Abfälle aufwerten – Kreisläufe schließen

Trotz vielfältigster Initiativen und Bestrebungen, den Bausektor aus der ­linearen Wirtschaftsweise in die Kreislaufwirtschaft zu überführen, werden für den Bau von Gebäuden weiterhin jährlich ca. 600 Mio. t Rohstoffe benötigt, deren Abbau erhebliche CO₂-Emissionen und Eingriffe in vulnerable Ökosysteme bedeutet [1]. Gleichzeitig fielen auch 2023 ca. 198,8 Mio. t Bau- und Abbruchabfälle an, die 52,3 Prozent des gesamten Abfallaufkommens ausmachen [2]. Die Abfallhierarchie des Kreislaufwirtschaftsgesetzes (KrGW) sieht nach der Abfallvermeidung als wichtigste Instrumente die Wiederverwendung und das Recycling vor [3]. Im Baustoffrecycling konnten seit dem Jahr 2000 die Raten vor allem für mineralische Abfälle gesteigert werden. Dennoch wird der Großteil der rezyklierten Gesteinskörnungen vorwiegend im Tief- und Straßenbau eingesetzt. Dieses Downcycling führt zu einem Verlust von wertvollen Ressourcen für technisch und wirtschaftlich hochwertige Nutzungen. Gerade für die Feinfraktion, dem Anteil der Gesteinskörnungen, die kleiner als 2 mm sind, fehlten bislang ­Anwendungsmöglichkeiten. Deshalb wird dieser Stoffstrom größtenteils deponiert.

Um die Ressourceneffizienzziele der Bundesregierung, und die Pariser Klimaziele zu erreichen, braucht der Bausektor neue Ansätze in Bezug auf die Wahl der Baustoffe und deren Gewinnung. Lehmbaustoffe eignen sich für verschiedenste Anwendungen wie Außen-, Innenwände und auch Deckenelemente. Die Herstellungsprozesse beschränken sich auf einfache Aufbereitungsprozesse und verursachen daher wenig klimaschädliche Emissionen. Lehm ist der einzige mineralische Baustoff, der unendlich wiederverwendet werden kann und bietet auch aus bauphysikalischer Sicht viele Vorzüge. Der Lehm liegt meist als Deckschicht über natürlichen Sand- und Kiesvorkommen und ist häufig ein Abfallprodukt von Kieswerken. Obwohl die Ressourcenfrage beim Bindemittel Baulehm aufgrund des geringen Marktanteils derzeit noch kein Problem darstellt, deuten sich im Bereich der Zusatzstoffe wegen des hohen Sandbedarfs – vor allem für Betone – bereits Preissteigerungen an. Moderne Lehmbaustoffe werden heutzutage mit Sand abgemagert, um das Schwindverhalten zu reduzieren und die Verarbeitbarkeit zu vereinfachen. Bei der Steigerung des Marktanteils von Lehmbaustoffen könnte in Zukunft auch im Bereich des Bindemittels ein erhöhter Bedarf entstehen.

Das Vorhaben

Im Forschungsprojekt upMIN 100 wurde in einem transdisziplinären Konsortium an der Frage geforscht, ob sich rezyklierte Gesteinskörnungen und Feinfraktionen aus den Aufbereitungsprozessen von Bau- und Abbruch­abfällen für die Herstellung von Lehmbaustoffen eignen. Das Projekt wurde vom Natural Building Lab der Technischen Universität Berlin geleitet. In Kooperation mit der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), ZRS IngenieureBerlin und dem Lehmbaustoffhersteller Claytec wurde die Fragestellung gemeinsam aus dem Blickwinkel der verschiedenen Fachdisziplinen beleuchtet. Als führendes Unternehmen im Bereich der Kreislaufwirtschaft stellte die Firma Heinrich Feess GmbH & Co.KG aus Kirchheim unter Teck Rezyklate für die Materialentwicklung zur Verfügung und unterstützte das Projekt beratend. Das Bundesinstitut für ­Bau-, Stadt- und Raumforschung (BBSR) hat das Projekt über das Zukunft Bau-Förderprogramm finanziert. Auf Basis der Ergebnisse des Forschungsprojekts konnte mit der Überarbeitung der Lehmbaustoff-Normen DIN 18945-18948 in 2023 der Einsatz von Rezyklaten in Lehmbaustoffen erstmals zugelassen werden [4].

Ausgangsstoffe

Der Umgang mit Bau- und Abbruchabfällen ist anspruchsvoll, da es sich um Stoffe handelt, die durch ihre vorherige Nutzung potenziell schadstoffbelastet sein könnten. Im Projekt wurde nur mit Materialien gearbeitet, die einen Aufbereitungsprozess und eine Qualitätsüberwachung durch eine Fachfirma durchlaufen haben und bei denen es sich per Definition nicht mehr um Abfallstoffe, sondern um Rezyklate handelt. Das ist wichtig, denn in Deutschland gilt das Vermischungsverbot nach § 9a KrWG. Dieses verbietet das Vermischen von gefährlichen Abfällen, um zu vermeiden, dass Schadstoffe über diesen Weg „verdünnt“ werden. Bei den Ausgangsstoffen, die im Projekt untersucht wurden, handelt es sich um bindige und nicht-bindige Materialien, die als notwendige Bestandteile für die Entwicklung von Lehmbaustoffen dienen.

Nichtbindige Materialien, wie z. B. Feinsand, sind Produkte, für die es in Teilen bereits einen Markt gibt – beispielsweise für den Einsatz im Straßenbau. Hierbei handelt es sich jedoch um Downcycling. Der Betonsand z. B. wird durch das Brechen von Stahlbetonbauteilen hergestellt. In Prallbrechern wird der Betonabbruch in unterschiedliche Korngrößen gebrochen. Die Bewehrung wird mittels Überbandmagneten entfernt. In gleicher Weise wird der sogenannte Baustoffsand hergestellt, der aus mineralischem Mischabbruch, wie etwa Ziegel- oder Kalksandsteinen, besteht. Im Rahmen des Projekts wurden nur Korngrößen < 2 mm untersucht, um für diese eine hochwertige Nutzung zu entwickeln.

Bindige Materialien enthalten Ton oder Schluff und verkleben beim Trocknen. Im Projekt wurde ein solches Material, der sogenannte Filterkuchen, bereitgestellt, der aus der Nassklassierung von Bodenmaterial entsteht. Hierbei handelt es sich um einen besonderen Aufbereitungsprozess, bei dem unter Zuhilfenahme eines Flockungsmittels bindige Anteile herausgewaschen werden, um reinen Sand und Kies zu erhalten. Das Feinmaterial < 2 mm wird aktuell aufgrund fehlender Anwendungsmöglichkeiten noch deponiert. Für die Materialentwicklung hat sich das eingesetzte Flockungsmittel, das in geringen Konzentrationen im Material verbleibt, jedoch als herausfordernd erwiesen. Die nebenstehende Abbildung zeigt eine Auswahl der im Projekt verwendeten Ausgangsstoffe.

Schadstoffprüfung

Lehm gilt allgemein als Baustoff, der ein gesundes Raumklima erzeugt. Durch die Normen im Lehmbau wird sichergestellt, dass von Lehmbaustoffen und den verwendeten Grundstoffen kein Gesundheitsrisiko ausgeht. Um dieses hohe Qualitätsniveau auch bei den Rezyklat-Lehmbaustoffen (RC-Lehmbaustoffe) gewährleisten zu können, ist das Thema der Schadstoffe daher sehr wichtig für die Bewertung der Ausgangsstoffe und der finalen Materialmischungen.

Darüber hinaus kann Lehm durch das Hinzufügen von Wasser immer wieder in eine plastische Konsistenz gebracht werden und ist daher unendlich wiederverwendbar. Diese Eigenschaft setzt bei einer kreislauffähigen ­Anwendung voraus, dass sich Schadstoffe nicht in schädlicher Konzentration aus dem Material lösen. Um sicherzustellen, dass es weder zu Grundwasserschäden, schädlichen Bodenveränderungen oder zu Schadstoffanreicherungen im Wertstoffkreislauf (vgl. § 7 KrWG) kommt, dürfen die rezyklierten Gesteinskörnungen, die für die Herstellung von Lehmbaustoffen genutzt werden, keine schädlichen Stoffe enthalten, von denen in zu hoher Konzentration Gefahren für Mensch und Umwelt entstehen können. Bauprodukte und ihre Bestandteile können zudem in sämtlichen Phasen des Lebens­zyklus eines Gebäudes Auswirkungen auf Boden und Grundwasser im Umfeld des Bauwerks haben. Aus diesem Grund ist zu prüfen, inwieweit von Bauprodukten das Risiko ausgeht, schädliche Veränderungen des Bodens oder eine nachteilige Beeinträchtigung der Grundwasserbeschaffenheit zu verur­sachen. Auch wenn diese Bewertung insbesondere für Bauprodukte im Bereich der Gründung von Bedeutung ist, gilt sie ebenso für Lehmbaustoffe, da diese am Ende ihres Lebenszyklus entweder wiederverwendet oder dem natürlichen Stoffkreislauf zugeführt werden können.

Differenzierte Voruntersuchungen in Bezug auf die Schadstoffgehalte dienten als Grundlage für die Festlegung von Maximalanteilen der unterschiedlichen Rezyklate und bestimmten die Entwicklung der unterschiedlichen Rezepturen. Diese wurden aus einer Gegenüberstellung von unterschiedlichen Grenzwerten u. a. der Ersatzbaustoffverordnung sowie die Anforderungen des Deutschen Instituts für Bautechnik (DIBt) (MVV TB, Tabelle A-2, Anhang A) [5] ermittelt, da es in der Normung für Lehmbaustoffe bisher keine Regelung gab.

Zulässige Werte

Die zulässigen Anteile der Schadstoffe fallen dabei sehr unterschiedlich aus, was auch auf unterschiedliche Prüfverfahren zurückzuführen ist. Grenzwerte von Schwermetallen etwa, die von dem unabhängigen Gütesiegel natureplus definiert werden, werden durch das Totalaufschlussverfahren bestimmt – ein Verfahren, das die Materialien mittels starker Säuren „aufschließt“, um deren Schadstoffgehalte zu bestimmen. Es ist unklar, ob solche Verfahren für die Bewertung in Baustoffen zielführend sind, da ein solches Szenario in natürlicher Umgebung nicht realistisch ist, weil auch Schadstoffe gelöst werden, die fest in der Silikatmatrix des Materials gebunden sind. Das Forschungsteam hat sich daher auf für Baustoffe übliche Methoden, wie etwa den Königwasseraufschluss nach DIN EN 13657 [6], geeinigt. Schwer­metalle und PAK wurden jeweils im Feststoff und im Eluat ermittelt.

Eluat entsteht, wenn Stoffe über Flüssigkeiten aus dem Material gelöst werden. Ein typisches Beispiel ist das Eindringen von Regenwasser in ein Material, das im Außenbereich eingesetzt wird. Bei PAK handelt es sich um Polyzyklische Aromatische Kohlenwasserstoffe, die z. B. in Abdichtungsmassen vorkommen bzw. bei unvollständigen Verbrennungsprozessen entstehen und bei dem Rückbau eines Gebäudes in den Kreislauf anderer Stoffgruppen gelangen können.

Die Konzentration von bauschädlichen Salzen wie Nitrate, Sulfate und Chloride wurden nach der jeweiligen Lehmbaustoffnorm bestimmt. Außerdem wurden mögliche organische Schadstoffemissionen in Screening-Tests überprüft. Hierbei ist zu erwähnen, dass die untersuchten Schadstoffe potenziell auch bei Primärmaterialien in einer bestimmten Konzentration nachweisbar sein können. Für Recyclingmaterialien wurden je nach Anwendungszeck dazu in der Ersatzbaustoffverordnung entsprechende Grenzwerte formuliert. Für die Bewertung der Rezyklate und respektive der entwickelten RC-Lehmbaustoffe wurde im Projekt gemäß Ersatzbaustoffverordnung die Klasse BM-0 gewählt, die als höchste Qualitätsstufe für Bodenmaterial und umwelttechnisch als unbelastetes Bodenmaterial gilt, das uneingeschränkt in Bauwerken verbaut, aber auch als Boden in Trinkwasserschutzgebieten eingebracht werden kann [7]. 

Methodik

Die Machbarkeit wurde anhand von zwei Lehmbaustoffen – Lehmsteine und Lehmputzmörtel – untersucht, deren Materialmischungen aus verschiedenen Kombinationen von Rezyklaten und Primär- bzw. Sekundärrohstoffen konzipiert wurden. Zunächst musste der jeweils maximal zulässige Anteil des Rezyklats bestimmt werden, der sich aus potenziellen Grenzwertüberschreitungen in Bezug auf das BM-0 Kriterium ergibt.

Die Analyse des Sands aus der Nassklassierungsanlage (NKA-Sand) hat beispielsweise ergeben, dass Arsen und Nickel im Feststoff den Grenzwert für unbelastetes Bodenmaterial überschritten haben. Dabei war der kritischste Faktor der Probe der Feststoffgehalt von Nickel, der mit 177,17 mg/kg den Grenzwert fast 3,5-fach überschritten hat (s. unten). Für die Entwicklung eines schadstofffreien Lehmbaustoffs können daher maximal 28 Prozent des NKA-Sandes verwendet werden, um sicherzustellen, dass der Nickelwert im fertigen Baustoff den BM-0 Grenzwert einhält.

Um die Methodik der Materialmischung zu überprüfen und eine gesundheitsgefährdende Wirkung der entwickelten RC-Baustoffe ausschließen zu können, wurde eine weitere Sicherungsebene und Qualitätsüberwachung eingeführt. Diese sieht Prüfungen in Bezug auf potenzielle Schadstoff­emissionen in die Raumluft am finalen Bauprodukt vor. Bei den Luftschadstoffmessungen konnten keine Auffälligkeiten nachgewiesen werden, sodass die entwickelten RC-Lehmsteine und -putzmörtel uneingeschränkt in Innenräumen eingebaut werden können.

Nach der Untersuchung aller Rezyklate wurden insgesamt acht „Sondierungsmischungen“ erstellt. Diese wurden über verschiedene Prüfmethoden gemäß DIN 18947, wie der Bestimmung des Schwindverhaltens, der Biegezugfestigkeit oder der Druckfestigkeit evaluiert, um festzustellen, welche der Mischungen aus mechanischer Sicht das größte Potenzial hat. Auf dieser Grundlage wurden jeweils zwei optimierte Mischungen für Lehmputzmörtel (M2 und M8) und Lehmsteine (S2 und S8) hergestellt und weiteren Festigkeitsprüfungen unterzogen.

Ergebnisse

Durch diese abschließenden Tests konnten im Projekt nachgewiesen werden, dass eine Substitution der Zuschlagstoffe möglich ist. Die mechanisch optimierten Mischungen des Lehmputzmörtels „M2“ und des Lehmsteins „S2“ wurden mit einer Substitutionsrate von 28 Prozent in die Festigkeitsklasse S II für den Mörtel mit 1,99 N/mm² und in die Druckfestigkeitsklasse 2 für den Stein mit 3,4 N/mm² eingeordnet. Durch normgerechte Emissions­prüfungen in größeren Prüfkammern mit den fertigen Produkten konnte nachgewiesen werden, dass keine Belastungen für die Raumnutzer:innen zu erwarten sind. Gleiches gilt für die Schadstoffuntersuchungen im Feststoff und Eluat, womit die Methodik der Rezepterstellung bestätigt werden konnte. Es muss jedoch beachtet werden, dass das Projekt im Labormaßstab durchgeführt wurde und bei einer Anwendung im größeren Maßstab entsprechende Qualitätskontrollen erforderlich wären.

Auf Grundlage der Projektergebnisse konnten Empfehlungen an den Norm-ausschuss Lehmbau ausgesprochen werden, der parallel zum Projekt die Überarbeitung der Lehmbau Normenreihe DIN 18945, 18946, 18947 und 18948 durchführte. Die Empfehlungen wurden vom Normenausschuss in alle Lehmbaustoffnormen übernommen und im März 2024 veröffentlicht. Demnach ist Rezyklatkörnung grundsätzlich zulässig, wenn sichergestellt ist, dass bestimmte Schadstoffgrenzwerte eingehalten werden. Die Grenzwerte werden durch die Klasse BM-0 (unbelastetes Bodenmaterial) nach Ersatzbaustoff-Verordnung definiert, einer besonders strengen Klasse, die den Einbau in Böden von Trinkwasserschutzgebieten ermöglicht.

Ausblick

In einem vom Bundesinstitut für Bau-, Stadt- und Raumforschung kürzlich bewilligten Nachfolgeprojekt mit dem Titel „Steigerung der Anteile von Bau- und Abbruchabfällen in vier verschiedenen Lehmbaustoffen“ sollen die Themen weiterverfolgt werden. Das Projekt ist aktuell im Januar 2026 gestartet worden. Hier sollen weitere am Markt verfügbare Rezyklate betrachtet werden, die bereits vorhanden sind und von weiteren Herstellern bereitgestellt werden.

Da sich die Nassklassierung aufgrund der Nutzung von Flockungsmitteln als ungeeignet erwiesen hat, wird das Thema der Bindemittel mit einem anderen Ansatz verfolgt. In Versuchen im Labormaßstab sollen geeignete Prozesse vorgeschlagen werden, die eine Nutzung ermöglichen. Außerdem sollen sogenannte minderwertige Sande untersucht werden. Diese sind aufgrund von Bindemittelbestandteilen für die Anwendung in anderen mineralischen Baustoffen nicht geeignet. Bei Lehmbaustoffen ist der bindige Anteil des Zuschlagkorns jedoch weniger problematisch, vor allem wenn bei der Materialrezeptur entsprechend darauf eingegangen wird.

Das Abfallaufkommen ließe sich durch eine entsprechende Nutzung der rückgebauten Materialien signifikant reduzieren, Deponiekapazitäten könnten entlastet und der Stoffkreislauf geschlossen werden. Wie die Analysen gezeigt haben, bleibt der Rückbauprozess dabei sehr wichtig für die Qualität der Recyclingbaustoffe. Die im Projekt vertretenen Unternehmen nutzen dafür unterschiedliche Konzepte, die im Nachfolgeprojekt beleuchtet werden sollen. Aushubmaterial wird meist aufgrund mangelnden Wissens und fehlender Anwendungen entsorgt. Dabei wäre es, wie im Projekt nachgewiesen, in vielen Fällen für die Anwendung in Lehmbaustoffen geeignet und somit eine wertvolle Ressource.

Das Folgeprojekt wird erneut im interdisziplinären Team bearbeitet, da sich diese Arbeitsweise bewährt hat. Die Komplexität der Fragestellung fordert das Einbinden unterschiedlichster Fachdisziplinen. Nur so können die Ergebnisse aus der Forschung schlüssig in die Praxis übertragen werden.