Concrete coloring: Basic principles leading to optimal results

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Today, designers, architects and clients can choose from a wide variety of state-of-the-art building materials that
do not only comply with technical specifications but also enable aesthetically appealing solutions.
Planern, Architekten und Bauherren steht heute eine Vielzahl moderner Baustoffe zur Verfügung. Die Materialien werden nicht nur den technischen Anforderungen gerecht, sondern ermöglichen auch ästhetisch ansprechende Lösungen.
Concrete coloring: Basic principles
leading to optimal results
Betoneinfärbung: Grundregeln
für optimale Ergebnisse
1
Photos: Lanxess
Influence of the cement color (left) and
the aggregate color
(right) on the concrete
shade
One of the important components of designing
our living environment is the use of colored building
materials. Although their manufacture differs only
marginally from the production of non-colored components, users of pigments should be aware of some
basic facts.
Ein wichtiges Element für die Gestaltung unseres Lebensraums ist die Verwendung farbiger Baumaterialien.
Auch wenn sich ihre Herstellung nur unwesentlich von
der Produktion der entsprechenden ungefärbten Teile unterscheidet, so gibt es doch einige grundsätzliche Fakten,
die dem Verwender von Farbpigmenten bekannt sein sollten.
Selecting the right pigment
Selecting the right pigment is crucial for ensuring the
quality of the finished product. Inorganic oxide pigments were shown to be particularly colorfast during
several years of monitoring of colored concrete products
that were stored in various places and under different
climatic conditions. LANXESS supplies these oxide pigments under the Bayferrox® and Colortherm® brands.
Due to their chemical composition and structure, they
are not only insoluble in water and dilute acids and resistant to lime and alkaline substances but also completely weatherproof and lightfast, which makes them
the perfect choice for coloring building materials.
Pigments used for the coloring of cement- and/or
lime-bound building materials are governed by the EN
12878 standard in all EU member states, as well as in
Iceland, Norway and Switzerland. This standard specifies the relevant test methods for pigments but also
includes clear guidance regarding the pigmentation
characteristics of the products and the influence that
the pigment may have on the technical parameters of
the concrete.
Auswahl des richtigen Pigments
Die Auswahl des Pigments ist von entscheidender Bedeutung für die Qualität des Endprodukts. Jahrelange
Beobachtungen von farbigen Betonwaren an verschiedenen Orten und unter unterschiedlichen Klimabedingungen haben gezeigt, dass anorganische Oxidpigmente
besonders gute Echtheitseigenschaften aufweisen.
LANXESS bietet diese Oxidpigmente unter den Namen
Bayferrox® und Colortherm® an. Aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung und Struktur sind sie nicht
nur unlöslich in Wasser und verdünnten Säuren, kalkund alkalibeständig, sondern auch absolut wetter- und
lichtstabil und damit bestens für die Baustoffeinfärbung
geeignet.
In den EU-Ländern sowie in Island, Norwegen und der
Schweiz gilt für Pigmente zum Einfärben von zementund/oder kalkgebundenen Baustoffen die Europanorm
EN 12878. In dieser Norm werden sowohl die relevanten
Prüfverfahren für die Pigmente beschrieben, als auch klare
Vorgaben zu den pigmenttechnischen Eigenschaften der
Produkte und zum Einfluss definiert, den das Pigment auf
die technologischen Betoneigenschaften haben darf.
Einfluss der der Zementfarbe (links) und
der Zuschlagfarbe
(rechts) auf den Betonfarbton
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GARDEN AND LANDSCAPE CONSTRUCTION → Concrete and color
Einfluss der Pigmentierungshöhe auf den
Betonfarbton
Bayferrox 920
Bayferrox 110
Bayferrox 318
2%
4%
Color intensity
Farbintensität
2
Influence of pigmentation thickness on
the concrete shade
Bayferrox 318
Bayferrox 110
Bayferrox 920
6%
0
8%
Initial testing and internal in-process quality control
Specifications are grouped into two categories: Category A (application to non-reinforced concrete, such
as concrete roof tiles, pavers and similar products) and
Category B (application to steel-reinforced concrete,
i.e. usually to structural concrete components).
Prior to marketing a pigment to be used for coloring
cement- and/or lime bound materials, the manufacturer
must prove the pigment’s conformity to the specifications contained in EN 12878, which is ensured by:
» Initial product testing; whenever a new pigment
is produced or the type and quantity of additives
modified, the manufacturer must prove the general
suitability of the pigment by an initial test.
» Internal quality control of the products at the factory; the concept of “in-process quality control“ refers
to continuous internal quality control activities in
the production of individual pigments and pigment
mixes performed by the manufacturer.
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1
2
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4
5
6
7
8
Pigment quantity [%]
Pigmentkonzentration [%]
Erstprüfung und werkseigene Kontrolle
Bei den Anforderungen wird unterschieden zwischen Kategorie A (dem Einsatz in unbewehrtem Beton wie beispielsweise Betondachsteinen, Betonpflastersteinen und ähnlichem) und Kategorie B (dem Einsatz in stahlbewehrtem
Beton, also in der Regel in tragenden Betonbauteilen).
Bevor ein Pigment, das für die Einfärbung von zement- und/oder kalkgebundenen Baustoffen eingesetzt
werden soll, in Verkehr gebracht wird, muss der Hersteller die Konformität der Pigmente mit den Anforderungen
der EN 12878 nachweisen. Dies geschieht durch:
» die Erstprüfung der Produkte – wenn ein neues Pigment
hergestellt oder die Art/Menge von Zusätzen verändert
wird, muss der Hersteller die grundsätzliche Eignung
eines Einzelpigments durch eine Erstprüfung nachweisen.
» die werkseigene Produktionskontrolle der Produkte
– unter „werkseigener Produktionskontrolle“ wird
die ständige Eigenüberwachung der Produktion von
Einzelpigmenten und Pigmentmischungen durch den
Hersteller verstanden.
Influence of the inherent cement color on the
product color
Compliance with the specifications regarding internal quality control and related activities is checked
once a year by an independent testing institution. If
conformity with the specifications in the standard is
established, the institution grants an “internal quality
control certificate” to the manufacturer. The manufacturer can use this certificate to issue a declaration of conformity, which makes it possible to affix a
CE mark. Pigments of the Bayferrox and Colortherm
brands marketed by Lanxess carry the CE mark.
A gray shade is not only a problem for laundry.
Gray has a dulling effect on all colors, regardless of
the application, which is why Portland cement concrete
cannot be colored as brightly as concrete containing
white cement.
Einfluss der Zementeigenfarbe auf den Farbton
Die Einhaltung der Vorgaben hinsichtlich der werkseigenen Produktionskontrolle sowie der damit verbundenen
Maßnahmen wird jährlich durch ein unabhängiges, zugelassenes Prüfinstitut überwacht. Wenn die Übereinstimmung mit den Vorgaben der Norm festgestellt wird, erhält
der Hersteller von dem Institut ein „Zertifikat über die
werkseigene Produktionskontrolle“. Damit kann der Hersteller eine Konformitätserklärung ausstellen, die es ihm
erlaubt, die CE-Kennzeichnung anzubringen. Pigmente
der Marken Bayferrox und Colortherm von Lanxess sind
mit dem CE-Prüfzeichen gekennzeichnet.
Der Grauschleier macht nicht nur Wäsche unschön.
Grau dämpft alle Farben, egal wo. Darum lässt sich auch
Beton aus Portlandzement nicht so leuchtend einfärben
wie Beton aus Weißzement.
Bright and dark
However, the added color purity resulting from the use
of white cement also depends on the type of pigment
applied: if black is used, there is hardly any difference
between white and gray cement concrete. Such differences are minor if a dark brown or red shade is used,
but highly significant if yellow is applied.
Even laypeople easily understand that there is a difference between the coloring of white and gray cement.
For experts, however, it is also important to know that
Hell und Dunkel
Der Zugewinn an Farbreinheit, den man bei Verwendung
von Weißzement erhält, hängt jedoch auch vom eingesetzten Farbpigment ab: Handelt es sich um Schwarz, besteht zwischen Beton aus Weiß- und Grauzement praktisch kein Unterschied. Bei einem dunklen Braun und Rot
sind die Unterschiede gering. Bei Gelb hingegen ist der
Unterschied sehr ausgeprägt.
Dass es einen Unterschied bei der Einfärbung von
Weiß- und Grauzement gibt, ist selbst für den Laien leicht
BFT INTERNATIONAL 04·2012
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the range of shades of gray cements may also vary from
bright to dark. When switching to a different cement
grade or supplier, it often turns out that such differences
in the inherent color of the cement have an additional
influence on the coloring result.
Influence of aggregates on the product color
When producing colored concrete, the aggregate particles are enclosed by the colored cement paste. In this
process, it is possible that the particles of aggregates
with a vibrant color are not covered completely so that
the resulting shade is influenced by the inherent color of
the aggregate. This effect shows as early as at the colored
concrete production stage. The influence of the inherent
aggregate color becomes even more significant during
weather impact when aggregate particles are exposed as
a result of surface weathering. The human eye then captures a mixed shade composed of the color of the cement
paste and the visible portion of the aggregate. Similar
to cement, the natural color of the sand impacts bright
concrete shades (such as yellow or green) more strongly
than dark shades (such as brown or black).
Influence of pigmented layer thickness on the
product color
Identifying the optimal thickness of the pigmented
layer is a significant cost reduction factor because
the producer of a concrete mix will then only use the
amount of pigment that is absolutely necessary.
nachvollziehbar. Für den Fachmann ist darüber hinaus jedoch wichtig zu wissen, dass auch Grauzemente in der
Farbe von Hell bis Dunkel variieren können. Beim Wechsel
der Zementsorte oder des -lieferanten zeigt sich häufig,
dass auch solche Unterschiede in der Eigenfarbe des Zements das Ergebnis der Einfärbung beeinflussen.
Einfluss der Zuschläge auf den Farbton
Bei der Herstellung von farbigem Beton werden die Zuschlagkörner von dem eingefärbten Zementleim umhüllt.
Dabei ist es möglich, dass die Körner eines intensiv gefärbten Zuschlags nicht vollständig überdeckt werden und
somit der resultierende Farbton durch die Eigenfarbe des
Zuschlags beeinflusst wird. Dieser Effekt macht sich bereits
bei der Produktion des farbigen Betons bemerkbar. Noch
deutlicher wird der Einfluss der Eigenfarbe des Zuschlags
in der Bewitterung, wenn Zuschlagkörner durch Abwitterung der Oberfläche zutage treten. Das menschliche Auge
erfasst dann einen Mischfarbton aus der Farbe des Zementsteins und der des sichtbaren Zuschlags. Ähnlich wie
beim Zement wirkt sich die Eigenfarbe des Sandes auf die
hellen Betonfarbtöne (zum Beispiel Gelb, Grün) stärker aus
als auf dunkle (zum Beispiel Braun, Schwarz).
Einfluss der Pigmentierungshöhe auf den Farbton
Die Kenntnis der optimalen Pigmentierungshöhe ist ein
signifikanter Faktor zur Reduktion der Kosten. Denn der
Hersteller einer Betonmischung setzt dann nur so viel
Pigment ein, wie unbedingt erforderlich ist.
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GARDEN AND LANDSCAPE CONSTRUCTION → Concrete and color
3
Influence of the w/c
ratio on the concrete
shade
Einfluss des W/ZWertes auf den Betonfarbton
Lutz Kohnert,
Head of the Global
CompetenceCenter Construction,
Inorganic Pigments
Division, LANXESS
Deutschland GmbH
Lutz Kohnert,
Leiter des Global
Competence Center
Construction,
If the pigment quantity is increased continuously in
the concrete mix, the color intensity initially increases
in line with the degree of pigmentation. The subsequent
stages of pigment addition, however, soon lead to a
threshold where the introduction of additional pigment
ceases to result in a significant increase in color intensity, and thus becomes economically unviable. Among
other factors, the definition of this saturation threshold
depends on the system parameters of the concrete; for
the very intense Bayferrox® pigments, however, it can
generally be stated that additions in excess of 5% (relative to the amount of binder) are not necessary.
Less intense pigments reach the saturation threshold only if considerably larger amounts are added. The
required amount of pigment can be so large that the increase in the ratio of ultra-fine material may adversely
affect the performance parameters of the concrete.
Wird die Pigmentmenge in einer Mischung stetig erhöht, so nimmt die Farbintensität zunächst linear mit der
Pigmentierung zu. Im weiteren Verlauf der Pigmentzugabe beginnt jedoch der Bereich, in dem die Zugabe weiterer Pigmentmengen keine wesentliche Intensivierung
des Farbtons mehr bewirkt und unwirtschaftlich ist. Die
Festlegung dieser Grenze des Sättigungsbereichs ist unter
anderem von den Systemparametern des Betons abhängig; für die sehr farbstarken Bayferrox®-Pigmente kann
man jedoch grundsätzlich sagen, dass Zugabemengen
oberhalb von fünf Prozent – bezogen auf die Bindemittelmenge – nicht erforderlich sind.
Bei farbschwächeren Pigmenten wird der Sättigungsbereich erst bei wesentlich höheren Zusätzen erreicht.
Die nötige Pigmentmenge kann so groß sein, dass sich
die Erhöhung der Mehlkornmenge negativ auf die technologischen Eigenschaften des Betons auswirkt.
Influence of water/cement ratio on the
concrete color
Have you ever asked yourself why the head of foam on
beer is white whereas the beer itself is a yellow color?
The foam consists of many small air bubbles, which
show a light scattering pattern similar to that of white
pigments.
This comparison to the head of foam and the beer
itself should illustrate the correlation between the color
of the concrete and its water/cement ratio: excess mixing water evaporates from the concrete and creates
cavities (fine pores), which act similarly to the bubbles in the foam on the beer: they scatter the incident
light and brighten the concrete. The greater the water/
cement ratio, the brighter the concrete appears. This
physical principle applies to both gray concrete without added pigments and colored concrete.
The concrete producer should thus pay particular
attention to the accurate dosing of the mixing water in
order to prevent color variations.
Einfluss des Wasser/Zement-Werts auf den
Betonfarbton
Haben Sie sich schon einmal Gedanken darüber gemacht,
warum Bierschaum weiß ist, während der Gerstensaft
selbst eine gelbe Farbe hat? Der Schaum besteht aus vielen kleinen Luftbläschen. Diese streuen das Licht ähnlich,
wie Weißpigmente das tun.
Der Vergleich mit Bierschaum und Gerstensaft soll
den Zusammenhang zwischen dem Farbton des Betons
und seinem Wasser/Zement-Wert veranschaulichen: Überschüssiges Anmachwasser verdunstet aus dem Beton und
hinterlässt dabei Hohlräume in Form feiner Poren. Diese wirken wie Bläschen im Bierschaum – sie streuen das
einfallende Licht und hellen den Beton auf. Je höher der
Wasser/Zement-Wert ist, desto heller erscheint der Beton.
Grauer Beton ohne Pigmentzusatz unterliegt diesem physikalischen Gesetz genauso wie eingefärbter Beton.
Um Farbtonschwankungen zu vermeiden, sollte der
Betonhersteller deshalb besonderes Augenmerk auf die
genaue Dosierung des Anmachwassers legen.
Distribution of pigments
Quality is becoming increasingly important to the
construction industry, which is why the accurate dosing of pigments and a sufficiently uniform dispersion/distribution are crucial.
Verteilung von Pigmenten
Qualität spielt eine immer größere Rolle für die Bauindustrie. Deshalb sind auch die exakte Dosierung der Pigmente sowie die gleichmäßige und ausreichende Dispergierung/Verteilung zunehmend wichtig.
Geschäftsbereich
Inorganic Pigments,
LANXESS
Deutschland GmbH
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BFT INTERNATIONAL 04·2012
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The degree of dispersion is governed by the point
in time when the pigment is fed into the mixer. It has
become good industry practice to pre-mix the pigment
with the aggregate for about 15 seconds prior to adding the cement. The subsequent mixing process is identical for both pigmented and un-pigmented concrete.
Für die Dispergierung ist entscheidend, wann das
Pigment in den Mischer gegeben wird. In der Praxis hat
es sich bewährt, das Pigment mit dem Zuschlag etwa
15 Sekunden vorzumischen und erst dann den Zement
hinzuzugeben. Der weitere Mischvorgang ist für pigmentierten und unpigmentierten Beton gleich.
Sequence of addition and mixing time
At any rate, care should be taken to prevent the addition of all components at the same time or the addition
of cement as the first component after sand. Mixing
time is also relevant to the question whether a homogeneous distribution of the pigment is achieved. Each
type of mixer requires a specific minimum mixing period, which amounts to 1.5 to 2 minutes for paddle
mixers. If the actual mixing time is shorter, it is no
longer possible to achieve a homogeneous mix even
if the duration of the individual mixing steps or the
sequence of component addition is modified.
In conclusion, the following points should be emphasized: The industry generally uses iron oxide pigments for concrete coloring in different shades. Several
parameters need to be considered in order to achieve
an optimal coloring result. Most important factors include the selection of the right pigment and thickness
of the pigmented layer, the consideration of the influence of the inherent cement color and of aggregates
and mixing water on the color of the concrete.
Zugabe-Reihenfolge und Mischdauer
Auf jeden Fall sollte vermieden werden, alle Komponenten auf einmal zuzugeben oder als erste Komponente nach der Sandzugabe Zement einzumischen. Selbstverständlich spielt auch die Mischdauer eine Rolle bei
der Frage, ob eine homogene Verteilung des Pigments
erzielt wird oder nicht. Jeder Mischer benötigt eine
Mindestmischdauer. Bei Zwangsmischern liegt diese bei
etwa 1,5 bis 2 Minuten. Wird sie unterschritten, kann
auch durch eine Änderung der Einzelmischdauer oder der
Reihenfolge der Zugabe der Komponenten keine homogene Mischung mehr erzielt werden.
Zusammenfassend bleibt festzuhalten: Für die Betoneinfärbung in unterschiedlichen Tönen werden von
der Industrie üblicherweise Eisenoxidpigmente verwendet. Um ein optimales Ergebnis bei der Betoneinfärbung
zu erreichen, gilt es, einige Parameter zu beachten. Die
wichtigsten Faktoren sind die richtige Pigmentwahl und
Pigmentierungshöhe sowie die Berücksichtigung der Einflüsse von Zementeigenfarbe, Zuschlagstoffen und Anmachwasser auf den Farbton.
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Lutz Kohnert
+49 2151 88 7741
lutz.kohnert@
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