1. No category

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 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.
© 2015 Arid AB
Sida 1 av 6
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. © 2015 Arid AB
Sida 2 av 6
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 1 200 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 1 000 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. © 2015 Arid AB
Sida 3 av 6
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.
© 2015 Arid AB
Sida 4 av 6
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. © 2015 Arid AB
Sida 5 av 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.
© 2015 Arid AB
Sida 6 av 6