Что такое электроосмос и для чего он применяется в грунтах
Что такое электроосмос и для чего он применяется в грунтах
Электрокинетическими явлениями называются процессы, возникающие в дисперсных системах за счет наличия в них двойного электрического слоя (ДЭС) и способности диффузной части ДЭС тангенциально смещаться относительно неподвижной адсорбционной части при различных внешних воздействиях на систему [4].
Электроосмос
Электроосмос в грунтах зависит от:
Все эти факторы определяют величину электрокинетического потенциала. Поэтому электроосмос активнее протекает в глинах монтмориллонитового состава, чем в глинах гидрослюдистого и каолинитового состава.
Наибольший электроосмотический перенос в глинах наблюдается в слабокислой (рН=3) и слабощелочной (рН=11) средах.
С повышением температуры от 1 до 70-80°С электроосмотический перенос возрастает в глинах в среднем в 1,2-2 раза, что объясняется увеличением при нагреве электрокинетического потенциала и снижением вязкости порового раствора.
До значений порядка 90-100 В/см величина напряженности электрического поля не влияет на параметры электроосмоса. При более высокой напряженности (100 В/см) наблюдается увеличение электроосмоса, поскольку в движение начинает вовлекаться часть катионов адсорбционного слоя ДЭС [4].
Практическое применение:
Электрофорез
Практическое применение электрофореза:
Электроосмотическое осушение стен и фундаментов зданий
Е. А. Ивлиев
Введение
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. Однако методы активного электроосмотического осушения используют низковольтные источники питания с напряжением не более 12–24 В (например, технология австрийской фирмы ELKINET или немецких фирм HYDROPOL и DRYMaTec). При этом гарантированное время осушения составляет 3 года, что не отличает их от пассивных методов.
Электроосмос применяется в строительстве достаточно давно. Практические примеры пассивного и низковольтного активного методов электроосмотического осушения приведены, например, в [1].
Наиболее значительный вклад в теоретическое обоснование электроосмотического метода осушения капиллярно-пористых материалов внес румынский ученый Stefan Morarau [2]. Он первым исследовал практические вопросы рационального размещения анодов и дал простые, приближенные соотношения, позволяющие оценить скорость осушения для активного и пассивного методов. Следует отметить также работу [3], где предлагается в процессе электроосмотического осушения подавать в трубчатые аноды гидрофобный раствор. В работах австрийского инженера Hans Oppitz [4–7] предлагаются различные конструкции слаборастворимых анодов. Работы норвежского инженера Utklev Kjell [8, 9] посвящены обоснованию импульсных режимов питания для обеспечения коррозионной стойкости анодных электродов. Аналогичные вопросы рассматриваются в [10].
Техническая реализация активного метода осушения при более высоких напряжениях (150-200 B), помимо дополнительных мероприятий по электробезопасности, требует учета следующих специфических факторов: схема размещения анодов в осушаемой стене и режимы питания должны обеспечивать равномерное осушение по ее толщине и длине; размещение катодных электродов должно выполняться с учетом уровня поверхности земли относительно требуемой границы осушения; необходимы специальные мероприятия по предотвращению растворения анодных электродов и выделения газа на их поверхности; размещение анодных и катодных электродов должно выполняться с учетом наличия в стенах и грунте различных металлических конструкций.
Цель работы – обоснование схем и режимов применения активного электроосмотического метода осушения с использованием напряжений до 200 вольт, что позволяет сократить время осушения до трех-четырех месяцев [11]. Результаты, изложенные в статье, являются как обобщением теоретических, лабораторных и натурных исследований, так и масштабных практических работ.
Лабораторный эксперимент и его анализ. Лабораторные исследования активного электроосмоса выполнялись на красном кирпиче с габаритными размерами 260×130×70 мм, который предварительно высушивался в термической печи и взвешивался. После двух недель замачивания кирпича определялась максимальная абсолютная влажность по формуле
где G – вес сухого кирпича, G0 – вес влажного кирпича.
Для электроосмотического осушения кирпича была смонтирована лабораторная установка, схема которой представлена на рис. 1, где 1 – кирпич, 2 – электроды (аноды), 3 – электрод (катод) (стальная сетка), 4 – цементный раствор, 5 – амперметр, 6 – вольтметр, 7 – источник постоянного тока, 8 – регулировочное сопротивление. Расстояние между анодом и катодом составляло 0,13 м (аноды из стальной проволоки диаметром 1 мм устанавливались в отверстия, просверленные в центральной части кирпича).
После завершения монтажа электродов исходная абсолютная влажность составляла 20%. После подключения источника питания осушение длилось 12 часов.
Получены следующие результаты:
среднее напряжение между анодом и катодом – 135 В;
средняя напряженность электрического поля – 1000 В/м;
средняя плотность анодного тока – 60 А/м 2 ;
удельные затраты электроэнергии – 800 кВт*час/м 3 ;
абсолютная влажность кирпича в конце опыта – 7,5 %.
Таким образом, в результате активного электроосмотического осушения кирпича за 12 часов абсолютная влажность уменьшилась на 12,5 %.
В процессе осушения периодически измерялись влажность и удельное электрическое сопротивление (табл. 1). На основе данных табл. 1 и метода линейной регрессии найдена эмпирическая зависимость между удельным электрическим сопротивлением и влажностью
где ρ – в [Ом*м], а WA – в [%].
Таблица 1. Измерение влажности и удельного электрического сопротивления
Электроосмос
Электроосмос применяется в водонасыщенных связных грунтах, а также для предварительного (превентивного) оттаивания мерзлых (в том числе и вечномерзлых) грунтов.
Также как и при электрохимическом закреплении в основание погружаются электроды: (+) анод в виде металлического стержня и (-) катод в виде перфорированной трубы. При пропускании постоянного тока через глинистый (мерзлый) грунт, последний теряет связную воду, которая получает перемещение (миграцию) в сторону отрицательного электрода (катода). Скопившаяся свободная вода у катода откачивается через перфорированный электрод-трубу.
Процесс закрепления по данной методике зависит от времени пропускания тока через грунт и сопровождается частичным разрушением металлического стержня-анода.
В результате проведения подобных работ в закрепляемом грунте происходят: 1. Уменьшение влажности. 2. Частичное уплотнение.
Как работает электроосмос?
Для успешной борьбы с капиллярным подсосом грунтовых вод в конструкции зданий необходимо понимать законы развития этого процесса.
Движение грунтовых вод и их проникновение в конструкции зданий подчиняется законам физики.
Почему именно электроосмос «Dry Power»? Оборудование разработано и производится в Швеции, имеющей схожие природно-климатические условия и проблемы. Оборудование «DryPower» успешно осушило множество зданий в различных странах Северной Европы, среди которых музеи, библиотеки, памятники архитектуры, учебные заведения и просто частные дома. Показателен опыт применения оборудования «Dry Power» после наводнения летом 2002 года в Дрездене. Установка систем «DryPower» позволила минимизировать негативные последствия и осушить здания в кратчайшие сроки.
Компания Wasa teknik AB, производитель оборудования«DryPower», специализируется на оборудовании ПРОВОДНОГО типа.
На рынке присутствует оборудование производителей из стран Восточной Европы, использующее технологию «беспроводного «электроосмоса. Но на сегодняшний день нет ни одного реально подтвержденного случая осушения здания с помощью беспроводного электроосмоса. Почему? Чтобы это понять необходимо еще раз вернуться к пониманию процесса электроосмоса.
Технология электроосмоса»DryPower» имеет:
Патентную защиту на территории ЕС.
Тестирование в лабораториях Европы.
Опыт работы более 10 лет.
Тестирование в Российской Федерации (РосТест)
Санитарно-Эпидемиологическое Заключение РФ.
Сертификат соответствия РФ.
Разрешение на применение на объектах памятников архитектуры (КГИОП Санкт-Петербурга).
Основные преимущества технологии «DryPower» перед традиционными методами отсечки капиллярного подсоса:
Комплектность оборудования:
Полностью автоматизированный блок управления, смонтированный в небольших размеров металлический ящик, герметичный и окрашенный порошковой эмалью:
проводная анодная изолированная линия с закрепленными на ней электродами из стойкого к электрохимической коррозии сплава длиной 160мм.:
Проводная катодной изолированная линия с закрепленными на ней электродами из стойкого к электрохимической коррозии сплава длиной 500-1000 мм.
Сетевое подключение: 230 В / 50 Гц.
Для получения более полной информации звоните по телефонам +7 495 6466820 или +7 905 588 95 70
Задать любые вопросы, оперативно проконсультироваться о стоимости работ вы можете позвонив нам на указанные номера телефонов или через форму обратной связи.
+7 (495) 646-68-20
+7 (905) 588-95-70
Что такое электроосмос и для чего он применяется в грунтах
В практике строительства широкое применение получил намывной способ возведения плотин, дамб и низинных площадей. На берегу р. Днепр и Иртыш под строительство жилых, общественных и промышленных зданий намыв ведется ярусами. Например, при намыве тела плотины по периметру зоны намыва устраивается обвалование. Пульпа по пульпопроводам, уложенным на эстакадах вдоль сооружения, подается к очередной зоне намыва (рис. 32, а).
Пульпа стекает от краев сооружения к центру, в котором установлен водоприемный колодец с шандорами. Путь движения пульпы по поверхности происходит от пульпопровода к ядру плотины и крупные частицы грунта осаждаются у краев сооружения, а в центре (ядре) осаждаются наиболее мелкие частицы, водоотдача (фильтрация) которых мала и для осушения ядра плотины требуется значительное время, что снижает темпы строительства.
Применение электроосмоса позволяет значительно интенсифицировать выделение воды и осушение ядра. Суть электроосмоса сводится к тому, что в непосредственной близости от водосборных колодцев устанавливают стержни, соединенные с отрицательным полюсом генератора, а по внешнему контуру ядра плотины, дамбы — стержни, соединенные с положительным полюсом генератора.
Рекламные предложения на основе ваших интересов:
Дополнительные материалы по теме:
В результате применения электроосмоса в 30…50 раз увеличивается водоотдача, а следовательно, расширяется номенклатура грунтов для возведения плотин и дамб методом гидромеханизации.
При работе землеройных машин, (скреперов, бульдозеров, погрузчиков, экскаваторов) на сухих связных грунтах (глинах, лессах) более 40% затрачиваемой энергии уходит на преодоление трения грунта о поверхности рабочих органов. При разработке влажных связных грунтов в летнее время происходит налипание, а в зимнее время намерзание грунта на стенках рабочих органов и транспортных средств. Это затрудняет выгрузку грунта и ведет к снижению производительности в 1,3… 1,8 раза. Однако по влажной поверхности скольжение тела происходит легче, поэтому при наборе грунта и при его разгрузке между ковшом землеройной машины или кузовом транспортного средства и грунтом должен быть слой влаги (20…40 мкм). Это особенно важно при работе в зимних условиях, так как свободная влага при температуре окружающей среды от 0 до — 1 °С замерзает, а вода в капиллярах не замерзает при температуре до —7 °С.
Для уменьшения сопротивления наполнению ковша на почвоперерабатывающих машинах по предложению С. И. Долгополова и других ученых отрицательный полюс генератора соединяется с корпусом рабочего органа, а положительный с поверхностью разрабатываемого грунта в непосредственной близости от места разработки, т. е. используется явление электроосмоса.
Применение электроосмоса при разработке грунтов влажностью 5…12% дозволяет снизить за счет уменьшения сил трения грунта о ковш энергозатраты на 15%, а производительность за счет увеличения наполнения ковша увеличить в 1,3… 1,5 раза, а при разработке влажных грунтов за счет улучшения условий разгрузки в 1,5… 2 раза.
По этому методу для уменьшения налипания грунта к кузову автомобилей-самосвалов и облегчения их разгрузки над кузовом устанавливается на шарнирах рама со стержнями (рис. 32, б), соединенная с положительным полюсом генератора, а кузов соединен с отрицательным полюсом генератора. При загрузке кузова грунтом, а также при выгрузке рама поднимается. После загрузки кузова рама опускается. При транспортировке в зоне контакта грунта с кузовом образуется водная пленка. Применение такого способа позволяет в 5…6 раз уменьшить налипание грунта.
Использование электроосмоса нашло свое применение и для уменьшения сопротивления грунта при погружении свай, кессонов, оболочек колодцев, шахтных стволов. На преодоление трения сваи о грунт при ее погружении затрачивается около 50% потребляемой энергии. Чтобы уменьшить трение, необходимо обеспечить увлажнение поверхности сваи, применив электроосмос.
На поверхности железобетонной или деревянной сваи укрепляют электроды в виде проволоки или полосы металла, а рядом с забиваемой сваей в грунт забивают металлический стержень. Электроды соединяют с отрицательным полюсом генератора, а стержень с положительным. При погружении сваи под действием электроосмоса влажность грунта у ее поверхности увеличивается, пластичные глины увлажняются и даже разжижаются. В результате в 2…2,5 раза уменьшается сопротивление грунта, погружение происходит быстрее и при меньшем числе ударов, что весьма важно для сохранения головы сваи. Впервые такой способ погружения свай был применен в 1938 г. при сооружении моста Строителей в Ленинграде и на ряде других строек. Особенно эффективен электроосмотический способ при опускании колодцев в сухих глинистых и суглинистых грунтах.
При электроосмотическом погружении корпусов колодцев больших размеров равномерность и вертикальность погружения обеспечивается довольно просто и без дополнительных затрат путем пропуска тока в нужный момент, а также включения и отключения группы электродов (рис. 33). На поверхности корпуса колодца монтируют горизонтальные металлические пояса из листовой стали, соединенные с отрицательным полюсом генератора, а вокруг на расстоянии 3…4 м забивают стержни с шагом 4…5 м, соединенные с положительным полюсом. Опускание колодца осуществляется с выборкой грунта экскаватором ЭО-2621А с объемом ковша 0,25 м3, который разрабатывает грунт внутри колодца и грузит в большой ковш специального изготовления, который подымается на поверхность башенным краном с выгрузкой в автомобиль-самосвал.
При появлении перекоса колодца часть анодных электродов, расположенных напротив пониженного места, отключается.
Рис. 33. Схема;
размещения электродов при опускании корпуса колодца
1 — корпус колодца; 2 — металлический пояс; 3 — стержни
Для увеличения трения на ряде электродов переключаются полюса. При опускании колодцев в мокрых грунтах иглофильтровыи метод понижения грунтовых вод в совокупности с электроосмосом способствует качественному опусканию колодцев. Увеличение несущей способности грунтов и ликвидации их пучения можно достигнуть методом электрофореза.
Обычно укрепление грунтов осуществляют введением в грунт под давлением через иглофильтры концентрированных растворов (жидкого стекла, хлористого кальция, хлористого железа). Проникая через пустоты и щели в грунте, соли растворов изменяют структуру и свойства грунтов, увеличивая их плотность и несущую способность. Такой способ инъекции солей позволяет изменить структуру тонкого столба грунта (20…30 см).
Электрофорезный способ укрепления оснований широко применяется при различного рода надстройках зданий и реставрационных работах. При этом производят укрепление не только оснований, но и стен, и штукатурки. На рис. 37, б показана схема установки иглофильтров для укрепления оснований и стен.
Электрофорезный способ применялся при восстановлении Монплезира и Большого дворца в Петродворце, театра оперы и балета им С. М. Кирова, Малого зала консерватории, Финляндского вокзала в Ленинграде, Успенского собора в Каневе.
Глинистые грунты довольно часто используются для возведения железнодорожных и дорожных насыпей. При переувлажнении поверхностных слоев грунта насыпей, при накоплении влаги в балластном слое после дождей и при оттаивании после зимнего периода происходят пучение грунта и оплывы откосов. Для предотвращения деформации грунта применяют электрофорез. На рис. 37, в показана схема расположения иглофильтров, забиваемых в грунт на 0,7… 1 м ниже глубины промерзания.
Постоянный электрический ток напряжением 120 В пропускается в течение 200…250 ч. После проведенного укрепления деформация грунтов прекращается. Такой способ широко применяется на железных дорогах Ленинградской, Вологодской областей, а также на железных дорогах Сибири и Казахстана.