Dr.D.R?deFarbenfabriken Bayer AG, Duitsland Gekleurd beton doortoepassing van anorganischebonte pigmentenU.D.C. 666:97.058:667.622Verven van beton met anorganische pigmentenInleidingSinds de uitvinding en de industri?le fabri-cage van cement heeft beton steeds meerterrein gewonnen als goedkoop en duurzaambouwmateriaal. De van beton vervaardigdeProdukten zijn in de laatste decennia zeerveelsoortig geworden. Daar, waar beton nietalleen een dragende en beschermende, maarook een decoratieve functie heeft, ontstondhet verlangen om dit van nature grijze mate-riaal een kleur te geven. Van alle methodenbleek directe kleuring met daarvoor geschik-te pigmenten het beste te voldoen. Zo ver-enigt men op ideale wijze duurzaamheid vande kleur met behoud van de karakteristiekeeigenschappen van beton, zoals bij voor-beeld zijn typische structuur. De chemischeindustrie biedt een ruime keuze van hiervoorgeschikte en goedkope pigmenten aan. Daar-om worden er al op ruime schaal betonpro-dukten, zoals dakpannen, betontegels, b?-tonnen muur- en straatstenen, geprefabri-ceerd beton enz., succesvol gekleurd.In dit artikel zullen enige aanwijzingen wor-den gegeven over de geschikte pigmenten,alsmede de vervaardiging en de eigenschap-pen van gekleurd beton.KleurpigmentenDit zijn vaste stoffen, die bestaan uit zeerfijne deeltjes, ter grootte van ongeveer 1 [i( = 0,001 mm) die in water en organische op-losmiddelen niet oplosbaar zijn. Ze verschil-len daarin van kleurstoffen, die wel in wateren/of organische oplosmiddelen oplossen endaardoor a priori niet zijn te gebruiken voorhet kleuren van bouwstoffen. Voor het duur-zaam kleuren van met cement en kalk ver-vaardigde bouwstoffen moet verder alsvoorwaarde gelden, dat zij bestand zijn te-gen de alkaliteit van deze minerale bind-middelen en de kleur onder invloed van lichten weer niet verandert.Op grond van hun chemische samenstellingen hun natuurlijke oorsprong onderscheidtmen organische en anorganische pigmenten.Organische onderscheiden zich over het al-gemeen door de helderheid van hun tint endoor een groot kleurvermogen. Het gebruikervan als middel om beton te kleuren is evenwel onmogelijk, omdat zij in dit materiaal on-voldoende weer- en lichtbestand zijn, waar-bij in sommige gevallen een onvoldoendecement- en kalkbestandheid komt.Tabel 1 + = goedPigmenten bij gebruik in de bouwnijverheid (+) = beperkt-- = onvoldoendePigment Lichtechtheid Cement-en kalk-bestandheidOpmerkingenRoodUzeroxyderoodMolybdaatroodCadmiumrood+(+)++GeelUzeroxydegeelNikkeltitaangeel(Lichtgelb)Neapel- en mineraalgeelZink-, Chroom, Cadmiumgeel+++++++gevoelig voor sulfidenGroenChroomoxyde,ChroomoxydehydraatgroenPhtalocyaninegroenChroom- en Zinkgroen+(+)(+)+(+)BlauwCobaltblauw (Lichtblau)PhtalocyanineblauwMangaanblauwUltramarijnblauwMiloriblauw+( + )(+)(+)( + )++( + )(+)beperkt bruikbaarbeperkt bruikbaarZwartUzeroxydezwartMangaanzwartRoet++++++beperkt bruikbaar, om-dat de kleur door uit-wassen kan afnemenBruinUzeroxydebruinMengsel van ijzeroxyderood en roet++++mogelijke veranderingvan de kleur naar rood-bruin door uitwassenvan het roetCement XX (1968) nr. 6 232Beton, dat met organische pigmenten is be-handeld, verliest daarom na korte tijd zijnkleur. Van de anorganische pigmenten zijnvooral de ijzeroxyden als mineralen al langbekend. Ze werden reeds in de prehistori-sche tijd als kleurmiddel gebruikt en hunontstaan, miljoenen jaren geleden, onder-streept de bijzonder goede duurzaamheid.Door synthetische fabricage konden deeigenschappen van ijzeroxydepigmentenvooral wat betreft de tint en de kwaliteit aan-zienlijk worden verbeterd. Tegenwoordig zijner synthetische ijzeroxyden in de kleurenrood, geel, zwart en bruin in vele nuances.Deze zijn absoluut kalk- en cementbestand,uitstekend bestand tegen licht en weer endaarom voor het duurzaam kleuren van be-ton uitstekend geschikt.Hetzelfde geldt voor synthetische chroom-oxydepigmenten en voor enige speciale ty-pes, die bij voorbeeld onder de naam BayerLichtgelb en Lichtblau bekend zijn. Het gaathierbij om oxydeverbindingen met rutiel- res-pectievelijk spinelstructuur. Met deze anor-ganische pigmenten heeft de bouwindustriede beschikking over een omvangrijke scalavan kleurschakeringen, waarmee praktischiedere wens kan worden vervuld. Er is ech-ter ook een aantal anorganische pigmenten,dat door het hoge alkaligehalte van het pas-gestorte beton wordt aangetast en daaromniet geschikt is, voornamelijk chromaten,blauwe pigmenten op basis van berlijns-,parijs- of pruisisch blauw, cadmium-, chroom-groen- en molybdaattypes en nog enkeleandere (zie tabel /).Fabricage van gekleurd betonDe fabricage van gekleurd beton biedt inprincipe geen moeilijkheden ?n vergt prak-tisch geen extra voorzieningen. Het verdientaanbeveling om het pigmentgehalte te bere-kenen op het cementgehalte van het meng-sel, omdat hoofdzakelijk de verhouding ce-ment : pigment de uiteindelijke kleur bepaalt.Een duidelijk merkbare be?nvloeding door detoeslagmaterialen is alleen dan te verwach-ten, als het zandgehalte van het betonmeng-sel sterk wordt gewijzigd of de kleur van hetzand erg verschillend is (bij voorbeeldkwartszand tegenover rijnzand).Omdat in principe het cement wordt ge-kleurd, be?nvloedt de eigen kleur hiervaneveneens de schakering. Afgezien van witcement, dat van nature de helderste kleurengeeft, kan men ook grote verschillen in dekleur van verscheidene soorten portland-cement waarnemen, zodat het werken methetzelfde cementtype van ??n fabrikaat bijeen bouwwerk is aan te raden. De invloedvan de grondstoffen op de tint hangt in hogemate af van de toegevoegde hoeveelheidpigment. Hoe groter de hoeveelheid toege-voegd pigment, des te geringer wordt de in-vloed van het cement en de toeslagmateria-len op de kleur van het beton. Om dezereden kan men ook bij dienovereenkomstigekleuring met grijze soorten portland- ofhoogovencement met de genoemde anorga-nische pigmenten meer aantrekkelijke scha-keringen krijgen.Natuurlijk moet men bij de vervaardiging vangekleurd beton bijzonder veel aandacht be-steden aan de juiste dosering van de pig-menten. Het doseren naar gewicht is in elkgeval aan te raden. Vaak wordt echter in debetonfabrieken eenvoudigheidshalve naarvolume gedoseerd. Men moet er dan even-wel rekening mee houden, dat de toegevoeg-de hoeveelheid pigment afhangt van hetstortgewicht, dat grote verschillen kan ver-tonen, zoals men uit tabel 2 voor enige ijzer-oxydetypes kan aflezen. Ook het stortge-wicht van een en hetzelfde pigmenttype isonderhevig aan zekere schommelingen, diedoor transport en opslag kunnen wordenveroorzaakt.pigment stortgewicht in kg/literijzeroxyderood 222ijzer?xyderood 180ijzeroxydezwart 318ijzeroxydegeel 9200,750,80,60,2Tabel 2Startgewichten voor enige ijzeroxyde-pigmentenEvenals bij de toeslagstoffen hebben schom-melingen in de dosering van het pigmentmeer invloed naarmate de inkleuring zwak-ker is. Met stijgende pigmentverhouding inhet mengsel wordt nl. de toename van dekleurdiepte duidelijk geringer, zoals uit fig. 1aan de hand van een voorbeeld voor ijzer-oxyderoodtypes van verschillende kleur-kracht blijkt. De metingen werden met eenelektrische remissiefotometer verricht opmonsters van gekleurde cementmortel. Hetcurveverloop is daarbij voor alle pigmentenin principe hetzelfde, alleen hangt de stijgingvan de curve af van de kleurkracht van derespectievelijke pigmenten. Bij de hogekleurkracht van synthetische anorganischeijzeroxyde- en chr?omoxydepigmenten kun-nen de volgende toevoegingen in gewichts-procenten berekend op het cement als richt-waarden gelden: pastelkleuren 1 - 2%, mid-delsterke tinten 3-4%, sterke tinten 5-10%.De homogene verdeling van het pigment inde betonspecie tijdens het mengproces be-zorgt geen moeilijkheden en vereist over hetalgemeen ook geen verlenging van de ge-bruikelijke mengtijd van ca. 3 minuten. Voorhet vervaardigen van gekleurd beton kanmen het beste machines met geforceerdemenging kiezen. Het pigment wordt voor hettoevoegen van water in de menger gebracht.Wanneer het betonmengsel alleen uit fijnetoeslagmaterialen tot ca. 3 mm bestaat, ishet voor een betere verdeling van het pig-ment aan te bevelen dit met het zand v??rhet toevoegen van cement en water in demachine even te mengen. Men moet er bo-vendien op letten, dat de eenmaal gekozenwater-cementfactor zo veel mogelijk wordtaangehouden en derhalve rekening houdenmet de eigen vochtigheid van de toeslag-materialen, omdat naar gelang de manier vanverwerken (verdichten, oppervlakbehande-ling) meer of minder fijne deeltjes naar hetoppervlak komen en aanleiding kunnen ge-ven tot verschil in kleur.Gebruik en eigenschappen van gekleurdebetonproduktenDe mogelijkheden tot vervaardiging en toe-1Afnemen in de toename van de kleurdieptemet het percentage aan pigmentpassing van duurzaam gekleurde betonpro-dukten zijn veelzijdig en werden in de inlei-ding reeds terloops aangeduid. In het kadervan dit artikel kunnen zij niet alle uitgebreidworden behandeld. Daarom worden alleenenkele proeven op het gebied van betonnenstraatstenen, alsmede toepassingsmogelijk-heden van anorganische pigmenten in be-tonprodukten besproken.a. Betonnen straatstenenIn Nederland maakt de betonsteenindustrievoor het duurzaam kleuren van haar Produk-ten al jarenlang gebruik van ijzeroxyden.Daarbij doen zich vooral de volgende vragenvoor:in hoeverre be?nvloedt de toevoeging vanpigment de sterkte van betonnen straatste-nen ?waaraan moeten de af en toe voorkomendekleurafwijkingen van betonnen straatstenenworden toegeschreven?Over deze vragen worden in het navolgendeenkele resultaten van proeven medegedeeld.Van algemeen belang is de invloed van pig-menten op de druk- en buigtreksterkte, vol-gens het Duitse normblad DIN 1164 (de uit-komsten volgens deze methode zijn niet ge-heel gelijk aan die, volgens de Nederlandsenorm NEN 3072, maar voor onderlinge ver-gelijking van de genoemde cijfers speelt ditgeen rol - Red.)In een vrij grote proefserie werd deze in-vloed onderzocht, waarbij uit principi?leoverwegingen de pigmentdosering hogerwas dan ooit in de praktijk voorkomt. Daarbijwerd de invloed van verschillende ijzeroxy-den op de druksterkte na 7 dagen en na 28dagen onderzocht. De resultaten staan in detabellen 3 en 4. Als cement werd normaalportlandcement uit de handel (Z275, over-eenkomstig klasse A volgens de Nederland-se normen - Red.) gebruikt. De in de tabel-len aangegeven gewichtspercentages pig-ment zijn berekend op het cementgehaltevan het mengsel. Uit tabel 3 en 4 volgt, datzelfs bij zeer hoge dosering geen sterkte-verlies optreedt.Wanneer de dosering groter wordt, treedtongeveer boven 5% een vermindering vande vloeimaat op, omdat het pigment doorzijn fijne deeltjes water opneemt. Bij ijzer-oxydegeel is reeds beneden 5% een ver-mindering van de vloeimaat waarneembaar,CementXX(1968)nr. 6 233Tabel 3Druksterkte in kgf/cm2van mortelprisma'svolgens DIN 1164 als fucntie van hetpigmentgehalte% pigment Uzeroxyderood 180 Uzeroxydezwart 318 Uzeroxydegeel 9207 dagen 28 dagen 7 dagen 28 dagen 7 dagen 28 dagen0 325 417 325 417 325 4171 311 420 300 411 311 4042 330 415 338 417 370 4314 325 428 326 425 353 4306 343 421 323 439 310 4138 317 440 323 422 322 41710 328 424 340 432 319 40815 320 433 343 425 327 42520 331 414 345 429 334 417Tabel 4Buigtreksterkte in kgflcm2van mortel-prisma's volgens DIN 1164 als functievan het pigmentgehalte% pigment Uzeroxyderood 180 Uzeroxydezwart 318 Uzeroxydegeel 9207 dagen 28 dagen 7 dagen 28 dagen 7 dagen ; 28 dagen0 68 78 68 78 68 781 66 82 68 83 68 822 68 77 68 82 72 874 70 84 67 86 68 876 66 80 66 74 66 858 68 87 68 76 62 7510 71 78 73 77 61 7715 70 75 68 76 60 8020 69 73 74 72 67 74Tabel 5Druk- en buigtreksterkten van beton meteen maximale korrelgrootte van 15 mm bijgebruik van 5% pigmentPigment (5%) Hoogovencement 275 Portlandcement 275druksterktekgf/cm2buig-treksterktekgf/cm2druksterktekgf/cm2buig-treksterktekgf/cm2zonder pigmentijzeroxyderood 222ijzeroxyderood 180ijzeroxydezwart 318ijzeroxydegeel 42042244744143240763646960654655455155284286765656465*W.AIbrecht, Strasse und Autobahn, 429(1959)omdat dit pigment in vergelijking met rooden zwart een duidelijk hogere waterabsorb-tie heeft. Toch wordt de verdichtbaarheidvan de standaardmortel ten gevolge van derelatief hoge water-cementfactor praktischniet be?nvloed, zelfs wanneer men 20% pig-ment toevoegt.Bovendien werd de invloed van toevoegingvan pigment op de druksterkte-eigenschap-pen in een voor betonnen straatstenen ge-bruikelijke samenstelling onderzocht. (340 kgcement/m3, 55% rijnzand 0-3 mm, 20% rijn-grind 3-7 mm, 25% rijngrind 7-15 mm). Om-dat geen verdichtingsinstallaties ter beschik-king stonden, die een verdichten van hetmengsel, zoals dat in de straatstenenindus-trie gebruikelijk ?s, door trillen onder drukmogelijk maken, werd de betonspecie inkubusvormen van 20 ? 20 ? 20 cm, respec-tievelijk balken 70 ? 15 ? 10 cm op een tri I-tafel verdicht.Om daarbij een voldoende verdichting tebereiken was het noodzakelijk, de water-cementfactor, in afwijking van de praktijk,tot 0,45 te verhogen. De proeven werdenmet hoogoven- en portlandcement (Z 275,dat is klasse A) gedaan. De toegevoegdehoeveelheid pigment bedroeg telkens 5%van het gewicht van het cementgehaltevan het mengsel. In de industrie voor be-tonnen straatstenen wordt over het alge-meen met geringe hoeveelheden pigmentgewerkt. Tabel 5 geeft de resultaten van de28-daagse druk- en buigtreksterkte van dekubussen aan. Het gaat hier om de gemid-delde waarden van 4 kubussen en 2 balken.De -kubussen werden 7 dagen onder waterbij ca. 20 ?C en 21 dagen in de lucht bijca. 20 ?C en 65% relatieve luchtvochtigheid,de balken 28 dagen onder water bij ca.20 ?C opgeslagen.De verkregen waarden tonen aan, dat bijhoogovencement praktisch geen verande-ring van de druksterkte optreedt, bij port-landcement daarentegen een duidelijke ver-hoging waar te nemen is. Alleen bij geelijzeroxyde liggen de druksterkten ongeveer5-10% beneden die van de controlemeng-sels. Dit kan men daaruit verklaren, dat,zoals reeds vermeld werd, het gele ijzer-oxyde een relatief hogere behoefte aanwater heeft. Het mengsel is daardoor drogeren kan daarom moeilijker verdicht worden.Bij de buigtreksterkten is daarentegen nocheen positieve noch een negatieve invloed bijalle pigmenten te constateren.Overeenkomstige resultaten kregen zowelwij als Albrecht *) bij onderzoekingen vangekleurd wegenbeton 0-30 mm bij toevoe-ging van pigment tot 10% van het cement-gewichtSamenvattend kunnen wij constateren datzelfs bij relatief grote hoeveelheden pigmenteen negatieve invloed op essenti?le beton-eigenschappen niet valt waar te nemen. Ditgeldt ook voor de vorstbestendigheid, dekrimp- en de elasticiteitsmodulus.Verschillen in kleurschakering bij betonnenstraatstenen kunnen, zoals reeds vermeldwerd, herleid worden tot verschillen in dekleur van het cement of het zand en opCement XX (1968) nr. 6 234Tabel 6Verband tussen de buigtreksterkte na 28dagen en de verhardingsomstandighedenVerhardings-omstandighedenBuigtreksterkte na 28 dagen in kgf/cm2zonder pigment 2% ijzeroxyderood 222 2% ijzeroxyderood 180a. 30 40 47b. 43 45 47c. 74 67 69d. 53 51 62e. 45 40 46f. 55 56 58een onnauwkeurige dosering van het pig-ment. Er zijn evenwel gevallen, waarbij be-paalde kleurverschillen geconstateerd wor-den, hoewel cement, toeslagmaterialen enpigment geen verschil vertoonden. Het isbekend dat beton dat onder verschillendecondities verhardt, verschillende kleurscha-keringen kan hebben. Volgens onze proef-nemingen vinden dergelijke kleurverschillenhun oorzaak in afwijkende verhardingsom-standigheden van de betonstenen. Hiertoewerden de uit ??n en hetzelfde mengselvervaardigde betonnen straatstenen na 24uur ontvormd en aan verschillende verhar-dingsomstandigheden blootgesteld:a. Opslag in de open lucht;b. Opslag in een gesloten ruimte bij ca.20 ?C en 70% relatieve luchtvochtigheid;c. Opslag in water bij ca. 20 ?C;d. Opslag bij 20 ?C in een afgesloten ruim-te, evenwel de eerste 4 dagen met wa-ter nat gemaakt;e. 6 uur bij 60 ?C met stoom verhard endan in de open lucht;f. 6 uur bij 60 ?C met stoom verhard, danopslag in gesloten ruimte bij 20 ? en70% relatieve luchtvochtigheid.Na 28 dagen werden de stenen (telkens4 stuks) bij gelijke omstandigheden in eengesloten ruimte opgeslagen om gelijkmatigte drogen. Daarna werd de kleur van deafzonderlijke stenen beoordeeld. Hierbijbleken inderdaad, al naar gelang de verhar-dingscondities, enigszins verschillende kleu-ren te voorschijn te komen. Men kon consta-teren dat de kleuren van de met ijzer-oxyderood 222 (rood) en ijzeroxyderood 180(paars) gekleurde stenen, wanneer men zeopslaat in water, respectievelijk in het beginnat maakt, iets bruiner zijn dan de andere.Ook deze laatste lieten al naar gelang dewijze van behandelen kleurverschillen zien,die evenwel niet zo duidelijk waren alsbij de proefserie en d.Overeenkomstig de verhardingsconditieszijn de stenen zoals te verwachten viel,verschillend in hun buigtreksterkte. Dezewaarden kunnen evenwel geen aanspraakmaken op grote exactheid, omdat deze proe-ven met een water-cementfactor van 0,38,die met de praktijk overeenkomt, gedaanwerden en daarom om reeds genoemderedenen een optimale verdichting niet mo-gelijk was. Het ging bij deze proefserieook in de eerste plaats om de mogelijkekleurafwijkingen bij de verschillende ver-hardingscondities.Zoals in tabel 6 is vermeld, zijn er binnende afzonderlijke proefserie geen verschil-len tussen de ongekleurde en gekleurdebetonnen straatstenen.b. Geprefabriceerd betonDe bouwwijze met geprefabriceerde onder-delen van beton bevindt zich in alie Euro-pese landen in een snelle evolutie.Men heeft ingezien dat het bouwen metgeprefabriceerd beton vooral bij seriebouwkostenbesparing kan opleveren, dat debouwtijden worden verkort en dat de win-terperiode meer benut kan worden dan totnu toe. Bij de vormgeving van de buiten-kant van de van nature grijze geprefa-briceerde onderdelen worden zeer verschil-lende methoden gebruikt. In hoofdzaak gaathet hier om een afdekking met baksteenof moza?ek, uitgewassen beton met specialetoeslagmaterialen of veelal slechts om hetverven van beton.Deze proc?d?s zijn ofwel duur, ofwel deduurzaamheid laat, gemeten naar de le-vensduur van het geprefabriceerde betonte wensen over en vereist daarom loon-intensief onderhoud.Doch ook het probleem om betonnen gevel-elementen in kleur uit te voeren kan wordenopgelost door het beton direkt te kleurenmet anorganische pigmenten. Daardoorwordt een duurzame en tegelijkertijd goed-kope vormgeving van het oppervlak van ge-prefabriceerd beton bereikt. In dit opzichtzijn al verschillende veelbelovende initiatie-ven ontplooid, die laten zien, dat het bouwenmet gekleurd, geprefabriceerd beton nieuwemogelijkheden van architectonische vormge-ving meebrengt. Daarbij blijken bepaaldeoppervlakstructuren bijzonder geschikt tezijn.Bij uitgewassen beton worden door het toe-voegen van pigment nieuwe en veelzijdigevariaties geboden, die tot nu toe alleen inbeperkte mate door het gebruik van meestaldure toeslagmaterialen verkregen kondenworden. Zo kunnen reeds met rijngrind ofbazalt en ijzeroxyderood, -geel, -zwart ofchroomoxydegroen zeer interessante opper-vlakeffecten worden bereikt.Voor het vervaardigen van gekleurd beton,maakt het in principe niets uit of men meteen positief proc?d? of met behulp vaneen bindingsvertrager met een negatief pro-c?d? werkt. Daarbij is het reeds voldoendealleen de toplaag tot een diepte van 4-5cm te kleuren. Opdat de gekleurde cement-mortel bijzonder goed tot uitdrukking komt,is het aan te bevelen, met een discontinuekorrelverdeling te werken.Voor het optreden van kalkuitslag hoeft menbij deze soort oppervlakstructuur niet bangte zijn. Deze is nauwelijks waarneembaar,vooral omdat een behandeling met 3-5%zoutzuur van de platen na 1-3 dagen,aan te bevelen is. Daardoor wordt de dunnecementhuid die op de stenen vastzit,verwijderd, waardoor een betere contrast-werking tussen de toeslagmaterialen en decementmortel wordt bereikt. De pigmen-ten zijn voor een dergelijke zuurbehandelingin de aangegeven concentratie niet gevoe-lig. Talrijke uitgevoerde objecten bewijzen,dat het vervaardigen van gekleurd, uitge-wassen beton met homogene kleurwerking,zelfs bij zeer grote geprefabriceerde onder-delen mogelijk is.Hetzelfde geldt voor zichtbeton, dat nader-hand wordt gezandstraald. Daardoor kun-nen ongelijkmatigheden, die bij het makenvan zichtbeton met gladde bekisting vaakniet te vermijden zijn, worden gecorrigeerden zeer contrastrijke oppervlakstructurendoor de kleur worden bereikt. Er is bij talvan proeven gebleken, dat men niet bangbehoeft te zijn voor verkleuren achteraf,bij voorbeeld door kalkuitslag, mits hetzandstralen pas enige dagen later gebeurt.Eveneens bleken ook andere oppervlakbe-handelingen, zoals bij voorbeeld de bezem-veegstructuur bij het kleuren van geprefa-briceerd beton zeer goed te voldoen.Een omvangrijk programma van zeer zuiveresynthetische anorganische pigmenten om be-tonprodukten te kleuren wordt tegenwoordigdoor de industrie in een constante kwaliteitvervaardigd. Toepassing in de betonindustrieis, aangezien zich geen principi?le moeilijk-heden voordoen, louter een kwestie vanstandpunt: of men begeeft zich op het aan-trekkelijke terrein van gekleurd beton, ofniet. Het beetje extra moeite en zorg wordtbeloond door de stijgende populariteit vangekleurd beton en de daarmee stijgendeomzet van de betonfabrikant.Cement XX (1968) nr. 6 235