Możliwości zabezpieczenia stalowych elementów konstrukcyjnych i materiałów lekkiej obudowy według wytycznych DAFA

***

Artykuł porusza kwestie zabezpieczenia stalowych elementów konstrukcyjnych i materiałów lekkiej obudowy. Autorzy scharakteryzowali korozję elektrochemiczną i chemiczną oraz podali typowe powłoki metaliczne stosowane jako zabezpieczenie korozyjne na wyrobach metalowych. Opisali sposoby dodatkowego zabezpieczenia stalowych elementów lekkiej obudowy za pomocą powłoki organicznej.

The article discusses the issues of securing steel elements construction and lightweight housing materials. The authors characterized electrochemical and chemical corrosion and reported typical metallic coatings used as corrosion protection on metal products. They described additional methods securing the steel elements of the lightweight casing with organic coating.

***

Jednym z głównych rodzajów zużycia/niszczenia materiałów inżynierskich jest korozja. Procesy korozji mają różny charakter i intensywność, w dużej mierze są one zależne od czynników zewnętrznych, wśród których poza wspomnianymi powyżej można wymienić zawartość cząstek stałych w powietrzu – pyłu węglowego, sadzy, związków chemicznych, piasku, czy też gazów – takich jak dwutlenek węgla, dwutlenek siarki, siarkowodór, amoniak, tlenki azotu lub chlorowodór. Na skutek ich oddziaływań niszczenie korozyjne elementów profilowanych (w większości stalowych¹), stosowanych w budownictwie na pokrycia dachowe i elewacje, wykazuje charakter korozji elektrochemicznej, która jest skutkiem występowania różnych potencjałów elektrochemicznych na powierzchni korodującego elementu znajdującego się w środowisku elektrolitu. Dlatego dla zachowania bezpieczeństwa konstrukcji budowlanych, w tym elementów stalowych, konieczna jest ich ochrona przed różnymi czynnikami, np. nadmiernym obciążeniem wywołującym niekontrolowane naprężenia strukturalne, zmęczeniem materiału, w tym również cieplnym, wszelkimi odmianami korozji i innymi czynnikami obniżającymi wymagane własności użytkowe elementów metalowych zgodnie z przewidywanym okresem ich użytkowania.

Korozja to proces stopniowego niszczenia materiałów zachodzący między ich powierzchnią i otaczającym je środowiskiem. W zależności od rodzaju materiału dominujące procesy mają charakter:

• reakcji chemicznych,
• procesów fizycznych,
• procesów elektromechanicznych,
• procesów mikrobiologicznych.

Czytaj też: Ścienne i dachowe płyty warstwowe – jak uniknąć błędów przy ich stosowaniu

Ponadto istotny wpływ na proces korozji mają również:

• rodzaj systemu zabezpieczenia antykorozyjnego,
• produkcja i obróbka,
• uszkodzenia mechaniczne,
• kształt konstrukcji,
• warunki oddziaływania, m.in.:
  – czas,
  – temperatura,
  – zanieczyszczenie atmosfery substancjami szkodliwymi (związki siarki, chlorki itd.),
  – promieniowanie UV,
  – kondensacja (para wodna),
  – łączenia różnoimiennych materiałów.

Z uwagi na charakter uszkodzeń/zniszczeń, jakie najczęściej dotyczą lekkiej obudowy (metali), poniżej scharakteryzowano korozję elektrochemiczną i chemiczną.

Korozja elektrochemiczna jest procesem elektrochemicznym zachodzącym wskutek występowania różnych potencjałów na powierzchni eksponowanego elementu znajdującego się w środowisku elektrolitu (substancji zdolnych do jonowego przewodzenia prądu elektrycznego), np. wody, nieorganicznych soli, wilgotnych gazów i innych. W przypadku korozji elektrochemicznej metali i ich stopów należy także przywołać pojęcie ogniwa galwanicznego, które powstaje na skutek połączenia ze sobą co najmniej dwóch metali, w tym także ich stopów, o różnych potencjałach elektrodowych znajdujących się w środowisku elektrolitu (korozja kontaktowa). Metal o niższym potencjale stanowi anodę, a metal o wyższym potencjale – katodę. Efekt galwaniczny występuje w takim ogniwie przy różnicy potencjałów powyżej 0,05 V. Niszczenie metalu następuje zawsze w obszarze anodowym. Podczas pracy ogniwa galwanicznego przez metal przepływa prąd, a bieguny ogniwa ulegają polaryzacji. Polaryzacja hamuje proces korozyjny i jest zjawiskiem pożądanym. Nie należy jednakże zapominać, że w procesach korozji elektrochemicznej działają również depolaryzatory, takie jak np. tlen z powietrza lub jony wodorowe.

Korozja chemiczna zachodzi głównie w gazach suchych i cieczach nieprzewodzących (nieelektrolitach), np. w niektórych ciekłych substancjach organicznych. Skutkiem procesów korozyjnych jest niszczenie elementu (materiału, z którego został on wykonany), w początkowej fazie obserwuje się przede wszystkim na powierzchni obiektu w postaci akumulowania się stałych produktów reakcji, np. tlenków, wodorotlenków żelaza, zgorzelin.

Mając na uwadze powyższe, w celu skutecznego zabezpieczenia przed korozją pracujących elementów lekkiej obudowy należy każdorazowo i indywidualnie skalować przewidywane warunki i okres użytkowania danego obiektu, przy uwzględnieniu zidentyfikowanych zagrożeń, założeń architektonicznych, estetyki oraz kolorystyki elementów. Należy zawsze dążyć do optymalizacji okresu jego ochrony w rozumieniu racjonalnego terminu i rachunku ekonomicznego. Na skrócenie okresu użytkowania wpływa wiele czynników, w tym wzrost obciążenia korozyjnego otoczenia, który może wynikać ze zmiennych warunków danej lokalizacji, np. silnie obciążającego środowisko obiektu powstającego w sąsiedztwie, tj. zakład galwaniczny, garbarnia itp., lub ze zmiany warunków użytkowania obiektu istniejącego.

Dlatego też bardzo ważną rolę w całym procesie użytkowania gotowych obiektów odgrywają systemy antykorozyjne, w tym przede wszystkim układy warstw chroniących zabezpieczające elementy przed dzianiem korozji. Składają się one np. z powłok metalicznych i organicznych. W celu uzyskania wymaganej klasy ochrony antykorozyjnej elementów budowlanych wykonanych ze stali węglowej pokrywa się je powłokami zabezpieczającymi. Materiałem wyjściowym jest z reguły blacha stalowa walcowana na zimno, która początkowo przechodzi przez różne strefy obróbki wstępnej, tj. czyszczenie, podgrzewanie, redukcja, kompensacja, a następnie poddawana jest specjalnym kąpielom metalicznym (cynkowej, cynkowo-magnezowej, cynkowo-aluminiowej i in.) w temperaturze 430–475°C. Wymagana grubość powłoki metalicznej jest ustalana indywidualnie dla każdego rodzaju elementu. Ponadto w celu poprawy parametrów powierzchniowych blach z powłoką metaliczną, tj. uzyskania odpowiedniej płaskości, stosuje się zabieg wygładzania ich powierzchni przy użyciu techniki walcowania. Ważnym aspektem procesu produkcyjnego jest także zabezpieczenie gotowych elementów przed tworzeniem się na ich powierzchni tzw. białej korozji², co występuje z reguły w trakcie transportu i/lub magazynowania elementów. Blachę stalową z nałożoną powłoką metaliczną można dodatkowo poddać pasywacji w ramach obróbki wykańczającej.

W procesie metalizacji wyrobów stalowych można stosować różne typy powłok metalicznych, w zależności od wymagań dotyczących ochrony przed korozją, wyglądu czy właściwości mechanicznych. W TABELI zestawiono najbardziej popularne typy powłok metalicznych stosowanych do ochrony wyrobów stalowych przed korozją.

Kilkudziesięcioletnie doświadczenie branży wykonawców i producentów dachów płaskich i fasad (DAFA) oraz badania naukowe [2] wskazują, że wyroby płaskie, które są z reguły przed montażem przycinane, docinane itp., cechuje wysoka odporność korozyjna na powierzchni ciętych krawędzi. Odporność tych powierzchni na korozję zależy od rodzaju i grubości danej powłoki, grubości rdzenia stalowego oraz rodzaju i czasu trwania obciążeń korozyjnych. Wymienione w TABELI powłoki metaliczne aktywują na powierzchniach cięcia blach oraz w obrębie niewielkich uszkodzeń katodowe działanie ochronne cynku. W typowych warunkach środowiskowych (nieagresywnych) obróbka wykańczająca krawędzi blach fabrycznie ciętych do grubości 1,0 mm nie jest na ogół wymagana ze względu na wspomnianą ochronę katodową. O konieczności zabezpieczenia krawędzi blachy po cięciu decyduje klasa korozyjności środowiska – przykładowo blachy stalowe powlekane metodą ciągłą (Coil coating³) wykazują na ogół dobrą odporność korozyjną na rozcinanych krawędziach. Podobnie wygląda to w przypadku korozji podpowierzchniowej pod powłoką, pojawiającej się przy powierzchni cięcia.

Powłoki organiczne i ich znaczenie

W przypadku użytkowania na zewnątrz, tzn. w warunkach atmosferycznych, elementu lekkiej obudowy zabezpieczonego powłoką ochronną, np. powłoką z cynkiem Z275, ZA255 lub cynku z magnezem ZM, zaleca się jego dodatkowe zabezpieczenie za pomocą powłoki organicznej. Powłoki aluminiowo-cynkowe mogą być stosowane jako zewnętrzny element lekkiej obudowy bez dodatkowej powłoki organicznej.

Powłoka organiczna może być nanoszona jako jedno- lub kilkuwarstwowa powłoka ciekła w procesie ciągłego powlekania (Coil coating) albo jako powłoka foliowa czy też proszkowa nakładana na blachę stalową metodą ogniową lub galwanicznie. Ponadto w końcowym etapie procesu produkcji w celu ochrony gotowych wyrobów przed uszkodzeniami, np. mechanicznymi, stosuje się dodatkowo ich laminowanie foliami ochronnymi.

Powlekanie metodą ciągłą (Coil coating)

Przy powlekaniu metodą ciągłą (Coil coating) możliwe jest zastosowanie szerokiej palety materiałów i farb. Zazwyczaj wykorzystuje się system dwóch powłok, składający się z warstwy podkładowej i nawierzchniowej. Stosowane są najczęściej lepiszcza poliestrowe (PE), poliuretanowe (PUR) i PVDF. Strona spodnia jest zazwyczaj powlekana za pomocą farby epoksydowej. Powłoki te wykazują dobrą odporność na czynniki środowiskowe i dużą elastyczność. Stosuje się je z reguły na ekspozycyjnej części elementów, której stawiane są wyższe wymagania niż stronie wewnętrznej, nienarażonej bezpośrednio na warunki atmosferyczne i uszkodzenia mechaniczne podczas montażu. Folie powlekane metodą ciągłą (Coil coating) charakteryzują się dobrą odkształcalnością i wysoką odpornością na obciążenia mechaniczne i chemiczne. Należy mieć jednak na uwadze, że między powłokami malarskimi poszczególnych producentów występują różnice jakościowe, które uwidaczniają się w różnych okresach ochronnych powleczonych nimi elementów budowlanych.

Malowanie proszkowe

Przed malowaniem proszkowym taśma stalowa z powłoką metaliczną jest w pierwszej kolejności czyszczona, odtłuszczana i wstępnie uzdatniana chemicznie w procesie ciągłym. Można wyróżnić dwa rodzaje malowania proszkowego: jedno- i dwuwarstwowe. Przy lakierowaniu jednowarstwowym farba proszkowa jest nanoszona bezpośrednio na materiał eksploatacyjny, natomiast przy lakierowaniu dwuwarstwowym najpierw wykonywana jest powłoka podkładowa (tzw. primer), a w kolejnym kroku odbywa się aplikacja farby proszkowej. Następnym etapem jest utwardzenie farby i poddanie jej polimeryzacji. Nagrzewanie odbywa się w specjalnym piecu (suszarce) z obiegiem powietrza i wykorzystaniem promieniowania podczerwonego, w temperaturze od 140 do 200°C. Powłoka proszkowa charakteryzuje się podwyższoną odpornością na zadrapania, dużą grubością (typowe farby proszkowe mają zdolność krycia podłoża od grubości 60 µm), a w przypadku powlekania pojedynczych blach – dobrą ochroną powierzchni cięcia. Zaletą malowania proszkowego jest możliwość powlekania niewielkich partii produkcyjnych.

Lakierowanie natryskowe

W przypadku powlekania pojedynczych elementów nośnych cienkościennych elementów konstrukcyjnych lakierowanie natryskowe jest zasadniczo wykonywane metodą natryskiwania bezpowietrznego. Gotowe elementy konstrukcyjne lub tzw. kształtki, które nie są poddawane dalszemu odkształcaniu, są lakierowane na mokro. W zależności od właściwości elementu i lakieru suszenie odbywa się metodą konwekcyjną lub suszenia wymuszonego z wykorzystaniem powietrza (temperatura maksymalna: 80°C). Grubość powłoki wynosi od 40 do 240 µm, w zależności od liczby i wymagań dla całego systemu powłokowego.

Zaletą lakierowania natryskowego jest możliwość powlekania niewielkich partii produkcyjnych.

Systemy zabezpieczające

Nazewnictwo powłok malarskich stosowanych w metodzie ciągłego pokrywania taśm stalowych jest z reguły uzależnione od zastosowanych środków wiążących, które scharakteryzowano poniżej.

Warto także zaznaczyć, że gotowe elementy, tj. z nałożoną powłoką zabezpieczającą, są z reguły dodatkowo zabezpieczane od strony zewnętrznej folią, której głównym zadaniem jest ich ochrona w trakcie transportu i montażu.

Poliester (SP) – powłoka ciekła o standardowych nominalnych grubościach warstw w zakresie 15–35 µm, podstawowa powłoka organiczna o wszechstronnym zastosowaniu.

Poliuretan (PUR) – powłoka ciekła o standardowych nominalnych grubościach warstw w zakresie 25–75 µm, stosowana w celu podwyższenia odporności na ścieranie i działanie czynników atmosferycznych np. pokryć dachowych. Do poliuretanów można dodać cząsteczki poliamidu, które mają właściwości wzmacniające (oznaczenie takiej powłoki to PUR-PA).

High Durable Polymer (HDP) – powłoka ciekła wyróżniająca się dobrą stabilnością barwy i wysoką odkształcalnością. Powłoki HDP są produkowane w nominalnych grubościach warstw od 25 do 50 µm. W powłokach HDP używane są wybrane poliestry lub poliuretany. W celu podwyższenia wytrzymałości na zużycie, np. pod kątem ich zastosowania na elementach montowanych na dachu, w powłokach HDP stosuje się dodatki cząsteczek poliamidu (oznaczenie takiej powłoki to HDP-PA).

Polifluorek winylidenu (PVDF) – powłoka ciekła charakteryzująca się bardzo dobrą odkształcalnością, połączoną z wysoką odpornością na promieniowanie UV i trwałością koloru oraz obciążalnością termiczną do ok. 110°C. Powłoki ciekłe PVDF są zazwyczaj nanoszone w nominalnych grubościach warstw 25–35 µm. Powłoka taka stanowi zawsze mieszankę PVDF i akrylu, w której udział wysokogatunkowego PVDF wynosi od 50 do 80%. Wraz ze zwiększeniem zawartości PVDF poprawie ulega odporność na promieniowanie UV i trwałość koloru.

Polifluorek winylu (PVC (F)) – powłoka foliowa porównywalna do powłoki PVDF, charakteryzująca się wysoką odkształcalnością i bardzo dobrą odpornością na promieniowanie UV, a w ślad za tym trwałością koloru oraz wysoką obciążalnością termiczną – do ok. 110°C.

Plastizole polichlorku winylu (PVC (P)) – powłoka ciekła o nominalnych grubościach warstw od 100 do ok. 200 µm, odznaczająca się wysoką odkształcalnością i bardzo dobrą wytrzymałością mechaniczną, w tym wysoką odpornością na ścieranie. Zaleca się, aby powłoki o nominalnej grubości poniżej 200 µm nie były stosowane na zewnątrz. Odporność powłok PVC na działanie warunków atmosferycznych zależy w dużym stopniu od promieniowania UV, dlatego zalecane jest ich stosowanie przede wszystkim w północnych szerokościach geograficznych. Niektórzy wytwórcy powłok ograniczają ich zastosowanie pod kątem obciążalności termicznej do 60°C (należy ten parametr określić dla każdego konkretnego przypadku). Stosowane nazwy powłoki to: Plastizol, PVC-P, PVC (P).

Folie z polichlorku winylu (PVC (F)) – powłoka foliowa o nominalnych grubościach warstw od ok. 100 do 200 µm, odznaczająca się wysoką odkształcalnością. Zastosowanie PVC, także w formie powłok nanoszonych metodą ciągłego pokrywania taśm, jest jednak ograniczone jego specyficznymi właściwościami (patrz plastizole PVC) pod względem odporności na warunki atmosferyczne i obciążalność termiczną. Folie PVC są w przeważającej mierze stosowane we wnętrzach budynków, takich jak mroźnie (obiekt przeznaczony do przechowywania produktów w niskiej temperaturze) lub pomieszczenia z kontrolowanym środowiskiem wewnętrznym.

Poliestrowe powłoki proszkowe (SP (PO)) – powłoki proszkowe o nominalnej grubości warstw ok. 60 µm łączą wiele własności użytkowych, m.in. dobrą odkształcalność, przyczepność do podłoża, sprężystość, utrzymanie wysokiego połysku i wysoką odporność na zużycie ścierne.

Systemy duplex – połączone zastosowanie powłoki cynkowej oraz powłoki malarskiej określane jest mianem zabezpieczenia antykorozyjnego w systemie duplex. Dzięki synergii właściwości ochronnych cynku i barierowych polimerów osiąga się doskonałą trwałość zabezpieczenia antykorozyjnego konstrukcji oraz użytkowych wyrobów stalowych. Szczególną cechą systemów typu duplex jest bardzo długi okres ochrony, nawet do 100 lat, a ich trwałość jest od 1,5 do 2,5 razy większa niż łączna trwałość oddzielnych powłok cynkowych i lakierowych w tych samych warunkach korozyjnych.

PODSUMOWANIE

Na podstawie przedstawionego powyżej przeglądu istniejących systemów antykorozyjnych oraz różnorodnych rodzajów powłok metalicznych i organicznych stosowanych do zabezpieczenia stalowych elementów konstrukcyjnych i materiałów lekkiej obudowy można stwierdzić, że dostępna jest szeroka gama skutecznych rozwiązań antykorozyjnych. Należy ponadto pamiętać, że odpowiedni dobór powłok ochronnych jest procesem złożonym i wymaga dogłębnej wiedzy zarówno o możliwościach produkcyjnych, jak i oferowanych na rynku powłokach zabezpieczających. Dlatego przy projektowaniu i wykonywaniu stalowych elementów konstrukcyjnych oraz lekkiej obudowy niezbędne jest posiadanie wiedzy z zakresu obowiązujących norm, rodzajów obciążeń czy też kategorii korozyjności opisanych w normie PN-EN ISO 12944.

Autorzy artykułu są ekspertami współpracującymi ze Stowarzyszeniem DAFA, które tworzy i reprezentuje najwyższe standardy technologiczne dla nowoczesnego budownictwa dachów płaskich i fasad. Organizacja tworzy także wspólny głos wykonawców i producentów w podnoszeniu kultury projektowania, budowania i użytkowania budynków. Określa wytyczne i wydaje publikacje uznawane za powszechnie obowiązujące zasady techniki, wpływając na podniesienie jakości i bezpieczeństwa funkcjonowania całej branży.

Artykuł jest drugim z cyklu opracowaniem powstałym na bazie wytycznych „Grundlagen”, wydanych przez IFBS – Internationaler Verband für den Metallleichtbau, do którego Stowarzyszenie DAFA należy dzięki wsparciu partnerów: ArcelorMittal, Balex Metal, Blachy Pruszyński.

¹ Stal, inaczej stop żelaza z węglem i innymi pierwiastkami, obrobiony plastycznie i obrabialny cieplnie, to materiał inżynierski, który ze względu na swoje własności mechaniczne i techniczne (m.in. nośność, odkształcalność) oraz efektywność ekonomiczną jest jednym z najczęściej stosowanych materiałów w sektorze budowlanym.
² Biała korozja to rodzaj korozji występującej na świeżo ocynkowanych metalach; powstaje przez kontakt z wilgocią przed wytworzeniem ochronnej patyny i charakteryzuje się białym nalotem.
³ Coil coating to metoda nakładania powłok organicznych na wyroby w formie taśm, realizowana w sposób ciągły przed ich formowaniem. Proces ten umożliwia równomierne pokrycie całej powierzchni metalu, zapewniając doskonałą jakość wykończenia, trwałość i odporność na korozję. 

Literatura

1. IFBS GL04, „Grundlagen – Korrosionsschutz im Metallleichtbau”, 2020.
2. Strąk A., Bobryk H., Piwowarczyk W., „Porównawcze badania właściwości ochronnych powłok metalicznych na blachach stalowych”, „Przegląd Budowlany” 6/2012, s. 57–59.
3. PN-EN 10346:15, „Wyroby płaskie stalowe powlekane ogniowo w sposób ciągły do obróbki plastycznej na zimno. Warunki techniczne dostawy”.
4. PN-EN 10169:2011, „Wyroby płaskie stalowe z powłoką organiczną naniesioną w sposób ciągły. Warunki techniczne dostawy”.
5. PN-EN ISO 12944-1, „Ochrona przed korozją konstrukcji stalowych za pomocą ochronnych systemów malarskich. Ogólne wprowadzenie”.
6. PN-EN ISO 12944-2, „Ochrona przed korozją konstrukcji stalowych za pomocą ochronnych systemów malarskich. Klasyfikacja środowisk”.
7. PN-EN ISO 12944-4, „Ochrona przed korozją konstrukcji stalowych za pomocą ochronnych systemów malarskich. Rodzaje powierzchni i sposoby przygotowania powierzchni”.
8. PN-EN ISO 12944-5, „Ochrona przed korozją konstrukcji stalowych za pomocą ochronnych systemów malarskich. Ochronne systemy malarskie”.