WAS IST UND KANN LEHM?

Eine Einführung für Eilige, 2. Teil Zusammensetzung Lehm setzt sich zusammen aus Sand und Ton. Der Ton, genauer gesagt die Tonminerale, umschließen die Sandkugeln und kleben sie zusammen. Die sehr unterschiedlichen Korngrößen des Sandes (von 0,002 mm bis Feldsteingröße) und die unterschiedlichen Eigenschaften der Tonminerale ergeben eine sehr große Variationsbreite von Eigenschaften. Tonmineralien Mineralgruppe Quellung Kaolinit mäßig Pyrophylite keine Montmorillonite sehr stark Beidellite sehr stark Vermiculite stark Illite mittel Korngrößen von Steinen, Sand, Schluff und Ton (nach DIN 4022 T1) Benennung Korngröße in mm Spez. Oberfläche in cm2/g Steine 400-63 Grobkies 20-63 20 Mittelkies 6,3-20 Feinkies 2-6,3 Grobsand 0,6-2 200 Mittelsand 0,2-0,6 Feinsand 0,06-0,2 Grobschluff 0,02-0,06 2000 Mittelschluff 0,006-0,02 Feinschluff 0,002-0,006 Ton < 0,002 > 20.000 Die Zusammensetzung von Lehmen kann durch das Dreiecksnetz nach Voth dargestellt werden oder nach Gewichtsprozent der einzelnen Korngrößen durch eine Sieblinie. Sieblinien Das Korngerüst ist um so belastbarer, je weniger Zwischenräume für die Tonmineralien als Klebstoff bleiben und je besser die einzelnen Kügelchen des Sandes ineinander passen. Am wenigsten dicht liegen sie, wenn alle Kügelchen gleich groß sind, am dichtesten, wenn sie verschiedene Größen haben und ihre Verteilung auf der Größenskala der Sandkörner, der Sieblinie, die "Fuller-Parabel" beschreibt. Die Sieblinie erhält man durch Sieben des getrockneten Lehms mit verschiedenen Sieböffnungen und anschließendem Wiegen der Siebrückstände. Bei kleineren Korndurchmessern werden andere Methoden angewandt. Wichtig für die Festigkeit ist außerdem die Größe der größten Sand- bzw. Kieskörner und ihre Scharfkantigkeit, mit der sie sich ineinander verzahnen. Schluff liegt in der Korngröße zwischen Sand und Ton, hat aber keine Klebekräfte, sondern verbraucht vermutlich durch seine große Oberfläche viel der wertvollen Klebekraft der Tonminerale. Das genaue Zusammenwirken von Schluff und Ton ist allerdings noch unklar. Für Putze und Massivlehmbauten sind Lehme, die ein festes Korngefüge haben, gut geeignet. Sie sollten etwa 10 % Tonminerale, 30 % Schluff und den Rest Sand - gleichmäßig von 0,06-2 mm verteilt - enthalten. Bei Leichtlehm wird das Korngerüst von den Zuschlagstoffen gestellt, die von dem sehr bindigen (d.h. tonhaltigen) Lehm verklebt werden. Plättchenstruktur der Tonmineralien Die Plättchen der Tonmineralien liegen wie ein Kartenhaufen dicht aufeinander. Wird Wasser zugegeben, bilden sich hauchdünne Wasserfilme zwischen ihnen, und das Ganze wird sehr glitschig, bei geringer Wasserzugabe plastisch. Verdunstet das Wasser, ziehen sich die Plättchen mit der flachen Seite gegenseitig an. Der Prozeß des Verdunstens und Wieder-Wasser-Zugebens kann - anders als beim Zement - beliebig oft wiederholt werden. Deshalb kann ungebrannter Lehm als Baustoff immer wieder verwendet werden. Bei der Bearbeitung des plastischen Tons durch äußere mechanische Kräfte werden die Plättchen wie kleine Magneten ausgerichtet. Diese Strukturen bleiben beim Austrocknen erhalten. Man spricht deshalb vom Gedächtnis oder Geheimnis des Tons. Wie entsteht Ton? Die Tonmineralien entstehen z.B. beim Verwittern von Feldspat des Granits. Gleichzeitig werden dann die beiden anderen Bestandteile des Granits, Quarz und Glimmer, frei und vermischen sich mit den Tonmineralien. Diese Verwitterungsprodukte sind von Wasser, Wind und Eis oft weit transportiert worden. Je nach endgültiger Lagerstätte hat der Ton bzw. Lehm dann eine sehr unterschiedliche Zusammensetzung und wird als Berglehm, Geschiebelehm, Schwemmlehm, Lößlehm, Schlicklehm, Auelehm usw. bezeichnet. Damit sind seine technischen Eigenschaften allerdings noch nicht ausreichend beschrieben. Die bekanntesten Tonmineralien sind Kaolinit, aus dem Porzellan hergestellt wird, Montmorillonit - dem wichtigsten Bestandteil des Bentonits, einem Verwitterungsprodukt aus vulkanischen Aschen, das zum Plastifizieren von Tonen verwendet wird -, Illit und Chlorit. Die Tonmineralien sind unvorstellbar kleine Kristallblättchen, etwa 1/1000 mm klein, deren elektrostatische Aufladung die Klebekraft des Tons ausmacht. Je mehr Sand als Füllmaterial im Ton enthalten ist, desto "magerer" nennt man ihn. "Fetter" Ton besteht etwa zu zwei Dritteln aus Tonmineralien. Bei 50 % Tonanteil spricht man von lehmigem Ton; toniger Lehm enthält nur noch ein Drittel, Lehm rund 20 % und sandiger Lehm 10 % Tonmineralien. Baulehm soll 10-15 % Tonmineralien haben, für Leichtlehmbauweisen bis 30 %, der Rest ist Schluff, Sand und evtl. Kies. Mergel, also Lehm mit Kalk, ist zum Bauen genauso wenig geeignet wie Lehm, der Mutterboden enthält. Rohdichte (Gewicht) Lehmart Dichte (kg/m3) Quelle erdfeucht, krümelig 1000-1500 Minke geschüttet 1400-1800 Niemeyer sandig, Lößlehme 1750 Niemeyer mittelfett 1850 Niemeyer fett 1900 Niemeyer sehr fett und steinig 2200-2400 Niemeyer Steine, Stampflehm 1700-2200 Minke Einfache Feldversuche Lehm findet man in nahezu allen Gegenden. Wenn der erste halbe Meter Mutterboden abgetragen ist und er genügend Klebekraft hat, kann er meist zum Bauen verwendet werden. Schon vor Ort kann man mit etwas Erfahrung die ersten "Materialprüfungen" machen: Am Knirschen zwischen den Zähnen läßt sich feststellen, wieviel Sand im Lehm enthalten ist; mit dem Fingernagel geglättet, zeigt sich am Glanz wie fett er ist. Beim "Händewaschen" mit Lehm fühlt sich Ton seifig an, Schluff mehlig, und Sand schwimmt schnell weg. Die Klebekraft oder Bindigkeit läßt sich abschätzen, indem man eine kleine Kugel langsam zu einer dünnen Scheibe drückt, aus ihr eine etwa 3 cm dicke und 30 cm lange Wurst rollt und sie über eine Brettkante rollend zum Abbrechen bringt. Wenn die Wurst länger als 10 cm "aushält", ist der Lehm fürs Bauen interessant. Bei der genaueren Untersuchung in einem einfachen Feldlabor wird die Klebekraft mit dem "Achterling" festgestellt. Dieser Versuch wurde von Niemeyer entwickelt und ist in der Lehmbau-DIN beschrieben. Von Interesse ist außerdem das Schwindmaß, um das sich der Lehm beim Trocknen zusammenzieht, ferner der Kalkanteil (Salzsäuretest) und die Abschlemmprobe. Durchgetrocknete Kugeln von 5 cm Durchmesser aus geringer Höhe auf einen Steinboden fallen gelassen, zerspringen bei gutem Baulehm in mehrere Teile. Zerkrümeln sie, ist der Lehm zu sandig, behält die Kugel ihren Zusammenhalt, ist er zu fett. Näheres findet sich in allen Lehmbaubüchern. Bindigkeit Am gebräuchlichsten ist die Einteilung der Baulehme nach ihrer Bindigkeit, die - wie erwähnt - durch Achterling-Proben ermittelt wird. Dabei wird die alte Einheit "Gramm pro Quadratzentimeter" benutzt. Zu beachten ist, daß es Jahrhunderte alte Stampflehmgebäude gibt, die mit "lehmigem Sand" gebaut wurden, der nach Niemeyer zum Bauen nicht mehr geeignet ist. Lehmart Bindekraft (g/cm2) (N/cm2) lehmiger Sand unter 50 unter 0,5 fast fetter Lehm 101-200 1,1-2,0 fetter Lehm 201-280 2,1-2,8 sehr fetter Lehm 281-360 2,9-3,6 Zusätze Grubenlehm darf nicht durch Zusätze verunreinigt sein, er soll kalk- und humusfrei sein. Durch Zugabe unterschiedlicher Zusätze wird versucht, die Eigenschaften von Lehm zu beeinflussen. Am verbreitetsten sind: Kalk, Zement: Erhöht die Druckfestigkeit und Witterungsbeständigkeit. Angewandt vor allem bei Massivlehmbauten Eiweiß: Erhöht die Witterungsbeständigkeit und verringert das Schwinden. Traditionell: Urin, Kuhschit, Blut, Ei, Quark, viel Erfahrungen. Eiweiß wirkt wie Schmiermittel zwischen den Tonplättchen und führt zu Einsparungen von Anmachwasser. Dadurch schwindet der Lehm weniger beim Trocknen. Bei Kuhdung kommt hinzu, daß seine Faserstoffe besonders für Putze sehr günstig sind. Salze: Erhöht die Witterungsbeständigkeit und verringert das Schwinden und Quellen. Eine ähnliche Wirkung wie Eiweiß hat auch eine Zugabe von 3-5 Vol.-% Soda zum Anmachwasser. Salze wirken durch Ionenaustausch. Es liegen nur wenig Erfahrungen über Anwendungen vor. Holz/Fasern: Erhöht bei Bauteilen als "Bewehrung" die Zugfestigkeit (Stroh, Heidekraut, Zweige, Nadeln) Erhöht die Zug- und Stoßfestigkeit, vermeidet Schwindrisse bei Putzen (Häcksel, Kaff, Schäben aus Stroh, Hanf, Flachs, Gras, Nadeln, Papierfasern) Verbessert wegen Verringerung der Rohdichte die Wärmedämmung (Stroh, Holzhackschnitzel, Sägemehl, Sägespäne, Papierfasern) mineralische Zusätze verbessern wegen Verringerung der Rohdichte die Wärmedämmung (Blähton, Blähglimmer [Vermaculite], Blähschiefer, Perlite). Druckfestigkeit Die Druckfestigkeit des Baustoffs Lehm ist abhängig von dem Korngerüst, der Bindigkeit, da quer zur Druckspannung eine Zugspannung aufgenommen werden muß, der Textur der Tonplättchen - gepatzte Steine, wie sie im Jemen verwendet werden, sind erheblich druckfester, da sich beim Patzen die Tonplättchen quer zur Belastungsrichtung ausrichten, der Art der Lehmaufbereitung, dem Alter des Bauteils, weil die Druckfestigkeit im Laufe der Zeit zunimmt, dem Verhältnis Anmachwasser zu Lehm ähnlich dem W/Z-Wert bei Beton. Es gibt erstaunlich wenig Angaben über die Druckfestigkeit, wohl auch, weil Lehm bei uns selten als lastabtragender Baustoff verwendet wird. Allerdings müssen auch Lehmwände ihr Eigengewicht abtragen können. Deshalb ist es notwendig, bei Leichtlehmwänden die Last stockwerkweise durch Träger abzutragen. Bei höheren Brandwänden aus Massivlehmsteinen muß auf eine ausreichende Belastbarkeit der Lehmsteine geachtet werden. Gut verdichtete Lehme ohne Zusätze haben eine Druckfestigkeit von 2-5 N/mm2 oder 20-50 kg/cm2. Es ist notwendig, für alle Lehmfertigprodukte die maximale Druckfestigkeit anzugeben. Dies gilt besonders für Lehmsteine. Für die Druckfestigkeit von Leichtlehm gibt es kaum Angaben. Erwähnt sei die Zusammenstellung bei Schneider u.a. (siehe Tabelle in der Veröffentl. als Buch). Niemeyer gibt die zulässige Druckspannung in Abhängigkeit von der Bindekraft mit 0,2-0,5 N/mm2 oder 2-5 kg/cm2 bei einer Bindekraft von 50-360 g/cm2 extrem niedrig an. Das verwundert, da er selbst für das mehr als 100 Jahre alte Wohnhaus aus Stampflehm in Weilburg eine vorhandene Druckspannung von 0,75 N/mm2 oder 7,5 kg/cm2 errechnet hat. Zuletzt sei DIN 18954 erwähnt, die für Lehmsteine eine Mindestdruckfestigkeit von 2,5 N/mm2 oder 25 kg/cm2 vorschreibt und für Massivlehm und Wände folgende Werte: (siehe Tabelle in der Veröffentl. als Buch). Feuerbeständigkeit (siehe Tabelle in der Veröffentlichung als Buch) Schneider u.a. schlagen für eine Neuregelung des Bauens mit Lehm vor: Brandmauern (F 90) dürfen nicht mehr als 5 Gew.-% brennbarer Stoffe enthalten (inkl. evtl. enthaltener Konstruktionsteile). Brennbare Konstruktionsteile müssen mindestens 5 cm überdeckt sein, bei minimaler Wandstärke 25 cm. Lehmbaustoffe, deren Gewichtsanteil brennbarer Stoffe 15 % nicht übersteigt, sind nicht brennbar und können als Brandschutz brennbarer Konstruktionsteile gelten (für F 60- und F 90-Konstruktionen geeignet). Lehmbaustoffe, deren Gewichtsanteil brennbarer Stoffe 20 % nicht überschreitet und deren Tonanteil 10 % nicht unterschreitet, sind schwer entflammbar. Bauteile aus solchem Lehm gelten als brandhemmend (F 30 und F 60 sind erreichbar). Raumklima Sich in den eigenen Wänden wohlzufühlen, ist i.allg. das wichtigste Ziel beim Bauen und Umbauen. Für die thermische Behaglichkeit sind in der Regel zwei Baustoffeigenschaften wichtig: die Wärmespeicherung und die Wärmedämmung. Beim Lehmbau kommt als dritte Eigenschaft die Wärmestrahlung hinzu. Wärmestrahlung "Im Sommer kühl und im Winter warm" - so beschreiben die meisten Bewohner ihre Lehmhäuser, und viele führen das fälschlich auf die guten Wärmedämmeigenschaften von Lehmwänden zurück. Das ist erstaunlich, denn Keppler/Lemcke haben dies bereits 1986 überzeugend mit den Strahlungseigenschaften des Lehms erklärt. "Von der Sonne erhitzte Lehmwände können ihre Eigenwärme nur schlecht abstrahlen und reflektierende Außenwände erscheinen selbst bei kühler Raumluft im Winter warm." (Schneider u.a.) Das ist auf schlechte Strahlungsaufnahme und -abgabe zurückzuführen und wird physikalisch mit der Strahlungszahl beschrieben. Der "ideale schwarze Körper", der Wärme gut aufnimmt und Eigenwärme optimal abstrahlt, hat eine Strahlungszahl von 5,8 W/m2hK4, ein total reflektierender Stoff 0. Die üblichen Baustoffe liegen mit einer Strahlungszahl von 5,3 in der Nähe des "idealen schwarzen Körpers" und Lehm mit 1,85 in der Nähe eines total reflektierenden Baustoffs. "Das Verhalten des Lehms gegenüber Wärmestrahlung ist eine seiner hervorragenden Eigenschaften." (Schneider u.a.; Schaubild siehe Veröffentlichung als Buch) Diese Eigenschaft führt wahrscheinlich - wie die folgende Grafik zeigt - zu einer Erhöhung des Anteils der Strahlungswärme. Auch hierzu gibt es noch erheblichen Forschungsbedarf. Wände aus konventionellen Baustoffen (siehe Abb. in der Veröffentl. als Buch) Lehmwände (siehe Abb. in der Veröffentl. als Buch) Wärmespeicherung Wände speichern die Wärme des Tages und geben sie, wenn es kühler wird, wieder ab. Wieviel Wärme sie aufnehmen und wieder abgeben können, hängt von ihrem Gewicht ab und von einer Stoffeigenschaft, der spezifischen Wärmekapazität c. Dieser Wert ist bei Lehm i.allg. vergleichbar anderen Baustoffen, nur Leichtlehm unter 800 kg/m3 speichert im Vergleich mit anderen Leichtbaustoffen deutlich mehr Wärme. Von Interesse ist dabei die Wärmemenge, die vom Volumen des Baustoffs abhängt und im folgenden dargestellt wird. Schaubild Lehm mit Zuschlägen (siehe Veröffentl. als Buch) Wärmedämpfung Die Wärmedämpfung beschreibt, wie schnell die Außenwand die täglichen fünf Temperaturschwankungen nach innen weitergibt. Eichler gibt als Komfortmaß dafür die 36er Ziegelwand an. Schwere Wände speichern und dämpfen gut, leichte tun beides schlecht. Die Wärmedämpfung ist allerdings auch abhängig von der Dämmung einer Wand. Schwere Wände mit Außendämmung dämpfen weniger als ungedämmte. Die Bedeutung der Wärmespeicherung muß jedoch immer in Zusammenhang mit dem gesamten Raum bzw. dem ganzen Gebäude betrachtet werden, da Innenwände, Fußboden und Decke etwa die zehnfache Speichermasse haben. Wärmeschutz Die Wärmeleitfähigkeit von Baustoffen ist in erster Linie abhängig vom Gewicht, vom Anteil der gut isolierenden, eingeschlossenen Luft. Dies gilt auch für Lehmbaustoffe, wie nachfolgende Tabelle (nach Volhard, Lehmbauregeln) zeigt (Tabelle siehe Veröffentl. als Buch). Wände leiten die Wärme der Innenräume durch Wärmeleitung nach außen. Diese "Transmissionswärmeverluste" machen mehr als zwei Drittel der Energieverluste eines Wohngebäudes aus. Den Zusammenhang zwischen dem Energieverbrauch eines Hauses und dem "k-Wert" (kleiner k-Wert = geringer Wärmeverlust) der Außenwand als Maß der Bemühungen um Wärmeschutz für ein voll beheiztes Einfamilienhaus zeigt das folgende Diagramm. Werte nach IWU für Einfamilienhäuser (Endbericht Enquete-Kommision l994), Jahreswirkungsgrad der Heizung 80 % (siehe Abb. in der Veröffentlichung als Buch) Durch die Ableitung der Wärme werden Außenwände auch auf der Raumseite kalt. Da das Wohlbefinden sowohl von der Temperatur der Raumluft als auch von der der umgebenden Wände abhängt, kommt es bei schlecht gedämmten Wänden zu überhitzten Räumen, zum "Barackenklima". Den Zusammenhang zwischen k-Wert und raumseitiger Oberflächentemperatur der Außenwand zeigt das Diagramm für die Lufttemperatur von 20° C innen und -10° C außen. Daß Lehmwände auch bei kalten Oberflächentemperaturen anders auf das thermische Wohlbefinden wirken, wurde zuvor beschrieben. Auch die Gefahr der Schimmelbildung als Folge zu niedriger Wandoberflächentemperaturen ist bei Lehmwänden mit ihren guten feuchteregulierenden Wirkungen unbekannt. Außerdem fühlen sie sich wärmer an, was jeder leicht selbst feststellen kann und die folgende Übersicht über Kontakttemperaturen bei einer Oberflächentemperatur von 16 °C zeigt.   Kontakttemperatur (° C) Leichtlehm ( r = 300) 24,6 Faserlehm ( r = 1200) 22 Massivlehm ( r = 1800) 20,8 Beton ( r = 2400) 19,2 Kalkputz ( r = 1800) 20,8 Holz ( r = 600) 23,1 Aufbereitung In allen Lehmbautraditionen spielt die Aufbereitung des Lehms eine große Rolle. Oft war sie verbunden mit schwerer körperlicher Arbeit. Möglichst gründliches Durchtreten, Mischen - Lehmmühlen von Mensch oder Tier bewegt. Traditionell wurde im Herbst der Lehm für eine Baustelle "gestochen", d.h. in schmalen Spatenstichen geborgen und zum Auswettern in etwa 1 m hohe und 2 m breite lange Haufen geschüttet, damit Frost und Regen die Arbeit übernehmen konnten: Regen wird aufgesaugt und Frost zersprengt knollenartige Tonansammlungen. Vor der weiteren Verarbeitung wurde der durch ein Walzwerk - einen Kollergang - oder durch eine Lehmmühle geschickt. Erst durch eine gute Aufbereitung entfaltet Lehm seine Eigenschaften. In Japan werden für ganz spezielle Arbeiten von früheren Generationen gesumpfte Lehme verwendet. Vor allem die Bindigkeit und Druckfestigkeit wachsen mit der Aufbereitung, weil die Klebekraft der Tonplättchen besser aufgeschlossen wird. Heute wird der Lehm ohne größeren Arbeitsaufwand in ausgekleideten Erdlöchem oder größeren Behältern eingesumpft und mindestens über Nacht, besser über mehrere Tage stehengelassen. Danach helfen Zwangsmischer, Rührtonne, Bäckerknetmaschine oder Farbmischquirl.   Literatur Enquete-Kommision, Endbericht l994 F. Volhard: Lehmbauregeln. Voraussichtl. ab Mitte 1999 im Buchhandel erhältlich. Schneider, U., M. Schwimmann, H. Bruckner: Lehmbau für Architekten und Ingenieure, Düsseldorf 1996, DM 68,- nächster Beitrag