Статья посвящена теоретическим и практическим аспектам объемного окрашивания цементных материалов

В процессе нашей работы мы неоднократно сталкивались с сетованиями наших клиентов и партнеров о том, что при производстве пигментированных цементных смесей (или при работе с такими смесями) сложно добиться постоянства цвета (цвет «плавает» от партии к партии), а так же о том, что цветные смеси очень склонны к высолообразованию.

Для того, чтобы помочь нашим клиентам и читателям решать возникающие у них проблемы, мы решили поделиться нашим опытом и изложить здесь наши подходы к решению вышеуказанных проблем.

Итак, как же добиться от цементных материалов ярких и стабильных цветов?

Прежде, чем перейти к практическим рекомендациям, стоит немного погрузиться в теорию. Это облегчит понимание дальнейшей информации.

Что такое цвет?

Наш глаз способен различать свет с различной длиной волны, который в нашем мозгу преобразуется в цвет. Мы способны видеть (наш глаз способен воспринимать) электромагнитные колебания с длиной волны от 380 до 780 нм. При этом, свет с длиной волны 380-450 нм мы видим как фиолетовый, а с длиной волны 620-780 нм – как оттенки красного. Длины волн, располагающиеся между вышеуказанными мы видим, как оранжевый, желтый, зеленый и т.д. В общем, Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан.

При попадании на окружающие нас предметы свет (электромагнитные волны) претерпевают три вида превращений, которые и определяют то, как мы видим эти предметы: поглощениепреломление и отражение. Здесь мы не будем касаться четвертого превращения – поляризации, так как наш глаз не в состоянии ее распознавать.

Что такое пигменты?

Пигментами мы называем тонкодисперсные порошки с высоким коэффициентом преломления, способны поглощать свет одних длин волн и отражать другие длины волн.

Исключение – белый пигмент. Он отражает одинаково хорошо всю световую гамму, но, тем не менее, должен обладать высоким коэффициентом преломления (заметно отличающимся от коэффициента преломления окрашиваемого материала).

Вот теперь мы можем переходить к практическим аспектам объемного окрашивания цементных материалов (бетонов и растворов), в процессе рассмотрения которых мы более подробно коснемся вышеперечисленных простых определений.

Принцип объемного окрашивания цементных материалов

Принцип объемного окрашивания бетона (растворов) заключается в возможно более плотном покрытии всех поверхностей его элементов (частиц, кристаллов) частицами пигментов. Для того, чтобы экономично расходовать пигмент, он должен быть достаточно тонко измельчен. Тогда в единице массы пигмента будет больше частиц, способных более плотно окрасить (покрыть) составные части бетона.

Отсюда – первая рекомендация: использовать только качественные пигменты от ответственных производителей, которые, в частности, не стыдятся указать в техническом описании на свою продукцию средний размер частиц пигмента. У качественных пигментов средний размер частиц обычно меньше одного микрона.

По нашим наблюдениям, зачастую приобретая дешевые китайские пигменты, производители вынуждены настолько повысить их дозировку в окрашиваемый бетон, что они могут стать ему дороже немецких в пересчете на кубометр (или тонну) окрашенной смеси.

Особенно это касается черного пигмента. С применением дешевого черного пигмента Вы никогда не получите черного цвета. Только жалкий темно-серый.

Более того, пигмент, как тонкодисперсный инертный наполнитель, не может не ухудшать характеристик бетона (снижает его прочность и морозостойкость), и с точки зрения качества цементных материалов количество пигментов в них должно быть ограничено. Применение качественных пигментов позволяет применять их в меньшей дозировке, чем дешевых и некачественных, меньше влияя, тем самым, на качество бетона.

Виды применяемых пигментов

Для окрашивания цементных материалов должны использоваться светостойкие, нерастворимые в воде и стойкие в щелочной среде пигменты. При этом, они должны обладать гидрофильной природой (хорошей диспергируемостью в воде).

Этим требованиям полностью соответствуют железоокисные пигменты. И все бы хорошо, но их номенклатура состоит всего из четырех цветов:

  • Алый (красный с оранжевым отливом)
  • Малиново-красный (красный с фиолетовым отливом)
  • Желтый
  • Черный

Все остальные железоокисные пигменты коричневых, персиковых, оранжевых и пр. оттенков – это лишь смеси вышеуказанных четырех цветов.

Таким образом, железоокисные пигменты покрывают красно-коричнево-желтую гамму и черный цвет.

Для полного счастья нам среди железоокисных пигментов не хватает зеленого и синего цветов.

Зеленый цвет нам обеспечивает оксид хрома. Правда, он в несколько раз дороже железоокисных пигментов, и поэтому используется значительно реже.

Есть ему одна альтернатива – так называемый зеленый железоокисный пигмент. На самом деле, он представляет собой смесь желтого железоокисного пигмента с органическим пигментом «голубым фталоцианиновым». Не смотря на его сравнительную дешевизну (по отношению к пигментной окиси хрома), мы не рекомендуем использовать этот пигмент для окрашивания цементных материалов по двум причинам:

  1. Голубой фталоцианиновый пигмент обладает не очень высокой стойкостью в щелочной среде, и его светостойкость ниже, чем у железоокисных пигментов. Поэтому он будет выцветать быстрее, и со временем цвет окрашенного изделия будет все более и более клониться к желтому цвету.
  2. Тот же голубой фталоцианиновый пигмент является гидрофобным (не совместимым с водой). Поэтому при добавлении такого смесевого пигмента в бетонную смесь, он может разложиться в ней на два цвета: желто-зеленоватый и синий, и цвет готового изделия получится неоднородным (с голубоватыми и салатовыми разводами).

С синим же цветом все еще более «запущено». Нам известен единственный синий пигмент, удовлетворяющий всем вышеуказанным требованиям к пигментам для окрашивания цементных материалов – это «кобальтовая синь». Однако, ее применение в бетонах, мягко говоря, ограничено высокой ценой.

Поэтому, при необходимости получить синие цвета цементных материалов, производители этих материалов идут на компромисс с качеством (и совестью), применяя голубой фталоцианиновый пигмент.

Таким образом, наша вторая рекомендация – не применять для окрашивания цементных материалов органических пигментов и их смесей с минеральными (в частности, зеленого железоокисного), так как это, скорее всего, приведет к нестабильности цвета изделий, а так же к его недолговечности.

Как мы видим, выбор пигментов для бетона весьма ограничен. Но ведь их можно комбинировать между собой.

Посмотрите, сколько оттенков можно получить, используя обычный серый цемент и только пять пигментов: черный, красный, желтый, белый и зеленый.

Тут уже есть из чего выбрать. И это на обычном сером цементе. При использовании же белого цемента Вы получите значительно более яркие и насыщенные цвета.

Вот вам и еще одна рекомендация – используйте только базовые цвета пигментов (черный, желтый, красный, зеленый и белый) и смело их смешивайте между собой. Таким образом, Вы расширите свою цветовую гамму, а так же получите, немного поэкспериментировав, преимущество перед конкурентами (Вашу цветовую гамму будет сложнее кому-либо повторить).

Применение белого пигмента

Отдельно коснемся вопроса применения белого пигмента. В качестве такого пигмента практически безальтернативно выступает двуокись титана.

Цель применения двуокиси титана в сочетании с обычным серым цементом понятна. Разбелив ей серый цемент мы можем получить более яркие цвета.

Однако многие производители считают, что белый пигмент в сочетании с белым цементом совершенно нецелесообразен. Однако, это не так.

Вот здесь нам и пригодится та самая теория, которой мы коснулись в начале статьи. А точнее, понятие коэффициента преломления. Вспомнив школьный курс физики, мы осознаем, что коэффициент (или показатель) преломления показывает нам, во сколько медленнее свет движется в данной среде по сравнению с его скоростью в вакууме. Пересекая под углом границу двух сред с различными коэффициентами преломления, световой пучок изменяет свое направление (преломляется).

Если мы посмотрим на бетон в микроскоп, мы увидим, что цементные кристаллы (и большая часть составляющих бетона) полупрозрачны. Особенно это касается кристаллов белого цемента. Таким образом, цементный камень полупрозрачен. Мы же не видим заполнителей бетона сквозь слой белого цементного камня как раз благодаря коэффициенту преломления. Когда бетон сухой, он содержит большое количество воздушных пор. Свет, многократно преломляясь на границе раздела цементный камень – воздух (коэффициенты преломления которых заметно отличаются), рассеивается, частично возвращается назад и не доходит напрямую до заполнителей и обратно, вот мы их и не видим, а наблюдаем лишь белый цвет бетона.

Для наглядной аналогии обратимся к мыльной пене. Она представляет из себя воздушные пузырьки окруженные водяной пленкой. Вода же и воздух, как мы привыкли видеть, прозрачны. Но пена нам уже не кажется прозрачной, мы видим ее белой. Причина тому – как раз то самое многократное преломление и рассеяние света на границах воздушных ячеек пены.

Картина с белым бетоном заметно меняется, когда мы намочим его водой. Он заметно темнеет, приобретая цвет заполнителей. Причина этого заключается в том, что разность коэффициентов преломления воды, заполнившей поры в цементном камне, и кристаллов цементного камня уже отличаются не сильно. Цементный камень становится более прозрачным, и мы уже начинаем видеть сквозь него заполнители бетона, при условии, конечно, что они не белые.

Если же мы добавим в белый бетон белый пигмент, он будет выглядеть белым и в сухом и в мокром виде, так как частицы белого пигмента имеют значительно больший коэффициент преломления.

     Отсюда рекомендация: не брезгуйте добавлением двуокиси титана в белые цементные смеси. Ваши клиенты будут благодарны Вам за более высокое качество смесей или изделий.
     И, раз уж мы говорим о двуокиси титана, мы рекомендуем использовать качественные, тонкомолотые ее марки. Форма двуокиси титана требуется рутильная. Желательно, чтобы пигмент был без поверхностной гидрофобной обработки. Такой пигмент легче распределить (диспергировать) по объему смеси, и он даст лучший эффект окрашивания (разбеливания).

Выбор дозировки пигментов

Эту часть статьи мы считаем особенно важной, так как она отвечает на вопрос о возможности получения стабильного цвета изделий (смесей) от партии к партии.

Насыщенность цвета окрашенного бетона зависит, прежде всего, от отношения дозировок пигмента к цементу. Однако если нарисовать зависимость насыщенности цвета от дозировки пигмента, получится нелинейная кривая.

Как видно из рисунка, существует такая дозировка пигмента, при превышении которой цвет уже практически не меняется. Такая дозировка называется точкой насыщения.

Существует два подхода к дозированию пигментов в цементные смеси:

  • Определение минимально-необходимой дозировки для достижения заданного цвета (оттенка)
  • Подбор смеси пигментов, дающих заданный цвет (оттенок) и введение этой смеси в дозировке, близкой к точке насыщения цвета.
     Пример: требуется получить бледно-желтый цвет бетона.
     При первом подходе в смесь на белом цементе надо добавить небольшое количество желтого пигмента. Скажем, 0,5% к массе цемента.
     При втором подходе применяется смесь из желтого и белого пигмента (скажем, в соотношении 5%/95%) и эта пигментная смесь вводится в бетон дозировке около 5% к массе цемента.

Первый подход, конечно, экономичнее. Однако, он не обеспечивает стабильности цвета смеси, так как в этом случае цвет складывается из цвета неокрашенной смеси (цвет цемента, заполнителей и т.д.) и цветом редко распределенных частиц пигмента. Кроме того, как мы уже привели пример с белым бетоном, цвет смеси будет существенно зависеть даже от ее влажности.

На цвет результирующей смеси будут оказывать существенное влияние изменение цвета заполнителей, цемента, малейшие колебания в дозировании пигмента и других компонентов смеси.

При втором подходе, цвет смеси практически не будет зависеть от цвета компонентов бетона (раствора), и будет определяться лишь цветом смеси пигментов.

Для наглядности этих утверждений вернемся к только что рассмотренной диаграмме, но попробуем на ней отследить влияние изменения дозировки пигмента при различных подходах к его дозированию.

Зона «1» показывает первый подход к дозированию пигмента. Как мы видим, изменение его дозировки значительно меняет насыщенность цвета.

Зона «2» характеризует второй подход – дозирование пигмента близко к точке насыщения. Как мы видим, такая же, как и в первом случае ошибка дозирования приводит к практически незаметному изменению насыщенности цвета.

Вот мы и обосновали еще одну рекомендацию:

Подбирайте цвет смеси путем смешения пигментов различных цветов и выбирайте дозировку такой пигментной смеси вблизи точки насыщения цвета (обычно 4-6% к массе цемента). Или словами из известного анекдота: «Евреи, не жалейте заварки!».

Насыщенность цвета и водоцементное отношение в смеси

В этой статье мы уже касались аспекта влияния воздушных пор на цвет смеси (вода и воздух прозрачные, а вот пена, состоящая из них, выглядит белой). Этот аспект точно так же влияет и на цвет окрашенных бетонов и растворов. Чем больше пористость цементного камня, тем светлей (белёсей) будет цвет смеси при той же дозировке пигментов и других компонентов.

Пористость же цементного камня определяется, прежде всего, водоцементным отношением или количеством воды затворения смеси. Объяснить это легко. В растворах и бетонах, для обеспечения требуемой их подвижности (удобоукладываемости) используется обычно от 50 до 100% воды к массе цемента. В реакцию же с цементом идет лишь от 10 до 20% воды от массы цемента. Таким образом, большая часть воды, содержащейся в бетоне или растворе просто испаряется, оставляя после себя воздушные поры, которые и обусловливают повышение пористости и снижение прочности бетонов и растворов.

Таким образом, родилось еще две рекомендации:

  1. Для обеспечения наиболее яркого цвета изделий или конструкций, при приготовлении цветных растворных или бетонных смесей старайтесь использовать минимально необходимое количество воды. Т.е., старайтесь работать с более жесткими смесями.
  2. Для обеспечения стабильности цвета изделий или смесей, старайтесь использовать постоянное количество воды затворения от замеса к замесу.

Применение в окрашенных цементных составах пластифицирующих добавок

Предыдущий раздел нашей статьи наводит на мысль о применении пластификаторов для снижения водоцементного отношения в цементных смесях. Однако, к их применению в окрашенных смесях надо относиться с большой осторожностью. Дело в том, что пластификаторы делают поры цементного камня более гидрофильными, а сам камень более гигроскопичным. Это может привести к ненужному обводнению пор цементного камня за счет абсорбции воды из окружающего воздуха, что, в свою очередь, может привести к усилению высолообразования на поверхности цветных изделий и конструкций, и, в результате, к их обесцвечиванию.

Насколько нам известно, более всего склонны к обесцвечиванию цветных цементных поверхностей гиперпластификаторы на основе эфиров поликарбоксилатов.

Меньше всего негативно влияют на цвет окрашенного бетона суперпластификаторы на основе меламиноформальдегидных смол.

Отсюда рекомендация: Относитесь с осторожностью к применению в окрашенных бетонных или растворных смесях пластифицирующих добавок. Если все же есть необходимость в применении пластификаторов, старайтесь применять меламиноформальдегидные суперпластификаторы.

Высолообразование на окрашенных растворах и бетоне

Существует ошибочное мнение, что пигменты, добавляемые в бетон, провоцируют процесс высолообразования. Это миф. Пигменты никак не влияют на этот процесс. Просто высолы значительно лучше видны на окрашенной поверхности, чем на белом или сером неокрашенном бетоне.

Проблема борьбы с высолообразованием непростая, комплексная. В этой статье мы не будем в нее погружаться, так как постарались дать подробное описания причин и опасности высолообразования, а так же методов его предотвращения в нашей статье «Соли в бетоне и высолообразование», которую Вы же можете найти на нашем сайта.

Помимо комплекса организационных мероприятий, которые минимизируют вероятность высолообразования на поверхности строительных материалов, мы считаем важным применение пуццолановых добавок и гидрофобизаторов, без которых эта проблема практически не решаема, так как даже если удалось избежать первичного высолообразования, не поверхности могут в любой момент появиться вторичные высолы (более подробно, см. статью «Соли в бетоне и высолообразование»). Для цветных же составов задачи борьбы с высолами стоит значительно острее, так как высолообразование значительно заметнее на цветных поверхностях и, при этом, значительно больше снижает их товарную стоимость, чем в случае неокрашенного бетона.

Для этой цели мы предлагаем нашим клиентам комплексную добавку МетаМикс «Антивысол».

Мы очень надеемся, что эта наша небольшая статья поможет Вам избежать ряда типичных ошибок, допускаемых при работе с цветными растворными и бетонными смесями, и исключить ненужные рекламации от Ваших клиентов.

Сделаем мир красивее!

С уважением,
команда ООО «МетаРус»

Вы так же можете скачать эту статью в формате pdf