2Baulehm – Erkundung, Ge- winnung und Klassifizierung

2
Baulehm –
Erkundung, Gewinnung und
Klassifizierung
Rohstoffgewinnung
Baustoffherstellung
Verabeitung
und Einbau
Recycling
Gebrauchszustand
Entsorgung
Gebäudeabriss
Naturstoffe umfassen die in natürlichen Lagerstätten bzw. Beständen in der Natur vorrätigen
Stoffe. Lehm kann man im natürlich gewachsenen Zustand deshalb auch als Naturlehm bezeichnen. Durch entsprechende Prüfverfahren
kann festgestellt werden, ob ein Naturlehm generell für Zwecke des Lehmbaus geeignet ist.
Mit ihrer Entnahme aus der natürlichen Lagerstätte und der Zuführung zu einem technischen
Prozess werden Naturstoffe zu Rohstoffen. Sie
erhalten einen Gebrauchswert. Naturlehm wird
zu Roh- oder Baulehm.
2
Erkundung, Gewinnung und KlassiÀzierung von Baulehm
2.1
Naturlehm
2.1.1
Bildung von Naturlehmen
Lehme sind Teil des unter dem EinÁuss von
Witterung, Flora und Fauna umgebildeten
obersten Bereiches der festen Erdkruste und
deshalb nahezu überall verfügbar. Dieser Be-
reich der Erdkruste wird in der Bodenkunde
auch als Boden, in der Ingenieurgeologie als
Lockergestein bezeichnet.
2.1.1.1 Bodenprofil
Bei der Bodenbildung werden die Abbauprodukte der anorganischen und organischen
Ausgangssubstanzen zu neuen, für den Boden
charakteristischen Bestandteilen um- und aufgebaut (Ton und Humus). Sie können schließlich durch Niederschlagswasser, durch im
Boden vorhandenes Grundwasser oder durch
Bodenbearbeitung sowie Bodentiere abgeschwemmt, umgelagert oder durchmischt werden. Das Ergebnis ist die Differenzierung des
ursprünglichen Gesteins in ein BodenproÀl
mit einer Schicht ausgelaugten, humusreichen
Bild 2-1
Oberbodens (A-Horizont) und einem darunter liegenden Unterboden, in dem bestimmte
Stoffe, z. B. Kalk, ausgefällt werden (B-Horizont). Das unverwitterte Ursprungsgestein wird
als C-Horizont bezeichnet (Bild 2-1 [2.1]).
Während der humusreiche A-Horizont die
Grundlage für Vegetation und Landwirtschaft
bildet, kann aus dem heller gefärbten, humusfreien B-Horizont geeigneter Baulehm entnommen werden. Die Horizonte A und B können auch vollständig fehlen, z. B. auf unbedeckten FelsÁächen.
A-Horizont
Humus / Auslaugung
B-Horizont
Ausfällung
C-Horizont
Ursprungsgestein
Vereinfachtes bodenkundliches NormalproÀl [2.1]
36
H. Schroeder, Lehmbau, DOI 10.1007/978-3-8348-2227-7_2,
© Springer Fachmedien Wiesbaden 2013
2.1
Naturlehm
2.1.1.2 Bodenbestandteile
Man unterscheidet im Boden feste, Áüssige
und gasförmige Bestandteile und verwendet
deshalb auch den Begriff Dreistoffsystem.
Ihre räumliche Anordnung und Verteilung
bestimmt über die Nutzbarkeit für (bau)technische Zwecke (Kap. 3.6.1).
Feste Bestandteile
Zu den festen Bodenbestandteilen gehören
die anorganischen und organischen Anteile.
Die anorganischen Bestandteile werden gebildet aus Resten der Ausgangsgesteine und
-minerale, z. B. Quarz (Silikate), Feldspat,
Glimmer, Kalk, Gips, wasserlösliche Salze,
Tonmineralien, Al- und Fe-Oxide.
Bei den anorganischen oder mineralischen
Böden kann man zum einen nach der vorherrschenden Korngröße d in vier Haupterdarten
unterteilen (Tab. 2-2):
Grobkorn: Kies, Sand, Schluff
Feinstkorn: Ton (d < 0,002 mm).
Diese Haupterdarten treten im Boden meist
gemischt auf. Lehme sind typische Beispiele
für gemischtkörnige Böden.
Zum anderen differenziert man nach dem
Tonanteil in bindige (hoch) und nicht bindige
(gering oder fehlend) Erdarten. Im Tonanteil
sind bindekräftige (Tonmineralien) und nicht
bindekräftige Bestandteile (z. B. Quarz, Glim-
mer) enthalten. Die bindekräftigen Tonmineralien übernehmen die Funktion eines Bindemittels zwischen den groben Körnungen Schluff,
Sand und Kies, die das »Skelett« bilden. Lehme sind bindige Böden.
Je nach dem Anteil an organischen Bestandteilen unterscheidet man weiterhin in anorganische (kein Anteil), organisch durchsetzte (mit
geringem Anteil) und organische Lockergesteine (mit hohem Anteil). Anorganische und organische Bestandteile treten im Boden meist
zusammen auf.
Eine KlassiÀzierung der Böden in bautechnischem Sinne erfolgt immer nach den festen
Bodenbestandteilen (Kap. 2.2.3).
Flüssige Bestandteile
Die Áüssigen Bodenbestandteile werden durch
das Bodenwasser gebildet. Man unterscheidet
in den Bodenporen frei bewegliches Grundwasser, das durch Sickerwasser gebildet wird,
sowie in gebundenes Kapillar- und Sorptionswasser (Bild 2-33).
Gasförmige Bestandteile
Zu den gasförmigen Bestandteilen gehört neben der Luft auch der Wasserdampf in den
Porenräumen.
2.1.1.3 Einflussfaktoren der Bodenbildung
Der Prozess der Bodenbildung vollzieht sich unter dem EinÁuss verschiedener Faktoren [2.2]:
– Klima,
– Zeit,
– Vegetation,
– Gestein,
– Relief,
– menschliche Tätigkeit.
Diese Kräfte wirken ständig durch das Auslösen und den Ablauf physikalischer, chemischer und biologischer Prozesse auf den
Boden ein. Sie bilden einen dynamischen
Gleichgewichtszustand, der bei vergleichbaren Kräfteverhältnissen zu analoger ProÀlausbildung führt.
37
Erkundung, Gewinnung und KlassiÀzierung von Baulehm
Ionen:
Ca 2+, Mg2+, Na+, K+
Kolloide:
SiO2, Al2O3, Fe2O3
Tonbildung
Silikate
Feldspate
Augite
Hornblenden
Olivin
Verwitterung
Klima und Vegetation
Je nach Höhe und Schwankungen der Lufttemperatur und Niederschläge wird das Festgestein mehr oder weniger stark mechanisch
gelockert. Das mit verschiedenen Stoffen beladene Niederschlags- oder Schmelzwasser
kann so in die Risse und Spalten eindringen
und dort die kompliziert zusammengesetzten
Minerale (Silikate, Quarz, Kalk) in chemisch
einfachere Verbindungen (Alkali- und Erdalkaliionen sowie Kieselsäure) umwandeln (Verwitterung). Aus diesen einfacheren Verbindun-
gen werden Tonminerale neu gebildet. Diese
und die wasserlöslichen Salze werden mit
dem versickernden Regenwasser in größere
Tiefen verfrachtet (Auswaschung). Dagegen
verbleiben Fe- und Al-Ionen wegen ihrer geringeren Löslichkeit weitgehend am Ort und
reichern sich hier an. Bild 2-2 [nach 2.2] zeigt
das Schema der Zersetzung und Umwandlung
der Ausgangsmineralien sowie der Tonneubildung.
ausreichend Ca 2+, Mg+, Fe3+
gehemmte Auswaschung
Montmorillonit
[Al2(OH)2](Si2O5)2
ausreichend K+
gehemmte Auswaschung
Illit
[Al2(OH)2](Si2O5)2
niedriger ph-Wert
starke Auswaschung
Kaolinit
[Al2(OH)4](Si2O5)
schnelle Verwitterung
extreme Auswaschung
Freie Oxide
[Al2(OH)6]
anorganisch
Ausgangsmaterial
Zwischenprodukte
Tonminerale
Huminstoffe
organisch
Bild 2-2
Abbau-, Umwandlungs- und Aufbauprozesse
der anorganischen Bodenbestandteile, nach [2.2]
Beispielsweise lautet die entsprechende chemische Gleichung für das Mineral Orthoklas:
2K(Al Si3O8) + 2H+ + H2O Æ 2K+ + 4Si O2 + Al2 Si2O5(OH)4
Orthoklas
38
Tonmineral Kaolinit.
Tonmineralabbau, Wegfuhr (Auswaschung) von SiO2 und Kationen
2
2.1
Die neu gebildeten Tonminerale sind Silikate
mit einem Schichtgitteraufbau, die infolge ihrer geringen Teilchengröße (d < 0,002 mm)
und großen speziÀschen OberÁäche die Sorption von Wasser und damit entsprechende bautechnische Eigenschaften wie Schwinden und
Quellen verursachen. Die wichtigsten Tonmineralien sind Kaolinit, Illit und Montmorillonit.
Ihre Ausbildung ist abhängig von der Intensität der Gesteinsverwitterung und Auswaschung
durch Sickerwasser: das extrem quellfähige
Tonmineral Montmorillonit entsteht bei gehemmter, das wenig quellfähige Kaolinit bei
starker Auswaschung (Kap. 2.2.3.4).
Im feucht-heißen Klima der Tropen erfolgt
die Gesteinsverwitterung am tiefgründigsten
und schnellsten: beständig hohe Lufttemperaturen und Niederschläge, aber auch die üppige
Vegetation wirken wie Katalysatoren. Parallel
zu diesem Verwitterungsprozess verläuft ein
Abbauprozess der in die Spalten eingedrungenen und später abgestorbenen Organismen
zu einfachen Produkten (Mineralisation / Humus). Die starke Auswaschung durch große
Mengen von Sickerwasser führt zur Bildung
von wenig quellfähigen Tonmineralien. Das
Ausgangsgestein wird chemisch verändert.
Im trocken-heißen Klima wird das Ausgangsgestein infolge extremer Lufttemperaturschwankungen im Tagesverlauf sowie fehlender oder nur geringer Niederschläge und Vegetation vor allem mechanisch zerkleinert. Der
Mineralbestand ändert sich dabei nur wenig.
In Wüstengebieten sind wegen der fehlenden
Niederschläge kalk- und gipshaltige Böden
verbreitet. In semiariden Gebieten mit ausgeprägten Trocken- und Regenzeiten werden infolge gehemmter Auswaschung extrem quellfähige Tonmineralien neu gebildet.
In kalten Klimaten fehlen die für eine Gesteinsverwitterung notwendigen Bedingungen.
Das Gestein und eine ggf. vorhandene dünne
Bodendecke sind permanent tiefgründig gefroren (Permafrostböden) und tauen nur wäh-
Naturlehm
rend der Sommerzeit für wenige Wochen auf.
Vorherrschend ist eine physikalische Gesteinszersetzung infolge von Frost-Tau-Wechseln
mit Schuttzonen aus losem, eckigem und scharfkantigem Material.
Im gemäßigten Klima wirken die gleichen
Faktoren der Gesteinsverwitterung wie im
feucht-heißen Klima, jedoch mit deutlich verringerter Intensität und entsprechend geringerer Mächtigkeit der Verwitterungsschicht.
Der neu gebildete Ton kann deshalb sowohl
stark als auch weniger stark quellfähige Tonmineralien aufweisen.
Zeit
Die meisten Lehme in Europa sind während
der jüngsten geologischen Periode, dem Quartär, entstanden (»gewachsen«). In der geologischen Einteilung der Gesteine werden sie
der Gruppe der unverfestigten, klastischen
Sedimente zugeordnet. Sie wurden z. B. durch
eiszeitliche (holozäne) Ablagerungen gebildet
oder stellen sich dar als Sedimente in Flussauen. Der Entstehungsprozess umspannt einen
Zeitraum, der vor etwa 1, 5 Mio. Jahren begonnen hat und bis in die Gegenwart andauert.
Über diesen Zeitraum betrachtet können
Lehme entweder am Ort ihrer Entstehung
verblieben (residual) oder durch verschiedene
Transportmechanismen umgelagert worden
sein. Entsprechend der Art ihres Transportes
durch die Klimaelemente Eis (glazial), Wasser (alluvial) oder Wind (äolisch) und der anschließenden Ablagerung (Sedimentation) sind
im BodenproÀl Unterschiede im Aufbau zu
erkennen. Man unterscheidet den ungeschichteten Aufbau aus einem mehr oder weniger
gleichen bzw. den geschichteten Aufbau aus
mehreren verschiedenen Lockergesteinen. Geschichtete Lockergesteine in horizontaler Anordnung sind ungestört gelagert, während man
alle Abweichungen davon als gestörte Lagerung bezeichnet. Auf Lehme bezogen können
dies z. B. Einlagerungen von Faulschlamm,
39
2
Erkundung, Gewinnung und KlassiÀzierung von Baulehm
Bändertonen oder Kieslinsen sein.
In dieser Zeit können sich am Entstehungsort auch die Klimaverhältnisse verändert haben: Kaltzeiten wurden durch Warmzeiten
abgelöst und umgekehrt, mit entsprechenden
Folgen für die Verwitterungsbedingungen des
Gesteins und die Eigenschaften der jeweils
entstandenen Böden. Zu einem früheren Zeitpunkt entstandene Bodenbildungen bezeichnet man als fossil, sich heute bildende Böden
als rezent.
Gestein und Relief
Die Bodenbildung wird weiterhin bestimmt
durch die Art des Ausgangsgesteins, jedoch
immer im Zusammenhang mit den jeweils
vorherrschenden Klimabedingungen. Im wechselfeuchten tropischen Klima entstehen z. B.
auf reinem Kalkstein häuÀg rote, auf Mergel
schwarze Böden.
Die chemische Zusammensetzung und das
Mineralgefüge bestimmen die Verwitterungsresistenz des Gesteins und damit auch die
Zeitspanne für die Bodenbildung. Die Festgesteine werden nach ihrer Entstehung in drei
Hauptgruppen unterteilt:
Magmatite oder Erstarrungsgesteine (nach
2.1.2
Menschliche Tätigkeit
Nicht zuletzt führt die Aktivität des Menschen
durch Landwirtschaft, Viehzucht und Bautätigkeit zur Veränderung von Bodenbildungsprozessen. So hat sich durch die großräumige
Abholzung tropischer Regenwälder sowie
durch extensive Weidewirtschaft südlich des
Sahel die Qualität der Böden in den betroffenen Gebieten nachhaltig verändert.
Bezeichnungen von Naturlehm
Lehme auf der natürlichen Lagerstätte werden
nach ihrer Entstehung oder Genese klassiÀziert. In geologischen Karten werden sie als
zusammenhängende Flächen von Böden mit
gleicher Entstehungsgeschichte dargestellt und
mit entsprechenden petrograÀschen oder lithogenetischen Bezeichnungen versehen. Eine
Übersichtskarte zeigt als Beispiel die Vorkommen von in Bezug auf ihre Entstehung unterschiedlichen Lehmarten auf dem Gebiet der
ehemaligen DDR (Bild 2-3 [2.3]).
Die petrograÀschen Bezeichnungen vermitteln weiterhin qualitative Vorstellungen über
40
Anteil an SiO2: basisch (wenig und dunkel)
und sauer [viel und hell]),
Sedimente oder Ablagerungsgesteine,
Metamorphite oder Umwandlungsgesteine.
Darüber hinaus gibt es noch Gesteinsnebengruppen, die Merkmale von Gesteinen verschiedener Hauptgruppen aufweisen und deshalb
nicht eindeutig einer Hauptgruppe zugeordnet werden können. Dazu gehören die Laterite (Kap. 2.1.2.6).
Aber auch OberÁächenformen – Gebirge,
Ebene, Tal, Mulde – mit den entsprechenden
AbÁussbedingungen haben EinÁuss auf die
Bildung der Böden. In Tälern und Becken
mit mangelndem AbÁuss und hochstehendem Grundwasser können sich z. B. salzhaltige Böden ausbilden.
bestimmte Gruppeneigenschaften der Lockergesteine, z. B. Bandbreiten der Kornzusammensetzung und, auf Lehme bezogen, die
Quantität und Qualität der Tonmineralien als
»natürliches« Bindemittel. Die petrograÀschen
Bezeichnungen sind deshalb als »Beispiele«
durch die Zuordnung von Gruppensymbolen
in das System der geotechnischen KlassiÀkation der Bodenarten nach DIN 18196 (Kap.
2.2.3.1) eingebunden.
Lehme können auf sehr unterschiedliche
Weise entstanden sein und deshalb in ihren
Eigenschaften erheblich variieren. Mit der
2.1
Naturlehm
Eiszeitl. Ablagerungen (Geschiebelehme, Schluffe, Sande)
Ablagerungen der Flußtäler (Lehme, Sande, Schotter)
Verwitterungslehme(-gruse) der Felsgesteine
Löss und Lösslehme
Org. Ablagerungen (Torf, Faulschlamm)
Bild 2-3
Übersichtskarte zur Entstehung der Lehmvorkommen
auf dem Gebiet der ehem. DDR [2.3]
41
2
Erkundung, Gewinnung und KlassiÀzierung von Baulehm
petrografischen Bezeichnung eines Lehms
kann man deshalb schon auf der Lagerstätte
allgemeine Aussagen über seine Eignung für
vorgesehene Einsatzzwecke und Verarbeitungsformen oder ggf. erforderliche ModiÀkationen treffen.
2.1.2.1 Löss und Lösslehm
Löss ist eiszeitlicher, vom Wind verfrachteter, kalkreicher Flugstaub. Bei der Verwitterung wird der
Kalk durch Niederschlagswasser gelöst, ausgewaschen und in tieferen Lagen in feinen Wurzelkanälen abgesetzt. Der »entkalkte« Lösslehm erhält
dadurch eine im Vergleich zum Löss höhere Bindekraft. Die Endsilbe -lehm weist darüber hinaus
auf einen fortgeschrittenen Verwitterungsgrad der
Mineralsubstanz hin, bei dem der Tonmineralgehalt höher ist als im Ausgangsmaterial.
Typisch für Lösslehm ist sein steil verlaufendes, schmales Körnungsband im Mittel- bis
Grobschluffbereich (> 75%) mit geringem Tonkornanteil (< 10 %) (Bild 2-4, nach [2.1]).
Daraus ergeben sich eine geringe bis mittlere
Plastizität sowie eine Erosionsgefährdung bei
Wasserzutritt, was für den Lehmbau besonders
unerwünscht ist. Im Falle von Kalkanteilen können durch »Verkittungseffekte« nach Aufberei-
tung und Formgebung vergleichsweise hohe
Trockendruckfestigkeiten erreicht werden.
Hauptvorkommen in Deutschland: nördliches
Mittelgebirgsvorland. Lösslehme sind weit verbreitet in Südosteuropa und Asien. Bekannt sind
die bis zu mehrere hundert Meter mächtigen
Lössvorkommen in China.
Hauptminerale: Quarz 40 – 80 %, Feldspat
10 – 20 %, Kalkspat 0 – 50 %, Tonminerale (Lösslehm)
Farbe: meist gelbocker, bei zunehmendem
Kalkanteil gegen grau
Lehmbautechnische Anwendung: Löss: ohne
Zuschläge Verarbeitung schwierig, weil zu mager; mit Tonmehl- oder Sandzusatz für Putze
und Leichtlehm, Lösslehm: Lehmsteine, Leichtlehm
Kurzzeichen: Gruppensymbol nach DIN
18196: UL bzw. TM (Kap. 2.2.3.1).
2.1.2.2 Geschiebemergel und Geschiebelehm
Geschiebemergel ist ein durch eiszeitlichen
Transport als Grundmoräne ungeschichtet abgelagertes, kalkreiches Material mit typischem
breitem Körnungsband vom Ton- über den
Schluff-, Sand- und Kieskornbereich bis in
den Bereich der Steine (Bild 2-5, nach [2.1]).
Ähnlich wie bei Lösslehm sind in den oberÁächennahen Schichten die löslichen Kalkanteile meist ausgewaschen (Geschiebelehm).
Auffällig an der Struktur sind die sogenannten Geschiebe. Das sind abgeschliffene und
gerundete Gesteinsbruchstücke aus magmatischen oder metamorphen Gesteinen des skandinavischen Gebirges, die in eine mehr oder
42
weniger feinkörnige Grundmasse eingebettet
sind. Verbreitet sind Einschlüsse von Ton-, Sandund Kieslinsen sowie Partien, die völlig geschiebefrei sind.
Hauptvorkommen in Deutschland: Grundund Endmoränenzüge der norddeutschen Tiefebene
Hauptminerale: Quarz 40 – 50 %, Feldspat 5 –
30 %, Tonmineralien 5 – 25 %, Kalk 5 – 30 %
Farbe: je nach Kalkanteil und Verwitterungsgrad von grau nach gelbbraun
Lehmbautechnische Anwendung: StampÁehm
Kurzzeichen: Gruppensymbol nach DIN
18196 : TL bzw. ST *.
0,002
FEIN-
Bild 2-4
0,02
Ip=0,07 – 0,18
0,006 0,01
SCHLUFFKORN
MITTELGROB-
0,06
0,1
FEIN-
Körnungsband Lösslehm, nach [2.1]
wL=0,25 – 0,35
0
0,001
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
TON
0,2
0,6
SANDKORN
MITTEL-
1,0
GROB-
2,0
FEIN-
6,0
GROB-
STEIN
10
20
60 100
KORNDURCHMESSER d [mm]
KIESKORN
MITTEL-
2.1
Naturlehm
SIEBDURCHGANG IN GEWICHTSPROZENTEN [%]
43
44
SIEBDURCHGANG IN GEWICHTSPROZENTEN [%]
FEIN-
Bild 2-5
Ip=0,10 – 0,25
0,006 0,01
0,02
SCHLUFFKORN
MITTELGROB-
0,06
0,1
FEIN-
Körnungsband Geschiebelehm, nach [2.1]
wL=0,23 – 0,40
0,002
TON
0
0,001
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0,2
0,6
SANDKORN
MITTEL-
1,0
GROB-
2,0
FEIN-
6,0
GROB-
STEIN
10
20
60 100
KORNDURCHMESSER d [mm]
KIESKORN
MITTEL-
2
Erkundung, Gewinnung und KlassiÀzierung von Baulehm
http://www.springer.com/978-3-8348-1798-3