Weervast staal
Introductie
Sinds de jaren 1930 gebruikt men meer en meer weervast staal in gebouwen en kunstwerken. Weervast staal is een metaal dat bij goed gebruik zeer corrosiebestendig is en een karakteristieke bruine kleur heeft. Dit artikel gaat in op de geschiedenis en de werking van het materiaal, toont toepassingen en bespreekt onderhoud en restauratie.

Afb. 6. Detail van het voormalig gebouw van de sociale dienst in Tilburg, ook bekend als ‘Het blauwe gebouw’. De onderbouw is opgebouwd uit beton met blauwe glastegeltjes. De hoogbouw heeft een dragend betonskelet, en is over de hele gevel bekleed met weervast staal, net als de uitkragende zonweringen en in de galerijen.
Geschiedenis
De ontwikkeling van weervast staal komt voort uit het gebruik van zogenoemd koperstaal. Aan het begin van de twintigste eeuw groeide in de wetenschappelijke wereld de interesse voor dit materiaal. In 1916 startte een langdurige studie van de American Society for Testing and Materials (ASTM), die bevestigde dat staal met een kleine hoeveelheid gelegeerd koper, van 0.2 tot 0.5 wt%[1], beter weerstand bood tegen atmosferische corrosie. Ook fosfor (P) bleek een positief effect te kunnen hebben.
Het belang van een materiaal met een hoge corrosiebestendigheid, dat buiten gebruikt kon worden zonder regelmatig onderhoud of een coating, werd snel duidelijk. In eerste instantie gebruikte men weervast staal vooral in het vrachtverkeer, in de jaren zestig van de twintigste eeuw paste men het toe in gebouwen en kunstwerken (zie Afb. 1).
In 1935 werd de merknaam COR-TEN® geregistreerd door US Steel Corporation (USS). Het acroniem verwijst naar de twee karakteristieke kenmerken van het materiaal: ‘CORrosion resistance’ en ‘TENsile strength’ (corrosiebestendigheid en treksterkte). Andere staalproducenten hebben hun eigen legeringen van weervast staal op de markt gebracht, zoals Patinax® (Thyssen AG), Resista (Hoesch) en Mayari R (Bethlehem Steel Corporation).
Waar de eerste ontwikkeling voornamelijk een beschrijving was van het waar te nemen gedrag, probeerden wetenschappers vanaf de tweede helft van de twintigste eeuw een beter begrip te krijgen van de mechanismen die ervoor zorgen dat weervast staal beter bestand is tegen corrosie. Er werd onderzocht hoe de beschermende corrosielaag tot stand komt, en welke factoren daarop van invloed zijn. De afgelopen decennia verschoof de focus naar het evalueren van de effectiviteit van de beschermende laag, en het optimaliseren van de legering. Daarmee hoopt men de corrosiebestendigheid te vergroten, de ontwikkeling van de beschermende corrosielaag te versnellen en weervast staal toe te passen in sterk industriële of maritieme omgevingen.
Hoe werkt het?
Weervast staal is een verzamelnaam voor legeringen van staal die meer corrosiebestendig zijn dan niet-weervast staal. Het staal behoort tot de categorie HSLA-staal: laaggelegeerd staal met hoge sterkte (High Strength Low Alloy), dat gedefinieerd wordt door diens specifieke mechanische eigenschappen. De exacte chemische samenstelling van weervast staal ligt niet vast.
Weervast staal staat voornamelijk bekend onder de productnaam COR-TEN®. Niet-weervast staal corrodeert voortdurend in de buitenlucht, maar weervast staal vormt een beschermende en esthetische corrosielaag die het onderliggende metaal beschermt. Naast koolstof (C) is het ijzer (Fe) gelegeerd met kleine hoeveelheden andere metalen, zoals koper (Cu), chroom (Cr), nikkel (Ni) en mangaan (Mn). Zodra het materiaal wordt blootgesteld aan zon, regen en wind ontwikkelt zich een fel oranje patina, dat steeds donkerder wordt: van roodbruin na een aantal maanden, tot diep bruin na een aantal jaren (Afb. 2 en Afb. 3) Het beschermende patina ontwikkelt zich op voorwaarde dat het staal afwisselend nat wordt en volledig kan drogen.
Een goed werkende weervaste corrosielaag heeft een fijne textuur met een goede hechting waardoor deze een barrière vormt voor water en zuurstof. Corrosie op niet-weervast staal heeft daarentegen een grove, schilferende textuur met een slechtere hechting, waardoor water en zuurstof kunnen blijven doordringen tot het metaal en corrosie onverminderd doorgaat.
In eerste instantie corrodeert weervast staal even snel als niet-weervast staal, maar al gauw vertraagt het corrosieproces. Het proces kent drie fases. Tijdens de eerste fase verloopt corrosievorming het snelst, en vormt zich een poreuze laag met een zwakke hechting aan het onderliggende staal. Water kan makkelijk doordringen en maakt Fe2+ en Fe3+ ionen beschikbaar. Wanneer het staal droogt, vormen deze vrije ionen stabielere verbindingen. Tijdens de tweede fase vertraagt het corrosieproces. Verbindingen met een compactere kristalstructuur maken de corrosielaag meer beschermend. Deze verbindingen bouwen op, tot in de derde en laatste fase het corrosieproces zo langzaam verloopt dat er nagenoeg geen staal meer verloren gaat.
Hoe lang het duurt voordat zich een stabiele laag vormt, hangt af van veel factoren, en van wat men verstaat onder een ‘stabiele laag’. Er is geen wetenschappelijke consensus, maar literatuurbronnen melden periodes van één tot vijf jaar, en zelfs tot acht jaar. In de praktijk blijkt dat dit sterk afhankelijk is van het klimaat en de manier waarop het staal gebruikt wordt. Als men het materiaal zo plaatst dat het wordt afgeschermd van zon, regen en wind, ontwikkelt zich een poreuze corrosielaag die vocht kan vasthouden en daarmee het corrosieproces in stand houdt. Maar als het staal door de regen kan worden gewassen en kan drogen in de zon en wind, ontstaat een meer beschermende laag die het proces vertraagt.
Het kan moeilijk zijn weervast staal visueel te onderscheiden van niet-weervast staal. Een stabiele corrosielaag op weervast staal is compact en dun. Een dikkere laag, het laagsgewijs loslaten van corrosie (delaminatie) en/of schilferen kunnen erop wijzen dat de beschermende laag op weervast staal niet goed presteert, of dat het gaat om niet-weervast staal.
Toepassingen
Vrachtverkeer
Weervast staal werd voor het eerst toegepast in onder meer goederentreinen, vrachtwagens en landbouwmachines. US Steel, de producent van COR-TEN®, promootte het staal in spoorweginfrastructuur. Aanvankelijk werd het nog steeds geschilderd, zoals gebruikelijk was bij dit materiaal. In de jaren zestig bleek uit onderzoek dat de levensduur van verflagen op weervast staal tot wel vier keer langer is dan op niet-weervast staal.
Architectuur
Vanaf de jaren zestig werd weervast staal toegepast in gebouwen, met name in de Verenigde Staten. Toonaangevend was het hoofdkantoor van John Deere in Moline, Illinois, van architect Eero Saarinen uit 1964 (Afb. 4). Weervast staal werd ook gebruikt in de constructie van het Richard J. Daley Center in Chicago uit 1965 en voor de sculptuur voor dit gebouw die Pablo Picasso in 1967 aan de stad schonk (Afb. 1). Een ander voorbeeld is de US Steel Tower in Pittsburgh, geopend in 1971. De massieve stalen kolommen werden aan de buitenkant van het gebouw geplaatst, zodat het COR-TEN® staal, hun eigen product, zichtbaar was. Aanvankelijk zorgde verwering van het materiaal ervoor dat corrosiemateriaal wegspoelde en de stoep rondom het gebouw roodbruin kleurde – een praktijk die ook in Nederland voorkwam. Het duurde een aantal jaar voor de beschermende laag stabiliseerde, waarna de verkleuring afnam en de stoep kon worden schoongemaakt.
In Europa was het gebouwencomplex Rostlaube van de Freie Universität in Berlijn een belangrijke gangmaker voor het gebruik van weervast staal (Afb. 5). Het werd ontworpen door de architecten Candilis, Josic en Woods en gebouwd tussen 1967 en 1973. In Nederland werd ook weervast staal in gebouwen gebruikt. De tiende verdieping van het NH Tropenhotel aan de Linnaeusstraat in Amsterdam, naar ontwerp van Tjeerd Dijkstra, werd bekleed met dit materiaal. In 1967 was dit een van de vroegste toepassingen van weervast staal in Nederland. In 2023 werd bij een renovatie de gevelbekleding verwijderd. Weervaststalen raamprofielen bevinden zich in de uitbreiding uit 1970-1972 van het hoofdkantoor van de Energiemaatschappij IJsselcentrale in Zwolle, dat nu als bibliotheek in gebruik is. Een ander vroeg voorbeeld was het voormalige gebouw van de sociale dienst in Tilburg, ook bekend als ‘Het blauwe gebouw’ (1973-1977, gesloopt in 2023) (Afb. 6). ‘De Roef’ in Almere Haven, gebouwd tussen 1975 en 1976, is na jaren leegstand gerenoveerd, maar de gevelbekleding is verdwenen. Eveneens in Almere staat Corrosia, geopend in 1979 en gerenoveerd in 2015, waarbij het opnieuw is bekleed met weervast staal.
Sculpturen
Toen weervast staal opkwam in de architectuur, trok het direct de aandacht van kunstenaars. Zij zagen het als een modern, onderhoudsvrij en esthetisch materiaal voor de creatie van buitenbeelden. Bekende artiesten die werkten met weervast staal zijn, behalve de reeds genoemde Picasso, Richard Serra, Donald Judd, Eduardo Chillida, Barnett Newmanen Robert Indiana. In Nederland werkten onder meer Carel Visser en André Volten met weervast staal. Rudi van de Wint creëerde tientallen grote sculpturen uit weervast staal, waarvan een selectie te bezichtigen is in De Nollen in Den Helder (Afb. 7).
Bruggen en tuinen
Weervast staal wordt vaak toegepast in de constructie van bruggen. Het is lichter dan alternatieven zoals gewapend beton en vraagt weinig onderhoud, mits het wordt gebruikt in geschikte omstandigheden en in een gepast ontwerp. In tuinen vindt men weervast staal in plantenbakken en lage afscheidingen, hoewel het contact met aarde over het algemeen zorgt voor een kortere levensduur van het metaal.
Problemen met weervast staal
Problemen met weervast staal zijn meestal het gevolg van een vochtig klimaat, een ongepast ontwerp of een combinatie van beide.
De beschermende laag ontwikkelt zich niet altijd zoals verwacht. Een bekend voorbeeld is het voormalige ‘Omni Coliseum’ in Atlanta, Georgia, dat bekleed was met weervast staal. In het subtropische klimaat van Atlanta bleef het staal roesten tot zich gaten vormden in de gevelbekleding. Amper 25 jaar na zijn ontstaan werd het gebouw afgebroken.
Om problemen te voorkomen moet rekening worden gehouden met een aantal factoren die van invloed zijn op het corrosieproces.
- Afwisseling van natte en droge periodes is noodzakelijk voor de vorming van een beschermende corrosielaag. Het staal moet dus worden blootgesteld aan regen, maar het moet ook volledig kunnen drogen. Waar het staal wordt afgeschermd van zon en/of regen of waar vocht accumuleert, vormt zich een laag van losse oxides die niet beschermend is. Op termijn kan dit zorgen voor verregaande corrosie.
- De oriëntatie van een vlak heeft invloed op de blootstelling aan het buitenklimaat. Oppervlakken die op het noorden georiënteerd zijn zullen minder snel een beschermende laag ontwikkelen. Delen die constant in de schaduw liggen kunnen onvoldoende drogen. Voor afgesloten constructies moeten drainage en ventilatie worden opgenomen in het ontwerp. Waar water kan insijpelen en accumuleren gaat het corrosieproces onverminderd voort (Afb. 8). Ook kunnen opstapeling van vuil, stof of direct contact met de natte bodem voor schade zorgen.
- In landelijke en stedelijke omgevingen met lage concentraties van zwaveldioxide kan weervast staal zich goed ontwikkelen. Industriële omgevingen met hoge concentraties zwaveldioxide, stikstofoxides, koolstofdioxide en ozon zijn niet geschikt. Waar hoge chloorconcentraties aanwezig zijn, zoals in de buurt van de zeewater of bij wegen waar veel strooizout wordt gebruikt, kan men het beste een weervast staal gebruiken dat ontwikkeld is voor deze specifieke toepassing.
Monitoren en onderhoud
Een stabiele corrosielaag is compact en dun, met sterke hechting aan het onderliggende metaal. Een dikkere corrosielaag, delaminatie en schilferen zijn mogelijke indicaties dat de beschermende laag niet goed presteert. Controleren van weervast staal, bijvoorbeeld voor het monitoren van bruggen, kan gebeuren door visuele inspectie. Een eenvoudige ‘tape test’, waarbij men plakband plakt en weer lostrekt, wordt soms toegepast om meer gedetailleerde informatie te krijgen over het presteren van de beschermende laag.
Monitoren van de stabiliteit van zowel een weervast als een niet-weervast stalen constructie kan door te controleren op scheuren en microcracks, in het bijzonder voor onderdelen die wisselend belast worden en dus gevoelig zijn voor metaalmoeheid. Op plekken waar water kan insijpelen door capillaire werking, bijvoorbeeld waar platen verbonden zijn met schroeven of bij open lasnaden, bestaat een verhoogd risico op corrosie, ook van binnenuit. Door de toename van het volume van het corrosiemateriaal wordt druk uitgeoefend op het omliggende materiaal. Deze krachten kunnen groot genoeg zijn om lasnaden en schroeven te breken.
Voor buitenbeelden is een goed ontworpen fundering of sokkel essentieel. De fundering moet ervoor zorgen dat het weervast staal niet in direct contact staat met de vochtige grond. Daarnaast moet het materiaal bestand zijn tegen vlekken van roestwater.
Weervast staal is ontwikkeld om onderhoudsvrij te zijn, dus schilderen of het aanbrengen van een ander soort coating is in normale omstandigheden niet nodig. Het kan nuttig zijn het staal regelmatig schoon te maken om stof en vuil te verwijderen, zodat water en corrosieve producten zoals chloriden zich niet kunnen verzamelen. Soms is het ontwerp zo dat er onvermijdelijk water en rommel accumuleert in hoeken en spleten. In dat geval is het raadzaam om het ontwerp te herzien of moet een procedure worden opgesteld voor regelmatig onderhoud en monitoren.
Conservering en restauratie
Vandalisme en graffiti zijn terugkerende problemen, bij zowel buitenbeelden als gevelbekleding van weervast staal. Door de porositeit van het oppervlak is verwijderen van graffiti en andere vlekken soms moeilijk. Bedrijven die gespecialiseerd zijn in het reinigen van gevels kunnen worden ingezet voor gevelbekleding. Voor de behandeling van buitenbeelden kan men een restaurator benaderen. Bij verregaande corrosie is het soms nodig om volledige secties te vervangen en/of het ontwerp aan te passen.
Er bestaan anti-graffiticoatings, die mogelijk gebruikt kunnen worden om een oppervlak te beschermen tegen vandalisme. Voor weervast staal gaat het dan om transparante, zelfopofferende systemen. Dat houdt in dat de coating ook verdwijnt wanneer men de graffiti verwijdert, wat bij voorkeur zo snel mogelijk gebeurt nadat de graffiti is aangebracht. Na het reinigen moet men deze coating opnieuw aanbrengen. Over het algemeen verandert de coating ook het aanzicht van het metaal, dat glanzender en donkerder kan lijken. Bovendien moeten coatings regelmatig vervangen worden om een goede werking te garanderen.
Meer lezen
- Morcillo, M., I. Díaz, B. Chico, E. Cano, and D. de la Fuente (2014) Weathering Steels: From Empirical Development to Scientific Design. A Review, Corrosion Science 83, pp. 6–31.
- Murata, T. (2011) Weathering Steel. In: Uhlig’s Corrosion Handbook, Third Edition, pp. 621–631.
- Scott, J. and C.L. Searls (2014) Weathering Steel. In: T.C. Jester (ed.) Twentieth-Century Building Materials: History and Conservation.
- Stenvert, R. en D. Takens (2024) Gevelbekleding - Metaal. In: K. Somer en R. Stenvert (ed) Bouwmaterialen 1940-1990: vernieuwing, constructie, toepassing, pp. 158-162.
Dit artikel is geschreven door Rosemie Coppens, stagiair bij de RCE.
Dit artikel maakt deel uit van Moderne bouwmaterialen.
Zie Bouwmaterialen 1940 - 1990 Vernieuwing, constructie, toepassing (nai010) voor meer informatie over dit boek.
Zie Bouwmaterialen 1940 - 1990 Vernieuwing, constructie, toepassing (nai010) voor meer informatie over dit boek.
- ↑ wt% = gewichtsprocent (of massafractie): het percentage van de massa van een bepaald soort atoom ten opzichte van de totale massa van het mengsel van atomen in een legering.
Deze pagina is voor het laatst bewerkt op 6 feb 2025 om 03:19.