1 Concrete and Color

Black fair-faced concrete Coloring concrete by the proper means Schwarzer Sichtbeton Beton mit den richtigen Mitteln einfärben Autor

Dr. Peter Weber (1959), Chemiestudium an den Universitäten Kaiserslautern und Gießen, promoviert am Institut für organische Chemie, Justus-Liebig-Universität Gießen. 1995–1997 Leiter der Anwendungstechnik der Brockhues AG in Walluf, seit 1997 Mitarbeiter der Harold Scholz GmbH Recklinghausen in den Bereichen Verkauf/anwendungstechnische Beratung.

1 Colored fair-faced concrete is in! Planners and architects are making more and more use of this construction material as a design element, not least for reasons of appearance – it’s natural look is really quite impressive. In addition comprehensive reports lowered the acceptance barrier for designing and constructing buildings with fair-faced concrete [1, 2, 3, 4]. Black has been leading the hit list of color requests from planners and architects for many years. However, the manufacture of black coloring – in connection with concrete – is not a matter to be trifled with. The article demonstrates experiences concerning coloring concrete black and presents possibilities as well as limitations of application. You will be given advices for best possible results for your practice.

1 Farbiger Sichtbeton ist in! Planer und Architekten nutzen diesen Baustoff immer häufiger als gestalterisches Mittel, nicht zuletzt aus optischen Gründen, denn er beeindruckt durch ein natürliches Aussehen. Zudem konnten durch umfangreiche Berichterstattung Hemmschwellen bei Planung und Herstellung von Bauwerken aus Sichtbeton abgebaut werden [1, 2, 3, 4]. Auf der Hitliste der Farbanfragen seitens Architekt und Planer steht seit vielen Jahren Schwarz ganz vorne. Nun ist Schwarz jedoch – Beton betreffend – keine trivial herzustellende Farbe. Der Bericht stellt Erfahrungen zur Schwarzeinfärbung dar und zeigt Möglichkeiten, aber auch Grenzen auf. Es werden Ratschläge für bestmögliche Ergebnisse für die Praxis gegeben.

Black iron oxide – for example, Bayferrox® 330 – that for many years has been the only black pigment that is stably anchored in fair-faced concrete, is only able to color the concrete anthracite (dark gray), even in high doses. The use of hydrocarbon pigments – black pigment that actually colors the concrete a deep black – was and is not recommended for use in fair-faced concrete. The risk that this pigment, due to its poor bonding properties, would color the concrete black only temporarily, was and is still a risk. Fortunately there are today alternative products available with which fair-faced concrete surfaces can be durably colored black. In the following, our experiences with these pigments, the possibilities and limitations of application and limits are reported on. At first, however, the fundamentals of the black coloring of concrete will be explained. There are principally two different pigment types used for coloring concrete and/or cement-bound construction materials: iron oxide black pigments and carbon oxides: Both pigment types have advantages and disadvantages for this application.

Das viele Jahre einzige schwarze Pigment, das stabil im Sichtbeton verankert ist, nämlich schwarzes Eisenoxid wie etwa Bayferrox® 330, war auch bei hoher Dosierung lediglich in der Lage, den Betonstein anthrazit (dunkelgrau) einzufärben. Der Einsatz von Kohlenstoffpigment – ein Schwarzpigment, das tatsächlich eine tiefschwarze Farbe im Betonstein bewirkt – wurde und wird zur Herstellung von Sichtbeton nicht empfohlen. Zu groß war und ist das Risiko, dass dieses Pigment wegen seiner schlechteren Einbindung nur zu einer vorübergehenden Schwarzfärbung des Sichtbetons führen könnte. Erfreulicherweise gibt es heute alternative Produkte, deren Einsatz die dauerhafte Herstellung schwarz eingefärbter Sichtbetonflächen ermöglicht. Über unsere Erfahrungen mit solchen Pigmenten, über deren Anwendungsmöglichkeiten und Grenzen wird nachfolgend berichtet. Zuerst jedoch sollen die Grundlagen der Schwarzeinfärbung von Beton erläutert werden. Zur Schwarzeinfärbung von Beton bzw. von zementgebundenen Baustoffen werden prinzipiell zwei unterschiedliche Pigmenttypen

BFX® 360

BFX® 330

BFX® 318

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1%

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Fig. 1 Development of tinting strength in three Bayferrox® pigments in a concrete paver. Abb. 1 Farbkraftentwicklung dreier Bayferrox®-Pigmente im Betonpflasterstein.



[Quelle: Harold Scholz & Co. GmbH]

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The sure way for coloring concrete black is the use of iron oxide black. Iron oxide black is fixed in the concrete paver both mechanically in the gel pores, as well as, like all metal oxide pigments, additionally firmly anchored on the hardened cement paste via electrostatic fixation. Iron oxide black pigments are therefore unable to leave the concrete structure after manufacture or during the aging of the concrete paver. Unfortunately, iron oxide black pigments in general do not color the concrete paver a deep black. Bayferrox® 318 and Bayferrox® 330 can only color it a dark gray, even when administered in high doses. This is well enough when the planner wants to have a color shade of dark gray, or at least accepts it. The development of iron oxide black pigment 3605 [5] makes it possible that concrete can really be colored black, also with an iron oxide pigment. In Fig. 1 it can be seen that the tinting strength of Bayferrox® 360 is greater than the tinting strength of other types of iron oxide black. The pigment, moreover has a fascinating elegant blue tinge, similar to that known from carbon pigments. Attention is drawn to an important interaction of iron oxide with concrete admixtures. Until recently, the use of metal oxide pigments for coloring concrete had been thought to be universally possible and the interactions of pigments or pigment preparations, such as liquid colors or granules, used with other raw materials in concrete were nearly unknown. The introduction of superplasticizers such as polycarboxylate ether (PCE) changed this situation. It has been found that metal oxide pigments, due to interactions with some PCE products, may show changes in tinting strength. These interactions apparently lead to pigment agglomerations as a result of which part of the tinting strength that the pigment produces in the concrete by occupying the cement needles gets lost. The effect occurs immediately, i.e. it can be recognized in a preliminary test (e.g., the suitability test). The factors that lead to this phenomenon are not yet fully known. But there is a remedy: the selection of an alternative admixture. There are a number of PCEs that do not show this negative interaction. The manufacture of black fair-faced concrete with Bayferrox® 360 is thus definitely possible. Because of the high quantities in which the product must be added it is, however, very costly. At least 8% pigment, relative to the binder content, must be added to the concrete to achieve a black coloring in the saturation range. With carbon pigments, depending on the type used, black coloring can be achieved even with considerably lower doses. The fact that cost-efficient black coloring is possible with carbon pigments has, however, one disadvantage: The carbon pigment is not – like a metal oxide pigment – bonded into the concrete via electrostatic fixation, but simply fixed mechanically in the gel pores. In other words: It is stably bonded only in those places where its is firmly enclosed by cement needles. This makes clear that the quality of the bonding of the carbon pigments depends on two important factors: one, on the particle size of the carbon pigments and, secondly, on the pore structure of the hardened cement matrix. Bonding of the carbon pigment depends on the particle size Only coarse-particled carbon pigments can be firmly fixed in the concrete, thus making a durable black coloring of BFT 07/2008

eingesetzt: Eisenoxidschwarzpigmente und Kohlenstoffpigmente. Beide Pigmenttypen haben für diese Anwendung Vor- und Nachteile, die im Folgenden beschrieben werden. Der sichere Weg zur Schwarzeinfärbung von Beton ist der Einsatz von Eisenoxidschwarz. Eisenoxidschwarz wird im Betonstein sowohl mechanisch in den Gelporen fixiert als auch – wie alle Metalloxidpigmente – zusätzlich elektrostatisch fest am Zementstein verankert. Es ist somit nicht möglich, dass Eisenoxidschwarzpigmente das Betongefüge nach der Herstellung oder im Laufe der Alterung des Steines wieder verlassen könnten. Leider färben Eisenoxidschwarzpigmente den Betonstein im Allgemeinen nicht tiefschwarz ein. Bayferrox® 318 und Bayferrox® 330 ergeben auch bei hoher Dosierung ledigliche einen anthrazitfarbenen Betonstein. Dies reicht aus, wenn der Planer Anthrazit als Farbton wünscht oder zumindest akzeptiert. Die Entwicklung des Eisenoxidschwarzpigments Bayferrox® 3605 [5] macht die tatsächliche Schwarzeinfärbung von Beton auch mit Eisenoxidpigment möglich. In Abb. 1 ist zu erkennen, dass die Farbkraft von Bayferrox® 360 größer ist als die anderer EisenoxidschwarzTypen. Zudem besticht das Pigment durch einen eleganten Blaustich, ähnlich wie er von Kohlenstoffpigmenten bekannt ist. Auf eine wichtige Wechselwirkung von Eisenoxiden mit Betonzusatzmitteln ist hinzuweisen. Während bislang der Einsatz von Metalloxidpigmenten zur Betoneinfärbung als universell möglich galt und Wechselwirkungen der Pigmente oder Pigmentpräparationen wie Flüssigfarben oder Granulate mit anderen Betonrohstoffen nahezu unbekannt waren, hat die Einführung von Hochleistungsfließmitteln wie Polycarboxylatether (PCE) diese Situation verändert. Es ist möglich, dass Metalloxidpigmente infolge von Wechselwirkungen mit einigen PCE-Produkten Farbkraftveränderungen aufzeigen. Offenbar führen diese Wechselwirkungen zu Pigmentreagglomerationen, wodurch ein Teil der Farbkraft, die das Pigment im Betonstein durch das Belegen der Zementsteinnadeln erzeugt, verloren geht. Der Effekt tritt sofort auf, was bedeutet, dass er in einem Vorversuch (wie etwa der Eignungsprüfung) erkannt werden kann. Die Ursachen für die Entstehung dieses Phänomens sind noch nicht vollständig geklärt, Abhilfe gibt es dennoch, nämlich durch Wahl eines alternativen Zusatzmittels. Bestimmte PCEs zeigen diese negative Wechselwirkung nicht. Die Herstellung von schwarzem Sichtbeton ist mit Bayferrox® 360 also durchaus möglich. Sie ist allerdings, wegen der notwendigen hohen Zugabemengen, kostspielig. Mindestens 8 % Pigment bezogen auf den Bindemittelgehalt sind dem Beton zuzugeben, um eine Schwarzeinfärbung im Sättigungsbereich zu erzielen. Beim Einsatz von Kohlenstoffpigment kann, je nach Typ, eine Schwarzeinfärbung bereits bei deutlich geringeren Dosierhöhen erreicht werden. Die Tatsache, dass man mit Kohlenstoffpigmenten kostengünstig eine schwarze Einfärbung erzielen kann, ist jedoch mit einem technischen Nachteil verbunden. Das Kohlenstoffpigment ist nicht – wie ein Metalloxidpigment – über elektrostatische Fixierung in den Betonstein eingebunden, vielmehr ist es lediglich mechanisch in den Gelporen fixiert. Das heißt, es ist nur dort stabil eingebunden, wo es von den Zementnadeln fest umschlossen ist. Somit wird deutlich, dass die Qualität der Einbindung der Kohlenstoffpigmente von



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the concrete possible. Unfortunately, however, the tinting strength of a pigment is reversely proportional to its particle size. Accordingly: the larger the particle, the weaker the tinting strength and/or the smaller the particle, the greater the tinting strength. The carbon pigments recommended by us for the manufacture of black no-slump concrete (e.g. for concrete pavers) are coarse-particled pigment types (from 80 nm to 270 nm), that can generally be well-bonded in the cement paste matrix. Carbon pigments of smaller particle size are preferably used for coloring backing concrete black. Carbon pigments of this kind, having an average particle size of approx. 30 nm, are not able to durably color a paving block. The fine particles of these pigments, however, provide them with high tinting strength, providing thus a highly cost-efficient means of coloring. One more note on the particle size of carbon pigments: The sizes referred to above are average particle sizes. The average particle size is only the most frequent size of a pigment type. Every pigment quality contains, in fact, also larger and smaller constituents (pigment distribution similar to a bell curve). Problematic is only that the fine-particled portions of a pigment fraction is always anchored less well in the pores than the coarser particles. The fine content which, as described above, in addition possesses a very high tinting strength, is able to leave the cement paste structure easier than the larger constituents. This can in some circumstances cause the concrete surface to become lighter in color. This fading effect can be prevented or reduced only when the carbon pigments are added in a sufficiently high basic dosage (we recommend at least 3% solid carbon pigment related to the binder; for liquid blacks this would be 6% to 8%, depending on the pigment content). Dependence of carbon pigment bonding on the pore structure of the concrete Two core statements on the dependence of carbon pigment bonding on the pore structure of the concrete paver are important: 1. The quality of the pore structure can be crucial for the durability of the coloring, independent of the particlesize distribution. 2. This dependence lies within the sphere of influence of the concrete manufacturer or concrete processor, not however in the sphere of influence of the pigment manufacturer. It is well known that the pore structure, as it develops in no-slump concrete, is better suited for fixing carbon pigments than the pore structure of concrete of more liquid consistency. This phenomenon is thought to be associated with the excess water in flowable concretes that results in the formation of a very thin layer of cement paste, particularly on the concrete surface. This layer of cement paste is unable to fix the carbon pigments well. For this reason, we recommend for the manufacture of fair-faced concretes (precast concrete products or ready-mixed concrete) primarily the use of iron oxide black pigments. For the production of black no-slump concrete products, such as paving blocks, carbon pigments have also been used with good success. Color fading can also occur in no-slump concretes when using – generally suited – coarse-particled carbon pigments. Such fading, however, is only rarely caused by the pigment itself, but is in most cases traced to the con-



zwei wichtigen Faktoren abhängt: zum einen von der Teilchengröße der Kohlenstoffpigmente, zum anderen von der Porenstruktur der Zementsteinmatrix. Die Einbindung der Kohlenstoffpigmente hängt von der Teilchengröße ab Nur grobteilige Kohlenstoffpigmente können gut im Betonstein fixiert werden, sodass eine dauerhafte Schwarzeinfärbung des Betons möglich ist. Leider ist die Farbkraft, die ein Pigment bietet, umgekehrt proportional zu seiner Teilchengröße. Das bedeutet: je größer die Teilchen, desto farbschwächer bzw. je kleiner die Teilchen, desto farbstärker sind sie. Bei den von uns empfohlenen Kohlenstoffpigmenten zur Herstellung schwarz eingefärbten erdfeuchten Betons (etwa für Betonpflastersteine) handelt es sich um grobteilige Pigmenttypen (ab 80 nm bis zu 270 nm), die sich im Allgemeinen gut in die Zementsteinmatrix einbinden lassen. Kohlenstoffpigmente mit kleineren Teilchengrößen werden bevorzugt zur Schwarzeinfärbung von Kern- oder Hinterbeton verwendet. Solche Kohlenstoffpigmente mit mittleren Teilchengrößen um ca. 30 nm können Beton nicht dauerhaft einfärben. Allerdings sind sie wegen ihrer Feinteiligkeit sehr farbstark, was eine sehr effiziente und kostengünstige Einfärbung ermöglicht. Noch eine Anmerkung zur Teilchengröße von Kohlenstoffpigment: Die zuvor angegebenen Größen sind mittlere Teilchengrößen. Die mittlere Teilchengröße ist in einer Pigmenttype nur die am häufigsten vorkommende Größe. Tatsächlich enthält jede Pigmentqualität auch größere und kleinere Bestandteile (Pigmentverteilung gemäß einer Glockenkurve). Problematisch ist nun, dass die feinteiligen Anteile einer Pigmentfraktion immer schlechter in den Poren verankert sind als die gröberen Teilchen. Dieser Feinanteil, der nun wie oben beschrieben zudem noch sehr farbstark ist, kann das Zementsteingefüge leichter verlassen als die größeren Bestandteile. Dies führt gegebenenfalls zu einer Aufhellung der Betonoberfläche. Nur bei ausreichend hoher Grunddosierung des Kohlenstoffpigments (wir empfehlen mindestens 3 % Kohlenstoff-Festpigment bezogen auf Bindemittel, im Falle der Flüssigschwärzen sind es dann je nach Pigmentgehalt 6 % bis 8 %) kann diese mit der Zeit entstehende Aufhellung vermieden oder abgeschwächt werden. Abhängigkeit der Kohlenstoffpigmenteinbindung von der Beton-Porenstruktur Zwei Kernaussagen sind bezüglich der Abhängigkeit der Kohlenstoffpigmenteinbindung von der Beton-Porenstruktur wichtig: 1. Unabhängig von der Teilchengrößenverteilung der Kohlenstoffpigmente kann die Qualität der Porenstruktur entscheidend für die Dauerhaftigkeit der Einfärbung sein. 2. Diese Abhängigkeit liegt im Einflussbereich des Betonherstellers oder Betonverarbeiters, nicht aber im Einflussbereich des Pigmentherstellers. Es ist bekannt, dass die Porenstruktur, wie sie bei erdfeuchtem Beton entsteht, zur Fixierung von Kohlenstoffpigment besser geeignet ist als die Porenstruktur von Betonen mit flüssigerer Konsistenz. Dies hängt offenbar mit dem bei den fließfähigen Betonen vorhandenen Überschusswasser zusammen, das insbesondere an der Betonoberfläche eine hauchdünne Zementleimschicht BFT 07/2008

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Konter

Two years natural weathering in Recklinghausen (Germany). 2 Jahre Freibewitterung Recklinghausen. 3.3% Kleenotone 2AL25 3,3 % Kleenotone 2 AL 25

3.5% ISF-Z 3,5 % ISF-Z

7.5% Liquid black 318/20 7,5 % Flüssigschwarz 318/20 8.5% Iron oxide black liquid 160030 8,5 % Eisenoxid schwarz flüssig 160030 6.5% Iron oxide black liquid 160030 8,5 % Eisenoxid schwarz flüssig 160030

Fig. 2 Weathering of variously black-colored concrete pavers. Abb. 2 Bewitterung verschiedener schwarz eingefärbter Betonpflastersteine. [Quelle: Harold Scholz & Co. GmbH]



crete and/or its pore structure. There are, unfortunately, myriad factors that influence the quality of the pore structure, which are not always clear, even to experts. Slight changes to the raw materials used in the concrete mix or in the production condition can be critical for obtaining a durably black colored concrete product or a product inclined to fading. So there is always a risk associated with the use of carbon pigments for the manufacture of black concrete products. Fig. 2 shows that coloring with carbon pigments can, indeed, succeed. In Fig. 2 it can be seen that only the concrete pavers colored with the fine-particled carbon pigment in our liquid black Kleenotone 2AL (fine-particled carbon pigments for coloring backing concrete) became lighter. The other pavers that contain our intensive black liquid “Intensivschwarz Flüssig – Z”, iron oxide carbon-black liquid 318/20 or pure iron-oxide slurries show good weathering results. Unfortunately, even weathering tests that could possibly be carried out to check the stability of carbon bonding are not conclusive, since the results attest only to the given concrete paver tested. A concrete pavers manufactured at a different time (different temperature or weather conditions) with other raw materials may well behave differently in regard to the pore development than the paver previously tested. Changes in the concrete mix design are often made under the aspect of product optimization or to save raw material costs. In these cases it is always tested whether the newly developed concrete mix design meets such important concrete-technological parameters as compressive strength, bending tensile or splitting tensile strength, abrasion resistance, resistance to freeze-thaw-cycle with de-icing salt. It is possible that a change in the composition of the concrete mix (for example a reduction of the

entstehen lässt. Diese Zementleimschicht kann die Kohlenstoffpigmente nicht gut fixieren. Somit empfehlen wir zur Herstellung schwarzer Sichtbetone (Betonfertigteile oder Transportbeton) in erster Linie den Einsatz von Eisenoxidschwarzpigmenten. Zur Herstellung schwarz eingefärbter erdfeuchter Betonprodukte wie Pflastersteine wird auch Kohlenstoffpigment erfolgreich eingesetzt. Auch bei erdfeuchten Betonen kann es beim Einsatz von prinzipiell geeignetem grobteiligem Kohlenstoffpigment zur Aufhellung kommen, deren Ursache jedoch meist nicht im Pigment, sondern im Beton bzw. in seiner Porenstruktur begründet liegt. Leider ist die Vielzahl der Faktoren, welche die Qualität der Porenstruktur beeinflussen, sehr groß und meist auch für den Fachmann nur schwer überschaubar. Es können geringfügige Veränderungen der eingesetzten Rohstoffe, bei der Betonrezeptur oder den Herstellbedingungen sein, die dafür entscheidend sein können, ob man ein dauerhaft schwarz eingefärbtes Betonprodukt erhält oder eines, das zur Aufhellung neigt. Diese Tatsache bedingt somit ein stetes Risiko bei der Herstellung schwarzer Betonprodukte mit Kohlenstoffpigment. Abb. 2 zeigt, dass die Einfärbung mit Kohlenstoffpigment durchaus gelingen kann. In Abb. 2 ist zu sehen, dass lediglich der Betonstein aufhellt, der mit dem feinteiligen Kohlenstoffpigment in unserem Flüssigschwarz Kleenotone 2AL (feinteiliges Kohlenstoffpigment zur Kern- oder Hinterbetoneinfärbung) eingefärbt wurde. Die anderen Steine, welche unser „Intensivschwarz Flüssig – Z“, die Eisenoxid-Kohlenstoff-Flüssigschwärze 318/20 oder reine Eisenoxid-Slurrys enthalten, zeigen sehr gute Bewitterungsergebnisse. Leider sind auch Bewitterungsversuche, die man womöglich durchführen könnte, um die Stabilität der Kohlenstoffeinbindung zu überprüfen, nicht aussagekräftig, denn die erhaltenen Ergebnisse sind immer nur ein Beleg für den geprüften Betonstein. Ein zu einem anderen Zeitpunkt (Temperatur- oder Witterungsunterschiede) mit anderen Rohstoffen hergestellter Betonstein kann sich bezüglich der Porenentwicklung anders verhalten als der geprüfte Stein. Veränderungen der Betonrezeptur werden oft unter dem Aspekt der Produktoptimierung oder der Einsparung von Rohstoffkosten vorgenommen. Dabei wird stets geprüft, ob die neu entwickelte Betonrezeptur den wichtigen betontechnologischen Kenngrößen wie Druckfestigkeit, Biegezug- oder Spaltzugfestigkeit, Abriebfestigkeit, Frost-Tausalz-Wechselwirkungen und weiteren standhält. Es ist möglich, dass etwa Veränderungen in der Betonzusammensetzung (beispielsweise eine Verringerung der eingesetzten Zementmenge) zu einem Produkt führen, das zwar bezüglich dieser wichtigen Betoneigenschaften alle notwendigen Anforderungen erfüllt, aber dennoch eine deutliche Verschlechterung für die Kohlenstoffeinbindung in den Zementstein darstellt. Dies sollte bei Rezepturänderungen stets berücksichtigt werden. Abb. 3 zeigt das Negativbeispiel, eine extrem aufgehellte Betonsteinplatte, die ursprünglich mit einem grobteiligen Kohlenstoffpigment eingefärbt war. Es sei nochmals erwähnt, dass sich diese zuletzt angesprochenen Risiken nur auf Kohlenstoffpigment, nicht aber auf Eisenoxidpigmente beziehen. Mit Eisenoxidpigmenten ist die dauerhafte Schwarz- und Bunteinfärbung von Beton unabhängig von der Zementstein- und Porenqualität des Betons gewährleistet. Zur Schwarzeinfärbung von Beton ist auch der EinBFT 07/2008

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cement content) leads to a product that although it possesses the most important concrete properties still results in a noticeable worsening of the carbon bonding in the cement paste. This should be taken into consideration in any change to a concrete mix. Fig. 3 shows the negative example of a concrete slab, originally colored with a coarse-particled carbon pigment, that has become much lighter in color. It should here be repeated that the risks last addressed relate to carbon pigments only, not to iron-oxide pigments. With iron-oxide pigments, concrete can be durably colored black or other colors, independent of the pore quality of the cement paste and the quality of the concrete. For coloring the concrete black, the use of mixed products, i.e. carbon-iron-oxide mixes, is possible. For this purpose Grapa Nero 8020, shown in Fig. 4, can for example be used. It consists to 80% of iron oxide black and to 20% of carbon pigment. With this and similar products two things are accomplished: firstly, carbon pigment brings into the concrete a product that can color the concrete a deep black. Secondly, in adding iron oxide black, the concrete is given a component that – even in the most unfavorable case – i.e. escape of the carbon pigment – prevents the concrete from becoming completely light in color. The mass ratio of iron-oxide to carbon cannot be equaled to the ratio of the tinting strengths of these two products. The carbon, due to its higher tinting strength, contributes more to the overall color than its mass content of 20%. In Fig. 4, the iron oxide pigments Bayferrox® 330 (BFX® 330) and Bayferrox® 360 (BFX® 360) are compared to Grapa Nero 8020 und Grapacarb 100 in two dosing amounts. Grapacarb 100 and Grapa Nero 8020 are newly developed products. Both products are spray-dried pigment granules. Grapacarb 100 is a pure carbon pigment and consists of a carbon of medium particle size 100 nm, Grapa Nero 8020 was already described earlier. Since Grapa Nero contains a high iron oxide content, its use in fair-faced-concrete production is conceivable, in particular where the risk of the partial fading of the concrete paver is acceptable and when use of the more stable Bayferrox® 360 must be ruled out for cost consideration. For this reason, we generally recommend the use of this pigment combination for structures and/or concrete structures based on the fair-faced-concrete guideline [6], [2] and are allocated to fair-faced concrete classes 1 and 2. Iron oxide carbon pigment mixes can also be used for coloring the more demanding fair-faced-concretes of classes 3 and 4, when an additional coating to the concrete surface reduces the risk of fading. Despite all safety precautions, the statement that durable black coloring of fair-faced concrete can only be guaranteed with the use of black iron oxide, particularly Bayferrox 360®, still holds. Pigments of the group of black iron oxide pigments (for example Bayferrox® 360) were already tested in conformity with DIN EN 12878 – category B and are therefore, based on this standard, also suitable for use in reinforced concrete. For Grapa Nero 8020, this test is currently carried out so that its use in reinforced concrete will soon be possible. That black concrete, the same as every other concrete, becomes somewhat lighter in color in the course of time, no matter how much care has been taken and despite the use of stable metal oxide pigments, has nothing to do with the pigments used and should be regarded as natural. BFT 07/2008

4% Carbon pigment average particle size 80 nm 4 % Kohlenstoffpigment mittlere Teilchengröße 80 nm

not exposed to weathering unbewittert

exposed to weathering bewittert

Fig. 3 Fading of a concrete slab colored with a carbon pigment.  Abb. 3 Aufhellung einer mit Kohlenstoffpigment eingefärbten Betonsteinplatte. [Quelle: Harold Scholz & Co. GmbH]

satz gemischter Produkte, also Kohlenstoff-Eisenoxidschwarz-Mischungen möglich. Beispielsweise kann dazu das in Abb. 4 dargestellte Grapa Nero 8020 eingesetzt werden, welches aus 80 % Eisenoxidschwarz und 20 % Kohlenstoffpigment besteht. Mit diesem und ähnlichen Produkten erreicht man zweierlei: Zum einen bringt man mit dem Kohlenstoffpigment ein Produkt in den Beton, das zur Tiefschwarzeinfärbung in der Lage ist. Zum anderen erhält der Beton mit dem Eisenoxidschwarz eine Komponente, die auch im ungünstigsten Fall – nämlich dem Entweichen des Kohlenstoffpigmentes – sicherstellt, dass der Stein nicht komplett aufhellt. Das Masseverhältnis Eisenoxid zu Kohlenstoff ist nicht dem Farbkraftverhältnis dieser beiden Produkte gleichzusetzen. Wegen der höheren Farbstärke trägt der Kohlenstoff mehr zur Gesamtfarbgebung bei, als es seinem Masseanteil von 20 % entspricht. In Abb. 4 sind vergleichsweise die Eisenoxidpigmente Bayferrox® 330 (BFX® 330) und Bayferrox® 360 (BFX® 360) mit Grapa Nero 8020 und mit Grapacarb 100 bei zwei Dosierhöhen dargestellt. Grapacarb 100 und Grapa Nero 8020 sind neu entwickelte Produkte. Bei beiden Produkten handelt es sich um sprühgetrocknete Pigmentgranulate. Grapacarb 100 ist ein reines Kohlenstoffpigment, bestehend aus einem Kohlenstoff der mittleren Teilchengröße 100 nm; Grapa Nero 8020 wurde zuvor bereits beschrieben. Da Grapa Nero einen hohen Eisenoxidanteil enthält, ist sein Einsatz zur Herstellung von Sichtbeton ebenfalls

3%

6%

BFX® 330

BFX® 360

Grapa Nero 8020

GrapaCarb 100

Fig. 4 Comparison of iron oxide black pigment/carbon pigment. Abb. 4 Vergleich Eisenoxidschwarzpigment/Kohlenstoffpigment. [Quelle: Harold Scholz & Co. GmbH]



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Fig. 5 Zaragoza Bridge Pavillion for Expo 2008 represents an successful example of challenging and aesthetic fair-faced concrete application. Abb. 5 Der Zaragoza Bridge Pavillion für die Expo 2008 stellt ein gelungenes Beispiel anspruchsvoller und ästhetischer Sichtbetonausführung dar.  [Quelle: Rieder Faserbetonelemente GmbH, Kolbermoor]

Concrete ages and in the process the surface of concrete pavers changes, either due to the effects of weather or other mechanical or chemical influences. The so-called fine branching, i.e. that the growth of the cement needles continues for months and years, contributes to the loss in color. The fine needles scatter the light diffusely. Diffuse light scattering will always cause a concrete surface to become lighter in color [4]. In addition to the colored cement paste, the aggregates used will also contribute to the coloring of the concrete paver. Looked at closely, it is the color of the fine-particled concrete paver that provides the overall impression, which is the sum of the color of the cement paste and the color of the fine-particled aggregates. Accordingly, the sand used in the concrete paver also contributes to the color of the concrete surface. The coarse particle plays no role for the coloring achieved in the fine-particled phase. The color of the coarse-particled aggregate becomes visible only, when the concrete surface is further processed, i.e. blasted, bushhammered, ground or finished in a different manner. In such cases, the dark color of a black fairfaced-concrete surface can be further emphasized through black aggregates. The use of coarse aggregates of different color can lead to interesting visual effects that evoke memories of the look of natural stone surfaces. The manufacture of black fair-faced concrete is therefore possible in various varieties. This recognition should encourage architects and planners to continue to make use and/or make even more use of this design tool in the design of their structures. As an example for a successful application, reference is made to a structure in Spain (Fig. 5): the Zaragoza Bridge Pavilion for EXPO 2008, designed by the star architect Zaha Hadid. The architectural briefing for this project was unique: more than 30,000 triangular glassfiber-concrete elements were to be produced in precisely specified shades of gray. The glassfiber-concrete elements were manufactured in Germany by the

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denkbar, insbesondere dann, wenn das vorhandene Risiko der teilweisen Betonsteinaufhellung akzeptabel ist und Kostengründe den Einsatz des stabileren Bayferrox® 360 nicht erlauben. Generell empfehlen wir daher den Einsatz dieser Pigmentkombination bei Bauwerken bzw. Betonobjekten, die gemäß Merkblatt Sichtbeton [6, 2] den Sichtbetonklassen 1 und 2 zuzuordnen sind. EisenoxidKohlenstoff-Pigmentmischungen können auch bei den anspruchsvolleren Sichtbetonen der Klassen 3 und 4 Anwendung finden, wenn mittels einer zusätzlichen Beschichtung der Betonoberfläche das Risiko des Aufhellens weiter reduziert wird. Trotz aller Sicherheitsmaßnahmen bleibt die Aussage bestehen, dass eine dauerhafte Schwarzeinfärbung von Sichtbeton ausschließlich durch den Einsatz von schwarzem Eisenoxid, insbesondere Bayferrox 360®, gewährleistet werden kann. Pigmente aus der Gruppe der schwarzen Eisenoxidpigmente (beispielsweise Bayferrox® 360) wurden bereits gemäß DIN EN 12878, Kategorie B, geprüft und sind somit auch gemäß dieser Norm zum Einsatz in bewehrtem Beton geeignet. Für Grapa Nero 8020 wird diese Prüfung derzeit durchgeführt, sodass der Einsatz in bewehrtem Beton in Kürze möglich sein wird. Dass schwarzer Beton, wie jeder andere Beton, trotz Anwendung der größtmöglichen Sorgfalt und trotz Einsatz der stabilen Metalloxidpigmente mit der Zeit eine gewisse Aufhellung erfährt, hat nichts mit den eingesetzten Pigmenten zu tun und ist als natürlich zu bezeichnen. Beton altert und dabei entsteht eine Veränderung der Betonsteinoberfläche entweder durch Witterungseinflüsse oder sonstige mechanische oder chemische Einflüsse. Zusätzlich führt die so genannte Feinverästelung, also das auch noch nach Monaten und Jahren auftretende Wachstum der Zementnadeln, zu einer Aufhellung. Die feinen Nadeln streuen das Licht diffus. Diffuse Lichtstreuung bewirkt grundsätzlich eine Aufhellung der Objektoberfläche [4]. BFT 07/2008

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Fig. 6 Rivington Place art gallery, London. Abb. 6 Kunstgalerie Rivington Place, London. [Quelle: Firma Hibex, Groningen, Niederlande]

company Rieder Faserbeton-Elemente GmbH in Kolbermoor. Liquid black iron-oxide pigments were used. An example for which a liquid color of a carbon-ironoxide-pigment mix was used, is the Rivington Place art gallery. This building, designed by the London architect David Adjaye, was completed in 2007 (Fig. 6). Precast elements have been produced by Hibex, based in Groningen, Netherlands. The concrete surfaces are subsequently provided with a protective impregnation. Peter Weber, Recklinghausen

References/Literatur [1] Weber, P.: Farbe in bewehrtem Beton; Beton- und Stahlbetonbau 99 (2004), Verlag Ernst & Sohn, Heft 11 [2] Weber, P.: Gestalten mit farbigem Sichtbeton – Planung und Herstellung; Beton, Verlag Bau + Technik, Düsseldorf Heft 5/2007 [3] Weber, P.: Herstellung von farbigem Beton – Optimiertes Einfärben von Beton; Beton- und Fertigteiltechnik, Heft 7/2007 [4] Farbiger Beton – Einflüsse auf die Farbe bei Herstellung, Verarbeitung und Alterung; Betonwerk International 6/2007 [5] Büchner, G.; Weber, P: Bayferrox® 360: Ein neues Premium-Eisenoxidschwarzpigment stellt sich vor; Betonwerk + Fertigteiltechnik, Heft 7/05 [6] Merkblatt Sichtbeton, Fassung August 2004, DBV und VDZ

BFT 07/2008

Neben dem eingefärbten Zementleim trägt auch die eingesetzte Gesteinskörnung zur Farbgebung des Betonsteins bei. Genau betrachtet ist die Farbe des feinteiligen Betonsteins der Gesamteindruck, welcher sich additiv aus der Farbe des Zementleims und der Farbe der feinteiligen Gesteinskörnung bildet. Somit ist also der im Beton eingesetzte Sand mit verantwortlich für die Farbe der Betonoberfläche. Das Grobkorn spielt für die Farbgebung der feinteiligen Phase keine Rolle. Die Farbe der grobteiligen Gesteinskörnung kommt nur zum Vorschein, wenn die Betonoberfläche nachbehandelt, also gestrahlt, gestockt, geschliffen oder in anderer Weise bearbeitet wird. In solchen Fällen kann die Dunkelheit einer schwarzen Sichtbetonfläche durch den Einsatz schwarzer Gesteinskörnung noch verstärkt werden. Der Einsatz andersfarbigen Grobkorns kann zu interessanten optischen Effekten führen, die an das Aussehen von Natursteinoberflächen erinnern. Die Herstellung von schwarzem Sichtbeton ist also in verschiedenen Varianten möglich. Diese Erkenntnis sollte Architekten und Planer dazu ermuntern, für die Gestaltung ihrer Bauwerke weiterhin bzw. sogar verstärkt auf dieses gestalterische Mittel zurückzugreifen. Als Beispiel für eine erfolgreiche Anwendung soll auf ein Bauwerk in Spanien hingewiesen werden (Abb. 5): Es handelt sich um den Zaragoza Bridge Pavilion für die EXPO 2008, der von der Star-Architektin Zaha Hadid entworfen wurde. Einzigartig an diesem Projekt ist die architektonische Vorgabe, über 30.000 dreieckige Glasfaserbetonelemente in zehn verschiedenen und genau definierten Grautönen zu produzieren. Die Glasfaserbetonelemente wurden von der Firma Rieder Faserbeton-Elemente GmbH in Kolbermoor hergestellt. Es kamen schwarze Eisenoxidpigmente als Flüssigfarbe zum Einsatz. Ein Beispiel, bei dem ein Flüssigschwarz aus einer Kohlenstoff-Eisenoxid-Pigmentmischung zum Einsatz kam, ist die Kunstgalerie Rivington Place. Dieses Bauwerk des Londoner Architekten David Adjaye wurde 2007 fertig gestellt (Abb. 6). Hersteller er Betonfertigteile ist die Fa. Hibex aus Groningen in den Niederlanden. Die Betonoberfläche wurde nachträglich mit einer Imprägnierung geschützt.

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