Франк Фрёссель. Электрофизические технологии.

scan018.jpg

Введение

Основы электрофизических методов осушения кладки были заложены еще в 1803 г. немецким естествоиспытателем проф. Ф.Ф. Рейссом в Москве. Им было экс­периментально установлено явление движения молекул воды в электрическом поле к отрицательному полюсу; открытие опубликовано в 1806 г. На двух пустотелых электродах, помещенных в пробу земли и наполненных водой, он наблюдал под действием постоянного электрического тока понижение уровня воды в анодной труб­ке и повышение - в катодной. Тем самым был получен основополагающий принцип применяемого сегодня явления электроосмоса. В начальные годы этот эффект еще назывался «электрокинетическое явление». Необычный по тем временам физичес­кий феномен вызвал большой интерес физиков и химиков. Неудивительно, что в XIX в. исследованиями этой тематики занимались такие известные ученые, как Видеманн, Хитторф, Квинке, Фройнд, Перрин, Крузе, Гельмгольц и Смолуховский.

Действие электроосмоса основывается на электрически различном строе­нии составляющих материю веществ. Если соприкасаются две среды, состоящие из веществ разной природы, то на поверхности контакта появляется раз­ность электрических потенциалов, которая называется скачком потенциала. При этом обе соприкасающиеся поверхности веществ заряжаются противопо­ложно. В результате частицы движутся в поле постоянного тока благодаря ио­нам двойного электрического слоя. Заряженные частицы жидкости, находящиеся на поверхности нейтральных частиц, стремятся двигаться в направлении, противоположном движению носителя. Приобретать заряд могут и такие по­ристые материалы, как кирпич, кладочные или природные камни.

Если капилляры строительного материала наполнены водой, то твердое те­ло и жидкость обнаруживают одинаковый по величине электрический потенци­ал противоположной полярности. Как правило, твердое тело заряжено отрица­тельно, а молекулы жидкости на границе раздела фаз положительно. Если на одном конце капилляра возникает положительный, а на другом конце отрица­тельный электрический полюс, то жидкость будет двигаться к катоду.

Создавая в кладке условия электрического поля, можно заставить капиллярную жидкость двигаться в определенном направлении, к месту нахождения катода.

Другим видом перемещения является электрофорез. Если твердая фаза присутствует в жидкости в виде суспензии тончайших частиц, то в электричес­ком поле твердые частицы движутся к аноду, а жидкость к катоду.

На основе этих представлений были разработаны электрофизические тех­нологии и методы, позволяющие перемещать твердые вещества в жидкости или жидкости в пористых телах. После первых опытов уже в 1935 г. началось внедрение электрофизической сушки строительных сооружений. Швейцарец Пауль Эрнст запатентовал в 1940 г. эту относительно простую технологию так называемого пассивного электроосмоса. Его последователь Якоб Трабер про­должил развитие и разработал принцип активного электроосмоса. В его заяв­ке на авторский патент «Технология и приспособление для удаления влаги и поддержания в сухом состоянии стен зданий» приводится формулировка:

«Отрицательный по отношению к Земле электрический потенциал кладки создается с помощью электрического проводника и за счет заземления вырав­нивается или, соответственно, распространяется за счет того, что к проводнику и к находящемуся ниже соединительному проводнику прикладывается напря­жение, а именно такое, чтобы возникла положительная разность потенциалов между кладкой и землей. Практически это выглядит таким образом, что в осу­шаемую кладку с интервалами вводятся зонды из земли. В землю, окружающую стену, забиваются электроды, и они соединяются сборным проводом».

В некоторых случаях в кладке с капиллярно-поднимающейся влагой уже можно обнаружить описанную полярность и направление движения. Если у та­ких зданий измерить потенциал влажной кладки на поверхности стены в вер­тикальном направлении, то получается положительная разница с максимумом в несколько сот милливольт вверху на границе увлажнения с постепенным снижением до нуля внизу. Но часто из-за различного химического состава воды наблюдается и обратное распределение. Причина заключается в том, что капиллярно-поднимающаяся влага (практически) всегда несет с собой раство­ренные соли различного вида и концентрации, неоднородно распределенные в сечении кладки. Вследствие этого внутри стены может встречаться распреде­ление потенциалов, которое исключает применение пассивных методов элект­роосмоса. Постановка задачи по электроосмотическому осушению кладки заключается в изменении имеющегося распределения потенциалов таким обра­зом, чтобы на определенной высоте стены возникло обратное движение воды. Таким образом, капиллярная проводимость сдерживается, и предотвращается дальнейший подъем воды.

 

Принцип функционирования

Еще 20 лет назад предпринимались попытки использовать разность потен­циалов различных электродных материалов (гальванических элементов) для осушения кладки. В отсутствие приложенного напряжения такой метод называ­ется пассивным. Результат оказался скромным и весьма сомнительным. На­пряжение было недостаточным, а электроды быстро расходовались. Более эф­фективным является так называемый активный метод, при котором на введен­ные в кладку электроды подается напряжение от наружного источника.

В условиях пассивной технологии аноды и катоды состоят из металлов раз­личного заряда. Выравнивание этих зарядов должен производить электричес­кий ток, который обеспечивал бы транспорт влаги и солей в кладке в направ­лении, противоположном капиллярной проводимости. Далее, предлагается так называемый дипольный метод, при котором должен быть создан отрицатель­ный заряд на нижнем конце и положительный заряд - на верхнем.

Благодаря тому что электрические проводники вводятся при точно выве­ренных глубине и расстоянии друг от друга, должно быть нарушено свойствен­ное кладке электрическое поле. Не соединенные между собой электроды ста­новятся при этом диполями. Естественным образом кладка должна высыхать выше середины диполя, так как отключается решающая электрическая сила, обуславливающая ускорение транспорта воды.

Результаты пассивных методов электроосмоса в основном отрицательные. Очень часто обнаруживалось, что после начавшегося осушения (или точнее - оптического уменьшения влажности) через несколько лет увлажнение кладки вновь возобновлялось. Как правило, происходит электрохимическая коррозия электродов в стене или соединений проводов. Внешние воздействия (миграция вредных солей и их гигроскопичность, посторонние электрические поля и т.д.) также могут служить причиной неисправностей. Но в любом случае бездействие пассивного электроосмоса сочетается с изменением потенциалов в кладке. Это было показано уже в 1960-х годах в исследовательских работах Ю. Коса. В работе по осушению строений в 1988 г. В. Виттманн пришел к выводу, что пассив­ный метод все меньше применяется из-за несбывшихся ожиданий и неудач.

Гальванические методы электрофизического осушения сооружений пред­ставляют собой особый случай пассивных технологий. Они предполагают нали­чие двух расположенных друг над другом рядов электродов из различных ме­таллов, которые благодаря электрическому ряду напряжений создают разницу потенциалов величиной в несколько сот милливольт.

Эти электроды образуют совместно с окружающим солевым раствором так называемый гальванический элемент, с помощью которого в кладке должен создаваться потенциал, перекрывающий потенциал кладки. При этом методе коррозия также является основным препятствием для успешного применения. Даже содержание хлоридов в кладке порядка 0,02% ведет к разрушению от­дельных комбинаций электродов.

Большую известность получил активный метод с приложением напряжения (с отдельными электродами или сетью полупроводников). Согласно данному методу, электроды монтируются в кладке, и на них подается напряжение до 24 В. Применяются кабельные, ленточные, стержневые, решетчатые или пер­форированные плоские электроды. С их помощью влияют на направление дви­жения жидкости. Однако некоторые виды солей концентрируются на положи­тельном полюсе, что может приводить к разрушению электродов. Напряжение более 1,2 В также может приводить к выходу электродов из строя. Вообще пор­ча электродов является главной причиной отказа таких установок. Из-за неиз­бежных реакций на электродах образуются чрезвычайно агрессивные вещест­ва и разрушаются подводящие провода и материал электродов. В связи с этим проявляются заметные повреждения штукатурки или кладки.

При внедрении активных методов электрофизического осушения строений в 1950-х годах применяли исключительно металлические электроды (в основном из меди), которые из-за электролиза через некоторое время растворялись. Ввиду не­удачного опыта с такими электродами были разработаны другие установки. В на­чале 1960-х годов стали использоваться графитовые стержни в качестве анодов в кладке. Графит (углерод) является хорошим проводником и не подвержен разру­шению при электролизе. Но эти стержни были хрупкими и часто отказывали из-за поломки. В конце 1960-х годов для снижения переходного сопротивления между электродами и кладкой были разработаны так называемые токопроводящие раст­воры. В середине 1970-х годов были проведены опыты с токопроводящими крас­ками и покрытиями, а также со смесями несущих смол с графитовым порошком. В середине 1980-х годов были разработаны гибкие электрические проводники, а в конце 1980-х годов - плоские электроды в форме плетеной сетки и перфорирован­ной фольги из проводящего или покрытого проводником материала.

Только после разработки коррозионностойких электродов, которые могут использоваться при напряжениях выше напряжения электролиза, добились приемлемых результатов и длительных сроков эксплуатации. Самыми новыми разработками являются стержневые, ленточные и сетчатые электроды из тита­на, которые также обладают высокой стойкостью против коррозии. Слабым местом является по-прежнему область присоединения и стыков. Это означает, что в местах отводов, переходов через окна и двери и т.п. электроды разруша­ются. Но места контактов должны быть герметично заизолированы.

Электрод закладывается на глубину примерно 3 см в кладку в прорезанный шлиц. Для обеспечения необходимого переноса электричества между электро­дом и кладкой он замуровывается специальным электродным раствором в шлиц и тем же раствором заштукатуривается. Тем самым создается и механи­ческая защита электрода.

В табл. 19 представлена оценка электрофизических методов в целом, без привязки к конкретному объекту. Показаны отдельные методы с различным механизмом действия.

 

Таблица 19. Оценка электрофизических технологий осушки кладки

 

 Точный характер функционирования электрофизических технологий до настоящего времени не выяснен. Но можно исходить из того, что в реальных условиях сооружения никакого движения воды под действием тока не происхо­дит. Вместо этого наблюдаются перемещения растворов как следствие элект­ролитических процессов. Так как транспорт электрических зарядов при возрас­тающей концентрации солей все сильнее принимают на себя электролиты, то необходимое влияние на миграцию воды не отмечается. Это означает, что электрофизическое осушение или обезвоживание кладки функционирует только в тех случаях, когда содержание растворимых веществ в стене не превыша­ет определенного предела. В противном случае перенос зарядов принимает на себя не вода, а соль.

Практическое применение показало, что желаемый эффект удаления вла­ги наступает не обязательно. Скорее всего причиной является высокое содер­жание электролитов, которые препятствуют необходимой для электроосмотического эффекта величине дзета-потенциала. Из-за комплекса сложных при­чин и связей до сих пор не удается выяснить, в каких случаях такая техноло­гия обеспечивает получение надежных результатов.

При этом принцип действия электрофизического удаления влаги КАЖЕТСЯ простым: во влажной кладке один электрод вводится в зону испарения, а вто­рой в область фундамента. Если при этом к электродам подается постоянное напряжение, то вода в порах кладки движется от положительного электрода к отрицательному в зоне фундамента, предпосылкой этому служит возможность образования дзета-потенциала на стенках пор строительного материала.

Это означает, что электрический потенциал, возникающий благодаря дви­жению воды в капиллярах, уничтожается или, соответственно, создается силь­ный противоположный потенциал. Это должно прекратить капиллярную актив­ность в кладке и повернуть вспять движение воды. Направление электроосмотического переноса жидкости подчиняется эмпирически установленному пра­вилу, согласно которому фаза с более высокой диэлектрической постоянной заряжается положительно. Так как вода обладает очень высокой диэлектри­ческой постоянной, то, как правило, водные растворы мигрируют к отрицатель­ному электроду.

Многократные и успешные лабораторные опыты нельзя безоговорочно пе­реносить на реальную кладку или воспроизвести на строительном объекте. То, что данный феномен несколько сложнее, чем представляется, демонстрирует множество промахов и неудач. Помехи из-за неоднородности строительных материалов и дополнительных физических воздействий отрицательно сказы­ваются на результате. Так, в числе возможных причин отмены таких техноло­гий следует назвать коррозию и пассивирование электродов, электролитичес­кое разложение воды и электрохимическое превращение вредных солей, миг­рацию ионов и изменение показателя pH, неравномерное образование потен­циалов в неоднородной кладке. Кроме того, все токопроводящие материалы или металлические детали для контакта со стеной при прохождении тока через влажную кладку становятся составной частью гальванического элемента, т.е. батареи. Так, например, металлические водосточные трубы, громоотводы, дверные петли, отопительные и водопроводные трубы и металлическая арма­тура могут повлиять на потенциал влажной стены. На потенциал кладки накла­дывают также отпечаток блуждающие токи, в том числе из-за близости линий электропередач или трамвайных путей.

Наряду с известными проблемами, с которыми можно столкнуться при уже нормально действующей установке, электрофизические технологии скрывают и другую опасность. Если коррозия электродов протекает в непредсказуемом виде, то могут возникнуть различные изменения потенциалов вплоть до проти­воположного действия, что может привести к еще большему капиллярному подсосу влаги. Влияние зарядов, которые могут появиться в ненастную погоду, сегодня рассматривается неоднозначно. Если изменяется потенциал кладки, то это может даже усугубить капиллярную активность вплоть до многократно­го увеличения влажности.

Дефицит знаний и неуверенность в применении электроосмотических/электрофизических технологий привели в прошлом ко многим ошибкам, поэтому в настоящее время такие методы осушения нельзя рекомендовать безоговорочно. Даже новые разработки, как, например, применение коррози­онностойких электродов и электронного управления, не снижают риск электрофизических технологий. Сегодня известны многие объекты, которые пришлось санировать заново.

Фирмы, предлагающие такого рода технологии, пока не нашли доказа­тельств того, что редкие успешные работы по осушению не объясняются кли­матическими или какими-то другими конструктивными изменениями. Ввиду множества побочных проблем и рисков электрофизические технологии оста­нутся, по крайней мере в обозримом будущем, проблематичными, хотя и ин­тересными методами осушения сооружений. Ни одна другая группа методов не сопровождается таким числом ошибок и неудач. Поэтому к ним нужно всегда относиться с осторожностью, проводить предварительные опыты и осуществлять надзор. Впрочем, полный отказ, исходя из нынешнего уровня знаний и основополагающих исследований последних лет, не намечается. После того как принцип будет научно и технически обоснован, а практичес­кое применение не вызовет сомнений, внедрение таких технологий может стать задачей на будущие годы.

Перевод с немецкого П. И. Мешков, под общей редакцией к.х.н. Яковлевой Майи Яковлевны.