Pigmentierung von Zement und/oder kalkgebundenen ... - Bauverlag

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wichtiges Anwendungsgebiet für Pigmente werden, um die Umwelt schöner zu gestalten ohne dem Hersteller mehr Probleme zu bereiten. Thema: Ausblühungen Trotz aller Neuentwicklungen aus dem Pigmentbereich sind Probleme bei der Herstellung von jeder Art Beton oft vorgezeichnet. Dabei klingt es so einfach: Sand und Zuschlagsstoffe werden (mit oder ohne Pigment) mit Zement und Wasser gemischt, verdichtet, anschließend lässt man abbinden und aushärten. Selbst dieser einfache Vorgang enthält bereits viele Möglichkeiten, unbefriedigende Ergebnisse zu erhalten, z.B.: schlechte Sieblinie der Zuschlagsstoffe, falscher Wasserzementwert, falsches Zementzuschlagsverhältnis, nicht ausreichende Mischzeit um alle Komponenten bestmöglich zu verteilen, unzureichende Verdichtung und noch einiges mehr. Auch wenn man versucht, den Herstellungsprozess von Beton, seine Inhaltsstoffe und seine mengenmäßige Zusammensetzung zu optimieren, es bleibt immer ein wichtiges Problem zurück: Ausblühungen. Ausblühungen treten direkt nach der Produktion auf (primäre Ausblühungen), während der Lagerung auf dem Hof oder nach der Verlegung (sekundäre Ausblühungen), wenn das Betonprodukt der Witterung ausgesetzt wird. Das Ergebnis ist in beiden Fällen das gleiche: grauer Beton zeigt eine ungleichmäßige Oberfläche mit mehr oder weniger ausgedehnten weißen Flächen, farbiger Beton hat neben dieser ungleichmäßigen Oberfläche zusätzlich noch das Problem, dass die Ausblühungen nicht nur die Farbwirkung verschleiern (also einen Verlust an Farbkraft und Brillanz hervorrufen), sondern in einigen Fällen sogar den Farbton verändern können! Damit stellen sich die Fragen: Wodurch werden diese Ausblühungen hervorgerufen, und wie können sie vermieden oder wenigstens auf ein Minimum reduziert werden? Um diese Fragen zu beantworten, muss man in die Chemie von Zement einsteigen. Die chemischen Ursachen Gewöhnlicher Portland Zement enthält vier Hauptkomponenten bzw. Phasen (weniger wichtige zusätzliche Komponenten sind im Folgenden nicht erwähnt, daher ergänzen sich die Prozentangaben nicht zu 100%!): n 60% C 3 S (3 CaO · SiO 2 ) n 11% C 2 S (2 CaO · SiO 2 ) n 11% C 3 A (3 CaO · Al 2 O 3 ) n 8% C 4 AF (4 CaO · Al 2 O 3 · Fe 2 O 3 ) Bereits während dem Mischen aller Betonkomponenten beginnt die Reaktion zwischen diesen Zementkomponenten und dem Anmachwasser: 1 2 (3 CaO · SiO 2 ) + 6 H 2 O f (3 CaO · 2 SiO 2 · 3 H 2 O) + 3 Ca(OH) 2 2 2 (2 CaO · SiO 2 ) + 4 H 2 O f (3 CaO · 2 SiO 2 · 3 H 2 O) + Ca(OH) 2 3 (3 CaO · Al 2 O 3 ) + Ca(OH) 2 + 12 H 2 O f (4 CaO · Al 2 O 3 · 13 H 2 O) 4 (4 CaO · Al 2 O 3 · Fe 2 O 3 ) + 4 Ca(OH) 2 + n H 2 O f 2 (4 CaO · Al 2 O 3 · Fe 2 O 3 · n H 2 O) In den Reaktionen 1 und 2 werden Calciumsilikathydrat- Nadeln gebildet, als Nebenprodukt entsteht Calciumhydroxid, das als Rohstoff für die Reaktionen 3 und 4 dient. Entsprechend der großen Mengen an C 3 S und C 2 S (gesamt 71%) im Portlandzement wird Calciumhydroxid im Überschuss produziert, das von den geringeren Mengen C 3 A und C 4 AF (gesamt 19%) nicht komplett verbraucht werden kann. Auch wenn in den Reaktionen 1 und 2 nur 4 Teile Calciumhydroxid gebildet werden, in 3 und 4 aber 5 Teile verbraucht werden, überwiegt doch der Mengenunterschied der Ausgangsstoffe. BFT 7 | 2002 ▼▼▼ 39
▼▼▼ 40 Das gebildete Calciumhydroxid kristallisiert in den Hohlräumen der verfilzten Calciumsilikat-hydrat-Nadeln und dient einer Steigerung der mechanischen Festigkeit des Betonprodukts. Allerdings ist das nicht der einzige Effekt von Calciumhydroxid. Überschüssiges Anmachwasser oder Wasser, das in das Betongefüge eindringt (also z.B. Regen) löst diese Calciumhydroxid- Kristalle auf und transportiert so während des Austrocknens über die Kapillarporen im Beton Calciumhydroxid an die Betonproduktoberfläche, wo es wiederum auskristallisiert. Dies stellt noch kein Problem dar, da Calciumhydroxid transparent ist. Nur reagiert es mit dem Kohlenstoffdioxid der Luft zu weißem kristallinen Calciumcarbonat, Kalk. Das Ergebnis kennt man: wird das Calciumcarbonat während des Abbinde- und Aushärtevorgangs gebildet (Primärausblühung), tritt meist eine streifenförmige Ausblühung auf (weiße Flecken auf horizontalen Oberflächen, weiße Streifen auf vertikalen Oberflächen der Betonprodukte). Sekundärausblühungen dagegen treten meist als Ringausblühung auf, dies meist auf den Oberflächen von Pflastersteinen oder Mauerblöcken, also wie der Name bereits sagt, in Form von weißen oder grauen Ringen. Die Transportwege sind, wie oben bereits erwähnt, die Kapillarporen im Beton. Auch mit optimierten Rohstoffen (hier besonders wichtig: die richtige Sieblinie und ein ausreichender Feinstanteil), dem richtigen Wasserzementwert, optimiertem Mischprozess und gute Aushärte- und Lagerbedingungen ist es unmöglich, Ausblühungen zu eliminieren, da Kapillarporen immer im Beton zu finden sind. Die genannten Optimierungen können Ausblühungen nur reduzieren. Ausblühungen sind eine logische Folge der Zementchemie, also unvermeidbar. Sicherlich möchte der Endverbraucher das schönste und beste Produkt haben, einheitlich in Farbwirkung und auch mit dem gewünschten Farbton, starke Ausblühungen sind daher in jedem Fall zu vermeiden. Dennoch müssen die Hersteller von Pigmenten und Betonprodukten, und, viel wichtiger noch, auch die Kunden akzeptieren, dass Beton nicht ein künstlicher, sondern ein natürlicher Baustoff ist. Im Fall von Holz für den Baubereich (innen wie außen) oder für Möbel werden Farbtonunterschiede ohne Murren hingenommen, da jeder Holz als das typische natürliche Material betrachtet, während Beton immer noch als rein künstlicher Stoff gilt. Es wird sicherlich ein sehr schweres Stück Arbeit, den Endverbraucher vom natürlichen Ursprung des Werkstoffes Bild 1. Gesamter Pigmentverbrauch der Welt im Jahr 2000 (Zahlen in %; andere: Chromgelb, Chromgrün, Ultramarin, Komplexe Anorganische Pigmente, Perlglanzpigmente, Cadmiumgelb, Cadmiumrot); Gesamtmenge circa 35.000.000 Tonnen Fig. 1. Total pigment consumption worldwide in the year 2000 (numbers given in %; others: chrome yellow, chrome green, ultramarine, complex inorganic pigments, pearlescent pigments, cadmium yellow, cadmium red); total amount approx. 35,000,000 tonnes has been exposed to weathering. The result will always be the same: on grey concrete, a not uniform surface with larger or smaller expanses of white. Coloured concrete has the added problem that the efflorescence not only masks the colour effect (i.e. a loss in colour strength and brilliance), but in some cases even changes the colour shade. This gives rise to the questions: What causes efflorescence and how can it be avoided, or at least reduced to a minimum? To answer these questions, the chemistry of cement must be gone into. Chemical background A common Portland cement contains four key ingredients or phases (other ingredients of lesser significance are here not considered so that the percentages given do not add up to 100%): n 60% C3S (3 CaO · SiO2 ) n 11% C2S (2 CaO · SiO2 ) n 11% C3A (3 CaO · Al2O3 ) n 8% C4AF (4 CaO · Al2O3 · Fe2O3 ) Reaction between all of the ingredients and the mixing water begins already during mixing. 1 2 (3 CaO · SiO 2 ) + 6 H 2 O f (3 CaO · 2 SiO 2 · 3 H 2 O) + 3 Ca(OH) 2 2 2 (2 CaO · SiO 2 ) + 4 H 2 O f (3 CaO · 2 SiO 2 · 3 H 2 O) + Ca(OH) 2 3 (3 CaO · Al 2 O 3 ) + Ca(OH) 2 + 12 H 2 O f (4 CaO · Al 2 O 3 · 13 H 2 O) 4 (4 CaO · Al 2 O 3 · Fe 2 O 3 ) + 4 Ca(OH) 2 + n H 2 O f 2 (4 CaO · Al 2 O 3 · Fe 2 O 3 · n H 2 O) In reactions 1 and 2, calcium-silicate-hydrate needles are formed and, as a by-product, also calcium hydroxide, which serves as reactant for reactions 3 and 4. In keeping with the large quantities of C 3 S and C 2 S (in total 71%) in an ordinary Portland cement, calcium hydroxide is produced in excess and cannot be completely used up by the smaller quantities of C 3 A and C 4 AF (in total 19%). Even if in reactions 1 and 2 only 4 parts of calcium hydroxide are formed and in 3 and 4 five parts used up, the difference in quantity of the initial constituents still predominates. The calcium hydroxide that has been formed crystallizes in the cavities of the matted calcium-silicate-hydrate needles and in this way increases the mechanical strength of the concrete product. Unfortunately, however, this is not the only effect calcium hydroxide has. Excess mixing water, or water that has penetrated into the structure of the concrete (e.g. in the form of rain), will dissolve these calcium hydroxide crystals, transporting – through the capillary pores in the concrete (while the concrete is drying) – calcium hydroxide to the surface of the concrete product, where it again out-crystallizes. This in itself is no problem, as calcium hydroxide is transparent. The problem is that it reacts with the carbon dioxide of the air to form white crystalline calcium carbonate: lime. The result is well known: if the calcium carbonate is formed during the setting and hardening process (primary efflorescence), it will appear in form of streak efflorescence (white patches or streaks running down the vertical surface of the concrete product), or in the form of ring efflorescence (most frequently on paving stones or wall blocks as white/grey rings, as the name already denotes). The transport routes, as already described above, are the capillary pores in the concrete. Even with optimised ingredients (most important: the correct particle size distribution of the aggregates with an appropriate amount of fines), the right water/cement ratio, an optimised mixing process and good curing and storage conditions, efflorescence can not be avoided, as there will always be capillary pores in concrete. Optimisation of all processing steps listed above can only reduce efflorescence. Efflorescence must therefore be accepted as a logical BFT 7 | 2002
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