BetonWerk International | Concrete Plant International
FEBRUAR | FEBRUARY 2010
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Einfluss der Pigmentierung von Beton auf die Abwitterungsneigung SONDERDRUCK | BETONWAREN
Effects of concrete pigmentation on concrete resistance to weathering SPECIAL PRINT | CONCRETE PRODUCTS
SONDERDRU CK | SPECIA L PRINT
BWI | CPI 1 0/01
WEG GWEISEND
BETONWAREN / BETONWERKSTEIN Harold Scholz & Co. GmbH, 45665 Recklinghausen, Deutschland
Einfluss der Pigmentierung von Beton auf die Abwitterungsneigung Beton ist ein schier unverwüstlicher Baustoff. Er überzeugt durch große Festigkeit und Dauerhaftigkeit, die Basis für Langlebigkeit von Bauwerken, die mit Beton hergestellt sind. Wie sieht es aber mit der Oberfläche des Betons aus, insbesondere wenn diese die Grenzfläche zur Umwelt darstellt? Beton ist ständiger Bewitterung ausgesetzt, wird oft stark mechanisch, physikalisch und chemisch beansprucht. Steckt dies die Betonoberfläche problemlos weg? Die Antwort ist nein! Die Betonoberfläche unterliegt wie jedes Material, das solche Beanspruchungen aushalten muss, einem normalen Verschleiß. Dies hat in erster Linie mit Abwitterung oder Abrieb zu tun. Auch systembedingte Prozesse wie etwa das über Jahre fortschreitende Nadelwachstum der Zementphasen bewirkt eine Veränderung des optischen Eindrucks einer Betonoberflächen, im Allgemeinen entsteht hierdurch eine Aufhellung. Dr. Peter Weber, Harold Scholz & Co. GmbH, Deutschland Carsten Schleth, Adolf Blatt GmbH & Co. KG, Deutschland Um Angriffen an der Oberfläche Stand zu halten sind die Betonhersteller und -verarbeiter immer auf der Suche nach neuen technischen Möglichkeiten. Hier sei beispielhaft die Anstrengungen von Betonwerksteinplatten- und Betonpflastersteinherstellern erwähnt, die ihre Produkte mittlerweile mit Beschichtungen versehen oder durch den Einsatz moderner Zusatzmittel wie etwa Hydrophobierungen vor äußeren Angriffen schützen und so die Lebensdauer der unverletzten Oberfläche verlängern. Bisweilen geht dies einher mit einer optischen Veränderung der Betonoberfläche, so dass sie manche Eigenschaften einer Kunststoffoberfläche zeigen und der Eindruck einer „echten“ Betonoberfläche verloren geht. Der Endverbraucher wird entscheiden, wie erfolgreich solche Strategien sind. Ein neu hergestellter Betonstein trägt, wenn er nicht nachbearbeitet wurde, an der Oberfläche eine fast geschlossene Zementleimschicht. Mit der Zeit wird diese Schicht abgetragen, und es kommt eine Schicht bestehend aus Zementstein und Gesteinskörnung zum Vorschein. Hierdurch erfährt die Betonoberfläche eine Veränderung, die sich unter anderem auch als Farb- oder Helligkeitsveränderung äußert. Im Falle von eingefärbtem Beton wird dieses Phänomen wie auch andere Phänomene nachträglicher Farbton- und Farbkraftveränderungen an Betonoberflächen als Ausbleichen oder Austreten des Farbpigments aus dem Beton missverstanden. Im Falle des Einsatzes von Metalloxidpigment wie Bayferrox® ist ein solches Verschwinden des Pigments aus der Zementsteinmatrix nicht möglich. Die Verbindung 2
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des Pigments mit dem Bindemittel ist zu stark, als dass eine Separation erfolgen könnte. Wenn solche Pigmente aus dem Betonprodukt entweichen, dann immer nur zusammen mit dem Zementstein. Der Endverbraucher erkennt das Phänomen des Abriebs und Abwitterns im Allgemeinen nur als schleichenden Prozess. Eine solche Veränderung der Betonoberfläche stellt man in seltenen Fällen im Winter bei Schnee, der auf Betonstein liegt, fest. Bekannt ist uns in diesem Zusammenhang das Auftreten von rotem Schnee nach dem Schneeräumen auf roten Betonsteinen und rotem Asphalt. Dass dieses Phänomen auch bei andersfarbigen Baustoffprodukten auftritt, aber nie als solches erkannt wird, liegt wohl daran, dass man das Auftreten andersfarbigen Schnees anderen Ursachen, meist Schmutz, zuordnet. Um festzustellen, wie stabil Betonoberflächen gegen äußere Beanspruchungen sind, hat die Betontechnologie Verfahren entwickelt, mit denen sich die Oberflächenstabilität prüfen lässt. Sicherlich ist diese Stabilität der Betonoberfläche von ihrer Rezeptur und somit von ihren Inhaltsstoffen abhängig. Somit stellt sich sowohl für die Farbhersteller als auch für die Betonhersteller die Frage, ob die Anwesenheit von Farbpigmenten Einfluss auf diese Stabilität hat und ob es womöglich von einem solchen Einfluss herrührt, dass man nie grauen Schnee, sondern nur roten Schnee vorfindet. Zudem ist von Interesse, ob die Wahl der Pigmentform (Pulver, Granulat oder Flüssigfarbe) eine Rolle spielt. Daher wurden Frost-Tausalz-Untersuchungen mit farbigen Betonpflastersteinen durchgeführt, deren Ergebnisse im Anschluss vorgestellt werden. Für diese Untersuchungen wurden bei Firma Adolf Blatt Betonwerke GmbH & Co. KG graue, gelbe und rote Betonpflaster-
steine hergestellt, die anschließend miteinander verglichen wurden. Die Pigmente wurden jeweils als Pulver (P), Granulat (G), Flüssigfarbe (F) und Flüssigfarbe für bewehrten Beton (F-BB) zudosiert. Die Dosierhöhe betrug in allen Fällen 3,5% bezogen auf Bindemittelgehalt, bei den Flüssigfarben sind diese 3,5 % natürlich auf den enthaltenen Feststoffgehalt bezogen (bei einer 50%igen Slurry wurden somit 7% dosiert). Die Messungen der roten Pflastersteine erfolgte an der MPA der Universität Karlsruhe nach dem CDF-Verfahren (Farbton Bayferrox® 110; Grafik 1). Am Institut für Baustoffprüfung Ostthüringen GmbH wurden die gelben Pflastersteine nach dem Slab-Test auf Frost-Tausalzwiderstand geprüft (Farbton Bayferrox® 920; Grafik 2). Sämtliche angegebenen Werte sind Mittelwerte aus Messungen von drei bis 4 Steinen. Es handelt sich dabei um Serien, die jeweils von den gleich positionierten Fertigungsbrettern der Trockenkammern entnommen wurden. Auch auf die Entnahme der Steine von den jeweils gleichen Brettpositionen wurde geachtet. In allen Fällen liegen die Messergebnisse nach 28 Frost-Tau-Wechseln deutlich unterhalb der jeweiligen Abnahmekriterien von 1.500 g/m2 (CDF-Test) bzw. von 1.000 g/m2 (Slab-Test), das heißt, sämtliche geprüften Pflastersteine weisen einen ausreichenden Frost-Tausalzwiderstand für die Expositionsklasse XF 4 nach DIN EN 206-1/ DIN 1045-2 auf, was der höchsten Anforderung entspricht. Die unterschiedlichen Messwerte, welche aus den beiden unterschiedlichen Verfahren erhalten werden, sind in erster Linie verfahrensabhängig, wie der Vergleich der Messwerte der nicht eingefärbten Steine aufzeigt. Pflastersteine, die Pigmente enthalten, zeigen eine nur minimal höhere Abwitterung als nicht eingefärbte Pflastersteine. Eine Erklärung hierfür kann sein, dass bei Anwww.cpi-worldwide.com
BETONWAREN / BETONWERKSTEIN wesenheit der Farbpigmente die Rezeptur ein geringfügig ungünstigeres Verhältnis zwischen Bindemittel und dem verbleibenden Rest der Rezeptur, der gebunden werden muss, besitzt, was sich in solch geringem Maße auf das Ergebnis der Abwitterung auswirken kann. Auch innerhalb der verschiedenen Pigmentformen sind tendenzielle Unterschiede erkennbar: Die Verwendung fester Pigmentformen wie Pulver und Granulat bewirken eine geringfügig erhöhte Abwitterungsneigung als die Verwendung von flüssigen Zubereitungen. Ob dies mit der Tatsache zusammenhängt, dass das Pigment in Flüssigfarben herstellungsbedingt bereits vollständig aufgeschlossen und benetzt vorliegt, ist nur zu vermuten, jedoch nicht zu beweisen. Wie beschrieben sind die Einflüsse der Pigmente in allen Fällen als minimal zu bezeichnen.
Als Fazit lässt sich sagen, dass das Pigment die Neigung zum Abwittern nur vernachlässigbar beeinflusst und der Beton auch unter Verwendung von Farbpigmenten ausgezeichnete Widerstandsfähigkeit gegenüber Abwitterung aufzeigt. Das Auftreten von rotem Schnee ist somit kein Zeichen dafür, dass das Betonprodukt in seiner Widerstandsfähigkeit geschwächt wäre. Es handelt sich um normale Abwitterung, die man nur infolge der Einfärbung besser erkennen kann als im nicht eingefärbten Zustand. Die Aussage, dass Farbpigmente gemäß EN 12878 die betontechnologischen Eigenschaften wie Erstarrungsverhalten und Festigkeit nur geringfügig beeinflussen dürfen, bleibt demnach auch bezüglich der Abwitterung bestehen. 왎
Dr. Peter Weber, Leitung F&E Baustoffe der Harold Scholz & Co. GmbH in Recklinghausen, Deutschland Dr. Peter Weber (1959), Chemiestudium an den Universitäten Kaiserslautern und Gießen, promoviert am Institut für organische Chemie der Justus-Liebig-Universität Gießen. 1995-1997 Leiter der Anwendungstechnik der Brockhues AG in Walluf, seit 1997 Mitarbeiter der Harold Scholz GmbH & Co. KG in Lohr am Main in den Bereichen Verkauf / Anwendungstechnik / Entwicklung.
[email protected] Dipl.-Wirtsch.-Ing. (FH) Carsten Schleth: technischer Leiter der Adolf Blatt GmbH & Co. KG in Kirchheim am Neckar, Deutschland
[email protected]
Abwitterung roter Betonpflastersteine im CDF-Test 1600 Grenzwert 1400
Ab bwitterung in g/m 2
1200
1000
800
600 419 400
350 288
200
235
189
0 Nullstein
F
F-BB
P
G
Pigmentform, Dosierhöhe jeweils 3,5% festes Pigment
Bild 1: Abwitterung roter Betonpflastersteine im CDF-Test
Abwitterung gelber Betonpflastersteine im Slab-Test
WEITERE INFORMATIONEN
1100
Adolf Blatt GmbH & Co. KG Betonwerke Am Neckar 1 74366 Kirchheim am Neckar, Deutschland T +49 7143 89520 F +49 7143 895255
[email protected] www.blatt-beton.de
Grenzwert 900
Abw witterung in g/m 2
700
500
300
100 10 Nullstein
43
F
23
36
F-BB
P
-100 Pigmentform, Dosierhöhe jeweils 3,5% festes Pigment
Bild 2: Abwitterung gelber Betonpflastersteine im Slab-Test
53
G
Harold Scholz & Co. GmbH Ickerottweg 30 45665 Recklinghausen, Deutschland T +49 2361 98880 F +49 2361 9888833
[email protected] www.harold-scholz.de www.cpi-worldwide.com
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CONCRETE PRODUCTS & CAST STONE Harold Scholz & Co. GmbH, 45665 Recklinghausen, Germany
Effects of concrete pigmentation on concrete resistance to weathering Concrete is an almost indestructible construction material. It has enormous strength and durability, which is the reason why structures made from concrete last so long. However, what is the situation when it comes to the surface of concrete, particularly where it is exposed to the environment? Concrete is constantly exposed to weathering and subjected to strong mechanical, physical, and chemical effects. Does the concrete surface cope with this easily? The answer is no! As with any material which has to withstand stresses of this nature, the concrete surface is also subject to normal wear, mainly in the form of weathering or abrasion. Processes inherent in the system such as the needle growth of the cement phases over time change the visual appearance of concrete surfaces – in general, such concrete turns pale.
For the surface to withstand these attacks, concrete manufacturers and processors are constantly on the hunt out for new technical options. One such example would be the endeavours of cast stone and paving stone manufactures who now coat their products or protect them from external attack by using modern additives such as hydrophobic agents in order to extend the life of the undamaged surface. Sometimes, this changes the appearance of the concrete surface so that it acquires some of the properties of a plastic surface and no longer looks like “genuine” concrete. The end user will decide how successful these strategies may turn out to be. If not further processed, the surface of a newly manufactured concrete block has an almost impervious layer of cement paste. Over time, this surface is worn away exposing a layer which consists of cement stone and aggregate. The changes in the concrete surface this causes also changes its colour or brightness. As with other changes in the colour shadings or intensities on concrete surfaces, this phenomenon is misinterpreted as bleaching or (in the case of pigmented concrete) a loss of pigmentation. When using metal oxide pigment, such as Bayferrox®, it cannot disappear from the cement matrix. The bond between the pigment and the binder is too strong for the separation to happen. These pigments will only exit the concrete product in combination with the cement stone.
snow after it is removed from red concrete blocks or red asphalt is known to us. The fact that this phenomenon also occurs with products made of construction materials with different colours, but is never recognised as such, is probably because snow coloured with other colours is usually thought to be dirty. In order to discover the resistance of concrete surfaces to external stresses, methods in concrete technology have been developed to test surface stability. The stability of the concrete surface is certainly dependent on the concrete recipe and therefore its constituents. Thus, the pigment manufacturer and the concrete manufacturer would like to know whether the presence of colour pigments has an effect on the stability of the concrete and whether the effect is such that it never occurs with grey snow but only with red snow. They would also like to know whether the pigment form (powder, granules or liquid colour) has an effect. Frost de-icing salt tests were therefore carried out
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Grey, yellow and red concrete paving stones were manufactured for these tests at Adolf Blatt Betonwerke GmbH & Co. KG and then compared with one another. The pigments were added in the form of powders (P), granules (G), liquid colour (F) and liquid colour for reinforced concrete (FBB). In all these cases, the amount added was 3.5% in relation to the binder content – with liquid colours, this 3.5% was of course in relation to the solids content (thus 7% was added with a 50% slurry). The measurements on the red paving stones were carried out at the MPA of Karlsruhe University according to the CDF method (tint Bayferrox® 110; Fig. 1). At the Institute of Construction Material Testing Ostthüringen, the yellow paving stones were tested for frost de-icing salt resistance according to the slab test (tint Bayferrox® 920; Fig. 2). All the values given represent an average calculated of the measurements carried out
Abwitterung roter Betonpflastersteine im CDF-Test
1600 Grenzwert Limit 1400
1200
1000
800
600 419 400
350 288
200
The end user will recognise the phenomenon of abrasion and weathering as a gradual process. This sort of change in the concrete surface is rare in winter when it is covered by snow. The occurrence of “red”
on coloured paving stones. The results are below.
Weathering of red concrete paving stones in the CDF test
2 Weathering ing/m g/m 2 Ab bwitterung in
Dr. Peter Weber, Harold Scholz & Co. GmbH, Germany Carsten Schleth, Adolf Blatt GmbH & Co. KG, Germany
235
189
0 Nullstein Zero stone
F
F-BB
P
G
Pigmentform, Dosierhöhe jeweils 3,5% festes Pigment Pigment form, amount added 3.5% solid pigment in each case
Figure 1: Weathering of red concrete paving stones in CDF test www.cpi-worldwide.com
CONCRETE PRODUCTS & CAST STONE Dr. Peter Weber (born 1959) studied chemistry at Kaiserslautern and Gießen universities and obtained his PhD at the Institute of Organic Chemistry of Justus Liebig University. From 1995 to 1997 he was head of the department of applications engineering at Brockhues AG headquartered in Walluf, Germany. Since 1997 Dr. Weber has been a member of staff of Harold Scholz GmbH & Co KG located in Lohr am Main working in sales / applications engineering / development.
[email protected]
Abwitterung gelberconcrete Betonpflastersteine Slab-Test Weathering of yellow pavingimstones in the Slab test 1100
Limit
Grenzwert
2 Weathering Abw witterunginin g/m g/m 2
900
700
500
300
100 10 Nullstein Zero stone
43
F
23
36
F-BB
P
53
Dipl.-Wirtsch.-Ing. (University of Applied Sciences) Carsten Schleth: technical manager of Adolf Blatt GmbH & Co. KG in Kirchheim am Neckar, Germany
[email protected]
G
-100 Dosierhöhe jeweils 3,5%solid festes pigment Pigment PigmentPigmentform, form, amount added 3.5% in each case
Figure 2: Weathering of yellow concrete paving stones in slab test
on three to four stones. Each of these series was taken from production pallets placed in the same location inside the curing chambers. The stones were also removed from the same location on the pallets in each case. All the measurement results after 28 frost-thaw cycles are clearly below the acceptance criteria of 1,500 g/m2 (CDF test) or 1,000 g/m2 (Slab test), i.e., all the paving stones tested showed sufficient frostde-icing salt resistance for exposure class XF 4 according to DIN EN 206-1/DIN 1045-2, which corresponds to the highest requirement. The different measurement values obtained from the two different methods are primarily due to the method used, as the comparison of the measurement values from the paving stones which were not pigmented also showed. Paving stones containing pigment are only slightly more weathered than those without pigment. One explanation for this may be that the presence of the pigment in the recipe means that the ratio of binders to the remaining constituents of the recipe to be bonded is slightly less favourable, and this could have a small effect on the weathering result. Differences in trends could also be detected among the different pigment forms. The solid pigments, such as powder and granules, slightly increase the tendency to weathering in comparison to liquid preparations. Whether this is related to the fact that the pigment in liquid colours is already thoroughly dispersed and wetted depending on production may be assumed but www.cpi-worldwide.com
not proved. As described, the effects of the pigments are minimal in all cases. To summarise, it is possible to state that pigments only have a negligible affect on weathering tendencies in concrete and that concrete shows outstanding resistance to weathering even when using colour pigments. The occurrence of red snow is therefore not an indication that the resistance of the concrete product has deteriorated. Instead, it is normal weathering which is easier to see in the pigmented state than in the non-pigmented one. The statement that colour pigments according to EN 12878 only have a slight effect on concrete properties such as setting behaviour and strength is therefore also true with respect to weathering. 왎
FURTHER INFORMATION Adolf Blatt GmbH & Co. KG Betonwerke Am Neckar 1 · 74366 Kirchheim am Neckar, Germany T +49 7143 89520 · F +49 7143 895255
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Harold Scholz & Co. GmbH Ickerottweg 30 · 45665 Recklinghausen, Germany T +49 2361 98880 · F +49 2361 9888833
[email protected] · www.harold-scholz.de CPI – Concrete Plant International – 1 | 2010
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;VgWZ[g7Zidc# Harold Scholz & Co GmbH t Tel: 0 23 61 - 98 88-0 t
[email protected] t www.harold-scholz.de
bohlen-design.de
Stand B1.106
