25 Jahre Freibewitterung eingefärbter Baustoffe Gerald Büchner, Ursula Kündgen, Bayer AG, Krefeld-Uerdingen

Die Einfärbung von Baustoffen, wie Putzen, Mörteln, Betonpflastersteinen, Betondachsteinen, Betonfertigteilen etc., ist heute gängig. Einen rasanten Aufschwung hat die Produktion farbiger Baustoffe in den 60er Jahren erlebt, und weltweit betrachtet hat dieser Trend bis heute angehalten. Grundlegende Arbeiten zur sicheren Herstellung eingefärbter Baustoffe sind von der Bayer AG im Werk Uerdingen geleistet worden. Für die Einfärbung werden verschiedene Pigmente, in erster Linie anorganische Buntpigmente wie Eisenoxide, Chromoxid etc. angeboten. Eines der wichtigsten Kriterien für die Auswahl geeigneter Farbpigmente zur Baustoffeinfärbung ist deren Wetterbeständigkeit. Die Bedeutung der Wetterstabilität und der Notwendigkeit von Freibewitterungstests wurde bereits sehr früh erkannt.

Welche Baustoffe werden geprüft? Bereits Ende der 50er Jahre, wurden ohne maschinellen Aufwand hergestellte Proben - meist Putze und Mörtel - auf Gestellen innerhalb des Werkes Uerdingen der Bayer AG bewittert. In den 60er Jahren wurde zusammen mit dem weiteren Ausbau der Anwendungstechnischen Abteilung der Bewitterungsstand in Krefeld aufgebaut. Auch hier wurden zunächst nur Putze, Mörtel und Ortbeton ausgelegt. Hiermit wurden die grundsätzlichen Voraussetzungen für systematische Bewitterungsprüfungen geschaffen, d. h. Fertigungsmöglichkeiten für praxisnahe Produkte wie Betondachsteine, Gehwegplatten, Betonmauersteine, Kalksandsteine, Betonpflastersteine etc. Für die Gehwegplattenfertigung stand ein Stampfwerk der Firma Rino seit etwa 1968 zur Verfügung. Im Jahre 1970 wurde eine Betondachsteinanlage der Firma Schade (Bild 1) für kleinformatige, nicht gewellte Produkte installiert. Die ersten Bewitterungsversuche auf dem Gelände des Bewitterungsstandes in Nähe des Werkes Uerdingen (Bild 2) wurden zunächst mit Gehwegplatten aber auch mit Putzen und Mörteln durchgeführt.

Bild 2: Bewitterungsstand Krefeld, Baustoffprüffeld

Bild 1: Betondachsteinmaschine (Strangpressverfahren), Fa. Schade (Baujahr 1970)

Nach Beginn der Dachsteinfertigung ergaben sich wesentlich bessere Möglichkeiten der Versuchsdurchführung, da die Handhabung der kleinformatigen Teile einfacher ist. Daneben wurden auch andere Baustoffe, wie Betonmauerstein, Kalksandsteine etc. für die verschiedenen Untersuchungen gefertigt. Für diese Zwecke stand ab 1971 eine Presse der Firma Henke zur Verfügung. Eine wichtige Produktgruppe für den Einsatz von Eisenoxidpigmenten stellen Betonpflastersteine dar. Anfang der 80er Jahre haben wir einen Pflas-

Bild 3: Betonpflastersteinfertiger (Brettfertigung), Fa. Henke (Baujahr 1982)

tersteinfertiger ebenfalls von Henke angeschafft (Bild 3), um praxisgerechte Untersuchungen auch bezüglich der Wetterstabilität durchführen zu können. Bis dahin konnten Betonpflastersteine nur mit dem vorhandenen Stampfwerk - also etwas praxisfremd - produziert werden. Mit diesen Geräten stand bereits nach kurzer Zeit eine umfassende Ausrüstung zur praxisgerechten Fertigung praktisch aller modernen Baustoffe zur Verfügung. Was mit einigen Exponaten begann, führte zu einem, allein auf dem Bewitterungsstand in Krefeld, großen Versuchsfeld mit über 9000 verschiedenen Baustoffproben. Dazu kamen später noch kleinere Bewitterungsstände im In- und Ausland, um Unterschiede durch verschiedene Klimabereiche zu erfassen. Die Bewitterungsstände werden laufend mit neuen Proben beschickt, da sich die Fragestellungen ständig ändern, neue Produkte auf den Markt kommen, Forschungsprodukte und auch Kundenmuster im Rahmen des Kundenservice zu prüfen sind. Welche Voraussetzungen sind für die Prüfung der Wetterstabilität von eingefärbten Baustoffen erforderlich? Wichtig ist zunächst die praxisgerechte Herstellung von Exponaten. Dazu kommt ein gut ausgestattetes Gelände inkl. Wetterstation, geeigneten Gestellen, Referenzmusterlager usw. Geeignete Farbmessgeräte sollten heute zur Grundausstattung gehören. Nicht zu vergessen ist natürlich die genaue Doku-

Bild 4: Mineralisch gebundener Putz, Bewitterungsbeginn: 1970, Aufnahme: 1995 Pigmentierung: 1 = 3 % Bayferrox ® 110; 2 = 3 % Chromoxidgrün GN; 3 = 3 % Bayferrox 660; 4 = 3 % Bayferrox 960; 5 = 3 % Le 70; 6 = 3 % LG 200; 7 = 3 % Bayferrox 180; 8 = 3 % Lichtblau 100; 9 = 3 % Bayferrox 140; 10 = 3 % Bayferrox 920; 11 = 3 % Ue 5015 (Versuchsprodukt); 12 = 3 % Tronox A

mentation der Probendaten, der Messergebnisse, der Wetterdaten usw., was durch EDV-Einsatz heute wesentlich leichter fällt. Welche Erkenntnisse ergeben sich aus diesen langjährigen und aufwendigen Untersuchungen? Festzuhalten ist zunächst, dass auf dem Bewitterungsstand in Krefeld mehr als 1/4 Jahrhundert lang eingefärbte Baustoffe in verschiedenen Variationen bewittert werden. Ergebnisse liegen zu verschiedenen Fragestellungen, wie dem Einfluss der

Bild 5: Betonmauersteine (unbewitterte Vergleichsprobe im Vordergrund), Bewitterungsbeginn: 1970, Aufnahme: 1995 Pigmentierung: 1 = 5 % Bayferrox 920; 2 = 5 % Bayferrox 120; 3 = 5 % Bayferrox 160; 4 = 5 % Bayferrox 686; 5 = 2,7% Bayferrox 110 I Ruß 2 (70 : 30); 6 = 5 % Bayferrox 663

Bild 6: Kalksandsteine (unbewitterte Vergleichsprobe im Vordergrund) Bewitterungsbeginn: 1970, Aufnahme: 1995 Pigmentierung: 1 = Chromoxidgrün GN; 2 = 1 % Bayferrox 920; 3 = 1 % Bayferrox 960; 4 = 1 % Bayferrox 110; 5 = 2 % Bayferrox 660/6

Rohstoffe, des W/Z-Wertes, der Herstellungsbedingungen usw. vor. Die Langzeitwetterstabilität von anorganischen Buntpigmenten, wie Eisenoxidpigmenten, Titandioxidpigmenten, Chromoxidpigmenten etc., konnte in praxisgerecht gefertigten Baustoffen nachgewiesen werden. Das kann in recht beeindruckender Weise an den ältesten Exponaten demonstriert werden. Bild 4 zeigt einen mineralisch gebundenen Putz, pigmentiert mit verschiedenen anorganischen Buntpigmenten nach 30 Jahren Freibewitterung. Die nächsten Abbildungen zeigen am Beispiel verschiedener Baustoffe, wie Betonmauersteinen, Kalksandsteinen und Betonpflastersteinen die Abhängigkeit der Wetterstabilität vom eingesetzten Pigment. Im Bild 5 handelt es sich um Betonmauersteine nach knapp 25 Jahren und in Bild 6 um 25 Jahre alte Kalksandsteine, pigmentiert mit anorganischen Buntpigmenten.

Anhand dieser Exponate aber auch vieler anderer mehr lassen sich Aussagen nicht nur zur Stabilität der Pigmente, auch des gesamten Systems machen. An zahlreichen weiteren Beispielen konnte belegt werden, dass etliche Pigmente, wie z. B. Ruße oder verschiedene organische Pigmente nicht ausreichend wetterstabil sind. Bild 7 und Bild 8 zeigen Betonmauersteine und Kalksandsteine, pigmentiert mit verschiedenen Schwarzpigmenten nach etwa 25 Jahren Freibewitterung. In Bild 9 sind Betonpflastersteine nach 2 Jahren Freibewitterung in Den Helder, Niederlande, zu sehen, bei welchen bereits nach dieser relativ kurzen Zeit das Rußpigment verblasst ist. Der wichtigste Schluss, der sich hieraus ziehen lässt, ist neben der bekannten Tatsache der Instabilität einiger Pigmente der, dass dieser Vorgang irreversibel ist, d. h. keinesfalls eine vorübergehende Erscheinung darstellt.

Bild 7: Betonmauersteine (unbewitterte Vergleichsprobe im Vordergrund) Bewitterungsbeginn: 1970, Aufnahme: 1995 Pigmentierung: 1 = 5 % Bayferrox 318; 2 = 3,5 % Bayferrox 320; 3 = 2,8 % Ruß 1; 4 = 1,2 % Ruß 2; 5 = 1,7 % Ruß 3

Bild 8: Kalksandsteine (unbewitterte Vergleichsprobe im Vordergrund) Bewitterungsbeginn: 1970, Aufnahme: 1995 Pigmentierung: 1 = 3 % Bayferrox 303 T; 2 = 1,1 % Ruß 1; 3 = 0,5 % Ruß 2; 4 = 0,9 % Ruß 3; 5 = 0,5 % Ruß 4

3,25 % Bayferrox 350 flüssig 3,25 % Ruß flüssig

6,5 % Ruß flüssig

4 % Bayferrox 330

Bild 9: Wetterstabilität von Schwarzpigmenten, Betonpflastersteine, (Bewitterungsdauer: ca. 2 Jahre), Bewitterungsbeginn: 1990, Aufnahme: 1993

bewittert

6,5 % Bayferrox 350 flüssig

3,6 % Rußpulver

In Bild 10 und Bild 11 sind verschiedene Blau- und Grünpigmente in Betonmauersteinen und Kalksandsteinen eingesetzt worden und auf die Langzeitstabilität untersucht worden. Auch hier ist festzustellen, dass gravierende Unterschiede in der Wetterstabilität beim Einsatz verschiedener Pigmente gegeben sein können. Chromoxidgrün für die Grüneinfärbung oder Blaupigmente auf Basis Kobaltoxidspinell garantieren ein gutes Langzeitverhalten des damit eingefärbten Baustoffes. Wiederum ist festzuhalten, dass das Ausbleichen organischer Pigmente einen irreversiblen Vorgang darstellt, d. h., es handelt sich keinesfalls um eine

Pigmentierung: links unten: 6,5 % Bayferrox 350 flüssig links oben: 4 % Bayferrox 330 Mitte: 6,5 % Bayferrox 350 flüssig/Ruß 5 (Verhältnis 1 : 1) rechts oben: 6,5 % Ruß 5 rechts unten: 3,6 % Ruß 5

vorübergehende Erscheinung. In zahlreichen Veröffentlichungen [1, 2] ist ausführlich auf diese Fragestellung eingegangen worden. Fundierte Erkenntnisse konnten u. a. auch über die Ausblühneigung der verschiedenen Baustoffe gewonnen werden. In Bild 12 ist z. B. der Ablauf der Ausblühungen bei Betondachsteinen zu sehen. Die vielschichtigen Untersuchungen zeigten, dass Ausblühungen kaum zu vermeiden sind. Übersprüht man nun Betondachsteine mit einer unpigmentierten Kunststoffdispersion, so treten Ausblühungen nicht auf, wie an den im Bild 13 angeord-

Bild 10: Betonmauersteine (unbewitterte Vergleichsprobe im Vordergrund) Bewitterungsbeginn: 1970, Aufnahme: 1995 Pigmentierung: 1 = 3 % Lichtblau 100; 2 = 3 % Lichtblau 2 R; 3 = 0,2 % organisches Blaupigment; 4 = 3 % Chromoxidgrün GN; 5 = 0,5 % organisches Grünpigment

Bild 11: Kalksandsteine (unbewitterte Vergleichsprobe im Vordergrund Bewitterungsbeginn: 1970, Aufnahme: 1995) Pigmentierung: 1 = 0,075 % organisches Blaupigment, 2 = 1 % Lichtblau 100, 3 = 0,15 % organisches Grünpigment, 4 = 1 % Chromoxidgrün GN

Helligkeit

B

C

A Bild 12: Ausblühungen im Laufe der Bewitterung; Betondachsteine

10

20 30 40 Bewitterungsdauer (Monate)

Pigmentierung: 5 % Bayferrox 318

neten Proben zu erkennen ist. Aufgrund dieser Tatsache und auch der Erkenntnis, dass Ausblühungen später kaum noch auftreten, konnten nicht zuletzt durch diese Untersuchungen brauchbare Hinweise zur Minderung der Ausblühneigung gegeben werden. In verschiedenen Veröffentlichungen zum Thema Ausblühungen wurden die Erkenntnisse dargelegt [3].

Betonpflastersteine können, wie bereits ausgeführt, erst seit etwa 15 Jahren praxisnah im Vibrationspressverfahren gefertigt werden. Auch hier liegt eine Vielzahl von wichtigen Erkenntnissen zur Stabilität der eingesetzten Pigmente aber auch zur Stabilität des unterschiedlich gefertigten Betonproduktes vor. Eine Auswahl der ältesten Exponate zeigt Bild 15.

Mit Einführung der farbmetrischen Auswertung Mitte der 70er-Jahre konnte neben der rein visuellen Bewertung und Dokumentation mittels Fotoaufnahmen eine Fülle von Daten erfasst werden. Hieraus lassen sich Schlüsse über den genauen Bewitterungsablauf über Jahrzehnte bei den verschiedenen Baustoffen ziehen. Bild 14 zeigt als Beispiel die einzelnen Phasen der Bewitterung für unterschiedlich gefertigte Betondachsteine.

Ein wichtiges Kriterium beim Baustoff ist natürlich auch die Erosionsbeständigkeit. Die farbmetrische Auswertung hilft hier nicht weiter. Neben einigen recht aufwendigen Prüfungen lassen sich brauchbare Aussagen nur durch die visuelle Beurteilung die nach wie vor ein wichtiger Bestandteil der Bewertung ist, erhalten.

Reihe 1

Reihe 2

Reihe 3

Reihe 4

Es stellt sich in diesem Zusammenhang die Frage, ob durch Kurzbewitterungstests die langwierige Prüfung in der Freibewitterung zu ersetzen ist. Die bisher zu dieser Frage durchgeführten Arbeiten zeigen, dass im Gegensatz zu Anwendungsgebieten wie Kunststoff oder Lacke und Farben diese Methode bei Baustoffen versagt [1]. Es gilt nach wie vor, nur Freibewitterungstests erlauben verlässliche Aussagen über die Wetterstabilität von Pigmenten im Baustoff. Nach mehr als einem 1/4 Jahrhundert systematischer Untersuchungen zu Stabilitätsfragen pigmentierter Baustoffe können hilfreiche Aussagen zu den verschiedensten Fragestellungen gemacht werden. Das wichtigste Ziel dieser Bemühungen ist es sicherlich, dem Baustoffhersteller entsprechende Hinweise zu geeigneten Farbpigmenten für die Baustoffeinfärbung zu geben. Daneben kann aber nach dieser Zeitspanne auch gezeigt werden, was ein durchgefärbter Baustoff zu leisten vermag, was nicht nur für den Hersteller, sondern auch für den Anwender, den Architekten usw. von großem Interesse ist. Bild 13: Versuche zur Vermeidung von Ausblühungen

Reihe 5

Reihe 1 Reihe 2 - 5

unbeschichtete Betondac hsteine übersprüht mit Kunststoffdispersion (ca. 20 - 40 % Festkörperanteil)

Bewitterungszeit in Jahren 2

5

10

15

durchgefärbt

A

Kreidung

Erosion

unpigmentierte Dispersion*

kA

Kreidung

Erosion

unpigmentierte Dispersion (lösemittelhaltig)*

kA

Kreidung

Pilze und Moos

20

25

* 30

Erosion

eingefärbte Zementschlämme und Buntsand

A

Dispersionsfarbe*

kA

Kreidung

Erosion

eingefärbte Zementschlämme und Dispersionsfarbe*

kA

Kreidung

Erosion

Ablösen der Sandgranulate

Bild 14: Die einzelnen Phasen der Bewitterung bei unterschiedlich gefertigten Betondachste inen

Zusammenfassung

Literatur

Die Wetterbeständigkeit von Pigmenten zur Einfärbung von Baustoffen lässt sich nur durch Freibewitterungsversuche belegen.

[1]

Seit 25 Jahren werden systematische Prüfungen auf dem Baustoffprüffeld des Bewitterungsstandes der Bayer AG in Krefeld durchgeführt. Bei praxisgerechter und -naher Fertigung von Betondachsteinen, -mauersteinen, -pflastersteinen, Kalksandsteinen, Putzen etc. konnte nach ausreichend langer Bewitterungszeit die Stabilität der eingesetzten Bayferrox-, Chromoxidgrün- und Lichtecht-Pigmente festgestellt werden. Die Fortführung der Untersuchungen garantiert auch weiterhin wichtige Aussagen zu Fragen, die im Zusammenhang mit der Wetterstabilität eingefärbten Baustoffe stehen.

HOZ 45

PZ45 F

durchgefärbte Betonpflastersteine

HOZ 45

Die Haltbarkeit ist abhängig von der Schichtdicke und dem Bindemittel. A Ausblühungen kA keine Ausblühungen

PZ45 F

Betonpflastersteine mit Vorsatzschicht

Bild 15: Die einzelnen Phasen der Bewitterung bei unterschiedlich gefertigten Betondachsteinen

[2] [3]

Dr. Kresse, Farbänderung bei der Bewitterung pigmentierten Betons, Beton und Fertigteiltechnik, Heft 8/82 Dr. von Szadkowski, Bewitterung von farbigem Beton, Beton und Fertigteiltechnik, Heft 11/91 Dr. Kresse, Ausblühungen und ihre Verhinderung, Beton und Fertigteiltechnik, Heft 10/91