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 1. 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.