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Verfahren zur Beschleunigung oder Unterbi-nd#ing und IJnllçehr der
natürlichen Bewegung von Flüssigkeiten in Feststoffen mit poroser und/oder semipermeabler
Struktur und Rlektroden zur Durchführung des Verfahrens.
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Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zur Beschleunigung oder
zur Unterbindung und Umkehr der natürlichen Bewegung von Flüssigkeiten in Feststoffen
mit poröser und/oder semipermeabler Struktur unter Verwendung elektrischer Fremdenergie
oder unter Ausnutzung vorhandener elektrischer Potentialgefille.
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Weiter betrifft die Erfindung neuartige Elektroden zur Durchführung
des genannten Verfahrens.
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Für das erfindungsgemäße Verfahren bieten sich zahlreiche Ansendungen
an, deren vol]st#ndige Aufzählung aus Gründen der Einheitlichkeit hier nicht
möglich ist. Die nachfolgende Auswahl bevorzugter Anwendungen soll reprasentative
Beispiele und Varianten des Verfahrens verdeutlichen.
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Beispiel 1: Eine im Erdreich ausgehobene Grube füllt sich in der Regel
in kurzer Zeit mit Grundwasser. Durch Einlagerung von erfindungsgemäRen Elektroden
und Anwendung des erfindungsgem#I#en Verfahrens in seiner Sperr-Variante kann der
Zustrom von Wasser vermindert oder gar unterbunden werden.
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Beispiel 2: An beliebig ausgewählten Stellen des Erdreichs kann eine
erhöhte Konzentration von Feuchtigkeit erzielt werden, indem-man ein System von
erfindungsgem#'-ißen Elektroden in das Erdreich einlagert und das erfindungsgemäße
Verfahren in seiner Beschleunigungs-Variante betreibt. Dieses Verfahren bietet sich
z.B. an, um bei zu niedrigem, natürlichen Grundwasserstand und zu schlechter Kapillarwirkung
des Erdreichs junge Pflanzenkulturen mit
schwach ausgebildeten Wurzeln
ausreichend von unten, d.h. mit nährsalzhaltigem Grundwasser zu versorgen oder Bäume
zu verstärktem Wachstum anzuregen.
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Beispiel 3: Mauerwerke und Gebäude, vor allem in exponierten Lagen
oder von entsprechendem Alter, sind in der Regel stark mit Grundwasser durchfeuchtet.
Durch Anbringen eines Systems erfindungsgemäßer Elektroden und Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens in seiner Sperr-Variante kann die schädliche Nauerfeuchte bes eitigt
werden.
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Beispiel 4: Beim Erstellen von Bauwerken muß zum Abbinden der Baustoffe
ausreichend Feuchtigkeit vorhande#n sein. Besonders an trockenen, warmen Tagen droht
das Bauwerk auszutroclcnen. Durch Einlagern von erfindungsgemäßen Elektroden und
Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in seiner Beschleunigungs-Variante kann
ein im Entstehen begriffenes Bauwerk gleichmäßig und in der Nähe des Sättigungspunktes
feucht gehalten werden Beispiel 5 Nach Beendigung des Bauvorganges, nach Beispiel
4, kann mit dem eingelagerten Elektrodensystem das erfindungs'gemäße Verfahren in
seiner Sperr-Variante betrieben und der Bau nachhaltig trolckengelegt werden.
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Weitere Beispiele sind naheliegend, einige werden in einer Zusatzanneldung
behandelt werden.
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Zum besseren Verständnis des erfindungsgemäßen Verfahrens, der an
sich bekannten Zusammenhänge, aber auch zur Erläuterung einiger bislang unbekannter
Effekte, die bei zahlreichen Versuchen: überraschenderweise gefunden wurden, ist
es nützlich vorab einige dieser Vetsuche-zu erläutern.
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Versuch i: Aus der DOS 21 25 535 ist bekannt, eine semipermeable Membran
aus
einem vollkommen chemisch inerten Werkstoff, nämlich Polytetrafluoräthylen (PTFE),
der außerdem hervorragende dielektrische Eigenschaften besitzt, herzustellen. Mit
solchen Membranen wurden in an sich bekannter Weise Osmose-Versuche unternommen
und durch Messungen beobachtet (Fig. 1): Ein Glasbehälter (1) wurde mit destilliertem
Wasser (2) gefüllt. Ein Trichter (3) mit Steigrohr (4) enthielt eine wässrige Lösung
(5). Beide Flüssigkeiten hatten natürliche, voneinander verschiedene dielektrische
Eigenschaften und waren durch eine oben genannte semipermeable Membran voneinander
getrennt.
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Meßelektroden, z.B. aus Platin (7), deren Eigenpotential kompensiert
wurde lagen auf beiden Seiten der semipermeablen Membran an und waren über Koax-Leitungen
(8) an ein Kompensations-Elektrometer (9) angeschlossen, dessen Eingangswiderstand
über 1014 Ohm lag. Am Verstärkerausgang des Elektrometers war ein Schreiber angeschlossen,
mit dem die Meßergebnisse aufgezeichnet wurden.
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Bevor der Versuch in Betrieb gesetzt wurde, d.h. solange der gefüllte
Trichter (3) nicht in das Wasser (2) eingetaucht war, wurde eine Spannung von Null
an der Membran (6) gemessen.
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Unmittelbar nach Eintauchen des Trichters (3) in das Wasser (2) wurde
eine Spannung gemessen, deren Höhe u.a. vom osmotischen Wasserdurchsatz abhing.
Nach den Gesetzen der Elektro-Kinese hätte die Spannung, die Werte zwischen ca.
lo und ca. looo mV annahm umso größer sein müssen, je stärker der Wasserdurchsatz
war. Der Versuch zeigte hingegen, daß die gemessene Spannung umso höher sich einstellte
je geringer der Durchsatz war; z.B.
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waren einige Membrantypen besonders wirkungsvoll in osmotischer Hinsicht,
d.h. es wurde ein hoher Durchsatz beobachtet, dabei stellte sich eine relativ niedrige
Membranladung ein. Bei anderen Membrantypen wurden relativ schwache osmotische Leistungen
beobachtet z.B0 bei Membranen mit sehr engen Poren und relativ dicker Wandung, -
die gemessene Membranladung war in-diesen Fällen deutlich erhöht.
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Die Höhe der N#mbranpotentiale sowie deren Polaritnt hing u.a.
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von den verlrendeten Lösungen und ihren elektrischen Eigenschaften
ab. Die Zusammenhänge können an den folgenden Versuchen 2 bis 7 abgelesen werden
die mit Lösungen gleicher Wertigkeit durchgefiihrt wurden.
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Versuch 2: (Fig. 2)-Dieser Versuch zeigt den ersten, an sich bekannten
Fall der Osmose. Ein Behälter (11) ist mit destilliertem Wasser (12) gefüllt. Der
Trichter (13) mit Steigrohr (14) enthält eine Salzlösung (15) und ist durch eine
semipermeable Membran (16) abgeschlossen. Meßelektroden (17), abgeschirmte Meßkabel
(18) und das Elektrometer (19) sind nur angedeutet. Erwartungsgemäß wurde ein Wasserdurchsatz
in Richtung Lösung bei normaler Potentiallage der Lösung beobachtet (12).
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Versuch 3 (Fig. 3): Dieser Versuch zeigt den zweiten, bekannten Fall
der Osmose mit gleichem Aufbau wie Versuch 2. Lediglich die Lösung ist ausge-~#chselt
und besteht aus einer verdünnten Saure (20). Der Wasserdurchsatz wurde erwartungsgemiß
in Richtung auf die Lösung (20) aus einer Säure und Wasser bei normaler Potentiallage
beobachtet.
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Versuch 4 (Fig. 4): Der gleiche Versuchsaufban wie vorher, jedoch
wurde eine Lösung (21) von Traubenzucker, (C6H1206), qualität lt.DAB, für Injektionen,
verwendet. Erwartungsgemäß wurde der Wasserdurchsatz in -Richtung Lösung beobachtet.
Völlig unerwartet stellte sich aber auch eine Membranladung ein, die wesentlich
höher lag als in den Versuchen 2 und 3 während der sog. Nettofbiß, das ist der meßbare
Durchsatz von reiner Flüssigkeit in Richtung Lösung, geringer war als in Versuch
2, aber höher lag als in Versuch 3.
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Versuch 5 (Fig. 5): -------------------Die Anordnung aus Versuch 4
wurde zu einem bislang unbekannten
Versuch benutzt. Das ~Meßin#trument
(19) wurde kurzzeiti,g über brückt, d.h. die Meßsondcn kurztgeschlossen ()2). Nach-wenigen
Augenblicken konnte ein starker Abfall der Membranladung be-obachtet werden.- Die
Ladung baute sich jedoch in kurzer Zeit wie der in ihrer ursprünglichen höhe auf.
Wurde der.Sondenkur-zschluß über längere Zeit aufrechterhalten, so erreichte die
Membranladung den Wert Null, wobei anschließend völlig überraschend beobachtet wurde,
daß sich bei unveränderter Versüchsanordnung die Potentiallage umkehrte und der
Nettofluß nachfolgend gleichfalls umgekehrt auftrat.
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Der Vorgang war wiederholt umkehrbar. Das beobachtete Phänomen ist
mit den Vorgängen der Elektrokinese nicht erklärbar, wie die folgenden Versuche,
vor allem der Versuch 8, zeigen werden.
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Versuch 6 (Fig. 6): Dieser Versuch zeigt wiederum die gleiche Versuchsanordnung,
jedoch ist in diesem Fall das destillierte Wasser (12) oberhalb der Membran, d.h.
im osmotischen Trichter, während die Lösung (23) aus einer Lauge und Wasser sich
im Behälter (11) d.h. unten befindet.
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Völlig überraschend wurde beobachtet, daß sich ein Nettofluß von Wasser
aus der Lösung in Richtung Wasser (!) einstellte, während die Potentiallage erwartungsgemäß,
d.h. entsprechend der Potentiallage Lösung gegen Wasser, und entgegengesetzt zu
der aus Versuch 3 war.
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Versuch 7 (Fig. 7): Dieser Versuch zeigt den an sich bekannten, sog.
Sonderfall der Osmose, bei dem die Versuchanordnung aus Versuch 2 (mit Salzlösung)
verwendet wurde. Zusätzlich wurde eine Gleichspannung (~24) an die Meßsonden gelegt,
welche dem natürlichen Membranpotential aus Versuch 2 entgegenwirkte, und derart
eingestellt, daß die Membranladung a) vermindert wurde, b') kompensiert wurde c)
überkompensiert wurde.
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Wie nach den Versuchen 5 und 6 nicht anders zu erwarten ist,
stellte
sich im Fall a) ein verminderter Nettof-luß in-Richtung Lösung ein war im Fall b)
der Durchsatz von Wasser pra-lctisch nicht mehr zu beobachten, verlief im Fall c)
der Wasserdurchsatz (Fig. 7) umgekehrt.
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Völlig überraschend kam auch die Beobachtung, daß der Durchsatz von
Wasser, d.h. der sogenannte Nettofluß durch die Membran, mit zunehmender Fremdspannung
abnahm, beim Kompensa'tionspunkt Null wurde, danach sich umkehrte, bei Uberkompensation
in Richtung auf das dest. Wasser wieder einsetzte und mit steigender Überkompensation
anwuchs, aber bei etwa 2- bis 5-facher Überkompensation sein Maximum erreichte und
bei etwa lo- bis 20-facher Überkompensation infolge Elektrolyse quasi zum Erliegen
kam.
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Versuch 8 (Fig. 8): Dieser Versuch liefert einen Hinweis darauf, daß
die beobachteten Ergebnisse mit den an sich bekannten Zusammenhången der Elektro-Kinese
allein nicht erklärt ~werden können, da diese die Existenz eines# fließenden Mediums,
z.B. #~in einer. Kapillare, voraussetzt. Fig. 8 ~zeigt einen Ausschnitt aus einer
der Versuchsanordnungen 2 bis 7. Das dest. Wasser (12) berührt von unten eine semipermeable
Membran (16) aus PTFE, das bekanntlich von Wasser nicht benetzt werden kann und
stark antiadhäsive Eigenschaften hat. Die Membran hatte eine Porosität von ca.
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80 % mit Poren-Durchmessern von ca. lo 2 bis ca. 500 2 (Typ 1), Zunächst
wurde festgestellt, daß die Membran für Wasser als Flüssigkeit vollkommen undurchlässig
war. Der Wassereintrittsdruck lag bei etlichen Metern Wassersaule.
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Die semipermeable Membran wurde an ihrer wasser-abgewandten Seite
sorgfältig getrocknet und verschiedene Kristalle (25), Salze wie auch Zucker auf
die Membran gelegt.
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Völlig überraschend setzte sofort ein starker Durchsatz von Wasser
ein, der die Kristalle durchnäßte, große Wasserperlen an den Kristallen bildete
und in ca. 1 Minute die ganze Membran überdeckte. Alle anderen Beobachtungen entsprachen
den Versuchen 2 und 4.
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Die Ergebnisse der vorstehenden Versuche zeigen, daß an jeder semipermeablen
Membran offenbar natürliche Ladungen existieren, welche ursprünglich gleichnamig
sind, durch anliegende Flüssigkeiten aber ungleichnamig werden können und den Durchsatz
von Wassermolekeln, d.h. von Wasser im nicht-flüssigen Zustand erlauben bzw. bewirken.
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Die vorstehenden Versuche wurden mit verschiedenen Folientypen durchgeführt:
Folien- Dicke lichte Eintrittsdruck mittlerer Porosität Typ [t] y (Wasser)
poren ~ ca.
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1 50 µ 0,46 1,55 kp/cm2 ca. 150 Å 80 2 120 µ 0,4 1,55 kp/cm2 ca.
150 Å 82 2 5 75iu o,42 1,69 kp/cm ca. 125 R 81 3 75 µ 0,42 1,69 kp/cm2 ca.125 Å
81 4 75-25 µ 0,16 1,27 kp/cm2 ca. 185 Å 90 5 25 µ 0,09 0,77 kp/cm ca. 300 Å 93 6
20u 0,0983 0,21 kp/cm2 ca. 1100 Å 96 Es zeigte sich, daß die wirksame, sogenannte
osmotische Energie, die man sich als Resultierende aus der Membranladung und dem
Nettofluß vorstellen kann, umso größer is~ - je chemisch inerter die Membran ist
je dünner die Membran ist - je besser die dielektrische Eigenschaft der Membran
ist - je günstiger der Porendurchmesser ist - je größer die Porosität der Membran
ist - je mehr gelöste Substanz vorhanden ist - je günstiger eine angelegtes gleichnamige
Fremd#pannung ist.
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Die vorstehenden Versuche wurden auch mit anderen Membranen1 z.
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B. aus Dyallisierfolie oder tierischen Häuten, durchgeführt. Die Ergebnisse
waren entsprechend, aber schlecht reproduzierbar und funktionierten nur kurzzeitig
wegen der geringen Resistenz der Membranen.
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Neben den grundlegenden Versuchen wurden praxisnahe Experimente durchgeführt.
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Versuch 9 (i?ig. 9): Dieser Versuch zeigt eine Mauer (26), welche
in einem Behälter (27) mit Wasser steht. Unter normalen Bedingungen steigt Wasser
infolge der Kapillarkräfte der Mauer in dieser auf und erreicht eine natürliche
Steighöhe,H-O. Versieht man die Mauer mit 2 Elektroden (29 und 30) und legt über
diese eine Gleichspannung (31) an, so steigt das Wasser in kurzer Zeit weit über
die normale Steighöhe (H-O) zur Höhe H-1 auf, wenn die Richtung des Fehlstellen-Stromes
(Plus nach Minus) der natürlichen kapillaren Strömung entspricht.
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V#ersuch io (Fig. lo):-In diesem Versuch ist die gleiche Anordnung
vorhanden, nur die Polarität der Spannungsquelle umgekehrt. Wie nicht anders zu
erwarten, wird das eingedrungene Wasser von der Höhe El-O auf die Höhe H-2, die
der Höhe der jetzt negativen unteren Elektrode (30) entspricht, zurückgedrtingt.
Die Mauer wird gegen eindringendes Wasser gesperrt.
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Aus dem Vorstehenden ergeben sich die Anwendungsfälle der Beispiele
3, 4 und 5 des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Denkt man sich die Versuche 9 und lo bzw. die Versuche 1, 2, 7 und
8 derart abgewandelt, daß man sie auf den Wassertransport innerhalb des Erdreiches
anwendet, so ergeben sich die Anwendungsfälle der Beispiele 1 und 2 des erfindungsgemißen
Verfahrens.
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Der Stand der Technik zu dem Komplex des erfindungsgemäßen Verfahrens
läßt sich am besten aus Anwendungsfällen zu den Beispiel len 1 bis 5 insbesondere
der Beispiele 3 bis 5 ableiten.
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Aus der DOS, 1.926 381 ist ein Verfahren bekannt, bei welchem in ein
feuchtes Mauerwerk metallische Elektroden in zwei Ebenen eingelegt werden. Die obere
Ebene wird mit der unteren kurzgeschlossen, die untere vorzugsweise geerdet und
so ein Stromfluß im Mauerwerk erzeugt, der die Strömung des aufsteigenden Wassers
unterbinden soll. Als Antriebsenergie wird die infolge kapillarer
Strömung
im Mauerwerk auftretende eiekt,ro-kinetis,che Energie benutzt.
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Das Verfahren, als passive Elektro-Osmose bezeichnet,, hat entscheidende
Mängel: Zunjchst ist kein preiswertes Metall bekannt, das nicht in kürzester Zeit
in aggressiver Umgebung korrodieren würde. Sobald aber Korrosion einsetzt, veränderen
sich die ohnehin kritischen Übergangswiderstände an den Elektroden.^ Weiter bestehen
bei jeder Korrosion elelttrochemische Potential le, die die ursprünglichen Verhältnisse
im Mauerwerk radikal verändern können. Weiter ist zu erwarten, daß'an beliebigen,
nicht-homogenenX porösen Feststoffen, gleichviel ob es sich um Mauern, um Erdreich
oder um andere Feststoffc handeit, ziemlich unterschiedliche Eigenpotentiale auftreten,
~die nicht nur von Meßpunkt zu Meßpunkt differieren, sondern sich auch über einen
Beobachtungszeitraum stark ändern. Ferner tret~en-in der Umgebung von Mauern bzw.
Häusern und an diesen sehr oft vagabundierende Ströme teils großer Stärke auf -
man denke an Bauten, die in der Nähe von Straßenbahnen stehen, - welche di-e Eigenpo*entiale
der porösen Feststoff stark beeinflussen können. Aber bereits harmlose Leckströme
aus der Haus installation oder elektrochemische Vorgänge innerhalb der Hausmauern
bewirken Veränderungen an den internen Potentialen der Feststoffe.
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So ist es nicht verwunderlich, wenn das genannte Verfahren teilweise
brauchbare, meistens aber schlechte Ergebnisse liefert'.
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Eine Variante des vorstehenden Verfahrens ist das sog. Engelsdorfer
Verfahren, bei dem die untere Ebene der Elektroden aus Aluminium-Stäben besteht.
Dadurch wird die elektrische Wirkung infolge des elektrochemischen Potentials zwischen
Aluminium und anderen Metallen (bei Eisen ca. 1,18-V) zwar erhöht1 aber es kommt
zu einem besonders rapiden Abbau der Elektroden. Die Anwendung des Engelsdorfer
Verfahrens wurde in etlichen Ländern zwischenzeitlich von den Behörden untersagt.
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Die DOS 1.944 435 ist offenbar auf die vorstehenden Nachteile des
Verfahrens nach DOS 1.926 318 gerichtet und' schlagt vor die
metallischen
Elektroden in einen Mörtel mit Zusetzen der betreffenden Metalle einzubetten. Damit
ist das Problem der Korrosion natürlich nicht behoben, allenfalls in der Auswirkung
etwas gemildert, da die Elektroden nach wie vor metallisch sind und in aggressiver
Umgebung liegen. Angeblich soll die Lebensdauer der Elektroden somit auf lo bis
20 Jahre erhöht werden.
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Die Fachliteratur hingegen berichtet von Bepielen, wo schon innerhalb
weniger Monate eine hochgradige Korrosion beobachtet worden ist.
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Aus der DOS 1.759 891 ist ein Verfahren bekannt1 das mit einer Fremdspannung
arbeitet. Es ist ferner auf spezielle Elektroden gerichtet die aus Zementmischungen
bestehen, welche mit Graphit bzw. mit Kupferverbindungen angereichert sind. Diese
Elektroden sind teilweise hohl ausgebildet und enthalten, metallische Leiter aus
Kupfer1 Stahl oder Aluminium.
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Es dürfte einleuchten, daß auch hier Korrosion zu erwarten ist, daß
teilweise die chemischen Reaktionen, z.B. an der Elektrode mit Supfersulphat-Beimischungen,
sogar heftiger ausfallen als bei den sogenannten passiven Verfahren. Vor allem läßt
aber die Kennzeichnung des Verfahrens nach stark variablen Größen, - wie z.B. den
spezifischen Widerstand der Mauer, ihrem Gesamtwiderstand, die Menge des abgefiihrten
Wassers oder der osmotische Wert der Mauer - den Schluß zu, daß die Einstellung
von richtigen Verfahrensdaten weitgehend Zufallssache ist, - was die Praxis übrigens
bestätigt. Die einschliigige Fachliteratur sagt jedenfalls klar aus, daß sich der
Widerstand von porösen Feststoffen, wie Mauerwerken, sich jeder eindeutigen Ermittlung
entzieht. Gleiches gilt für die Menge des abgeführten Wassers, die letztendlich
Null werden kann. oder der osmotische Wert einer Mauer, der offenbar mit zunehmender
Trockenlegung und somit steigender Salzsättigung der Restfeuchtigkeit ansteigen
muß.
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Dem Problem der Elektroden-Korrosion geht die DOS 1.904 223 nach.
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Hier wird eine sog. aktive Elektro-Osmose beschrieben, bei der eine
Schicht aus graphithaltiger Farbe als Elektrode dient, welche in eine Mauernut gestrichen
wird. Diese Farbelektrode ist
über einen parallel-verlegten Zuieitungsdraht
mit einer Span nungsquelle verbunden. Die Maucriiut kann ferner mit leitfähigem
Mörtel gefüllt werden.
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Das Verfahren ist aufwendig, der Widerstand der Graphitschicht zwangsläufig
hoch, der Zuleitungsdraht, weil er außerhalb der Graphitschicht liegt, wiederum
korrosionsgefährdet.
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Vor allem führt das Problem der Rißbildung in der Gra#hitschicht sehr
bald zum teilweisen Ausfall der Anlage, die damit unwirksam wird.
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Schließlich ist ein Verfahren ~nach der DOS 1.459 998 bekannt, welches
mit Kohlestäben als Pluselektrode und Kupferstäben als Minuselektrode arbeitet und
bei dem eine Fremdspannung angelegt wird.
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Abgesehen-davonU daß wiederum auflfendige Stemm- und Fräsarbeiten
am Mauerwerk erforderlich sind, - die namentlich bei älteren Gebäuden bereits eine
Gefahr an sich darstellen, - weist das Verfahren etliche grundsätzliche Nachteile
auf.
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Wie die einschlägige Fachliteratur nachweist' sind die Übergangswiderstände
zwischen Elektroden und Mauerwerk von entscheidender Bedeutung. Die Kupferelektrode
aber wird in kürzester Zeit von den Salzen des Mauerwerks angegriffen und korrodiert.
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Es ist aber bekannt, daß die entstehenden Kupferverbindungen den Übergangswiderstand
um Zehnerpotenizen erhöhen können.
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Weiter wird in der DOS 1.459 998 bereits eingeräumt, daß die vorgeschlagenen
Kohlestäbe, die als positive Elektroden dienen, sehr zerbrechlich sind. Diese Bruchgefahr
besteht nicht nur beim Einbau von Elektroden. Sie ist noch größer beim Verschliessen
der Mauerschlitze. Im eingebauten Zustand genügen geringe Versatzbewegungen innerhalb
des Gebäudes1 bei denen sich Mauerrisse um ca. o1 bis 015 mm veränderns um die Kohl'estäbe
zu zerbrechen. Damit werden aber die Stromkreise unterbr-ochens das Verfahren wird
wirkungslos.
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Sodann weisen Kohlestäbe relativ hohe Längswiderstände auf und können
nur in kurzen Stücken hergestellt #ind verarbci tet werden. Hier stellt sich das
Problem, daß die einzelnen Kohlese be mittels Metallmuffen verbunden werden müssen,
und daß eine parallele Zuleitung1 meist aus Kupferdraht, gelegt und in kurzen Abständen
angeschlossen werden muß. Es bilden sich weitere Korrosionsstellen, die das Verfahren
unwirksam machen.
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Generell kommt die Fachliteratur zu dem Urteil, daß die sog.
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passiven Elektro-Osmose-Verfahren wegen der meist geringen Potentiale
an und in den Feststoffen nur bedingt wirksam sein können, wobei das Problem der
Elektrodenkorrosion erschwerend hinzukommt, daß passive Verfahren mit verschiedenen
Metallelektroden generell abzulehnen sind1 weil bei aktiven Verfahren, welche mit
Fremdspannung arbeiten die Gefahr von Korrosion, elektro-chemischen und elektrolytischen
Vorgängen erhöht vorliegt. In ungünstigen Fällen kann es daher bei aktiven Verfahren
sogar zur Zersetzung von Wasser und Knallgasbildung kommen; Gleichartige Überlegungen
können auch auf den Stand der Technik hinsichtlich der Anwendungsbeispiele i und
2 angestellt werden, auf die deshalb nicht näher eingegangen werden muß.
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Aufgrund der vorstehend beschriebenen Probleme stellt sich für die
vorliegende Erfindung eine Art Mehrfachaufgabe: A. Es soll ein universell anwendbares
Verfahren gefunden werden, das es ermöglicht, mittels eines vorhandenen Eigenpotentials
oder einer angelegten Fremdspannung die kapillaren und osmotischen Vorgänge in und
an porösen Feststoffen je nach Bedarf intensivierend, dämpfend oder auch umkehrend
zu beeinflussen.
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B. Das Verfahren muß derart eigenstabil sein, daß es den Ein-Satz
von selbst-regelnden Stromquellen gestattet, das heißt, alle kritischen Teile der
Verfahrenseinrichtung müssen chemisch, elektrochemisch, elektrolytisch und biologisch
inert bzw. passiv sein.
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C. Es sollen Elektroden gefunden werden, die chemisch, elektrochemisch,
elektrolytisch und biologisch inert bzw. passiv sowie leicht und preisgiinstig herzustellen
sind1 und die bei ihrem Einbau leicht zu handhaben, flexibel, dünn, dehnfähig und
doch zugfest sein müssen, und die letztlich als Meterware beliebiger Länge hergestellt
und eingesetzt werden können.
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Die vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zunächst
(Fig. 11) das elektrische Eigenpotential der Feststoffe (32) gegen die Flüssigkeit
(33) oder hilfsweise die unmittelbare Umgebung der Flüssigkeit, jedoch außerhalb
der genannten Feststoffe, ermittelt wird, daß weiter der genannte Feststoff etwa
in Höhe des Spiegels (34) der genannten Flüssigkeit und parallel dazu mit einer
inerten und passiven Elektrode (35) versehen wird, welche den genannten Festkörper
möglichst weit umfaßt und großflächig berührt, daß ferner oberhalb und in einiger
Entfernung von der erstgenannten, unteren Elektrode eine zweite, gleichartige Elektrode
(36) parallel zur ersten angebracht wird, daß außerdem beide Elektroden bedarfsweise
über eine Spannungsquelle (57) dergestalt angeschlossen werdenf daß die obere Elektrode
positiv gegen die untere gehalten wird für den Fall, daß der Durchsatz der natürlich
aufsteigenden Flüssigkeit (38) gebremst, unterbunden oder umgekehrt werden soll,
daß die obere Elektrode (36) aber negativ gegen die untere gehalten wird für den
Fall, daß der Durchsatz an natürlich aufsteigender Flüssigkeit oder deren Steighöhe
vergrößert werden sollen, wobei die Elektrodenspannung unter 42 Volt, möglichst
noch unterhalb der Depolarisationsspannung der aufsbigenden Flüssigkeit (38), ,vorzugsweise
bei dem 2- bis 5-fachen Wert der eingangs ermittelten Eigenpotentia]e und in
der Regel nicht höher als das lo- bis 20-fache derselben gewählt wird.
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Die erfindungsgemäße Lösung der abstrakten Aufgabe wird verständlicher,
wenn man sich den Feststoff als porösen und osmotisch wirksamen Körper vorstellt,
der auf einer mit Wasser durchfeuchteten Unterlage steht und seinerseits Wasser
aufsaugt. (Fig. 11).
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Gleichfalls kann man sich den porösen, osmotisch wirksamen Körper
als Mauerwerlc vorstellen. Ebenso ist die Vorstellung richtig, der' Feststoff sei
ein lebender-Baum oder ein räumlich ni'cht exakt abgrenzbarer Teil einer an sich
größeren Masse von Feststoff, zum Beispiel ein relativ kleiner Teil des natürlichen
Erdreiches.
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Bei einer speziellen Anwendung des erfindungsgemncn Verfahrens auf
ein Mauerwerk, bei dem infolge verschiedenster Gegebenheiten außergewöhnlich hohe
Eigenpotentiale ermittelt wurden, kann man davon ausgehen, daß bei einem Eigenpotential
des Feststoffes von ca. 500 mV und mehr die Fremdspannung (37) entfallen kann, die
untere Elektrode geerdet wird und zwischen den, Elektroden mehrere #kr;."ftige Kurzs
chlußle itungen angebracht werden mit der Maßgabe, daß der Ers-atzwiderstand aller
Kurzschlußverbindungen mindestens niedriger sein-muß als die Übergangswiderstiinde
von allen Elektroden in ihrer Gesamtheit günstigstenfalls sein können.
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Diese Lösung bietet zwar nicht die gleiche Sicherheit wie die vorstehend
genannte, da bei fortschreitendem Verfahrenserfolg die Eigenpotentiale abnehmen
und die Wirksamkeit des Verfahrens schwindet, dafür ist mit geringeren Kosten zu
rechnen, weil ein Stromversorgungsgerät entfällt.
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Kostensparend ist auch eine weitere Variante des erfindungsgemäßen
Verfahrens, bei welcher bei ausschließlichem Betrieb des Verfahrens in einer Richtung
als negative Elektrode eine solche aus weitgehend inertem Metall, vorzugsweise aus
Edelstahl, verwendet wird.
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Eine Edelstahlelektrode, vorzugsweise als Band ausgebildet hat wegen
seiner natürlichen Potentiallage zu einer neutralen Elektrode gemäß Erfindung den
Vorteil, daß ein geringes Eigenpotential besteht was auch bei Ausfall der Fremdspannung
wirksam bleibt. Zudem sind die Kosten von Edelstahl-Elektroden geringer als die
von erfindungsgemäßen Elektroden. Es, muß aber absolut sichergestellt sein, daß
die Edelstahl-Elektroden nicht positives Potential annehmen oder anderwcitig angesriffcn
werden.
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Mauerwerke großer Länge und Dicke und damit Nasse, wie sie vor allem
bei historisch wertvollen Gebtiuden oft vorliegen (Fig.
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12) rüstet man zweckm.ißigerweise mit mehreren IGlektrodensystemen,
die angenähert spiegelgleich angeordnet sind, aus, wobei vorzugsweise die äußere
untere Elektrode (39) geerdet wird (4o) und damit das Potential des Flüssigkeitsniveaus
(41) annimmt, während die obere-iußere Elektrode (42) positiv gegen die untere-äußere
gehalten wird, wobei weiter auch die untereinnere Elektrode (43) positiv gegen die
untere-äußere Elektrode (39) gehalten wird, während die obere-innere Elektrode (44)
erneut positiv gegen die untere-innere Elektrode gehalten wird.
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Mit dieser Maßnahme wird gegenüber einem Einfach-System ein homogenes
elektrisches Feld innerhalb des Mauerwerkes erzeugt, was eine größere Wirkung des
Verfahrens zur Folge hat. Diese Wirkung kann nochmals verbessert werden, indem das
Elektrodensystem der einen Seite in der liöhe versetzt angeordnet ist'zvorzugsweise,
um nicht mehr als den halben Elektrodenabstand des niedrigeren Systems mit der Maßgabe,
daß die Elektrodenpotentiale so verteilt sind, daß die am höchsten über Flüssigkeitsniveau
angeordnete Elektrode das höchste positive Potential i Betriebszustand aufweist.
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Wie aus den Beispielen 1 bis 5 zu ersehen ist, bewirkt das erfindungsgemäße
Verfahren bei umgekehrter Po]ung der Elektroden z.B. einen erhöhten Flüssigkeitsdurchsatz.
Dieser Effekt kann praktisch benutzt werden, um z.B. eine im Bau befindliche Mauer
vor dem Austrocknen zu schützend es bietet sich gleicherweise aber ein völlig anderer
Einsatzfall an. Aus grundsätzlichen Versuchen ist bekannt, daß beispielsweise das
Wachstum eines Baumes durch erhöhte Zufuhr von Nährflüssigkeit ebenso beschleunigt
werden kann wie gegebenenfalls der Ertrag. Gleichfalls ist bekannt, daß bei diesem
Wachstumsprozeß elektrische Vorgänge eine Rolle spielen. Die Erkenntnisse wurden
allerdings gemeinsam nicht genutzt, weil bislang keine chemisch und biologisch inerten
Elektroden zur Verfügung standen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann offenbar auch
bei solchen organischen Reststoffenzur Anwendung gelangen weil die erfindungsgemäßen
Elektroden den Voraussetzungen dafür gentigen.
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Die aus den Versuchen 1 bis 10 gewonnenen Erkenntnisse zeigen, das
den Elektroden eine große Bedeutung zukommt. Auch die Fachliteratur kritisiert,
daß bei vorbekannten Verfahren die Korrosion der Elektroden ein Hauptübel ist.
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Versuche haben nun ergeben, daß Elektroden aus Polytetrafluoräthylen
(PTFE), das mit leitf.ihigen korrosionsbestä.ndigen und elektrolytisch resistenten
Materialien gefüllt ist, gute elektrische Eigenschaften besitzen, aber chemisch1
elektrolytisch, elektro-chemisch und auch biologisch unbedenklich sind. Dies gilt
vor allem, wenn das PTFE mit Kohlenstoff, z.fl. Kunstkohle, Graphit oder Ruß gefüllt
ist. Es bietet sich deshalb vorzugswei se die Verwendung von sogenannten Folien-Elektroden
an,(Fig.13) welche aus zwei Folien aus PTFE bestehen, in die ein Leiter (45) eingebettet
ist. Aus der DOS 21 25 535 ist die Herstellung derartiger Folien, aus der DOS 21
25 276 die Weiterverarbeitung zu einem Laminat bekannt.
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Zweckmäßigerweise verwendet man Folienelektroden, weil diese bei relativ
geringem Materialbedarf, - der Werkstoff PTFE ist relativ teuer, - eine große Oberflache
zur Kontaktgabe bieten. Vorteilhaft ist ferner, nur eine Elektrodenseite (46) aus
leitfl;-higem Kunststoff herzustellen, ährend die andere Elektrodenseite (47) aus
ungefülltem Kunststoff bestehen kann. Die leitfiihige Seite der Folienelelctrode
wird als Kontaktseite mit dem Feststoff, z.B0 Mauerwerk, benutzt. Besonders günstig
wirkt sich eine Riefung (48) der leitfähigen Seite aus. Bei Riefen mit 6o -Flanken
vergrößert sich die kontalctfihige Oberfläche auf das Doppelte.
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Die eingebetteten Leiter (45) sorgen für eine gute Potentialverteilung.
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Natürlich können die Elektroden aus anderen Kunststoffen bestehen,
die #wahlweise mit anderen Füllstoffen versehen sind. Giinstige Eigenschaften sind
vor allem von anderen Fluor-Kohlenstoff-Poiymerisaten, wie z.B. FEP, ETFE, PCTFE
und PFA zu erwarten. Als Füllstoffe eignen sich ferner pulverisierte Edelmetalle,
insbesondere einige Edelstahl-Pulver.
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Weiter ist es durchaus möglich, die Elektroden als Rund- oder Profilstäbe
herzustellen, wobei sich die Kunststoffe der Grv pe der Olefine, der Vinyl-Verbindungen,
der polystyrole, der Polyacrylate, der Polyamide, der Polyimide, der Polyester,
der Silikone und nicht zuletzt der fluorierten synthetischen Kautschukmassen, -
z.B. Viton eignen, da praktisch in jeder Gruppe Werkstoffe zu finden sind, die durch
Füllstoffe leitfähig gemacht werden können und dabei ausreichend inert und beständig
sind. Die besten Ergebnisse aber sind ohne trage mit Folien-Elektroden aus Fluor-Kohtenstoff-Polymerisaten
zu erwarten.
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Soll das erfindungsgemäße Verfahren in nur einer Richtung und mit
einem Elektrodensystem betrieben werden, so kann die neg;ativ betriebene Elektrode
aus einem Metall, vorzugsweise aus Edelstahl, z.B. aus Bandstahl der Werkstoffe
1.4420, 1.44351 1.4571 oder 1.4573 bestehen. Dieses gilt vor allem bei der Anwendung
des erfindungsgemäßen Verfahrens für die Entfeuchtung von Gebäuden. Die Maßnahme
ist kostensparend.
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Die Menge des leitfähigen Füllstoffes, die eine Elektrode enthalten
muß, hängt primir von dem Verfahren ab, nach dem die jeweilige Elektrode hergestellt
werden soll. Thermoplastische Werkstoffe, im Extrusionsverfahren zu Elektroden verarbeitet,
erfordern ungleich höhere Mengen, z'.B. an Kunstkohle oder Graphit, verglichen mit
PTF, das im Pastenextrusionsverfahren verarbeitet wird. Generell sollte der spezifische
Widerstand nicht über 106 (Ohm ~ mm2 / m) liegen. Bei Folien aus PT sollte der Quadratwiderstand
unter io ElOhm, vorzugsweise unter 10 kOhm liegen.
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Grundsiitzlich kann man davon aussehens daß die Auswahl der geeigneten
Elektroden, - auch hinsichtlich ihrer Abmessungen, -von dem jeweiligen Anwendungsfall
abhängt, und datS das Verfahren umso reibungsloser und dauerhafter funktioniert,
je hochwertiger die Elektroden sind. Bei organischen Anwendungen oder Mehrsystem-
bzw. Umkehr-System-Anwendungen sind in der Regel PTFE-Folienelektroden mit Kohlenstoff
als Füllmasse vorzusehen.
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Beim Anbringen der leitfhigen Kunststoff-Fo#ien-6'#ektroden ist es
vorteilhaft, zwischen Folienelektroden und dem Festkörper eine leitfähige Zwischenmasse,
z.B. beim Mauerwerken graphithaltigen Zementmörtel, vorzusehen.
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Die technischen und wirtschaftlichen Vorteile des erfindungsgemäßen
Verfahrens liegen auf der Hand.
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In technischer Hinsicht werden praktisch alle Nachteile der vorbekannten
Verfahren vermieden oder beseitigt: Korrosionsgefahren für die Elektroden sind ebenso
nicht gegeben, da die metallischen Zuleitungen (45) vollkommen von den Folien umschlossen
werden und namentlich bei Fluor-Kohlenstoff-Eiektroden absolute chemische Resistenz
gewährleistet ist. Durch die Möglichkeit mit Fremdspannung zu arbeiten werden die
Imponderabilien der passiven Verfahren eliminiert. Da die Elektroden bestzindig
sind, kann mit gleichbleibenden Ub ergangswiderstiinden gerechnet werden, so daß
sich die elektrischen Verhsiltnisse nur noch in Abhängigkeit vom Verfahrensfortschritt,
z.B. Absinken einer Mauerfeuchtigkeit, ändern, so daß eine zweckdienliche Strom-
oder Spannungsstabilisation möglich wird.
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In wirtschaftlicher Hinsicht sind große Vorteile zu erzielen: Wenn
die Elektroden als Folienclektroden (Fig. 13) ausgebildet sind, entfallen die sonst
erforderlichen Stemm- und FrXisarbeiten an den Mauerwerken, können die Folienelektroden
flächig an den Feststoffen, - Mauern, Erdreich, Bäume usw. - angebracht werden.
Ihre Flexibilität erlaubt es, jeder Oberflichenform der Feststoffe zu folgen. Bei
alten Bruchsteinmauern kann man die Fugen ausschaben und die Folienelektroden hochkant
einschieben. Sogar das Ausbilden von Stichsonden (49), die in Bohrungen (50), -
in dicken Mauern (51) oder im Erdreich, - angebracht werden sollen, ist möglich,
indem man eine Folienelelctrode (52) faltet und als Leiterschleife (49)1 Leitschicht
nach außen, (Fig. 14) in die Bohrung einführt und mit Füllmaterial die Zwischenräume
ausfüllt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist bei seiner Anwendung als
bautechnische
Maßnahme in der Regel anderen, auch artfremden Maßnahmen. überlegen. Der häufigste
Prall der'Anwendung dürfte die Sanierung von Altbauten, speziell das Entfeuchten
des Mauerwerkes und das Sperren von Mauern gegen Bodennisse-seín. So-~ fern die
Bausubstanz nicht bereits generell verdorben istshtilt das erfindungsgemäße Verfahren
jedem Vergleich mit anderen-Sanierungsmaßnahmen stand. Dies sind'z.B. das stückweise
Absteigen von Grundmauern und Einfügen neuer Sperrschichten aus Bitumenpappe oder
Bleifolie, beide gleichermaßen teuer und bautechnisch bedenklich wegen des gravierenden
Eingriffs in die statischen Verhältnisse und die Festigkeit der Werkstoffe. Die
gleiche Überlegung gilt für das Ab tragen und erneute Aufbauen ganzer Teile eines
Grundmauerwerkes.
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Chemische Sanierungs-Verfahren können zwar preisgünstig sein, aber
z.B. durch Injektion chemisch aktiver Substanzen wird in der Regel die osmotische
Energie in den Feststoffen um ein Vielfaches erhöht, was wiederum den Durchsatz
von Bodenniisse begunstigt. Es sollte bedacht werden, daß in der Präsenz von chemischen
Substanzen, vor allem von Säuren und Salzen, die Ursache einer erhöhten Durchfeuchtung
und damit der lfeiteren Versalzung der Feststoffe zu sehen ist, was wiederum zu
einer Steigerung des Feuchtigkeitsdurchsatzes führt, - ein Kreislauf ohne Ende,
solange die Ursache nicht beseitigt wird.
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Trotzdem kann es sinnvoll sein das erfindungsgem.-iße Verfahren mit
flankierenden, konventionellen Maßnahmen zu kombinieren.
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So ist das Verfahren sicherlich nicht geeignet, eine zerstörte Bausubstanz
radikal zu regenerieren, obwohl als eine Folge des permanenten, wenn auch geringen
Stromflusses zwischen den Elelctroden eine Verfestigung der Feststoffe erwartet
werden kann.
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Aus dem Vorstehenden folgt, daß es unter bestimmten Voraussetzungen
sinnvoll sein kann, z.B. das erfindungsgemäße Verfahren anzuwenden und gleichzeitig
zerstörte Bausubstanz zu erneuern.
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Gleichfalls kann es nützlich sein, bei Neubauten den Einbau eines
Sperrsystems nach dem erfindungsgemnßen Verfahren gleich vorzusehen, um bereits
den Ansatz des Wechselspiels zwischen
Durchsatz von Bodennässe
und Ansammlung von osmotisch wirksamen Substanzen, welche im Grundwasser gelost
sind, zu vereiteln.
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Die Entscheidung über die zu ergreifenden Maßnalimen kann nur nach
den jeweiligen örtlichen Gegebenheiten getroffen werden.
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Artfremde Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in einer
gesonderten Anmeldung verfolgt.