dreifache Unterwassergewicht entspricht der Masse meines Holzes. Zur Errechnung des maximalen Wasseraufnahmevermögens wird in obiger Umax – Formel das Trockengewicht durch das dreifache Unterwassergewicht ersetzt:

$$ {U_{max} = {{Nassgewicht - (3\ x\ Unterwassergewicht)}\over{3\ x\ Unterwassergewicht}} \ x\ 100\%} $$

Anders aufgelöst - Durch die Differenz aus Gewicht (Wiegung an Luft)und Unterwassergewicht lässt sich die Menge des verdrängten Wassers und somit das Volumen eines Nassholzes bestimmen. Ist bei einem Körper bestehend aus zwei Materialien (Wasser und Holz) mit bekannten Dichten das Gesamtgewicht und das Volumen bekannt, lassen sich die Mengenanteile daraus ableiten.

Nach „de Jong“ unterscheidet man abhängig vom Wassergehalt drei verschiedene Erhaltungszustände:

• Gruppe 1: Wassergehalt > 400% → Stark bis komplett abgebautes Holz
• Gruppe 2: Wassergehalt 185% - 400% → Randbereich abgebaut, Kern noch erhalten
• Gruppe 3: Wassergehalt < 185% → Schwach (schmaler Randbereich) abgebaut

Zur feineren Bestimmung oder auch zum Abgleich mit rezentem Holz kann die „restliche“ Dichte (R_G) archäologischer Nasshölzer errechnet werden.

Analog zur normalen Dichtebestimmung \( {p={m\over V}} \) (Dichte = Masse/Volumen) können hier die Werte aus der vergleichenden Massebestimmung eingesetzt werden:

Die Holzmasse entspricht dem dreifachen Unterwassergewicht, das Volumen der Differenz aus Nassgewicht und Unterwassergewicht:

$$ {R_G = {{3\ x\ Unterwassergewicht}\over{Nassgewicht - Unterwassergewicht}}} $$

Diese „restliche“ Dichte setzt also die reine (darrtrockene) Holzmasse in Bezug zum maximal aufgequollenen Volumen und kann daher mit den Raumdichte-Werten rezenter Hölzer verglichen werden.

Probleme bereiten bei der vergleichenden Massenbestimmung Hölzer die nicht komplett wassergesättigt sind und daher auftreiben oder nur „leicht“ absinken und Gewichtsangaben erzeugen, die keinen glaubhaften Werten entsprechen können. So geschehen mit den Holzproben der Versuchsreihe V03 (Kiefer), deren Unterwasser-Gewichte daher auch nicht in der Datenbank erfasst wurden. Die U max-Bestimmung erfolgte hierbei über die Ofentrocknung zweier Holzproben aus dieser Versuchsreihe.

Anhand der Daten der unkonservierten Referenzproben aller Versuchsreihen, die sowohl (vergleichend) gewogen als auch ofengetrocknet wurden, lässt sich ersehen, dass die Berechnung von Volumen und Holzmasse aus der vergleichenden Wägung mit geringen Abweichungen eine gute Annäherung an die gemessenen Werte der Volumenbestimmung durch 3D- Scannen und Holzgewichtbestimmung durch Ofentrocknen liefert.

Unsere einfache Versuchseinrichtung zur Bestimmung des Unterwassergewichtes: Metallkorb mit Aufhängung platziert auf einer Präzisionswaage (Mettler Toledo, Labstyle 3002)