Ons Erfdeel. Jaargang 30

[p. 361]

Gevolgen van luchtverontreiniging op historische gebouwen
Edward Roekens en Rene van Grieken

EDWARD ROEKENS
werd geboren in 1951 te Wilrijk. Doctor in de scheikunde (R.U. Gent, 1976). Is tijdelijk assistent aan de U.I. Antwerpen, belast met een studie over de invloed van luchtpollutie op historische gebouwen. Publiceerde wetenschappelijke artikelen en rapporten, ondermeer over de invloed van luchtverontreiniging op historische gebouwen.
Adres: Karmelietenstraat 12, B-2600 Berchem

RENé VAN GRIEKEN
werd geboren in 1945 te Mol. Doctor in de scheikunde (R.U. Gent 1971). Gewoon hoogleraar aan het departement scheikunde van de U.I. Antwerpen. Publiceerde artikelen in wetenschappelijke tijdschriften.
Adres: Plataandreef 18, B-2120 Schoten

Historische monumenten, omgeven door bouwstellingen, zijn een vertrouwd gezicht geworden in de meeste Europese steden. De verwering van de gesteenten is hoofdzakelijk het gevolg van de emissies van de zwavel- en stikstofhoudende gassen, die ook de veelbesproken ‘zure regen’ veroorzaken en dikwijls in verband worden gebracht met de verzuring van meren en de aantasting van het bosbestand.

De aantasting van bouwmaterialen is pas in de belangstelling van het publiek gekomen nadat, een tiental jaren geleden, alarm was geslagen over de dramatische toestand van de Acropolis in Athene en het Coliseum in Rome. Men mag aannemen dat onze cultuurhistorische gebouwen in de laatste 50 jaar meer hebben geleden dan in de 500 jaar daarvoor.

In dit artikel zal de aantasting van historische monumenten en gebouwen in het kort besproken worden. Uiteraard zijn ook andere materialen met cultuurhistorische waarde, zoals beiaardklokken, glasramen, verf, papier en textiel aan verwering onderhevig.

Hoe groot is de schade aan ons cultuurgoed door luchtverontreiniging?

Uiteraard valt de schade aan onvervangbare cultuurgoederen niet echt te becijferen. We kunnen alleen concrete cijfers vermelden over de kosten om cultuurgoederen te restaureren tot een min of meer aanvaardbaar geheel. De eerste fase b.v. van de restauratie van de Sint-Romboutskathedraal in Mechelen, die 23 jaar duurde, kostte 1 miljard frank. De Sint-Michielskerk in Brussel, die in 1964 nog gerestaureerd werd, is nu alweer toe aan een restauratie, waarvan de totale kosten op 1,5 miljard frank worden geraamd. In 1985 gaf de Administratie voor Ruimtelijke Ordening en Leefmilieu voor Vlaanderen 100 miljoen BF uit voor de restauratie van geklasseerde privégebouwen, 140 miljoen voor openbare gebouwen, en 211 miljoen voor kerken. Zonder budgetrestricties zouden die getallen veel hoger zijn: in 1978 werd nog 600 miljoen BF uitgegeven voor kerken alleen.

In Nederland heeft men becijferd dat de

[p. 362]

restauratie van historisch waardevolle gebouwen ongeveer 15 miljard frank zal kosten, de restauratie van boeken in musea ongeveer 10 miljard, en van gebrandschilderde ramen 350 miljoen frank; voor de restauratie van beiaardklokken moet op 5 miljoen frank per jaar worden gerekend.⁽¹⁾ Ongetwijfeld zullen de werkelijke kosten in België van dezelfde orde van grootte zijn.

(1) j.f. feenstra, Cultuurgoederen en luchtverontreiniging, Rapport Lucht 1, Ministerie van Volkshuisvesting, Ruimtelijke Ordening en Milieubeheer, Nederland, 1982, 142 p.

Hoe verweren historische gebouwen?

Ook op een natuurlijke manier verweren gebouwen en monumenten in de openlucht; in de eerste plaats spelen de weersomstandigheden en de duurzaamheid van het materiaal hierbij een belangrijke rol. Onlangs werd door De Geyter en Nijs een uitgebreide studie gemaakt van de verschillende historisch belangrijke bouwmaterialen, hun mineralogische samenstelling, z. (⁽²⁾,⁽³⁾) Vooral kalkstenen die calciet (CaCO₃) als één der belangrijkste componenten bevatten, zijn bijzonder sterk aan verwering door luchtverontreiniging onderhevig, omdat rechtstreekse chemische reacties met atmosferische verontreinigers mogelijk zijn. En juist deze stenen werden in de Middeleeuwen het meest gebruikt bij de constructie van gebouwen.

Voor cultuurgoederen die binnenshuis bewaard worden, in b.v. musea en archieven, zijn vooral de temperatuur en relatieve vochtigheid van groot belang. Talrijke andere factoren zijn meebepalend voor de snelheid van de aantasting en de mate waarin dat gebeurt.

Algemeen dient bij de aantasting van bouwmaterialen rekening gehouden te worden met drie groepen van verweringsmechanismen, en combinaties daarvan:

a) Chemische verwering door chemische reacties aan het oppervlak en in barsten, door vorming van secundaire mineralen zoals gips. De verschillende reacties die een rol kunnen spelen in de verwering zijn samengevat in tabel 1.

b) Fysische verwering als gevolg van opeenvolgende uitzetting en inkrimping door temperatuurschommelingen, door impact van neerslag, door uitzetting van secundaire mineralen in barsten.

c) Verwering door biologische activiteit als gevolg van de aanwezigheid van Microörganismen, algen, mossen, enz.

Op natuurlijke wijze verweren gebouwen uit kalksteen chemisch zeer langzaam, doordat in vochtige lucht koolstofdioxide, CO₂, (afkomstig van natuurlijke ontbindingsprocessen en verbranding van fossiele brandstof) de kalksteen, CaCO₃, traag omzet tot meer oplosbaar calciumbicarbonaat, Ca(HCO₃)₂, (volgens reactie 1 in tabel 1).

Fysisch verweren zij doordat de muren van het gebouw in hun poriën zouten opnemen uit het grond- of regenwater; deze zouten kristalliseren vervolgens en nemen daarna water op; zo expanderen ze en doen poriën breken bij elke cyclus droogte-vochtigheid. Fysische verwering treedt ook op doordat het poriënwater bevriest en expandeert bij elke vorst-dooi cyclus (ook erosie tengevolge van regenwater speelt een zekere rol).

Het is duidelijk dat dit natuurlijke en zeer trage proces tegenwoordig sterk overschaduwd wordt door effecten die te wijten zijn aan luchtverontreiniging. Dit kan geïllustreerd worden door vergelijking van de aantasting van marmer van de Acropolis in Athene en het Field Museum of Natural History in Chicago met het marmer van Taj Mahal in Agra, Indië. Deze marmers zijn analoog in hun mineralogische en fysische eigenschappen. Toch is de aantasting van het marmer in Athene en het veel jongere Field Museum in Chicago in een veel verder stadium dan bij het marmer van de Taj Mahal. De sulfaten die door reactie met het SO₂ uit de lucht gevormd worden, vormen een zwarte korst op de Acropolis en het Field

(2) g. de geyter, Petrographical characterization of siliceous natural building stones in Northern Belgium, Proceedings of the 5th Int. Congress on Deterioration and Conservation of Stone, 1985, Volume 1, pp. 3-11.

(3) r. nits, Petrographical characterization of calcareous building stones in Northern Belgium, Proceedings of the 5th Int. Congress on Deterioration and Conservation of Stone, 1985, Volume 1, pp. 13-21.

[p. 363]

Museum, maar ze ontbreken op de Taj Mahal, die zich bevindt in een gebied dat veel minder door industrie en verkeer wordt verontreinigd.⁽⁴⁾

Tabel 1. Mogelijke verweringsreacties van gesteenten die calciet (CaCO3) bevatten, onder invloed vanatmosferisch koolstofdioxide (CO2), zwaveldioxide (SO2), zwavelzuur (H2SO4), salpeterzuur (HNO3) of chloorwaterstofzuur (HCI) en zuurstof (O2) en water (H20).
Natuurlijke verwering:
	(1)
Mogelijke verwering tengevolge van luchtverontreiniging:
	(2)
	(3)
	(4)
	(5)

(4) k. lal gauri, Deterioration of architectural structures and monuments from polluted rain, Eds. T.Y. Toribara, M.W. Miller and P.E. Morrow, Plenum Publishing Corporation, 1980, pp. 125-145.

Het verloop van de chemische verwering van de St.-Romboutskathedraal in Mechelen

In opdracht van de Vlaamse Executieve werd door ons een studie gemaakt over het verweringsmechanisme van de St.-Romboutskathedraal in Mechelen (foto 1). Deze kathedraal, geconstrueerd in de 13de-15de eeuw, werd uitgekozen omdat de gebruikte bouwmaterialen en de constructie kenmerkend zijn voor een groot aantal gebouwen in België en Nederland. Zij is hoofdzakelijk opgetrokken uit kalkzandsteen van Balegem en Gobertingen. Bovenaan in de toren is op enkele plaatsen zandsteen van Bendheimer gebruikt. Omstreeks de eeuwwisseling werden enkele restauraties uitgevoerd met de Franse kalksteen van Euville. Deze steen

1. De St.-Romboutskathedraal te Mechelen.

is echter zeer gevoelig voor verwering, zodat hij momenteel in slechtere staat verkeert dan de oorspronkelijke steen en bij de huidige restauratie opnieuw vervangen moet worden.

Voor de St.-Romboutskathedraal in Mechelen blijkt vooral de aantasting door SO₂ gas (reactie (2) in Tabel 1) een belangrijke rol te spelen. Zwaveldioxide, SO₂, wordt geabsorbeerd door het kalksteenoppervlak, en wordt daarin snel geoxideerd tot zwaveltrioxide, SO₃, en zwavelzuur, H₂SO₄. Dit zwavelzuur reageert met de kalksteen, CaCO₃, tot gips of calciumsulfaat, CaSO_4.2H₂O. Op de St.-Romboutskathedraal in Mechelen treft men zo'n oppervlaktelaag van ca. 0.5 mm gips aan over grote delen van het gebouw, als gevolg van de omzetting van de oorspronkelijke kalksteen door luchtverontreinigende stoffen.

Foto 2 is een karakteristiek voorbeeld van de verweringslaag. In de buitenste laag is het calciet omgezet in gips. Dikwijls wordt ook

[p. 364]

2. Schets van de verweringszone (Foto E. Keppens).

een verhoogde ijzer-concentratie gemeten bij de overgang van het onverweerde gesteente naar de verweringslaag.

Nu is gips veel makkelijker oplosbaar in water en veel brozer dan kalksteen. De gipslaag spoelt daardoor gewoon weg op plaatsen die beregend worden, dus vooral aan de westkant van het gebouw. Op die plaatsen bevindt zich dan ook geen aangetaste laag. Wel wordt het gesteente steeds dunner en dit is vooral zichtbaar op plaatsen met veel structuur, in beeldhouwwerken bijvoorbeeld. Wij berekenden ook dat de regen op die manier jaarlijks enkele tonnen materiaal van de St.-Romboutskathedraal meevoert naar de Dijle en de zee.

Anderzijds is gips dat achterblijft op de niet-beregende plaatsen, poreuzer dan de oorspronkelijke kalksteen. Op foto 3 is duidelijk het verschil te zien tussen de zwarte nietberegende plaatsen en de witte beregende plaatsen. Roet (vooral afkomstig van de verbranding van stookolie) en andere stofdeeltjes worden geabsorbeerd, waardoor het gesteente een donker of zwart aanzien krijgt op de onberegende plaatsen, dus onder uitsteeksels en aan de oostkant. De aanwezigheid van deze roetdeeltjes katalyseert of versterkt nog de omzettingssnelheid van zwaveldioxide naar zwavelzuur, dus de aantasting van de kalksteen. Microörganismen kunnen gemakkelijker worden opgenomen en sommige ervan produceren eveneens zwavelzuur. Uiteindelijk kunnen water en zouten veel beter doordringen in de grotere poriën van de gipslaag waardoor de cycli van vorst/dooi en van vochtigheid/droogte periodiek meer druk op het gesteente kunnen veroorzaken; grote stukken gesteenten zullen nu afbladeren of plots afbreken, en het hele proces kan dan opnieuw beginnen. Door deze vicieuze cirkel zal dus uiteindelijk ook op onberegende plaatsen de gesteentestructuur langzaam maar zeker en dieper worden verwoest.

Kort samengevat: het zure gas zwaveldioxide zet in de oppervlaktelaag kalksteen om in een broze en oplosbare gipskorst. Die spoelt regelmatig weg met de regen. Op de onberegende plaatsen wordt die korst zwart door roetopname, en zal ze uiteindelijk ook afbrokkelen en verdwijnen, waarna het hele proces opnieuw begint.

Aanvullend kunnen we ook nog vermelden dat de bouwstenen oorspronkelijk van nature beschermd waren door een patinalaag. Deze patina wordt gevormd na het wegnemen van de steen uit de groeve. Het groevewater migreert naar buiten en verdampt daar, waarbij calciet en andere zouten uitkristalliseren en een harde laag vormen.

Hoe kan verdere beschadiging worden voorkomen?

Een vermindering van de zwavelemissie in de lucht zal uiteraard een verminderde corrosie van cultuurgoederen tot gevolg hebben. Zwaveldioxide is afkomstig van de verbranding van alle zwavelhoudende brandstof.

[p. 365]

3. St.-Romboutskathedraal. Voorbeeld van een beregend (witte kleur), en niet-beregend (zwarte kleur) steenoppervlak.

Vooral de elektriciteitscentrales, de industrie en de individuele huisverwarming veroorzaken zwavelemissies. Steenkool en zware stookolie kunnen veel zwavel bevatten, aardgas praktisch geen. Overgaan op aardgas of op nucleaire elektriciteitsproduktie, en ontzwaveling van steenkool verminderen dus de zwavelproduktie aan de bron. Men kan ook de gassen ontzwavelen voor ze in de lucht worden gestoten. De gegevens van het Instituut voor Hygiëne en Epidemiologie wijzen er gelukkig op dat in België op vele plaatsen de zwaveldioxide-concentraties in de lucht langzaamaan zijn gehalveerd.⁽⁵⁾ De ergste aantasting is dus waarschijnlijk al voorbij. Op wereldschaal voorspellen andere literatuurgegevens echter nog een toename van de SO₂ emissies.⁽⁶⁾

Anderzijds kunnen ‘zieke’ gebouwen worden gerestaureerd en meer beschermd. In de eerste plaats kan men het gebouw schoonmaken en de corrosieve korst van gips en roet verwijderen door stoom- of zandstralen of door chemische reiniging. Dikwijls wordt hierbij de harde buitenste korst van het gesteente beschadigd en poreuzer gemaakt, zodat de aantasting opnieuw en zelfs vlugger kan optreden.

Aangetaste stenen kunnen vervangen worden door nieuwe of eventueel door recuperatiestenen, maar onwetenschappelijke beslissingen hebben hierbij in het verleden meer kwaad dan goed gedaan. Zoals reeds vermeld is de Euville steen, die in het begin van deze eeuw vaak voor restauraties werd gebruikt, er nu slechter aan toe dan de oorspronkelijke Balegemse die niet vervangen werd. Een ander voorbeeld vindt men bij de restauratie van de St.-Janskerk in Den Bosch. In 1910 werd de Franse St.-Joire steen gebruikt bij restauraties. In de jaren vijftig verkeerde deze nog in goede staat, maar in de jaren zeventig moest hij vervangen warden wegens de verregaande beschadiging op dat ogenblik.⁽⁷⁾

Aangezien de gesteenten verschillende tientallen cm dik zijn en onder de verweringslaag het gesteente meestal nog gezond is, kan men ook de buitenste aangetaste laag verwijderen. Omdat de verwering meestal sterk heterogeen verloopt, zal men dikwijls verschillende cm van het gesteente moeten verwijderen.

Een derde restauratietechniek bestaat in het aanbrengen van een laag kunststeen. Dit impliceert dat natuursteen wordt vermalen en vermengd met een cement en zo vervolgens aangebracht wordt op het gebouw. Wel moeten de nodige voorzorgen genomen worden om een perfecte hechting van deze laag te garanderen. Ongeveer vijftien jaar geleden werd op de O.-L.-Vrouwkerk te St.-Truiden een laag kunststeen aangebracht die momenteel aan het loskomen is.

Tenslotte kan steen beschermd worden tegen aantasting door luchtverontreiniging. Om op een economische en afdoende manier het doordringen van zwaveldioxide, roet, zouten en water te vermijden zonder het uiterlijk van de steen drastisch te wijzigen, zijn de laatste tijd zeer veel producten op de markt gebracht, zoals anorganische materialen, wassen, vinylpolymeren, acrylharsen, siliconen, expoxyharen, polyesters, etc. Al deze produk-

(5) Instituut voor Hygiëne en Epidemiologie, Het zwavelrookmeetnet, in Maandberichten, Brussel.

(6) d. möller, Estimation of the global man-made sulphur emission, in Atm. Environm., 18, 1984, pp. 19-27.

(7) Zie noot 1.

[p. 366]

ten hebben speciale eigenschappen voor elke steensoort en verontreinigingssituatie, en voor elk klimaat. De relatieve kwaliteiten van deze middelen zijn totnogtoe wetenschappelijk onvoldoende uitgetest op de invloed van luchtvervuiling.

Tot slot moet vermeld worden dat in vroegere eeuwen de gebouwen werden beschermd door een pleister- of schilderlaag, die de verwering tijdelijk tegenhield.⁽⁸⁾

(8) m. goossens, Natuursteen in monumentenzorg - Aspekten uit de praktijk, Studiedag, Natuursteen in de Monumentenzorg, Gent, 4 juni 1986.