MECHANISIERTES BAUEN MIT LEHM

Versuche mit der Schleuderstrahltechnik


Die Schleuderstrahltechnologie ist eine neuartige Maschinen- und Verfahrenstechnik. Sie ermöglicht eine weitgehende Mechanisierung des Baus von Lehmhäusern, der damit kostengünstiger als bei vergleichbaren herkömmlichen Bauten wird. Versuche mit dieser neuen Technik und ihre Ergebnisse haben ein großes Innovationspotential erwiesen.

Das Bauen mit Lehm geht bis in die Anfänge der Menschheitsgeschichte zurück und stellt noch heute, weltweit gesehen, eine der wichtigsten Bauweisen dar, wenn man die Drittweltländer einbezieht. Der verwendete Lehm weist oft nicht die standardisierte und genormte Reinheit auf, wie sie gegenwärtig von verschiedenen Fachleuten, Firmen und Institutionen in Deutschland angestrebt wird. Bei der überwiegenden Zahl der Lehmbauten in aller Welt wird als Baustoff sehr stark lehm- bzw. tonhaltiger Boden genutzt.

Da Transporte in der Frühzeit der Menschheitsgeschichte schwierig, aufwendig und langwierig waren, wurden Siedlungen dort errichtet, wo es geeigneten Lehm gab. Gewinnungsstätte und Bauplatz lagen dicht beieinander. Diese gute alte Sitte läßt sich in moderner Form wieder einführen: Das mechanisierte Bauen mit Lehm in Form der Schleuderstrahltechnologie ermöglicht es z.B., den Baugrubenaushub zur Herstellung von Wänden und anderen Teilen der Bauwerke zu nutzen.

Im Mittelalter und auch danach war Lehmbau – als Fachwerk- oder Stampflehmbau – den wenig begüterten Schichten vorbehalten, die sich teure Bruchsteine oder kostspielige gebrannte Ziegel nicht leisten konnten. In der zweiten Hälfte des 18. und Anfang des 19. Jahrhunderts entwickelte sich auf der Grundlage von Anregungen aus Frankreich der Stampflehmbau in Deutschland als eine preiswerte Bauweise. Die damals erschienene Literatur und die teilweise erhaltenen und noch bewohnten Häuser bezeugen, daß man weniger reinen Lehm als vielmehr lehm- bzw. tonhaltiges Erdreich als Baustoff benutzte.1

In Weilburg an der Lahn stehen heute noch zwanzig derartige, 120 bis 150 Jahre alte, bewohnte Lehmhäuser. Äußerlich sind diese Häuser nicht als Lehmhäuser erkennbar, weil zum Schutz feuchtigkeits- und nässeabweisende Oberflächenschichten – vor allem Putz – aufgebracht wurden. Das höchste dieser Stampflehmhäuser, für die man heute in dieser Form keine Baugenehmigung erhalten würde, weist sechs Vollgeschosse auf. Lehm ist in allen diesen Häusern der ausschließlich tragende Baustoff.

Diese und viele andere gut erhaltene Lehmhäuser sind Beweise dafür, daß Lehmbauten mindestens die gleiche Lebensdauer haben wie Häuser aus Kalksandstein oder sog. modernen Baumaterialien. Lehm ist ein hochmoderner Baustoff, wenn man an Ressourcenerhalt und Schonung unserer Umwelt denkt. Deshalb rückte der Lehmbau in den letzten Jahrzehnten ins Blickfeld umweltbewußter Bauherren, wobei die höheren Kosten durch Eigenleistungen ausgeglichen wurden.

Mit der Schleuderstrahltechnologie verfügen wir über eine Verfahrensweise, die das Bauen revolutionieren kann, weil sie ökologische und ökonomische Vorteile in optimaler Weise verbindet. Vorerst ist dabei an Ein- und Mehrfamilienhäuser mit zwei bis drei Geschossen gedacht; später können auch höhere Bauten errichtet werden.


Die Schleuderstrahltechnik

Schleuderstrahlen war ursprünglich zur Verfüllung von Hohlräumen mit Aufbereitungsgängen und Bergen gedacht, die durch den Steinkohleabbau unter Tage entstanden, ebenso als Substitutionsverfahren zum teuren und aufwendigen Blasversatz. Die Technologie wurde vor mehr als zehn Jahren am damaligen Institut für Bergbaukunde II der RWTH Aachen entwickelt, dem der Verfasser 17 Jahre lang vorstand; sie ist in über 20 Ländern durch Patente geschützt. Als der deutsche Bergbau wegen rückläufiger Förderung unter dem Zwang der Kostensenkung dazu überging, vorwiegend Abbau mit Bruchbau zu betreiben und auf die Versatzeinbringung fast vollständig verzichtete, wurden systematisch neue Anwendungsfelder für die Schleuderstrahltechnologie gesucht.

Es stellte sich zunächst heraus, daß die Technik in der Lage ist, sämtliche stückigen, körnigen, pastösen und flüssig-teigigen Stoffe in gut gebündelten Strahlen mit hohen Geschwindigkeiten über größere Entfernungen hinweg zu schleudern. Am Auftreffort ergaben sich – den benutzten Materialien und Geschwindigkeiten entsprechend – hohe Verdichtungsgrade. Die systematischen Untersuchungen erschlossen Anwendungen im Bergbau, in der Bauindustrie, in Umwelt- und Aufbereitungstechnik sowie für die Oberflächenbehandlung. Für die Bauindustrie waren die Substitution des Spritzbetons durch Schleuderstrahlbeton und das Einbringen von Deponieabdichtungen zur Sanierung von Altlasten besonders interessant.

Schleuderstrahlmaschinen besitzen ein schnell umlaufendes Pumpenrad mit vorzugsweise radial angeordneten Schaufeln, das auf dem größten Teil seines Umfanges von einem dicht anliegenden Gehäusegurt umschlossen ist. Das durchzusetzende Material wird dem Schleuderrad axial zugeführt, wobei der über Rollen umgeleitete Gehäusegurt für einen tangentialen Austrag sorgt. Die Antriebsmaschine ist direkt mit dem Achsstummel der Schleuderrades gekoppelt, wobei der Antrieb elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch direkt durch Zwischengetriebe oder über Keilriemen erfolgen kann. Drehzahl, Raddurchmesser, Radhöhe, Schaufelzahl und -form richten sich nach dem Anwendungszweck und dem durchzusetzenden Material.

Abhängig vom jeweiligen Einsatzfall müssen besondere Zufuhr- und/oder Austragseinrichtungen vorgesehen werden. Schleuderstrahlmaschinen mit 30 cm Raddurchmesser sind in der Lage, je nach Materialbeschaffenheit bis zu 20 m³/h durchzusetzen. Schleuderräder mit 90 cm Durchmesser kommen auf 300-350 m³/h. Für das mechanisierte Bauen mit Lehm scheinen Schleuderstrahlmaschinen mit 6-10 m³/h aufgrund der bisherigen Untersuchungen optimal zu sein. Die Schleuderräder müßten demzufolge Raddurchmesser von 15 oder 20 cm haben.

Die zu wählende Geschwindigkeit es Schleuderstrahls richtet sich ebenfalls nach dem jeweiligen Anwendungsfall. Sie kann bis 100 m/s betragen. Das ist der Fall, wenn die Technik zur Zerkleinerung von Erz oder Gestein benutzt werden soll. Für die Versatzeinbringung, die im polnischen Steinkohlenbergbau wegen der außerordentlich großen Bergschäden unter den Großstädten Oberschlesiens einsetzbar ist, erwiesen sich Schleuderstrahlgeschwindigkeiten von 35-45 m/s als besonders günstig. Bei der Herstellung von Schleuderstrahlbeton zur Substitution des Spritzbetons führten Geschwindigkeiten von 25-32 m/s zu den besten Ergebnissen. Die bisherigen Versuchsreihen zum mechanisierten Bauen mit Lehm haben gezeigt, daß die Geschwindigkeiten zwischen 35 und 40 m/s liegen sollten, weil in diesem Bereich mit erdfeuchtem Material besonders hohe Verdichtungswirkungen erzielt werden.


Von der Spritzbetonsubstitution zum mechanisierten Lehmbau

Spritzbeton, besonders wenn er im Tunnelbau verwendet wird, hat vielfältige technische, verfahrenstechnische und gesundheitliche Nachteile. Zum einen muß ihm stets viel Wasser beigemischt werden, so daß die Betonqualität ungenügend ist und die Spritzbetonschale nicht in die statische Berechnung einbezogen werden kann. Zum anderen ist der Rückprall sehr groß. Er kann bis zu 30 % betragen und muß wegen chemischer Beimischungen zur Verbesserung von Abbinden und Haftung als Sondermüll entsorgt werden. Schließlich geraten unbefeuchtete Zementteilchen in die Umgebungsluft, so daß die Belegschaften einer ständigen Gesundheitsgefährdung ausgesetzt sind und Berufsgenossenschaften wieder ein Ansteigen der früher gefürchteten und seit Jahrzehnten verbannten Staublungenkrankheit verzeichnen.

Über einen Zeitraum von mehr als zwei Jahren wurden im Auftrag eines der größten deutschen Bauunternehmen am damaligen Institut für Bergbaukunde II der RWTH Aachen systematische Untersuchungen durchgeführt, um die Schleuderstrahltechnologie verfahrens- und maschinentechnisch den Anforderungen zur Herstellung von hochwertigem Spritzbeton anzupassen. Die dabei hergestellten Proben hatten beim erfolgreichen Abschluß der Untersuchungen wegen der hohen Verdichtungswirkung der auftreffenden Schleuderstrahlen bessere Materialqualitäten als herkömmlicher Beton. Vor allem konnten die Wasser-Zementwerte und das Mischungsverhältnis mit dem Zuschlagstoff exakt eingehalten werden. Der Rückprall wurde nahezu komplett beseitigt.

Um eine gleichmäßig hohe Qualität zu erreichen, wurde als zusätzliche Verfahrenskomponente eine Betonmischeinrichtung entwickelt, die im On-Line-Verfahren arbeitet und in der Lage ist, in 0,8 s Beton herzustellen. Diese Mischeinrichtung wird der Schleuderstrahlmaschine vorgeschaltet. Sie kann in abgewandelter Form auch beim Lehmbau genutzt werden, wenn der Lehm in trockenem Zustand zugeführt wird. Ein großer Teil der Erfahrungen bei der Entwicklung des Schleuderstrahlbetons und die guten Ergebnisse lassen sich unmittelbar auf das mechanisierte Bauen mit Lehm übertragen, wenngleich wegen der Unterschiede in der Materialbeschaffenheit weitere Untersuchungen erforderlich sind und eine speziell auf den Lehmbau zugeschnittene Schleuderstrahlmaschine entwickelt und gebaut werden muß. Die erste betrieblich einsetzbare Maschine zur Herstellung von Schleuderstrahlbeton wurde Mitte des Jahres 1997 an den Auftraggeber ausgeliefert.

Interessant für das mechanisierte Bauen mit Lehm sind auch Untersuchungen, die vor fünf Jahren bei der Entwicklung eines Verfahrens zur nachträglichen Abdichtung gefahrenträchtiger Altdeponien mit Dichtmaterialien durchgeführt wurden. Dabei konnten wegen der hohen Geschwindigkeiten der auftreffenden Strahlen auf Anhieb Dichtwerte erreicht werden, die um eine Zehnerpotenz günstiger lagen als die Vorgaben der TA-Abfall.


Versuche mit dem Baustoff Lehm

Nach erfolgreichem Abschluß der Versuche mit Schleuderstrahlbeton lag es nahe, Versuche mit Lehm und lehmhaltigen Böden durchzuführen. Bereits die ersten Tastversuche führten zu erstaunlich günstigen Ergebnissen. Es können gut gebündelte Lehmstrahlen mit hoher Geschwindigkeit erzeugt werden. Deren hohe Auftreffgeschwindigkeit führt auch bei Materialien mit geringem Feuchtigkeitsgehalt zu Verdichtungswirkungen, die über der bei normalen Stampflehmbauten erreichbaren Verdichtung liegen. Das Material kann Steine und andere Verunreinigungen enthalten, wobei Steine bei den kleinen Maschinengrößen bis zu 50 mm messen können. Faserförmige Stoffe, z.B. Stroh, können beigemischt werden, um die Festigkeit erheblich zu erhöhen.

Wenn der Lehmstrahl mit extrem kurzer Belichtungszeit fotografiert wird, läßt sich feststellen, daß er aus einer sich mit hoher Geschwindigkeit bewegenden, schnellen Folge kleinerer Portionen besteht. Beim Auftreffen bewirken sie ein „Hämmern" mit hoher Energie auf den Untergrund, was die hohe Verdichtung bewirkt. Welche Verbandsfestigkeiten erreicht werden, zeigt ein Versuch, bei dem die Schwenkeinrichtung der Maschine ausgefallen war, so daß der Strahl einige Zeit an der gleichen Stelle auftraf und sofort einen außerordentlich festen Kegel ausbildete.

Es wäre auch möglich, Lehmsteine mit der Schleuderstrahltechnologie herzustellen. Dabei würden jedoch die wirtschaftlichen Vorteile des Verfahrens z.T. ungenutzt bleiben, weil die Bauwerke anschließend in herkömmlicher Weise hergestellt werden müßten. Der wirtschaftliche Vorteil der Schleuderstrahltechnologie liegt in der mechanisierten Herstellung der Baukörper auf der Baustelle. Für Häuser, die in Stampflehmbauweise hergestellt werden, ist es aufgrund bisheriger Untersuchungen möglich, zwischen zwei Schalungen, vorzugsweise zwei verlorenen Schalungen, komplette Wände mit Schleuderstrahlmaschinen herzustellen. Dies wurde bei zahlreichen Versuchen simuliert. Bei Bauwerken, die in Ständerbauweise hergestellt werden, läßt sich die Schleuderstrahltechnologie zur Verfüllung der Zwischenräume nutzen, wobei dem Lehm in diesem Falle wärmedämmende Materialien, wie Kork, beigemischt werden können, da die Wände hier keine Trageigenschaften haben müssen. Mit der Schleuderstrahltechnik läßt sich ferner Lehm auf Dämmplatten, beispielsweise Strohmatten, auftragen. Vor allem besteht jedoch ein ganz entscheidender wirtschaftlicher und auch ökologischer Vorteil darin, daß es aufgrund der bisherigen Untersuchungen möglich wird, mit der Schleuderstrahltechnik den Baugrubenaushub zur Herstellung von Baukörpern aus Lehm zu nutzen.

Anwendung auf Baustellen

Schleuderstrahlmaschinen für das mechanisierte Bauen mit Lehm, die Leistungsfähigkeiten zwischen 6 und 10 m³/h haben, können in Abmessungen von 50 x 50 x 15 cm hergestellt werden. Sie werden an entsprechenden Tragvorrichtungen – gespannten Seilen oder verfahrbaren Haltekonstruktionen – aufgehängt. Die Zufuhr kann sowohl im Dickstromverfahren mit entsprechenden Pumpen als auch im Dünnstromverfahren pneumatisch erfolgen. Welches Verfahren gewählt wird, richtet sich nach den jeweiligen Details auf der Baustelle.

Sowohl bei der Anwendung im Massivlehmbau als auch für Ständerkonstruktion können Fenster- und Türrahmen vor dem mechanisierten Einbringen des Lehms positioniert und Installationsleitungen für Strom (Leerrohre), Wasser, Heizung und Abwasser eingelegt werden. Die Leistungsfähigkeit der Methode ist außerordentlich groß. Für die Errichtung einer Stampflehmwand von 2,5 m Höhe und 4 m Breite wäre aufgrund der Ergebnisse bisheriger Untersuchungen deutlich weniger als eine Stunde nötig. Für vergleichbare Gewerke (Rohbauherstellung, Einsetzen von Fenster- und Türrahmen, Einlegen der Leerrohre für die Installation) sind Kosteneinsparungen von mehr als 20 % zu erwarten. Dies eröffnet dem Lehmbau einen völlig neuen Interessentenkreis: Bauherren, die sich primär nicht aus ökologischen, sondern aus wirtschaftlichen Gründen für den Lehmbau interessieren, die Umweltvorteile jedoch gern zusätzlich nutzen. Der Lehmbau könnte auf diese Weise eine ganz erhebliche, im Augenblick noch nicht überschaubare Verbreitung finden.

Die bisherigen Untersuchungen wiesen die grundsätzliche Realisierbarkeit des mechanisierten Bauens mit Lehm nach. Darüber hinaus wurden bereits wertvolle Kenntnisse über die Details der Verfahrens- und Maschinentechnik gesammelt. Dennoch bedarf es noch eines zusätzlichen Untersuchungsprogramms von etwa sechs bis neunmonatiger Dauer. Aufbauend auf den bei der Entwicklung der Maschinen- und Verfahrenstechnik für den Schleuderstrahlbeton gesammelten Erfahrungen läßt sich zusammenfassen, daß es nur empirisch möglich ist, eine für Baustellen geeignete Lehm-Schleuderstrahlmaschine zu entwickeln. Erforderliche Untersuchungen zur Herstellung kompletter Lehmwände, zur Auswahl der geeignetsten Schalungen und zur Erprobung unterschiedlicher Richtungen des Lehmstrahls können mit einer vorhandenen Maschine durchgeführt werden, die für den Lehmbau allerdings etwas zu groß ist. Mit dieser Maschine können auch Einlauforgane und Austragseinrichtungen auf die speziellen Anforderungen des Baustoffs Lehms zugeschnitten werden. Gemessen an den zu erwartenden Vorteilen sind die aufzuwendenden Kosten für Versuche und Untersuchungen bis zum Bau eines ersten mechanisiert errichteten Lehmhauses relativ gering. Nach bisherigen Schätzungen ist hierfür ein Aufwand von etwa 0,5 Mio. DM erforderlich.

Innovationen, die neue Arbeitsplätze schaffen, werden von Politikern aller Couleur, von Industrieverbänden und Gewerkschaften fast täglich in den Medien gefordert. Innovationen zur Schonung unserer Umwelt und Erhaltung der Ressourcen sind eine Verpflichtung gegenüber unseren Nachkommen. Die Ausweitung des Lehmbaus durch Mechanisierung der Bauarbeiten wird beiden Forderungen gerecht: Lehmbau ist die bislang einzige Baumethode, die sich mechanisieren läßt, damit Kostenvorteile bringt und trotz des höheren deutschen Lohnniveaus ein wirtschaftliches Bauen ermöglicht. Damit verspricht dieses Verfahren auch, einen Beitrag zum Erhalt und zur Schaffung von Arbeitsplätzen zu leisten.


Klaus Spies

Anmerkungen

1 Das 1790 in Frankreich erschienene Buch des französischen Architekten F. Cointeraux „Ecole d’Architecture Rurale" erschien 1793 in Deutschland als „Schule der Landbaukunst oder Unterricht, durch welchen jeder die Kunst erlernen kann, Häuser von etlichen Geschossen aus bloßem Erd- oder anderem sehr gemeinen und höchst wohlfeilen Baustoff selbst dauerhaft zu erbauen".

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