Baukastensystem für Sichtbeton-Reparatur in der Denkmalpflege

Sanfte Instandsetzung

Sichtbeton-Instandsetzung in der Denkmalpflege ist zeitaufwendig, knifflig und muss immer individuell geschehen. Auf Basis eines Forschungsprojekts wurde nun ein Baukastensystem entwickelt, das diesen Aufwand erheblich vereinfachen soll.

Text: Petra Bundschuh, Christoph Duppel, Christian Heese, Frowin Urban, Petra Egloffstein;
Fotos und Grafiken: Silke Bartsch, Petra Bundschuh

Bei der Instandsetzung denkmalgeschützter Bauwerke aus Sichtbeton müssen einerseits bautechnologische Aspekte und Richtlinien berücksichtigt und eingehalten werden, andererseits sollten auch die architektonischen, historischen und künstlerischen Aussagen eines Objekts erhalten sowie gestalterische Gesichtspunkte bedacht werden. Angestrebt wird für solche Bauwerke das Prinzip einer »sanften Instandsetzung«: so wenig wie möglich in die ursprüngliche Bausubstanz eingreifen und bei nötigen Reparaturen technisch und visuell dem Bestand angepasste Materialien verwenden.

Konventionelle Instandsetzungssysteme werden gemäß der heute gültigen Instandsetzungsrichtlinie [1] und den entsprechenden Normen [2, 3] entwickelt und somit auf der Grundlage heute gängiger Betone konzipiert. Da historische Sichtbetonbauwerke zumeist andere Betonqualitäten aufweisen, eignen sich diese Systeme nur bedingt bzw. erst nach Modifikation für eine adäquate Sichtbeton-Instandsetzung bei Baudenkmalen. Die Entwicklung und Prüfung geeigneter Materialien muss momentan zumeist noch für jedes Objekt neu und individuell durchgeführt werden [4]. Dies ist sehr zeit- und kostenintensiv.

Das Projekt BIRDS

Ziel des Projekts BIRDS war es, eine breite Palette an geprüften Instandsetzungsmaterialien für denkmalgeschützte Sichtbetonbauwerke in Form eines Baukastensystems bereitzustellen, dessen Erweiterung bzw. Anpassung mit geringem Zeit- und Kostenaufwand realisierbar ist. Bei der Konzeption des Systems wurde daher eine Vielzahl an instandsetzungstechnischen Aspekten, z. B. die mechanischen Eigenschaften, die Farbsteuerung, die Oberflächengestaltung (im frischen Zustand) sowie unterschiedliche Applikationstechniken und ihre Dauerhaftigkeit, berücksichtigt. Das Akronym BIRDS steht dabei für »Baukastensystem für Instandsetzungsmörtel und -betone zur Reparatur von denkmalgeschützten Sichtbetonbauwerken«, ein gemeinschaftliches Forschungsprojekt der Hochschule RheinMain, Fachbereich Architektur und Bauingenieurwesen, des Instituts für Steinkonservierung und der tubag Trass.

Schritt I: Grundrezepturen

Um ein möglichst breites Anwendungsspektrum abzudecken, wurden für drei Zementsorten zunächst Grundrezepturen mit jeweils zwei unterschiedlichen Ziel-Druckfestigkeiten (≥ 15 N/ mm² und ≥ 25 N/mm²) sowie für zwei verschiedene Ausbreitmaße entwickelt und geprüft. Es handelt sich dabei um grauen Portlandzement (CEM I 42,5 R), beigen Trasszement (CEM IV/B (P) 32,5 N) und weißen Portlandzement (CEM I 52,5 R). Durch das Einstellen auf zwei unterschiedliche Ausbreitmaße konnten bereits bei den Laboruntersuchungen verschiedene Applikationstechniken berücksichtigt werden. Für eine manuelle Verarbeitung sowie das Nassspritzverfahren wird eine weiche Konsistenz des Mörtels benötigt (a = 180 mm ± 5 mm), während beim Trockenspritzverfahren eine steife Konsistenz erforderlich ist (a = 130 mm ± 5 mm). Die Zielfestigkeiten ergaben sich aus vorliegenden Druckfestigkeitsmessungen im historischen Bestand.

Alle Trockenmörtelmischungen enthielten dasselbe Gesteinskörnungs-Compound aus Kalkhydrat, Metapor®, Zusatzmittel und Rheinmaterial, Größtkorn 8 mm. Variiert wurden nur die Gewichtsanteile des jeweiligen Zements – zum Einstellen der Ziel-Druckfestigkeiten – und des zusätzlich eingesetzten Kalksteinmehls. Als Zusatzmittel wurden Stabilisierer, Chromatreduzierer, Luftporenbildner sowie Hydrophobierungsmittel (im Kalksteinmehl als Trägermaterial) verwendet.

Es wurden Prismen von 40 x 40 x 160 mm hergestellt, welche für 7 Tage bei 20 °C und 95 % rel. Luftfeuchtigkeit und anschließend bei 20 °C und 65 % rel. Luftfeuchtigkeit im Klimaraum gelagert wurden. Die Messung der Biegezug- und Druckfestigkeiten erfolgte nach 7, 28 und 56 Tagen. Daneben erfolgte nach 28 Tagen die Bestimmung des Elastizitätsmoduls und die Bestimmung der Wasseraufnahmekapazität.

Schritt II: Farbintensität und Gesteinskörnung

Im nächsten Schritt wurden zum einen ausgewählte Grundrezepturen mittels Flugasche, Trassmehl bzw. Pigment (Eisenoxid gelb) farblich intensiviert, zum anderen wurden bis zu
10 Vol.-% des Rheinmaterials durch Edelsplitte (Basalt, Kalkstein) ersetzt, um örtliche Zuschläge zu simulieren. Dabei wurde auch überprüft, inwieweit die vorgenommenen Variationen der Grundrezepturen deren Eigenschaften beeinflussen.

Auf Schritt III (Applikation und langfristiges Verhalten) wird weiter unten eingegangen.

Durchführung und Ergebnisse: Druckfestigkeit und E-Moduln

Die wichtigsten Ergebnisse aus den Schritten I und II waren die Ermittlung der erzielten Druckfestigkeiten, E-Moduln und Wasseraufnahmekoeffizienten. Die Druckfestigkeiten für die steiferen Mischungen lagen aufgrund ihres niedrigeren Wasser-Bindemittel-Werts (w/b-Wert) erwartungsgemäß deutlich höher. Während die festeren Portlandzement-Mischungen im gewünschten Bereich lagen und die weicheren Portlandzement-Mischungen mit 10 kg/t mehr Zement zufriedenstellend nachgesteuert werden konnten, lagen alle Trasszement-Mischungen unterhalb des gewünschten Zielwerts. Dennoch wurden die Trasszement- und die nachgesteuerte weiße Portlandzement-Mischung mit der jeweils höheren Druckfestigkeit im System belassen, um Farbintensivierung und Applikation testen zu können.

Um eine Schüsselbildung und Abplatzungen zwischen Instandsetzungsmaterial und Bestandsbeton zu vermeiden, wird ein möglichst niedriges E-Modul angestrebt. Dieses wichtige Kriterium konnte für alle entwickelten Grundrezepturen sehr gut erreicht werden. Sie bewegen sich – abhängig von der eingesetzten Zementsorte – für die steifere Konsistenz in einem Bereich von 9,9 und 14,6 GPa, für die Betone mit weicherer Konsistenz im Bereich zwischen 5,0 und 10,0 GPa.

Einfluss der Farb- und Zuschlagsvariationen

Für die Farbintensivierungen und die Variation der Gesteinskörnung wurden ausschließlich Mischungen mit weicher Konsistenz (a = 180 mm) herangezogen und folgende Substitutionen vorgenommen:

  • Bei der Grundmischung (GM) Portlandzement grau (fc-Ziel ≥ 15 MPa) wurden – separat – drei unterschiedliche Veränderungen vorgenommen:
  • a) das gesamte Kalksteinmehl (130 kg) wurde durch Flugasche (FA) ersetzt
    b) 10 Vol.-% der Gesteinskörnung wurde durch Kalksteinsplitt (KS) ersetzt
    c) 10 Vol.-% der Gesteinskörnung wurde durch Basaltsplitt (BS) ersetzt
  • Bei der Trasszement-Mischung (fc-Ziel ≥ 25 MPa) wurde das gesamte Kalksteinmehl durch Trassmehl (T) ersetzt, und bei der weißen Portlandzement-Mischung (fc-Ziel ≥ 15 MPa) erfolgte eine Substitution von 10 kg/t Kalksteinmehl durch das Pigment Eisenoxid gelb (P). Lediglich der weiße Portlandzement mit Pigment zeigte sowohl bei der Druckfestigkeit als auch beim E-Modul eine signifikante Änderung zu niedrigeren Werten. Bei allen anderen Grundrezepturen hatten die Veränderungen keinen großen Einfluss auf die beiden Kennwerte. Dies zeigt, dass die entwickelten Rezepturen für den grauen Portlandzement und den Trasszement einen großen Spielraum für Farbanpassungen und auch für die Verwendung von örtlichen Zuschlägen zulassen.
  • Die Zugabe von 10 kg Eisenoxidpigment/t Trockenmörtel beim weißen Portlandzement erwies sich dagegen als zu hoch. Hier veränderten sich die Eigenschaften der Grundmischung zu stark.
Durchführung und Ergebnisse: Wasseraufnahmekoeffizienten

Bei punktuellen Instandsetzungen des Sichtbetons spielen die Wasseraufnahmekapazitäten des Bestandsbetons und die des Instandsetzungsmaterials eine große Rolle, um eine unerwünschte Fleckenbildung (Hell-Dunkel-Unterschiede) zu vermeiden. Die Wasseraufnahmekoeffizienten (Ww,24) wurden nach 28 Tagen mithilfe von gesägten Prismen überprüft, die in Anlehnung an [5, 6] mit der Sägefläche nach unten auf dauerhaft nass gehaltene Schwammtücher gestellt wurden.

Die Wasseraufnahmekoeffizienten variierten je nach Zementsorte, Zieldruckfestigkeit und Konsistenz. Bei beiden Portlandzementen lagen die Werte bei Ww,24 0,5 kg/m²·h0,5, d. h. im wasserabweisenden Bereich, der Trasszement hingegen zeigte ein saugendes Verhalten für die weiche Konsistenz. Dieses Verhalten kann aber durch eine angepasste Dosierung des zugesetzten Hydrophobierungsmittels den individuellen Verhältnissen des Altbestands angenähert werden.

Die Veränderung der Grundmischungen durch Flugasche, Gesteinssplitte und Trassmehl bewirkten nur geringe Erhöhungen der Wasseraufnahme. Ein etwas deutlicherer Anstieg zeigte sich bei der Zugabe von Eisenoxid gelb zur Grundmischung des weißen Portlandzements. Hier erhöhte sich der Wert von 0,38 auf 0,59 kg/m²·h0,5. Zur Wahl und Dosierung des Hydrophobierungsmittels im Instandsetzungsbeton sind daher Messungen der Wasseraufnahmekapazität (zerstörungsfrei) am historischen Objekt erforderlich.

Schritt III: Applikation und Verhalten

Der dritte Teilschritt von BIRDS umfasste die Applikation einiger Betone in händischer Verarbeitung, Nass- und Trockenspritzverfahren. Dabei wurde jeweils auf zwei Musterplatten (300 x 300 mm) appliziert, welche in ihrer Druckfestigkeit ältere Sichtbetonoberflächen nachstellten. Nach mind. 28 Tagen Lagerung an der Luft wurde die Dauerhaftigkeit untersucht. Jeweils eine der beiden Platten durchlief dabei eine Gewittersimulation (10 Zyklen) und anschließend 20 Frost-Tau-Wechsel mit Temperaturen zwischen -15 und +60 °C. Danach wurden sie auf Farbveränderungen, Rissbildungen und ihre Haftzugfestigkeit untersucht. Im Spritzverfahren wurden außerdem größere Musterflächen auf einer Bimssteinmauer angelegt, auf denen u. a. mit Stempeln Holzschalungen nachgestellt wurden.

Für die Durchführung der Versuche wurden die in oben stehender Tabelle zusammengestellten Mischungen aus den Teilschritten I und II herangezogen. Nach der Applikation wurden alle Platten für sieben Tage feucht gehalten und bis zum Beginn der Gewittersimulationen bei Laborbedingungen gelagert. Auf der Bimssteinmauer wurden durch Stempeln Holzstrukturen nachgestellt. Alle Mischungen erbrachten dabei gute Ergebnisse.

Sichtbeton Instandsetzung Denkmalpflege

Ergebnisse: Haftzugfestigkeit

Ein sehr wichtiger Aspekt bei den Applikationsversuchen war der Haftverbund zwischen den Basisplatten und den applizierten Mischungen. Hierfür wurden für alle Applikationstechniken Musterplatten ohne Haftbrücke (häufige Vorgehensweise in der Praxis) und für die händisch applizierten Rezepturen zusätzlich Platten mit Haftbrücke (TNH-flex, tubag) angelegt. Ergebnis: Ohne Haftbrücke lösten sich z. T. komplette Betonschichten von den Basisplatten. Lediglich die im Trockenspritzverfahren angelegten Musterplatten standen das komplette Untersuchungsprogramm durch. Aber auch hier bestand danach nur noch ein geringer Haftverbund (ebenso bei den Vergleichsplatten im Labor). Dagegen durchliefen alle fünf Musterplatten mit Haftbrücke das komplette Bewitterungsprogramm ohne Versagen. Bei allen Mischungen zeigen die bewitterten Platten eine reduzierte Haftzugfestigkeit.

Farbveränderungen, Risse und Schwinden

Alle bewitterten Musterplatten wiesen nach dem Trocknen im Vergleich zu den Platten im Labor eine erkennbar dunklere Farbe auf. Besonders stark war der Unterschied bei den Exemplaren mit Eisenoxidpigment (Portlandzement weiß). Zusätzlich zeigten sich auf allen Oberflächen Flecken, die vermutlich durch Kalkablagerungen aus den schnellen Abkühlphasen des Frost-Tau-Wechsels verursacht wurden. Im Gegensatz zu den Musterplatten ohne Haftbrücke zeigten die händisch applizierten Muster mit Haftbrücke bereits nach wenigen Tagen Risse im applizierten Beton (teilweise bis zur Haftebene). Diese konzentrierten sich auf die Randbereiche bzw. Seitenflächen der Platten und erreichten Rissbreiten von max. 0,2 mm. Zusätzlich wiesen alle Oberflächen eine feine Krakelee-Rissbildung auf. Beide Befunde deuten auf Schwindprozesse hin. Ob durch die anschließende Bewitterung die Anzahl der Risse oder der Rissbreiten im Randbereich zugenommen hatte, konnte aufgrund der seitlichen Beschichtung der Musterplatten vor den Frost-Tau-Zyklen nicht überprüft werden. Das Ausmaß der Schwindprozesse in Betonen ist abhängig von der Zementsorte, der Zementmenge im Gemisch sowie vom Wassergehalt der Mischung. Die Schwindmaße für die händisch aufgetragenen Mischungen mit weißem Portlandzement erwiesen sich als deutlich höher als für die Mischungen mit grauem Portlandzement. Der direkte Vergleich zwischen den Labormischungen bestätigt diese Beobachtung.

Fazit

Die Ergebnisse zeigen, dass ein gutes Basis-Baukastensystem für die Sichtbeton-Instandsetzung in der Denkmalpflege entwickelt werden konnte. Für ein denkmalgeschütztes Objekt in Idstein wird derzeit unter Begleitung des Instituts für Steinkonservierung die erforderliche Anpassung des objektbezogenen Systems vorgenommen, das von tubag Trass geliefert werden wird. Bei einer Anpassung werden Modifikationen an den bestehenden Rezepturen vorgenommen, um projektspezifische Details zu lösen. Beispielsweise ist eine Haftbrücke unbedingt erforderlich, um zu verhindern, dass sich der Instandsetzungsbeton vom Untergrund löst. Rissbildungen durch Schwindprozesse sind dabei unvermeidlich, denen durch entsprechende Behandlung entgegengewirkt werden muss. Weitere Optionen der Nachbehandlung müssen ebenfalls Teil der Instandsetzungsstrategie sein.


Weitere Informationen:

[1] DAfStb-Richtlinie: Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen (Instandsetzungsrichtlinie), Teil 1-4; Deutscher Ausschuss für Stahlbeton, Ausgabe Oktober 2001

[2] DIN 1045-1: Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton, Teil 1: Bemessung und Konstruktion; Teil 2: Beton – Festlegung, Eigenschaften, Herstellung und Konformität; Anwendungsregeln zu DIN EN 206-1; Teil 3: Bauausführung; Deutsches Institut für Normung, Beuth Verlag Berlin, 2008-08

[3] DIN EN 206-1: Festlegung, Eigenschaften, Herstellung und Konformität; Deutsche Fassung EN 206-1:2000, Deutsches Institut für Normung, Beuth Verlag Berlin, 2001-07

[4] Petra Egloffstein: Reparatur und Rekonstruktion von Sichtbetonoberflächen an historischen Bauwerken; Bausubstanz 4/ 2013, Fraunhofer IRB-Verlag, Stuttgart

[5] DIN EN ISO 15148: Wärme- und feuchtetechnisches Verhalten von Baustoffen und Bauprodukten – Bestimmung des Wasseraufnahmekoeffizienten bei teilweisem Eintauchen (ISO 15148:2002 + Amd 1:2016). Deutsche Fassung EN ISO 15148:2002 + A1:2016; Deutsches Institut für Normung, Beuth Verlag Berlin, 2016-12

[6] DIN EN 15801: Erhaltung des kulturellen Erbes – Prüfverfahren – Bestimmung der Wasserabsorption durch Kapillarität, deutsche Fassung EN 15801:2009: Deutsches Institut für Normung, Beuth Verlag Berlin, 2010-04


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