СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ АКТИВНОГО ЭЛЕКТРООСМОТИЧЕСКОГО ОСУШЕНИЯ СТЕН ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ Российский патент 2024 года по МПК B01D61/56 

Изобретение относится к области разделения твердой и жидкой сред, а именно к активному электроосмотическому осушению стен и фундаментов зданий и сооружений [B01D61/56, E02D3/11].

Одной из причин повреждений конструкций зданий и сооружений является повышение влажности материала стен, вызывающее изменение прочности этого материала вследствие увлажнения цокольной зоны из-за проникновения в кладку грунтовой воды («грунтовая влага»), дефектов гидроизоляции, повышения культурного слоя, повреждения отмостки и облицовки цоколя. При длительной эксплуатации зданий и сооружений средства гидроизоляции частично или полностью теряют свои защитные свойства. При этом грунтовая влага свободно проникает в бетонные и кирпичные конструкции зданий. Высота капиллярного поднятия влаги, особенно когда фундаменты находятся в глинистых грунтах, может достигать пяти и более метров. Кроме этого, в таких зданиях нарушается температурно-влажностный режим, что является недопустимым не только для жилых, но и для большинства технических помещений.

Устранение переувлажнения стен зданий состоит из двух этапов: осушения стен и фундаментов; восстановления гидроизоляции.

Существует много способов восстановления горизонтальной гидроизоляции, основными из которых являются: методы, требующие последовательного пропиливания стен и введения в образовавшуюся щель гидроизоляционных растворов или материалов; механическая забивка в швы кирпичной кладки гофрированных листов из нержавеющей стали посредством виброударной установки (технология немецкой фирмы BOUMAN); методы, основанные на пропитке различными гидрофобными или полимерными составами, подаваемыми под давлением или посредством естественной инъекции через отверстия, просверленные в нижнем основании стены (технология немецкой фирмы SCHOMBURG).

После восстановления гидроизоляции осушение стен здания происходит за счет естественной конвекции в течение двух-трех лет.

Особое место среди способов осушения стен зданий и восстановления гидроизоляции занимают методы, основанные на создании электроосмотического переноса влаги в порах кирпича или бетона в направлении, противоположном силам капиллярного поднятия или всасывания. Эти методы можно разделить на две основные группы - активные и пассивные. В обоих случаях устройство, реализующее электроосмотический метод осушения, содержит ряд электродов-анодов, располагающихся в осушаемой стене или на ее поверхности, и ряд электродов - катодов, размещаемых, как правило, в грунте.

Пассивные методы не требуют каких-либо источников питания, а электроосмотические силы возникают за счет электрохимической разности потенциалов металлов, из которых выполняются анодные и катодные электроды. Существенным недостатком пассивного метода является длительный срок осушения до 3 лет, что соизмеримо с естественным высыханием стены после восстановления гидроизоляции. Это связано с тем, что в пассивных методах между стеной и грунтом создается разность потенциалов не более 1 B. При этом в стене создаются электроосмотические силы, препятствующие капиллярному поднятию грунтовой влаги, однако энергии для перемещения избыточной влаги из стены в грунт оказывается недостаточно.

Активные методы основаны на подключении между анодными и катодными электродами внешнего источника питания, что позволяет создать силы, достаточные для перемещения влаги против сил капиллярного поднятия по всей толщине и высоте стены.

Из уровня техники известен ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ДЛЯ УДАЛЕНИЯ ВЛАГИ ИЗ КАМЕННОЙ КЛАДКИ, ИСПОЛЬЗУЮЩИЙ НЕСКОЛЬКО ЭЛЕКТРОДОВ ДЛЯ СОЗДАНИЯ НЕСКОЛЬКИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ [DE2706193A1, опубликовано: 17.08.1978], характеризующийся тем, что три или более электродов работают в многократном расположении с использованием источников питания, которые подходят для любого параллельного и последовательного соединения таким образом, что создается определенное количество отдельных электрических полей которые дополняют друг друга и перекрываются, образуя общее поле, при этом предпочтительно только один электрод работает как чистый анод, другой - как чистый катод, а все остальные электроды работают одновременно как аноды и катоды.

Наиболее близким по технической сущности является УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРООСМОТИЧЕСКОГО ОСУШЕНИЯ СТЕН ЗДАНИЙ [RU118212U1, опубликовано: 25.03.2011], содержащее электроды, установленные в стене здания и соединенные с положительным полюсом источника постоянного тока, и электроды, установленные вне здания, соединенные с отрицательным полюсом источника постоянного тока, отличающееся тем, что оно содержит глиняный замок, выполненный из глиносодержащих материалов и размещенный на наружной поверхности фундамента, при этом в глиняный замок установлена катодная группа электроосмотической системы, выполненной в виде глинобетона, армированного электроотрицательным материалом, соединенного с отрицательным полюсом внешнего источника постоянного тока, а анодная группа выполнена в виде электродов, установленных в штукатурном растворе, содержащем графит или его модификации, и соединенных с положительным полюсом упомянутого источника.

Основной технической проблемой аналога и прототипа является низкая эффективность заявленных решений, обусловленная тем, что заявленные конструкции обладают высоким КПД только в начальный момент времени пока не высохнет прианодное пространство, после чего для поддержания эффективности придется повышать выходное напряжение источника питания, что не позволит применять установки для осушения в эксплуатируемых зданиях из-за требований по ограничению выходного напряжения источника питания не выше 24 В. Кроме того, применение высоких потенциалов (использование высокого напряжения в качестве источника питания) для создания анодных полей высокой плотности, т.е. попадание металлоконструкций не имеющих гальванической связи с катодом , а также использование силовых, несущих, и заземляющих металлоконструкций в качестве анода приводит к их ускоренному анодному растворению и водородному охрупчиванию (старению), а использование металлоконструкций в качестве катода приводит к выделению на них солей и их обводнению.

Задача изобретения состоит в устранении недостатков аналога и прототипа.

Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности электроосмотического осушения стен эксплуатируемых зданий и сооружений от влаги.

Указанный технический результат достигается за счет того, что способ активного электроосмотического осушения стены здания или сооружения, включающий размещение в объеме или на поверхности осушаемой стены в несколько горизонтальных рядов на различной высоте анодов и использование двух катодов, расположенных ниже нижней границы осушения, один из которых размещают в грунте, при этом упомянутые аноды и катоды соединяют соответственно с положительным и отрицательным полюсами источника постоянного тока и пропускают ток между ними для создания электрического поля, отличающийся тем, что второй катод размещают на фундаменте или внутри него, причем сначала к источнику постоянного тока подключают только второй катод, а осушение стены осуществляют поэтапно посредством поочередного подключения расположенных на разных по высоте уровнях анодов по направлению «сверху-вниз» по мере осушения стены, создавая при этом электрическое поле, изменяемое по высоте между упомянутым вторым катодом и каждым из горизонтальных рядов анодов, начиная от верхнего, со смещением электрического поля вниз по мере снижения уровня осушения, при этом после осушения стены до уровня грунта осуществляют переключение отрицательного полюса источника постоянного тока на катод, расположенный в грунте.

В частности, аноды монтируют на стене или внутри нее посредством бетонирования с использованием токопроводящего наполнителя, например, токопроводящих замазок, цементов, полимеров.

В частности, катоды монтируют с использованием токопроводящих замазок, цементов, полимеров.

Устройство для активного электроосмотического осушения стены здания или сооружения, содержащее источник постоянного тока, аноды, выполненные с возможностью установки в объеме или на поверхности осушаемой стены и соединенные с положительным полюсом упомянутого источника, и два катода, соединенные с отрицательным полюсом упомянутого источника, причем один из катодов выполнен с возможностью установки в грунте, а аноды, располагаемые на каждом из горизонтальных уровней стены, электрически объединены в группы, отличающееся тем, что оно снабжено переключающими элементами, посредством которых упомянутые группы анодов подключены к положительному полюсу упомянутого источника с возможностью независимого подключения каждой из групп, а катоды связаны с отрицательным полюсом упомянутого источника с возможностью подключения к нему одного или другого катода.

В частности, аноды выполнены из малорастворимых материалов, например, нержавеющей стали, титана, титана с покрытиями из смешанных малорастворимых оксидов металла.

В частности, количество анодов в каждой из упомянутых групп соответствует шагу их размещения и длине стены, на которой они смонтированы.

На фигуре схематично показана установка для активного электроосмотического осушения стен зданий и сооружений от грунтовых вод, реализующая заявленный способ, на которой обозначено: 1 - аноды, 2 - стена, 3 - катоды, 4 - источник тока, 5 - силовые линии, 6 - уровень влаги, 7 - граница зоны осушения, 8 - грунт, 9 - фундамент.

Осуществление изобретения.

Способ активного электроосмотического осушения стен зданий и сооружений от грунтовых вод реализуется с помощью установки для активного электроосмотического осушения стен зданий и сооружений от грунтовых вод, которая содержит систему электродов - анодов 1 (анодных контуров), смонтированных внутри или на поверхности стены 2 на разных уровнях по вертикали, и систему электродов-катодов 3, смонтированных ниже анодов 1 в грунте 8 и внутри или непосредственно на поверхности фундамента 9 здания (сооружения).

Аноды 1 и катоды 3 подключены к соответствующим выводам источника постоянного тока 4 с возможностью создания многоуровневых электрических полей в стене 2 здания (сооружения), силовые линии 5 которых направлены от анодов 1 вниз. Размещение анодов 1 и катодов 3 зависит от высоты капиллярного поднятия влаги 6 и положения нижней границей зоны осушения 7.

В качестве материалов анодов 1 используют малорастворимые материалы, например, нержавеющую сталь, титан, титан с покрытиями из смешанных малорастворимых оксидов металла (Mixed metal oxide (MMO)), позволяющие увеличить срок службы анодов 1 за счет снижения их растворимости, повысить их коррозионную стойкость.

Количество анодов 1 в одном горизонтальном ряду может сколь угодно большим в зависимости от шага их размещения и длины стены 2 (периметра здания) на которой они смонтированы.

Размещение анодов 1 на разных уровнях по вертикали позволяет создавать между каждым из анодов 1 и границей зоны осушения 7 электрические поля с различной напряженностью на разных высотах, так как напряженность электрического поля выше там, где линии поля расположены ближе друг к другу, то есть у анода 1. В первоначальный момент времени включения установки для электроосмотического осушения используют самый верхний анод 1 (анодный контур). Далее при уменьшении столба жидкости в стене производят переключение на анод 1, расположенный уровнем ниже и так далее до самого последнего внизу анода 1.

Использование двух катодов 3 (катодных контуров) позволяет поддерживать эффективное активное осушение, для чего на первом этапе используют катод 3, размещенный в нижней части фундамента 9, а после осушения стен 2 до уровня грунта 8 для поддержания защиты здания (сооружения) от капиллярного поднятия влаги производят переключение на катодный контур, расположенный в грунте 8.

В одном из вариантов реализации аноды 1 для увеличения их площади контакта со стеной смонтированы на стене 2 или внутри нее бетонированием с применением токопроводящего наполнителя, например, токопроводящих замазок, цементов, полимеров и т.д. Аналогично, для увеличение площади катоды 3 смонтированы в грунте 8 или на/в фундаменте 9 также с применением также токопроводящих замазок, цементов, полимеров и т.д.

Такая особенность монтажа анодов 1 и катодов 3 позволяет уменьшить величину переходного контактного сопротивления между электродами и поверхностями (средами) с которыми они контактируют и соответственно снизится сопротивление цепи анод-катод. Использование токопроводящих наполнителей также позволяет снизить растворение анодов 1.

При подключении анодов 1 и катодов 3 к источнику постоянного тока 4 в стене 2 здания между анодами 1 нижней границей зоны осушения 7 создается электрическое поле, силовые линии которого направлены вниз что обеспечивает капиллярный поток влаги сверху вниз и тем самым осушение стены.

Пороговая напряженность электрического поля выбирается на основании лабораторных опытов, которые выполняются с материалами осушаемой стены.

На первом этапе осушения ток от источника постоянного тока 4 подают на самый верхний анод 1, при котором напряженность электрического поля превышает пороговое значение в плоскости границы зоны осущения7 и тем самым влага в капиллярах стены 2 стремится вниз.

После контрольного замера влажности стены на уровне верхнего анода 1, которая зависит от материала стены 2, например, для деревянных стен допустимое значение влажности - 12%, для кирпичных - 4%, для железобетонных (панельных) - 6%, для керамзитобетонных - 10%, утеплителя в стенах - 6%) и получения результатов, удовлетворяющих допустимым, отключают верхний анод 1 и включают анод 1, следующий по уровню ниже. Цикл осушения повторяют. Осуществляют контрольное измерение влажности стены на уровне подключенного на этом цикле осушения анода 1. При удовлетворительных результатах включают следующий по уровню ниже анод 1 и так далее. При последовательном включении анодов 1 обеспечивается уменьшение взаимного влияния соседних анодов 1, повышается эффективность осушения и снижаются энергопотребление установки.

По окончании первого этапа осушения стены напряжение источника постоянного тока 4 уменьшают до значения, обеспечивающего напряженность электрического поля, противодействующего процессу капиллярного поднятия влаги в стену 2 под действием давления грунтовых и фильтрационных вод, отключают катод 3, смонтированные на фундаменте 9 или внутри него и включают катод 3, смонтированный в грунте 8.

Кроме того, возможен режим работы анодов 1 когда их подключают одновременно, при этом величина подаваемого тока на аноды 1 может отличаться для создания различной разности потенциалов в зависимости от влажности участка стены. Обеспечивая различную разность потенциалов на различных участках стены 2 обеспечивают эффективное осушение по высоте и по периметру здания независимо от влажности участков стены. Такое секционирование позволяет устранить неэквипотенциальность анодов 1 для зон осушения большой протяженности.

Технический результат - повышение эффективности электроосмотического осушения стен эксплуатируемых зданий и сооружений от влаги достигается за счет уменьшения сопротивления цепи анод-катод, в том числе в процессе осушения, что позволяет значительно уменьшить напряжение источника питания и применять заявленный способ для эксплуатируемых зданий и сооружений, а также сократить время электроосмотической сушки стен зданий и сооружений. Уменьшение сопротивления цепи анод-катод достигается:

1) увеличением площади поверхности анодного заземления путем применения токопроводящих замазок, цементов, полимеров для монтажа анодов 1, при котором аноды 1 монтируют в стену бетонированием на токопроводящий наполнитель;

2) использование нескольких рядов анодов 1 на разных высотных отметках;

3) использование двух катодных контуров, для чего один катод 3 монтируют на/в фундаменте 9, а второй катод 3 монтируют в грунте 8.

В 2023 году автором изобретения проведены натурные исследования реализации заявленного способа активного электроосмотического осушения стен зданий и сооружений с помощью описанной установки. Для проведения исследований было выбрано две противоположных стены площадью одного кирпичного здания 1901-1903 года постройки. Толщина стен 1,2-1,4 м. Фундамент выполнен из кирпичной кладки из полнотелого керамического кирпича. Отметка низа фундамента относительно уровня земли 2,4-2,6 м. Подвальные помещения отсутствуют. Уровень капиллярного поднятия влаги в стенах составляла 2,2 - 2,4 м. В зоне увлажнения кирпичная кладка имела влажность 19-21 %.

Осушение стен осуществлялось двумя установками. Первая установка содержала группу из пяти анодов 1, смонтированных в стене в ряд на одном горизонтальном уровне на высоте 1,8 м с шагом 3,7 м метра между электродами. Катод 3 располагался на расстоянии 1,2 м от границы зоны осушения, совпадающей с уровнем грунта 8. В качестве материала анодов 1 половина анодов 1 была изготовлена из стали, а вторая половина из нержавеющей стали. Часть анодов 1 из стали и часть анодов 1 из нержавеющей стали 1 к стене были смонтированы с помощью токопроводящей замазки, содержащей порошковый графит.

Вторая установка содержала три группы по три анода 1 в каждой группе, смонтированных в стене в три горизонтальных ряда, где первый верхний ряд анодов 1 был смонтирован на границе уровня влаги на высоте 2,2 м, третий нижний ряд анодов 1 был смонтирован непосредственно над уровнем грунта 8, а второй средний ряд анодов 1 был смонтирован посередине между первым и третьим рядами на высоте 1,1 м. Аноды 1 в рядах смонтированы с равным шагом 3,7 м, аналогичным первой установке для чистоты эксперимента. В качестве материала анодов 1 половина анодов 1 в каждом из ряда была изготовлена из стали, а вторая половина из нержавеющей стали. Часть анодов 1 из стали и часть анодов 1 из нержавеющей стали 1 к стене были смонтированы с помощью токопроводящей замазки, содержащей порошковый графит.

Постоянное выходное напряжение источника тока 4 обоих установок составляло 24 В.

Осушение обоими установками осуществляли в течение четырех месяцев. При этом с помощью второй установки, в которой использовалось три ряда анодов 1, в первый месяц ток подавали только на верхний ряд, во второй месяц ток подавали на средний ряд, в третий месяц ток подавали на нижний ряд анодов 1, при этом в весь указанный период отрицательный потенциал с источника тока 4 был подключен к катоду 3, смонтированному к фундаменту 9 здания. В последний четвертый месяц отрицательный потенциал от источника тока 4 на второй установке переключили на катод 3, смонтированный в грунте.

По истечении четырех месяцев были проведены измерения влажности стен микроволновым способом. По данным измерений усредненные значения абсолютной влажности для стены, осушение которой осуществлялось первой установкой, составляло 12 %, что ниже начальной влажности на 7-9 %, а для стены, осушение которой осуществлялось второй установкой усредненные значения абсолютной влажности составляло 7 %, что ниже начальной влажности на 12-14 %.

Таким образом, очевидно повышение эффективности электроосмотического осушения стен эксплуатируемых зданий и сооружений от влаги заявленным способом, который позволяет сократить время осушения стен.

Группа изобретений относится к области активного электроосмотического осушения стен и фундаментов зданий и сооружений. Способ включает размещение в объеме или на поверхности осушаемой стены анодов в несколько горизонтальных рядов на различной высоте, а также катодов - ниже нижней границы осушения на фундаменте или внутри него и в грунте. При этом аноды и катоды соединяют соответственно с положительным и отрицательным полюсами источника постоянного тока для пропускания тока между ними. Осушение стены производят поэтапно, создавая изменяемое по высоте электрическое поле между катодом, расположенным на фундаменте или внутри него, и каждым из горизонтальных рядов анодов, начиная от верхнего, со смещением электрического поля по мере снижения уровня капиллярного поднятия влаги сверху вниз с последующим переключением отрицательного полюса источника тока на катод, расположенный в грунте. Предложено также устройство для реализации данного способа. Использование изобретений позволяет повысить эффективность электроосмотического осушения стен зданий и сооружений. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ активного электроосмотического осушения стены здания или сооружения, включающий размещение в объеме или на поверхности осушаемой стены в несколько горизонтальных рядов на различной высоте анодов и использование двух катодов, расположенных ниже нижней границы осушения, один из которых размещают в грунте, при этом упомянутые аноды и катоды соединяют соответственно с положительным и отрицательным полюсами источника постоянного тока и пропускают ток между ними для создания электрического поля, отличающийся тем, что второй катод размещают на фундаменте или внутри него, причем сначала к источнику постоянного тока подключают только второй катод, а осушение стены осуществляют поэтапно посредством поочередного подключения расположенных на разных по высоте уровнях анодов по направлению сверху вниз по мере осушения стены, создавая при этом электрическое поле, изменяемое по высоте между упомянутым вторым катодом и каждым из горизонтальных рядов анодов, начиная от верхнего, со смещением электрического поля вниз по мере снижения уровня осушения, при этом после осушения стены до уровня грунта осуществляют переключение отрицательного полюса источника постоянного тока на катод, расположенный в грунте.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что аноды монтируют на стене или внутри нее посредством бетонирования с использованием токопроводящего наполнителя, например токопроводящих замазок, цементов, полимеров.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что катоды монтируют с использованием токопроводящих замазок, цементов, полимеров.

4. Устройство для активного электроосмотического осушения стены здания или сооружения, содержащее источник постоянного тока, аноды, выполненные с возможностью установки в объеме или на поверхности осушаемой стены и соединенные с положительным полюсом упомянутого источника, и два катода, соединенные с отрицательным полюсом упомянутого источника, причем один из катодов выполнен с возможностью установки в грунте, а аноды, располагаемые на каждом из горизонтальных уровней стены, электрически объединены в группы, отличающееся тем, что оно снабжено переключающими элементами, посредством которых упомянутые группы анодов подключены к положительному полюсу упомянутого источника с возможностью независимого подключения каждой из групп, а катоды связаны с отрицательным полюсом упомянутого источника с возможностью подключения к нему одного или другого катода.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что аноды выполнены из малорастворимых материалов, например нержавеющей стали, титана, титана с покрытиями из смешанных малорастворимых оксидов металла.

6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что количество анодов в каждой из упомянутых групп соответствует шагу их размещения и длине стены, на которой они смонтированы.