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intensely colored concrete products, lightly colored products are also manufactured, especially in the cast stone slab sector. The dosing amounts frequently lie.
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2016

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Vol. 82

Concrete Plant + Precast Technology Betonwerk + Fertigteiltechnik

Dosing of small pigment quantities Dosierung kleiner Pigmentmengen

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Manufacturers of cast stone slabs use small amounts of pigments per year. These are often weighed manually. This article points out the undesirable consequences this may have and ways to ensure uniform high color quality for end products. Hersteller von Betonsteinplatten verbrauchen im Jahr geringe Mengen an Pigmenten. Diese verwiegen sie oft händisch. Der Beitrag zeigt auf, welche unerwünschten Folgen das haben kann und wie eine einheitlich hohe Farbqualität der Endprodukte gesichert wird.

Dosing of small pigment quantities Dosierung kleiner Pigmentmengen

Text: Helmut Faber, Dr. Peter Weber

Manufacturers of cast stone slabs have been using pigments  – for example, Bayferrox iron oxide pigments – for coloring their products for many decades. In most cases, the amount of pigment used is slight, compared to the quantities employed by manufacturers of concrete roofing tiles and concrete block pavers. This applies both to the amounts of pigment used per concrete mix and to annual pigment consumption. The reasons for such small consumption are as follows: » Small concrete mixers: For the production sequences in the manufacture of cast stone slabs, small quantities of facing mix are required in order to avoid long waiting times between producing and processing the concrete in the slab press. In many cases, the mix batches are smaller than 250 l, particularly when facings of various colors are used for producing multi-colored cast stone surfaces. This is the reason why the amounts of binder used per mix can range between 50 and 100 kg. » Lightly colored products and pastel shades: Apart from intensely colored concrete products, lightly colored products are also manufactured, especially in the cast stone slab sector. The dosing amounts frequently lie below 1 %, referenced to the binder content, and in some cases even less than 0.1 %. When relating this figure to the previously mentioned small amounts of binder, it becomes evident that pigment quantities of less than 100 g typically must be weighed and dosed for every concrete mix. Manual weighing as a source of errors Consumption of pigments in such small quantities per concrete mix can mean that the quantities of pigments used in only small amounts per year can be very low, often clearly below 1 metric ton annually. If the concrete manufacturer uses liquid pigment, he must resort to small delivery units, since the content 2    BFT INTERNATIONAL  04·2016 REPRINT

Die Hersteller von Betonsteinplatten setzen schon viele Jahrzehnte Pigmente zur Einfärbung ihrer Produkte ein, wie etwa Bayferrox-Eisenoxidpigmente. In den meisten Fällen ist der Farbverbrauch eher gering, im Vergleich mit Betondachstein- oder Betonpflastersteinherstellern. Dies bezieht sich sowohl auf den Farbeinsatz pro Betonmischung als auch auf den jährlichen Farbverbrauch. Die Gründe sind folgende: » Kleine Betonmischer: Für die Produktionsabfolge in der Betonsteinplattenherstellung werden kleine Mengen an Vorsatzbeton benötigt, um lange Wartezeiten zwischen der Herstellung und der Verarbeitung des Betons in der Steinpresse zu vermeiden. In vielen Fällen sind die Mischungsgrößen kleiner als 250 l, insbesondere dann, wenn verschiedenfarbige Vorsätze zum Einsatz kommen, um mehrfarbige Betonsteinoberflächen zu erzeugen. Diese Tatsache bedingt, dass pro Mischung Bindemittelmengen zwischen 50 und 100 kg zum Einsatz kommen können. » Schwach eingefärbte Produkte, Pastelltöne: Neben kräftig eingefärbten Betonprodukten werden gerade im Betonsteinplattenbereich auch schwach eingefärbte Produkte hergestellt. Die Dosierhöhen liegen oft unter 1 % bezogen auf den Bindemittelgehalt, teilweise gehen sie auf unter 0,1% zurück. Stellt man dies in Korrelation mit den zuvor angegebenen geringen Bindemittelmengen, stellt sich heraus, dass pro Betonmischung Pigmentmengen unterhalb von 100 g abgewogen und dosiert werden müssen. Fehlerquelle „manuelles Verwiegen“ Der Einsatz solch geringer Pigmentmengen pro Betonmischung führt bei den Farben, die in nur geringem Umfang eingesetzt werden, dazu, dass auch die jährliche Verbrauchsmenge bei diesen Farben sehr gering sein kann, oftmals deutlich unter 1 t/Jahr. Setzt der Betonhersteller Flüssigfarbe ein, dann ist er auf die Verwendung von Kleingebinden angewiesen, denn der Inhalt eines nor↗ www.bft-international.com

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of a typical delivery unit with a pigment volume of between 500 and 1,000 liters would last the concrete manufacturer much longer than one season. Many pigment manufacturers recommend use of liquid pigments within six months to prevent settlement and inhomogeneity [1]. For this reason, many manufacturers of cast stone slabs use pigment powder or solid pigment preparations  – for example, Bayferrox pigments in powder form, as granules, or as compact pigments. Manufacturers of cast stone slabs have until now been dosing these pigments manually for decades: i.e., the pigments are added by hand and are mostly added to the aggregate on a belt conveyor or into the hopper of a skip conveyor. While all other raw materials are batched automatically, pigment is the only raw material added manually, with all the disadvantages this involves. Manual weighing therefore becomes an additional error source, since this task is usually performed by the mix master, whose primary responsibility is actually to ensure that the plant operates correctly. Manual weighing of the pigment prevents the amount of pigment weighed to appear in the batch protocol – a crucial disadvantage for computerbased production control. All other raw materials used – e.g., cement, additions, and aggregate – are recorded in batch records. In addition, if powder pigment is used, the mix master is exposed to the heavy dust generated by the powder. Manual weighing often makes pigment dosing for the mix master an unpleasant principal task during the manufacturing process.

malen Liefergebindes mit einer Farbmenge zwischen 500 und 1.000 l würde deutlich länger als eine Saison beim Betonhersteller stehen. Viele Farbhersteller empfehlen, die Flüssigfarbe innerhalb eines halben Jahres zu verbrauchen, um die Entstehung von Absetzungen und Inhomogenitäten zu vermeiden [1]. Aus diesem Grund setzen viele Hersteller von Betonsteinplatten Pigmentpulver oder feste Pigmentpräparationen ein, wie etwa die Bayferrox-Pigmente in Pulverform, als Granulat oder Compact-Pigment. Viele Jahrzehnte wurden und werden diese Pigmente bis heute beim Betonsteinplattenhersteller manuell dosiert, das bedeutet, die Pigmente werden händisch verwogen und meistens zur Gesteinskörnung auf das Förderband beziehungsweise in den Aufzugskübel gegeben, um zusammen mit dieser in den Betonmischer zu gelangen. Während alle anderen Rohstoffe automatisch dosiert werden, ist die Farbe der einzige Rohstoff, der manuell dosiert wird, verbunden mit mehreren Nachteilen. Durch das manuelle Verwiegen entsteht eine zusätzliche Fehlerquelle im Produktionsprozess, denn die Arbeit des manuellen Verwiegens wird meistens vom Mischmeister erledigt, der sich eigentlich darum kümmern soll, dass die Anlage korrekt arbeitet. Das manuelle Verwiegen der Farbe verhindert, dass die verwogene Farbmenge im Chargenprotokoll erscheint  –

1 Sketch of the Exacdos dosing system for small quantities, with enlargement of details Skizze der Kleinmengendosieranlage Exacdos mit Detailvergrößerungen

Figure: H. Scholz

Rapid  color change thanks to interchangeable containers These difficulties are the reasons that have prompted manufacturers of cast stone slabs in recent years to approach the company Harold Scholz with the request to develop an automated dosing solution for small pigment quantities. The Exacdos dosing system for small quantities is the response to these requests. The Exacdos (Fig. 1) is a granule dosing system with the following features: The Exacdos weighs and batches with great precision: the weighing cells enable weighing precision of less than 5  g. Dosing exactness depends not on the precision of the weighing cells alone. For these systems, it was decided to eliminate pneumatic transportation of the pigment granules to the mixers. Pneumatic transportation of pigments in hose systems, transfer into a receiving container (cyclone-type), and discharge into the mixer with high amounts of compressed air are all potential sources for unacceptable inaccuracies with small pigment quantities such as involved here. Here, the moving transfer container simply discharges the pigment onto the aggregate in the hoist bucket or the conveyor belt. This ensures that everything that is weighed also enters the concrete mixer. To this extent, the manner of pigment discharge onto the aggregate does not differ from the previously tried-and-tested method for manual dosing. The Exacdos takes up little space. The footprint of the system is square and amounts to less than 2 m². REPRINT 04·2016  BFT INTERNATIONAL    3

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The interchangeable containers of the dosing system enable quick pigment change. Thanks to the quickaction closure mechanism, the interchangeable containers can be readily closed and exchanged at every filling level. Thanks to the quick-action closure mechanism, the interchangeable containers can be closed and exchanged at every filling level. The use of interchangeable containers that allow partitioning the container volume can accommodate two or three additional pigments without changing the container. This also allows them to be used for additive pigment weighing if the concrete manufacturer wants to create a specific color from two primary colors.

ein entscheidender Nachteil für die EDV-basierte Produktionskontrolle. Alle anderen eingesetzten Rohstoffe wie Zement, Zusatzstoff und Gesteinskörnung erscheinen im Chargenprotokoll. Wird Pulverpigment verwendet, ist der Mischmeister der Staubbelastung durch das stark staubende Pulver ausgesetzt. Durch das manuelle Verwiegen wird die Farbdosierung für den Mischmeister oft zur unangenehmen Haupttätigkeit während des Herstellprozesses. Schneller Farbwechsel dank Wechselcontainer Aus diesen Gründen traten Hersteller von Betonsteinplatten in den vergangenen Jahren an Harold Scholz heran, mit der Bitte, eine automatische Dosiermöglichkeit für kleine Pigmentmengen zu entwickeln. Die Antwort auf diese Anfragen ist die Kleinmengendosieranlage Exacdos: Die Exacdos (Abb. 1) ist eine Granulat-Dosieranlage mit folgenden Eigenschaften: Die Exacdos besitzt eine große Verwiege- und Dosiergenauigkeit: Die Wägezellen ermöglichen eine Verwiegegenauigkeit von kleiner 5 g. Die Dosiergenauigkeit hängt nicht von der Genauigkeit der Wägezellen allein ab. Bei dieser Anlage wurde bewusst auf den pneumatischen Transport des Pigmentgranulats in den Mischer verzichtet. Der pneumatische Transport des Pigments im Schlauchsystem, die Übergabe in einen Auffangbehälter (Zyklon) oder der Eintrag in den Mischer mit viel Druckluft, sind potenzielle Quellen für Ungenauigkeiten, die bei solch kleinen Pigmentmengen inakzeptabel wären. Das Pigment wird einfach aus dem verfahrbaren Übergabebehälter in den Aufzugskübel auf die Gesteinskörnung oder auf das Förderband übergeben. So kommt alles, was verwogen wurde, auch sicher im Betonmischer an. Somit unterscheidet sich diese Art der Farbübergabe auf die Gesteinskörnung nicht von der bisherigen bewährten Methode bei manueller Dosierung. Die Exacdos hat einen nur geringen Platzbedarf. Die Grundfläche der Anlagenbasis ist quadratisch und beträgt etwas weniger als 2 m². Die Dosieranlage ermöglicht einen schnellen Farbwechsel durch die Verwendung von Wechselcontainern. Dank einem Schnellverschluss kann der Wechselbehälter bei jedem Füllstand verschlossen und gewechselt werden. Durch den Einsatz von Wechselbehältern, die durch Teilung des Containervolumens neben einer auch zwei oder vier Farben aufnehmen, können bis zu vier Farben ohne Behälterwechsel verwendet werden, auch zur additiven Farbverwiegung, wenn der Betonhersteller aus zwei oder drei Grundfarben eigene Farbmischungen erzeugen möchte. Figure: H. Scholz

Color and dosing of the remaining raw materials The dosing system operates fully automatically, thus replacing manpower and enabling incorporation of the pigment quantities weighed into the batch records of the mix control system. One important point should be highlighted here: it is not only important to optimize the dosing precision of the pigment dosing system. Dosing of the other raw materials  – cement, sand, additions, and especially water [2] – should be as accurate as possible, since the ratio of the various materials to each other influences the coloring of the concrete. Excessive fluctuations in cement weighing change the coloring, since even the most precise pigment dosing changes the ratio of pigment to cement when the cement quantity fluctuates. No matter how precisely small pigment quantities are weighed and dosed, problems and phenomena that do not occur with larger amounts of pigments can still arise. These phenomena not only occur with very small pigment amounts, but also with pigment amounts that

2 Typical course of a saturation curve. Fluctuations in areas of slight increases in pigment dosing result in clearly visible differences in color intensity (see enlargement of the image detail on the left). When larger amounts of pigments are dosed, fluctuations in pigment dosing are barely visible (see enlargement of the image detail on the right) Typischer Verlauf einer Sättigungskurve. Im Bereich geringer Pigmentdosierhöhen führen Schwankungen bei der Pigmentmenge zu deutlich erkennbaren Unterschieden in der Farbintensität (siehe Vergrößerung des Bildausschnitts links). Werden große Pigmentmengen dosiert, sind Schwankungen bei der Pigmentdosierung kaum erkennbar (siehe Vergrößerung des Bildausschnitts rechts)

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Farbe und Dosierung der übrigen Rohstoffe Die Dosieranlage arbeitet vollautomatisch, ersetzt also Manpower und ermöglicht die Aufnahme der verwogenen Farbmengen im Chargenprotokoll der Mischersteuerung. Ein wichtiger Punkt ist an dieser Stelle noch zu erwähnen: Es ist nicht nur wichtig, die Dosiergenauigkeit der Farbdosieranlage zu optimieren. Auch die Dosierung der anderen Rohstoffe Zement, Sand, Zusatzmittel und insbesondere auch die Dosierung des Wassers [2] müssen möglichst genau sein, denn die Verhältnisse der verschiedenen Rohstoffe zueinander nehmen Einfluss auf die Farbgebung des Betons. Wenn die Schwankung bei der Zementverwiegung zu groß wird, wird sich die Farbgebung ändern, denn ↗ www.bft-international.com

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Amount of pigment and change of the color intensity In comparing the development of color intensity of a concrete product as a function of the amount of pigment added, it becomes evident that a typical saturation process takes place (Fig.  2). This signifies that this correlation proceeds in nearly linear dependency when small amount of pigments are involved, and that the associated plot flattens markedly for larger amounts of pigment. This is referred to as a saturation curve. The course of the curve can be interpreted as follows: When smaller pigment quantities are added, the pigments will coat the free binder surfaces. Every additional pigment particle will then coat other still free binder surfaces, leading to a more intense color impression. The more pigment added, the greater the probability that the pigment will fail to find a still unoccupied surface. Statistically, there will be increasingly more situations in which a pigment approaches a position that is already occupied by a pigment particle. When still larger relative pigment amounts are involved, it becomes increasingly improbable that new pigment particles find a still free point to produce additional coloring, since a state of saturation has been reached. Such situations will arise in accordance with the pigment type and binder used  – in general, at a point between 7 % and 9 % of the amount of pigment added relative to the binder content. The plot of the curve shows that minor fluctuations in small total amounts of pigments effect a distinct change in the color intensity of a product (steeper slope of the curve). In contrast, a fluctuation in the pigment amount near the saturation range will have only a small effect on the color intensity of a product (flat slope). This represents the definite advantage of dosing larger relative pigment amounts compared to smaller quantities. Utilization of smaller pigment quantities  – small, again, relative to the binder content – has the effect, as mentioned, that the natural colors of the other raw materials will have a strong influence on the color of the concrete. The natural colors of cement, additions, and ultrafine particles of sand cannot be outweighed by small pigment amounts and therefore directly contribute to the coloring of the cement paste (Fig. 3).     

Surface ratio of ultrafine particles and coloring In addition, there is one other effect: Small pigment quantities act as indicators for fluctuations in raw materials and in mix design of concrete products. A detailed description of this was provided in a previous

Figure: H. Scholz

are small only in relation to the amount of binder. In this context, pigment amounts are involved that are less than 1 % of the binder content, apart from absolute pigment quantity. Example: A truck mixer with a concrete capacity of around 8 m3 contains 350 kg/m3 of cement, which amounts to a total of 2,800 kg of cement. For a pigment amount of 0.5 %, this mix would contain 14 kg of pigment, which, in this context, would be a relatively small amount.

3 This figure illustrates the influence by the color of the sand on the color of the hardened concrete: both blocks were colored with Scholz Cobalt Blue G2727. The yellow color of the sand (right), together with the blue color of the pigment, results in giving the paving block a greenish color Hier wird der Einfluss der Sandfarbe auf die Betonsteinfarbe dargestellt: beide Steine wurden mit Scholz-Kobaltblau G2727 eingefärbt. Die gelbe Sandfarbe (rechts) bewirkt zusammen mit der blauen Pigmentfarbe eine Grünfärbung des Pflastersteins

auch bei genauester Farbdosierung ändert sich durch die Schwankung beim Zement das Verhältnis von Pigmentmenge zu Zementmenge. Auch wenn kleine Pigmentmengen noch so genau verwogen und dosiert werden, können bei ihrem Einsatz Probleme und Phänomene auftreten, die wir bei der Verwendung großer Pigmentmengen nicht kennen. Diese Phänomene treten nicht nur bei absolut kleinen Pigmentmengen auf, sondern auch bei Pigmentmengen, die nur klein im Verhältnis zur Bindemittelmenge sind. Wir betrachten in diesem Zusammenhang Pigmentmengen, die kleiner sind als 1 % des Bindemittelgehalts, unabhängig von der absoluten Pigmentmenge. Beispiel: in einem Fahrmischer, der rund 8 m3 Beton aufnehmen kann, sind bei einer Zementmenge von 350 kg/m3 2.800 kg Zement enthalten. Bei einer Farb-Dosierhöhe von 0,5 % enthält diese Mischung 14 kg Pigment, die in diesem Zusammenhang als relative Kleinmenge zu bezeichnen sind! Pigmentmenge und Änderung der Farbintensität Wenn man den Vergleich anstellt, wie sich die Farbintensität eines Betonprodukts in Abhängigkeit von der zugesetzten Pigmentmenge entwickelt, stellt man einen typischen Sättigungsverlauf fest (Abb. 2). Dies bedeutet, dass diese Abhängigkeit bei geringen Pigmentmengen fast linear verläuft, die Kurve aber bei größeren Pigmentmengen deutlich abflacht. Man spricht von einer Sättigungskurve. Dieser Kurvenverlauf kann wie folgt interpretiert werden: Bei geringer Pigmentzugabe belegen die Pigmente die freie Bindemitteloberfläche, jedes weitere Pigmentteilchen belegt weitere noch freie Bindemitteloberflächen und führt zu einem stärkeren Farbeindruck. Mit zunehREPRINT 04·2016  BFT INTERNATIONAL    5

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Helmut Faber Geboren 1953, Dipl.-

Figure: H. Scholz

Agraringenieur, studierte Agrarwissenschaften an den Universitäten Bonn und Hohenheim. Seit 1996 tätig bei der Harold Scholz & Co. GmbH in Partenstein

in den Bereichen Vertrieb Baustoffeinfärbung sowie anwendungstechnische und dosiertechnische Beratung.

Dr. Peter Weber Geboren 1959, Chemie-

Figure: H. Scholz

studium an den Universitäten Kaiserslautern und Gießen, promoviert am Institut für organische Chemie der Justus-LiebigUniversität Gießen. Seit

1997 bei der Harold Scholz & Co. GmbH in Recklinghausen und Partenstein in den Bereichen Verkauf/Anwendungstechnik und Entwicklung tätig; heute Leiter Labor- und Innovationsmanagement.

article [3]. The coloring of a concrete product depends, among other factors, on the surface ratio of the various ultrafine particles to each other in the mix. Fluctuations in the surface of a fine-particle raw material also affect the coloring of the concrete. The mix designs of the manufacturers are unfortunately calculated on the basis of square meters rather than kilograms, with the result that batch-dependent fluctuations in the surfaces can occur even though the amounts of cement and sand are exactly weighed. The grading curve of the sand or the Blaine value of the cement may fluctuate, resulting in variations in concrete colors. Utilization of smaller pigment quantities for colorshading of concrete is, however, possible despite these phenomena. One prerequisite here is that the color shade and the surfaces of all raw materials used are as consistent as possible in all batches. In addition, it is essential that all raw materials can be dosed with sufficient exactness. The Exacdos dosing system for pigment granules offers an excellent solution for automatic dosing of small pigment quantities. By now, the successful use of this dosing technology goes beyond its initial utilization in cast stone production plants and has already found its way to extensive use by manufacturers of wetcast products and structural precast elements.

REFERENCES/LITERATUR [1]

Dr. Peter Weber, in: BFT International 07/2011, pp. 4

[2]

Manfred Ludwig, Dr. Peter Weber, in: BWI BetonWerk International 06/2012, pp. 42

[3]

Dr. Peter Weber, Erich Imhof, Bernd Olhaut, in: BFT International 07/2009, pp. 4

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mender Pigmentzugabe wird die Wahrscheinlichkeit, dass das Pigment zielsicher eine noch freie Bindemitteloberfläche findet, geringer, es kommt statistisch immer häufiger zur Situation, dass ein Pigment eine Stelle ansteuert, auf der bereits ein Pigmentteilchen vorhanden ist. Bei noch größerer relativer Pigmentmenge ist es kaum noch wahrscheinlich, dass das neue Pigmentteilchen eine noch freie Stelle findet und zusätzliche Farbgebung bewirken kann, dann ist Sättigung erreicht. Diese Sättigung tritt, abhängig von der Pigmenttype und auch vom verwendeten Bindemittel, im Allgemeinen zwischen 7 % und 9 % Pigmentierungshöhe bezogen auf den Bindemittelgehalt ein. Der Verlauf der Sättigungskurve zeigt, dass sich bei der Verwendung kleiner Pigmentmengen geringe Schwankungen in der Pigmentmenge deutlich auf Änderungen bei der Farbintensität des Produkts auswirken (steiler Kurvenverlauf). Im Gegensatz dazu wirkt sich eine Schwankung der Pigmentmenge nahe dem Sättigungsbereich nur geringfügig auf die Farbintensität des Produkts aus (flacher Kurvenverlauf). Dies stellt einen klaren Vorteil der Dosierung großer relativer Pigmentmengen im Vergleich zu kleinen Mengen dar! Beim Einsatz kleiner Pigmentmengen – klein wieder relativ zur Bindemittelmenge – tritt, wie bereits erwähnt, der Effekt auf, dass die Eigenfarben der anderen Rohstoffe starken Einfluss auf die Betonfarbe ausüben. Zement, Zusatzstoff und der Feinanteil des Sandes besitzen eigene Farben, die von der geringen Pigmentmenge nicht überdeckt werden können und somit direkt an der Farbgebung des Bindemittelleims teilnehmen (Abb. 3). Oberflächenverhältnis der Feinanteile und Farbgebung Hinzu kommt jedoch ein weiterer Effekt: Kleine Pigmentmengen sind Indikatoren für Rohstoff- oder Rezepturschwankungen bei Betonprodukten. Ausführlich hierüber berichtet wurde im Rahmen einer früheren Arbeit [3]. Die Farbgebung eines Betonprodukts richtet sich unter anderem daran aus, in welchem Oberflächenverhältnis die verschiedenen Feinanteile miteinander vermischt sind. Schwankungen bei den Oberflächen eines feinteiligen Rohstoffs wirken sich auf die Farbgebung des Betons aus. Leider werden Rezepturen der Hersteller nicht auf m2 sondern auf kg berechnet, sodass es vorkommen kann, dass bei exakt gleicher eingewogener Zement- oder Sandmenge chargenabhängig Schwankungen in der Oberfläche vorliegen können – die Sieblinie des Sands oder der Blaine-Wert des Zements können schwanken, was zu unterschiedlichen Betonfarben führen kann. Trotz dieser Phänomene ist der Einsatz kleiner Pigmentmengen zur Betoneinfärbung möglich. Voraussetzung ist, dass alle zum Einsatz kommenden Rohstoffe von Charge zu Charge eine möglichst hohe Konstanz im Farbton und in der Oberfläche aufweisen. Zudem muss gewährleistet sein, dass alle Rohstoffe hinreichend genau dosiert werden können. Mit der Dosieranlage Exacdos für Pigmentgranulate wird eine hervorragende Möglichkeit zur automatischen Dosierung kleiner Pigmentmengen bereitgestellt. Der erfolgreiche Einsatz dieser Dosiertechnik geht mittlerweile über den Einsatz im Betonsteinplattenwerk hinaus und hat auch bei Herstellern von Wetcast-Produkten und Betonfertigteilherstellern Einzug gehalten. ↗ www.bft-international.com