Красящие добавки
Виды добавок. Для
окрашивания бетона используют два основных метода: полного окрашивания массы бетона и поверхностный. При применении поверхностного метода бетон окрашивают после схватывания и твердения. Первый метод предусматривает введение красителя в бетон, когда он находится в пластичном состоянии. При использовании первого метода применяются три вида красителей: природные и синтетические пигменты, многокомпонентные окрашивающие добавки и добавки, окрашивающие строительные растворы.
Многокомпонентные добавки содержат вещества, которые не только принимают участие в окрашивании, но и вступают в химическую реакцию с цементом, воздействуя на реакцию гидратации и морфологию гидратированной фазы. Добавки для (окрашивания растворов содержат не только пигменты, но и увлажняющие агенты и инертные заполнители. Они отличаются и от пигментов, так как являются многокомпонентными, и от многокомпонентных окрашивающих добавок, поскольку не влияют на свойства бетонов как химические добавки, т. е. не вызывают водопонижения и увеличения прочности. Эти материалы нельзя применять для полного окрашивания бетона, так как они уменьшают красящую способность на единицу массы цемента. Поэтому их использование в основном ограничено штукатурными работами. Пигменты или красящие добавки более широко используются, чем добавки для растворов, так как они более экономичны и отличаются более высоким качеством.
Пигмент, применяемый для окрашивания бетона, раствора и цементного теста, представляет собой тонкоизмельченный сухой порошок, а в водной среде — суспензию или шлам. Он не растворяется в воде, инертен к ингредиентам бетона и придает специфическую окраску материалу.
Пигменты, используемые для окраски бетона, являются природными или синтетическими. Синтетические пигменты дают более сочную окраску, причем эта окраска более однородна вследствие одинакового размера частиц.
Несмотря на низкую стоимость природных пигментов, их применение для окраски бетона постепенно сокращается из-за недостаточной чистоты и чувствительности к высокому значению рН среды, что снижает стойкость окраски.
Пигменты в форме шламов или дисперсий используются в трех основных направлениях: для усиления увлажняющих и дисперсных характеристик материалов, содержащих очень мелкие частицы с естественной низкой смачиваемостью; для образования дисперсий с помощью обычно используемого оборудования; для уменьшения вредного воздействия на людей в процессе обращения с тонко-измельченными порошками.
Многокомпонентные красящие добавки продаются как в жидкой, так и в порошкообразной форме. Различные виды красок образуются также путем смешивания двух или более пигментов.
Химические и физические свойства. Пигменты, используемые для окрашивания бетона, включают оксиды металлов, металлоорганические соединения и тонкоизмельченный углерод. Наиболее широко распространены следующие пигменты:
природные или синтетические оксиды железа (коричневый цвет);
синтетический желтый оксид железа (желто-оранжевый и желтый цвет);
синтетический оксид хрома (зеленый цвет);
природные и синтетические оксиды железа (красный цвет); синтетический оксид кобальта и органические пигменты на основе фталоциани новых соединений меди (голубой цвет).
Некоторые химические и физические характеристики пигментов, необходимых для окрашивания бетона и раствора, рассмотрены в технических условиях.
Окраска. Цвет материала определяется тремя характеристиками: преобладающим цветом, интенсивностью или глубиной окраски, которые указывают на чистоту (содержание оксида), и яркостью пигмента. Преобладающий цвет является мерой относительной интенсивности света, отраженного от поверхности окрашенного тела при различных длинах волны видимого спектра. Интенсивность определяет яркость или затемненность окраски. Глубина окраски, или насыщенность, характеризует преобладающий цвет и отражает степень его отличия от серого или нейтрального цвета (черного или белого), т. е. указывает на чистоту пигмента.
Инертность. Пигменты, используемые для окраски бетонов или растворов, не должны вступать в реакцию с составляющими бетона и, кроме того, должны быть устойчивыми к воздействию извести.
Кроющая способность. Это свойство имеет очень большое значение при окраске конструкций, от которых отражается максимум света: самолетных ангаров, полов, поверхностей эстакад или съездов с шоссе.
Кроющая способность зависит не только от таких специфических характеристик пигмента, как показатель преломления, размер частиц, избирательное поглощение света, но и от концентрации пигмента и степени диспергирования в материале. Она увеличивается в следующих случаях:
при большом различии в показателях преломления пигмента и вяжущего;
при уменьшении расстояния между частицами пигмента (т. е. при возрастании концентрации пигмента);
при уменьшении размера частиц;
при уменьшении поглощения света, если используются белые пигменты;
при различном поглощении света, например при применении цветных пигментов.
Способность к увлажнению и диспергированию. В сухом состоянии пигменты существуют в виде агрегированных частиц. Их способность разрушаться и диспергироваться в бетоне, растворе и цементном тесте зависит от степени уменьшения притяжения между частицами. Обычно производители обрабатывают поверхность пигмента, поэтому он быстро увлажняется. Способность к увлажнению усиливается при добавлении увлажняющих или диспергирующих агентов. Однако некоторые исследователи отрицательно относятся к использованию таких увлажняющих агентов.
Водопоглощение.
Водопоглощение определяет количество воды, необходимой для получения цементного теста с определенным содержанием пигмента. При высоких значениях водопоглощения
можно ожидать нарушений реологии теста.
Цветостойкость. Некоторые пигменты под влиянием интенсивного солнечного света подвергаются разрушению ультрафиолетовыми лучами.
Стойкость к тепловому воздействию. Все окрашенные продукты выцветают в автоклаве в основном из-за образования светлых высолов в цементе. Некоторые красители годятся для использования при автоклавной обработке, например черный оксид железа начинает краснеть при температуре около 149 °С, причем степень изменения цвета пропорциональна температуре.
Для получения коричневого цвета применяют черный пигмент в сочетании с красным и желтым, но в большинстве случаев это не удается, и изделия окрашиваются в розовый цвет. Желтые оксиды железа теряют гидратационную воду при температуре 177 °С.
Другие пигменты меняют свою кристаллическую форму и при температурах выше 149 °С либо слегка темнеют, либо вообще теряют свою окраску.
Некоторые производители предлагают специальные красители или особую технику окраски.
Стойкость к воздействию агрессивных химических веществ. Цветные бетоны должны выдерживать воздействие отходящих газов на воздухе, нефтепродуктов, жиров и органических кислот на пищевых предприятиях. В основном химическая стойкость определяется цементирующим вяжущим, однако тип пигмента и его концентрация также должны обеспечивать требуемую техническую стойкость. Например, основные пигменты нельзя применять там, где требуется кислотная стойкость. Органические пигменты, которые выделяются из нефтепродуктов, не следует использовать для полов, стойких к жирам и нефтепродуктам.
Размер частиц. Действие пигмента во многом зависит от размера частиц — их диаметра и удельной поверхности. От диаметра частиц зависит оттенок цвета, поскольку он определяет характеристики рассеивания света и абсорбции. Размер и форма частиц природных и синтетических пигментов определяются их химическим составом, формой кристаллов и методами изготовления.
Изготовление и использование. Природные пигменты получают из мягких пород или залежей глины путем дробления, помола и классификации частиц. Синтетические пигменты производят четырьмя методами: химическим осаждением, плавлением, осаждением из дымовых газов и частичным сжиганием.
Дисперсии пигментов состоят из смесей пигмента с водой, которые могут содержать поверхностно-активное смачивающее вещество. Обычно отношение пигмент : вода колеблется от 1:1 до 1 : 10 по массе в зависимости от используемого пигмента. Водные смеси обычно содержат добавки (сгустители) для предотвращения быстрого осаждения частиц.
Многокомпонентные добавки обычно изготовляют путем смешивания совместимых веществ, состоящих главным образом из синтетических пигментов, водопонижающих добавок, сгустителей и мелких заполнителей, например песка. Красители растворов изготовляют из природных руд низкой окрашивающей способности или из синтетических пигментов, которые разбавляются инертными заполнителями в виде песка или молотого известняка.
Большинство стандартов и технических условий ограничивают допустимое содержание пигмента 10 % от массы цемента. Чаще всего применяют дозу 3—6 %. Для достижения желаемого эффекта пользуются следующими дозировками: 1 % для подкраски, 5 % для получения определенного цвета и 10 % для более глубокого оттенка [32]. Большинство оксидов железа проявляет полную красящую способность при содержании около 7 %.
Такие материалы, как сажа и фталоцианиновые пигменты с высокой удельной поверхностью, используются при более низкой концентрации — от 0,1 ДО 1 %.
Для изделий, подвергаемых пропарке, необходимо использовать стойкие к температуре пигменты и в 3—4 раза увеличивать их концентрацию, чтобы избежать выцветания.
Дозировка. В основном используются три метода дозировки красящих добавок: объемный, весовой (по массе) и дозировка красящих шламов или суспензий по объему.
Хотя методы дозирования большей частью автоматизированы, однако в промышленности практикуется еще введение порошков вручную. Предварительно взвешенное количество или определенный объем порошкообразной добавки, требуемой для замеса, добавляется оператором во время цикла смешивания.
Ручная объемная дозировка порошкообразных добавок не позволяет получить однородные цвета в бетонных изделиях из-за различных количеств пигмента, добавляемого в замесы. Более высокая точность достигается при использовании устройств объемного дозирования сухих материалов. Хотя с помощью оборудования этого типа можно получать одинаковые объемы материалов, точность дозировки в замесах снижается из-за комкования порошков в линии подачи материала. Указанные недостатки порошкообразных материалов обусловливают более широкое применение шламов и Введение добавки. При выполнении работ с цветными бетонами важно соблюдать порядок подачи компонентов бетона. В условиях строительной площадки применяют следующий метод. Цемент и добавки пигмента перемешивают перед замесом. К указанной смеси добавляют сухие заполнители и перемешивают в течение 4 мин. Затем добавляют необходимое количество воды и производят окончательное перемешивание от 3 до 5 мин. При использовании готовой смеси порошковую добавку вводят в цемент. Перед добавкой воды барабан автобетоносмесителя вращается с загрузочной или рабочей скоростью.
Другой метод, применимый в основном для бетонных заводов, состоит в том, что порошок добавки или пигмента вводят в сухой заполнитель и перемешивают 4—5 мин перед подачей воды в смесь.
Пигментные шламы и суспензии добавляют к бетонной смеси, как и обычные жидкие химические добавки, с водой затворения с помощью автоматических дозаторов.
Для суспензий и шламов, хранящихся в цистерне, необходимо обеспечить постоянное перемешивание, чтобы предотвратить оседание пигмента. Разбавление шлама или дисперсии требует применения автоматического дозатора для точного дозирования требуемого количества активного пигмента в бетонную смесь. Кроме того, должен быть установлен автоматический уровнемер расхода воды на нижнем уровне для учета дополнительного количества воды, которая содержится в пигменте.
Для уменьшения изменения цвета от замеса к замесу необходимо тщательно очищать бетономешалку.
Сроки хранения и складирования. Сухие пигменты и красители растворов обычно упаковываются в многослойные мешки определенной массы.
Некоторые многокомпонентные красящие добавки продаются раздельно по компонентам.
Материалы следует хранить в достаточно теплых и сухих помещениях. Жидкие продукты хранят в емкостях, оборудованных системой циркуляции или перемешивания для предотвращения осаждения твердых частиц.
Согласно данным производителя, срок хранения большинства пигментов и порошкообразных добавок составляет 2 года при соблюдении должных условий хранения. Срок хранения жидких шламов или дисперсий пигментов лимитируется 9—12 мес.
Особенности применения. Для получения желаемых оттенков цвета смешивают два или более пигмента. При этом необходимо обеспечить совместимость размеров частиц каждого компонента в смеси. Значительная разница в размерах частиц часто приводит к изменению цвета в связи с тем, что пигмент с частицами большего размера быстрее подвергается воздействию атмосферных условий по сравнению с пигментом с более мелкими частицами. Для достижения лучшего диспергирования частиц и требуемой расцветки необходимо достаточно длительное перемешивание.
При подборе состава смеси, содержащей пигменты, необходимо учитывать, что повышенное содержание воды может оказывать влияние на результаты окрашивания. Следует также учитывать возможный отрицательный эффект, который смачивающие агенты могут оказывать на свойства конечного продукта. Во время хранения не должно происходить оседания частиц.
Чтобы обеспечить стабильность цвета в различных замесах при выпуске готовых смесей, нужно вести постоянный учет времени производства отдельных замесов.
При использовании пигментов и порошкообразных добавок изменения цвета могут происходить при смешивании как старых, так и свежих материалов.
Техника безопасности. Частицы пигмента легко загораются на воздухе и, не будучи токсичными, тем не менее разрушают органы зрения и дыхания. Поэтому над смесителями должны быть установлены воздухопоглотители, чтобы обеспечить допустимый уровень содержания пыли.
Свойства пластичного бетона и раствора.
Удобообрабатываемость.Добавка в размере б % обычно не оказывает существенного влияния на пластичность раствора и удобообрабатываемость бетона. При более высоких дозировках водопотребность увеличивается, что вызывает преждевременное застывание смеси. При использовании синтетических пигментов, содержащих очень мелкие частицы, этот эффект еще более значителен.
Сажа, которая имеет высокую удельную поверхность, оказывает заметное влияние на пластичность. Кроме того, возможно ускорение образования коллоидных структур, влияющих на схватывание смеси.
Характеристики схватывания. Большинство пигментов и красящих многокомпонентных добавок не влияет на сроки схватывания, если их вводят в допустимых дозах.
Содержание воздуха.
Использование сажи и других пигментов с очень высокой удельной поверхностью в бетоне с воздухововлекающими добавками ослабляет действие этих добавок. Большинство имеющихся на рынке пигментов на основе сажи содержит воздухововлекающие добавки.
Водоотделение и осадка. Пигменты и красители растворов, используемые в допустимых дозировках, не влияют на характеристики водоотделения смеси. Если же
многокомпонентные красящие добавки и дисперсии пигментов вводят в больших дозах, чем рекомендуется, или если применяют цементы с низким содержанием С3А, то это может замедлить процессы гидратации смеси и способствовать водоотделению.
Свойства затвердевшего бетона.
Прочности при сжатии и растяжении. При использовании до 6 % добавки большинство неорганических и природных пигментов не оказывают отрицательного воздействия на прочность бетона. Фталоцианиновые пигменты и сажу, которые содержат очень мелкие частицы, применяют при ограниченной дозировке до 3 %, так как они оказывают отрицательное влияние на водопотребность и соответственно на прочности при сжатии и растяжении.
Добавка пигментов оксида железа свыше 10 % и ультрамарина голубого способствует выпуску бетонов с очень высокой прочностью при сжатии. Этот эффект объясняется снижением водоцементного отношения в первом случае и пуццолановым воздействием добавки во втором. Аналогичное влияние оказывают эти добавки на сопротивление износу.
Проницаемость. В результате применения больших дозировок материалов с высокой удельной поверхностью или добавок больших количеств дисперсий пигмента получают бетонную смесь с высоким водоцементным отношением. Проницаемость таких бетонов будет соответственно пониженной.
Факторы, влияющие на окраску бетона.
Условия выдержки. Наиболее заметно влияние атмосферных условий на цветной бетон проявляется в прогрессирующем ослаблении интенсивности цвета и снижении его яркости. Этот эффект усиливается со временем. Сравнительно большие изменения насыщенности и оттенка цвета наблюдаются из-за эрозии поверхностного слоя цемента и обнажения заполнителей. Раствор затем принимает цвет, полученный в результате наложения цветов заполнителей, цементного теста и пигмента. Изменение цвета обычно происходит в направлении к цвету заполнителя. Однако степень его изменения зависит от цвета пигмента. На интенсивность цвета действует также белесый осадок СаСО3, образующийся в результате выщелачивания. Процесс выщелачивания более заметен, если он происходит в цветных изделиях из бетона. Миграция Са(ОН)2 на поверхность и соответствующее образование белесого налета происходят при высоком первоначальном водоцементном отношении или из-за поступления воды от внешних источников.
Для уменьшения выщелачивания принимают следующие меры:
применение составляющих бетона (цемент, песок, вода и пигмент) с минимальным содержанием растворимых солей, например цементов с низким содержанием щелочей и SO2 и мытых заполнителей;
использование комплексных добавок, повышающих водонепроницаемость;
использование быстрого роста прочности бетона за счет применения тонкомолотого цемента;
минимальная затирка поверхности;
использование таких химических добавок, как ВаСО3, для превращения растворимых щелочных солей в нерастворимую форму, например BaS04.
Состав бетонной смеси. Окрашивающее действие пигментов зависит от степени загрязняющего действия цемента и мелких заполнителей в бетонной смеси. Поэтому
содержание цемента и мелких заполнителей оказывает значительное влияние на степень окрашивания бетона. В общем чем выше содержание воды, тем слабее будет окончательная окраска.
Тип цемента. Типы цемента и даже тонкость его помола влияют на интенсивность окраски [39, 43], в основном на ее яркость.
Цвет заполнителей. Цвет заполнителей влияет не только на оттенок свежего бетона, но также определяет степень, в которой цвет изменяется от первоначального из-за воздействия атмосферных влияний. Например, зеленые и красные растворы изменяют насыщенность и оттенок цвета в зависимости от заполнителей, в то время как цвет желтого раствора изменяется незначительно. В цветном бетоне важно подобрать заполнители, цвет которых соответствует цвету цементного теста.
Отделка, очистка и условия выдержки. Абсорбционная способность и жесткость материалов форм влияют на текстуру и цвет фактурных слоев сборного железобетона. Не следует применять для форм материалы с зеркальной поверхностью, так как при этом получается глянцевая поверхность, которая подвержена трещинообразованию. Поэтому предпочтительно применять формы с матовой поверхностью.
Если для смазки форм применяют продукты дистилляции нефти или их водные эмульсии, то это приводит к загрязнению поверхности из-за появления пятен и полос. Предпочтительнее использовать эмульсии типа «вода в нефти» и поверхностно-активные вещества.
Для достижения однородности цвета очень важно последовательное соблюдение режима обработки в начальный период. Не рекомендуется применять покрытия из полиэтилена и материалов подобного типа, так как они вызывают конденсацию и образование пятен. Уход за поверхностью должен быть начат сразу после окончания формования путем использования подходящих покрытий для вертикальных поверхностей или парафиновых составов специально для цветных полов.
Неправильная отделка, например избыточное железнение или проведение отделки после окончания схватывания, приводит к образованию пятен или шероховатости. Внешний вид окрашенного в объеме бетона улучшается при текстурной отделке благодаря повышению отражения света.
Применение цветных бетонов. Окрашенные бетонные блоки используются при устройстве тротуаров, городских автодорог, покрытий дворов и плавательных бассейнов. Декоративные бетонные панели заводского изготовления и панели для козырьков используются в общественных и жилых зданиях. Цветной бетон применяется также для изготовления предупредительных знаков на фабриках, шоссейных дорогах и посадочных полосах аэропортов.