Messung der Farbabweichungen bei Betonpflastersteinen

Die Zahl der Reklamationen aufgrund von Verfärbungen auf Betonpflastersteinen stiegen in den vergangenen Jahren immer weiter an. Eine Rolle spielt auch ein erhöhtes Anspruchsdenken des Kunden. Zudem wird dem Kunden häufig durch Produktkataloge und Muster ein irreführender Eindruck vermittelt.

Das führt zu hohen Ansprüchen und Erwartungen an eine vollständige Farbgleichheit der Pflasterfläche zur Musterfläche oder einem Bild aus dem Produktkatalog (s. Voß 2018, S. 151). Diese hohen Anforderungen an farbige Betonoberflächen werden durch fehlendes Verständnis gefördert. Ein Verbraucher unterscheidet gewöhnlich zwischen synthetischen und natürlichen Oberflächen. Die Erwartungshaltung an künstlich hergestellte Produkte wird durch das Marketing mit optisch ansprechenden Bildern gefördert, sodass ein homogenes Erscheinungsbild des Produktes vorausgesetzt wird. Bei Produkten mit natürlichen Oberflächen hingegen, beispielsweise bei einem Naturstein, erwartet der Kunde eine hohe Einzigartigkeit. Durch die industrielle Fertigung der Betonpflastersteine ordnet der Laie dieses Produkt der synthetischen Oberfläche zu, obwohl Betonpflastersteine mit natürlichen Rohstoffen hergestellt werden (s. Weber et al. 2009). Mit dem Anstieg der Reklamationen nimmt auch die Anzahl der Streitfälle in Bezug auf Farbe und Oberflächenstruktur zu (s. Voß 2018, S. 151).

Pflasternorm mit unklaren Anforderungen

Nach DIN EN 1338:2202-08 "Pflastersteine aus Beton" können Abweichungen von der Farbintensität durch unvermeidbare Abweichungen bei der Einfärbung, durch Schwankungen der Eigenschaften bei den Ausgangsstoffen und beim Erhärten hervorgerufen werden. "Wenn bei Prüfung nach Anhang J keine wesentlichen Unterschiede in der Farbe gegenüber den vom Hersteller bereitgestellten und vom Käufer genehmigten Mustern vorhanden sind, muss Übereinstimmung festgestellt werden." (DIN EN 1338:2003-08) Die Prüfung der äußeren Beschaffenheit sieht vor, Pflastersteine hinsichtlich des Ablösens von Schichten zu untersuchen und "bei Tageslicht [. . . ] in einem Abstand von 2 m von jeder Kante des Quadrats die Pflastersteine zu registrieren, die Risse oder Abplatzungen aufweisen. Struktur und Farbe sind mit dem Muster des Herstellers zu vergleichen." (Anhang J, DIN EN 1338 2003). Danach können Pflasterflächen technisch unvermeidbare Farbschwankungen enthalten, jedoch beschreibt die Norm nicht, inwieweit diese Farbabweichungen tolerierbar sind. Mit dieser unklaren Formulierung ist weder dem Hersteller von Pflastersteinen geholfen noch dem Kunden. Beide werden im Unklaren gelassen, welche Toleranzen zulässig sind und welche nicht.

Farbwahrnehmung ist subjektiv

"Die Farbempfindung ist die subjektive physiologische und psychologische Reaktion des Menschen [. . . ] auf die verschiedenen Frequenzbereiche [. . . ]. Dabei ist die Farbigkeit keine Eigenschaft des Lichts selbst, sondern sie wird durch die elektrochemische Sinneswahrnehmung im Auge, in den Nervenbahnen und im Gehirn hervorgerufen." (Hecht 2018, S. 166). Aufgrund der Tatsache, dass sich die Farbwahrnehmung als subjektives Empfinden von Licht darstellt, ist diese nicht physikalisch messbar. Die optische Strahlung hingegen ist physikalisch messbar. Daher entsprechen gemessene Farben nicht immer den wahrgenommenen Farben (s. Berger-Schrunn 1994, S. 10ff.).

Die Farbe oder besser Farbempfindung ist ein Zusammenschluss von der Wahrnehmung, die durch eine Lichtquelle aktiviert und mit dem Erlebten verbunden wird. Denn die Wahrnehmung einer Farbe ist nicht immer unvoreingenommen. Oft werden Sinneseindrücke mit dem Erlebten beziehungsweise Erinnerungen im Gehirn verbunden. In der Psychologie ist dadurch der Begriff "Gedächtnisfarben" entstanden (s. Schmidt 2004, S. 50ff.). Ein wesentlicher Aspekt ist, dass die Farbwahrnehmung individuell beziehungsweise von dem jeweiligen Betrachter abhängig ist (s. Wieser 2010, S. 25). Die visuelle Wahrnehmung ist also nicht nur das Ergebnis unseres physiologischen Sehvorgangs, sondern wird auch durch unsere Psyche und der Einstrahlung des Lichtes beeinflusst.

Aber auch die Farbmessungen mit Instrumenten unterliegen einer Reihe von Einflüssen. In der Tab. 1 sind visuelle und instrumentelle Einflüsse von Farbbeurteilungen dargestellt.

Ansätze zur Farbmessung und Farbabstandsformeln

Dadurch, dass die Farbwahrnehmung des Menschen individuell ist, bedarf es einer Farbbewertung durch eine allgemein gültige Kennzahl, die auf dem menschlichen Auge basiert (s. Bühler et al. 2018, S. 5). Hierzu entwickelte die CIE (Commission Internationale d'Eclairage, "Beleuchtungskommission") 1931 die erste internationale Norm zur Farbbestimmung (s. ebd., S. 31). Anhand eines kartesischen Koordinatensystems (X, Y, Z-System) wurde die Verbindung der Sinneswahrnehmung des Auges und Gehirns mit gemessen Farbwerten veranschaulicht (s. Konica Minolta 2019). Beispielsweise aufgrund der Tatsache, dass alle grauen, schwarzen und weißen Töne auf einem einzigen Punkt im XYZ-System liegen, wurde im Jahr 1976 durch CIE das L*a*b*- und das L*C*h-System eingeführt (s. Silvestrine und Fischer 2005). Der Nullpunkt der Abszisse x und der Ordinate y wird auf den Unbuntpunkt verschoben, der dadurch zum Zentrum des Farbsystems wird. Beide Systeme basieren auf dem Farbraum des L*a*b*-Systems. Die L* C* h* - Systematik verwendet Polarkoordinaten anstatt rechtwinkliger Koordinaten. Da beide Farbsysteme im gleichen Farbraum arbeiten, können die aus dem CIE-L*a*b*-System stammenden Werte in die LCH-Werte umgerechnet werden (s. Konica Minolta 2019). In dem dreidimensionalen L* a* b* - System sind alle für den Menschen wahrnehmbaren Farben weitestgehend gleichabständig. In der Farbmetrik wird die Bewertung der Farben und die Bestimmung der Farbdifferenzen hauptsächlich mit dem CIELAB-System durchgeführt. In der Bildverarbeitung wird zumeist das LCH-System verwendet. (s. Bühler et al. 2018, S. 32ff.). Das L* a* b* - Farbsystem ist das gebräuchlichste System in der Farbmessung (s. Konica Minolta 2019).

Eine präzise beziehungsweise objektive Unterscheidung der Farben ist bereits in vielen Branchen erforderlich und dient als Qualitätskriterium (s. Kittelmann 2010, S. 1). Durch die Kennzeichnung der Farbe mit drei Farbmaßzahlen ist es möglich, den Farbabstand (?E*ab) zu berechnen. Dieser berechnet sich in dem CIELAB-System wie in einem dreidimensionalen kartesischen Koordinatensystem durch die Vektorabstände mit dem Satz rdes Pythagoras. Weitere Werte zur rechnerischen Bestimmung des Farbabstands sind der Buntton-Beitrag cHab*, der Buntheits-Wert cC* oder der Bunttonwinkel-Beitrag chab (s. DIN EN ISO 11664 - 4 (2012).

Nach Auswertung der Literatur wurde hier für die Farbabstandbestimmung bei den nachfolgend beschriebenen Untersuchungen die CIEDE2000 Formel verwendet. Diese Formel ist eine Erweiterung der CIE-Farbabstandsformel, bei der Korrekturen durch die CIE hinsichtlich der unterschiedlichen Wahrnehmung von Farbabständen in Abhängigkeit von Helligkeit, Buntheit, Buntton sowie der Beziehung zwischen Buntheit und Buntton durchgeführt wurden. Der Farbabstand nach dieser Formel wird als cE00 bezeichnet. Dieser numerische Wert lässt eine Interpretation der Wahrnehmbarkeit der Farbabweichung zu.

Methode

• RAL Colorcatch Nano (RCN), Kolorimeter aus dem Dreibereichsverfahren
• Ci6x der Firma X-Rite (XR), Spektralfotometer
• CR 410 der Firma Konica Minolta (KM), Chroma Meter

Die Messung der Farbabweichungen von Betonsteinoberflächen wurde mit drei Farbmessgeräten mit normierten Messverfahren durchgeführt:

Bei den integrierten Lichtquellen der Geräte handelt es sich um D65. Für diese drei Farb-messgeräte wurden die Messdaten des CIELAB-Farbraums verwendet.

Insgesamt wurden Messungen an Betonpflastersteinen mit den Farben Anthrazit und Grau mit diesen Geräten durchgeführt. Da nicht klar war, ob die Geräte überhaupt geeignet für die Durchführung der Untersuchungen auf heterogenen Oberflächen sind, wurden insgesamt vier Versuchsreihen durchgeführt. Jede Versuchsreihe diente eigenständigen Zielen:

1. Untersuchung zur Abschätzung der Messgenauigkeit: geringe Standardabweichung zum Mittelwert stellen eine hohe Messgenauigkeit dar;
2. Labortechnische Untersuchung: konstante Messergebnisse je Messgerät und Prüfpunkt, geringe objektive Farbschwankungen;
3. Felduntersuchung: geringe Farbunterschiede, Übereinstimmung der subjektiven Einschätzung mit den objektiven cE-Werten;
4. Hauptuntersuchung: Erstellung einer Bewertungsmatrix für Verfärbungen anhand von objektiven cE-Werten.

Zusammenfassend sind die Ziele der Untersuchungen und die Anzahl der Messungen in Tab. 2 dargestellt.

Stufen der Bewertung für Sachverständige

Die Stufen zur Bewertung der optischen Beeinträchtigungen wurden in Anlehnung der Matrix zur Beurteilung der Hinnehmbarkeit optischer Mängel nach Oswald und Abel (2000/2005) entwickelt. Die Farbbeurteilung erfolgt nach den Kriterien des Grades der optischen Beeinträchtigung und dem Gewicht des optischen Erscheinungsbildes. Die optische Beeinträchtigung beschreibt die Störwirkung der Farbabweichung. Diese ist unter den gebrauchsüblichen Bedingungen zu bewerten. Dabei sind der Betrachtungsabstand und die Beleuchtung nach der späteren üblichen Nutzung zu wählen. Die zweite Beurteilung des Farbunterschiedes erfolgt hinsichtlich der Bedeutung des Erscheinungsbildes (s. Oswald und Abel 2005, S. 17). Bei der Festlegung der Bedeutung des Erscheinungsbildes ist zu berücksichtigen, ob es sich um ein "repräsentatives Objekt" oder um ein Objekt handelt, welches im Wesentlichen "funktionelle Anforderungen" zu erfüllen hat. Außerdem muss hier berücksichtigt werden, wie hoch der optische Anspruch der Produkte selber ist. So muss danach differenziert werden, ob ein optisch repräsentatives Produkt zum Beispiel mit einer bearbeiteten Oberfläche zu beurteilen ist, oder ob es sich um ein sogenanntes "Industriepflaster" handelt, welches in erster Linie technische Eigenschaften zu erfüllen hat. Diese Matrix dient als Entscheidungshilfe, ob über eine Minderung diskutiert werden kann. Falls eine Nachbesserung nicht "unverhältnismäßig aufwendig" ist, müssen auch als "hinnehmbar" bewertete Mängel beseitigt werden (ebd. S. 21). Der Begriff "hinzunehmende Unregelmäßigkeit" ist keine Form des "Schönredens" von handwerklichen Fehlern in der Baubranche, vielmehr sind die hinzunehmenden Unregelmäßigkeiten als "nicht vermeidbare Toleranzen" zu verstehen (s. Dilanas 2015, S. 768).

Ergebnisse der Farbmessungen

In den Voruntersuchungen wurden die drei Farbmessgeräte hinsichtlich ihrer Messeigenschaften zunächst im Labor, später im Feld überprüft. Um repräsentative Ergebnisse zu erzielen, wurden labortechnische Untersuchungen unter den gleichen produktunabhängigen Einflüssen wie beispielsweise dem Feuchtezustand, den Lichtverhältnissen, der Umgebung und der Größe der Betrachtungsfläche sowie weiteren Randbedingungen durchgeführt und dokumentiert. Dazu wurden insgesamt 30 neuwertige Betonverbundpflastersteine je Farbe ausgewählt, die keine augenscheinlichen Verfärbungen aufwiesen. Es wurden jeweils zehn Betonsteine aus drei verschiedenen Steinpaletten innerhalb einer Lage entnommen. Diese Steine wurden nummeriert und lagenweise überprüft. Die Untersuchungen wurden auf der "reinen" Betonsteinoberfläche ohne Materialien des Oberbaus eines Pflasterflächenaufbaus durchgeführt, damit die Farbe der Betonsteinoberfläche nicht durch externe Stoffe oder Materialien, wie zum Beispiel Fugenmaterial, verändert wird (s. Abb. 1). Um die Reliabilität der Messungen zu gewährleisten und zu prüfen, wurden Schablonen aus Pappe für die jeweiligen Messöffnungen der Farbmessgeräte erstellt (s. Abb. 2). Die Farbabstände der einzelnen Messergebnisse des jeweiligen Farbmessgerätes wurden anhand der CIEDE2000 Formel berechnet, sodass die Farbabweichungen objektiv bewertet werden können. Der Stichprobenumfang (N) beträgt N = 270 cE00 - Werte je Versuchsfarbe. Diese zum größten Teil differenzierten Farbabstände wurden in einem Boxplot-Diagramm dargestellt, um die cE00 - Werte zu interpretieren. Dazu wurden diese ins Verhältnis zur Wahrnehmbarkeitsgrenze (W-Grenze) nach Gierling (2006) gesetzt. Nach Gierling (2006) nehmen Laien ab einem cE00 - Wert von 2,5 Farbunterschiede war. Mit diesem Wert werden die neuwertigen Steine, die nach subjektiver Einschätzung augenscheinlich keine Verfärbungen enthalten, aus objektiver Sicht überprüft (s. Abb. 3). Dieser Vorgang gleicht dem der Felduntersuchung.

In der Hauptuntersuchung wurden augenscheinliche Verfärbungen subjektiv bonitiert (s. Abb. 4) und mit den jeweiligen Farbmessgeräten objektiv überprüft. Aus einer fertiggestellten Pflasterfläche wurden jeweils 25 Bereiche mit augenscheinlichen Farbschwankungen je Farbton ausgewählt. Innerhalb dieser 25 Sektoren wurden vier farbunterschiedlich empfundene Steine gegenübergestellt (s. Abb. 5). Beispielhaft sind die Ergebnisse dieser Messungen mit dem Farbmessgerät KM in Abb. 6 dargestellt. Diese Ergebnisse der cE00 - Werte wurden den Ergebnissen der Bonitur zugeordnet, um einen Zusammenhang zwischen der subjektiven Einschätzung und den objektiven Messungen nachzuweisen. Dieser Nachweis wurde anhand des Rangkorrelationskoeffizienten nach Spearman (rSp) geführt.

Eine Abstufung zwischen den Boxen der Bonituren ist optisch zu erkennen (s. Abb. 6), jedoch kann aufgrund der "schwammigen" Grenzen zwischen den Bonituren und Streuungen innerhalb der Bonituren die Bewertungsmatrix nicht unmittelbar erstellt werden. Zur Überprüfung, ob die Extremwerte für die große Streuungsbreite innerhalb der Bonituren verantwortlich sind, werden diese cE00-Werte je Bonitur selektiert. Um hierbei nicht wahllos vorzugehen, werden prozentuale Anteile stufenweise selektiert, damit diese Berechnungen reproduzierbar sind. Zur Erstellung der gerätespezifischen Bewertungsmatrix wurden die Daten einer Selektionsstufe gewählt, insofern der rSp - Wert sich als ? 0,7 darstellt. Der Korrelationskoeffizient von 0,7 gilt in der Statistik als eine Interpretationsmöglichkeit für einen starken Zusammenhang (s. Brosius 2013, S. 523).

Mit diesen Ergebnissen sowie dem Hintergrund der Interpretation der Wahrnehmung des Farbabstands aus anderen Branchen und unter Berücksichtigung der Voruntersuchungen wurde eine gerätespezifische Bewertungsmatrix erstellt. Die Auswertung der Messergebnisse erfolgte nach der Zusammenstellung aller cE00 - Werte bezüglich der jeweiligen Bonitur. Diese Werte der jeweiligen Boniturstufen wurden verglichen und abgegrenzt, um cE00-Spannen für die Bonituren zu definieren (s. Abb. 7). Diese cE00-Spannen wurden abschließend in die Bewertungsmatrix nach Oswald und Abel (2005) integriert (s. Tab. 3). Damit wird gleichzeitig ein Vorschlag für die dazugehörige Bewertung, Nachbesserung, Minderwert, Bagatelle gegeben. Hier sei darauf hingewiesen, dass die nachfolgende Zuordnung nur für Produkte anzuwenden ist, die auch eine signifikante optische Bedeutung aufweisen. Würde ein Bauherr eine Pflasterdecke seiner "Millionenvilla" unter Verwendung von "Industriepflastersteinen" herstellen, so hat er auch eine "technische Optik" mit gewissen Farbschwankungen gewollt. Auch augenscheinlich erkennbare Farbunterschiede zwischen den Pflastersteinen wären hier nicht vermeidbar, da "Industriepflastersteine" üblicherweise keine signifikante optische Funktion aufweisen (es sei denn, dass dies seitens des Produzenten anders beworben ist). Das der Sachverständige im Streitfall differenzieren muss, welche optische Bedeutung bei den bestellten Pflastersteinen zu erwarten ist.

Mit Hilfe der Tab. 3 wäre eine gerätespezifische Bewertungsmatrix nach dem in Abb. 8 dargestellten Prozess möglich (modifiziert nach Oswald und Abel 2005, S. 129ff.).

Zusammenfassung

Die hier angestellten Untersuchungen zeigen, dass die drei verwendeten Farbmessgeräte RAL Colorcatch Nano, X-Rite Ci6X und Konica Minolta rCR-410 geeignet sind, Farbabweichungen auf Betonsteinflächen reproduzierbar zu erfassen. Gleichzeitig wurde durch eine große Zahl von Messungen der Versuch unternommen eine Einstufung vorzunehmen, die optisch erkennbaren Farbunterschiede mit Messwerten der jeweiligen Geräte in Verbindung zu bringen. Die Bewertung nach Oswald und Abel (2000/2005) ist für die subjektive Bewertung optischer Beeinträchtigungen gedacht. Diese kann nun um eine Spannbreite von Messwerten der verwendeten Geräte zur Bewertung von Farbabweichungen an Produkten mit optischer Bedeutung ergänzt werden.

Da die Untersuchungen und die Einstufungen der Messwerte in auffällig, gut sichtbar, sichtbar und kaum erkennbar praktisch nur von einer Person durchgeführt wurden, wäre es wünschenswert in einer Art Ringversuch diese Werte durch eine größere Zahl von Personen, idealerweise Sachverständige, zu verifizieren. Eine solche Tabelle könnte in der praktischen Anwendung durch Sachverständige bei der Erstellung von Gutachten Anwendung finden, denkbar wäre sogar der Eingang in die Normung. Auf jeden Fall ist hiermit ein erster Lösungsansatz zur Verfügung gestellt worden, der zur Objektivierung von bisher nur subjektiv bewertbaren Farbabweichungen bei Betonpflastersteine und Betonplatten beitragen kann.

Die statistischen Verfahren zu den Grenzwertbestimmungen können bei Westing 2019 nachgelesen werden. Die vollständige Arbeit kann als Osnabrücker Beitrag zum Landschaftsbau OBL 02/2020 unter der Mailadresse: k.breulmann@hs-osnabrueck.de abgerufen werden.

Literatur

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Bühler, P. (2004): MediaFarbe - analog und digital: Farbe in der Medienproduktion. 2. Aufl., Springer-Verlag, Berlin.

DIN EN ISO 11664-4 (2012): Farbmetrik - Teil 4: CIE 1976 L*a*b* Farbenraum (ISO 11664-4:2008); Deutsche Fassung EN ISO 11664-4:2011.

DIN EN 1338:2003-08 Pflastersteine aus Beton.

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Silbestrini, N. und Fischer, E. (2005): Farbsysteme in Kunst und Wissenschaft. In: Stromer, K. [Hrsg.] (2005): Farbsysteme in Kunst und Wissenschaft. 3. Aufl., Du-Mont Buchverlag, Köln, 240 S.

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Weber, P., Imhof, E., Olhaut, B. (2009): Farbpigmente im Beton. SD_Weber.pdf (aufgerufen am 14.07.2019).

Westing Maximilian (2019): Bestimmung der Farbabweichungen auf Betonsteinoberflächen mit mobilen Messgeräten, Abschlussarbeit an der Hochschule Osnabrück, zu beziehen als OBL 02/2020.

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