Металлы, используемые в архитектурных целях, включают свинец , для водопроводных труб , кровли и окон; олово , сформированное в жесть ; цинк , медь и алюминий , в ряде применений, включая кровлю и отделку; и железо , которое имеет структурное и другое применение в виде чугуна или кованого железа , или превращено в сталь . Металлические сплавы , используемые в строительстве, включают бронзу (в основном медь и олово); латунь (медь и цинк); монель-металл и нейзильбер , в основном состоящие из никеля и меди; и нержавеющая сталь , с важными компонентами никеля и хрома .
Низкая температура плавления свинца позволяла использовать его в широких масштабах на протяжении всей истории человечества. Свинец был одним из первых, из которого делали листовой металл для архитектурных целей. [1] Водопроводные трубы часто изготавливали из свинца, пока его опасность для здоровья не была обнародована в конце 19 века.
Свинец не подвержен ржавчине и был популярным кровельным материалом на протяжении столетий, его использовали для кровли, фартуков, желобов, водосточных труб и головок проводников. Свинец лучше всего подходил для крыш с низким уклоном, так как крутые крыши испытывали ползучесть. Свинцовые крыши в регионах с большими колебаниями температуры, таких как среднеатлантические штаты , подвергались ухудшению из-за постоянного расширения и сжатия, называемого усталостью. Начиная с 19-го века, использовался кровельный материал под названием « terne » или «terneplate», состоящий из листового железа или листовой стали, покрытой сплавом свинца и олова . Его часто путают с белой жестью . [2]
Свинцовый камедь также часто использовался для оконных стекол в световых люках и витражах. Он также использовался для небольших скульптур и садовых украшений. Свинец часто добавлялся в краску, причем сурик использовался в качестве антикоррозионного пигмента для железа, а свинцовые белила использовались в качестве краски для деревянных домов. Краска на основе свинца была одним из самых долговечных материалов, разработанных в качестве защитного внешнего покрытия. Использование свинцовой краски было ограничено в большинстве зданий из-за опасений отравления свинцом .
Олово слишком мягкое, чтобы его можно было использовать само по себе в архитектурных целях, поэтому его обычно делят на две категории: сплав олова с другими металлами, такими как медь, для образования бронзы , и покрытие оловом более твердых металлов, таких как луженое железо или сталь. Архитектурная бронза обычно содержит около 90% меди и 10% олова, хотя содержание может сильно различаться. Термин « жестяной потолок » является неправильным названием, и ранние производители не использовали его. Однако людей, которые работали с листовым металлом, называли жестянщиками, поэтому термин мог возникнуть из этого названия. [3]
Белая жесть была типом архитектурного материала, состоящего из листового железа или стали, покрытого оловом. «Жестяные крыши», тип белой жести, изначально использовались для брони, но в конечном итоге как кровельный материал. Белая жесть также использовалась для украшения, например, для декоративных окон, дверных перемычек и жестяных потолков . Декоративный штампованный металл, изготовленный из белой жести, был доступной альтернативой штукатурке . Хотя белая жесть по-прежнему доступна сегодня для потолков, кровли и фартуков, она, как правило, считается дорогой, поскольку ее первоначальная стоимость выше, чем у обычных современных типов кровли, таких как битумная черепица или наплавляемые крыши. Ухоженная белая крыша или потолок обычно служат в несколько раз дольше, чем современные материалы, и являются более экономичными, если принять во внимание более длительный срок службы. [4]
Чистый цинк использовался для кровли в Бельгии, Франции и Германии, где он заменил более дорогие медь и свинец в кровле. Начиная с 1820-х годов бельгийский листовой цинк импортировался в Америку, использовался строителями в Нью-Йорке и других местах. Чистый цинк подвержен ползучести при обычных температурах.
Оцинкованные металлы были впервые запатентованы в 1837 году отдельно М. Сорелем во Франции и Х. У. Кроуфордом в Англии. Методы использовали процесс «горячего погружения» для покрытия листового железа цинком. К 1839 году «оцинкованная» листовая кровля использовалась в Нью-Йорке. Торговая биржа в Манхэттене была одним из первых зданий, имевших как оцинкованную крышу, так и оцинкованные желоба. Некоторые оцинкованные листы кровли были отпечатаны с узорами, что было популярной техникой в викторианскую эпоху. [5]
Цинк также отливали для скульптур и декоративных элементов в Германии и Австрии еще в 1832 году. Декоративные архитектурные элементы часто отливали из цинка, поскольку он легко поддавался формовке, был недорогим по сравнению с камнем и мог быть окрашен для имитации более дорогих металлов. Штампованные гирлянды, розетки, геральдические лилии и листья аканта стали популярным декоративным украшением как экстерьеров, так и интерьеров к концу 19 века. [6]
Краски на основе оксида цинка были нетоксичны и устойчивы к загрязнению . Они стали коммерчески успешными и легкодоступными в Америке примерно в 1850 году и широко использовались, начиная с 1870-х годов. У них было дополнительное преимущество в том, что они были хорошими ингибиторами ржавчины на железе и стали.
В первые десятилетия 20-го века использование чистого цинка для кровли и украшения в США сократилось. Сейчас он набирает популярность в чистом виде (99,95%) для строительных материалов. Обычно архитектурный цинк представляет собой 99,995% чистого цинка с небольшим количеством титана для снижения коэффициента теплового расширения и улучшения прочности на разрыв и твердости, а также меди для улучшения обрабатываемости. [7] Точный состав сплава зависит от производителя и является определяющим фактором цвета в окончательной патине цинка . Со временем цинк приобретает свою отличительную патину, превращаясь из блестящего серебристого в матовый голубовато-серый. Предварительно патинированные покрытия доступны у некоторых производителей для ускорения естественного процесса патинирования. Цинк по-прежнему используется в таких сплавах, как латунь и нейзильбер , а также в гальванопокрытии стали. Сегодня оцинкованная сталь и чистый цинковый материал, обычно панели Double Locked Standing Fam, используются для кровли различных зданий. Ползучесть была снижена за счет введения титана в большинство архитектурных цинковых изделий, доступных в Северной Америке. Оцинкованные гвозди и воздуховоды из листового металла также распространены.
Цинк архитектурного класса на 90–95% перерабатывается. Расходы на замену незначительны при длительном сроке службы от 80 до 100 лет для цинковой кровли и от 200 до 300 лет для стеновых систем. [8] Эта долговечность является ключевым компонентом долговечности. По окончании срока службы цинковые строительные изделия могут перерабатываться бесконечно без потери химических или физических свойств. Использование цинка архитектурного класса может помочь зданию получить сертификат LEED благодаря высокому содержанию переработанного материала и устойчивости.
Медь — очень прочный металл, устойчивый к коррозии , образуя зеленовато-голубую патину , которая в разной степени состоит из карбонатов , сульфатов , сульфидов и хлоридов меди . Листовая медь, используемая в качестве кровли, легче деревянной черепицы и намного легче шифера, черепицы или свинца. Кровельную медь можно легко сложить в водонепроницаемые швы или придать ей форму изогнутых каркасов для куполов и куполов.
Первоначальная стоимость меди традиционно была высокой, но ее срок службы более чем компенсировал цену. Медь также могла быть сформирована в изгибы и углы вокруг дымоходов, на краях крыш и слуховых окнах. Все гвозди, винты, болты и планки, используемые с листовой медью, должны быть сделаны из меди или медного сплава, в противном случае возникнет гальваническое взаимодействие между разнородными металлами, что приведет к ухудшению качества. [9]
Медь также использовалась в декоративных целях, включая архитектурные украшения, сайдинг, потолки или скульптуры. Одним из известных примеров является Статуя Свободы .
Медные сплавы, используемые в архитектуре, включают бронзу — сплав меди и олова, и латунь — сплав меди и цинка.
Хотя и довольно редко, никель использовался для покрытия архитектурных деталей. Никель чаще всего используется для строительных компонентов в виде сплавов: нейзильбер , монель-металл и нержавеющая сталь .
Нейзильбер изначально назывался «немецким серебром» до Первой мировой войны. Его называли «белой латунью», но, вероятно, его следует называть «никелевой латунью», потому что он обычно содержит 75% меди, 20% никеля и 5% цинка. Различные проценты дают диапазон цветов, включая серебристо-белый, желтый, слегка голубой, зеленый или розовый. Нейзильбер был популярен в США в периоды ар-деко и модерна Великой депрессии. Архитекторы и дизайнеры предпочитали никелевое серебро, потому что оно могло принимать и сохранять соответствующую отделку, и оно противостояло коррозии. [10]
Монель-металл — это сплав примерно двух третей никеля и одной трети меди. По цвету он похож на платину. Монель стал пионером многих современных применений нержавеющей стали. Первое архитектурное применение монеля было в 1909 году для кровли Пенсильванского железнодорожного вокзала в Нью-Йорке. В 1936 году медная крыша на Нью-Йоркской публичной библиотеке на Пятой авеню и 42-й улице была заменена на кровлю из металла Монель. Его преимущества как кровельного материала включали его способность паяться, свариваться или припаиваться на месте для обеспечения водонепроницаемого, непрерывного покрытия. Монель был популярен в период ар-деко. Во время Второй мировой войны большие объемы никеля и меди были направлены на военные нужды, и поставки монеля значительно сократились. После войны нержавеющая сталь и алюминий заменили монель из-за более низких производственных затрат. [11]
Железо стало важным компонентом архитектурного здания. Оно использовалось в четырех распространенных формах: кованое железо, чугун, листовое железо и сталь. [12]
Кованое железо использовалось для мелких структурных и декоративных элементов, начиная с 18 века. До середины 19 века использование кованого железа в зданиях, как правило, ограничивалось небольшими предметами, такими как стяжки, ремни, гвозди и скобяные изделия, или декоративными изделиями из железа на балконах, перилах, ограждениях и воротах. Около 1850 года его структурное использование стало более распространенным, поскольку металлургические заводы начали прокатывать рельсы, бульбовые Т-образные балки и, в конечном итоге, двутавровые балки. Его также использовали в декоративных целях, таких как декоративные балконы или скобяные изделия. Поскольку кованое железо изготавливается вручную, нет двух одинаковых изделий.
Чугун был основным строительным материалом 19 века во время промышленной революции . Несмотря на свою хрупкость, он необычайно прочен при сжатии. Его часто использовали в качестве конструкционного материала, например, для колонн, фасадов зданий, куполов и световых двориков. Декоративное применение включало лестницы, лифты, перемычки, решетки, веранды, балконы, перила, заборы, уличные фонари и гробницы. Здание Брэдбери является примером обширного декоративного чугунного литья. Сегодня чугун используется для сантехнических приборов и трубопроводов в новом строительстве, а его структурное и декоративное применение иногда используется в практике сохранения исторических объектов.
Листовое железо может подвергаться быстрой коррозии, образуя ржавчину. Листовое железо использовалось на протяжении всего 19 века, хотя неясно, насколько широко стали распространены крыши из листового железа. Прессованное декоративное листовое железо, используемое для потолков, часто называлось « жестяным потолком », что на самом деле представляло собой листы железа, окунутые в расплавленное олово, чтобы предотвратить их ржавление.
Сталь была введена в строительную отрасль в конце 19 века. Развитие конструкционной стали в середине 19 века позволило возводить высотные здания. Строители и производители обратились к стали, которая была прочнее чугуна на сжатие и кованого железа на растяжение. Когда в Англии в 1856 году был разработан бессемеровский процесс и изобретен мартеновский процесс, сталь производилась в количестве, которое позволяло ей быть экономичной. Мосты, железнодорожные компании и небоскребы были одними из первых крупномасштабных применений конструкционной стали. Хотя железо и сталь не горючи, они теряют прочность при пожаре, если их не защитить от жары. Почти вся конструкционная сталь должна быть «огнестойкой» каким-либо образом, используя облицовку терракотой , плиткой, гипсовым бетоном, набрызгиваемым бетоном или набрызгиваемой изоляцией . Железобетон, также называемый армированным бетоном , был разработан в конце 19 века, когда в бетон была добавлена стальная проволока.
Декоративные стали, используемые в зданиях, включают:
Подобно меди, алюминий обладает высокой устойчивостью к коррозии . Он также имеет дополнительное преимущество, будучи на треть легче стали при сопоставимой прочности. Алюминий также может быть легко и многократно переработан. Было подсчитано, что из предполагаемых 900 миллионов тонн алюминия, произведенных с 1880 года, три четверти все еще используются продуктивно, 35% из которых — в строительстве. [13]
Алюминий был недоступен по разумной цене или в достаточных количествах для общего архитектурного использования до начала 20-го века. Архитектурное использование алюминия возросло в 1920-х годах, в основном для декоративной детализации. Он использовался для кровли, фартуков, желобов, водосточных труб, стеновых панелей и перемычек. В дизайне ар-деко алюминий часто использовался для декоративных элементов. Первым обширным применением алюминия в строительстве было здание Эмпайр-стейт-билдинг , где вся часть башни сделана из алюминия, а также многие декоративные элементы, такие как входы, двери лифта, декоративная отделка и около 6000 перемычек окон . Сегодня алюминий часто используется в строительстве, за исключением основных структурных элементов. [14]