Aufbau und Untersuchung von Natursteinmauerwerk

Fest gefügt?

Auch bei Natursteinmauerwerk ist gutes Grundlagenwissen unerlässlich für eine erfolgreiche Sanierung: Wie wurden die Steine bearbeitet und gefügt? Was verbirgt sich hinter der sichtbaren Oberfläche? Welche Untersuchungsmethoden empfehlen sich heute?


Text und Fotos: Christian Kayser

Gesteinsfamilien

Naturstein lässt sich prinzipiell in drei Gesteinsfamilien gliedern: Erkaltet die glühende Gesteinsschmelze des Erdinnern, entstehen Erstarrungsgesteine (Magmatite). Hierzu zählen etwa Basalte oder Granite. Ablagerungsgesteine (Sedimentite) werden aus zerkleinerten Elementen älterer Gesteine gebildet, die durch physikalische und chemische Einflüsse verfestigt werden – typische Beispiele hierfür sind Sandsteine oder Nagelfluhe.

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Als dritte Gesteinsfamilie sind die Umwandlungsgesteine (Metamorphite) zu nennen, die durch Umwandlung der oben genannten Gesteinsfamilien z. B. unter Hitze oder Druck in tieferen Erdschichten entstehen. So handelt es sich etwa bei Marmor um den Metamorphit von Kalkstein oder bei Quarzit um den Metamorphit von Sandstein. Die drei Gesteinsfamilien sind eng verbunden und können durch äußere Einflüsse ineinander umgewandelt werden: Magmatite werden durch Erosion zerrieben und schließlich wieder zu Sedimentiten »zusammengebacken«; diese können wiederum zu Metamorphiten umgeschmolzen werden; gelangt metamorphes Gestein in tiefere Erdschichten, wird es erneut zu Magma verflüssigt …

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Gewinnung und Bearbeitung

Bevor  auf der Baustelle ein Natursteinmauerwerk errichtet werden werden kann, muss der Baustoff im Steinbruch »produziert« werden. Dies geschah historisch üblicherweise im Tagebau, bei dem, der natürlichen Schichtung folgend, lagenweise Steinelemente abgebaut wurden. Waren natürliche Spalten oder Klüfte in den Lagern vorhanden, konnten die Steinblöcke mit Keilen herausgebrochen werden. Bei homogeneren Beständen mussten Schrotgräben angelegt werden, um den Stein aus dem natürlichen Verband brechen zu können. Größere Blöcke wurden noch im Steinbruch zerkleinert, um dann mit Ochsenkarren und Lastkähnen zum Einsatzort transportiert zu werden. Die Ausarbeitung zum Werkstück nahmen die Steinmetze dann auf der Baustelle vor. Etwa ab dem 13. Jahrhundert stand hierfür mit der »Bauhütte« auch ein Schutzraum zur Verfügung, der winterliche Vorfertigung ermöglichte.

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Die Bearbeitungstechniken haben sich über die Jahrhunderte kaum verändert und werden heute noch von Dombauhütten und qualifizierten Steinmetzbetrieben gepflegt: Zunächst wird an dem grob zugearbeiteten Stein mit einem Randschlag eine Fläche umschrieben, anschließend wird das in der Binnenfläche stehende Material, die Bosse, sukzessive abgearbeitet. Die in den Maßtoleranzen fast maschinenbauhafte Präzision, mit der im Steinmetzwesen gearbeitet wurde, nötigt hierbei außerordentlichen Respekt ab! Auch die Werkzeuge, mit denen der Stein bearbeitet wird, haben sich über die Jahrhunderte kaum verändert. Neben der Kombination von Schlagwerkzeugen (Schlegel oder Klüpfel) mit Meißeln/ Eisen (Setzeisen, Spitzeisen, Zahn- oder Scharriereisen …) gab es zweihändig geführte Werkzeuge wie Zweispitz oder Fläche. Die Verwendung der unterschiedlichen Werkzeuge (Abb. 2) lässt sich bis heute gut an der charakteristischen Oberflächenbearbeitung der Steine ablesen.

In Regionen ohne größere nutzbare Natursteinvorkommen – etwa in Norddeutschland oder auch im Alpenvorland – musste bis zur »Neuentdeckung« der Ziegelbauweise im Hochmittelalter mit Lesesteinen gemauert werden. In den Eiszeitmoränen oder auch in den Flüssen finden sich rund geschliffene Natursteine, von kleinen »Bachkatzen« bis zu größeren Findlingen, die eingesammelt und zu Natursteinmauerwerk gefügt werden konnten. Da es sich hierbei oft um Hartgesteine handelte (etwa zentralalpine Granite im Alpenvorland), war die Bearbeitung dieser Lesesteine mühsam, und das Steinmaterial wurde oft einfach in der Fundform in reichlicher Mörtelbettung versetzt (Abb. 3).

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Mauerverband

Sind die Grundmaterialien auf der Baustelle, kann das Natursteinmauerwerk hochgezogen werden. Je nach Bearbeitungsfähigkeit der Steine, Anspruch der Bauherrschaft und Fähigkeit der Bauleute lassen sich die Steine in unterschiedlichen Verbänden versetzen. Eine wesentliche Orientierungshilfe zur Ansprache der verschiedenen Verbände ist die DIN 1053-1 zur Berechnung und Ausführung von Natursteinmauerwerk: Als einfachste Form des Mauerverbandes ist das ohne Mörtel aus nur wenig bearbeiteten Steinen gefügte Trockenmauerwerk anzuführen. Bruchsteinmauerwerk besteht dagegen aus wenig bearbeiteten Steinen in Mörtelbettung. Als hammerrecht bezeichnet man Steine, die zumindest grob in Rechteckform gehauen sind und mit denen sich bereits Schichtenmauerwerk mit zumindest lokal durchlaufenden Horizontalfugen errichten lässt (Abb. 4).

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Präzise steinmetzmäßig zugearbeitete Elemente heißen Werkstein. Allerdings sind nicht alle Benennungen in der DIN ganz eindeutig: So bezeichnet beispielsweise das Zyklopenmauerwerk nach DIN ein Mauergefüge, bei dem »wenig bearbeitete Bruchsteine« im »Verband und in Mörtel« versetzt werden. Dies entspricht jedoch nicht der üblichen bauarchäologischen Terminologie, die unter Zyklopenmauerwerk ein besonders präzise gefügtes Mauerwerk aus polygonal zugearbeiteten Werkstücken ohne Mörtel in den haardünnen Fugen versteht!

Historisches Natursteinmauerwerk sollte jedoch nicht nur nach den außen ablesbaren Mauerverbänden beurteilt werden – mittelalterliche Burg- oder barocke Festungsmauern sind schließlich gelegentlich mehrere Meter dick und dabei ist das, was hinter den sichtbaren Oberflächen passiert, oft für die Beurteilung des Bestands wesentlich.

Die meisten Mauern sind in drei vertikale Schichten gegliedert (Abb. 5). An den Außenseiten bestehen mehr oder weniger präzise gefügte Mauerverbände mit schmalen Mörtelfugen. Der Mauerkern dazwischen ist dagegen heterogen ausgebildet. Meist besteht er aus Bruchsteinen oder Restmaterial in Mörtelbettung; auch hier reicht die Bandbreite in der Ausbildung von geordnet gemauerten Lagen bis hin zu kleinteiliger Schüttung in reichlich Mörtel, letztendlich also Gussmauerwerk. Für die Stabilität des Gefüges ist eine ausreichende Verzahnung zwischen den äußeren Mauerschalen und dem Kern wesentlich.

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Untersuchungsmethoden für Natursteinmauerwerk

Um eine Mauer zu untersuchen und ihren Zustand zu bewerten, ist es mit Blick auf die spezifische Konstruktion erforderlich, auch einen Blick in ihr Inneres zu werfen. Hierfür können unterschiedliche Untersuchungsmethoden angewandt werden.

Ist ein lokaler Eingriff in den Bestand vertretbar, bietet sich die Anlage einer Kernbohrung quer durch den Mauerquerschnitt an. Dies ermöglicht, sowohl den geborgenen Bohrkern wie auch das Bohrloch zu untersuchen.

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Bereits ein Blick auf den Kern (Abb. 5) gibt wichtige Aufschlüsse: Gelingt es etwa, einen weitgehend intakten Kern zu bergen, spricht das für ein Mauergefüge von hoher Qualität. Ebenso lässt sich an ihm die Stärke der äußeren Mauerschalen ablesen. Aus dem Kern können auch Materialproben für mögliche Werkstoffprüfungen – Druckfestigkeit, Mörtelzusammensetzung etc. – gewonnen werden.

Fast noch spannender ist der Blick in das Bohrloch (Abb. 7). Eine Endoskopie des Mauerquerschnittes kann wesentliche Fragen beantworten: Wie ist der innere Aufbau des Gefüges? Gibt es Risse und Spalten im Mauerinnern? Wie ist der Verband zwischen Stein und Mörtel? Konnten die Ränder des Bohrloches glatt abgebohrt werden oder ist das Bohrloch durch nachfallendes Material gestört? Gelingt eine Bohrung mit klar konturierten Wandungen, spricht dies für einen guten Stein-Mörtelverband mit qualitativ hochwertigem Mörtel und ungeschädigtem Stein.

Doch nicht immer ist eine Mauerwerksuntersuchung mit Bohrungen möglich. Entweder ist der Bestand im Volumen zu umfangreich, um durch Bohrungen in aussagekräftiger Weise erfasst zu werden – etwa bei Festungsmauern – oder es handelt sich um besonders hochwertige Substanz, beispielsweise die aufwendig bearbeiteten Werksteinflächen einer gotischen Kathedrale, bei der sich invasive Eingriffe verbieten. Als nichtinvasive, auch für größere Flächen sinnvoll anwendbare Untersuchungsmethode hat sich die Georadarbefahrung etabliert (Abb. 8). Bei diesem Verfahren wird eine Fläche mit einer Sende- und Empfängereinheit systematisch abgefahren. Der Sender strahlt elektromagnetische Wellen ab, die sich mit einer materialabhängigen Geschwindigkeit ausbreiten. Bei signifikanten Änderungen der Materialeigenschaften, etwa bei konstruktiv bedingten Zäsuren oder auch bei Störungen, wird ein Teil der Wellen reflektiert. Die Empfangsantenne nimmt das rückgestrahlte »Echo« auf, und, unter Berücksichtigung der Randbedingung, lässt sich aus den Rohdaten eine Art Schnittdarstellung (Radargramm) mit qualitativer Tiefenschichtung erstellen. Bei einer flächigen Befahrung von Mauergefüge können aus den einzelnen Radargrammen oberflächenparallele Übersichtsdarstellungen (»Zeitscheiben«) errechnet werden, die Aussagen zu Störungen oder Inhomogenitäten in bestimmten Tiefenlagen ermöglichen. Bei guten Randbedingungen lassen sich mit dem Georadarverfahren die Schichtgrenzen zwischen den Mauerschalen ablesen. Als indirektes, bildgebendes Verfahren bleiben die Ergebnisse allerdings interpretationsbedürftig und sollten mit einzelnen lokalen Öffnungen überprüft und kalibriert werden. (Mehr zu dieser Methode in db 3/2013.)

Neben dem Georadarverfahren können bei Natursteinen weitere zerstörungsarme oder -freie Untersuchungsmethoden zum Einsatz kommen. Die relative Härte und Stabilität eines Werkstückes lässt sich beispielsweise mit der Bohrwiderstandsmessmethode prüfen. Hierbei wird ein dünner Bohrer mit gleichbleibender Geschwindigkeit in das Material eingeführt. Der Widerstand – mithin die Härte – des Materials wird indirekt über die Motorleistung gemessen, die notwendig ist, um die konstante Geschwindigkeit des Bohrfortganges zu gewährleisten. Ebenso kann die Homogenität und Porosität des Materials auch mit Ultraschallwellen gemessen werden. Beide Verfahren kommen üblicherweise jedoch nur für spezifische Fragestellungen bei einzelnen Werkstücken zum Einsatz und eignen sich nicht für die Untersuchung größerer Mauervolumina.

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Christian Kayser

Architekturstudium an der TU München und der University of Bath (GB), Schwerpunkt Bauforschung und historische Baukonstruktionen. Seit 2004 Mitarbeit im Ingenieurbüro Barthel & Maus, seit 2012 als Geschäftsführer. 2008-11 Akad. Rat an der TU München, Dissertation. Lehraufträge an TU und LMU München.


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