Neue Betontechnologien und Farbpigmente

Eisenoxidpigmente haben über Jahre in umfangreichen Prüfungen und Bewitterungstests ihre Eignung für die Verwendung in unterschiedlichen Beton-Baustoffen bewiesen. Allerdings erfordert der Einsatz in neuen Betonformulierungen Kenntnisse der Baustoffchemie und der Wechselwirkungen zwischen den unterschiedlichen Rezepturbestandteilen, einschließlich der eingesetzten Pigmente.

Die Farbexperten von Lanxess begleiteten deshalb proaktiv die Entwicklung neuer Betontechnologien hinsichtlich des Einsatzes und der Verarbeitung von Eisenoxidpigmenten in enger Kooperation mit Kunden, Additivherstellern und Universitäten. Dazu steht ihnen ein anwendungstechnisches Baustofflabor und Technikum für Pigmentanwendungen zur Verfügung, das umfangreiche Abtestungen und Analysen der physikalischen Pigmenteigenschaften sowie deren betontechnologische Einflüsse ermöglicht.

Homogene Farbgebung bei selbstverdichtenden Betonen

Selbstverdichtender Beton (SVB) gilt als Mittel der Wahl, um Bauteile mit hochkomplexer Bewehrung zu erzeugen oder wenn besonders hohe Anforderungen hinsichtlich Optik, respektive Haptik der Betonoberfläche gefragt sind. Hier spielen die herausragenden Fließfähigkeiten und die damit einhergehende Selbstentlüftung des SVB eine entscheidende Rolle. Durch diese Eigenschaften erfüllen SVB-Oberflächen bei entsprechender Verarbeitung und Rezeptur höchste Ansprüche bezüglich der gewünschten Sichtbetonklasse. Sie sind porenfrei und homogen.

„In der Praxis zeigte sich jedoch bei unseren Kunden, dass es bei der Einfärbung mit anorganischen Pigmenten zu einer inhomogenen Farbgebung kommen kann“, berichtet Oliver Fleschentraeger, Technischer Service Baustoffe im Lanxess Geschäftsbereich Inorganic Pigments. Als Grund haben die Lanxess-Experten durch intensive Abtestungen das eingesetzte Fließmittel Polycarboxylatether (PCE) als Ursache ermittelt.

Um die Fließeigenschaften des SVB zu gewährleisten, muss die Betonmischung im Vergleich zu Standardbeton-Rezepturen angepasst werden: Nur durch den Einsatz von Fließmitteln können die geforderten Verbesserungen der rheologischen Eigenschaften der Betonmischung erreicht werden. Dabei wird heute vielfach Polycarboxylatether (PCE) verwendet. Das Fließmittel reduziert die inneren Reibungskräfte und sorgt bei sachgerechter Dosierung für die gewünschten Eigenschaften.
Lanxess-Experten fanden jedoch heraus, dass es verstärkt zu Problemen bei der Einfärbung mit Farbpigmenten kommt, je mehr PCE und Wasser der Betonmischung zugesetzt wird. Die Verwendung von PCE hat einen starken Einfluss auf die homogene Verteilung der Eisenoxidpigmente im Zementleim. Dies rührt von Ettringit-Phasen her, die sich teilweise an der Oberfläche anreichern, und führt zu massiven Farbabweichungen. Zusammen mit externen Instituten haben die Pigment-Experten von Lanxess im Rahmen umfangreicher Laboranalysen einen Weg gefunden, SVB-Betonrezepturen so zu optimieren, dass eine einheitliche Farbgebung erzielt werden kann.

  Ein weiteres Beispiel eines laufenden Forschungsprojekts bei Lanxess ist der Einsatz von zement-reduzierten Klinkern, die durch alternative Bindemittel erzeugt werden können.

Geopolymere statt Zement – eine Herausforderung für Farbpigmente

Diese Bindemittel erlauben eine weniger CO₂-intensive Herstellung als bei herkömmlichem Zement. Zu diesen möglichen Alternativen gehören, neben den bereits bekannten alkalisch aktivierten Materialien, die Gruppe der Geopolymere, zu denen auch Metakaolin oder Ton zählen.

Die Problemstellung erläutert Fleschentraeger wie folgt: Metakaolin als auch Ton ist ein feines Material und daraus hergestellte Geopolymere unterscheiden sich in der Verarbeitung mit Eisenoxidpigmenten. Der Unterschied: Alkalisch aktivierte Materialien wie Hüttensande und Aschen zeichnen sich durch ihre puzzolanischen Eigenschaften aus, welche über die im Beton bekannten klassischen CSH-Reaktionen (Calcium-Silikat-Hydrat-Phasen) verfügen. Aufgrund ihres elektrischen Potenzials können sich die Eisenoxidpigmente an die entstehenden CSH-Phasen dauerhaft anbinden.

Im Gegensatz dazu bilden die Geopolymere in einer Art Kondensationsreaktion eine netzartige Struktur ohne Ladungspotenziale aus. Daraus ergibt sich ein negativer Effekt hinsichtlich der dauerhaften Bindung des Eisenoxidpigments im Beton. Die Pigmente werden im neutralen Netz der Geopolymer-Reaktion nur noch sterisch gehindert und besitzen damit keine dauerhafte Fixierung im Beton.

Derzeit arbeiten die Pigmentexperten von Lanxess in Zusammenarbeit mit Kooperationspartnern aus der Industrie und externen Instituten im Rahmen einer Studie daran, auch für diese Problemstellung eine Lösung zu finden. Die Ergebnisse werden voraussichtlich Ende 2024 veröffentlicht.

Additive Fertigung im Bauwesen – 3D Druck in Farbe

Und auch im auf dem relativ jungen Gebiet der 3D-gedruckten Betonanwendungen wird Farbe zum Thema. „Derzeit ist Grau die vorherrschende Farbe . Fundierte Erfahrungen über den Einfluss von Eisenoxidpigmenten im Rahmen dieser Prozesstechnologie fehlen vielfach“, sagt Fleschentraeger. Denn in der additiven Fertigung kommen komplexe Betonformulierungen unter Verwendung neuer Additive zum Einsatz. Und auch hier gilt: Eisenoxidpigmente interagieren aufgrund ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften mit dem System.

Lanxess untersucht derzeit zusammen mit Forschern der TU Dresden in einem Gemeinschaftsprojekt die grundsätzliche Eignung seiner Eisenoxidpigmente in der Verwendung von Layer-to-Layer-Druckverfahren. Der Schwerpunkt des ersten und abgeschlossenen Forschungsabschnitts lag auf der Bewertung der generellen betontechnologischen sowie der spezifisch von 3D-Betonen geforderten Eigenschaften wie Fließverhalten, Aushärtung, Druckfestigkeit und Erstarrung.

Die Abtestung erfolgte dabei durch die TU Dresden in den gängigen 3D-Betonformulierungen für den hochauflösenden 3D-Druck und den 3D-Druck mit Betonen nach DIN-Vorgabe. Zum Einsatz kamen dabei Rotpigmente, die Lanxess im eigenentwickelten Laux-Verfahren herstellt. „Im Rahmen der gemeinsamen Forschungskooperation erwiesen sich diese Rotpigmente aufgrund ihrer Farbkonstanz, Farbentwicklung und Homogenität als besonders geeignet für die Herstellung eines 3D-druckfähigen Betons, berichtet Fleschentraeger.