Bauen mit Lehm Schlammige Forschung für klimafreundliche Häuser

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Häuser aus Lehm? Was klingt, wie ein technologischer Rückschritt, könnte im Gegenteil die Zukunft der Bauindustrie sein. Denn im Gegensatz zu Beton stellt Lehm als Baustoff die nachhaltigere und umweltfreundlichere Alternative dar. Wie man seine mechanischen Eigenschaften verbessern und ihn zumindest in bestimmten Bereichen des Hausbaus einbinden könnte, untersuchen Forscher der Empa.

Wir bauen, wie wir leben – und zwar mit ziemlich hohen CO₂-Emissionen: Allein bei der Zementherstellung entstehen rund sieben Prozent aller Treibhausgasemissionen weltweit. Empa-Forschende arbeiten daher an verschiedenen Wegen, diese Emissionen mit neuen Baumaterialien und -technologien zu senken.

Einer dieser Wege zum sauberen Bauen ist ein schlammiger: Ellina Bernard vom „Beton & Asphalt“-Labor der Empa in Dübendorf untersucht das Potenzial von Lehm als nachhaltiger Baustoff. Denn im Vergleich zu Beton sollte Lehm deutlich weniger CO₂ freisetzen. Zudem ist er nahezu unbegrenzt verfügbar, wiederverwertbar und lässt sich gut verarbeiten –auch gemeinsam mit weiteren „Experimenten“ der modernen Baukultur wie organischen Abfallstoffen aus der Hanfverarbeitung.

CO2-neutrales Baumaterial

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Forschung an Jahrtausende lang genutztem Baustoff

Das Potenzial einer schlammigen Beton-Alternative wäre gewaltig. Zwar könnte Beton nicht bei allen Bauzwecken durch Lehm ersetzt werden. Möglich sind aber – neben einer Vielzahl von nicht-tragenden Konstruktionen – tragende Wände von Wohnhäusern. Und immerhin werden mehr als die Hälfte aller Baubewilligungen beispielsweise in der Schweiz gerade für Wohnbauten vergeben. Dabei kann so genannte gegossene Erde in einer Verschalung verwendet werden oder gepresster Lehm in Form von vorgefertigten Bausteinen. Und diese luftgetrockneten Lehmziegel haben eine entsprechend günstigere Energiebilanz als ihre gebrannten Varianten, die Backsteine.

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Ist Lehm also ein wahres Wunder-Baumaterial? „Noch nicht“, sagt Empa-Forscherin Bernard, die auch eine Professur für Nachhaltiges Bauen an der ETH Zürich innehat. Denn obwohl Lehm bereits seit rund 10.000 Jahren genutzt wird und damit zu den ursprünglicheren Baumaterialien der menschlichen Geschichte gehört, lässt sich die erdige Paste bis heute nicht zufriedenstellend in den Griff bekommen.

Zum einen ist das Naturmaterial – so wie auch andere Rohstoffe wie Eisenerze und Kalkgestein – in seiner geologischen Zusammensetzung überall auf der Welt unterschiedlich, was die standardisierte Herstellung und Verwendung erschwert. Zum anderen wird dem Lehm, zumindest außerhalb von Deutschland, derzeit herkömmlicher Zement zugefügt, damit ein stabiles und haltbares Baumaterial entsteht. Durch diese Zugabe rutscht der ökologische Fußabdruck des Lehms jedoch wieder in den roten Bereich. Bernard und ihr Team wollen darum das erdige Material ergründen, Standards für die Zusammensetzung und die mechanische Belastbarkeit definieren und damit gleichzeitig ein sauberes alternatives Baumaterial für die industrielle Anwendung entwickeln. Für dieses Vorhaben wird die Empa-Forscherin bereits mit einem „Ambizione“-Grant des schweizerischen Nationalfonds (SNF) gefördert.

In einem kurzen Video auf dem Youtube-Kanal der Empa gibt Forschungsleiterin Ellina Bernard einen kurzen Einblick ihr Projekt zur Optimierung von Lehm als Baustoff:

Die Geheimzutat für Stabilität: Magnesium

Der Verwandlung einer schlammigen Paste aus Wasser und Erde in ein felsenfestes Produkt haftet etwas Geheimnisvolles an. Um dies zu enträtseln und letztlich zu kontrollieren, taucht Bernard in das Innerste der Materie ein. Im Gegensatz zu Zement, der von chemischen Bindungen zusammengehalten wird, gehen die feinen Tonmineralien im Lehm bei der Lufttrocknung physikalische Bindungen ein. Eine Stabilität wie die von Beton ist auf diese Weise nicht zu erreichen. Darum sucht die Forscherin nach einem geeigneten stabilisierenden Bindemittel.

Unterstützung erhält sie hierbei vom Geologen Raphael Kuhn, der derzeit seine Dissertation über Lehm-Zusatzstoffe anfertigt. Ein vielversprechender Kandidat als Bindemittel ist Magnesiumoxid. Bei entsprechend nachhaltiger Gewinnung hat es eine hervorragende Klimabilanz im Vergleich zu Calcium-haltigem Zement, dessen chemische Reaktion große Mengen an CO₂ freisetzt. Zudem verkürzt Magnesiumoxid die Trocknungszeit, wirkt durch die Bildung von Nanokristallen der Klumpenbildung im Lehm entgegen und greift dennoch nur sanft in die vorteilhafte Mikro- und Nanostruktur der lehmigen Elementarteilchen ein.

In ersten Laborexperimenten erreicht das Team mit verschiedenen Lehm-Rezepturen mit dem Magnesiumoxid-Bindemittel bereits eine Druckfestigkeit von bis zu 15 Megapascal – ein Vielfaches von unbehandeltem Lehm. Zum Vergleich: Lehm mit Zementzusatz erreicht bis 20 Megapascal. „Das ist aber erst der Anfang“, sagt Forschungsleiterin Bernard. Da sie die Nachhaltigkeit von Baumaterialien ganzheitlich beurteilen möchte, müssen die Laborexperimente auch von Lebenszyklusanalysen begleitet werden, die Haltbarkeit, Rückbau und Wiederverwertung der Materialien erfassen. Die Forschungsarbeit wird ihr und ihrem Team also nicht so bald ausgehen.

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