Prof. Dr.-Ing. Heinz-Otto L a m p r e c h t * VERWENDUNG VON BETON BEI WASSERBAUTEN IN DER ANTIKE The use of concrete for hydraulic structures in the ancient world Prof. Dr.-Ing. Heinz-Otte Lamprecht Studium des Bau-I ng. -Wesens an der TH Hannoverbis 1951. AnschließendAssistent an der TH, Leiter der Forschungs ste 11 e Syl t (Küsten-Ingenieur-Wesen) und Bauleiter in der Bauindustrie; 1955 Promotion. 1962 Leiter der Bauberatungsstelle Frankfurt des Bun desverbandes der Deutschen Zementi ndustri e, seit 1974 technischerGeschäftsführerdiesesVerbandesundleiter der Bauberatung Zement. Lehraufträge 1973 an der TH Darmstadt und seit 1979 an der RWTH Aachen; 1984 Ernennung zum Honorar-Professor. Veröffentlichungen aus den Bereichen Betontechnik, Wasserbau, Straßenbau, Architektur und Archäologie. Verfasser u. a. des Buches "Opus Caement 1ti um-Bautech nik der Römer". Inhaltsangabe Die Entstehungsgeschichte des Betons, die maßgeblich durch römische Baumei ster beei nfl ußt wurde, wird anhand von Infrastruktur-Bauten dargestellt. Dabei bilden Wasserbauwerke wie Wasserversorgungs- und Abwasseranlagen so wie Häfen ein anschauliches Beispiel. Summary The genesis of concrete as a building material has been influenced by Roman architekts and is described with examples of civil engineering structures. Hydraul i c structures as water-supply and sewage plants as well as harbors give a vivid example of it. * Bundesverband der deutschen Zementindustrie, Köln Mitt.bl. BAW (1989) Nr. 65 79 Prof. Dr.-Ing. Lamprecht: Beton in der Antike INHALT Seite 1 Einführung 81 2 Römischer Beton 81 3 Wasserleitungen 85 4 Zisternen 88 5 Talsperren 88 6 Abwasseranlagen 89 7 Häfen 91 8 Rationalisierung 94 Mitt.bl. BAW (1989) Nr. 65 8() Prof. Dr.-Ing. Lamprecht: Beton in der Antike 1 Einführung Heute bestehen in unseren Breiten weit mehr als 50% aller Bauwerke aus Be ton, da dieser Baustoff beliebig formbar, dauerhaft und wirtschaftlich ist. Daß schlechte gestalterische Lösungen zu häßlichen Einzelbauten und Massen siedlungen geführt haben, ist nicht Schuld des Baustoffs. Neuerdings kommen die drei Forderungen des römi sehen Baumeisters Vitruv ( 11Zehn Bücher über die Baukunst11 etwa 20 v. Chr.) an das ideale Bauwerk wieder zu Ehren: Si , cherheit, Zweckmäßigkeit, Schönheit. Vorläufer des heutigen Betons ist das Opus Caementitium (Römischer Beton), das römische Baumeister bereits vor der Zeitenwende angewendet haben (vergl. LAMPRECHT: Opus Caementitium - Bautechnik der Römer, Düsseldorf 1984). 2 Römischer Beton Der aus dem Lateinischen stammende Begriff Opus Caementitium (eigentlich: Opus Caementicium) setzt sich aus den Worten Opus (Werk, Bauwerk, Bau teil, Bauverfahren u.a.) und Caementitium (von Caementum = der behauene Stein, auch Bruchstein, Mauerstein, Zuschlagstoff; nach Begriffswandel Ur sprung für unser heutiges Wort Zement) zusammen. Caementum wurde mit Mate ria (hier: Mörtel; andere Bezeichnung: Mortar) gemischt und ergab nach Er- t---2.40 m- - - 1 verlorene Schalung 12-25cm E 0 CO_ "- Ccf ) v<l;J <lJ Dc E I dii~.-1--- E 0 0 C') ro :;: Q) iE :S:lD Q)"<_ --t~ 1-----etwa 3.00 m---l- Bild 1: Stadtmauer Köln aus Opus Caementitium. Man erkennt die Außen schale sowie den lagenweise eingebrachten Römischen Beton 81 Mitt.bl. BAW (1989) Nr. 65 Prof. Dr.-Ing. Lamprecht: Beton in der Antike härtung des Bindemittels ein Konglomeratgestein von sehr hoher Druckfestig keit. Da dessen Aussehen und Eigenschaften unserem heutigen Beton entspre chen, werden in der Archäologie und der Baugeschichte dafür die Bezeichnun gen Gußmauerwerk, Gußbeton, Klamottenbeton, Kalkbeton, Zementmauerwerk oder - am häufigsten - Beton bzw. Römischer Beton verwendet. Opus Caementitium bedeutet also ein Herstellverfahren für druckfeste Bauteile aus Mörtel und Steinen. Die Form des Bauteils ergab sich durch eine Schale, die aus vorher aufgemauerten Steinen bestand oder durch eine. Schalung aus Holzbrettern und -balken. Die Holzschalung wurde nach Erhärten des Bauteils -wie heute - meistens wieder entfernt und konnte erneut verwendet werden. Es entspricht der heutigen Terminologie, auch das Ergebnis dieses Herstellverfahrens - d.h. den erhärteten Baustoff einschließlich der Schale -als Opus Caemen titium zu bezeichnen. Opus Caementitium ist daher, je nach Zusammenhang, mit 11römische Betonbauweiseil oder 11Römischer Beton11 zu übersetzen • . - ' ( l ( ~ •..; I ~..(, .'· . ' \ ... '•. \ -· " ..... '· Bild 2: Schalbrettabdrücke in ·der Wasserleitung nach Side/Türkei. Man erkennt die Abdrücke in Längsrichtung und am First einen etwa 50 cm breiten Bereich in Querrichtung Bei römischen übernahm meistens der Mauerkern die tra Betonkon~truktionen gende Funktion. Es hat sich eingebürgert, dieses Bauverfahren noch weiter aufzugliedern, indem man die Bauteile nach ihrer Außenschale bezeichnet (z.B. Opus Incertum) - heute übrigens ein Hilfsmittel für die Datierung. Insgesamt gesehen wurde der Römische Beton zunächst als eine leistungsfähi gere und billigere Bauweise für Stadtmauern, Speicherhäuser, Hafenanlagen, Mitt.bl. BAW (1989) Nr. 65 82 Prof. Dr.-Ing. Lamprecht: Beton in der Antike Aquädukte, Wasserleitungen u.a. entwickelt. Seit der Mitte des 1. nach christlichen Jahrhunderts entdeckten begabte Baumeister durch den Einsatz dieses Baustoffs neue Möglichkeiten zur Raumgestaltung, indem sie ihn zu Tonnengewölben und Kuppeln mit teilweise gewaltigen Abmessungen formten. Bild 3: Bau einer römischen Stadtmauer aus Opus Caementitium. Ausschnitt aus der Trajans-Säule in Rom. Von unten 1i nks werden die Steine für die Außenschale hochgereicht, von unten rechts die Mörtelbe hälter. Die Säule wurde 113 n. Chr. eingeweiht. Unsere Kenntnisse über den Römischen Beton starrmen aus zeitgenössischen Schriften (vor allem von Vitruv), aus zeitgenössischen Darstellungen (Plastiken, Reliefs, Zeichnungen) sowie aus heutigen Untersuchungen römi scher Bauten. Insgesamt läßt sich sagen, daß die Baugeschichte mit dem Rö mischen Beton einen Höhepunkt erreicht. Bedeuten doch z.B. die heute gemes senen Druckfestigkeitswerte bis 40 NN/mm2 daß ein Quadratzentimeter der , Oberfläche einer Belastung von etwa 400 kg standhielt, ehe die Probe zerbrach. Heute liegen etwa 3/4 aller Betonneubauten mit ihren Festigkeits werten in dieser Größenordnung oder niedriger. Als Zuschläge bevorzugten die Römer aus Kostengründen örtlich anstehendes Materi a 1. Die Kornzusammensetzung erfo 1g te nach ähn 1i chen Gesichtspunkten wie in unserer Zeit. Die Ermittlung zweierantiker Sieblinien zeigte, daß diese römische Kornzusammensetzung auch unsere heutigen Bauvorschriften er füllt. Als Ausgangsgestein für das Bindemittel wurden im wesentlichen die gleichen Arten benutzt wie heute für Zement und Baukalk. Häufig setzte man dem Beton puzzolanische Stoffe wie Trass oder Ziegelmehl zu. Der Römische Beton wurde in Schichten eingebracht. Wegen einer gleichmäßi gen Lastübertragung im Bauwerk ist dieses Vorgehen auch heute vielfach üb- 1i ch. Bei sachgemäßem Verbund der Schichten durch Stampfen ergab sich so ein Bauteil 11aus einem Guß11 mit ähnlichen Eigenschaften wie vergleichbarer Naturstein. 83 Mttt.bl. BAW (1989) Nr. 65 Prof. Dr.-Ing. Lamprecht: Beton in der Antike Oruckfestig- Rohdichte Bindemittel Bauwerk Bauzeit keit; lufttrocken (vermutetes Mittelwert (bei 105 •c1 Ausgangsgestein) n.Chr. N/mm2 kg/dm3 Dolomitkalk Stadtmauer 50 bis 69 15 2.2 (Oolomitkalkstein) Köln mit Trass Säulen- Kalk (Kalkstein) fundamente Anfang 36 2.1 mit Puzzolan, Side/Türkei 2. Jahrh. (1.9) wahrscheinlich eisenfreies Ziegelmehl Gewölbe 280 Dolomitkalk Kaiser- bis 300 17 (1.8) (Oolomitkalkstein) thermen Trier Wasserbecken Kalk (Kalkstein) Martinsviertel Mitte 8 (1.5) mit Puzzolan 1. Jahrh. wahrscheinlich Köln Trass und Ziegelmehl Wasserleitung Kalk (Kalkstein) nach Köln. 1. Jahrh. 37 2.6 mit Trass Hermü\heim Estrich für Mitte Mosaik. 3. Jahrh. 22 (1.4) Kalk (Kalkstein) Kreuznach Heutiger Beton etwa 2.4 Zement für Ingenieurbauten 40 bis 60 (etwa 2.3) (Mischung aus (z.B. Brücken) Kalkstein und Ton) Oie Druckfestigkeit von Beton wird in Nlmm1 gemessen (N~Newton). die Festigkeit von 10 N/mm1 entspricht etwa dem Druck von 100 kg auf eine Flache von 1 cm1. LAMPRECHT opus caementitium Bild 4: Ergebnisse von Materialprüfungen an Römischem Beton Siebdurchgang Masse% Sieblinien nach DIN 1045 L• ... <><~lc .. r oooscaemenhltum Lochweite (mm) Bild 5: Sieblinien von MaterialprüfungenamBeton der römischen Wasserlei tung nach Köln 84 Mitt.bl. BAW (1989) Nr. 65 Prof. Dr.-Ing. Lamprecht: Beton in der Antike 3 Wasserleitungen Voraussetzung für jedes menschliche Leben ist das Wasser; das zeigt sich besonders in Ländern mit trockenem und heißem Klima. So ist es kein Wunder, daß die Römer bei ihrer Geschicklichkeit und ihren Möglichkeiten auch die klassischen Wasserbauer wurden. Die einfachste Art der Wasserversorgung bilden Zisternen (Wasserspeicher), in denen das Regenwasser gesammelt wird. Weitaus unabhängiger vom Regen sind natürlich ein Bach, ein Fluß oder eine Quelle. Wir kennen außerdem mehrere aus Flüssen abgezweigte Wasserleitungen. Wohlschmeckender als Fluß wasser ist jedoch Quellwasser. Aus diesem Grunde entstanden nach und nach eine Vielzahl von Wasserleitungen, die frisches Quellwasser in die Städte brachten. In der Kaiserzeit baute man sie fast immer aus Opus Caementitium und deckte diese Kanalleitungen mit Natursteinplatten oder einer Betonwölbung ab. Auf Brückenkonstruktionen wurden sie über Täler und mit Hilfe von Tunneln durch Berge geführt. Im deutschen Sprachgebrauch hat es sich eingebürgert, eine über eine Bogenkonstruktion geführte Wasserleitung als Aquädukt zu be zeichnen, obwohl die Übersetzung des lateinischen Wortes eigentlich Wasser- Bild 6: Aquädukt bei Lyon/Frankreich. Die Pfeiler bestehen aus Römischem Beton mit einer Schale aus Natursteinen und Ziegeln. Mitt.bl. BAW (1989) Nr. 65 85 Prof. Dr.-Ing. Lamprecht: Beton in der Antike führung bedeutet, sich also auf die gesamte Leitung beziehen müßte. Seit einiger Zeit gibt es bei uns ein amtliches Hinweiszeichen auf archäologi sche Stätten: es zeigt einen stilisierten Aquädukt. Vitruv war auch ein erfahrener Vermessungsingenieur und forderte für eine Wasserleitung ein gleichmäßiges Gefälle zwischen 0,25 und 0,50 %. Seine Bü cher enthalten ausführliche Beschreibungen für die Konstruktion des städti schen Netzes vom Wasserschloß am Stadtrand bis zum Endverbraucher. Im Ge gensatz zu den größeren Überlandleitungen aus Römischem Beton verwendete 11 man in der Stadt häufig Druck 1e i tungen und scha 1t ete im Bedarfsfa 11 Was sertürme11 dazwischen. Diese Druckleitungen bestanden aus Blei- oder Tonroh 11 11 ren; es sind aber auch Elemente aus Holz und Stein und sogar Beton -Fer tigteile im Gebrauch gewesen. ) / 11 11 Bild 7: Wasserrohre aus Beton -Fertigteilen im Archäologischen Museum in Metz/Frankreich. 11 11 Die meisten Wasserleitungen führten nach Rom. Der Nabel der Stadt und damit des Weltreiches ist auf dem Forum Romanum sogar durch ein rundes Bau werk markiert. Der römische Baumeister Frontinus hat uns eine exakte Be schreibung aller neun Leitungen hinterlassen, die am Ende des 1. Jahrhun derts n. Chr. nach Rom führten. Dort mußten damals etwa 700 000 Einwohner mit Wasser versorgt werden. Nach vorsichtiger Schätzung lag das tägliche Trinkwasserangebot zwischen 370 und 450 Litern pro Kopf. Auch die germanischen Provinzen konnten mit beachtlichen römischen Bauwer ken dieser Art aufwarten. Die Stadt Köln erhielt im 2. Jahrhundert n. Chr. eine insgesamt rund 100 km lange Wasserleitung, nachdem die kürzeren Ver sorgungsstränge des 1. Jahrhunderts n. Chr. aus dem Vorgebirge nicht mehr ausreichten. Man entschied sich jedoch nicht für zusätzliche Quellengebiete in der Nähe von Köln, sondern - wegen der besseren Wasserqua 1 i tät - für weit entfernte Vorkommen in der West-Eifel. Die Eifelwasserleitung mit ih ren Leitungsästen und dazu die älteren Versorgungsstränge hatten eine Ge samtlänge von fast 130 km. Für den Bau waren etwa 500 000 Tagewerke erfor- Mitt.bl . BAW (1989) Nr. 65 86 Prof. Dr.-Ing. Lamprecht: Beton in der Antike derl ich; dem entspricht bei 250 Arbeitern in mindestens 13 Baulosen eine Bauzeit von etwa vier Jahren. Schnitt bei Hürth (1. Jahrh. n.Chr.) Schnitt bei Buschhoven (2. Jahrh. n.Chr.) I I Schnitt bei Frechen-Bachern .E.. (1. Jahrh. n.Chr.) E 0 _ 0 I E . "' (") ci ' 0,55m - . 0,45m . 0,40m Bild 8: Schnitte durch die römische Wasserleitung aus der Eifel nach Köln Die Leitung besteht in ihrem unteren Querschnittsteil meistens aus Opus Caementitium mit einem Innenputz, den man mit einem Gewölbe aus vermörtel ten Natursteinen (über einem Lehrgerüst betoniert) überdeckte. Der Quer schnitt schwankt je nach Durchflußmenge, ist aber meistens so groß, daß ein Mann mindestens durchkriechen konnte. Im Raum Köln hat die ältere Leitung eine lichte Höhe von etwa 1,70 m. Für die Kontrolle waren Einstiegschächte angeordnet. Bei gefährlichen Geländeeinschnitten untertunnelte man die Lei tung, um einen Abfluß nach Sturzregen quer zur Leitung zu ermöglichen. Tä ler wurden beim Bau mehrfach mit Hilfe von Aquädukten überquert. Spätestens im 5. Jahrhundert geriet die Eifelleitung außer Betrieb und wurde in den folgenden Jahrhunderten zu einem beliebten 11Steinbruch11 für die Umgebung. Bei Planungen von Wasserleitungen durch ein Tal untersuchten die römischen Baumeister gemäß Vitruv zunächst die drei Alternativen: Umgehungsschleife, Aquädukt und Druckleitung. Die Wirtschaftlichkeit gab dann den Ausschlag. Taltiefen bis zu etwa 50 m überwand man im allgemeinen durch einen Aquä dukt; tiefere Täler durch eine Druckleitung, wie z.B. bei Lyon/Frankreich, Laodikeia/Westtürkei und Aspendos/Südtürkei. Die antike Stadt Aspendes erhielt ihr Trinkwasser über eine im Grundriß zweimal geknickte Druckleitung aus Steinrohren. Jeweils an den Knickpunkten wurden zwei etwa 30 m hohe massive Rampenbauwerke errichtet, die einen oben offenen Behälter für den Druckausgleich des Wassers trugen. Den römi schen Baumeistern war- sicher aus leidvoller Erfahrung- bekannt, daß bei Druckleitungen besonders an Knickpunkten leicht Brüche auftraten. Die rie sigen Ruinen der Rampenbauwerke bei Aspendes bilden auch heute noch ein eindrucksvolles Beispiel römischer Wasserbaukunst. Mitt.bl. BAW (1989) Nr. 65 87 Prof. Dr.-Ing. Lamprecht: Beton in der Antike Bild 9: Aspendos/Türkei. Zum Abbau des schädlichen Druckes an zwei Knick punkten der dortigen Druckwasserleitung wurden rund 30m hohe 11Wassertürme11 errichtet, die oben offene Behälter trugen. 4 Zisternen Becken und Vorratsbehälter für Brauch- und Trinkwasser sind seit alters her bekannt. Die zahllosen noch heute vorhandenen Zisternen aus römischer Zeit weisen Rauminhalte bis zu etwa 100 000 m3 auf. Sie liegen häufig verdeckt unter der Erdoberfläche; wir kennen aber auch oben offene Anlagen. Neben den Zisternen für den Privatbedarf, die sich in allen Teilen des Imperiums befinden, verdienen die Großbauten dieser Art eine besondere Beachtung. Da zu gehören die 11Piscina Mirabilis11 in Misenum bei Pozzuoli (15m tief und 70 x 25m Grundfläche) und die Fildami-Zisterne am Stadtrand von Istanbul/ Türkei. Dieses oben offene Bauwerk mit 11m hohen Mauern aus Opus Caementi tium hat eine Grundfläche von 127 x 76 m, faßte also etwa 100 000 m3 Was ser. Die Umfassungsmauer wurde zur Erhöhung der Stabilität bogenförmig aus gebildet und zeigt eine Schale aus Naturstein und Ziegeln mit Putz. 5 Talsperren Wenig bekannt sind römische Talsperren, obwohl ihre Zahl in die Hunderte ging. Sie wurden fast ausschließlich als Gewichtsstaudänme oder -mauern ausgeführt; es gibt aber auch Anfänge der 11Bogenstaumauer11 Neben reinen • Erddänmen und reinen Betonkonstruktionen sind kombinierte Bauweisen aus Erde sowie Stein oder Beton üblich. Römische Talsperren enthielten- wie auch heute üblich - im allgemeinen ei nen oder mehrere Wasserentnahmetürme neben der Mauer und in der Mauerbasis einen Grundablaß. Zahlreiche Talsperren können- meistens als Reste- noch heute in Spanien, Nordafrika und Vorderasien besichtigt werden. Mitt.bl. BAW (1989) Nr. 65 88