Metody elektrofizyczne w ochronie budynków przed zawilgoceniem. Cz. 1 Elektroosmoza

***
W artykule przedstawiono możliwości wykorzystania elektroosmozy w metodach elektrofizycznych stosowanych przy osuszaniu przegród budowlanych. Autor opisał genezę i istotę tego zjawiska oraz zasadę działania tej technologii przy renowacji zawilgoconych murów. Porównał też metody elektrofizyczne z innymi metodami ograniczającymi kapilarne podciąganie wilgoci w budynkach.

This article presents the potential use of electroosmosis in electrophysical methods for drying building envelopes. The author describes the origins and essence of this phenomenon and the operating principle of this technology in the renovation of damp walls. He also compares electrophysical methods with other methods for reducing capillary rising damp in buildings.
***

Z dipolową budową cząsteczki wody związane jest zjawisko elektroosmozy, którego zasadę działania (z punktu widzenia praktyki budowlanej) można wyjaśnić następująco [2, 3]: drobnoziarnistą próbkę materiału umieszcza się wraz z wodą w szklanej rurce wygiętej w kształt litery U. W ten sposób próbkę materiału można traktować jako wypełniony wodą system kapilarny. Jeśli przyłoży się napięcie prądu stałego, następuje transport wody w kierunku spadku potencjału. Objawia się to podniesieniem poziomu wody na tym końcu rurki, w którym umieszczona jest katoda (RYS. 1)

Czytaj także: Podstawowe kryterium powodzenia w osuszaniu zawilgoconych budynków

Zjawisko elektroosmozy zostało odkryte przez niemieckiego naukowca Ferdinanda Friedricha von Reußa w Moskwie w 1803 r. Zauważył on, że cząsteczki wody w naturalnym lub sztucznym polu elektrycznym przemieszczają się w kierunku bieguna naładowanego ujemnie. Wyniki swojego eksperymentu opisał w 1806 r. [4]: dwie elektrody węglowe włożył do próbki gleby i wypełnił wodą. Zaobserwował, że pod wpływem prądu stałego poziom wody w rurce anody opadał, a w rurce katody wzrastał (RYS. 2, RYS. 3).

W ten sposób znalazł podstawową zasadę stosowanej obecnie elektroosmozy, która należy do większej grupy międzycząsteczkowych procesów elektrycznych. W początkowych latach efekt ten nazywano jeszcze „zjawiskiem elektrokinetycznym”, ponieważ nie można było wyjaśnić jego praw.

Elektroosmoza jest jednym ze zjawisk elektrokinetycznych opierających się na elektrycznie odmiennej budowie substancji tworzących materię. Kiedy stykają się dwa materiały o różnym charakterze, na powierzchni styku pojawia się różnica potencjałów elektrycznych, nazywana również skokiem potencjału. W ten sposób obie powierzchnie ładują się elektrycznie, przy czym jedna powierzchnia zyskuje ładunek dodatni, a druga odpowiadający mu ładunek ujemny – powstaje elektryczna warstwa podwójna (RYS. 4). Ładowanie takie może odbywać się m.in. na materiałach porowatych, takich jak cegła lub kamień naturalny. Płynna część elektrycznych warstw podwójnych oddziela się i rozpoczyna ruch w polu prądu stałego, a wskutek wewnętrznego tarcia zaczyna się poruszać cała ciecz [6].

Gdy kapilary materiału budowlanego są wypełnione wodą, ciało stałe i ciecz na powierzchni styku mają taki sam, ale przeciwnie skierowany potencjał elektryczny. Z reguły ciało stałe naładowane jest ujemnie, a cząsteczki cieczy na granicy faz dodatnio. Jeśli na jednym końcu kapilary zostanie przyłożony biegun dodatni, a na drugim biegun ujemny pola elektrycznego, wilgoć zacznie migrować w kierunku katody (RYS. 5). 

W przypadku przyłożenia sztucznego napięcia stałego ruch cieczy następuje w taki sposób, że w zależności od polaryzacji elektrody umieszczonej w przepływającym medium, rozpoczyna się migracja cieczy w górę lub w kierunku przeciwnym. Zjawiskiem odwrotnym do elektroosmozy jest potencjał przepływu. Gdy woda (szczególnie gdy stanowi ona roztwór soli) transportowana jest przez system kapilarny muru, po obu stronach powstaje różnica potencjałów.

Od dziesięcioleci podejmowane są próby wykorzystania naukowo potwierdzonego zjawiska elektroosmozy w metodach elektrofizycznych, za pomocą których można przemieszczać substancje w cieczach lub ciecze w porowatych ciałach. Próby te dotyczyły również osuszania przegród budowlanych. Przy spełnieniu określonych warunków woda powinna przemieszczać się w polu elektrycznym, w kierunku katody, umieszczonej w murze w taki sposób, aby wilgoć mogła odparować lub pozostać w murze, nie powodując szkód [3, 7].

Stosowane w renowacji zawilgoconych budynków metody elektrofizyczne można – w zależności od zasady ich teoretycznego działania, podzielić na trzy grupy [7]:

• pasywna elektroosmoza,
• aktywna elektroosmoza,
• metody rezonansowe (określane również jako parafizyczne).

Do połowy lat 30. XX w. elektroosmoza była stosowana w praktyce jedynie do odwadniania torfu i oczyszczania wody (wiele lat później zaczęto ją również wykorzystywać do stabilizacji i uzdatniania gruntów) [2]. Po pierwszych doświadczeniach w budownictwie lądowym w połowie lat 30., w 1940 r. Szwajcar Paul Ernst opatentował stosunkowo prostą metodę pasywnej elektroosmozy. Nazwa ta wynika z faktu, że nie jest przykładane żadne zewnętrzne napięcie elektryczne.

Podstawowa zasada działania pasywnych systemów elektroosmotycznych polega na tym, że dwie elektrody są umieszczane w murze, aby spowodować zwarcie istniejącego w nim potencjału (potencjał ten można zmierzyć i waha się od ok. 100 do 500 mV). Ponieważ potencjał elektryczny powstaje, gdy woda przepływa przez porowate ciało stałe, takie jak mur i jego kapilary, poprzez zwarcie dąży się do tego, aby w części muru znajdującej się między dwiema płaszczyznami elektrod nie występowały już różnice potencjałów, a tym samym nie dochodziło do transportu wody.

Dostawcy metod pasywnych podają, że potrzebna energia czerpana jest z pól elektromagnetycznych, które należy zneutralizować. Elektrody (anoda i katoda) tworzone są z metali o różnym potencjale standardowym (np. drut stalowy jako anoda, drut aluminiowy jako katoda), które w szeregu napięciowym metali wykazują różnicę potencjałów rzędu kilkuset miliwoltów (mV). Taki układ złożony z dwóch różnych elektrod (półogniw) zanurzonych w elektrolicie (cieczy) tworzy ogniwo galwaniczne. Poprzez wyrównanie tej różnicy ładunku lub potencjału ma być wytworzony słaby prąd elektryczny, przy pomocy którego ma być wymuszony sprzężony transport wilgoci i soli w murze o zwrocie przeciwnym do transportu kapilarnego (RYS. 6) [2, 7, 8].

W przeważającej większości przypadków zastosowania pasywnych metod elektroosmozy nie zaobserwowano zadowalającego efektu osuszania. Bardzo często można było wykazać, że po kilku latach po początkowym osuszeniu (lub po ustąpieniu widocznego zawilgocenia) zawartość wilgoci w murze ponownie wzrastała. Jednym z najważniejszych powodów niepowodzenia była wywołana przez elektrolizę gwałtowna korozja elektrod lub połączeń przewodów łączących. Przyczyn braku skuteczności metody upatrywano również we wpływach zewnętrznych takich jak szkodliwe sole budowlane i wynikająca z nich higroskopijność, obce pola elektryczne itp. 

Najpoważniejszym problemem okazywało się jednak zróżnicowane zasolenie struktury murów, w rezultacie którego w przegrodzie mogą występować różne rozkłady potencjałów, postrzegane jako główne źródło nieskuteczności pasywnej elektroosmozy [7]. Obecnie panuje niemal powszechna zgoda co do tego, że pasywna elektroosmoza, w której poprzez zwarcie dwóch obszarów muru bez zewnętrznego napięcia ma być kompensowany własny potencjał przepływowy muru, nie przynosi pożądanego rezultatu w osuszaniu, a metod opartych na pasywnej elektroosmozie nie można zaliczyć do stanu techniki budowlanej [2, 3].

Dalszy rozwój metod elektroosmozy zaowocował opracowaniem przez Jakoba Trabera w latach 40. ubiegłego wieku metody aktywnej elektroosmozy. Nazwa ta wynika z faktu, że w murze lub na jego powierzchni umieszcza się pojedyncze elektrody lub półprzewodnikowe siatki, do których przykłada się zewnętrzne napięcie o wartości od 1 do 80 woltów (wysokość napięcia wciąż jest przedmiotem dyskusji wśród ekspertów). Poprzez przyłożenie napięcia elektrycznego do elektrod w murze celowo tworzy się pola elektryczne, co inicjuje procesy elektrofizyczne powodujące elektroosmotyczny transport wody w zadanym kierunku (RYS. 7) [2, 3, 7, 8].

W początkowych latach w zawilgoconych murach stosowano wyłącznie elektrody z metalu (głównie miedzi), które jednak po pewnym czasie ulegały zazwyczaj destrukcji (często całkowitej) w wyniku elektrolizy. Z powodu tych złych doświadczeń na początku lat 60. XX w. anody murowe zaczęto wykonywać z prętów grafitowych. Grafit (węgiel) jest dobrym przewodnikiem, a w dodatku jest odporny na korozję wywołaną przez elektrolizę. Jego istotną wadą jest jednak kruchość – elementy instalowane w murze często ulegały uszkodzeniom mechanicznym. Kolejnym krokiem w rozwoju technologii było opracowanie pod koniec lat 60. tak zwanych zapraw przewodzących prąd elektryczny, co miało na celu zmniejszenie oporu przejścia między elektrodami a murem. W połowie lat 70. podjęto z kolei eksperymenty z przewodzącymi farbami i powłokami, a także z mieszankami żywic i proszku grafitowego.

Dopiero w momencie wprowadzenia elektrod odpornych na korozję, tj. takich, które mogą być stosowane przy napięciach powyżej napięcia elektrolizy, osiągnięto akceptowalne efekty osuszenia oraz trwałość instalacji (przekładającą się na czas użytkowania). Współcześnie stosowane są elektrody z przewodzących prąd elektryczny tworzyw sztucznych, grafitu lub stopów metali szlachetnych, takich jak stopy tytanowo-srebrne lub związki tytanu, które wykazują wyższą odporność na korozję nawet w obecności agresywnych substancji. Słabe punkty nadal występują w obszarze połączeń i szwów, czyli w przypadku rozgałęzień, miejsc nieciągłości muru, przejść okiennych i drzwiowych itp., gdy elektroda musi zostać przerwana. W miejscach tych, jak również jako przewody zasilające do elektrod, stosuje się specjalnie izolowane kable. Szczególną uwagę należy ponadto zwrócić na wodoszczelność połączenia kabla z elektrodą [2, 7, 8].

Elektrody umieszcza się na głębokości ok. 3 cm w murze w odpowiednio wyfrezowanym zagłębieniu. Mogą one, w zależności od warunków budowlanych oraz danego rozwiązania systemowego, posiadać zróżnicowane kształty: taśm lub kabli do liniowego przenoszenia napięcia, prętów do przenoszenia punktowego, a także siatek lub kratek do powierzchniowego wprowadzania napięcia. Aby zapewnić niezbędne przejście prądu z elektrody na mur, do mocowania stosuje się specjalną zaprawę. Ta sama zaprawa używana jest do tynkowania, co jednocześnie zapewnia mechaniczną ochronę elektrody [7, 8].

Mimo zastosowania materiałów o zwiększonej odporności na korozję, zjawisko to pozostaje główną przyczyną nieskutecznych zastosowań metody. Do korozji elektrod może prowadzić już napięcie powyżej 1,3 V. Tymczasem aby siła osmotyczna była w stanie przezwyciężyć siły kapilarne, niezbędne jest napięcie nie tylko przeciwne do potencjału muru, ale również większe niż sam potencjał muru, tj. przekraczające 50 V (czego skutkami są wysokie zużycie energii elektrycznej oraz ryzyko związane z bezpieczeństwem) [2, 3, 7].

Rzeczywiste osuszenie za pomocą aktywnej elektroosmozy wymaga w szczególności wyraźnego i jednorodnego potencjału elektrokinetycznego i jest niemal niemożliwe (zastosowanie metody nie jest zalecane), gdy występują takie ograniczenia jak [7, 8]:

• mur wielowarstwowy,
• mur z wbudowanymi metalowymi elementami (żelazne lub stalowe belki konstrukcji stropowych, rury itp.), których nie można lub można tylko z dużym nakładem pracy i/lub materiałów zaizolować elektrycznie,
• ściany żelbetowe,
• wysokie obciążenie szkodliwymi solami budowlanymi,
• woda pod ciśnieniem oraz wilgoć wnikająca przez powierzchnie pionowe.

Ponadto w sytuacji, gdy źródło zawilgocenia nie zostanie usunięte (dopływ wody nie zostanie przerwany), aktywne osuszanie elektroosmotyczne okazuje się nieskuteczne ze względu na zbyt małą wydajność transportu wody (nawet przy optymalnych warunkach). W praktyce często można również zaobserwować, że jony soli koncentrują się na biegunie dodatnim, co prowadzi nie tylko do destrukcji elektrod, ale również punktowej koncentracji soli w murze i wynikającej z tego podwyższonej higroskopijności [3, 7].

Nie bez znaczenia jest również fakt, że o skuteczności metod aktywnej elektroosomozy decydująca jest bieżąca konserwacja – bez względu na zastosowany materiał elektrody ulegają procesowi degradacji, a ich żywotność nie tylko jest ograniczona, ale również nie można jej przewidzieć dla konkretnego obiektu. Również częstotliwość częściowej wymiany anod jest praktycznie niewyznaczalna. Co do zasady konserwacja powinna obejmować [8]:

• kontrolę anod dwa razy w roku,
• częściową wymianę elektrod,
• tynkowanie i malowanie po wymianie anod.

W odniesieniu do większości dostępnych źródeł literaturowych elektrofizyczne metody osuszania, w kontekście pożądanego trwałego osuszenia lub przerwania podciągania kapilarnego, nie są postrzegane jako równorzędne środki w porównaniu z metodami mechanicznymi [9] i chemicznymi [10] oraz nie powinny być traktowane jako ugruntowany element wiedzy technicznej [3, 7]. 

Z drugiej strony, to właśnie w metodach elektrofizycznych i w badaniach nad ich rozwojem upatruje się przyszłościowych, nowych technologii osuszania budynków, które po osiągnięciu dojrzałości mogłyby wykazywać wysoką efektywność i opłacalność. Przez dziesięciolecia były one rozwijane przede wszystkim w sposób zorientowany na praktykę. Mimo że teoretyczne podstawy elektroosmozy są znane od ponad dwóch stuleci i należą do doktryny fizyki, metody na niej oparte wciąż nie zostały wystarczająco przetestowane ani zbadane pod kątem możliwości zastosowania w osuszaniu budowli, przez co wciąż dochodzi do sprzecznych dyskusji naukowych.

Choć istnieją obiekty, w których odnotowano sukcesy w osuszaniu za pomocą metod elektroosmozy, to wskaźnik awaryjności systemów działających na zasadzie elektroosmotycznej jest w praktyce znaczny. Co istotne, przyczyny takiego stanu rzeczy nie zostały dotąd jednoznacznie wyjaśnione. Brakuje uogólnionego stanu wiedzy na temat możliwości zastosowania i warunków brzegowych, który byłby punktem wyjścia dla dopasowania technologii do indywidualnego przypadku [2].

Warto też podkreślić, że metody oparte na aktywnej elektroosmozie zostały uwzględnione w austriackiej normie ÖNORM B 3355 [11] (obok wtórnych hydroizolacji poziomych wykonywanych metodami mechanicznymi [9] lub iniekcyjnymi [10]) jako metody zmniejszające kapilarne podciąganie wilgoci w murze (RYS. 8) [2, 8].

Zdefiniowana płaszczyzna hydroizolacyjna, tj. poziom, powyżej którego musi nastąpić osuszenie muru z wilgoci podciąganej kapilarnie, w tym przypadku określona jest jako 20 cm nad najwyższą warstwą ujemnej elektrody (w przypadku pozostałych metod są to odpowiednio położenie materiałów uszczelniających dla metod mechanicznych oraz najwyższy rząd otworów wiertniczych po stronie wprowadzania materiału dla metod iniekcyjnych).

W TABELACH 1–3 zestawiono możliwe kryteria wyboru oraz granice zastosowania metod ograniczających kapilarne podciąganie wilgoci (mechanicznych, iniekcyjnych oraz elektrofizycznych), w zależności od parametrów ustalonych podczas diagnostyki obiektu, jak również specyficznych dla nich środków przygotowawczych oraz działań kontrolnych, opisanych w normie ÖNORM B 3355 [11].

Literatura

1. B. Monczyński, „Woda i jej obecność w strukturze materiałów budowlanych”, „IZOLACJE” 1/2024, s. 140–146.
2. J. Weber, „Physikalische Verfahren und elektrophysikalische Verfahren” [w:] J. Weber, V. Hafkesbrink (red.), „Bauwerksabdichtung in der Altbausanierung. Verfahren und juristische Betrachtungsweise”, Springer Vieweg, Wiesbaden 2018, s. 523–643.
3. M. Bonk, „Sanierung von Abdichtungen” [w:] E. Cziesielski, „Lufsky Bauwerksabdichtung”, Teubner, Wiesbaden 2006, s. 369–422.
4. F. F. von Reuß, „О новом действии гальванического электричества”, „Memoires de la Société Imperiale des Naturalistes de Moscou” vol. 2, 1809, s. 327–337.
5. E. Kenndler, M. Minarik, „Capillary Electrophoresis and its Basic Principles in Historical Retrospect Part 1. The early decades of the ‘Long Nineteenth Century’: The Voltaic pile, and the discovery of electrolysis, electrophoresis and electroosmosis”, „Substantia” vol. 5, no. 1, 2021, s. 119–133.
6. H. Stöcker, „Nowoczesne kompendium fizyki”, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2015.
7. F. Frössel, „Mauerwerkstrockenlegung und Kellersanierung. Wenn das Haus nasse Füße hat”, Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart 2012.
8. M. Balak, A. Pech, „Mauerwerkstrockenlegung: Von den Grundlagen zur praktischen Anwendung”, Birkhäuser Verlag GmbH, Basel 2017.
9. B. Monczyński, „Mechaniczne metody odtwarzania hydroizolacji poziomej murów wg znowelizowanych wytycznych WTA”, „IZOLACJE” 4/2025, s. 120–126.
10. B. Monczyński, „Iniekcyjne metody odtwarzania hydroizolacji poziomej murów wg znowelizowanych wytycznych WTA”, „IZOLACJE” 5/2025, s. 76–82.
11. ÖNORM B 3355:2017-03, Trockenlegung von feuchtem Mauerwerk – Bauwerksdiagnostik und Planungsgrundlage.