Roestvast staal voor gevelbekleding en dakbedekking

Van oudsher zijn lood en zink veel toegepaste metalen voor dak-en ook wel gevelbekleding. Van recenter datum zijn weersbestendig staal, aluminium en roestvast staal. Dit betekent dat de keuzemogelijkheden voor de architect zijn uitgebreid. Dat er nu roestvast staal op de markt wordt aangeboden voor architectonische doeleinden wil nog niet zeggen dat dit metaal ongebreideld moet worden toegepast. Het heeft enkele uitgesproken aantrekkelijke eigenschappen maar evenzovele nadelen, die manen tot voorzichtigheid bij de toepassing.

A.J. Schornagel

(artikel gepubliceerd in Roestvast Staal nummer 1, 1991- artikel 134)

Inleiding

Een van de oudste materialen die worden toegepast voor het bekleden van daken is lood. Bekende voorbeelden zijn kerkdaken die soms een leeftijd hebben van zo'n 300 tot 400 jaar en die, ondanks het gestaag toenemen van de agressiviteit van de atmosfeer waaraan ze bloot staan, toch nog steeds in goede conditie verkeren. Recentere materialen zijn koper en zink, die eveneens in de vorm van beplating met succes dienst deden en doen als dak-en gevelbekledingsmateriaaL Vooral zink beschikt over de nodige bestendigheid  tegen de inwerking van diverse agressieve atmosferen. Zink wordt ook toegepast als metallische deklaag op ijzer en staal. Relatieve nieuwkomers op het gebied van dak-en gevelbekleding zijn weersbestendig staal, aluminium en roestvast staal.

Overeenkomsten tussen de diverse metalen

Om zich te kunnen handhaven in een agressieve atmosfeer moet een metaal beschikken over de nodige corrosiebestendigheid. Nu zijn er vrijwel geen metalen die zonder meer corrosiebestendig zijn. In feite is het enige metaal dat over deze eigenschap beschikt goud en in mindere mate zilver en koper. Beide laatstgenoemden zijn echter zeer gevoelig voor aantasting door zwavel. Vrijwel alle metalen en de daarvan afgeleide legeringen vormen als ze worden blootgesteld aan weer en wind één of andere oxydelaag. De kwaliteit van deze oxydelaag bepaalt of en in welke mate een metaal beschikt over corrosievastheid in de atmosfeer. Lood, zink, weersbestendig staal, aluminium en roestvast staal worden allen bij blootstelling aan de atmosfeer beschermd door een oxydelaagje op het metaaloppervlak. Zo is de beschermende laag die zich spontaan op het loodoppervlak vormt dermate bestendig, dat het materiaal onder voornoemde omstandigheden voldoende corrosiebestendigheid bezit. De mate van deze bestendigheid wordt gedemonstreerd door het feit dat loden dakbedekking en loden hulpstukken na honderden jaren blootstelling aan allerlei atmosferen nog steeds in goede staat verkeren. Lood dat is gelegeerd met antimoon vertoont onder atmosferische omstandigheden ongeveer hetzelfde corrosiegedrag als chemisch zuiver lood. Het bezit echter een hogere hardheid, mechanische sterkte en weerstand tegen kruip en maken het geschikter als dakbedekkingsmateriaal.

Op nieuw lood, dat wordt blootgesteld aan de atmosfeer vormt zich eerst een oppervlaktelaag bestaande uit loodoxyde en vervolgens een patina bestaande uit loodcarbonaten als gevolg van reacties met kooldioxyde uit de atmosfeer. Dit patina hecht buitengewoon goed en is onoplosbaar in water. De penetratie in het metaal (er is immers lood nodig dat moet reageren met kooldioxyde) bij de vorming van dit patina is gering. Metingen uitgevoerd na 10 jaar expositie in verschillende atmosferen wezen uit dat de gemiddelde penetratie slechts 0,006 mm bedroeg en dat de snelheid waarmee de penetratie voortschreed afnam in de tijd. In industriële atmosferen kan het patina nog sulfaten en carbonaten bevatten, zonder dat de beschermende werking hiervan schade ondervindt. De natuurlijke kleur van loodpatina is zilvergrijs, maar het oogt vaak donkerder als er vuil op het oppervlak aanwezig is. Aangezien het patina van verweerd lood onoplosbaar is in water, zal afstromend regenwater er niets van oplossen zodat er ook geen gevaar bestaat voor besmeuring van aangrenzend materiaal zoals gevelbekledingen en metselwerk, om maar niet te reppen van voorbijgangers die het op hun kleren zouden kunnen krijgen.

Mechanische en fysische eigenschappen van lood

Loodplaat is buitengewoon goed vervormbaar en het kan derhalve heel makkelijk worden verwerkt in alle mogelijke ontwerpen. De mechanische sterkte is matig met een verhoudingsgewijs hoge lineaire uitzettingscoëfficiënt, maar er zijn verder geen factoren aan te voeren die het gebruik van lood als dakbedekkingsmateriaal in de weg staan. Lange ervaring heeft getoond dat het materiaal zodanig kan worden bevestigd, dat de invloed van spanningen die het gevolg zijn van uitzettings-en krimpbewegingen verwaarloosbaar zijn, zelfs na eeuwenlange blootstelling aan weer en wind.

Vuurvastheid

Loodplaat wordt geaccepteerd als een materiaal dat voldoende bescherming biedt tegen het verspreiden van brand binnen een bouwwerk of naar naburige bouwwerken. Als het wordt aangebracht op overlappende en van groeven voorziene beplating of beton kan het zonder beperking worden gebruikt.

Warmte isolatie

De warmtegeleidbaarheid van lood bedraagt 34,75 W/m ºC en voor praktische doeleinden kan de invloed van loden dakbedekking worden verwaarloosd bij de berekening van de warmteweerstand van een dak. 

Zink

Zinkplaat wordt ook toegepast in de bouw. Het laat zich makkelijk buigen, zodat er verschillende vormen aan kunnen worden gegeven zoals goten, platen met omgezette kanten e.d. Zinkplaat vertoont sterke neiging tot kruip bij omgevingstemperatuur. Dit nadelige effect laat zich heel eenvoudig verhelpen door aan het zink wat titaan toe te voegen, 0,1 tot 0,2% is al voldoende. De weerstand tegen kruip neemt door dit bijlegeren van titaan enorm toe. Bijlegeren van zowel titaan als wat koper geeft een nog sterker effect. Hierdoor zijn deze zink-titaan en zink-koper-titaan legeringen zeer geschikt voor toepassing als dakbedekkings-en gevelbekledingsmateriaaL Een recent voorbeeld van dit metaal als dakbedekkingsmateriaal is het koepeldak van de Haarlemse strafgevangenis, die geheel is voorzien van een bekleding van zinkplaat. De snelheid waarmee zink corrodeert bij blootstelling aan de buitenlucht wordt hoofdzakelijk beheerst door het aantal keren en de tijdsduur waarmee het metaal in aanraking is met vocht, de snelheid waarmee het weer opdroogt en de mate van industriële vervuiling van de lucht. De corrosiesnelheid in landelijke omgevingen is laag. De schadelijkste omstandigheden zijn die, waarbij regelmatig bevochtiging plaatsvindt met nevel en mist in industriële atmosfeer waar het gecondenseerde vocht uitgesproken zuur is. Dit zure vocht verstoort de vorming van een beschermende, basische film bestaande uit corrosieprodukten. Regen is minder schadelijk, hoewel het begin van een bui zuur is, is dat al gauw niet meer het geval tengevolge van een uitspoeleffect. Het langsstromende regenwater helpt juist bij het wegspoelen van schadelijke produkten zoals zure stofdeeltjes in industriële gebieden en chloride-ionen op kustlocaties. De drogingssnelheid is van grote invloed, omdat het hoge zuurstofgehalte van dunne vochtfilms de corrosiesnelheid aanzienlijk kan verhogen. Omstandigheden waaronder de droging vertraagd plaatsvindt versnellen de corrosie. Bij normale blootstelling aan weer en wind verloopt het opdrogen snel. Locaties die zijn blootgesteld aan de atmosfeer, maar worden beschut voor direct contact met regen en wel worden bevochtigd door mist of condenswater, drogen langzaam. Kustatmosferen zijn minder corrosief voor zink dan industriële atmosferen. Kustatmosferen bevatten vele variabelen die van invloed kunnen zijn op de corrosiesnelheid van het metaal, zoals hoeveelheid neerslag, de overheersende relatieve vochtigheid en de heersende temperaturen, de frequentie en mate van bewolking, de hoeveelheid industriële luchtvervuiling en de afstand tot de zee. Sinds 1931 wordt er systematisch onderzoek verricht naar de gevoeligheid van gewalste zinkprodukten voor atmosferische corrosie. Uit dit langlopende onderzoek kwam naar voren dat zink in het algemeen een gelijkmatig aantastingspatroon vertoonde nagenoeg zonder enige vorm van lokale aantasting zoals putvormige corrosie. De bruikbaarheid van zink in de atmosfeer blijkt voornamelijk door de volgende twee factoren te worden beïnvloed:

• zink wordt aangetast door zuren (zure regen) met een corrosiesnelheid die toeneemt naarmate de zuurgraad toeneemt (pHwaarde lager wordt);
• zink is in staat om bij geschikte pH-waarden een laag te vormen, bestaande uit in water onoplosbare basische verbindingen, die het onderliggende metaal afdoende beschermt.

Weersbestendig staal

Weersbestendig staal is een staaltype waaraan wat koper is toegevoegd. Het kan in ongeschilderde toestand aan de atmosfeer worden blootgesteld. Er ontstaat een goed hechtende roestlaag, die redelijk ondoordringbaar is voor water, waardoor het corrosieproces aanzienlijk wordt vertraagd en het staal anders dan gewoon ongelegeerd staal slechts heel langzaam en gelijkmatig corrodeert zodat het een lange gebruiksduur heeft. Weersbestendig staal wordt in de bouw toegepast als dragend materiaal in gevelelementen, waarbij tevens in het architectonisch ontwerp gebruik wordt gemaakt van de diepbruine kleur van dit staal of liever van de permanente roestlaag. Een kenmerk van weersbestendig staal is dat het afwisselend moet worden bevochtigd, dus niet permanent of gedurende lange intervallen (weken of maanden of nog langer). Is dat wel het geval dan gedraagt dit staal zich als elk ander onbedekt ongelegeerd staal: het roest in hoog tempo en er is van bescherming door de daarbij ontstane roestlaag geen sprake meer. Bij het ontwerp van een bouwwerk moet dus rekening worden gehouden met deze eigenschap. Voor verticale delen is de afwatering voldoende. In geval van horizontale  delen, zoals kozijnen, daken en dakdetails, luifels e.d. moet worden vermeden dat er plekken kunnen voorkomen waar zich plasjes water verzamelen. Een en ander moet dus vlot kunnen afwateren.


Foto: lnco Engineering Products Ltd, Melbourne, UK.

Aluminium

Aluminium en de daarvan afgeleide legeringen worden al op vrij grote schaal toegepast in de vorm van raamvattingen, gevelbeplating e.d. Het materiaal kan door aangepaste oppervlaktebehandelingen worden voorzien van een extra beschermende laag al of niet voorzien van een kleur. Bij roestvast staal is dit inmiddels ook mogelijk. Nadelen van aluminium en aluminiumlegeringen is hun toch wat matige stijfheid en hun slechte lasbaarheid. Door langs elektrochemische weg de van nature aanwezige beschermende oxydehuid extra dik te maken (anodiseren) kan de corrosiebestendigheid van aluminium en bepaalde aluminiumlegeringen aanzienlijk worden verhoogd. Vooral voor gevelbekleding en raamkozijnen wordt aluminium met succes toegepast.

Roestvast staal

Roestvast staal ontleent zijn corrosiebestendigheid aan de aanwezigheid van een chemisch zeer resistente, goed hechtende, flexibele en doorzichtige chroomoxydelaag. Door het bijlegeren van bepaalde legeringselementen zoals met name molybdeen kan de bestendigheid van deze oxydelaag nog extra worden versterkt omdat tijdens het ontstaan van de oxydelaag er wat molybdeen in terecht komt. De aanwezigheid van molybdeen in de oxydelaag maakt dat deze laag extra goed bestand is tegen de agressieve invloed van chloride-ionen, die in zeeklimaten in ruime mate voorhanden zijn. De corrosiebestendigheid van roestvast staal is hoger dan die van de voornoemde metalen en daarvan afgeleide legeringen. Daar staat tegenover dat roestvast staal een moeilijker materiaal is. Als er met de voornoemde materialen wat ruw wordt omgesprongen bij het verwerken en de montage, dan heeft dat doorgaans geen ernstige consequenties. Bij roestvast staal is dat volslagen anders: fouten en slordigheden worden afgestraft met lokale aantasting zoals putvormige corrosie of scheurvorming (scheurvormende spanningscorrosie). Installateurs die met roestvast staal werken moeten diep doordrongen  zijn van wat wel en vooral van wat niet met dit materiaal mag worden gedaan. Krassen en deuken vormen een ernstige aanslag op de corrosiebestendigheid van roestvast staal. Op krassen kan zich een corrosievorm manifesteren die verwant is met de corrosie onder vaste deeltjes of in spleten, namelijk spleetcorrosie. Zonder hier nader op in te gaan zij volstaan met op te merken dat spleetcorrosie onder bepaalde omstandigheden binnen korte tijd (enkele maanden tot weken en soms dagen) tot perforatie van het plaatstaal kan leiden. Bij de bouw moet dan ook met grote zorgvuldigheid te werk worden gegaan. Er moet worden gezorgd voor goede opslagfaciliteiten, liefst op houten schappen (nooit gewoon staal hiervoor toepassen); er mag niet over worden gelopen, steentjes en gruis in de schoenzolen kunnen ernstige krassen geven; platen in hun geheel van elkaar aftillen en niet de een over de ander laten slepen, omdat scherpe hoeken van de één krassen in de ander kunnen maken.

Mechanische eigenschappen

De mechanische eigenschappen van een tweetal austenitische roestvast staaltypen zijn tesamen met die van voornoemde metalen samengevat in tabel 1. Austenitisch roestvast staal is bijzonder taai, hetgeen blijkt uit het hoge rekpercentage en de hoge kerfslagtaaiheid. Dit taaie gedrag blijft ook bij lage omgevingstemperatuur behouden, tot vele tientallen graden Celsius onder nul, terwijl andere staalsoorten dan al zeer bros worden en derhalve bij vooral plotselinge hevige belasting makkelijk scheuren of breken. Roestvast staal en dan vooral austenitisch roestvast staal is heel goed lasbaar. Toch wil dit niet zeggen dat willekeurig welke lasser altijd goede resultaten zal behalen. Er is zeker kennis van zaken nodig en ervaring om tot goede resultaten te komen. Als aan deze voorwaarden is voldaan, hoeft niet te worden gevreesd voor eigenaardigheden of onverwacht falen. Daar roestvast staal een redelijke geleider is van elektriciteit en warmte, wordt bij blikseminslag de elektrische stroom direct afgevoerd zonder dat dit met lokale verhitting gepaard gaat. Aarding van de constructie is wel een voorwaarde. Glanzend gepolijste metaaloppervlakken reflecteren niet alleen licht, maar ook warmte. Een en ander hangt met elkaar samen. Het mag misschien vreemd klinken maar een dergelijk glanzend object gedraagt zich in fysische zin al aardig als een zwarte straler. Omdat (austenitisch) roestvast staal goed lasbaar is, is dit de verbindingsmethode bij uitstek. Er worden verbindingen verkregen die geheel massief zijn, gas-en waterdicht en met mechanische eigen schappen die overeenkomen met die van het basismetaaL Met slechts relatief geringe beschermingsmaatregelen is het mogelijk om het hele jaar door, onder de uiteenlopendste omstandigheden te werken. Hierbij is het eerder de mens die een beperkende factor vormt dan de verbindingsmethode.


Tabel 1. Enige kenmerkende waarden van de mechanische eigenschappen en warmtegeleidbaarheid van materialen die geschikt zijn voor dak- en gevel bekleding.


Materiaalvorm en bewerking

Voor dakbedekkingen wordt uitgegaan van koudgewalste roestvast stalen strip of band met een dikte van 0,4 mm en een breedte van 650 mm. Dit materiaal wordt rechtstreeks op de bouwplaat geleverd, bewerkt en daarna aangebracht. De bewerking houdt in, dat eerst de kanten van de strip met een zetmachine onder een hoek van 90 graden worden omgezet, waarna deze aldus gevormde laskanten met een lasmachine aan elkaar worden gelast. De lassnelheid die met zo'n lasmachine kan worden bereikt bedraagt 4 meter per minuut. De gezette kant wordt met een vouwmachine dubbelgevouwen, hetgeen extra verstijving geeft en de scherpe randen verwijdert.

Toepassingen bij renovatie

Behalve voor nieuwbouw kan bij het renoveren van bestaande daken met vrucht gebruik worden gemaakt van roestvast staalplaat. Ongeveer 20 jaar geleden werd een begin gemaakt met het ontwerpen van gebouwen met platte daken, waarbij isolatie direct op beton werd aangebracht. De waterdichte bedekking werd verkregen door drie lagen dakvilt met behulp van bitumen op de isolatie te plakken. Deze methode blijkt slecht te werken vanwege vocht, dat de isolatie binnendringt vanuit de binnenkant van het gebouw. Het dak wordt nat en er verschijnen blazen in het dakvilt, omdat het vocht geen andere uitweg heeft; het dak is in verval. De beste manier om zulke daken te repareren is het aanbrengen van een extra isolatielaag op het oude dakvilt en het vervolgens af te dekken met roestvast staalplaat. Het dak kan dan ademen en het vocht heeft een uitweg,  omdat het plaatmateriaal niet is verbonden met de onderlagen. Het oude dakvilt functioneert daarbij als een goede dampwering. Naar schatting moet alleen al in Europa zo'n honderd miljoen vierkante meter platte daken worden gerepareerd.

Onderhoud

Omdat roestvast staal zich van nature bedekt met een beschermende laag hoeft er geen onderhoud plaats te vinden, die erop is gericht om eventuele lacunes in een beschermende laag te repareren zoals dat bij verflagen het geval is. De beschermende laag is wat dat betreft zelfherstellend. Dit wil echter niet zeggen dat het roestvast staal na installatie geheel aan zichzelf kan worden overgelaten. Invloeden die kunnen leiden tot schade, die doorgaans het gevolg is van plaatselijk doorbreken van de beschermende oxydehuid, zijn onder meer afkomstig van neerslag van vaste deeltjes op het staaloppervlak, krassen en deuken. Onder vuildeeltjes kan in aanwezigheid van vocht en chloorionen (vooral aanwezig in kustgebieden) lokale corrosie optreden (Engelse benaming: under deposit  attack). Het is dan ook zaak om er toch een, zij het summier, onderhoudsprogramma op na te houden, dat kan bestaan uit één à twee maal per jaar reinigen van het staaloppervlak. Krassen en deuken  vormen eveneens een bedreiging van de corrosieweerstand.

Conclusie

Alle materialen die hier wat nader zijn belicht bezitten een aantal aantrekkelijke eigenschappen . Allen beschikken over een voldoende mate van corrosiebestendigheid. Allen zijn behept met een aantal eigenaardigheden, de één iets meer dan de ander, waar bij het ontwerp en de installatie rekening moet worden gehouden. Wat dit aspect betreft vormt roestvast staal eerder een wat negatieve uitzondering omdat het fouten snel afstraft. De mechanische eigenschappen van lood zijn dermate gering, dat dit metaal alleen als bekleding kan worden toegepast. De anderen zijn door legeren, warmtebehandeling, deformatie en constructieve ingrepen zodanig te conditioneren dat er zelfdragende constructies van kunnen worden gemaakt. Naast corrosievastheid vormt het uiterlijk van het te kiezen metaal een doorslaggevende factor. Met roestvast staal kan een heel scala van kleur-en glansnuances worden verkregen. Het is deze combinatie van mechanische sterkte, corrosiebestendigheid en het grote scala aan oppervlakteafwerkingen, die roestvast staal boven de andere metalen doet uitsteken.