Forschungsprojekt «Think Earth»: Lehm als Baustoff der Zukunft?

Er ist ein bewährter Baustoff und wird seit Jahrtausenden angewendet: Lehm. Das Innosuisse-Flagship-Projekt «Think Earth» soll dem traditionsreichen Material gemeinsam mit der Bauwirtschaft zum Comeback verhelfen – und zur klimafreundlichen Beton-Alternative werden.

Quelle: Oxara & Sara Sherif

Wie das Bauen mit Lehm künftig aussehen könnte, zeigt der Pavillon «Manal» auf dem Campus der Hochschule Luzern in Horw.

Die Schweiz verfügt über beträchtliche Lehmressourcen: Jedes Jahr werden und 30 Millionen Tonnen an tonhaltigen Materialien aus Erdaushub und Filterkuchen von Kieswaschanlagen kostenpflichtig deponiert. Dabei könnten diese mit den richtigen Aufbereitungstechniken als kreislauffähige Baustoffe wieder dem Bauwesen zugeführt und erneut verbaut werden. Genau hier setzt das Projekt «Think Earth» an: Forschende verschiedenster Hochschulen und Institutionen untersuchen darin gemeinsam mit Wirtschaftspartnern, wie sich erdbasierte Materialien wie Lehm in Kombination mit Holz in den modernen Bauprozess integrieren lassen – als eine kreislauffähige und klimafreundliche Alternative zum energie- und ressourcenintensiven Beton.

Interdisziplinäre Zusammenarbeit

«Die Bauwirtschaft hat mit ihrem CO₂-Ausstoss einen gewichtigen Anteil an den Klimaveränderungen», sagt Uwe Teutsch, Professor am Institut für Bauingenieurwesen der Hochschule Luzern (HSLU). In Zukunft dürfte das noch stärker spürbar werden: Studien prognostizieren für das Schweizer Mittelland steigende Temperaturen und vermehrte Tropennächte. «Durch einen effizienten, kreislauforientierten Einsatz aller Akteure und der vermehrten Verwendung regenerativer Baustoffe kann dem begegnet werden.» Vor diesem Hintergrund hat sich das Projekt «Think Earth» zum Ziel gesetzt, die Erfahrungen traditioneller Bautechniken von Holz und Lehm weiterzuentwickeln und einen grundlegenden Transformationsprozess zum klimaneutralen Bauen mit den natürlichen Materialien aufzuzeigen. 

Quelle: Oxara

Beim Bau des Pavillons kam neben den Lehmbaustoffen auf Basis der von Oxara entwickelten Technologie auch «Oulesse» zum Einsatz – ein mineralisches Bindemittel, das durch die Kombination eines zementfreien Aktivators mit fein gemahlenem Mischabbruch entsteht.

Das Vorhaben ist breit abgestützt: Das Gesamtprojekt wird von der ETH Zürich koordiniert, die HSLU ist an fünf Teilprojekten beteiligt oder federführend. «Weitere Partner sind die Empa, die FHOST und die BFH sowie rund 40 Wirtschaftspartner – darunter Erne, Marti, Eberhard, Kibag, Oxara, Walt Galmarini und Duplex Architekten – und Verbände wie der SIA und Lignum. Diese Zusammenarbeit zwischen Forschung und Bauwirtschaft soll sicherstellen, dass innovative Lösungen entwickelt, getestet und später effektiv in grossem Massstab angewandt werden können – von der Rohstoffgewinnung über die Materialentwicklung bis hin zur Bemessung, Normierung und Baupraxis. Zehn miteinander verknüpfte Teilprojekte widmen sich deshalb Themen wie Materialeigenschaften, Hybridkonstruktionen, industriellen Fertigungsprozessen und der normativen Verankerung.

Nur Kleinanwendungen mit Lehm

Ein Schwerpunkt der Forschungsarbeit liegt auf der Nutzung von tonhaltigem Aushubmaterial, das hierzulande bislang kaum verwertet wird. «Erdbasierte Baustoffe wie Lehm stehen kreislaufwirtschaftlich in unlimitierter Menge zur Verfügung», erklärt Teutsch. Allerdings werde Lehm in der Schweiz derzeit «in exklusiven Kleinanwendungen» eingesetzt – basierend auf wenig verbreitetem Expertenwissen. Genau hier knüpft «Think Earth» an: Ziel ist es, erdbasierte Materialien industriell zuverlässig produzieren zu können, die Materialeigenschaften verlässlich zu bestimmen sowie Bemessungsgrundlagen und Normen für den Praxiseinsatz zu entwickeln.

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Erdbasierte Baustoffe wie Lehm stehen kreislaufwirtschaftlich in unlimitierter Menge zur Verfügung.

Uwe Teutsch, Professor am Institut für Bauingenieurwesen der Hochschule Luzern (HSLU)

Uwe Teutsch, Professor am Institut für Bauingenieurwesen der Hochschule Luzern (HSLU)

Ein weiteres Kernelement des Projekts ist die Kombination von Holz und Lehm. Holz gewinnt aufgrund seiner CO₂-Speicherfähigkeit zunehmend an Bedeutung. «Aktuell werden aber nur zehn Prozent des verbauten Holzes wieder zurück in den Baukreislauf geführt», so Teutsch. «Wir streben eine Erhöhung dieser Wiederverwendungsrate auf 90 Prozent an.» Durch Hybridkonstruktionen aus Holz und Lehm könne ausserdem die thermische Masse von Lehm genutzt werden, um sommerliche Überhitzung zu vermeiden und Heiz- sowie Kühlenergie für Gebäude zu reduzieren. «Solare Gewinne im Winter und eine effiziente Nachtauskühlung im Sommer ermöglichen es, Energie und Gebäudetechnik einzusparen.»

Quelle: Oxara & Géraline Recker

Der Pavillon wurde aus Gusslehm respektive Lehmsteinmauerwerk errichtet und dient zum einen als Demonstrator, zum anderen als Versuchsobjekt.

Mehrgeschossiger Lehmbau möglich

Zu den in «Think Earth» untersuchten Lehmbautechniken zählen Gusslehm, Stampflehm und Lehmsteinmauerwerk. Ergänzt werden diese durch robotergestützte Verfahren wie das sogenannte Impact Printing. Parallel dazu arbeitet das Team auch an modularen Fertigteil-Lösungen. «Wir entwickeln derzeit Fertigteile in Gusslehm und Stampflehm», erläutert Teutsch. Dabei gehe es nicht nur darum, industrielle Herstellungsprozesse zu entwickeln, sondern auch, den Markt zu analysieren und zu verstehen, welche Art des Produktes eine Chance habe und eine wirtschaftliche Lösung darstelle. Denn um in der Baubranche mit neuen, ökologischen Materialien bestehen zu können, sind die Kosten zentral. Teutsch dazu: «Beton ist billiger als Mineralwasser».

Technisch ist es laut dem HSLU-Professor bereits möglich, für den Wohnungsbau dreigeschossige Bauten mit tragenden Wänden aus Gusslehm, Stampflehm und Lehmsteinmauerwerk zu erstellen. «Es fehlt jedoch teilweise noch an Berechnungsmodellen und Normen, die dieses Bauen regeln». Während Deutschland seit zwei Jahren über eine erste Norm für Lehmsteinmauerwerk verfüge, befinde man sich in der Schweiz derzeit noch «bei den ersten Vorstufen für Normen». Dafür werden aktuell die notwendigen Qualitäts- und experimentellen Untersuchungen dokumentiert, um die Eigenschaften unterschiedlicher Lehmbaumischungen beurteilen zu können. Das bildet später die Grundlage, um mit dem SIA die Normierung anzugehen.

Quelle: Oxara & Géraline Recker

Detailaufnahme des Pavillons: Durch Hybridkonstruktionen aus Holz und Lehm kann die thermische Masse von Lehm genutzt werden, um sommerliche Überhitzung zu vermeiden und Heiz- sowie Kühlenergie für Gebäude zu reduzieren.

Pavillon als Versuchslabor

Die grösste Herausforderung in Bezug auf die Gusslehmbauweise sieht Teutsch noch in der Entwicklung einer schnellen Methode zur Trocknung, da Lehm erst dann seine Festigkeit erreicht. Bestehende Vorbehalte gegenüber Lehm – etwa hinsichtlich der geringen Festigkeit oder Feuchteempfindlichkeit – hält der gelernte Bauingenieur für technisch einordbar. So sei die Festigkeit zwar niedriger als bei Beton oder Stahl und Lehm könne auch nur Druckkräfte aufnehmen. Im dreigeschossigen Wohnungsbau seien die hohen Festigkeiten allerdings gar nicht unbedingt notwendig, wie er erklärt: «Durch die Kombination mit Holz kann der Lehm die vertikalen Lasten übernehmen, während der Holzbau die Aussteifung übernimmt.»

Gleiches gilt für die Feuchteempfindlichkeit, denn das Material müsse im Idealfall gar nicht in Aussenwänden eingesetzt werden. Im Innenraum stellt sich dieses Problem nicht. Zudem bietet der Baustoff hier sogar Vorteile: «Lehm kann Feuchtigkeit aus der Raumluft aufnehmen und verzögert wieder abgeben, was zu einer guten Feuchteregulation beiträgt.» Weiter könne das erdbasierte Material mit seiner Masse auch gut Wärme, respektive Kälte abpuffern. «Deswegen sind wir auch davon überzeugt, dass hybride Bauteile oder Tragwerke aus Holz und Lehm einen sinnvollen Beitrag zur Reduktion von Grauer Energie und Betriebsenergie leisten können», sagt Teutsch.

Wie das künftig in der Praxis aussehen kann, zeigt der Pavillon «Manal» auf dem Campus der Hochschule Luzern in Horw. Er wurde aus Gusslehm respektive Lehmsteinmauerwerk errichtet und dient zum einen als Demonstrator, zum anderen als Versuchsobjekt. Die auf der Baustelle gegossenen Wände des Pavillons sind mit Feuchtesensoren ausgestattet, um die schwankenden Feuchtigkeitswerte der bewitterten Lehmwände messen und mit den feuchteunabhängigen Festigkeiten korrelieren zu können. Beim Bau kam neben den Lehmbaustoffen auf Basis der von Oxara – einem ETH-Spin-off – entwickelten Technologie auch «Oulesse» zum Einsatz – ein mineralisches Bindemittel, das durch die Kombination eines zementfreien Aktivators mit fein gemahlenem Mischabbruch entsteht.

Quelle: Kibag

Kibeco gewinnt Baulehmmischungen primär aus sogenannten Filterkuchen, der bei der Kies- und Aushubwäsche entsteht.

Abfall als Rohstoff

Interesse an erdbasierten Baustoffen besteht auch auf Unternehmensseite: Zu den Partnern von «Think Earth» gehört unter anderem Kibeco, die Nachhaltigkeitsmarke der im Bereich Baustoffe und Bauwesen tätigen Kibag-Gruppe, die sich auf die Entwicklung regenerativer Baustofflösungen spezialisiert hat. Kibeco unterstützt die Forschenden als Industriepartner mit Erfahrung im Bereich Produktion und Logistik. Für Lisa Grieder, Projektleiterin bei Kibeco Zürich, war die Teilnahme am Flagship-Projekt ein logischer Schritt: «Die Beteiligung erlaubt es uns, gemeinsam mit Forschenden neue Baustoffe zu entwickeln, die Ressourcen schonen und den CO₂-Fussabdruck reduzieren.»

Kibeco gewinnt Baulehmmischungen primär aus sogenannten Filterkuchen, der bei der Kies- und Aushubwäsche entsteht. «Filterkuchen bestehen aus feinsten Tonmineralien», erklärt Grieder. «Er wird in grossen Klärbecken mit Flockungsmitteln vom Wasser getrennt und anschliessend in einer Kammerfilterpresse bis auf rund 20 Prozent Restfeuchte entwässert.» Das so aufbereitete Material dient anschliessend als Bindemittel für zementfreien Gusslehm.

Quelle: Kibag

Filterkuchen werden in grossen Klärbecken mit Flockungsmitteln vom Wasser getrennt und anschliessend in einer Kammerfilterpresse bis auf rund 20 Prozent Restfeuchte entwässert. Das so aufbereitete Material dient als Bindemittel für zementfreien Gusslehm.

Skalierung technisch machbar

Wie Grieder weiter ausführt, arbeitet man derzeit an Prozessen, um Gusslehm in grösseren Mengen standardisiert produzieren zu können. Technisch sei die Skalierung machbar: «Wir können Mischungen homogen herstellen und für den Baustellenbedarf anpassen.» Ein wichtiger Faktor hierbei sei die Trocknungszeit. Daran werde momentan noch gearbeitet, um die Verarbeitung zu beschleunigen. Daneben sei die Wettbewerbsfähigkeit des Materials entscheidend. «Damit Lehm wirtschaftlich konkurrenzfähig wird, braucht es vor allem Standardisierung und Normen, die eine zuverlässige Qualität und sichere Verarbeitung gewährleisten», so die Projektleiterin.

Im Vergleich zu Beton sieht Grieder sowohl ökologische als auch technische Vorteile. «Lehmbeton kommt ohne Zement aus und reduziert dadurch den Treibhausgasausstoss deutlich.» Weiter könne Lehm regional gewonnen werden, wodurch sich Transportemissionen minimieren liessen. Und am Ende seiner Lebensdauer kann das Material schliesslich recycelt werden. Technisch punkte Lehm durch Feuchteregulation, thermische Masse und Feuerbeständigkeit. Weiter gibt es laut Grieder bereits konkrete Einsatzmöglichkeiten: «Realistische Anwendungen sind Innenwände, nicht tragende Elemente, Böden und Estriche.» Aber auch hybride Systeme mit Holz seien gut umsetzbar. Wann Lehmbaustoffe im grösseren Massstab in der Schweiz auf Baustellen zu finden sein werden, hängt für Grieder von drei Faktoren ab: der Produktion, Normen und Wirtschaftlichkeit. «Wenn das alles passt, könnte Lehm in fünf Jahren auf mittleren Baustellen häufiger eingesetzt werden», so ihre Einschätzung. Erste Vorreiterprojekte seien bereits im Gange.

In den kommenden Jahren wird sich zeigen, welchen Platz Lehm im Bauwesen einnehmen kann – «Think Earth» legt dafür den Grundstein.