Korozja kontaktowa metali

Obróbki blacharskie, gwoździe i wkręty są najczęściej występującymi metalowymi elementami w każdym dachu i jego pokryciu. Do nich trzeba dodać blaszane pokrycia, które są popularne i których jest wiele odmian. Każdy z tych elementów może być wykonany z różnych metali. Z tego powodu trzeba wiedzieć o ich wzajemnych relacjach stykowych, skutkujących czasami korozją.

Tekst KRZYSZTOF PATOKA

Kolejny, szósty już zeszyt „Wytycznych dekarskich” wydawanych przez Polskie Stowarzyszenie Dekarzy, będzie poświęcony pokryciom metalowym i obróbkom blacharskim. To bardzo ważna publikacja, ponieważ metale stanowią grupę materiałów o ogromnym znaczeniu w dekarstwie. Są one ważne z dwóch powodów:

1. grupa pokryć metalowych jest od dawna popularna w Polsce i w Europie;
2. metale stanowią grupę materiałów powszechnie stosowaną w technice łączenia pokryć z instalacjami przechodzącymi przez dach i są używane do mocowania wszelkich pokryć na dachach.

Kompletne pokrycia składają się z wielu elementów wykończeniowych, które najczęściej są wykonane z metalu. Na każdym dachu niezbędne są obróbki blacharskie typu zlewnie koszowe, pasy (czołowe, nadrynnowe, szczytowe) o dużych długościach wynikających z wymiarów budynków. Na każdym dachu są też obróbki kominów i innych instalacji przechodzących przez pokrycie, które jednak mają najczęściej krótkie wymiary i ich wydłużenia lub skurcze są mniejsze, co wcale nie oznacza, że ruchy te można ignorować. W związku z tym dekarze powinni dobrze znać tę grupę materiałową.
Do najważniejszych cech metali, jakie zasadniczo wpływają na technikę dachową, należą:

• znacząca rozszerzalność termiczna,
• mała bezwładność termiczna oraz
• specyficzne właściwości elektrolityczne.

O rozszerzalności termicznej pisaliśmy w „Naszym Dekarzu” w numerze 6/2021 roku [1]. Ta cecha powoduje konieczność stosowania dylatacji i dzielenia pasm metali. Natomiast bezwładnością cieplną nazywamy wrażliwość materiału na zmianę temperatury otoczenia. Materiały o wysokiej bezwładności cieplnej dłużej utrzymują stałą temperaturę, ponieważ łatwo magazynują ciepło. Materiały o niskiej bezwładności cieplnej szybko się nagrzewają (na przykład od promieni słonecznych) i szybko się wychładzają. To skutkuje szybkim reagowaniem na zmiany temperatury. Dlatego, w przypadku metali ilość ruchów termicznych ich pasm jest ogromna, a dodatkowo mała bezwładność powoduje, że pod blachami bardzo szybko powstają skropliny [2]. O tych dwóch właściwościach nie sposób nie wiedzieć pracując w budownictwie. Dlatego ich znajomość wśród budowlańców jest zadowalająca. Niestety, nie zawsze i nie wszyscy wiedzą, co to jest korozja kontaktowa nazywana również galwaniczną, która wynika ze specyficznych właściwości fizykochemicznych metali dotyczących zjawisk związanych z elektrolizą (ramka).

ELEKTROLITY
To związki chemiczne, których roztwory przewodzą prąd elektryczny. Do najczęściej występujących elektrolitów należą roztwory wodne kwasów, zasad i soli, na przykład wodny roztwór octu, wodny roztwór soli kuchennej. Substancje, których wodne roztwory nie przewodzą prądu elektrycznego nazywamy nieelektrolitami, na przykład woda destylowana, roztwór wodny cukru, wodny roztwór gliceryny.
GALWANIZACJA
Elektrolityczna metoda wytwarzania powłok na różnych materiałach. Jest wykorzystywana do praktycznego wykonywania trwale przylegających cienkich powłok metalicznych poprzez osadzanie jednego metalu na innym. Na przykład: chromowanie, miedziowanie, niklowanie, cynkowanie, złocenie.
Galwanizacja jest procesem wykorzystującym zjawiska elektrochemiczne towarzyszące przepływowi prądu między elektrodami umieszczonymi w kąpieli galwanicznej.
ANODA
To elektroda, przez którą prąd elektryczny wpływa do urządzenia (co polega na wypływie ładunku ujemnego). Anoda występuje zawsze w parze z elektrodą, przez którą prąd wypływa z urządzenia, czyli katodą. Anoda w ujęciu chemicznym jest elektrodą, na której zachodzi proces utleniania utożsamiany z procesem oddawania elektronów elektrodzie. W ogniwach galwanicznych występują dwa generalne typy anod:
– anoda rozpuszczalna, której pracy w procesie elektrolitycznym towarzyszy emisja jonów powstających z materiału elektrody w ilości proporcjonalnej do przepływającego ładunku elektrycznego (to dotyczy korozji kontaktowej);
– anoda nierozpuszczalna, której pracy w procesie elektrolitycznym towarzyszy wydzielanie się na elektrodzie anionów w ilości proporcjonalnej do przepływającego ładunku elektrycznego.
KOROZJA KONTAKTOWA METALU
Polega ona na zmianie jego stopnia utlenienia wskutek zadziałania różnicy potencjałów elektrochemicznych stykających się metali, a nie wskutek działania tlenu atmosferycznego.

Cechy metali korzystne przy stosowaniu technologii galwanizowania bywają niekorzystne na dachach.
Korozja kontaktowa to jedna z odmian korozji elektrochemicznej, a więc spowodowanej procesami elektrochemicznymi. Zjawisko to zachodzi wtedy, gdy następuje kontakt pomiędzy dwoma rodzajami metali o różnym potencjale elektrochemicznym, co może doprowadzić do ich uszkodzenia (korozji). Zjawisko korozji galwanicznej zwanej również kontaktową występuje przy łączeniu metali, na przykład stali nierdzewnej z materiałem, który jest mniej szlachetny i bardziej narażony na przyspieszoną korozję, między innymi z aluminium czy stalą węglową. Zjawiska korozyjne zachodzą w obszarach występowania elektrolitu (wody), oddziałując najsilniej w miejscach poddanych działaniu wilgoci. Elektrolit to substancja zdolna do przewodzenia prądu za pośrednictwem jonów, czyli naładowanych elektrycznie cząsteczek, jakie zawiera lub z których się składa. Elektrolity dzieli się na ciekłe (płynne) i stałe (suche). Wodne roztwory soli, kwasów i zasad są przykładami elektrolitów, a warto podkreślić, że woda zwykle zawiera sole, kwasy lub zasady i dodatkowo dobrze przewodzi prąd elektryczny.
Korozja kontaktowa metalu polega na zmianie jego stopnia utlenienia wskutek zadziałania różnicy potencjałów elektrochemicznych stykających się metali, a nie wskutek działania tlenu z powietrza atmosferycznego.
Korozja kontaktowa doprowadza do miejscowego utleniania się słabszego materiału, a tym samym jego korodowania w miejscu kontaktu (łączenia). Zachodzi ona wówczas, gdy różne metale stykają się ze sobą pozostając w kontakcie z elektrolitem, którym na dachach jest woda. Dlatego przy stosowaniu różnych metali na dachu, należy sprawdzać ich zgodności materiałową (tabela 1) z powodu możliwości powstania korozji kontaktowej (galwanicznej) oraz niebezpieczeństwa zaistnienia tej korozji spowodowanej spływaniem wody. Bardzo ważny jest kierunek spływania wody, czyli kolejność jej przepływu. Na dachach woda zawsze (tak powinno być) spływa w określonym kierunku i ważne jest, w jakiej kolejności woda styka się z metalami. Na przykład: gdy woda spływa stykając się z materiałami miedzianymi (może to być nad i pod nimi), to nie powinna później trafiać na aluminium, cynk i stal ocynkowaną. Jony miedzi zawarte w spływającej wodzie mogą sprzyjać korozji powierzchniowej tych metali. Szczególnie wtedy, gdy woda spływa z większych powierzchni miedzianych (jest wtedy więcej jonów).

Tabela 1. Możliwe połączenia metali na dachach (i nie tylko)

	Aluminium Al	Ołów Pb	Miedź Cu	Cynk Zn (również z tytanem)	Stal nierdzewna S.S	Stal ocynkowana VSt
Aluminium (Al)	+	+	–	+	+	+ww
Ołów (Pb)	+	+	+	+	+	+
Miedź (Cu)	–	+	+	–	+	– (1,2)
Tytan-cynk (Zn)	+	+	–	+	+	+
Stal nierdzewna (S.S)	+	+	+	+	+	+
Stal ocynkowana (VSt)	+	+	– (2)	+	+	+

Zjawisko korozji galwanicznej wynika z istnienia szeregu napięciowego metali. Szereg napięciowy jest uszeregowaniem aktywności elektrochemicznej metali (rys). Za jego pomocą można określić kierunek działania korozji kontaktowej, ponieważ utlenia się (koroduje) zawsze metal o niższym potencjale. Zasada ta jest powszechnie stosowana przy powlekaniu blach stalowych powłoką cynkową (i innych). Cynk ma mniejszy potencjał elektrochemiczny i dlatego w obecności wody będzie korodował cynk, a nie stal. Uszkodzenie warstwy cynku spowoduje, że proces ten będzie trwał do momentu wyczerpania się powłoki cynkowej, po czym nastąpi korozja stali. Odwrotnie jest zaś przy połączeniu żelaza z miedzią, gdzie to właśnie żelazo, jako metal o niższym potencjale, będzie korodowało. Proces ten zajdzie dużo szybciej niż wtedy, gdy żelazo jest wystawione na działanie atmosfery, ponieważ szybkość procesu jest spotęgowana przez siłę elektromotoryczną powstałego ogniwa. Właśnie ten proces jest powodem, dla którego nie należy stosować stalowych gwoździ do mocowania blachy miedzianej. Gwoździe szybko ulegną korozji i przestaną pełnić swoją funkcję z powodu działania korozji kontaktowej (galwanicznej).
Te zagadnienia powinny być wzięte pod uwagę w procesie planowania oraz wykonania łączenia i mocowania metali na dachu.

Dla przypomnienia, łączenie metali ze sobą powinno odbywać się za pomocą technik: lutowania, spawania, nitowania, klejenia, falcowania lub skręcania za pomocą śrub. Wszystkie te techniki powinny uwzględniać właściwości użytych materiałów. W tym zgodność materiałową dotyczącą korozji kontaktowej (galwanicznej). Metale i inne materiały muszą być dopasowane pod względem ewentualnych wzajemnych wpływów tych materiałów sprzyjających powstawaniu korozji metali. W razie zagrożenia powstaniem korozji wywołanej brakiem dopasowania, trzeba koniecznie zastosować warstwy rozdzielające, warstwy ochronne lub powłoki ochronne chroniące przed korozją. Ważne jest też, aby w zależności od rodzaju metalu i jego zastosowania, używać odpowiedniej grubości ich arkuszy (szarów).
Wiedza na ten temat i praktyczne stosowanie warstw ochronnych, warstw rozdzielających (itp.) powoduje, że dekarze zaczynają kontrolować wszelkie stosowane przez nich techniki i technologie, w których używa się materiałów o różnych właściwościach chemicznych i fizycznych. Doskonałym tego przykładem jest drewno. Jest to materiał, o którym każdy dekarz powinien wiedzieć jak najwięcej z oczywistych powodów. Większość, z jakimi stykają się na dachach, stanowią gatunki iglaste. W Polsce dominują: sosna i świerk, rzadziej stosuje się jodłę lub modrzew, ale w technikach wykończeniowych mogą używać dębu lub innych gatunków drewna liściastego. Każdy gatunek drewna ma trochę inny skład chemiczny. Dotyczy to szczególnie zasadniczych części większości gatunków, czyli twardzieli i bieli (bielnar). W twardzieli znajdują się (w różnych proporcjach zależnych od typu drewna) żywice, kwasy i inne substancje osłaniające przed grzybami i owadami. Te substancje różnie reagują na stykające się z nimi metale. W związku z tym warto wiedzieć, że elementy metalowe mogą być różnie tolerowane w zależności od rodzaju metalu i gatunku drewna, co może skutkować przyspieszoną korozją drewna lub metalu. Te zależności pokazuje tabela 2.

BIEL
To warstwa drewna znajdująca się tuż pod korą, składająca się zwykle ze słojów wytworzonych w ostatnich kilku lub kilkunastu okresach wegetacyjnych. Zawiera żywy miękisz drzewny spełniający funkcję przewodzenia i magazynowania wody zawierającej substancje odżywcze.

TWARDZIEL
Warstwa drzewa występująca w jego pniu, która utraciła zdolność do przewodzenia wody, ponieważ jej komórki zostały zaimpregnowane substancjami typu żywice i garbiki (lub gumy). Spełnia jedynie funkcję mechaniczną i ogranicza się do mechanicznego podtrzymywania rośliny.

Tabela 2. Możliwe połączenia metali z gatunkami drewna [3]

Materiał	Al aluminium	Cu miedź	cz. St czysta stal	pw. St stal powleczona	pm. St stal pomalowana	Zn cynk
dąb	p/k	p/k	+	–	p/k	–
świerk	+	+	+	p/k	p/k	+
sosna	+	+	+	p/k	p/k	+
modrzew	+	p/k	+	–	p/k	p/k
jodła	+	+	+	p/k	p/k	+

Bibliografia:
[1] K. Patoka „Co warto wiedzieć o metalach stosowanych na dachach” Nasz Dekarz 6/2021;
[2] K. Patoka „Przepływ wilgoci w przegrodzie dachowej”. Nasz Dekarz 4/2020;
[3] Eberhard Schunck, Hans Jochen Oster, Rainer Bartel, Kurt Kiessl – „Atlas dachów. Dachy spadziste.” – MDM Sp. z o.o., 2005 (tłumaczenie z j. niemieckiego).
[4] M. Klimaszewska, „Chemia od A do Z”. Warszawa: Wydawnictwo „Kram”, 2010.

---

KRZYSZTOF PTOKA
Ekspert z wieloletnim doświadczeniem; członek Polskiego Stowarzyszenia Dekarzy;
rzeczoznawca SITPMB przy NOT. Autor publikacji w magazynach branżowych oraz współautor „Wytycznych dekarskich” oraz „Słownika terminów i nazw dekarskich”.