Översättning av: 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: 25 27 August 2008, Singapore, Christopher Stanley*, Hydrotech Asia Ltd., Hong Kong, Ian McFeat-Smith, Hydrotech Asia Ltd., Hong Kong ANVÄNDNING AV ELEKTROOSMOTISKA MULTI PULSSEKVENSER (MPS) FÖR BORTTAGNING OCH REPELLERING AV VATTEN UR BYGGNADER OCH ANDRA KONSTRUKTIONER (vissa bilder och diagram finns inte med i denna översättning, se då original artikeln) Sammanfattning: Inträngning av vatten under markytan i betongkonstruktioner sker genom kapillärverkan, även genom tät betong utan sprickor. Problemet kan förvärras genom inträngning genom sprickor i betongen. Därför är det svårt att uppnå en permanent torkning av betongkonstruktioner genom att använda traditionella tätskiktslösningar då de, på grund av kapillärkraften, inte stoppar inträngning i betongkonstruktionen. Forskning under de senaste 20 åren har resulterat i utvecklingen av Multi Pulse Sekvensering (MPS) System, som baseras på tekniken elektroosmos, för att stoppa kapillär inträngning av grundvattnet och få vattnet att röra sig i motsatt riktning, i en sådan utsträckning att det kan stöta bort vatten med ett tryck på 60 bar. MPS-systemet joniserar vattenmolekylerna genom att applicera lågspänningpulser med en mycket svag ström. Systemet använder material av hög kvalitet och är praktiskt taget underhållsfritt. Installationskostnaderna är konkurrenskraftiga med traditionella metoder. Löpande underhållskostnader har visat sig vara försumbara vid uttorkning av fuktiga väggar, källare och tunnelväggar för en rad olika installationer under de senaste 8-10 åren. Dessa inkluderar bland annat MTRC Hong Kong Station gångtunnel, ett antal djupa källare för stora kommersiella byggnader i Hong Kong, elkabeltunnlar i Kina och betongdammar i Norge. En ny installation vid Walthamstow station i Londons tunnelbana har löst problem med inträngande vatten, som tidigare inte har kunnat lösas med traditionella metoder, och uppfyller certifieringskraven för torrhet och elektromagnetiska standarder. Kalibrering av de elektriska strömnivåer i de enskilda elektrodkretsarna är ett effektivt sätt att övervaka den relativ luftfuktigheten i konstruktionsmaterial i realtid, även där det inte är lätt åtkomliga för inspektion. I det fall vatteninträngningen ökar anpassas strömstyrkan, vilket ger ett självreglerande och funktions övervakande system. Introduktion: På flera håll i världen har man byggt konstruktioner under marknivå, exempel är källare eller tunnlar, 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 genom skador på själva innehållet och det föranledda reparationsarbet. De traditionella metoderna för att hålla vattnet borta från betongen innefattar tillsatser av tätmedel i den våta betongblandningen; användningen av
spärrskikt/folie eller sprutapplicerade membran utanpå den härdade betongen, eller användning av spray i form av inträngande kemikalier som ex. vis silaner. Mycket ofta falerar sådana lösningar redan under byggnationen, men defekterna visar sig först långt senare, och då är det oftast svårt att åtgärda problemen. Det är väl känt faktum att vatten tränger in genom defekter i betongen som sprickor, bulthål, och bristfälligt utförda gjutfogar. Vad som är mindre känt är att vatten ofta tränger igenom betongen via små kapillärer. Under blandningsprocessen tillsätts mer vatten till betongen än vad som egentligen behövs för att fysiskt hydratisera cementen. Denna extra vattenmängd som tillsätts betongen för att möjliggöra att den fyller ut formen i vilken den hälls i, torkar långsamt ut och lämnar mycket små passager som vi kallar kapillärer. Kapillärerna är för små för att ses med ögat men förekommer i all betong. Om nu vatten kan komma ut ur betongen så kan det självklart också tränga tillbaka in. Bild 1. Horisontell vatten rörelse genom kapilära porer i väggkonstruktion. Om den ena sida av en betongvägg eller ett betonggolv är våt i förhållande till den andra sidan, vilket oftast är fallet i en källare, tunnel eller underpassage, kan vattnet migrera genom betongen, framför allt om det är en differens i temperatur eller vattentryck från den ena sida av betong till den andra. Vattnet sugs in genom de små fina kapillärerna, ungefär på samma sätt som thé sugs upp i en sockerbit, om dess yta kommer i kontakt med teet. Ännu viktigare är; att ju finare kapillärer desto större sugkraft på vattnet eller vattenångan. Vatten kommer därför att passera genom betongkonstruktionen och genom defekter som sprickor. Det kan förorsaka bubblor
eller blåsor på målade ytor, plus ytfukt på insidan av betongväggen, vilket leder till påväxt av mögel och alger, och skapar en grogrund för tillväxt av skadliga bakterier. Bild 2. Typiska skador som uppstått i taket i en gångtunnel pga. vatteninträngning. Fuktig betongkonstruktions påverkan på luftkvaliteten. Fukt i byggkonstruktioner under mark skapar förutsättningar för bakterier att utvecklas och bildande av mögeltillväxt. I tabellen nedan visas resultat av mätningar vid Shenzhen, PRC, tunnelbanestation där luftkvaliteten kraftigt påverkats av fukt. Många underjordiska konstruktioner har liknande problem men ofta inser man inte hur stort problemet är. Fuktiga källare och tunnelbanor kan utgöra en allvarlig hälsorisk om det inte vidtas åtgärder som leder till väggytorna blir torra. Table 1: Results from testing air quality in Shenzhen Metro Proportion Micro organisms 100% Mycete (a form of mould) 99.20% Bacteria 11 no. Haemolytic Streptococcus (Dangerous Bacteria) Notes: 1. Total no. of air samples tested: 9,460 2. Source: Chinese Electronic Periodical Services (Dec. 2007) Ett sätt att torka ut vatten i betong och hålla den fortsatt torr är att använda elektroosmos. Detta är en utvecklad teknik som bygger på väl beprövad vetenskaplig
teori. Tekniken kan ge nytt liv till befintliga konstruktioner och är kan också användas på nya hus. Tekniken kan ger en ekonomisk och permanent lösning på problem med inträngning av grundvatten, något som är mycket vanligt i många delar av Singapore och Sydostasien. Elektroosmos Elektroosmos har under många år inom geoteknik, som en metod att få bort vatten från finkorniga jord och lera, men har endast använts i betongkonstruktioner under senare år. Systemet fungerar genom att man påför en mycket låg elektrisk laddning som skickas genom ledande elektroder i form av stavar eller trådar och som är placerade i de delar av betongväggar, tak eller golv som antingen är mycket fuktiga/våta eller från de områden där vatten behöver avlägsnas. Genom att skicka en pulserande ström med låg spänning mellan den positiva (anod) och negativa (katod) elektroden, laddas vattnet och dras mot den negativa elektroden som placeras (ex. vis) i den fuktiga marken på utsidan av strukturen. När strömmen sätts på börjar vattnet tryckas ut från betongen. Väl i drift ger systemet ett permanent skydd mot vatten inträngning in i konstruktionen, d.v.s. det är ett aktivt och inte ett passivt system. De våta områden på betongen förblir torra under hela konstruktionens livslängd. Så länge som MPS systemet är påslaget hindras vatteninträngning motsvarande en vattenpelare på 600 meter (ca 60 bar) från att tränga in i betongkonstruktionen. Bild 3. MPS systemet i drift Den normala installationen görs genom att placera små ledningar av titan i uppsågade eller uppfrästa spår i betongen till 23 mm djup, och sedan gjuta in dem i ett speciellt ledande injekteringsbruk (kontaktmassa).
Dessa ledningar utgör de positiva elektroderna och placeras med ett mellanrum på ca 800 till 1200 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). Vid nybyggnation är det möjligt att gjuta in elektroderna direkt i betongen, vilket innebära en avsevärd kostnadsbesparing jämfört med att placera elektroderna i efterhand frästa spår. När injektionsbruket 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 torr så länge strömmen inte stängs av. I händelse av strömavbrott kommer det att ta lika lång tid för vattnet att tränga tillbaka in i betongen, som det tog att torka ut, och eftersom det är osannolikt att strömmen bortfallet varar i mer än ett par timmar, så kommer betongen fortfarande vara skyddat från vatteninträngning. Systemet kostar inte mer att installera än ett konventionellt membranbaserat vattentätningssystem. Strömförbrukningen är minimal, ca 10 watt per 1 000 m2 av betongområde, och betongytan är helt ofarlig att vidröra. Elektroosmotisk utdrivning av vatten är inte ett nytt koncept. Redan för över 60 år sedan experimenterade en geoteknisk 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 blivit mer allmänt använd innom byggbranschen. En av orsakerna till att man inte har anammat denna teknik beror säkert på de osofistikerade kontrollsystem som man tidigare använde, med konstant istället för pulserande spänning. Den nya 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 en kapillärstruktur, så kommer systemet att driva vattnet ut ur betongen. Om betongen innehåller sprickor som överstigande 0,2 mm i bredd ska de tätas med konventionella metoder. Sprickorna är bara ett problem om de passerar genom hela betongen tjockleken. Ytsprickor kan man bortse ifrån. För att bestämma om det finns sprickor som behöver repareras, kan systemet aktiveras. Ytor med eventuella sprickor som måste tätas, kommer att förbli fuktig (resten av konstruktionen torkar) och är därför lätt att upptäcka. Det sparar onödigt arbete med att laga sprickor som inte är genomgående. Det orsakas inga skadliga effekter på andra ingjutna delar i betongen. Detta har fastställts i omfattande mätningar som följer gränsvärdes normer för elektromagnetisk strålning. Mätningarna utförda av York EMC Services Ltd, varefter tekniken har fått europeiskt EMC godkännande. Systemet uppfyller även de stränga kraven för London Underground och Metronet i Storbritannien. Oberoende tester som genomförts av Capsis har dessutom visat att systemet inte ger upphov till några läckströmmar till betongens armering. Systemet är i huvudsak självreglerande, allt eftersom betongkonstruktionen torkar ut så ökar det elektriska motståndet i betongen, vilket resulterar i lägre strömförbrukning och en snabbt minskande fuktrörelse. Om den relativa fuktigheten i betongen ökar, t.ex. som en effekt av långvarigt och kraftigt regn- eller rörläckage, aktiveras systemet direkt för att motverka inträngning av fukt. Den förhöjda relativa fuktigheten i betongen kommer att minska resistansen, vilket resulterar i en ökning i strömstyrkan, som då driver bort all fukt så att den inte påverkar konstruktionens insida. Installationen av MPS-osmotiska
system kräver noggrann kvalitetskontroll, som görs av utbildade tekniker. Efter det att MPS systemet är installerat finns det inte något direkt behov av löpande underhåll, förutom periodisk tillsyn, och systemet kommer fungera i många år utan service. Referens projekt Systemet har installerats på ett antal betydelsefulla projekt i Asien och i andra delar av världen. En intressant installation är i Central Subway i MTRC tunnelbanan i Hong Kong. Tunnelbanan har konstverk på väggarna och det var viktigt att skydda dessa från att fuktskadas pga eventuella problem med vatteninträngning. Det är åtta år sedan MPS systemet installerades och det fungerar fortfarande perfekt. I den intilliggande delen av tunnelbanan har något MPS system inte installerats vilket ger en bra referens till att bedöma systemets fördelar. Bilden till höger visar väggen bakom konstverken där systemet installerades. Stöttorna är fortfarande i gott skick. Den högra bilden visar väggen där inget system installerats, där har stöttorna börjat rosta. I källaren på Hong Kong International Finance Centre hade man allvarliga saltvatten inträngningar genom väggar, det ledde till översvämning i hissmaskinrummet. Efter installationen av MPS-systemet, år2000, har vatteninträngningen helt upphört och maskinrummet har helt torkat ut. I ett lastutrymme 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 till att omfatta ytterligare två sektioner. Väggen har förblivit torr i över 10 år. Diagrammet nedan visar hur väggens fukthalt har sjunkit till 82% vilket är 10% lägre än färgtorkningsstandarden BS 6150 på 92%. Allt eftersom väggen torkade ut, sjönk strömstyrkan från utgångsvärdet 200mA ner till under 10mA.
Öppnandet av Walthamstow tunnelbanestation i Londons tunnelbana försenades i två år på grund av problem med inträngande vatten. Efter installationen av MPSsystemet 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 reparerats med hjälp av MPS-systemet. På 1990-talet trodde man att dammen inte skulle gå att repareras och man planerade att riva dammen. Efter installationen av MPS-systemet har läckaget framgångsrikt stoppats och dammen är nu i gott skick. Många andra byggnader och anläggningar runt om i världen har nu ett MPS- system installerat för att hålla dem torra och i gott skick. Slutsatser Elektroosmos är en väl beprövad metod för att driva ut fukt ur betong. Elförbrukningen är minimal, ca 10 watt per 1000 m2 betong. Installation av MPS system kan förhindra stålkorrosion och förekomsten av alkali-ballast-reaktioner. Eftersom systemet minskar fukt i källare, så minskas även den korrosiva miljön för maskiner och andra inventarier. MPS systemet förhindrar också uppkomsten av mögel och bakteriebildning på fuktiga väggytor. Det är en permanent vattentätning av lämpliga konstruktioner och kan eftermonteras i befintliga byggnader och anläggningar. Det är också kostnadseffektivt och enkel lösning att installera. Den kan också installeras från insidan av en konstruktion, vilket eliminerar behovet av dyrt arbete som; grävning, utdikning etc. Det är en miljövänlig metod utan skadliga utsläpp eller avfall och utan skadliga påverkan på konstruktionen eller dess material.
I tillägg till ovan, så förhindrar systemet färgsläpp och mögelbildning, och dess avfuktande effekt förbättrar konstruktionens värmeisoleringsegenskaper isoleringen, och, minskar därigenom kostnaden för både värme och ventilation. Systemet minskar också, eller eliminerar, behovet av dränering av håligheter i torrväggkonstruktion (dry-wall) och ger därför motsvarande utrymmesbesparingar och kostnadsreduktion. När fördelarna med MPS systemet väl blir mer allmänt kända är detta en teknik som kommer att finna ett brett användningsområde både i nybyggnadsprojekt och för att ta bort fuktinträngning i befintliga byggnader och anläggningar, speciellt där traditionella reparationsmetoder inte har löst 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 radongasen stiga till en hög nivå och då svår att bli av med. Yttermera, om konstruktionen står på äldre berggrund såsom t.ex. granit, kan radongas tränga in från berget in i konstruktionen. MPS systemet hjälper till att driva radongasen tillbaka ut ur strukturen. Den global uppvärmningens påverkan Det finns en trend som går mot ökade försäkrings skador relaterade till oväder orsakade av klimatförändringar. Många av dessa skador är orsakade av vatteninträngning i byggnader. Många av dessa skador kan förebyggas genom installation av MPS elektroosmos system i byggnader och konstruktioner som hotas av översvämningar. Referenslista: 1. Bao-Ying Ye, Yan-Min Quin, Ran Zhang., 2001 Detection Results of Microorganisms in the air of Shenzhen Metro. Chinese Electronic Periodical Services 21/12/2007/ 2. Swiss Re Sigma Database., Global Cost of Extreme Weather, 2008