Ein Hörer hat mich um Informationen zum Stampfbeton gebeten.

Dem komme ich natürlich sehr gerne nach. In einer frühen Episode dieses Podcasts geht es um das händische Betonieren, also auch ein Themenfeld, das in diesem Bereich fällt. Ich stelle in die Show Notes dieser Episode einen Link zu dieser frühen Episode. Stampfbeton sagt in erster Linie darüber etwas aus, wie der Beton in die Schalung eingebracht wird und weniger über die Betonsorte. Es sind aber nicht alle Betonsorten zur Herstellung von Stampfbeton geeignet. Stampfbeton ist eine sehr frühe Technik des Betonierens und die hat sich bereits in den Anfängen der Betontechnologie bewährt, wobei ich hier ganz bewusst von der Betontechnologie der Moderne spreche, also vom Betonieren mit Portlandzement als Bindemittel. Es gibt ja schon diese antike Form dieses römischen Opus Caementitium und auch zum Opus Caementitium gibt es schon eine eigene Episode dieses Podcasts und auch dazu ein entsprechender Link in den Shownotes.

Ganz elementar vielleicht, um ein paar Begriffe abzuklären. Beton besteht aus drei wesentlichen Komponenten, Grundkomponenten. Das ist einerseits der Zuschlagstoff, dieser Zuschlagstoff, der wird oft auch landläufig als Schotter bezeichnet. Dann gibt es ein Bindemittel, das ist der Zement. Und dann gibt es das Anmachwasser, mit Hilfe dessen man einerseits diese Mischung in eine ganz bestimmte Konsistenz bringt. Das ist relativ einfach. Je mehr Anmachwasser in dieser Masse ist, desto dünnflüssiger ist der Beton. Aber dieses Anmachwasser ist auch die entscheidende Komponente, dass dann der Zement im Verlauf der Aushärtung diesen Hydratationsprozess durchmacht, dass also Zement das Wasser aufnimmt. Das ist oft nicht so landläufig bekannt, dass Zement durch Wasseraufnahme aushärtet. Und da kommen wir jetzt schon in die Bereiche des Stampfbetons, denn für die Festigkeit des Betons ist es entscheidend, in welchem Verhältnis das Anmachwasser und das Bindemittelzement gemischt sind.

Hier gibt es einen Wert, der ist früher Wasser-Zement-Wert, aktuell heißt er Wasser-Bindemittel-Wert und der sollte im Idealfall bei etwa 0,5, 0,6 liegen. Das bedeutet, das Zementgewicht ist etwa doppelt so hoch als das Wassergewicht. Wenn dieses Verhältnis gegeben ist, erfolgt eine ideale Aushärtung, weil dann das Wasserangebot optimal ist, weil es dann die Wassermenge ist, die der Zement optimal zum Aushärten braucht. Wenn man aber in diesem Verhältnis anmischt, ist die Mischung sehr, sehr trocken. Also das ist nicht ein Beton, den man dann in einen flüssigen Zustand in eine Schalung eingießen kann, sondern der ist eher wie Erde und man nennt diese Konsistenz auch erdfeucht.

Ein weiterer Faktor, der für die Festigkeit des Betons entscheidend ist, ist die Verdichtung. Also wie weit gelingt es, diese einzelnen Komponenten zusammenzupressen und die Verdichtung funktioniert beim Stampfbeton so, wie der Name sagt, durch Stampfen. Das, was ich jetzt geschildert habe, diese Zusammenhänge, die waren eigentlich schon zu Beginn des 20. Jahrhunderts bekannt, also als diese ersten Betonbauwerke ausgeführt wurden, war zum Beispiel dieser Wasser-Zement-Wert und die daraus resultierenden Feuchtigkeiten bekannt.

Wenn man jetzt einen dünnflüssigeren Beton möchte, wäre es falsch, lediglich den Wasseranteil zu erhöhen, weil dann das Abbinden des Zementleims, also dieses Gemenge aus Wasser und Zement wird auch als Zementleim bezeichnet, nicht mehr so günstig wäre. Deshalb ist es erforderlich, auch gleichzeitig mit dem Wasseranteil den Zementanteil zu erhöhen. Dann bleibt das Verhältnis Wasser und Zement gleich erhalten, die Festigkeit bleibt gleich erhalten. Allerdings gibt es hier zwei negative Begleiterscheinungen. Das eine ist, dass in einem solchen Fall wesentlich mehr Zement verbraucht wird und Zement ist ein relativ teures Bindemittel. Zement ist ein Bindemittel, zu dessen Herstellung sehr viel Energie verbraucht wird, der im Produktionsprozess sehr viel CO2 emittiert. Dazu gibt es auch eigene Episoden dieses Podcasts. Ich stelle eine, wo es speziell um diese chemischen Prozesse, um diese Zementtechnologie, um diese Betonforensik geht. Da stelle ich auch in die Show Notes einen entsprechenden Link.

Zement ist aber auch teuer und so wie zu Beginn des 20. Jahrhunderts der große Einsatz von Beton begann, damals war man natürlich bestrebt von diesem wertvollen, teuren Bindemittel so wenig wie möglich zu verbrauchen und dennoch sehr hohe Festigkeiten zu erzielen. Und ich denke, da entsteht auch schon eine Aktualität für heute. Ich denke, auch heute ist es durchaus sinnvoll, mit diesem Bindemittel Zement sparsam umzugehen und da, denke ich, lohnt sich dieser Blick in die Anfänge der Betontechnologie und daher auch, denke ich, durchaus ein gewisses aktuelles Interesse an Stampfbeton. Die zweite negative Erscheinung, wenn Sie den Zement- und Wasseranteil erhöhen, also wenn Sie letztlich den Zementanteil erhöhen und damit den Beton dünnflüssiger machen wollen, ist derjenige, dass ja die Komponente, welche beim Aushärten schwindet, der Zementleim ist. Also dieses Wasser-Zement-Gemenge, das schwindet und je höher der Anteil dieses Zementleims ist, desto größer ist auch das Schwundmaß des Betons, beziehungsweise, wenn irgendwelche Zwängungen entstehen, wenn der Bauteil nicht gleichmäßig schwinden kann, wenn in seinem Schwinden behindert ist, dass es dann zur Rissbildung kommt. Also es ist anzustreben, mit einem möglichst geringen Zementanteil und damit verbunden aber einem günstigen Wasserbindemittelanteil zu arbeiten und das Ergebnis ist eben diese erdfeuchte Mischung. Vielleicht ist es hier notwendig, als Einschub dazu zu sagen, es gibt in der modernen Betontechnologie natürlich jetzt Chemikalien, sogenannte Verflüssiger-Chemikalien, die es erlauben, auch bei einem geringen Zementleimanteil trotzdem eine entsprechende Viskosität, also Dünnflüssigkeit herzustellen, dass der Beton auf diese Weise auch in die Schalung eingebracht werden kann. Aber wenn wir mal nur die Grundkomponenten, also Zuschlagstoff, Bindemittel Zement, Anmachwasser betrachten, dann ist die ökonomischste, aber auch letztlich ökologischste Mischung, diese erdfeuchte Mischung mit einem sehr geringen Wasseranteil. Damit man aber diese Mischung verdichten kann, ist die traditionelle Methode und auch heute noch die Stampfmethode. Das heißt, man bringt das Material, den Frischbeton, in relativ dünnen Schichten in die Schalung ein. Also das ist ganz ähnlich wie beim Stampflehm. Letztlich je dünner die Schicht, desto leichter lässt sie sich verdichten. Also wir sprechen hier von Schichtstärken zwischen 5 und 10 cm.

Das heißt, der Frischbeton wird in dieser dünnen Schicht in die Schalung eingebracht und dann wird mit einem Stampfgerät verdichtet. Das waren über lange Zeit, und ich kenne das auch noch aus eigener Anwendung, also etwa Beginn des 21. Jahrhunderts, die Handstampfgeräte, die stellt man sich auf der Baustelle relativ leicht her, indem man einen Kantholzabschnitt, also ein Kantholz 10x10, 12x12 cm, wenn man einen Kantholzabschnitt und mit einer Länge von vielleicht 45 cm. Wenn man an dieses Kantholz seitlich zwei etwa 1,20 Meter hohe Latten annagelt, die als Handhaben gedacht sind, dann kann man diese Lattenstücke, die natürlich dort, wo man greift, günstigerweise abgerundet sein sollten, die nimmt man dann in beide Hände, hat einen Handstampfer und kann auf diese Weise durch gleichmäßiges Niederstampfen diesen in die Schalung eingebrachten Frischbeton verdichten. Es gibt natürlich jetzt elektrische, pneumatische Handstampfgeräte, wo das mit maschinellem Einsatz auch möglich ist. Aber wenn wir jetzt bei dieser ganz archaischen Form bleiben, bei der Arbeit mit Muskelkraft, so erfolgt dieses Verdichten mit den Handstampfgeräten. Und so wird Schicht für Schicht eingebracht und entsprechend verdichtet und dann, wenn die Betonarbeit abgeschlossen ist, gilt es natürlich eine entsprechende Betonnachbehandlung, das heißt ein Abdecken der Oberfläche, damit eine zu schnelle Austrocknung verhindert wird, dass er also dieses wenige Wasser, das noch vorhanden ist bei diesem erdfeuchten Beton, nicht verdunstet, denn auch zu wenig Wasser würde ungünstige Abbindungsergebnisse liefern. Also eine entsprechende Nachbehandlung dann, wenn der Beton beginnt auszuhärten, dann kann man durchaus die Oberfläche benetzen, wässern. Dann kann man das Angebot erhöhen, weil sich ja da an der Zusammensetzung der Mischung nichts mehr ändert. Dann holt sich letztlich der Beton das Wasser, das er braucht. Und so kann man mit sehr einfachem Mittel ohne dem Einsatz von Betonchemie einen sehr guten Beton herstellen. Da gibt es auch diesen Trick der sogenannten optimierten Sieblinie. Die Sieblinie sagt aus, in welcher Verteilung verschiedene Korngrößen im Zuschlagstoff verteilt sind. Vielleicht kann ich Sie zu folgendem Gedankenexperiment verführen.

Stellen Sie sich vor, Sie haben etwa vier große Schotterkörner mit Durchmesser 32 mm. Also diese Kornfraktionen werden jetzt in lauter zweier Potenzen angegeben. Also wir haben die Standardkorngrößen, Durchmesser 2 mm, 4 mm, 8 mm, 16 mm, 32 mm, 64 mm. Das sind jetzt diese Standard-Korngrößen und stellen Sie sich vor ein Gefüge, wo Sie vier große Körner mit einem Durchmesser 32 mm besitzen und die berühren sich wie vier Bälle, dann gibt es im Zentrum zwischen diesen vier großen Körnern einen ganz bestimmten Zwischenraum. Und es gäbe natürlich idealerweise gedacht genau eine Korngröße, welche genau in diesen Zwischenraum zwischen diesen vier Körnern passt. Und jetzt kann man immer weiter verfeinern. Jetzt entstehen kleinere Zwischenräume, in welche wieder kleinere Körner exakt passen würden. Es ist letztlich ein räumlich-geometrisches Packungsproblem. Und aufgrund dieser Problemstellung kann man jetzt eine optimale Zusammensetzung dieser verschiedenen Kornfraktionen theoretisch errechnen, sodass rein aus dem Zuschlagstoff eine optimale Packungsdichte entsteht, dass also von jeder Kornfraktion ein ganz bestimmter Prozentsatz in dem Zuschlagstoff miteinander optimal verwischt sind. Weil wenn das der Fall ist, sind die Räume, die überbleiben, welche dann mit dem Zementleim erfüllt werden müssen, optimal klein. Und sie brauchen dann natürlich minimale Mengen an Zement. Und wenn man bei einem bestimmten Wasser-Zement-Wert bleiben will, natürlich auch minimale Mengen an Wasser letztlich, also ein Minimum an Zementleim, und dadurch auch letztendlich der geringste Verbrauch an Bindemitteln, also der billigste, ökologisch verträglichste und dennoch haltbarste Beton, weil er ja durch diesen geringen Bindemittelanteil auch das geringste Schwundmaß besitzt. Also das wäre jetzt ein ideal fester, sparsamer Stampfbeton, der eben dann durch Stampfen noch entsprechend verdichtet wird.

Bei dieser Kornzusammensetzung gibt es irgendwo eine Untergrenze, denn wenn die Körner dann schon sehr klein sind, also wenn Sie in eine Größenordnung der Partikel des Zements kommen, dann würden ja diese ganz vielen kleinen, also dieser Mehlkornanteil, so eine extrem hohe spezifische Oberfläche besitzen, welche dann zu viel Zement brauchen würde, damit jedes dieser Millionen Mehlkörnchen überzogen werden könnte. Also da gibt es dann eine Untergrenze in dieser optimalen Sieblinie. Vielen Dank.

Wenn ich mir aber alte Stampfbetone aus der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts ansehe, dann sind das Kornzusammensetzungen, wo diese kleinen Kornfraktionen fehlen. Also da ist das kleinste Korn vielleicht 4 mm, vielleicht 2 mm. Das sind oft Sande bzw. Schotter, welche aus natürlichen Wasserläufen gewonnen wurden oder eben aus dieser Überlegung her, um diesen Mehlkornanteil wegzubringen, gewaschen wurden. Und wenn Sie eine solche, man nennt das Ausfallskörnung, wenn Kornfraktionen fehlen, hier fehlen zum Beispiel die kleineren Kornfraktionen, und Sie trotzdem sehr sparsam mit dem Zementleim umgehen, dann bekommen Sie einen sehr porösen Beton. Also der hat dann natürlich keine groben Poren, aber der hat im Maßstab der fehlenden Körnung, also bis zu zwei Millimeter große Poren. Das ist aber kein Nachteil, denn diese porösen Betone haben die besondere Eigenschaft, dass in diesen Poren eindringendes Wasser, welches im Winter gefriert, sich so weit ausdehnen kann, dass es zu keinem Frostschaden kommt, bzw. dass durch solche Materialien auch Dampfdiffusionsprozesse möglich sind und dass auch Sorptionsprozesse des Saugen von unten teilweise unterbrochen werden. Also solche porösen Betone, und Sie werden es vielleicht auch auf dem Cover dieses Podcasts sehen, das ist ein Beton aus den 1920er Jahren, haben, wie der reale Befund zeigt, extrem lange Lebensdauern. Zur damaligen Zeit war auch die Zementqualität noch deutlich höher als sie heute ist. Moderne Zementsorten, Portland-Komposit-Zemente der Klasse römisch II, die haben schon sehr viel Zumahlstoff. Also da ist dieser reine Zementanteil, dieser energieintensiv hergestellte Portland-Zementklinker schon relativ gering, sodass die auch, wenn zu wenig Bindemittel vorhanden ist, wenn das Bindemittel nicht nur in dieser Masse vorhanden ist, gar nicht mehr so gut abbinden. Und die Zementsorten, welche zu Beginn des 20. Jahrhunderts verwendet wurden, die hatten noch wesentlich höhere Anteile an diesem eigentlichen Zement, an diesem Portland-Zementklinker. Die gibt es heute auch noch. Das sind die Zemente der Klasse römisch I, aber die sind oft gar nicht mehr so leicht im Handel zu bekommen.

Das heißt, ich würde vor allen Dingen, wenn ich so einen porösen Beton herstelle, würde ich schon nach Möglichkeit danach trachten, so eine hochwertige Zementsorte zu bekommen, weil man ja letztlich durch diesen sparsamen Umgang mit dem Zement ja gar nicht diese Zementmengen braucht, wie bei herkömmlichen Betonagen. Vielleicht noch ein Wort zum Mischen.

Worauf man natürlich achten muss, ist, dass der Zuschlagstoff nicht nass ist bzw. wenn der Zuschlagstoff nass ist, abschätzen, wie viel Wasser enthält der Zuschlagstoff und diesen Wasseranteil dann beim Anmachwasser abziehen. Denn das Wasser, das, wenn zum Beispiel der Schotterhaufen beregnet wurde, das Wasser, das am Schotter drauf ist, natürlich genauso wirksames Anmachwasser ist als jenes, welches in die Mischmaschine dazuschütten. Und ich habe solche Betone eigentlich immer so hergestellt, dass ich mir in der Mischmaschine zuerst den Zementleim hergerichtet habe. Also ich habe das Anmachwasser hineingegeben, das heißt Hausnummer 5 Liter, wenn ich 10 Kilo Zement verwendet habe. Habe aber dann nur einen Teil des Zements, vielleicht zwei Drittel, drei Viertel dazugegeben und in der Mischmaschine aus dem Anmachwasser und dem Zement einen möglichst sämig, gleichmäßig gemischten Zementleim hergestellt, in dem keine Zementbrocken mehr drinnen gewesen sind. Dann den vielleicht noch etwas feuchten Zuschlagstoff hineingeschaufelt, dann gut durchmischen lassen und dann noch den restlich berechneten Zement in kleinen Mengen dazugegeben und dann, wenn noch zu viel offenkundig noch zu viel Zementleim sichtbar war, vielleicht noch ein, zwei Schaufeln Zuschlagstoff dazugegeben, und so auf diese Weise eine Mischung hergestellt, die dann wirklich erdfeucht ist, die relativ gleichmäßig vermischt ist und dann für das Einbringen in die Schalung und das Stampfen nach der traditionellen Handstampfmethode eigentlich recht gut geeignet ist.