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Ausgabe 1/2018Thema: Zukunft

Die Kunst der Klassik der Betonbaus

Stampfbeton - die Kunst der Klassik des Betonbaus

Zurzeit erlangt die Stampfbetonbauweise durch Planung und Realisierung gelungener Projekte wie etwa der Bruder-Klaus-Feldkapelle von Peter Zumthor in Wachendorf erneute Beachtung bezüglich seiner gestalterischen Möglichkeiten. Dabei fasst der Begriff Stampfbeton aktuell zwei sehr unterschiedliche Technologien und gestalterische Zielsetzungen zusammen. Martin Peck vom Informationszentrum Beton stellt in einem Beitrag auf context online die klassische Stampfbetontechnik mit erdfeuchten Normalbetonen und die aktuelle Nachentwicklungen mit mörtelarmen Betonen vor.

Stampfbeton - die Kunst der Klassik des Betonbaus

Die zunächst nur konstruktive Nutzung des Betons in den Anfängen des modernen Betonbaus mit neuen, damals revolutionären bautechnischen Möglichkeiten erzwang über kurz oder lang die Beachtung der Fläche, die der Baustoff nach der Fertigstellung zeigte. Die gestaltenden Planer erkannten rasch, dass Betonflächen neue Gestaltungsräume boten. Sie wagten es, sich auf den authentischen Ausdruck des Baustoffs einzulassen und damit zu experimentieren. Dies war der Ursprung des Sichtbetons, dessen Flächenausprägungen in dieser frühen Phase vor allem erkannt und angenommen, und noch wenig gesteuert wurde, der zunächst undefiniert war und nicht beschränkt durch geschmackliche oder gestalterische Trends und technische Regeln. Betonflächen waren vor allem Beton und lebten von und durch die sichtbare Darstellung eines Konstruktionsbaustoffs, der auf diese Weise zeigte, was er war und was er tat. In den Entwicklungsepochen seit dem Ende des neunzehnten Jahrhunderts entwickelte sich die Betontechnik zu einer sicheren und in allen technischen Eigenschaften steuerbaren Bauweise. Die Fortschritte der Betontechnologie und der Betontechnik blieben nicht ohne Einfluss auf die Gestaltung der Flächen. Während im Ursprung des Sichtbetons das Baustoffliche im Vordergrund stand, variierte das Aussehen der Sichtbetonflächen nun zunehmend durch die Art der Schalhaut und die handwerklichen Einflüsse der Bauverfahren, später zusätzlich durch Methoden der Weiterbearbeitung der Oberflächen. Das Aufkommen der beschichteten Sperrholzplatten in den Jahren nach 1960 zur wirtschaftlichen Bewältigung großflächiger Schalaufgaben ergab die damals neuen Grundmerkmale sehr glatter Betonflächen und brachte dem Sichtbeton einen deutlichen Imagesprung. Aus der Fixierung auf glatte Oberflächen ergab sich eine Kultur der maximalen Makellosigkeit der entstehenden Sichtbetonflächen.
Neben der bewussten Nutzung des Einflusses von Schalhaut und Baubetrieb auf das Aussehen einer Betonfläche blieb die weniger gesteuerte, stofflich dominierte Sichtbetonfläche international ein zeitloser Grundtrend, der jedoch in Deutschland weitgehend unbeachtet blieb. Obwohl der Trend zur makellosen, glatten Sichtbetonfläche derzeit ungebrochen erscheint, ist bei den Planenden aktuell eine starke Neigung zur Abkehr von dieser Flächenphilosophie zu spüren, doch nach einer langen monokulturellen Gestaltungsphase fehlen nun die unverbrauchten Alternativen. Viele frühere oder, subjektiv betrachtet, "gestrige" Gestaltungstechniken sind seit langem aus dem Blick der Gestaltung geraten und am Markt und in der aktuellen Inspirationspalette der Planer nicht mehr vorhanden. Nach einer langen Zeit der intensiven Entwicklung von Betontechnik und -technologie macht es sicherlich Sinn, auch vergangene Techniken der Flächengestaltung mit den veränderten technischen und technologischen Möglichkeiten erneut zu versuchen und dabei vielleicht zu ganz neuen Ergebnissen zu kommen.
Aufgrund der wenig entwickelten betontechnologischen Möglichkeiten und durch die geringe Mechanisierung der Förderung und des Einbaus wurde Beton etwa bis zu Beginn des 2. Weltkriegs überwiegend erdfeucht eingebaut und durch Stampfen verdichtet. Dieses historische Einbauverfahren ist an den geschalten Flächen der Bauteile mehr oder weniger erkennbar. Charakteristisch für das Aussehen von geschalten Stampfbetonflächen sind - neben den charakteristischen Abzeichnungen der Schalung - die so genannten Stampflagen "Tagwerksfugen" sowie verschieden große Stellen oder Flächenbereiche minderer Verdichtung und bis zu haufwerksporigen Gefügeabschnitten. Das Aussehen von Stampfbetonflächen ist abhängig von der verwendeten Schalungshaut, der Zusammensetzung des Betons, der Art der Stampfgeräte, der Dicke der Stampflagen und der Kraft und dem Engagement der Ausführenden.
Aktuell erlangt die Stampfbetonbauweise durch die Planung und Realisierung gelungener Realisierungen wie z. B. der Bruder-Klaus-Kapelle von Peter Zumthor in Wachendorf in der nordwestlichen Eifel als gestalterische Bauweise erneute Beachtung Allerdings ist ihre Anwendung auf unbewehrte Bauteile beschränkt, da der Korrosionsschutz der Bewehrung bei dieser Verdichtungsart nicht sichergestellt ist. Darüber hinaus ist bei der Herstellung tragender Bauteile (Stützen, Wände) bei der Tragwerksplanung zu beachten, dass z. B. die üblichen Nachweisverfahren für die Betondruckfestigkeit nicht möglich sind, denn ein Stampfbetongefüge enthält sehr viele Poren mit stark wechselnder Präsenz. In Folge ist es schwer, für die Bemessung einen sicheren Mindestwert der Druckfestigkeit anzusetzen, da diese sich innerhalb des Bauteilgefüges mit z.T. großen Spannweiten verändert. Die üblichen Würfelproben können die Festigkeit des Betongefüges im Bauwerk nicht repräsentieren, da die Stampfverdichtung in einem kleinen Probekörper erheblich besser wirkt als in einer großen Schalung. Die Konformität mit den geltenden Regeln Zur Bemessung und Ausführung von Betontragwerken ist folglich nicht sauber nachweisbar. Hierzu muss der Planer mit dem Bauherrn oder der Bauaufsicht Einzelfallregelungen finden.

Der Begriff Stampfbeton fasst aktuell zwei sehr unterschiedliche Technologien und gestalterische Zielsetzungen zusammen:

  • Typ 1:  Die klassische Stampfbetontechnik mit erdfeuchten Normalbetonen.

    Der Beton wird hierbei lagenweise erdfeucht eingebracht und nur durch Stampfen verdichtet. Zur Zeit der Entwicklung dieser Betonbautechnik war Arbeitskraft vergleichsweise preiswert, Zement dagegen verhältnismäßig teuer. Betontechnologie und Betonbautechnik waren wenig entwickelt und kaum mechanisiert. Auch den Beton verflüssigende Zusätze standen damals nicht zur Verfügung. Bei der Betonzusammensetzung wurde deshalb versucht, eine möglichst wirtschaftliche Mischung mit wenig Zement (und deshalb sehr wenig Wasser) herzustellen. Es wurde also nur so viel Wasser in den Beton gemischt, dass er gerade einbaubar und mit dem damaligen Stampfverfahren verdichtbar war. Hierzu war auch eine gewisse Mörtelmenge wichtig, damit das Gefüge sich beim Stampfen weitgehend schließen konnte.
    Die Dicke einer jeden Lage würde früher durch Erfahrung festgelegt. Da beim heutigen Baustellenpersonal weitgehend keinen praktischen Erfahrungen mit erdfeuchten Betonen und einer Stampfverdichtung vorhanden sind, ist ein Vorversuch zur Entwicklung der Betonzusammensetzung, der Einbaukonsistenz, der Stampfgeräte und deren Anwendung und damit letztlich der Dicke der Einbaulagen unerlässlich. Diese klassischen Stampfbetone Betone enthalten genug Sand, Zement und andere Feinanteile, um ein geschlossenes Gefüge zu erreichen. Die an der Schalung sichtbaren, und auch im Bauteilinneren potentiell vorhandenen Fehlstellen wie z. B. Lagenfugen, sind ein unmittelbares Ergebnis des Verdichtungsverfahrens: der an der Oberfläche der jeweiligen Stampflage aufgebrachte Stampfstoß verdichtet den Beton unmittelbar unter dem Stampfers recht gut, verliert aber bereits in geringer Tiefe seine Wirkung. Daher verschlechtert sich die Verdichtung innerhalb einer Stampflage von oben nach unten und reicht manchmal nicht aus, den unteren Teil der Stampflage entlang der Lagenfuge völlig zu verdichten. Das mit dem Stampfen befasste Personal kann diesen Verdichtungsfehler während der Arbeiten nicht erkennen, da dieser Teil der Bauteiloberfläche erst nach dem Ausschalen des Bauteils sichtbar wird. Dieser Effekt ist z. B. an den Außenwänden der Kapelle zum Heiligen Bruder Klaus, Wachendorf, von Peter Zumthor sehr gut erkennbar.

  • Typ 2:  Aktuelle Nachentwicklungen mit mörtelarmen Betonen

    Nach den ersten "neuen" Stampfbetonrealisierungen wurde bei nachfolgenden Projekten versucht, die beim Nachbau der klassischen Ausführung doch sehr aufwendige Bauweise durch Veränderungen der Betonzusammensetzung und des Einbauverfahrens wirtschaftlicher zu machen. Die hierbei entstehenden Flächen sahen zwar z. T. erheblich anders aus, als klassische Stampfbetonflächen, fanden aber vielfach den Zuspruch der Planer und Bauherren. Durch eine graduelle Reduktion des Mörtelanteils werden die resultirenden Beton grober und zunehmend schwerer durch Stampfen verdichtbar. Die Anzahl der sinnvollen Stampfübergänge verringert sich und die einzelnen Übergänge werden sehr kurz, da längeres und intensiveres Stampfen keinen Verdichtungszuwachs bringt. Gleichzeitig wird aus der (gewünschten) zufälligen Porigkeit im Bereich der Lagenfugen eine, mit zunehmender Verringerung des Mörtelanteils mehr und mehr generalisierte Haufwerksporigkeit, - bis an den geschalten vertikalen Flächen schließlich kein geschlossenes Betongefüge mehr erkennbar ist.
    Zwar wurde auch an den meisten dieser Realisierungen der Beton noch durch Stampfen eingebaut, unbedingt erforderlich wäre dieser Arbeitsgang allerdings nicht: das sichtbare offenporige Gefüge würde z. B. auch durch einen lagenweisen Betoneinbau mit Schalungsaußenrüttlern entstehen. Beispielhaft für diese Technologie stehen die Wohnüberbauung Giardin in der Schweiz von Mierta & Kurt Lazzarini sowie der Waldfriedhof Landsberg von Kehrbaum Architekten. Eine Kombination beider Techniken vereinigt der Waldfriedhof in Eichstätt-Rebdorf von Albert Dischinger.
    Die Herstellung von Bauteilen in Stampfbetontechnik erfordert, ungeachtet, für welche der vorgenannten technischen Varianten man sich entscheidet die enge Zusammenarbeit und Abstimmung zwischen dem Bauherrn, dem Architekten sowie dem ausführenden Unternehmen. Zunächst kann der Betonbau nicht mit den üblichen baubetrieblichen Verfahren erfolgen, da die Betone nicht durch Pumpen und wegen ihrer sperrigen Konsistenz meist nur schwer und nach Vorversuchen durch die bekannten Krankübel befördert werden können. Die Betone verhalten sich in der Schalung "ungewohnt", der Umgang damit erfordert weit mehr manuelle Fertigkeiten und muss entwickelt und geübt werden. In Summe behält jedes Projekt bis zur Fertigstellung einen experimentellen Anteil, was auch die vorherige Abschätzung der Kosten deutlich erschwert. Bei der Planung ist zu beachten, dass vor allem Stampfbetonwände des Typs 2 nicht völlig witterungsdicht sind. Wenn sie als Umbauung von Innenräumen dienen, ist eine gesonderte Abdichtungsebene zu planen oder die Nutzung diesem Umstand anzupassen. Die Bauweise eignet sich daher gut für Bauteile des Garten- und Landschaftsbaus, bei denen der Witterungsschutz einer Innenraumnutzung üblicherweise entfällt. Bei den Diskussionen der technischen Leistungsfähigkeit und der Dauerhaftigkeit von Stampfbetonen wurde häufig die Frage nach der Frostbeständigkeit solcher Betone gestellt. Da offenporige Betone sich eher viel Feuchtigkeit aufnehmen können, besteht ein erwartbares Risiko, dass es beim Gefrieren dieser Feuchtigkeit zu Frostschäden kommen kann. Vor allem die sehr Offenporigen und dabei porenreichen Betone des Typs 2 können erhebliche Mengen an Feuchtigkeit aufnehmen. Da es in den zurückliegenden 60 Jahren des Betonbaus in Deutschland so gut wie keine Stampfbetonrealisierungen gegeben hat, existieren hierzu auch keinen fundierten Langzeiterfahrungen aus Praxis oder Forschung. Anhand der vorhandenen Erfahrungen an sehr alten, in der Witterung stehenden Stampfbetonbauteilen, wie Fundamentierungen und Stützmauern im landwirtschaftlichen Bereich aber auch in Betrachtung der neueren Realisierungen kann jedoch Entwarnung gegeben werden: sowohl beiden Betontypen wurden bisher keinen besonderen Empfindlichkeiten gegen einen Frosteinwirkung festgestellt. Witterungs-, und damit natürlich auch frostbedingte Substanzverluste an bewitterten Betonflächen sind unvermeidbar und in gewissem Maße normal, allerdings bleiben sie an geschalten Stampfbetonwänden aufgrund der allgemein raueren Oberflächentextur im allgemeinen unauffällig.
    Stampfbetonbauteile können zunächst mit allen am Markt vorhandenen Schalungssystemen und Schalungshäuten hergestellt werden. Bei der baubetrieblichen Vorbereitung ist darauf zu achten, dass der Schalungsdruck partiell durch Druckspitzen aus den Stampfimpulsen überlagert wird. Die Diagramme in DIN 18218 "Frischbetondruck auf lotrechte Schalungen" sind nicht anwendbar, da die Schalungen nicht, wie bei üblichen Betonnagen, in kurzer Zeit komplett gefüllt werden, und die eingesetzten Betonkonsistenzen in diesen Diagrammen nicht richtig abgebildet werden. Betone des o.g. Typs 1 werden erdfeucht mit sehr langsamen Steigungsraten eingebaut und das Druckverhalten der Betone des o.g. Typs 2 ist aufgrund ihrer zur Einkörnigkeit neigenden Zusammensetzung in diesen Diagrammen nicht erfasst. Aus Erfahrung kann gesagt werden, dass der Einbau eines Stampfbetons in eine fachgerecht aufgestellt Wand- oder Stützenschalung problemlos möglich ist, sofern nicht an zu vielen Punkten der Schalung gleichzeitig sehr intensiv gestampft wird. In jedem Fall ist die statisch-dynamische Steifigkeit und Stabilität des vorgesehenen Schalsystems im Rahmen der Erprobungen nachzuweisen. Für die Planung bedeutet dies, dass die für die Schalung abgeschätzten Kosten nicht zu knapp bemessen sein sollten. Die üblichen baubetrieblichen verfahren und Maßnahmen zur Vorbereitung der Schalhaut wie z. B. der Einsatz eines geeigneten Trennmittels und die Voralterung natürlicher Hölzer mit Zementleim sind auch bei Stampfbetonrealisierungen durchzuführen. Das Trennmittel sollte stets durch Vorversuche ausgewählt und, ungeachtet des letztlich verwendeten Produkts, sehr dünn aufgetragen werden. Die Voralterung natürlich Schalungsbretter oder Platten ist aufwendig und kann bei den bei der Herstellungt vorversiegelten Schalbrettern (Oberflächen gelblich oder rotbraun lasiert) entfallen. Bei der Verwendung unbehandelter, sägerauer oder gehobelter Schalhözer kann anstelle der Behandlung mit Zementleim auch ein zweimaliges Aufsprühen einer 5%igen Natron- oder Kalilauge (NaOH, KOH in Wasser) versucht werden. Die Arbeitsschutzvorschriften beim Umgang mit ätzenden Stoffen sind zu beachten. Obwohl sich die Textur der Schalhaut auf Stampfbetonflächen nicht mit der gleichen Deutlichkeit anzeichnet, ist sie je nach Stampfbetontyp doch mehr oder weniger gut erkennbar. Stampfbetonflächen des Typs 1 können die Textur der Schalheut in den gut verdichteten Bereichen sehr genau wiedergeben, an Stampfbetonflächen des Typs 2 bleibt die Textur der Schalhaut meist nur grob erkennbar. Je nach Art und Betonzusammensetzung können damit auch bewusst gestalterische e Zusatzeffekte erzeugt werden.
    Auch Bauteile aus Stampfbeton sind nach dem Ausschalen noch einige Zeit vor Austrocknung zu schützen (sog. Nachbehandlung des Betons). Nachbehandlungsregeln enthält DIN 1045, Teil 3, als Nationales Anwendungsdokument zu DIN EN 13670 " Ausführung von Tragwerken aus Beton". Für alle Sichtbetonen kommt nur eine konservierenden Nachbehandlung mit PE-Folien in Frage, andere Verfahren sind ausgeschlossen, da sie das Aussehen der Oberflächen verändern bzw. beeinträchtigen können. Auch beim Austrocknungsschutz mit PE-Folien ist ein vorsichtiges Vorgehen wichtig: die Folien sollen keinen direkten Kontakt mit der Betonoberfläche bekommen, da sich in den Kontaktzonen Schwitzwasser bilden kann, dass zur partiellen, auffälligen Verfärbung der Flächen führen kann. Auch die Art der Nachbehandlung ist in den Erprobungen zu entwickeln. Vor allem bei den sehr offenporigen Betongefügen des Typs 2 ist eine gute und möglichst lange Nachbehandlung besonders wichtig. Bei Stampfbetonen sollten die in den Normen angegebenen Nachbehandlungszeiten grundsätzlich mindestens verdoppelt werden, bei solchen des Typs 2 sollten die Bauteile mindestens eine Woche nachbehandelt werden.
    Bei der Wahl eines Stampfbetons steht heute meist nicht die Abbildung von Baustoff und Bauweise im Vordergrund, hingegen wird oft versucht, die gebauten Strukturen und Oberflächen möglichst harmonisch in die tektonische oder natürliche Umgebung einzufügen. Hierzu kann auch eine anpassenden oder eine im Sinne des Baustoffs Beton entfremde bzw. verändernde Einfärbung durch Pigmente vorgenommen werden. An den Abbildungen der Bauteile zum Waldfriedhof in Eichstätt ist erkennbar, dass im Flächenbild der Bauteile eine ähnliche Farbtönung erreicht werden sollte, wie Sie das in der Gegend um Solnhofen natürlich vorhandene und vielfach gewonnene und verarbeitete Gestein zeigt ("Solnhofer Platte"). Hierzu wurden bei der Betonherstellung ein heller Grau- und ein Weißzement etwa hälftig gemischt und leicht mit Pigmenten nachgefärbt.
    Die Wohnüberbauung Giardin im schweizerischen Samedan wurde durch Lazzarini-Architekten direkt mit von Einbaulage zu Einbaulage wechselnden erdfarbigen Eintönungen des Betons entworfen. Der Beton ist sehr mörtelarm eingestellt und ein typischer Vertreter des o. g. Typs 2. Mit der starken, über die Flächen und Einbaulagen bis zum Haufwerk changierenden Porigkeit und dem wellenartigen Farbwechseln fügt sich das Gebäudeensemble erstaunlich harmonisch in die umgebenden Gelände- und Felsstrukturen ein.
    Bei der Planung des farblichen Aussehens der Flächen gilt die Faustregel, dass die Flächen umso dunkler werden, je rauer und porenreicher die Oberfläche letztlich wird. Auch zur Abstimmung der Farbigkeit der Flächen sind Vorversuche unverzichtbar. Hierbei ist zu beachten, dass die Flächen in jungem Alter eine erheblich dunklere Farbtönung zeigen können, als nach Abschluss der Erhärtung und nach Abtrocknung bis zur Ausgleichsfeuchte. bei der Beurteilung der Farbe sollte deshalb die Nachbehandlung abgeschlossen und die Bauteilflächen einige Tage abgetrocknet sein. Die Beurteilung regennasser oder direkt ausgeschalter Flächen ergibt keine brauchbaren Eindrücke über die sich langfristig einstellende Trockenfärbung.

Eine dem Stampfbeton als sehr naturnahe Oberfläche im Aussehen sehr ähnliche Art der Flächengestaltung haben die Architekten des Büros Herzog & de Meuron aus Basel bei der Planung und Realisierung des dortigen, unter dem Namen "Schaulager Basel" international bekannten Ausstellungsgebäudes angewendet. Hier wurden die Sichtbetonwände zunächst konventionell betoniert, danach wurde die Schalung zu einem unüblich frühen Zeitpunkt entfernt. Die Betonbauteile waren zu diesem Zeitpunkt gerade standfest genug erhärtet, der Beton hatte aber erst einen geringen Teil seines Festigkeitspotentials entwickelt. So war es möglich, die oberste Betonrandzone der Bauteilflächen mit handgeführten Meißeln manuell zu entfernen und so ein sehr raues Flächenbild zu erzeugen. Durch die noch geringe Härte des Zementsteins sind die groben Gesteinskörner in der bearbeiteten Zone nicht gebrochen, sondern unbeschädigt freigelegt. Das umgebende Flächenbild zeigt eine enorme Rauigkeit, das Betongefüge im Kernbeton der Bauteile ist jedoch fehlstellenfrei verdichtet und von gleicher Qualität, wie ein normales Stahlbetonbauteil. Die Flächen sind damit einzigartig gestaltet, da sie weder wie eine steinmetzmäßig bearbeitete (gestockte) Festbetonfläche, noch wie eine Waschbetonfläche aussehen. Allerdings ist das Gewerk der Oberflächenbearbeitung verhältnismäßig aufwendig. Da der Beton zum Zeitpunkt der Bearbeitung den größten Festigkeitsfortschritt macht, bleibt nur ein wenige Stunden währendes Zeitfenster zur Bearbeitung der Flächen, da sich das Aussehen und die Bearbeitbarkeit mit den gewählten Werkzeugen bereits nach einigen Stunden fortlaufender Erhärtung gegenüber den zuerst bearbeiteten Flächen erheblich verändern. Die Gestaltungsmethode erfordert also den gleichzeitigen Einsatz einer unüblich zahlreichen Arbeitskolonne nur Herstellung dieser Flächenausprägung und ist damit baubetrieblich anspruchsvoll und entsprechend aufwendig.Martin Peck, InformationsZentrum Beton, Büroleitung Region Süd

Ansprechpartner

martin.peck@beton.org

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