ELECTRO-OSMOSIS USING MULTI PULSE SEQUENCING FOR REMOVING AND REPELLING WATER OUT OF BUILDINGS AND OTHER STRUCTURES

Transkript

1 ELECTRO-OSMOSIS USING MULTI PULSE SEQUENCING FOR REMOVING AND REPELLING WATER OUT OF BUILDINGS AND OTHER STRUCTURES 33rd Conference on OUR WORLD IN CONCRETE & STRUCTURES: August 2008, Singapore, Christopher Stanley*, Hydrotech Asia Ltd., Hong Kong, Ian McFeat-Smith, Hydrotech Asia Ltd., Hong Kong ANVÄNDNING AV ELEKTROOSMOTISKA MULTIPULSSEKVENSER FÖR BORTTAGNING OCH BORTMOTNING AV VATTEN UR BYGGNADER OCH ANDRA KONSTRUKTIONER, Sammandrag Inträngning av vatten under markytan i betongkonstruktioner sker genom kapillärverkan, även genom tät betong utan sprickor, Problemet kan också förvärras genom inflöde genom sprickor i betongen, Därför är det svårt att åstadkomma en permanent torkning av betongkonstruktioner genom att använda traditionella tätskiktsösningar eftersom dessa, på grund av kapillärkraften, inte förhindrar inträngling i betongkroppen. Forskning under de senaste 20 åren har resulterat i utvecklingen av Multi Pulse Sekvensering (MPS) system som tillämpar tekniken för elektroosmos att stoppa kapillär inträngning av grundvattnet och få den att röra sig i motsatt riktning, i en sådan en sådan utsträckning att det kan stöta bort vatten mot ett hydrauliskt tryck på 60 bar. MPS-systemet joniserar vattenmolekylerna genom att applicera lågspänningpulser med en mycket låg strömnivå. Systemet använder material av hög kvalitet och är praktiskt taget underhållsfritt. Installationskostnaderna är konkurrenskraftiga med traditionella metoder och löpande underhållskostnader har visat sig vara försumbar vid uttorkning av läckande väggar, källare och tunnelväggar för en rad olika tillämpningar under de senaste 8-10 åren. Dessa inkluderar nbland annat MTRC Hong Kong Station gångtunnel, ett antal djupa källare för stora kommersiella byggnader i Hong Kong, elkableltunnlar i Kina och betongdammar i Norge. En ny tillämpning vid Walthamstow station i Londons tunnelbana har löst problem med inträngling av vatten som inte har kunnat lösas med traditionella metoder, och uppfyller certifieringskraven för torrhet och elektromagnetiska standards. Kalibrering av de elektriska strömnivåer i de enskilda elektrodkretsarna erbjuder ett effektivt sätt att övervaka relativ luftfuktighet i konstruktionselement i realtid, inklusive sådana som inte är lätt åtkomliga för inspektion. I det fall vatteninträngningen ökar anpassas strömstyrkan därefter vilket ger ett unikt självreglerande och prestandaövervakande system. Inledning I många delar av världen har konstruktioner byggts under marknivå, t.ex. källare eller tunnlar, och som hotas av fuktinträngning från den intilliggande marken, särskilt där det finns en hög grundvattennivå, t.ex där konstruktionen är nära en flod eller strand. Skadorna i samband med en sådan fuktinträngning kostar miljarder dollar per år, både i skador på själva innehållet och det avhjälpande reparationsarbeten. De traditionella metoderna för att hålla vatten ute ur betong innefattar tillsats av tätmedel i den färska betongblandningen; användningen av ark eller sprutapplicerade membran till den härdade betongen, eller tillämpningen av spray på inträngande kemikalier såsom silaner. Mycket ofta äventyras sådana lösningar redan under byggtiden, medan defekterna uppenbaras först långt senare, när de flesta former avåtgärder har svårt att rätta till problemet Arid AB Sida 1 av 6

2 Det är väl känt att vatten tränger in i betong genom defekter som sprickor, bulthål, och dåligt utförda gjutfogar. Vad som inte är allmänt känt är att vatten ofta passerar genom betongen via små kapillärer. Under blandningsprocessen tillsätts mer vatten till betongen än vad som faktiskt behövs för att fysiskt hydratisera cementen. Denna extra vattenmängd som tillsätts betongen för att möjliggöra att den fullständigt fyller ut formen i vilken den är placerad, torkar långsamt ut och efterlämnar mycket små passager som kallas kapillärer. Dessa är för små för att ses av ögat men förekommer i all betong. Och om vatten kan komma ut ur betongen så kan det följaktligen också gå tillbaka in. Om den ena sida av en betongvägg eller betonggolv är våt i förhållande till den andra sidan, vilket är vanligt i en källare, tunnel eller undergång,kan vattnet migrera genom betongen, framför allt om det är en skillnad i temperatur eller vattentryck från den ena sida av betong till den andra. Vattnet sugs in genom de fina kapillärerna, ungefär på samma sätt som te sugs upp i en sockerbit om dess yta kommer i kontakt med teet. Ännu viktigare är att ju finare kapillärer desto större sugkraft har vattnet eller ångan i dem. Vatten kommer därför att passera genom betongkroppen samt genom defekter såsom sprickor. Detta kommer att orsaka bubblor eller blåsor i alla målade ytor, samt ytfukt på insidan av betongväggen, vilket leder till påväxt av mögel och alger, och skapar en grogrund för tillväxt av potentiellt skadliga bakterier. Fuktiga betongkonstruktioners effekt på luftkvaliteten. Fukt i under konstruktioner under jord skapar en grogrund för bakterier att blomstra samt till bildandet av mögeltillväxt. Tabellen nedan visar resultaten av mätningen vid Shenzhen Metro (tunnelbanestation) där luftkvaliteten kraftigt påverkas av fukt. Många underjordiska konstruktioner har liknande problem men ofta inser man inte allvaret i problemet. Fuktiga källare och tunnelbanor kan utgöra en allvarlig hälsorisk om inte åtgärder vidtas för att hålla väggytorna torra. Ett sätt att dra vatten ur betong och hålla den torr är genom användning av elektroosmos. Detta är en evolutionär teknik som bygger på väl beprövad vetenskaplig teori. Tekniken kan ge nytt liv till befintliga konstruktioner och är också mycket användbar när den tillämpas på nya hus. Den kan erbjuda en ekonomisk och permanent lösning på problem med inträngling av grundvatten, något som är mycket vanligt i många delar av Singapore och Sydostasien. Elektroosmos (elektrisk endosmos) Elektroosmos har tillämpats i många år inom det geotekniska fältet, som en metod att avlägsna vatten från finkorniga jordar och leror, men har bara använts i betong under senare år. Systemet fungerar genom att applicera en mycket låg elektrisk laddning som skickas genom ledande elektroder i form av prober eller trådar och som är strategiskt placerade i de delar av betongväggar, tak eller golv som antingen är våta eller från vilka vatten behöver avlägsnas Arid AB Sida 2 av 6

3 Genom att skicka en pulserande laddning med låg spänning mellan den positiva och negativa elektroder joniseras vattnet och dras mot den negativa elektroden som placeras (t.ex.) i fuktig mark på utsidan av strukturen. När strömmen slås på elkraft börjar vattnet tryckas ut från betongen. Väl i drift är systemet ett permanent skydd mot att vatten tränger in på nytt i konstruktionen, d.v.s. det är ett aktivt snarare än ett passivt system. De våta områden av betongen försvinner och det kommer att förbli torr under hela konstruktionens livslängd. Så länge som den elektriska strömmen är påslagen kan systemet hindra vatten med en pelare på 600 meter (60 bar) från att tränga in i Installationen sker normalt genom att placera små ledningar av titan i uppsågade eller uppfrästa spår i betongen vid 23 mm djup, och sedan innesluta dem i en speciellt ledande injekteringsbruk (kontaktmassa). Dessa ledningar utgör de positiva elektroderna och placeras med ett mellanrum på va 800 till mm beroende på tjockleken och egenskaperna hos betongen. Den negativa elektroden placeras i marken utanför byggnaden och de två uppsättningarna av elektroder ansluts via en kopplingsdosa till styrenheten (kontrollbox). I nya projekt är det möjligt att gjuta in elektroderna direkt i betongen, vilket skulle innebära en avsevärda kostnadsbesparingar jämfört med att placera elektroderna i efterhand i sågade eller frästa spår. När kontaktmassan har härdat och strömmen slagits på, tar det i genomsnitt 4-6 veckor för att torka ut betongen. När betongen är torr, kommer den att förbli i ett torrt tillstånd så länge strömmen inte stängs av. I händelse av strömavbrott, kommer det att ta åtminstone så lång tid för vattnet att komma tillbaka in i betongen, som det gjorde att torka ut i första hand, och eftersom det är osannolikt att strömmen kommer att vara avstängd i mer än ett par timmar under normal betingelser, kommer betongen fortfarande att skyddas från vatteninträngning. Systemet kostar inte mer att installera än ett konventionellt membranbaserat vattentätningssystem. Strömförbrukning är minimal, ca 10 watt per m2 av betong område, och betongen är helt ofarlig att vidröra. Elektroosmotisk kontroll av vatten är inte ett nytt koncept. Redan över 60 år sedan experimenterade en geotekniska ingenjör, Casegrande, med tekniken och använde den för att stabilisera jordsluttningar, och 1967 beskrev en skandinavisk ingenjör, Lauritis Bjerrum, ett projekt där elektroosmos framgångsrikt hade använts för att avvattna en utgrävning i mycket mjuk norsk lera. Det är därför överraskande att tekniken inte har varit mer allmänt använd i byggbranschen Arid AB Sida 3 av 6

4 En av de främsta orsakerna till att man inte har anammat denna teknik hänför sig sannolikt till de osofistikerade kontrollsystem som tidigare användes, med konstant snarare än pulsade spänning. Den ny tekniken utnyttjar också mycket låga spänningar och har ett styrsystem som kan anpassas till varierande betong och fukttillstånd i konstruktionen. Under förutsättning att vissa villkor är uppfyllda, såsom en relativt konstant förekomst av grundvatten och en betong med ett system av sammankopplade kapillärer, kommer systemet framgångsrikt att driva vattnet ut ur betongen. Om betongen innehåller sprickor överstigande 0,2 mm bred dessa kan dessa behöva tätas med konventionella metoder. Sprickorna är dock bara ett problem om de passerar genom hela betongens tjocklek. Ytsprickor kan ignoreras. För att fastställa om det finns sprickor som behöver repareras, kan systemet aktiveras. Ytor med eventuella sprickor som är i behov av tätning kommer att förbli fuktig (medan resten av konstruktionen har torkat) och är därför lättare att identifiera. Detta sparar onödigt arbete med att reparera sprickor som inte är genomgående. Det finns inga skadliga effekter på andra ingjutna enheter i betongen. Detta har bekräftats efter omfattande tester av elektromagnetisk efterlevnad av utförda av York EMC Services Ltd, varefter tekniken har beviljats en fullständig europeisk EMC efterlevnadscertifikat. Systemet uppfyller även de stränga kraven för London Underground och Metronet i Storbritannien. Oberoende tester som genomförs av Capsis har dessutom påvisats att inte systemet inte inducerar några läckströmmar i betongens armering. Systemet är i huvudsak självreglerande, eftersom, varefter betongkonstruktionen torkar ut, så ökar det elektriska motståndet i betongen proportionellt, vilket resulterar i mindre strömförbrukning och en snabb minskning av den motsvarande hastigheten av fuktrörelse. Om den relativa fuktigheten i betongen av ökar, t.ex. som en effekt av långvarig kraftiga regn eller ett röravbrott, reagerar systemet omedelbart för att motverka intrånget av fukt. Den ökande relativa fuktigheten kommer att minska resistansen i betongen vilket resulterar i en ökning i strömflödet och vilket i sin tur kommer att driva bort all så att den inte påverkar konstruktionens insida. Installationen av MPS-osmotiska system kräver noggrann kvalitetskontroll vilket uppnås med hjälp av utbildade kontrollanter. När systemet väl är installerat finns det inte något uppenbart behov av löpande underhåll, förutom periodisk tillsyn, och systemet förväntas fungera i många år utan att kräva något ingripande. Referensprojekt Systemet har använts på ett antal viktiga projekt i Asien och andra delar av världen. En intressant tillämpning var i Central Subway i MTRC tunnelbanan i Hong Kong. Tunnelbanan har konstverk på väggarna och det var därför viktigt att skydda dessa från att skadas av eventuella problem med vatteninträngning. Åtta år efter det att systemet installerades fungerar det fungerar perfekt. I den intilliggande delen av tunnelbanan har något system inte installerats vilket ger en utmärkt kontroll för bedömning av systemets fördelar Arid AB Sida 4 av 6

5 Bilden till höger visar väggen bakom konstverken där systemet installerades. Stöttorna är fortfarande i god kondition. Den högra bilden visar väggen där inget system installerats där stöden har börjat korrodera. I källaren av Hong Kong International Finance Centre fanns det allvarliga intrång av saltvatten genom väggar, vilket resulterade i översvämning i maskinrummet för hissar. Efter installationen av MPS-system år 2000 vatteninträngning har helt upphört och maskinrummet har helt torkat ut. I lastutrymmet i källaren på City Plaza 4 i Tai Koo Shing, var membranväggen helt mättad av inträngande grundvatten. En sektion av lastutrymmet behandlades, vilket senare utvidgades tilla att omfatta ytterligare två sektioner. Väggen har förblivit kruttorr i över 10 år. Öppnandet av Walthamstow tunnelbanestation i Londons tunnelbana försenades i två år på grund av problem med inträngande vatten. Efter installationen av MPS-systemet har det helt torkat ut och stationen är nu i dagligt bruk. Systemet har även installerats i dammkonstruktioner. Tafjorddammen i Norge är den näst högsta dammen i Europa och har framgångsrikt repareras med hjälp av MPS-system. På 1990-talet trodde man att dammen inte kunde repareras man planerade för rivning. Efter installationen av MPS-systemet har läckaget framgångsrikt stoppats och dammen är nu i gott skick. Många andra byggnader och anläggningar över hela världen nu dra nytta av installationen av ett MPS- system för att hålla dem torra och i gott skick. Slutsatser Elektroosmos är en väl beprövad metod för att driva fukt ur betong. Den löpande elförbrukningen är minimal, ca 10 watt per 1000 m2 av betong. Användning av systemet kommer att bidra till att förhindra stålkorrosion och förekomsten av alkali-ballastreaktioner. Eftersom det minskar fukt i källare så minskar även den korrosiva miljön för maskiner och inventarier. Den förhindrar också uppkomsten av mögel och bakteriebildning på fuktiga väggytor Arid AB Sida 5 av 6

6 Det ger en permanent lösning för vattentätning av lämpliga konstruktioner och kan eftermonteras i befintliga byggnader och anläggningar. Det är också kostnadseffektiv och enkel att installera. Det kan också installeras från insidan av konstruktionen, vilket eliminerar behovet av dyra exteriöra arbeten (t.ex. grävning, utdikning etc.) Det är en miljövänlig metod utan skadliga utsläpp eller avfall och utan skadliga effekter på konstruktionen eller dess materialsammansättning. Dessutom förhindrar systemet färgsläpp och mögelbildning, och dess avfuktande effekt förbättrar den termiska isoleringen av konstruktionen, och minskar därigenom kostnaden för både värme och ventilation. Systemet minskar också eller eliminerar behovet av dränering av håligheter i torr-väggkonstruktion (dry-wall) med en motsvarande utrymmesbesparing och kostnadsminskning. När fördelarna med systemet väl blir mer allmänt kända är detta en teknik som kommer att finna ett brett användningsområde både i nybyggnadsprojekt och för att eliminera fuktinträngning i befintlig byggnader och anläggningar, särskilt de traditionella reparationsmetoder inte har kunnat lösa problemet. Tekniken kan också tillämpas på tegel och murverkskonstruktioner, brofästen, valv och underjordiska parkeringhus. I byggnader av betong, särskilt de som är konstruerade med geologiskt äldre bergarter, tenderar betongen att avge radongas som är starkt cancerframkallande. I utrymmen ovan mark kan det mesta av gasen enkelt ventileras bort genom att öppna fönstren, men i utrymmen under marknivå kan gasen byggas upp till en hög koncentration som normalt är svår att bli av med. Dessutom, om konstruktionen bygger på äldre bergsubstrat såsom t.ex. granit, kan ytterligare radongas tränga in i konstruktionen från koncentrationer i berget. MPS elektroosmotiska systemet hjälper till att driva gasen tillbaka ut ur strukturen och minimera risk i tillämpningar under mark Arid AB Sida 6 av 6