Sichtbeton beim Bau der Richard Rother Realschule in Kitzingen

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1 Sichtbeton beim Bau der Richard Rother Realschule in Kitzingen Einsatz von Portlandkompositzement CEM II/B-M (S-LL) 32,5 R-AZ Von Thomas Bose, Nürnberg, und Wolfgang Hemrich, Karlstadt CEM II-M-Zemente sind zwar in DIN EN genormt und somit zur Herstellung allgemein zugelassen, jedoch unterliegen sie bezüglich ihrer Verwendung bei der Herstellung von Beton für die verschiedenen Expositionsklassen nach DIN EN [4] und DIN [5] aufgrund bislang nur geringer Praxiserfahrungen z.t. erheblichen Einschränkungen. Für die überwiegende Mehrzahl dieser Zemente ist daher gegenwärtig noch eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung erforderlich. 1 Einleitung Die Entwicklung und der Einsatz von Portlandkompositzementen CEM II-M führt zu einem geringeren Klinkeranteil im Zement und damit zu einer Reduzierung von CO 2 -Emissionen bei der Zementherstellung. Neben dieser ökologischen Zielsetzung wird damit auch eine Angleichung an die in den europäischen Ländern bereits eingeführten und in großem Umfang verwendeten Portlandkompositzemente vollzogen. Der Trend zu Portlandkompositzementen wurde in Deutschland durch die Einführung der neuen europäischen Zementnorm DIN EN [1] zusätzlich beschleunigt. In ihr sind 27 verschiedene Zementarten aufgeführt. Neben Portlandzementklinker können als weitere Hauptbestandteile Hüttensand, Puzzolane, Flugasche, gebrannter Schiefer, Kalkstein und Silikastaub eingesetzt werden. In Deutschland haben vor allem Portlandkompositzemente, die neben Klinker auch Hüttensand und Kalksteinmehl oder Flugasche als weitere Hauptbestandteile enthalten, eine zunehmende baupraktische Bedeutung erlangt. In den letzten Jahren wurden bereits umfangreiche Untersuchungen zur Dauerhaftigkeit von Betonen mit Portlandkompositzementen durchgeführt [2, 3]. Die Untersuchungen zeigen, dass diese Zemente im Beton vergleichbar gute Dauerhaftigkeitseigenschaften wie die bisher eingesetzten Normzemente aufweisen. 2 Normensituation für CEM II-M-Zemente Verschiedene Zementhersteller haben deshalb durch umfangreiche Prüfungen den Nachweis der Dauerhaftigkeit dieser Zemente erbracht und eine allgemeine Anwendungszulassung (AZ) beim Deutschen Institut für Bautechnik erwirkt. Mit dieser Anwendungszulassung dürfen diese Portlandkompositzemente für alle Expositionsklassen uneingeschränkt eingesetzt werden. Lediglich beim Einsatz für Bauwerke nach ZTV-ING [6] ist die Zustimmung des Auftraggebers einzuholen. 3 Herstellung des Sichtbetons mit CEM II/B-M (S-LL) 32,5 R-AZ Der Landkreis Kitzingen baute 2005/2006 in der Stadt Kitzingen einen Schulneubau mit einem Brutto- Mit diesen Zementen hergestellte Betone müssen in etwa vergleichbare Frisch- und Festbetoneigenschaften aufweisen wie Betone mit den bisher überwiegend eingesetzten Portlandzementen. Die Forderung nach gut verarbeitbaren Betonen ohne Entmischungsneigung muss ebenfalls erfüllt werden. Bild 1: Richard Rother Realschule in Kitzingen 99

2 rauminhalt von m³. Das Schulgebäude wurde als bügelförmiger Bau mit Ausrichtung zum Main errichtet (Bild 1). Dabei schließen sich an das eigentliche Hauptgebäude die beiden Flügel mit den Unterrichtsräumen (Bild 2) an. 3.1 Bodenplatte Bild 2: Unterrichtsraum in den Seitenflügeln Die Gebäudelasten werden größtenteils über eine etwa 60 cm dicke Stahlbetonplatte (Bild 3) auf einem 30 cm dicken Gründungspolster abgetragen. Der Beton für die Sohle wurde ebenfalls mit CEM II/B-M (S-LL) 32,5 R hergestellt (s. Abschnitt 3.3) und mit einer Konsistenz F4/F5 eingebaut (Bild 4). Die Bodenplatte wurde also mit der gleichen Betonzusammensetzung wie für die Wände betoniert. Diese Entscheidung beruhte auf der Forderung des Bauherrn, die Oberfläche mit einer für eine Beschichtung ausreichenden Ebenheit herzustellen, da auf einen Estrich verzichtet werden sollte. Die dadurch und durch den günstigeren Einbau erzielten Einsparungen glichen die durch die höherwertige Betonzusammensetzung bedingten Mehrkosten aus. Nach der Verdichtung mit Innenrüttlern wurde die Oberfläche mit einer Patsche abgezogen (Bild 5) und unmittelbar nach Fertigstellung zum Schutz gegen Austrocknen mit einer Folie abgedeckt (Bild 6). Bild 3: 60 cm dicke Sohlplatte Bild 4: Betonieren der Sohlplatte Bild 5: Die fertiggestellte Sohlplatte Bild 6: Nachbehandlung durch Abdeckung mit Folie 100

3 3.2 Baukonstruktion Das Tragwerk besteht aus einem Stahlbeton-Schottenbau (Bilder 7 bis 11). Dieser hat gegenüber einem Skelettbau einen höheren Speichermassenanteil und kann so Temperaturschwankungen besser ausgleichen. Das bedeutete allerdings auch, dass die Sichtbetonoberflächen des Rohbaus bereits die fertigen Oberflächen darstellten und entsprechend sorgsam erstellt und während der anschließenden Ausbauphase geschützt werden mussten (Bild 12). Bild 7: Erstellen des Rohbaus in Stahlbeton-Schottenbauweise: Erdgeschoss Hauptgebäude Bild 8: 1. Obergeschoss Hauptgebäude Bild 9: 2. Obergeschoss Hauptgebäude Bild 10: Hauptgebäude entschalt Bild 11: Linker Seitenflügel Bild 12: Nachbehandlung und Schutz 101

4 3.3 Ausschreibung der Sichtbetonarbeiten Gestaltung Sichtbeton bedeutet nicht einfach eine sichtbar belassene Betonfläche, sondern beim Bauen mit Sichtbeton handelt es sich um bewusst in Beton geplante und gebaute Architektur. Wesentlich dabei ist, neben der planerischen Gestaltung vor allem der Herstellung der Ansichtsflächen, also der Umsetzung der planerischen Ideen im Objekt, großes Augenmerk zu schenken. Dabei sind die betontechnischen und baubetrieblichen Herausforderungen nicht zu unterschätzen. Denn mangels verbindlicher Regelwerke muss Sichtbeton eindeutig und wesentlich detaillierter festgelegt werden als Normalbeton. Bild 13: Treppenhaus I Bild 14: Treppenhaus II Die frühzeitige Beratung ist beim Sichtbeton eine besonders wichtige Aufgabe, denn die Gestaltungsmöglichkeiten mit Sichtbeton sind hinsichtlich Farbe oder Oberflächenbeschaffenheit vielfältig. Das gewünschte Ergebnis ist nicht nur abhängig von den Betonausgangsstoffen, wie z.b. Wahl des Zements oder der Gesteinskörnung, sondern auch von der Dauer des Mischvorgangs, von der Schalung und vor allem auch von der Art und Menge der eingesetzten Trennmittel. Im Gesamtkonzept der Realschule sollten die Farben allein durch die Materialien bestimmt werden. In den öffentlichen Bereichen wie Treppenhäusern (Bilder 13 und 14) oder Fluren (Bilder 15 und 16) dominieren Stahl, Glas und Beton Beton mit bestimmten Eigenschaften in Farbe, Textur und mit besonderer Oberflächenqualität: hell, porenarm und glatt. Bereits in einem sehr frühen Planungsstadium wurde dem Architektenteam verdeutlicht, welche Herstellungsrisiken bei gestalterischen Anforderungen auftreten können und inwieweit diese durch die Wahl einer geeigneten Betonzusammensetzung, einer entsprechenden Schalung sowie angemessene Nachbehandlung und Schutz der Betonoberfläche so gering wie möglich gehalten werden können Leistungsbeschreibung Die Ansichtsflächen von Sichtbeton sollen gestalterische Funktionen erfüllen und ein vorausbestimmtes Aussehen haben. Ziel ist es also, die vereinbarte Forderungen an die Beschaffenheit der Betonflächen Bild 15: Flur im Hauptgebäude Bild 16: Flur im Seitenflügel 102

5 zu realisieren und eine bestimmte optische Wirkung zu erreichen. Die gerade bei Sichtbeton relativ schwierige Aufgabe des Architekten liegt darin, seine planerischen Vorstellungen, sein Unikat, zum einen in eine Ausschreibung und zum anderen anschließend in einen Bauvertrag umzusetzen. Wichtig ist es, die dabei auftreten Verständnisunterschiede so gering wie möglich zu halten. Die Leistungsbeschreibung erfolgte nach dem veto -Grundsatz, der da lautet: vollständig, eindeutig, technisch richtig und objektindividuell. Grundlage für die Sichtbetondefinition war bei der Realschule vertragsgemäß das Merkblatt Sichtbeton [7] Erprobungsfläche/ Referenzfläche Dem Architektenteam wurden Kenntnisse über Eigenschaften und Verhalten des Frischbetons sowie der Schalung aufgezeigt. Weiterhin wurden die Einflüsse von Schalung, Betonzusammensetzung, Verarbeitung und Nachbehandlung des Betons erläutert, ebenso wie der Einfluss von Witterung während und nach der Bauzeit und ihre Auswirkungen auf das Erscheinungsbild von Sichtbetonflächen. Dabei wurde darauf geachtet, die planerische Zuständigkeit nicht zu überschreiten. Ziel war es, die Qualität positiv zu beeinflussen, ohne die Risiken aus der Herstellung und dem Einbau zu übernehmen. Diese liegen eindeutig im Verantwortungsbereich der ausführenden Firma. Gemäß der vom Architekten im Detail definierten Planungsvorstellung wurde eine Erprobungsfläche (2,0 m x 3,0 m x 0,25 m) erstellt und nach Bewertung und Ausfertigung eines Besichtigungsprotokolls als Referenzfläche (Bilder 17 bis 20) in der Leistungsbeschreibung zwingend festgeschrieben. Eine Erprobungsfläche ist die zweckmäßigste Möglichkeit, die Vorstellung des Planers mit den Möglichkeiten der Ausführung abzustimmen. Denn es sollte vermieden werden, dass nach Abschluss des Projekts Planer und Bauherr feststellen: Irgendwie haben wir uns das anders vorgestellt.... Bild 17: Bewehren der Erprobungswand Bild 18: Betonieren der Erprobungswand Bild 19: Blick in die Schalung Bild 20: Erprobungsfläche wird Referenzfläche 103

6 3.4 Betonzusammensetzung Die Unterkellerung des Schulgebäudes musste als Weiße Wanne gemäß Richtlinie des DAfStb [8] ausgeführt werden, da sich der Bemessungswasserstand oberhalb der Kellersohle befindet. Für die Wände und Deckenunterseiten wurde die Sichtbetonklasse 3 (SB 3) nach [7] gefordert (Tafel 1). Dabei sollten die fertigen Oberflächen eine möglichst helle Farbe aufweisen. Die geforderte Betonfestigkeitsklasse betrug für die meisten Bauteile C 30/37; als Expositionsklassen für die Außenwände waren XC4 und XF1 gefordert (Tafel 2). Aufgrund seines guten Wasserrückhaltevermögens, seiner hervorragenden Verarbeitbarkeit und seiner hellen Eigenfarbe (Bild 21) wurde der Einsatz eines CEM II/B-M (S-LL) 32,5 R-AZ für alle Betonsorten gewählt. Der Zement kann entsprechend der Anwendungszulassung (AZ) des Deutschen Instituts für Bautechnik für alle Expositionsklassen eingesetzt werden und eignet sich zudem sehr gut zur Herstellung von Sichtbeton. Seine Hauptbestandteile sind Portlandzementklinker, Hüttensand (max. 15 M.-%) sowie ein gesondert ausgewählter Kalkstein (max. 15 M.-%) mit hoher Reinheit und Feinheit. Da im vorliegenden Fall ein sehr scharfer Sand (Durchgang 0,25 mm < 5 M.-%) verwendet wurde, musste der Zement durch seine Eigenschaften die fehlenden Feinanteile des Sands ausgleichen und so das Bluten des Betons verhindern. Als Konsistenz des Betons für die Wände war die Konsistenzklasse F4/F5 festgelegt. Das Größtkorn der Gesteinskörnung (Mainkies) betrug 16 mm für Wände und Decken bzw. für die Wandanschlussmischung 8 mm. Um Schwankungen in der Einbaukonsistenz zu vermeiden, wurde der Beton im Transportbetonwerk mit einem Betonverflüssiger auf Basis eines Polycarboxylatether (PCE) hergestellt. Durch die vergleichsweise lange Wirkungsdauer des gewählten Hochleistungsverflüssigers konnte die Konsistenz über 120 Minuten in dem vorgegebenen Bereich gehalten und ein problemloser Einbau sichergestellt werden (Bild 22). Tafel 1: Sichtbetonklassen und deren Verknüpfung mit Anforderungen (nach [7]) Sichtbetonklasse Beispiel Andorderung an geschalte Sichtbetonflächen nach Klassen bezüglich Schalhautklasse Sichtbeton mit geringen Anforderungen normalen Anforderungen T2 P2 P1 FT2 FT2 E1 AF2 empfohlen besonderen Anforderungen SB 1 SB 2 SB 3 SB 4 Betonflächen mit geringen gestalterischen Anforderungen, z.b. Kellerwände oder Bereiche mit vorwiegend gewerblicher Nutzung Betonflächen mit normalen gestalterischen Anforderungen, z.b. Treppenhausräume, Stützwände Betonflächen mit hohen gestalterischen Anforderungen, z.b. Fassaden im Hochbau Betonflächen mit besonders hoher gestalterischer Bedeutung, repräsentative Bauteile im Hochbau s ns s ns Weitere Anforderungen T1 P1 FT1 FT1 E1 AF1 freigestellt T2 P3 P2 FT2 FT2 E2 AF3 dringend empfohlen T3 P4 P3 FT2 FT3 E3 AF4 erforderlich Textur Porigkeit Farbtongleichmäßigkeit Ebenheit Arbeitsund Schalhautfugen Erprobungsfläche SHK1 SHK2 SHK2 SHK3 Kosten niedrig mittel hoch sehr hoch 104

7 Tafel 2: Zusammensetzung der Betone für die Richard Rother Realschule Betonfestigkeitsklasse Expositionsklassen (für Außenwände) besondere Eigenschaften Konsistenz Sohle, Wände, Decken C 30/37 XC4, XF1 Sichtbeton F4/F5 Anschlussmischung Wand/Sohle C 30/37 XC4, XF1 Sichtbeton F4/F5 Zementart und Festigkeitsklasse CEM II/B-M (S-LL) 32,5 R-AZ Zementgehalt z kg/m Wassergehalt (w/z) eq (k = 0,4) Gesteinskörnung Art und Vorkommen Sand 0/2 mm Sand/Kies 2/8 mm Kies 8/16 mm Gehalt kg/m ,48 kg/m 3 kg/m 3 kg/m 3 kg/m 3 Mainsand/-kies Zusatzstoff Art Steinkohlenflugasche Gehalt kg/m 3 80 Zusatzmittel Art Gehalt % von z FM (PCE) 0, ,48 Mainsand/-kies Steinkohlenflugasche 80 FM (PCE) 0,9 Bild 21: Farbunterschied zwischen Portlandkompositzement CEM II/B-M (S-LL) und Portlandzement CEM I Bild 22: Konsistenz des Frischbetons (F4/F5) auf der Baustelle 3.5 Herstellung der Wände Als Schalhaut kam auf Wunsch des Architekten eine nicht saugende (s. ns in Tafel 1), beidseitig mit 1,5 mm Kunststoff beschichtete, kreuzverleimte Birkenholzplatte in einer Trägerschalung zum Einsatz (Bilder 23 und 24). Bei der Anordnung der Schalungsstöße und der Schalungsanker wurden die Vorgaben des Merkblatts Sichtbeton [7], insbesondere Anhang B bzw. Anhang C, für die entsprechende Sichtbetonklasse als Grundlage herangezogen. Vor jedem Einsatz wurde die Schalhaut gereinigt und mit einem lösungsmittelhaltigen Trennmittel behandelt. Dabei wurde auf einen gleichmäßigen Auftrag des Trennmittels und ein ausreichendes Ablüften des Lösungsmittels geachtet. Der Einbau des Betons erfolgte mit einem Schlauchkübel bzw. bei größeren Betonabschnitten mit einer Pumpe (Bild 25). Der Beton wurde mit Innenrüttler verdichtet, wobei im Bereich der Wandkrone nach ca. 20 Minuten nochmals nachverdichtet wurde. Nachbehandlung und Schutz der Betonwände erfolgte durch das Abhängen mit Folien, die jedoch wegen der Gefahr der Verfär- 105

8 Bild 23: Mit Kunststoff beschichtete, verleimte Birkenholzplatte als Schalhaut Bild 24: Wand-Trägerschalung Bild 25: Betonieren der Sichtbetonwände und Verdichten mit Innenrüttlern Bild 26: Nachbehandlung durch Abhängen mit Folie und bewusstes Fernhalten der Folie von den Sichtbetonflächen Tafel 3: Druckfestigkeiten des Betons, entnommen auf der Baustelle Alter [Tage] Druckfestigkeit i.m. [N/mm 2 ] Bild 27: Einhüllen der Stützen zur Nachbehandlung und zum Schutz gegen Rostfahnen bung gezielt von den Sichtbetonflächen ferngehalten wurden (Bild 26). Die Stützen wurden zur Nachbehandlung und zum Schutz vollständig eingehüllt (Bild 27), damit mögliche Rostfahnen von der weiterführenden Bewehrung die Betonoberfläche nicht verschmutzen konnten. Sowohl die für das Ausschalen erforderlichen Festigkeiten in jungen Alter (ß > 15 N/mm²) als auch die für die Festigkeitsklasse C30/37 geforderten 28-Tage-Druckfestigkeiten wurden stets sicher erreicht (Tafel 3). 106

9 4 Beurteilung der Sichtbetonflächen Die mit CEM II/B-M (S-LL) 32,5 R-AZ hergestellten Sichtbetonflächen erfüllten sowohl den Gesamteindruck als auch die entsprechenden Einzelkriterien und Anforderungen von [7] (Bilder 28 bis 30). Dabei wurden die Qualitätsmerkmale der Referenzfläche noch deutlich übertroffen. Der Festbeton zeichnete sich durch eine helle, nahezu porenfreie Oberfläche aus (Bild 31). Schütthöhen oder ein Ausbluten von Feinanteilen entlang der Schalhaut waren ebenfalls nicht zu erkennen (Bild 32). Die Flächen erfüllten die Erwartung aller am Bau Beteiligten (Bilder 33 bis 35). Bild 28: Sichtbetoninnenwände 5 Zusammenfassung Die Richard Rother Realschule in Kitzingen wurde sowohl außen als auch innen vollständig in Sichtbeton erstellt. Voraussetzung für die Erfüllung der Vorstellungen des Bauherrn und der Architekten waren intensive vorbereitende Maßnahmen bezüglich der Herstellung einwandfreier Sichtbetonflächen, die die Schalhaut, die Betonzusammensetzung, Nachbehandlung und Schutz der Betonflächen einschließlich der Erstellung einer großformatigen Referenzfläche betrafen. Für die Herstellung des Transportbetons wurde ein Portlandkompositzement CEM II/B-M (S-LL) 32,5 R-AZ verwendet, der sich auf Grund seiner hellen Farbe und seiner guten Verarbeitungseigenschaften für Sichtbeton als besonders geeignet erwiesen hat. Insbesondere bei Gesteinskörnungen mit ungünstiger feinstoffarmer Sieblinie weist der Portlandkompositzement deutliche Vorteile im Beton auf, was sich in der Ver- Bild 29: Die Schalungsanker Bild 30: sind auch bei Nahsicht scharfkantig. Bild 31: Die Wandscheiben sind nahezu porenfrei. 107

10 minderung der Blut- und Entmischungsneigung zeigt. Bezüglich der Festigkeitsentwicklung und der Dauerhaftigkeitseigenschaften erfüllt der Zement nach dem gegenwärtigen Erkenntnisstand alle Anforderungen. Aufgrund einer Anwendungszulassung des DIBt ist er für alle Expositionsklassen nach DIN EN einsetzbar. 6 Literatur Bild 32: Klassenzimmerwände im Seitenflügel, ohne erkennbare Schüttlagen oder Ausbluten von Feinstanteilen [1] DIN EN Zement Teil 1: Zusammensetzung, Anforderungen und Konformitätskriterien von Normalzement; Deutsche Fassung EN 197-1: A1: [2] Ludwig, H.-M.; Rothenbacher, W.: Entwicklung und Einführung von CEM II/M-Zementen. beton 55 (2005) Nr. 4, S [3] Müller, Ch.; Lang, E.: Dauerhaftigkeit von Beton mit Portlandkalkstein- und Portlandkompositzement CEM II-M (S-LL). beton 55 (2005) Nr. 3, S ; Nr. 4, S und Nr. 5, S Bild 33: Schwarzes Brett auf Sichtbetonwand Bauschild Entwurf und Tragwerksplanung Bauausführung Transportbeton Schalung Betontechnische Beratung röschert Würzburg, architekten + ingenieure, Würzburg Bauunternehmen Schinkel, Kitzingen Lenz-Ziegler-Reifenscheid GmbH, Kitzingen Mayer Schaltechnik GmbH, Bergrheinfeld BetonMarketing Süd GmbH, Ostfildern, Schwenk Zement KG Anwendungstechnik, Karlstadt [4] DIN EN Beton Teil 1: Festlegung, Eigenschaften, Herstellung und Konformität (Juli 2001); Deutsche Fassung EN 206-1:2000. [5] DIN Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton Teil 2: Beton Festlegung, Eigenschaften, Herstellung und Konformität, Juli 2001, Anwendungsregeln zu DIN EN

11 [6] Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten (ZTV-ING), Mai Hrsg.: Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS). [7] Merkblatt Sichtbeton, Fassung August Hrsg.: Deutscher Beton- und Bautechnik-Verein E.V. (DBV) und Bundesverband der Deutschen Zementindustrie e.v. (BDZ). [8] Richtlinie Wasserundurchlässige Bauwerke aus Beton (WU- Richtlinie), Ausgabe November Hrsg.: Deutscher Ausschuss für Stahlbeton (DAfStb). Bild 34: Aula im Hauptgebäude Bild 35: Gesamtansicht nach Fertigstellung 109