Wybarwienie betonu

Barwienie betonu pojawiło się wraz z rozwojem technologii spoiw cementowych jako alternatywa do szarego, najpopularniejszego obecnie budulca. Barwniki przez ludzkość wykorzystywane były od zarania dziejów. Były to przede wszystkim naturalnie występujące substancje używane do zmiany otaczającego świata, wykorzystywane do drugiej połowy XIX w. Do końca tego wieku naturalne pigmenty żelazowe praktycznie zaspokajały ówczesne potrzeby.

Po 1855 r. zaczęto produkować pierwsze barwniki syntetyczne. Od tamtego czasu stosuje się prawie wyłącznie ten typ pigmentów. Z początkiem XX w. zaczęto uruchamiać na skalę przemysłową produkcję syntetycznych tlenków żelazowych. Większość obecnie produkowanych barwników syntetycznych powstaje w Chinach. Syntetyczne pigmenty żelazowe można otrzymać na drodze jednego z trzech następujących procesów lub ich kombinacji:

– procesy reakcji w stanie stałym – w których, najczęściej podczas kalcynacji, otrzymuje się czerwienie, kolory brunatne i czernie;

– wytrącanie i hydroliza roztworów soli żelaza [metody strąceniowe] – w tych procesach otrzymuje się żółcienie, oranże, czerwienie i czernie;

– proces Lauksa wykorzystujący tlenki żelaza powstałe w wyniku redukcji żelazem aromatycznych związków nitrowych; dalsza obróbka powstałych tlenków pozwala otrzymać żółcienie, czerwienie i czernie.

Barwniki obecnie można klasyfikować zarówno ze względu na ich skład chemiczny, jaki i dostępną w sprzedaży formę.

Biorąc pod uwagę „chemię”, rozróżniamy następujące rodzaje barwników:

Tlenki żelaza, czyli związki żelaza o różnym stopniu utlenienia, obecnie najczęściej wykorzystywane środki do barwienia. Wśród tlenków żelaza o różnym składzie chemicznym rozróżniamy barwniki żółte, czerwone, brązowe oraz antracytowe (czarne). W zależności od metody produkcji uzyskuje się różne odcienie barw. Do zalet tlenków żelaza można zaliczyć:

– wysokie i bardzo wysokie odporności na światło i warunki atmosferyczne;

– szeroki zakres odporności na temperaturę;

– dobrą i bardzo dobrą dyspergowalność w wielu mediach;

– silne pochłanianie promieni UV;

– nietoksyczność;

– stosunkowo niską cenę.

Sadza techniczna, czyli wysokiej jakości pochodna węgla. Bardzo często wykorzystuje się ją do barwienia betonu na czarno. W tym celu stosuje się niestety mało trwały, specjalnie przygotowany węgiel, zwany potocznie sadzą techniczną. W betonach architektonicznych zastosowanie sadzy powoduje brudzenie powierzchni przy kontakcie ze skórą. Jednym z rozwiązań jest zastosowanie barwników płynnych przygotowanych na bazie tlenków żelaza i modyfikowanej sadzy technicznej, co pozwala zwiększyć trwałość wybarwiania i uniknąć zabrudzeń powierzchni. Na rynku występują również sadze techniczne o większych cząsteczkach, przez co są trwalsze z punktu widzenia wypłukiwania cząsteczek z matrycy cementowej.

Tlenki chromu to grupa tlenków chromu, która powoduje zielone wybarwienie. Pigment ten jest coraz częściej wykorzystywany w elementach architektonicznych oraz kostce brukowej ze względu na skojarzenia z ekologią oraz coraz większe wymagania estetyczne. Trendy i wyobraźnia architektów powodują, że zielone barwniki zyskują znaczny udział w ogólnej produkcji barwionych betonów.

Tlenki tytanu to dwutlenek tytanu wykorzystywany do produkcji białego barwnika, zazwyczaj wykorzystywany jest do elementów bardzo jasnych. Samo zastosowanie białego cementu powoduje, że elementy uzyskują zazwyczaj barwę ecru (kości słoniowej) ze względu na kolor kruszywa. Efekt ten jest widoczny zwłaszcza w betonach wibroprasowanych, przez co stosuje się do białych elementów dodatkowe barwienie pigmentem. Inne zastosowanie to rozjaśnianie szarego cementu dwutlenkiem tytanu w płytach architektonicznych. W określonych przypadkach rozwiązanie to daje korzystniejszy aspekt ekonomiczny niż zastosowanie białego cementu i przyciemnianie czarnym barwnikiem.

Tlenki kobaltu to najdroższy barwnik występujący na rynku. Stosowany w elementach dwuwarstwowych lub cienkich elementach architektonicznych. Większość tlenków kobaltu dostępnych na rynku w połączeniu z białym cementem pozwala uzyskać piękny błękitny kolor.

Jak wspomniałem, wśród barwników do betonu rozróżniamy wiele form gotowych produktów mających na celu ułatwienie procesów technologicznych. Rolą producentów jest takie przetworzenie surowca, aby ułatwić aplikację producentom betonu. Odpowiednio do zastosowanej technologii na rynku dostępne są różne produkty. Barwniki (pigmenty) proszkowe stanowią bazę do produkcji past oraz granulatów. W podstawowej formie wykorzystywane coraz rzadziej ze względu na higienę aplikacji (zapylenie). Muszą być przechowywane w suchych warunkach. Wilgoć wpływa na zbrylanie, co utrudnia późniejszą homogenizację pigmentu w betonie. Powstające grudki są często powodem reklamacji. Homogenizacja trwa zazwyczaj dłużej, co należy uwzględnić w procesie technologicznym. Dozowanie tej formy to 3-5% w stosunku do masy środka wiążącego. Barwniki płynne (pasty) to najpopularniejsze obecnie rozwiązanie wśród barwników ze względu na łatwość dozowania, czas homogenizacji oraz czystość aplikacji. Do produkcji używa się różnego rodzaju dyspergatorów, które dodatkowo zwiększają moc barwiącą pigmentu. Wadą jest niestety brak odporności na niskie temperatury (przemrożenie), ryzyko sedymentacji oraz mniejsza odporność na skażenia biologiczne. Pomimo tych wad producenci się decydują na stosowanie past z powodu wskazanych zalet. Dozowanie tej formy to 4-6% w stosunku do masy środka wiążącego.

Granulaty to najnowsza forma występowania barwników. W procesie granulacji powstają stosunkowo mało pylące małe kuleczki barwnika przewyższające właściwościami pigmenty proszkowe. Do produkcji używane są również dyspergatory mające na celu poprawienie właściwości homogenizacyjnych. Dozowanie tego typu barwników odbywa się metodą wdmuchiwania za pomocą specjalnych systemów dozujących. Rozwiązanie to jest popularne w nowo powstających zakładach ze względu na łatwość i komfort przechowywania.

Podczas barwienia betonu bardzo ważne role odgrywają:

– Homogenizacja barwnika, która w mieszance betonowej jest podstawowym czynnikiem wpływającym na wysoką jakość barwionego betonu. Ujednolicanie się suchszych mieszanek trwa nieco dłużej. Na ten proces wpływają głównie takie czynniki, jak: czas, stosunek wody i cementu, krzywa uziarnienia oraz sposób mieszania. Na rynku dostępne są specjalne mieszalniki o układzie mieszadeł pozwalających na szybką i skuteczną homogenizację. Przy braku odpowiedniej homogenizacji czasami z granulatów (zwłaszcza w elementach wibroprasowanych) powstają smugi wyglądające jak komety.

– Kolejność dozowania – ogólnie przyjęte zasady i praktyka, które nakazują jak najdłuższy czas mieszania barwnika w mieszance, dlatego zazwyczaj barwniki dozuje się na kruszywo, wstępnie rozcierając i ujednolicając mieszankę. Dodanie barwnika na końcu procesu mieszania wydłuża znacząco proces technologiczny. Zazwyczaj producenci pigmentów zalecają minimalny czas mieszania wynoszący 45 sekund.

W zależności od przeznaczenia produktu końcowego i walorów estetycznych zastosowanych procesów technologicznych przy barwieniu betonu rozróżnia się następujące formy barwienia:

Barwienie w masie jest najtrwalszym rozwiązaniem. W miarę postępującej degradacji betonu matryca cementowa jest trwale zabarwiona. W tym przypadku istotne jest zastosowanie odpowiednich kruszyw. Producenci stosują do szlachetnych wyrobów kruszywa o tym samych kolorze co zabarwiona matryca. Pozwala to na trwałe utrzymanie kolorystyki pierwotnej w miarę postępującej degradacji elementu przez ścieranie. Barwienie powierzchniowe jest ekonomicznie uzasadnione, lecz najmniej trwałe ze względu na zagrożenie ścieraniem. Najczęściej związane jest to z wcieraniem barwnika we wczesnym etapie wbudowywania mieszanki lub z zastosowaniem żywic (spoiw) mających na celu utrwalenie połączenia pigmentu z warstwą betonu. Elementy dwuwarstwowe to najpopularniejsze rozwiązanie w elementach wibroprasowanych. Barwiona jest tylko warstwa fakturowa (licowa), która stanowi do kilkunastu procent grubości elementu. Barwienie w masie tylko górnej warstwy pozwala na spore oszczędności, dzięki czemu producenci decydują się na zastosowanie droższych rozwiązań (wysokiej jakości barwniki, domieszki uszczelniające oraz impregnację). Największą zaletą barwienia jest oczywiście aspekt estetyczny. Moda oraz coraz wyższe wymagania klientów wymuszają na projektantach stosowanie pełnej gamy kolorystycznej. Dotyczy to również betonu, który obecnie może być barwiony na dowolny kolor, a jedynym ograniczeniem są koszty. Wśród wad można z pewnością wymienić większe oczekiwania w stosunku do elementów barwionych. Jeżeli klient decyduje się na zastosowanie betonu barwionego, zazwyczaj stawia wygórowane wymagania wobec walorów estetycznych, takich jak m.in. trwałość wybarwienia, jednolitość, głębia koloru. Zwykle uzyskana kolorystyka odpowiada pastelowym odcieniom, co powoduje, że trzeba stosować dodatkowe zabiegi poprawiające wy- barwienie, głównie przez stosowanie preparatów impregnujących.

Na uzyskanie kolorystyki odpowiedniej dla wymagań klienta wpływ ma wiele czynników, które wykorzystywane są w procesie produkcji elementów betonowych i betonu.

Cement i jego kolor własny, rozciągający się od białego poprzez jasnoszary aż do ciemnoszarego, ma decydujący wpływ na efekt końcowy zabarwienia betonu. Zwłaszcza w przypadku barwienia na kolory jasne (żółty, pomarańczowy, zielony i niebieski) warto się zastanowić nad stosowaniem cementu białego lub cementów z dodatkami mineralnymi rozjaśniającymi barwę.

Barwniki się dozuje w odpowiednim w stosunku do masy spoiwa, dlatego im więcej cementu w metrze sześciennym betonu, tym większą ilość pigmentu wprowadzamy do mieszanki betonowej. Konsekwencją tego jest dokładniejsze otoczenie ziaren kruszywa przez zaczyn i tym samym pełniejsze wybarwienie betonu. Kruszywa – przy ich użyciu obowiązuje zasada, że do jasnych kolorów należy stosować jasne kruszywa. Wyjątek stanowi celowe kontrastowanie jasnego koloru barwnika i ciemnego kruszywa (np. barwnik żółty i ciemne kruszywo bazaltowe).

Dodatki stosowane do produkcji betonu ze względu na zawartość procentową wpływają znacząco na kolorystykę. Mikrokrzemionka pogarsza wybarwienie ze względu na wielkość cząsteczek, zazwyczaj przyciemnia barwę, co należy uwzględnić w wysokojakościowych betonach architektonicznych z użyciem tego dodatku. Mączkę wapienną wykorzystuje się najczęściej do rozjaśnienia elementów. Popiół lotny krzemionkowy, ze względu na zawartość niespalonego węgla, przyciemnia kolorystykę. Stosunek wodno-cementowy w zależności od wartości wpływa na kolor betonu. Zjawisko to występuje zarówno w betonach szarych, jak i kolorowych. Im wyższy wskaźnik wodno- -cementowy, tym beton stwardniały jest jaśniejszy. Spowodowane jest to odparowywaniem większej ilości wody z betonu w trakcie dojrzewania, czego konsekwencją jest powstawanie porów kapilarnych, które silniej rozpraszają światło niż otaczający je beton. W efekcie beton wydaje się jaśniejszy.

Domieszki, a wśród nich:

– Plastyfikatory, które mają na celu lepsze zhomogenizowanie mieszanki, dlatego w przeważającej większości przypadków wpływają korzystnie na efekty barwienia betonu. Coraz częściej stosowane superplastyfikatory redukują znacząco ilość wody potrzebnej do uzyskania odpowiedniej konsystencji. Spadek stosunku wodno-cementowego należy uwzględnić w procesie projektowania.

– Uszczelniacze coraz popularniejsze domieszki uszczelniające (hydrofobizujące) spowodowały spore zmiany w podejściu do barwienia betonu. Głównie ze względu na redukcję wykwitów wapiennych decydujących o odbiorze kolorystyki w ciemnych elementach. Przez zmniejszenie występowania białych nalotów powodują głębsze przede wszystkim ciemniejsze wybarwienie jakże popularnego betonu w kolorze czarnym czy brązowym.

Warunki dojrzewania – wpływ klimatu, w którym dojrzewa beton, jest najbardziej widoczny na elementach wibroprasowanych. Dojrzewają one w otoczeniu powietrza w specjalnych komorach. W zależności od tego, jaka jest temperatura powietrza oraz wilgotność, uzyskujemy różną kolorystykę gotowego wyrobu. Obecnie komory klimatyczne wyposażone są w automatyczne sterowanie mające na celu wyrównanie warunków cieplno-wilgotnościowych. Niska temperatura w trakcie dojrzewania powoduje zwiększenie intensywności wybarwienia gotowego wyrobu. Powoduje również wolniejsze wiązanie, co ma bezpośredni wpływ na skurcz betonu, w tym mikropęknięcia. Zbyt wysoka wilgotność powietrza (powyżej punktu rosy) w trakcie dojrzewania może doprowadzić do powstawania wykwitów wapniowych i mniejszej intensywności wybarwienia.

Warunki eksploatacji w bezpośredni sposób wpływają na kolor gotowego wyrobu, ulegając zmianom w trakcie eksploatacji ze względu na następujące czynniki: wykwity wapienne, ciągły proces hydratacji cementu, ścieranie warstwy fakturowej, jak również wnikanie w pory zanieczyszczeń z pyłów. Te ostatnie w zależności od średnicy są w stanie na stałe zmienić kolorystykę, wnikając w porowatą strukturę betonu. Objawiają się zazwyczaj żółtymi przebarwieniami. Są również trudne do usunięcia z powierzchni. Ma to szczególne znaczenie dla klientów indywidualnych.

Wykwit wapienny jest szczególnie widoczny na ciemnych elementach. Ze względu na kolorystykę wykwitów są one szczególnie dokuczliwe na powierzchniach o czarnym zabarwieniu. Rozróżniamy dwa rodzaje wykwitów: pierwotny oraz wtórny. O ile ten pierwszy jest równomierny w swoim zakresie, o tyle wtórny jest bardzo dokuczliwy i trudny do usunięcia.

W Unii Europejskiej obowiązuje norma EN 12878 Pigmenty do barwienia materiałów budowlanych opartych na cemencie i/lub wapnie – Wymagania i metody badań. Jest to podstawowy dokument dla producentów barwników pozwalający na ujednolicenie metod badawczych oraz kontrolowanie jakości wyrobów.

Moc barwiąca. Badanie to się przeprowadza w celu weryfikacji skuteczności barwienia przy niskich dozowaniach barwnika, np. 0,5%. Jest to metoda, która pozwala precyzyjnie określić skuteczność bez skomplikowanych metod komputerowych stosowanych na co dzień w zakładach produkujących barwniki. Szczegóły tej metody są opisanie w normach; obecnie badanie mocy barwiącej jest stosunkowo rzadko stosowane. Straty prażenia. Badanie straty prażenia pomaga w prosty sposób określić zawartość sadzy technicznej w barwnikach czarnych. Tlenki żelaza wysokiej jakości mają ubytki podczas prażenia nie większe niż kilka procent. Czysta sadza techniczna spala się prawie całkowicie. Ze względu na stosunek ceny sadzy do tlenków metoda prażenia jest dobrym rozwiązaniem do weryfikacji jakości i trwałości, która została opisana w dalszej części artykułu.

Spektofotometria to obecnie najpopularniejsza metoda określenia wy- barwienia betonu stosowana w zakładowej kontroli produkcji. Za pomocą tzw. kolorymetrów i odpowiedniego oprogramowania określa się precyzyjnie parametry, takie jak: jasność koloru, proporcje między bazowymi kolorami (żółty, czerwony, niebieski) oraz stosunek wybarwienia do wzorca wykorzystywanego w celu zapewnienia powtarzalności.

Barwniki ze względu na rozmiar cząsteczek są wypełnieniem w matrycy cementowej. Tlenki żelaza mają większy rozmiar niż sadza techniczna, przez co są trudniejsze do wypłukania. Dla trwałości barwnika bardzo ważna jest trwałość samej matrycy cementowej. Jeżeli beton będzie porowaty, a jego nasiąkliwość duża, to żywotność barwienia drastycznie spadnie. Dodatkowo niszczejąca struktura betonu powoduje, że kruszywo bierze znaczący udział w odbiorze kolorystyki. Przykładem może być beton poddany intensywnemu ścieraniu. Często do betonów kolorowych wykorzystuje się kruszywo o tej samej barwie, np. do czarnego betonu – czarny bazalt. Bardzo często wykwit wapienny (występujący jako naturalny efekt procesów hydratacji cementu) mylony jest z pojęciem płowienia barwnika. Różnice widać przy prostej analizie mikroskopowej. Niestety producenci betonu muszą edukować klientów w zakresie reakcji zachodzących w betonie, gdyż odbiorcy kolorowych betonowych elementów traktują kwestie estetyczne za najważniejszy aspekt. W tym celu dostawcy kolorowych rozwiązań muszą się decydować na dodatkowe zabiegi zabezpieczające powierzchnię przed utratą żywej barwy. Najskuteczniejszym i najprostszym sposobem na ożywienie barwy betonu jest jego zmoczenie. W języku handlowym na co dzień spotykane jest określenie „efekt mokrego betonu”. Reklamacje klientów często dotyczą właśnie tego efektu. W tym celu producenci impregnatów/żywic dostarczają na rynek gotowe produkty mające na celu trwałe uzyskanie żywej barwy. Odwrotnym sposobem na jednostajną kolorystykę jest zastosowanie silnych impregnatów hydrofobizujących mających na celu niedopuszczenie do zwilżenia matrycy cementowej. Pozwala to na uzyskanie stałej pastelowej barwy barwionego betonu.

Barwienie betonu jest popularne ze względu na coraz większe wymagania estetyczne inwestorów.

W dzisiejszych czasach świadomość projektantów oraz doświadczenia producentów pozwalają na wykonywanie betonów o dowolnej kolorystyce i właściwościach. Kierunek ten będzie się rozwijał wraz z popularnością betonu jako materiału do wykonywania elementów wykończeniowych i dekoracyjnych w otaczającym nas świecie.

Trendy kolorystyczne są w ścisłej mierze uzależnione od panującej mody, która w nierozerwalny sposób przenika do każdego aspektu życia konsumentów, w tym także wpływa na beton. Od kilku lat najpopularniejszym kolorem wśród producentów betonu i elementów betonowych jest czarny i jego odcienie.

Rafał Lewandowski

technolog betonu

Schomburg Polska