Kriterien für die zielsichere Schwarzeinfärbung von Betonwaren

Mittels geeigneter Einfärbung ein Betonprodukt aufzuwerten und neben dem funktionalen Zweck auch den ästhetischen Aspekt zu betonen, bereitet nicht nur den Weg zu einem höheren Produktpreis, sondern ist auch eine weitere Chance, sich im Wettbewerb der Anbieter im wörtlichen Sinne farblich abzusetzen.

In den letzten Jahren entstand immer stärker der Eindruck, dass bei der Einfärbung von Beton eine wichtige Hauptfarbe dominiert: Es gilt „Black concrete is beautiful“. Spannend für Hersteller von schwarzen Produkten ist, dass für die Schwarzeinfärbung grundsätzlich zwei Pigment-Typen, schwarze Eisenoxide und Kohlenstoffpigmente, zur Auswahl stehen. Damit ist die Schwarzeinfärbung ein absoluter Sonderfall. Durch charakteristische Eigenschaften der Kohlenstoffpigmente bieten sich im Schwarzbereich zusätzliche Möglichkeiten, die zur Einfärbung genutzt werden können.

Verschiedene Pigmente für die Schwarzeinfärbung

Es ist sinnvoll, für die unterschiedlichen beton- und qualitätsspezifischen Anforderungen ausschließlich qualitätsüberwachte Pigmente nach DIN EN 12 878 von einem umfassend zertifizierten Hersteller zu verwenden. Kohlenstoff- und Eisenoxidpigmente kommen dabei in allen handelsüblichen Präparationen wie Pulver-, Flüssig- beziehungsweise Granulatform vor. Die anwendungstechnischen Aspekte hinsichtlich der unterschiedlichen Pigmentformen, deren Vor- und Nachteile, auch in Kombination mit der zu verwendenden Dosiertechnik, sind in einer Reihe von Publikationen ([1] bis [6]) beschrieben und sollen hier nicht im Vordergrund stehen. Ziel dieses Beitrages ist es, die Eigenschaften und Wirkungsweisen der Schwarzpigmente darzustellen und herauszuarbeiten, und welche Pigmentqualität für die jeweilige Aufgabenstellung vorteilhaft und geeignet ist. Zusätzlich werden die Grenzen der verschiedenen Pigmentformen behandelt, um die Auswahlmöglichkeiten zwischen den Pigmenttypen für den Verarbeiter zu erleichtern und Ihre Verwendung zur Schwarzeinfärbung zielgerichteter zu ermöglichen.

Entstehen der Schwarzfärbung im Beton

Genau genommen wäre ein schwarzes Betonprodukt nur produzierbar, wenn die Betonoberfläche das einfallende Licht vollständig absorbiert. Dies bedeutet, dass dann im Auge des Betrachters kein reflektiertes oder gestreutes Licht wahrgenommen werden kann. Schwarz einfärben können also nur Stoffe, die in der Lage sind, das Licht möglichst über das ganze sichtbare Spektrum hinweg zu absorbieren und nur geringe Anteile an Licht zu reflektieren beziehungsweise zu streuen. Im Gegensatz hierzu sollen Buntpigmente genau selektiv absorbieren und nur gezielt einen entsprechenden Farbbeitrag reflektieren. Betrachtet man nur die rein optischen Eigenschaften von Schwarzpigmenten als Kriterium, kann man feststellen, dass das optische Leistungsvermögen von Kohlenstoffpigmenten dem von Eisenoxiden überlegen ist [7]. Dabei kann die Absorptionsrate von Kohlenstoffen bis zu 99,8 % erreichen [12].

Vergleicht man die Reflexionseigenschaften wellenlängenabhängig, kann man ablesen, dass Kohlenstoffe (Carbofin C) im Bereich blauen Lichtanteils stärker reflektieren als Eisenoxide. Eisenoxide reflektieren im Bereich des orangeroten Lichtes deutlich stärker (Abb. 2). Diese optischen Unterschiede erklären auch, warum mit Kohlenstoffen blaunuancierte Farbergebnisse erreichbar sind und im farblichen Vergleich Eisenoxide oft etwas gelb bis gelbbräunlich nuanciert erscheinen.

Neben dem Farbbeitrag des uneingefärbten Betonproduktes ist es also für gestalterische Zwecke entscheidend, wie die physikalischen Absorptions- und Reflexionseigenschaften des einfärbenden Pigments sind.

Farbwirkung von Schwarzpigmenten

Ein zementgebundener Baustoff wird eingefärbt mittels „Belegen“ beziehungsweise „Bedecken“ der Calciumsilikathydratstrukturen des sich ausbildenden Zementsteines. Je vollständiger die Bedeckung gelingt, desto intensiver können die oben beschriebenen, optischen Pigmenteigenschaften wirken. Es ist daher logisch, dass die Einfärbekraft mit zunehmender Dosierung auch zunimmt (Abb. 3 bzw. 4). In der Praxis sind jedoch deutliche Unterschiede zwischen den Farbtönen und der Farbkraft von Eisenoxid- und Kohlenstoffpigmenten zu beobachten.

Wird die Einfärbekraft farbmetrisch ausgewertet, entsteht für jede Pigmentpräparation eine charakteristische Einfärbekurve. In Abbildung 4 ist dies für Eisenoxid Granufin Onyx und das grobteilige Kohlenstoffpigment Granufin Carbon D dargestellt.

Im Foto der Laborprismen (Abb. 3) aber auch im Diagramm (Abb. 4) ist deutlich erkennbar, dass selbst in unüblich hohen Dosierungen von 8 % mit klassischen Eisenoxiden die Farbnuancierung und -tiefe von Kohlenstoffen nicht erreicht werden kann. Der graphischen Darstellung kann man weiterhin entnehmen, dass die Einfärbekraft einer Dosierung von 4 % Eisenoxidpigment (GF Onyx) bereits durch etwas weniger als 2 % des Kohlenstoffpigmentes GF Carbon D erreicht werden kann.

Eigenschaften von Kohlenstoffpigmenten

Wie bei den optischen Eigenschaften sind physikalische Grundeigenschaften, die Unterschiede in der Dichte und der Pigmentteilchengröße verantwortlich dafür, dass Kohlenstoffpigmente im Vergleich zu Eisenoxidschwärzen sehr ergiebig sind.

Eisenoxide weisen mit einer Pigmentdichte von rund 4,6 g/cm³ im Vergleich zu den etwa 1,8 g/cm³ von Kohlenstoffpigmenten die fast dreifache Dichte auf. Dies bedeutet unmittelbar, dass man pro kg Pigment (bei vergleichbaren Teilchendurchmesser des Pigmentes) annäherungsweise auch das dreifache Volumen an färbenden Pigmentteilchen kauft, wenn das in der Dichte vorteilhafte Kohlenstoffpigment gewählt wird.

Weiterhin ist die Teilchengröße für die Farbstärke ein bestimmender Faktor. Desto mehr die lichtabsorbierende Pigmentoberfläche den Zementstein bedeckt, umso schwärzer wirkt das Betonprodukt. Der Einfluss der Teilchengröße ist sehr einfach im Modell darstellbar.

Betrachtet wird ein kugelförmiges Pigmentteilchen mit 100 nm Durchmesser (einer typischen, mittleren Teilchengröße einer grobteiligeren Kohlenstoffpräparation). Belegt das Teilchen den Zementleim, kann nur die Querschnittsfläche der Kugel absorbierend wirken. Betrachtet man nun im Model 37 kleinere Kugeln des Durchmessers 30 nm (übliche, mittlere Teilchengröße einer feinteiligen Zementschwärze) ist das Kugelvolumen aller kleinen Kugeln genau gleich groß wie das Volumen der großen Kugel mit 100 nm Durchmesser. Werden aber die kleinen Kugeln durch „Dispergieren“ in der Modellbetrachtung optimal auf den Calciumhydratnadeln der Zementleimmatrix verteilt, erhält man etwa die 3,3-fache Fläche an zur „Absorption“, also Einfärbung, möglicher Pigmentoberfläche (Abb. 5).

Bei gleicher Einwaage von Pigment lässt sich bei feinteiligeren Pigmenten, wenn diese gut dispergiert beziehungsweise verteilt sind, mehr Zementstein bedecken und somit zusätzliche Farbstärke erreichen. Anzumerken ist, dass hinsichtlich der optischen Eigenschaften bei feinteiligeren Pigmentpräparationen durch Lichtbrechungs- und Lichtbeugungseffekte ein zunehmender Gelbanteil in der Eigenfarbe entstehen kann.

Zentral ist die Teilchengröße der Pigmente aber für den Punkt der Bewitterungsstabilität, da bei abnehmender Teilchengröße Beständigkeitsprobleme durch eingeschränkte Fixierung der Farbteilchen in der Betonmatrix auftreten können.

Kriterien für die Beständigkeit

der Schwarz­pigmente

Die grundsätzliche Frage vor der Auswahl eines zur Schwarzeinfärbung geeigneten Pigmentes ist die Beständigkeit des Pigmentes im zu produzierenden Betonprodukt. Hinsichtlich der UV- und Alkalibeständigkeit besitzen sowohl Eisenoxide als auch Kohlenstoffe eine ausgezeichnete Stabilität. Die Verankerung der Pigmente in der Betonmatrix ist entscheidend für die Dauerhaftigkeit der Einfärbung. Die Fixierung der Pigmente kann nur in der sich aus dem Zementklinker ausbildenden Calciumsilikathydratmatrix erfolgen. Diese miteinander verfilzten Hydratnadeln tragen nicht nur zur Festigkeit bei, sondern binden auch die Pigmentteilchen ein. Im Ergebnis entsteht ein Betonprodukt, das ein Porengefüge mit Gel- und Kapillarporen aufweist.

Damit werden zwei Faktoren entscheidend für den Erfolg der mechanischen Einbindung der Pigmente in den Beton: Einerseits die Größe der sich ausbildenden Kapillarporen, andererseits die Größe der Pigmentteilchen. Es ist also sehr wichtig, dass möglichst grobteilige Pigmentpräparationen zum Einsatz kommen. Diese müssen ausreichend Pigmentteilchen enthalten, die größer sind als die Porenstruktur des Betons. Ist dies der Fall, sind die Pigmente mechanisch fixiert und können somit nicht aus dem sich ausbildenden Matrixgitter des Zementsteines austreten oder ausgewaschen werden. Dies ist insbesondere bei Kohlenstoffen wichtig, da für diese Pigmenttypen unterschiedliche Herstellungsverfahren mit jeweils verschiedenen Teilchengrößenverteilungen als Rohstoffe zur Verfügung stehen. Die Teilchengrößenverteilung im Kohlenstoffpigment im Zusammenspiel mit dem Porengefüge ist auch der Grund, warum bei Kohlenstoffen eine Mindestdosierung von rund 3 % empfohlen wird. Diese Dosierreserve soll gewährleisten, dass selbst bei einem teilweisen Auswittern von anteilig feinteiligen Kohlenstoffteilchen, die im Produkt verbleibenden, grobteiligeren Kohlenstoffpigmente immer noch eine schwarze Einfärbung sicherstellen.

Porenstruktur wesentliches

Element der Pigmentfixierung

Die Porenstruktur des Betons als ein wesentliches Element der Pigmentfixierung liegt allein im Verantwortungsbereich des Betonherstellers und ist mehreren Einflussfaktoren ausgesetzt. Für den Porendurchmessers im Beton findet man in der Literatur Angaben von 10 nm bis 0,1 mm. Es existiert ein starker Zusammenhang zwischen den Wasser/Zement-Wert (W/Z-Wert) und dem Porendurchmesser. Im Bereich niedriger W/Z-Werte und guter Hydratation liegt der Durchmesser der Kapillarporen bei 10 bis 50 nm, bei W/Z-Werten von 0,4 nimmt der Durchmesser auf etwa 100 nm zu. Bei höheren W/Z-Werten steigen die Durchmesser weiter stark an, was sich in Penetrationsversuchen belegen lässt [8].

Es ist bekannt, dass an den Grenzflächen zwischen Beton und Schalung bei Sicht- beziehungsweise Fertigteilbetonen, an denen lokal durch Überschusswasser auch höhere W/Z-Werte auftreten können, die Zementleimschicht schlechter einbinden kann, als dies bei typischen erdfeuchten Betonen bei der Betonpflasterherstellung möglich ist. Für Sicht- und Fertigteilbeton empfehlen sich daher in erster Linie Eisenoxide zur Einfärbung, da diese auch elektrostatisch fixiert sind.

Die sehr guten, langfristigen Bewitterungsergebnisse bei der Verwendung von hochwertigen Kohlenstoffpigmenten zur Herstellung von Betonpflastersteinen sind durch zahlreiche Praxisergebnisse (vgl. [9-11]) bestätigt wie auch ein vergleichendes Beispiel zeigt (Abb. 8).

Obwohl die Performance gut belegt ist, kann aufgrund der Vielzahl der Unterschiede in jeder Betonmischung und dem sich unter den speziellen Produktionsbedingungen ausbildenden Betongefüge allein der langfristige Bewitterungsversuch abklären, ob eine konkrete Kohlenstoffqualität zur Einfärbung im Kundensystem geeignet ist. Dieser Praxisversuch ist auch deshalb entscheidend, weil es rohstoffseitig eine größere Auswahl unterschiedlicher Kohlenstoffqualitäten auf dem Markt gibt. Zur Herstellung von grobteiligeren, bewitterungsstabilen Vorsatzqualitäten stehen dabei unterschiedliche Kohlenstoffe als Rohstoffe zur Verfügung deren mittlere Teilchengrößen zwischen etwa 70 bis 290 nm schwanken können. Die Größe der Primärpartikel bei Kohlenstoffen reicht von etwa 5 bis 500 nm, während Eisenoxidschwarzpigmente zwischen 100 und 600 nm Durchmesser aufweisen können. In den Abbildungen 6 und 7 sind entsprechende Rohstoffqualitäten und Teilchengrößenverteilungen dargestellt.

Einsetzbarkeit feinteiliger Zementschwärzen

Feinteilige, farbstarke Zementschwärzen (mittlere Teilchengröße etwa 30 nm) eignen sich aufgrund Ihrer hervorragenden Einfärbekraft vor allem zur effektiven, preisgünstigen Kerneinfärbung. Die erhaltenen Betonprodukte sind aber dann bewitterungslabil, sodass die so eingefärbten Betonwaren nach Verlegung vollständig eingebaut sein sollten.

Da die mittlere Teilchengröße von Eisenoxiden in der Regel deutlich größer ist als die Porenstruktur des umgebenen Betonsteines, ist die mechanische Einbindung ausgezeichnet. Zusätzlich ist auch die elektrostatische Fixierung im Betonstein möglich. Die Eignung von Eisenoxiden zur Einfärbung ist demzufolge Stand der Technik und unumstritten. Dadurch gibt es in der Konsequenz im Unterschied zu Kohlenstoffpigmenten keine empfohlene Mindestdosierung.

Aus Eisenoxidpigmenten kann man durch additive Verwiegung auch zahlreiche Mischfarbtöne herstellen. Hier sind allein Eisenoxide als additive Schwarzkomponente empfehlenswert, da diese sich, wie auch die übrigen Bunttöne, eben als Eisenoxide, einheitlich und damit vergleichbar physikalisch in das Betongefüge einbinden. Kohlenstoffpigmente, auch grobteilige, sollten zur Farbabmischung von Brauntönen ausdrücklich nicht verwendet werden!

Neuentwicklungen moderner Eisenoxide

Möchte man mit Eisenoxiden ein tiefes Schwarz erreichen, wird oft die Frage nach der möglichen Maximaldosierung von Eisenoxiden gestellt. In der Praxis werden zumeist Dosierungen von bis zu 5 % empfohlen und es wird zu Eigenversuchen geraten. Höhere Dosierungen bergen Risiken, wie beispielsweise mangelnden Frost-Tausalz-Widerstand. Nachgefragt im Markt ist aber verstärkt eine tiefschwarze, blaustichige Einfärbung, die mit klassischen Eisenoxiden in üblicher Dosierung von bis zu 5 % praktisch nicht erreichbar ist. Zwischen den blauschwarz anmutenden Farbtönen eines Kohlenstoffpigmentes in 3 %-iger Minimaldosierung und dem durch traditionelle, klassische Eisenoxide in praxisnahen Dosierungen von 5 % im Vergleich gelblichen Anthrazit, klafft also eine gestalterische „ästhetische Farblücke“. Dies wird in Abbildung 3 sehr deutlich.

Erreichen von Schwarz- und

blauschwarzen ­Anthrazit-Tönen

Aufgrund der deutlichen Unterschiede im optischen Leistungsvermögen zwischen Eisenoxiden und Kohlenstoffen wird seit Jahren versucht, moderne, leistungsfähigere Eisenoxide zu entwickeln, die farbstärker, aber vor allem auch weniger gelbstichig sind, um die „ästhetische Farb-lücke“ zu schließen. Hier konnte in den letzten Jahren die Farbpalette für schwarze Eisenoxide deutlich erweitert werden.

Abbildung 9 zeigt ein klassisches Eisenoxid GF Onyx und die Neuentwicklung GF 84 G in 3 %- beziehungsweise 5 %-Dosierung. Man erkennt deutlich den erreichten Zuwachs an Farbstärke im Vergleich zu einem hochwertigen Kohlenstoff in Vorsatzqualität mit empfohlener Mindestdosierung von 3 %.

Die modernen Eisenoxide ermöglichen kräftigere Schwarztöne und die Herstellung immer stärker nachgefragter Anthrazitfarbtöne, die eher blaugrau statt gelblich erscheinen.

Die gezielte Herstellung von Anthrazittönen als elegante, anthrazitgraue Einzelfarbe oder eingearbeitet in entsprechenden Colormixsteinen oder sogenannten „Muschelkalktönen“ liegt im Trend. Kohlenstoffe sollten dazu nicht verwendet werden, da in niedrigen Dosierungen (< 3 %) keine ausreichende Bewitterungsstabilität gegeben ist. Es ist zu empfehlen, bei der Herstellung dieser Anthrazitprodukte Weißzemente oder auch Abmischungen von Weiß- und Grauzementen als Bindemittel zu prüfen. Dies liegt auch daran, dass Grauzemente oft unerwünschte graugrünlich bis gelbliche Farbanteile in den Produkten bewirken können und dadurch den ästhetischen Ansprüchen nicht gerecht werden (Abb. 10). Der Wunsch nach einem eleganten „Blaugrau“ ist so ausgeprägt, dass dieser in einigen Fällen erst durch Zugabe von eher kostenintensiven anorganischen Blaupigmenten erfüllbar wurde. Moderne blaunuancierte Eisenoxide zeigen hier Alternativen und Einsparpotenziale auf.

Mischungen aus Eisenoxidschwarz und Kohlenstoff

Nachdem Kohlenstoffpigmente über ausgezeichnete, koloristische Eigenschaften verfügen und Eisenoxide grundsätzlich eine hervorragende Beständigkeit aufweisen, ist es nachvollziehbar, dass in der Praxis auch Mischungen von Eisenoxiden und Kohlenstoffen angeboten werden. Obwohl diese Kombinationen eine sehr gute Farbkraft zeigen, ist die Verwendung technisch genau und sehr kritisch zu prüfen. Die Farbstärke wird überproportional von der Kohlenstoffkomponente bestimmt. Werden durch den Farblieferanten sehr grobteilige Kohlenstoffe verwendet, können sehr gute Beständigkeiten erreicht werden. Zu berücksichtigen ist aber, dass der Kohlenstoff nur anteilig vorhanden ist, wodurch in diesen Abmischungen die oben beschriebene Do-sierreserve für den Kohlenstoffanteil nicht erreicht wird. Als typisches Beispiel sei eine Formulierung aus 80 % Eisenoxid und 20 % grobteiligem Kohlenstoffpigment (GF Karat) genannt und in Abbildung 11 vergleichend dargestellt. Wie erwartet liegt die erreichte Farbstärke zwischen hochwertigen Eisenoxiden und grobteiligen Kohlenstoffen.

Problematisch wird es, wenn Mischungen aus feinteiligen, sehr farbstarken Kohlenstoffen und farbschwachen minderwertigen Eisenoxiden angeboten werden: Wittert der Kohlenstoffanteil aus, verbleibt nur die dann geringe Basiseinfärbung des Eisenoxidanteils. Diese Produkte können in der Praxis qualitativ nicht bestehen.

Fazit

Eisenoxidschwärzen und Kohlenstoffpigmente haben jeweils Ihre Existenzberechtigung. Durch die gezielte Nutzung der charakteristischen Eigenschaften können die rohstoffbedingten Unterschiede ideal zur Lösung gestellter Einfärbeaufgaben genutzt werden. Die Rahmenbedingungen werden hier durch die technischen, kaufmännischen aber auch die ästhetischen Anforderungen gesetzt.

Mit modernen Schwarzpigmenten ist, wie auch mit Eisenoxiden, ein deutlich schwärzerer Einfärbegrad erreichbar. Zusätzlich ermöglichen diese Eisenoxide, Anthrazitfarbtöne abzustufen, die eher blaugrau statt gelblich erscheinen. Die blaunuancierte, tiefschwarze Einfärbung, die mit hochwertigen Kohlenstoffpigmenten in Betonpflastersteinen erzielt werden kann, ist jedoch mit Eisenoxiden derzeit noch nicht erreichbar.

References/Literatur
[1] Veit, A.; Zoch, H.: Eisenoxide. Stand der Technik, in: BFT International, 07/1997.
[2] Paris, N.; Britz, C.: Einfärben mit Pulver, Flüssig oder Granulat, in: BFT International 07/1998.
[3] Veit, A.: Vorschläge zur Verbesserung farbiger Betonwaren, in: BFT International­ 11/1994.
[4] Zimmer, J.: Schwarzeinfärbung von Beton, in: BFT International 07/2000.
[5] Zimmer, J.: Added value for „High Tech Pigments“, in: BWI 05/2003.
[6] Zimmer, J.: Zielsichere Herstellung von farbigem und schwarzem ­Beton, in: BWI 05/2005.
[7] Tebbe, R., in: BFT International 03/1992, S. 136.
[8] Schüßler, K. H.; Mcedlov-Petrosjan, O. P.: Der Baustoff Beton, Berlin 1990.
[9] Jungk, A. E.; Kurz, G.: Freibewitterung von Carbofin im Beton, in: BFT International 08, 09/1985.
[10] TNO, Rijswijk , Rapport B-92-0596, August 1992.
[11] Bundesanstalt für Materialprüfung, Berlin, Nr. 2/195883.
[12] Buxbaum, G.; Pfaff, G.: Industrial Inorganic Pigments, ­3. Auflage 2005.

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