防腐処理木材では溶融亜鉛めっきが炭素鋼に勝つとは限らない：ACQ で年 32 µm 対 17 µm

答えられなかった質問

2016 年 2 月、Yahoo!知恵袋の DIY カテゴリにこんな質問が投稿されました。屋外に木柵を作るため、溶融亜鉛めっきの鋼製支柱に加圧注入材を留めたい。 さびを考えるとビスの材質は何がよいか。気にしているのは電位差による腐食で、「支柱：亜鉛」「木：薬剤に銅が混ざっている」と書かれています。

回答は一件で、それがベストアンサーになりました。この場合ふつう電食は考えない、「生半可の知識」だ、木材のほうが先に傷む、さびが気になるならステンレスビスを使えばよい、という内容です。 結論の方向は以下のデータと合っていますが、銅についての問いには答えていません。質問者が気にしていた点は、米国林産物研究所が一連の研究で測ってきたテーマです。 防腐剤の銅は確かにねじの腐食に関わっています。ただし、仕組みは金属どうしの電位差とは別物です。

木材中の銅は金属ではなくイオン

米国で一般的な水溶性防腐剤、CCA（クロム・銅・ヒ素系）、ACQ（銅・第四級アンモニウム化合物系）、CA（銅・アゾール化合物系）、MCQ（微粒子銅・第四級アンモニウム化合物系）は、いずれも銅を含みます。 Zelinka らが 2019 年に SN Applied Sciences に発表した論文の序論によると、防腐剤の銅の 95% 超は二価の銅イオン（Cu²⁺）として木材中に保持されています。 このイオンは鋼や亜鉛めっき鋼と共存すると熱力学的に不安定で、ねじから電子を受け取って金属銅に還元されます。酸化される側がねじです。

つまり、ここには「異種金属どうしの接触」はありません。銅は木材中の水に溶けた酸化剤で、カソード反応を受け持っています。 当サイトの陽極指数の相性表は二つの金属部品を扱う表なので、この状況には当てはまりません。

この仕組みを支える状況証拠は以前からありました。Zelinka が 2014 年に書いた書籍の一章（InTech 刊『Developments in Corrosion Protection』第 23 章）は二つを挙げています。 伐採前の立木に銅系防腐剤を吸わせた林産物研究所の試験では、木材中の銅が 1 kg/m³ から 11 kg/m³ に増えると腐食速度が 4 倍になりました。 また Zelinka と Stone は、防腐剤ごとの差の多くが銅イオン濃度と pH で説明できることを示しています。銅濃度が同じなら pH が低いほうが、pH が同じなら銅が多いほうが腐食性は高くなります。

新しい防腐剤は CCA より銅が多いことも同章に示されています。米国木材保存協会（AWPA）の地上用途の保持量で換算すると、木材 1 m³ あたりの銅は CCA が 591 g、ACQ が 2,141 g です。 2004 年に米国で CCA が規制されたあと、市場に出たのはこうした銅の多い配合でした。

銅が見つからなかったのは、量が少なすぎたから

この仕組みには弱点がありました。銅がねじ表面で還元されるなら、腐食生成物に銅があるはずです。2010 年の研究はエネルギー分散型 X 線分析（EDS）と粉末 X 線回折（XRD）で探しましたが、見つかりませんでした。

2019 年の論文は、1 年間の腐食試験に使った木材を厚さ 2 µm に切り、アルゴンヌ国立研究所の放射光 X 線蛍光顕微鏡（XFM）と X 線吸収端近傍構造（XANES）で調べました。結果は次の三点です。

論文は、これまで見つからなかった理由も試算しています。CA 処理材と鋼ねじの組合せでは、銅が抜けた領域で 0.26 µg/cm² から 0.05 µg/cm² に下がっていました。 この切片がねじのすぐ縁から取られたと仮定して、長さ 64 mm のねじ全体に換算すると、腐食生成物中の銅は約 32 µg です。EDS の検出下限は 0.1〜1 wt%、粉末 XRD は約 5 wt% なので、どちらでも検出できない量です。 限界も論文に明記されています。ビームタイムの制約で各条件の切片は一つだけで、ねじの長さ方向の一か所しか代表していないかもしれません。ねじを抜くときや切片を作るときに表面すぐの細胞が失われた可能性があり、 画像がねじ表面からどれだけ離れているかは分かりません。32 µg は仮定つきの試算で、銅が抜けた層の深さを防腐剤どうしで厳密に定量比較することもできません。

負けるのが亜鉛である理由

大気中の亜鉛がさびにくいのは、表面に塩基性炭酸亜鉛（hydrozincite）と菱亜鉛鉱（smithsonite）ができて下地を守るからです （この皮膜ができないと何が起きるかは、白さびの記事で扱いました）。 鋼が大気中で作るのはゲーサイト、いわゆる赤さびで保護性が劣るため、大気中では亜鉛のほうが遅く減ります。

2014 年の章の第 6 節は、木材から抜いた亜鉛めっきねじを XRD で調べた Zelinka らの結果を引いています。菱亜鉛鉱はなく、namuwite（硫酸塩を含む）、simonkolleite（塩化物を含む）、 一部に塩基性炭酸亜鉛が見つかりました。章の結論は、木材中では保護的な不動態層がないため、亜鉛めっきは無垢材の中で鋼より速く腐食する、というものです。

時間による変化も違います。大気腐食では不動態化によって腐食速度が時間とともに下がりますが、木材中では一定です。 章は Baker の 17 年間の暴露試験を引き、質量減少が時間に対して直線的に増えたことを紹介しています。1 年目の速度は、さびの膜ができて自然に落ちる、ということがありません。

数値：同じ試験では亜鉛めっきが全敗

下の表は 2019 年論文の Table 1 に載っている腐食速度で、同じ研究所の 2010 年の暴露試験（サザンパイン、27 °C、100% RH、1 年、質量減少法）のデータです。

2014 年の章の Table 2 には同じデータの小数点付きの値があり、対照が二つ加わっています。銅を含まない第四級アンモニウム化合物（DDAC）だけの処理材では炭素鋼 1.9、亜鉛めっき 5.5、 無処理材では炭素鋼 0.7、亜鉛めっき 4.4 です。銅がなければ腐食速度は一桁に下がりますが、それでも亜鉛めっきのほうが大きい値です。

同条件の別の試験（Zelinka と Rammer）では、ACQ-D を 4 kg/m³ 保持させた処理材で 5 種類の締結部品を比べました。章の Table 2 に載っている 4 種は次のとおりです。

5 種類目の電気亜鉛めっきは本文に名前だけ出てきて、表に数値はありません。同じ ACQ-D でも、この試験の亜鉛めっきは 61、前の試験は 32 です。章自身が、研究どうしの比較は同じ行の中だけにするよう注意しています。

条件を変えると、結果はまた逆転する

「木材中では亜鉛めっきが鋼に劣る」は、2014 年の章の第 6 節に一般論として書かれています。ところが同じ章の Table 2 にある、ニュージーランドの Kear らの試験は別の向きを示しています。同じく 27 °C・1 年ですが、湿度条件だけでなく、保持量はニュージーランドの規格で質量比により表され（章は米国の kg/m³ と直接比べられないとしています）、試験片と試験方法も異なります。下の表から読めるのは向きが違うことまでで、逆転の原因を湿度に帰すことはできません。

Kear の ACQ と、飽和空気中の CCA では炭素鋼のほうが大きく、CA は両者ほぼ同じです。表にある AWPA E12（50 °C・90% RH で金属板を木材ではさむ促進試験）の行も、多くは鋼のほうが大きい値です。例として ACQ-D では炭素鋼 124、亜鉛めっき 23 です。 この違いの理由は章に書かれていません。当サイトとして確認できるのは、亜鉛めっきが炭素鋼に負けるのは林産物研究所の 27 °C・100% RH の無垢材試験では成り立つが、すべての試験でそうなるわけではない、という点までです。

両者のデータがともに支えているのは、ステンレス鋼がどの行でも 1 以下という点です。ほかの二点はそれぞれ一方のデータによります。Kear のデータでは含水が低ければどれも遅く、75% RH では 3 種とも 3 以下。 林産物研究所の試験には無処理材の対照（炭素鋼 0.7、亜鉛めっき 4.4）があり、銅系処理材では鋼も亜鉛めっきも数倍速いことが分かります。Kear には無処理材の対照がないため、この点は読み取れません。

スイッチは木材の含水率

章の第 5 節によると、木材中の金属の腐食を左右する最も重要な環境要因は木材の含水率です。含水率が 15〜18% のしきい値を下回ると、埋め込まれた金属は腐食しません。 それを超えると含水率とともに腐食速度が上がり、繊維飽和点（多くの樹種で約 30%）付近で頭打ちになります。Baechler の長期試験では、30% と 65% RH では腐食速度は実質ゼロ、75% RH でかろうじて測れる程度でした。

仕組みとしては、含水率約 16% で細胞壁の結合水がつながり、イオンが通る経路ができます。相対湿度にして 75〜85% 程度です。 このしきい値と上の銅イオンの研究を合わせると、銅イオンがねじ表面まで届くには、この経路ができるほどの含水率が必要だと当サイトは推測しています。二つの文献はこの段階を直接実験で示してはいません。章の結びの二つめの言葉は「木材の含水率を 18% 未満に保て」で、約 20% で腐食速度が急に上がるとしています。

数十 µm を気にする理由

章の第 10 節は Zelinka と Rammer の計算を紹介しています。デッキ用の締結部品の多くは Mode IV（締結具の曲げ降伏）で壊れ、この場合の水平設計耐力は締結具の径の 2 乗に比例します。 径が 90% になれば耐力は 81%、80% なら 64% です（2 乗の関係から当サイトで計算）。

上の数値を目安にすると、表面から年に 17〜32 µm ずつ均一に減ると仮定した場合、径は年に 34〜64 µm 細くなります。 径 3.4 mm の釘（章の Fig. 9 で使われている寸法）の径が 10% 減るまで 5.3〜10 年です。 これは当サイトの算術で、めっきがなくなった後に鋼の速度へ切り替わることも、含水率の季節変動も考えていません。µm 単位の腐食速度が構造に効く理由を示すための目安です。

現場での判断

まず濡れるかどうか。 防腐処理木材を選ぶのは屋外で使うからです。ねじ周りの木材が長く含水率 18% を超える状態（雨がかり、水たまり、接地、木口からの吸水）なら、腐食は進んでいます。 室内で木材をこのしきい値より乾いた状態に保てるなら、2014 年の章がまとめた低湿度のデータではリスクは低いと読めます。

銅系の処理材で、濡れるならステンレス。 どちらの出典でもステンレス鋼は年 1 µm 以下でした。Zelinka と Rammer は鋼種を書いておらず、Kear が試験したのは 316 です。ほかの鋼種については推測しません。 一般的な選び方は亜鉛めっきかステンレスかにまとめています。

亜鉛めっきを使うなら、大気中の経験で寿命を見積もらない。 大気中で炭酸塩皮膜が持ちこたえてくれる期間は、木材中にはありません。速度が時間とともに下がることもありません。章によると、多くの設計推奨は Baker の「最低でも溶融亜鉛めっき」という結論を受け継いでいますが、 これは CCA 時代のデータです。同じ章が紹介している CCA の代替配合は、いずれも CCA より銅の割合が高くなっています。

塗装ねじは施工で傷めない。 章が引く試験では、非金属コーティングのねじは木材に打ち込んだあと、あるいは金物を貫通して打ち込んだあとに腐食性能が落ちました。打ち込みでコーティングが傷つくためです。

あの亜鉛めっき支柱に戻ると。 ステンレスのビスを亜鉛めっき鋼の支柱に通すと、章の第 11.3 節にある異種金属の条件、つまり二種類の金属・電気的な接触・電解質としての木材がそろいます。 章の例はウィスコンシン州交通局の道路標識で、アルミの標識板を亜鉛めっきのラグスクリューで防腐木の柱に留めたところ、ねじ周りのアルミが腐食して板が落ちたというものです。章が勧める対策は二つの金属を電気的に絶縁することでした。 ステンレスと亜鉛の組合せでどちらがどれだけ加速されるかは、二つの文献では測られていません。章が示しているのは「電気的に絶縁する」という原則までで、絶縁ワッシャやスリーブはこの原則から当サイトが挙げる方法であり、研究で確かめられた対策ではありません。

木口に水を入れない。 水分は繊維方向に、半径方向や接線方向の 10 倍以上速く移動します。章は、柱の木口に不透水の塗装かキャップを付けること、接合部に水をためないこと、軒の出を十分にとることを勧めています。

このページから言えないこと

32 対 17 µm は 27 °C・100% RH・1 年の実験室の値で、屋外のねじの寿命にそのまま換算することはできません。5.3〜10 年は当サイトの目安の計算で、どの文献の予測でもありません。 「亜鉛めっきは炭素鋼より劣る」は林産物研究所の一連の試験でのみ成り立ち、Kear らや AWPA E12 のデータは多くが逆で、その理由は二つの文献のどちらにも書かれていません。 放射光分析は各条件一切片で、切片が元のねじ表面からどれだけ離れているかも分かりません。銅が抜けた層の深さや 32 µg を各防腐剤の一般的な定量値とみなすことはできません。 Kear らと林産物研究所の試験は、湿度のほかに保持量の表し方、試験片、方法も異なります。文中の防腐剤は米国の配合と保持量（Kear はニュージーランドの規格）で、二つの文献には日本や台湾で流通する注入材のデータがありません。成分と保持量はそれぞれの表示を確認してください（当サイトからの注意です）。 ステンレスビスと亜鉛めっき支柱の間の異種金属接触腐食の大きさは、この二つの出典では測られていません。

この記事は手順 5、表面処理を扱います。全体の順序は相手材、ねじ、頭部、駆動部、表面処理、書類で、これを崩すと微調整ではなく手直しになる理由はねじの決め方にあります。

よくある質問

防腐処理木材にはどんなねじを使えばよいですか。

長く湿る銅系防腐処理材では、林産物研究所と Kear らの試験でステンレス鋼の腐食速度はいずれも年 1 µm 以下でした。文中の湿った銅系処理材の試験（100% RH または水分飽和空気）では、炭素鋼と溶融亜鉛めっきは年約 9〜176 µm で、研究どうしは同じ行の中でしか比べられません。Kear が試験したのは 316 で、もう一方は鋼種の記載がありません。

なぜ防腐処理木材の中では亜鉛めっきが炭素鋼より速く腐食することがあるのですか。

27 °C・100% RH の無垢材試験では、銅系防腐剤 4 種すべてで亜鉛めっきが速く減りました（ACQ で年 32 対 17 µm）。Zelinka の 2014 年の章によると、亜鉛は大気中では炭酸塩皮膜で守られますが、木材中では別の腐食生成物ができ、その皮膜がありません。ただし Kear らの試験では多くの場合炭素鋼のほうが速く、一般則ではありません。

防腐剤の銅と亜鉛めっきの間で電位差腐食が起きますか。

金属どうしの接触とは仕組みが違います。防腐剤の銅の 95% 超は木材中に溶けた二価の銅イオンで、ねじ表面まで移動して還元され、その分ねじが酸化されます。2019 年の放射光分析では、ねじ近傍で銅が抜けた層と、腐食生成物中の微量の銅が確認されました。

木材をどれくらい乾かせばねじは腐食しませんか。

Zelinka の 2014 年の章によると、含水率 15〜18% 未満では木材中の金属は腐食せず、約 20% で腐食速度が急に上がります。章の推奨は 18% 未満に保つことです。

参考資料

• Zelinka SL, Jakes JE, Kirker GT, Passarini L, Hunt CG, Lai B, Antipova O, Li L, Vogt S（2019）— Copper distribution and oxidation states near corroded fasteners in treated wood, SN Applied Sciences 1:240
• Zelinka SL（2014）— Corrosion of Metals in Wood Products. Aliofkhazraei M 編『Developments in Corrosion Protection』第 23 章、InTech（書籍の一章、オープンアクセス）
• Yahoo!知恵袋（2016-02-17）— 外に木柵を作るのですが、溶融亜鉛メッキされた鉄に木（注入材）を止めようと思っています
• 締める前に白くなったねじ — 大気中の亜鉛を守る炭酸塩皮膜
• あの相性表の出どころ — 金属どうしの電位差の表

二つの文献は当サイトで全文を読んでいます。表の数値は原文どおりです。CA の種別は二つの文献で表記が異なる（C 種と B 種）ため、本文では CA とだけ書きました。ACQ-D の溶融亜鉛めっきの 61 と 62 は同じ章の表と本文の食い違いで、両方を載せています。径と耐力、5.3〜10 年の換算は当サイトの計算です。