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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für den kathodischen Schutz,
das insbesondere, aber nicht ausschließlich für die Verwendung von Stahlbeton
und für
eine Anodenkonstruktion für
die Verwendung mit einem Verfahren des kathodischen Schutzes eingerichtet
ist.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Kathodischer
Schutz von Stahlelementen, die zumindest teilweise in eine sie umgebende Schicht
eingebettet sind, ist gut bekannt. Dieser wird in erster Linie für den Schutz
großer
Konstruktionen wie Pipelines oder Bohrgestellen in einer korrosiven Umgebung
verwendet. Dennoch sind Vorschläge
für den
kathodischen Schutz von Verstärkungselementen
in Betonkonstruktionen gemacht worden, mit denen die Wirkung des
kathodischen Schutzes viel stärker örtlich begrenzt
ist und die nicht zum Schützen der
Stahlverstärkung
als Ganzes dienen.
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Es
ist auch bekannt, dass die Korrosion von Stahl in Beton durch das
Erzeugen einer Ionenwanderung innerhalb der Betonkonstruktion zwischen
einer Anode und einer Kathode verringert oder angehalten werden
kann, die durch die konventionellen Metallverstärkungselemente innerhalb des
Betons bestimmt wird. Es stehen Techniken für den kathodischen Schutz zur
Verfügung,
bei denen ein ausreichender elektrischer Strom erzeugt wird, um
einen andauernden Schutz aufrecht zu erhalten und für die Instandsetzung,
bei der der elektrische Strom für
eine relativ kurze Zeit, aber bei einem ausreichenden Wert eingesetzt
wird, um Wirkungen der Instandsetzung zu veranlassen.
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Es
können
verschiedene Wirkungen der Instandsetzung erhalten werden einschließlich im
besonderen der Extraktion von Chlorid-Ionen aus dem Beton, die sonst
Korrosion der Metallverstärkung
bewirken würden,
die zur Schwächung
der Konstruktion und zum Absplittern von Beton führen, der die Verstärkungselemente
bedeckt. Bei diesem Verfahren wird ein Elektrolyt in einem porösen Material
zwischen der äußeren Oberfläche des
Betons und der Anode getragen.
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Beispiele
dieses Verfahrens werden gezeigt und im Detail in der Broschüre „Is Salt
Induced Corrosion Causing Problems with your Concrete Structures" von Norcu re Chloride
Removal Systems Inc. beschrieben, in einer Broschüre „The Concrete
Restoration and Protection Specialists" von Vector Construction und in einer
Broschüre „Norcure
Desalination" von
Fosroc/NOTAS. Diese Broschüren
beschreiben eine Technik, die für
verschiedene Betonkonstruktionen einschließlich Brückenüberbauten eingesetzt wird,
und die Broschüre
von Fosroc zeigt insbesondere eine Technik, in der ein Brückenüberbau unter
Verwendung dieses anodischen Verfahrens instand gesetzt wird.
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In
der Broschüre
und wie allgemein in der Praxis verwendet, nachdem die Betonoberfläche durch
Entfernen von abdeckenden Schichten freigelegt ist, wird ein poröses Material
auf die obere Oberfläche
niedergebracht, und dieses nimmt einen Elektrolyten auf. Das poröse Material
wird dann mit einer netzartigen Elektrode in Form eines Drahtnetzwerkes bedeckt,
das dann mit einer weiteren Lage des porösen Materials bedeckt wird.
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Eine
elektrische Stromversorgung ist zwischen der Netzanode und dem Verstärkungsstahl des
Betons angeschlossen, und über
einen ausgedehnten Zeitraum von vielen Wochen bewirkt dies, den
Ionentransfer vom Beton durch den Elektrolyten zu verursachen, um
eine instandsetzende Wirkung bereitzustellen.
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Die
vermehrte Verwendung von Salz als Enteisungsmittel unter den Bedingungen
des Gefrierens hat das Problem der Schwächung von Betonkonstruktionen
durch Chlorid in Gebieten mit einem Klima ernsthaft verschlimmert,
wo die Bedingungen des Gefrierens erwartet werden können. Ebenso
kann die Anwesenheit von Salz in einer Umgebung des Meeres eine ähnliche
Schwächung
erzeugen.
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Die
Instandsetzung von Beton unter Verwendung temporären elektrischen Stroms ist
ein Verfahren, das gänzlich
unterschiedlich ist zu einem mit einem vorgegeben elektrischen Strom
zum kathodischen Schutz. Bei letzterem Verfahren wird ein geringer
elektrischer Strom typischerweise in der Größenordnung von 1–10 mA·s/m2 herbeigeführt, um kontinuierlich über die
Lebensdauer des Betons zum Zwecke der Korrosionsinhibierung zu fließen.
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Der
im Instandsetzungsverfahren verwendete elektrische Strom ist strikt
temporär
für einen
Zeitraum in der Größenordnung
von 20 bis 90 Tagen und hat einen Wert, der in der Größenordnung
um den Faktor 50 bis 200 kleiner als der des an dauernden elektrischen
Stroms ist. Daher kann der elektrische Strom in dem Instandsetzungsverfahren
in dem Bereich von 0,4 bis 3 A·s/m2 liegen. Außerdem muss das Instandsetzungsverfahren
einen flüssigen
Elektrolyten enthalten, wogegen das andauernde Verfahren typischerweise
trocken verläuft.
Daher sind die eingesetzten Typen der Anode und der Werkstoffe von
einem gänzlich
unterschiedlichen Charakter.
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In
der publizierten PCT-Anmeldung WO 94/29496 von Aston Material Services
Limited wird ein Verfahren für
kathodisch zu schützende
Verstärkungselemente
in Beton unter Verwendung einer Opferanode wie solchen aus Zink
oder Zinklegierung bereitgestellt. In dieser publizierten Anmeldung
und in dem kommerziell erhältlichen
Produkt, das von der Anmeldung herrührt, wird ein Anodenkörper in
Form einer Scheibe bereitgestellt, der einen hieran befestigten
Anschlussdraht aufweist. In dem kommerziell erhältlichen Produkt sind tatsächlich zwei
derartige Drähte
an diametral gegenüber
liegenden Stellen auf der Scheibe angeordnet und erstrecken sich
von dort nach außen
als flexibler Anschlussdraht zur Befestigung an dem freigelegten
Stahlverstärkungselement.
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Die
Scheibe ist von einem einkapselnden Material wie Mörtel umgeben,
das einen Elektrolyten enthält,
der die Wirkung der Anode aufrechterhalten wird. Der Mörtel ist
mit dem Beton verträglich,
so dass der elektrolytische Vorgang durch den Mörtel hinein und durch den Beton
zwischen der Anode und dem Stahlverstärkungselement auftreten kann.
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Das
Hauptmerkmal der publizierten Anmeldung bezieht sich auf die Aufnahme
einer Komponente in den Mörtel,
wobei die Komponente den pH-Wert des Elektrolyten in dem die Anode
umgebenden Bereich in einem hohen Niveau in der Größenordnung
von 12 bis 14 halten wird.
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Bei
Verwendung der Vorrichtung ist eine Reihe von Anoden vorgesehen,
wobei die Anoden an Stellen auf Abstand mit den Verstärkungselementen verbunden
sind. Die Befestigung durch den Anschlussdraht ist eine einfaches
Wickeln von Draht um den Verstärkungsstab.
Die Anoden werden an Stellen angrenzend zu den Verstärkungsstäben platziert und
wieder mit Beton in dem erforderlichen Umfang bedeckt.
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Allgemein
wird dieses Schutzsystem verwendet für Betonkonstruktionen, bei
denen es für mehrere
Jahre eingesetzt wird, was bis zum Beginn der Korrosion ausreichend
ist. Im allgemeinen werden geschädigte
Bereiche, die der Instandsetzung bedürfen, ausgehöhlt, um
die Verstärkungsstäbe freizulegen,
worauf die Schutzvorrichtungen in der Form der mit Mörtel bedeckten
Scheibe in den Beton wie oben beschrieben eingesetzt werden und
wobei wieder mit Beton aufgefüllt
wird.
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Diese
Vorrichtungen beginnen, einigen kommerziellen Erfolg zu erlangen
und sing gegenwärtig in
Instandsetzungsverfahren eingesetzt. Dennoch sind Verbesserungen
in der Arbeitsweise und Ergonomie erforderlich, um den Erfolg dieses
Produktes auf dem Gebiet zu verbessern.
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In
der Internationalen Publikation WO 98/16670 D2 von Bennett und Clear
wird ein anderes kathodisches Schutzsystem offengelegt, das zur
Verwendung als eine Oberflächenanordnung
vorgesehen ist. Diese Anordnung bezieht sich auf dünn aufgesprühtes Zink
oder Zinklegierung, die auf die Oberfläche des Betons aufgebracht
ist. Dieses Zink oder diese Zinkbeschichtung wird dann als eine
Anode verwendet, um elektrischen Strom für das kathodische Schutzverfahren
bereitzustellen. Da die Anode an der Oberfläche freigelegt ist, kann diese
entweder als Opfersystem, bei dem kein elektrischer Strom eingesetzt
wird und die Anode graduell korrodiert wird, oder als kathodisches
Schutzsystem mit einem vorgegebenen elektrischen Strom verwendet
werden.
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Die
Verbesserung der oben beschriebenen Bennett Anmeldung bezieht sich
auf die Anwendung eines Befeuchtungsmittels in frei fließender Form, das
bei oder nahe der Oberfläche
zwischen der Zinkanodenbeschichtung und der Betonoberfläche positioniert
wird. Es wurde gefunden und wird in der Anmeldung offengelegt, dass
die Bereitstellung des Befeuchtungsmittels in frei fließender Form
beiträgt, Feuchtigkeit
von dem Bereich oberhalb der Oberfläche zu absorbieren. Das Befeuchtungsmittel
ist in der Anmeldung definiert als entweder zerfließend oder hygroskopisch,
wobei ein zerfließendes
Material eines ist, das, nachdem es der feuchten Luft ausgesetzt
ist, feucht oder flüssig
wird, und wobei ein hygroskopisches Material als eines definiert
wird, das in der Lage ist, Feuchtigkeit aus der Atmosphäre zu absorbieren.
Das Befeuchtungsmittel wird zur oder in die Nähe der Grenzfläche der
Anode eingebracht durch Anwendung als eine Lösung, die wässerig, kolloidal oder in einem organischen
Lösemittel
wie Alkohol ist. Wenn das Befeuchtungsmittel in Lösung auf die
Oberfläche
der Anode aufgebracht wird, wird es zur oder in die Nähe der Grenzfläche durch
Kapillarwirkung transportiert. In der Anmeldung wird angeführt, dass
das Befeuchtungsmittel auf die freigelegte Oberfläche der
Anodenbeschichtung appliziert wird, und deswegen muss die Anodenbeschichtung
ausreichend dünn
oder in anderer Weise angeordnet sein, um porös zu sein, um dem Befeuchtungsmittel zu
ermöglichen,
die Grenzfläche
zu erreichen.
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Das
Patent
US 4,265,725 (Tatum),
das auf CE Equipment übertragen
und am 5. Mai 1981 ausgegeben ist, legt eine Anordnung offen für die Fertigung
einer starren Verbindung zwischen einer Anode und einem elektrischen
Verbindungselement dafür.
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Das
Patent
US 5,609,748 (Kotowski),
das auf Heraeus Elektroden übertragen
und am 11. März 1997
ausgegeben ist, legt eine Anodenanordnung offen, die innerhalb einer
Betonkonstruktion verborgen werden soll, um kathodischen Schutz
zu ermöglichen.
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Das
Patent
US 5,431,795 (Moreland),
das auf Thoro Systems Products übertragen
und am 11. Juli 1995 ausgegeben ist, legt ein kathodisches Schutzsystem
offen, das einen alkalischen Puffer verwendet, um den Aufbau von
Säure zu
verhindern für
die Verwendung mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung auf einer
Betonkonstruktion.
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Das
Patent
US 5,292,411 (Bartholomew)
legt eine Anode offen, die auf ihrer Oberfläche ein Hydrogel aufweisendes
Material trägt,
das deswegen primär
Wasser enthält.
Es wird angeführt,
dass das Hydrogel enthaltende Material Salze enthält (das
einige derselben Salze einschließt, die – wie jetzt beschrieben wird – als Befeuchtungsmaterial
in der vorliegenden Anmeldung wirken). Dennoch wird in diesem Patent
nicht vorgeschlagen, dass diese in einer Weise wie ein Befeuchtungsmaterial
wirken, und die Tatsache, dass diese innerhalb eines wässerigen
Hydrogels anwesend sind, würde
ihre Wirkung als ein Befeuchtungsmaterial verhindern, das zusätzliche Feuchtigkeit
absorbieren soll. Daher ist die Verwendung von Hydrogel aus Sicht
eines potenziellen Schadens durch Gefrieren/Tauen sehr nachteilig.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist deswegen eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes
Verfahren für
kathodischen Schutz bereitzustellen.
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Entsprechend
einem ersten Aspekt der Erfindung wird das Verfahren durch die Schritte
charakterisiert, bei dem Material, das in den Anodenkörper hinein
gebunden ist oder hinein gebunden ist in ein Material, das den Anodenkörper umgibt,
die Kennzeichen der Befeuchtung und die Anwesenheit des Befeuchtungsmaterial
zusätzliche
Feuchtigkeit ausreichend zu absorbieren, um eine Leitfähigkeit
an der Grenzfläche
in einem höheren
Niveau als es in Abwesenheit des Befeuchtungsmaterials auftreten
würde.
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Vorzugsweise
wird das Befeuchtungsmaterial in einer Weise getragen, die einer
Oberfläche
des Materials des Anodenkörpers
erlaubt, mit Ionen in Verbindung zu stehen, und die das Befeuchtungsmaterial
an der Oberfläche
des Anodenkörpers
vorstellt.
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Das
Befeuchtungsmaterial ist ein Beispiel nur eines erhöhenden Materials,
das eine Verstärkung
der Ionenwanderung über
einen ausgedehnten Zeitraum bewirken werden wird. Dies kann das
Alkali einschließen,
muss aber nicht auf das Alkali beschränkt sein, das im Folgenden
detaillierter beschrieben wird.
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In
einer Alternative trägt
der Anodenkörper selber
das Befeuchtungsmaterial, das in den Anodenkörper hinein eingebracht wird.
Die Einbringung kann mit einem Gemisch mit Zink oder einem anderen
Opfermaterial bewirkt werden, wie es in geschmolzener Form gegossen
ist. Andererseits kann das Material durch Techniken eingebracht
werden wie durch feines Zerteilen des Material der Anode und des
Befeuchtungsmittels oder eines andere erhöhenden Materials und durch
Vermischen der zerteilten Materialien in einen fest eingebauten
Körper durch
Sintern oder Druck oder ein anderes geeignetes Verfahren. Außerdem kann
darüber
hinaus das erhöhende
Material mit dem Anodenmaterial durch Falten oder Rollen des Materials
in eine Folie des Anodenmaterials eingekapselt werden. Die Mischung wird
so bewirkt, dass der obige Zustand auf die fertig gestellte Oberfläche des
Anodenkörpers
angewandt wird.
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In
einer anderen Alternative umfasst der Anodenkörper einen Kernkörper aus
einem Opfermaterial und eine permanent auf wenigstens einer äußeren Oberfläche des
Kernkörpers
befestigte Schicht, die folglich ein Anodenelement getrennt von
dem bedeckenden Material für
das Einbetten in das bedeckende Material definiert, wobei die Schicht
angeordnet wird, um die Ionenwanderung durch das bedeckende Material
zwischen dem Kernkörper
des Anodenelements und dem Stahlelement zu ermöglichen, und wobei das zerfließende Material
in die Schicht hinein als eine Mischung damit gebunden ist. Vorzugsweise
ist die Schicht ein Festkörper
wie ein Zementartiges Material, das an der Außenseite des Opferanodenkörpers angegossen
wird.
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Vorzugsweise
ist der Anodenkörper
in dem bedeckenden Material so verborgen, um darin vollständig eingebettet
zu sein.
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Vorzugsweise
ist das zerfließende
Material ein Feststoff.
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Vorzugsweise
schließt
das Verfahren die Schritte ein, wenigstens ein Loch in der bedeckenden Schicht
zu bilden, vorzugsweise durch Bohren, weil nur ein relativ kleines
Loch notwendig ist, um das Stahlelement darin freizulegen, den Anodenkörper in das
Loch einzuführen,
den Anodenkörper
mit dem Stahlelement zu befestigen und das Loch wenigstens teilweise
zu füllen.
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In
noch einer weiteren Alternative schließt das Verfahren die Schritte
ein, wenigstens ein Loch in einer bestehenden Schicht des bedeckenden
Materials zu bilden, um das Element darin freizulegen, den Anodenkörper in
das Loch oder in eines der Löcher einzuführen, den
Anodenkörper
mit dem Stahlelement in dem Loch oder in einem anderen Loch elektrisch
zu verbinden und teilweise das Loch mit einem Füllmaterial gesondert vom Anodenkörper und
wobei das zerfließende
Material in dem Füllmaterial
enthalten ist als eine Mischung damit.
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Vorzugsweise
schließt
das Verfahren ein, ein Material bereitzustellen, das in den Anodenkörper eingebunden
ist, so als ob es dadurch getragen wird oder das in das Material
hinein eingebunden ist, das den Anodenkörper umgibt, so als ob es dadurch
getragen wird, das wenigstens an der Oberfläche des Anodenkörpers einen
pH-Wert größer als
12 und vorzugsweise größer als
14 bereitstellt.
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Vorzugsweise
ist der Anodenkörper
elektrisch mit dem Stahlelement durch einen festen Stift starr mit
dem Stahlelement verbunden.
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In
einer Alternative hat der Stift ein Ende, das in das Stahlelement
durch ein Schlagwerkzeug getrieben wurde.
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In
einer anderen Alternative hat der Stift ein Ende, das elektrisch
an das Stahlelement angeschweißt
wurde.
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In
noch einer anderen Alternative ist das Anodenelement elektrisch
mit dem Verstärkungselement
durch ein Verbindungselement verbunden, das ein fließfähiges Metallteil
an dem Anodenelement durch Schlag darauf befestigt hat.
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Vorzugsweise
umfasst das besagte wenigstens eine Loch ein erstes und ein zweites
Loch, wobei das Anodenelement in das erste Loch eingeführt ist
und wobei das zweite Loch mit dem Stahlelement in Kontakt steht
und wobei eine elektrische Verbindung vom Anodenelement starr mit
dem Stahlelement im zweiten Loch befestigt ist.
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Nach
einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Kombination bereitgestellt,
die umfasst:
ein Beton oder Mörtel bedeckendes Material;
ein
Stahlelement, das wenigstens teilweise in dem Beton oder Mörtel bedeckenden
Material eingebettet ist;
und ein Anodenelement für die Verwendung
zum kathodischen Schutz des Stahlelements, das wenigstens teilweise
in dem bedeckenden Material eingebettet ist, wobei das Anodenelement
umfasst:
einen festen Anodenkörper, der aus Opferanodenmaterial
gebildet ist;
ein elektronisches Verbindungselement für die elektrische
Verbindung des Anodenmaterials mit dem Stahlelement, wodurch ein
elektrisches Potenzial zwischen dem Anodenelement und dem Stahlelement
einen elektrischen Strom bewirkt, der dazwischen durch die elektrische
Verbindung fließt,
und einen Ionenfluss durch eine Grenzfläche des Anodenmaterials mit
dem bedeckenden Material und durch das bedeckende Material, um die
Korrosion des Stahlelements zu inhibieren;
und ein Ionen-leitfähiges Material,
um die anodische Aktivität
zu erhöhen,
dadurch
gekennzeichnet, dass das Anodenelement so angeordnet ist, an einer
Stelle im bedeckenden Material installiert zu werden und dass das
das Ionen-leitfähige
MaBefeuchtungsmittel umfasst, um die terial ein Oberfläche des
Anodenkörpers
elektrochemisch aktiv zu halten und/oder ein Alkali beigefügt ist, um
den pH-Wert an der Grenzfläche
zwischen dem Anodenmaterial und dem bedeckenden Material auf ein
Niveau größer als
12 anzuheben, wobei das Ionen-leitfähige Material in dem Opferanodenmaterial des
festen Anodenkörpers
eingebunden ist, so um dadurch getragen zu werden, da das Anodenelement an
der Stelle im bedeckenden Material installiert ist.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung wird jetzt in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen
beschrieben, wobei:
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1 ist
eine Ansicht des Querschnitts, die schematisch ein Verfahren zur
Instandsetzung von Beton nach der vorliegenden Erfindung zeigt.
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2 ist
eine Ansicht des Querschnitts in rechten Winkeln zu der der 1.
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3 ist
eine Draufsicht auf die Ausführungsform
der 1 und 2.
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Die 4, 5 und 6 sind
Ansichten der senkrechten Querschnitte, die aufeinander folgende
Schritte in einem Verfahren ähnlich
zu, aber modifiziert bezogen auf das der 1 zeigen.
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7 ist
eine Draufsicht der Ausführungsform
der 4, 5 und 6.
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Die 8, 9 und 10 sind
Ansichten der senkrechten Querschnitte, die drei weitere Verfahren ähnlich zu,
aber modifiziert bezogen auf das der 1 zeigen.
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11 ist
eine Darstellung von Kurven, die den von einem Anodensystem entwickelten
elektrischen Strom unter Verwendung von verschiedenen Komponenten
in dem Füllmaterial
zeigt.
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12 ist
eine Ansicht des senkrechten Querschnitts, die ein weiteres Verfahren ähnlich zu, aber
modifiziert bezogen auf das der 1 zeigt.
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13 ist
eine Ansicht des senkrechten Querschnitts, die eine weitere Anodenkörperkonstruktion ähnlich zu,
aber modifiziert bezogen auf die der 1 zeigt.
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BESCHREIBUNG
IM DETAIL
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In
den 1, 2 und 3 wird eine
erste Ausführungsform
von einer verbesserten kathodischen Schutzvorrichtung entsprechend
der vorliegenden Erfindung gezeigt.
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Die
Vorrichtung ist von einer ähnlichen
Konstruktion wie in der oben genannten Anmeldung WO 94/29496 gezeigt,
zu der ein weiterer Bezug für
weitere Details gemacht werden kann.
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Daher
ist die kathodische Schutzvorrichtung für die Verwendung in einer Betonkonstruktion
eingerichtet, die allgemein mit 10 bezeichnet wird, die
einen Verstärkungsstab 11 aufweist,
der innerhalb von Beton und in Abstand gehalten zur oberen Oberfläche 14 des
Betons eingebettet ist. Die vorliegende Erfindung befasst sich primär mit dem
Schutz von Verstärkungsstäben, die
in einer Betonschicht verborgen sind, kann aber auch in vorteilhafter
Weise mit anderen Stahlelementen in dem Beton verwendet werden wie
mit Trägern
für Befestigungen,
die teilweise mit einer Oberfläche
oder einem Teil verborgen sind und über den Beton hinaus freigelegt
sind, um die Befestigung aufzunehmen. Daher betrifft die vorliegende
Erfindung primär
Betonkonstruktionen, aber einige Aspekte wie die Anodenkonstruktion
kann ebenso in anderen Situationen verwendet werden, wo ein Stahlelement
innerhalb einer bedeckenden Schicht verborgen ist. Die folgende
Beschreibung ist auf die primäre
Verwendung gerichtet, aber nicht allein auf die Verwendung mit Betonkonstruktionen.
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Eingebettet
innerhalb des Betons an einer Stelle, die an den Verstärkungsstab 11 angrenzt,
ist eine kathodische Schutzvorrichtung, die allgemein mit 15 bezeichnet
wird und die einen scheibenförmigen
Anodenkörper 16 einschließt. Der
Körper 16 ist in
der Draufsicht vorzugsweise kreisförmig, um eine kreisförmige obere
Oberfläche 18 wie
in 3 gezeigt zu definieren, und hat eine zylindrische
Randfläche 17 wie
in 1 gezeigt. Es können andere Formen der Anodenkörper vorgesehen
werden, falls bevorzugt, aber die Scheibe ist eine günstige Form,
da sie relativ flach ist, um ein Einfügen in den Betonkörper zu
ermöglichen,
und es ist ein ausreichendes Volumen des Anodenmaterials vorgesehen,
um eine schnelle Entleerung zu vermeiden.
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An
diametral gegenüber
liegenden Stellen der Randfläche 17 ist
ein Paar Anschlussdrähte 19 und 20 befestigt,
die flexibel, aber ausreichend starr sind, um selbsttragend zu sein.
Irgendein geeignetes elektrisch leitfähiges Material wie Kupfer oder
am meisten bevorzugt Stahl kann verwendet werden.
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Um
den Anodenkörper
herum ist eine Schicht aus einem Mörtel 21 vorgesehen.
In der Praxis ist der Mörtel
um eine Scheibe herum geformt, um so eine Dicke des Mörtels um
die gesamte Peripherie und auf der oberen und der unteren Oberfläche der Scheibe
mit der Dicke in der Größenordnung
von 1 cm zu bilden. Die Drähte 19 und 20 sind
mit dem Anodenmaterial elektrisch verbunden und erstrecken sich
durch den Mörtel.
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Der
Mörtel
formt einen Elektrolyten, der in inniger Verbindung mit der Betonschicht
steht, so dass die Ionen zwischen der Anode und der Stahlverstärkung wandern
können.
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Der
Mörtel
enthält
und trägt
auch geeignete Materialien, um den pH-Wert oberhalb 12 wie in der oben
genannten Anmeldung beschrieben zu halten, und bevorzugt oberhalb
14 (der bevorzugte Wert liegt näherungsweise
bei 14,5). Wie in der Anmeldung oben beschrieben ist, kann Portlandzement
von intrinsisch hohem Alkaligehalt (z.B. solche, die relativ hohe
Anteile an Na2O und K2O
enthalten) oder können
andere Zemente mit ergänzenden
Alkali-Gehalten z.B. in der Form von LiOH, NaOH oder KOH verwendet
werden. Diese Materialien werden in den Mörtel gemischt, bevor er auf
den Anodenkörper
gegossen wird.
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Zusätzlich zu
den oben genannten Materialien wird auch ein Befeuchtungsmittel
oder ein zerfließendes
Material in den Mörtel
eingebracht. Geeignete Materialien schließen CaCl2,
LiNO3, LiCl, MgCl2, Ca(SO4)2 und viele andere,
dem Fachmann gut bekannte ein. Solche zerfließenden Materialien sind basisch
in fester oder pulveriger Form, können aber aufgelöst werden,
um eine wässerige
Lösung
zu bilden. Wenn sie in den Mörtel
eingebracht werden, kann das Material in Pulverform mit dem Zement
in den erforderlichen Anteilen vermischt werden, und es kann in
konventioneller Weise Wasser zugemischt werden. Alternativ kann
das Material in wässeriger
Lösung
zugeführt
werden, wo ein Teil oder das gesamte Wasser in der wässerigen
Lösung
bereitgestellt wird. Dennoch, wenn es zugemischt ist und der Mörtel sich verfestigt,
wird das zerfließende
Material fest im Mörtel
gebunden, wobei die verbleibenden Materialien oberhalb weiter verfestigen.
Andere geeignete zerfließende
Materialien werden in der oben genannten Anmeldung angeführt, zu
denen Bezug genommen wird. In allen Fällen wird das befeuchtende
oder zerfließende
Material deswegen eingeführt
in oder in das umgebende Füllmaterial
hinein gebunden und ist nicht in einem frei fließenden oder flüssigen Zustand. Es
kann daher nicht in der Betonschicht wandern und verbleibt am Platz
im Füllmaterial.
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Das
Füllmaterial
ist vorzugsweise ein Festkörper,
so dass es die Anode enthalten kann oder sie ohne Gefahr, vom Ort
entfernt zu werden, während des
Verfahrens halten kann. Dennoch können Gele und Pasten ebenso
verwendet werden. Das Füllmaterial
ist vorzugsweise relativ porös,
so dass es sich in geeigneter Weise an die Ausdehnung des Anodenmaterials
während
der Oxidation (Korrosion) der Anode anpassen kann. Dennoch sollten
Hohlräume,
die sich mit Wasser füllen
könnten,
vermieden werden. Ein bedeckendes Gewebe wie z.B. Filz kann ebenso verwendet
werden, um die zusätzlichen
Materialien zu tragen, denen es ermöglicht wird, in den Gewebeporen
zu trocknen.
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Das
Befeuchtungsmaterial ist daher so gewählt, dass es gestützt bleibt
durch und zugemischt im Mörtel,
so dass es nicht während
der Lagerung oder während
der Verwendung aus dem Mörtel
hinaus wandern kann.
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Die
Verwendung der Schutzvorrichtung ist im wesentlichen wie in der
oben genannten Anmeldung WO 94/29496 beschrieben, wobei sie in der
Betonschicht verborgen ist entweder von der Bildung des Betons in
dem ursprünglichen
Gießver fahren
oder noch mehr bevorzugt von einem Instandsetzungsverfahren, das
dem ursprünglichen
Gießen
nachfolgt. Daher wird der ursprüngliche
Beton ausreichend ausgehöhlt
wie mit den gestrichelten Linien 22 angezeigt wird, um
die Freilegung des Verstärkungsstabes 11 zu
ermöglichen.
Die Drähte 19 und 20 werden dann
um den Verstärkungsstab
herumgewickelt, und die Schutzvorrichtung wird in eine Position
in der freigelegten Öffnung
platziert. Die Vorrichtung wird dann mit einem wieder gegossenen
Teil des Betons bedeckt und bleibt am Platz verborgen innerhalb
des Betons.
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Das
System ist daher allgemein anwendbar auf Opferanodensysteme, bei
denen die Anode innerhalb des Betons verborgen ist. In einer alternativen
Anordnung, die nicht dargestellt wird, kann die Anode ein Polster
bilden, das mit dem Füllmaterial auf
die Oberfläche
des Betons aufgebracht wird und das nur eine Oberfläche bedeckt,
um mit dem Beton in Kontakt zu treten.
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Die
kathodische Schutzvorrichtung arbeitet daher in der konventionellen
Weise, indem eine elektrolytische Potenzialdifferenz zwischen der
Anode und dem Stahlverstärkungselement
einen elektrischen Strom dazwischen durch die elektrische Verbindung
zu fließen
verursacht und veranlasst, dass Ionen dazwischen durch den Beton
wandern, die ausreichen, um die Korrosion von Stahlverstärkungsstäben zu verhindern
oder wenigstens zu vermindern, währenddessen
sie die Korrosion der Anode verursachen.
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Das
Niveau des pH-Werts und die Gegenwart des Befeuchtungsmittels erhöhen die
Aufrechterhaltung des elektrischen Stromes, so dass der elektrische
Strom für
einen ausgedehnten Zeitraum im Bereich von 5 bis 20 Jahren erhalten
bleiben kann.
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Die
Gegenwart des Befeuchtungsmaterials, das in der Mörtelschicht
gebunden ist, wirkt, um ausreichend Feuchtigkeit zu absorbieren,
um den Ionen-Transfer um die Anode herum zu erhalten, um sicherzustellen,
dass ein ausreichender elektrischer Ausgangsstrom während der
Lebensdauer der Anode erhalten bleibt, und um die Anode/Füllstoff-Grenzfläche elektrochemisch
aktiv zu halten. Die Gegenwart erhöht auch den Betrag des elektrischen
Stromes. Wenn auch der Mörtel 21 nicht
der Atmosphäre ausgeliefert
wird, wenn er innerhalb des Betons verborgen ist, und wenn auch
das zerfließende
Material in befestigter Weise in dem Mörtel gebunden ist, wurde gefunden,
dass die Absorption der Feuchtigkeit durch das zerfließende Material
ausreichend ist, um die Aufrechterhaltung des elektrischen Ausgangsstromes
zu erhöhen
und die vorzeitige Verringerung des elektrischen Ausgangsstromes über einen
ausgedehnten Betriebszeitraum und bevor die Anode aufgezehrt ist
zu verhindern.
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In 11 wird
eine Vielzahl an Kurven über die
Zeit des elektrischen Ausgangsstromes für verschiedene Zusätze zum
Mörtel
gezeigt. Dies zeigt, dass ein wesentlicher Anstieg des elektrischen
Stromes erzielt wird durch die Verwendung des Befeuchtungsmittels
im Mörtel
auf zwei Wegen, in Kombination mit dem Alkali und ohne das Alkali.
Während
diese Beobachtungen nur über
einen relativ geringen Zeitraum aufgenommen wurden, kann vernünftigerweise
vorhergesagt werden, dass dieselben Vorteile bezüglich des Niveaus des elektrischen
Stromes über
einen ausgedehnten Zeitraum von mehreren Jahren der normalen Lebensdauer
einer Anode aufrechterhalten werden.
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Den 4 bis 7 nun
zuwendend wird dort eine alternative Anordnung der Schutzvorrichtung
entsprechend der vorliegenden Erfindung gezeigt.
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Die
Schutzvorrichtung arbeitet grundsätzlich in einer einfachen Weise
so wie oben beschrieben, wobei ein Anodenkörper aus einem geeigneten Material
von dem erforderlichen elektrischen Potenzial gebildet wird, und
dieser Körper
ist elektrisch mit dem Verstärkungsstab 11 der
Betonkonstruktion 10 verbunden. Der Körper kann auch von einem Mörtel 21A umgeben
sein, der die oben beschriebenen Materialien enthält; aber
das umgebende Material kann auch weggelassen werden. Bei dieser
Anordnung wird der Mörtel
nicht von dem Anodenkörper 16A getragen, wird
aber stattdessen in einem nachfolgenden Verfahren als ein Füllstoff
für eine Öffnung 22A eingesetzt.
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Bei
dieser Ausführungsform
ist die Öffnung 22A demgemäß eine gebohrte Öffnung,
die als ein zylindrisches Loch 25 im Beton gebildet ist,
das sich abwärts
zu einer Basisfläche 29 erstreckt,
die ausreichend tief innerhalb der Betonkonstruktion 10 ist,
so dass ein oberer Teil des Verstärkungsstabes 11 freigelegt
wird. Es ist nicht erforderlich, dass der Verstärkungsstab vollständig an
seiner oberen Oberfläche freigelegt
wird, aber es ist bevorzugt, dies so zu tun, um sicherzustellen,
dass der Ver stärkungsstab
tatsächlich
richtig lokalisiert ist und dass die nachfolgende Verbindung richtig
auf dem Verstärkungsstab
aufgebracht ist, ohne die Möglichkeit,
den Verstärkungsstab
zu verfehlen und eine offene elektrische Verbindung zurückzulassen.
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Bei
dieser Anordnung ist keine Notwendigkeit, die Unterseite des Verstärkungsstabes
freizulegen, um Zugang zum Wickeln um den Verstärkungsstab zu schaffen, aber
nur eine obere Oberfläche
des Verstärkungsstabes
muss freigelegt werden. Ein gebohrtes Loch kann dafür genügen, und
das gebohrte Loch braucht nur einen Durchmesser aufzuweisen, der
ausreicht, um den Körper 16A aufzunehmen,
um sicherzustellen, dass der Körper
vollständig
innerhalb der Betonkonstruktion 10 hinter dem Mörtel 21A an
der Stelle eingesetzt ist, um das Loch 22A zu füllen.
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In
einem Beispiel hat der Anodenkörper 16A eine
zylindrische Außenfläche 26,
eine kreisförmige Deckfläche 27 und
eine kreisförmige
Bodenfläche 28.
Andere Formen können
ebenso gewählt
werden, falls bevorzugt. Bei einer Anordnung schließt der Anodenkörper 16A eine
zentrale längliche
Bohrung 30 ein. Die Bohrung 30 arbeitet mit dem
Befestigungsstift 31 zusammen, der einen oberen Kopf 32 und
ein unteres spitzes Ende 33 aufweist. Solch ein Satz Teile
zum Zusammensetzen der Konstruktion würde eine Vielzahl an Anodenkörpern 16A und
eine Vielzahl an Stiften 31 für die Ansammlung innerhalb
der gebohrten Löcher
einschließen.
Der außenseitige Durchmesser
des Stiftes 31 ist geringfügig größer als der innenseitige Durchmesser
des Lochs 30, so dass der Stift fest in die Bohrung eingreift,
wenn er durch das Loch 30 getrieben wird, so dass dort
keine Möglichkeit
besteht, dass der Anodenkörper
sich vom Stift lösen
kann. In einer alternativen Anordnung kann der Anodenkörper auf
dem Stift als eine starre Konstruktion damit vorgeformt werden und
bleibt während
des Installierens am Platz.
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Die
Länge des
Stiftes 31 wird so gewählt, dass
er durch die Bohrung 30 eingepasst werden wird bis zu einer
Position, wo der Kopf 32 in die Deckfläche 27 eingreift,
wobei das spitze untere Ende 33 in den Verstärkungsstab 11 eingreift.
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Geeignete
Schlagwerkzeuge sind in der Bauindustrie zum Treiben von Stiften
dieses Typs hinein in Beton- und Stahl-Konstruktionen gut bekannt, und
solche Werkzeuge sind den Fachleuten dieses Fachgebietes gut bekannt.
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Wie
in 4 gezeigt wird demgemäß, mit dem Anodenkörper an
der Stelle im Loch, der Stift 31 errichtet an der obersten
Stelle der Bohrung, durch die Bohrung getrieben mit dem Schlagwerkzeug,
so dass das untere Ende in den Verstärkungsstab hineingetrieben
wird und dort durch Kaltumformen des Verstärkungsstabes befestigt wird,
um eine permanente physikalische Befestigung des Stiftes mit dem Verstärkungsstab
bereitzustellen.
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Daher
steht der Stift senkrecht aufwärts
von dem Verstärkungsstab,
und der Anodenkörper
wird oberhalb des Verstärkungsstabes
durch den Stift gehalten. Daher ist dort keine lose Kopplung, und
die Befestigung ist vollständig
starr, so dass sie nicht durch das Gießen des Mörtels 21A oder anderweitig gestört werden
kann. Das Loch wird unter Bezug auf den Anodenkörper so geformt, dass das ganze
Loch mit dem Füllmaterial
gefüllt
wird, um Hohlräume
zu vermeiden, die sich mit Wasser füllen könnten. In einer alternativen
Anordnung, die nicht dargestellt wird, kann das Loch teilweise mit
dem Füllmaterial
gefüllt werden,
das den Anodenkörper
umgibt, aber nicht das vollständige
Loch, wobei das restliche Volumen des Lochs mit einem anderen Füller aufgefüllt wird, was
einfach Beton sein kann.
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Wie
zuvor beschrieben enthält
der Mörtel
die Komponenten, die notwendig sind, um die Aufrechterhaltung des
elektrolytischen Stroms zwischen dem Anodenkörper und dem Stahlverstärkungsstab
zu erhöhen.
Dennoch können
die erhöhenden
Komponenten in manchen Anordnungen weggelassen oder ersetzt werden
und kann das vorteilhafte Montieren des Anodenkörpers wie eben beschrieben
genutzt werden.
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Den 8, 9 und 10 nun
zuwendend werden noch weitere Abwandlungen gezeigt, die sich auf
die in den 4 bis 7 gezeigte
Konstruktion beziehen, aber weitere Verbesserungen aufzeigen, die
falls notwendig gewählt
werden können.
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Die
Anode kann aus irgendeinem geeigneten Material gebildet werden,
das bezogen auf die Stahlverstärkungselemente
elektrisch negativ geladen ist. Zink ist die bevorzugte Wahl, aber
andere Materialien wie Magnesium, Aluminium oder ihre Legierungen
können
ebenso genutzt werden.
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In
der Ausführungsform
der 8 ist die Bedeckungsschicht weggelassen und stattdessen
können
das Befeuchtungsmittel und/oder das Alkali und/oder andere erhöhende Mittel
wie hierin zuvor beschrieben in den Körper der Anode einbezogen werden.
Daher wird der Körper
aus einem Material wie oben beschrieben gebildet, und das erhöhende Mittel
wird in die Konstruktion durch eine aus einer Zahl verfügbarer Techniken
eingebracht. Bevorzugt ist das Mittel während des Gießens des
Anodenmaterials als ein homogenes Gemisch dazu beigemischt. In einer
alternativen Anordnung können
die Materialien der Anode und des Mittels fein zerteilt werden und
gesintert oder auf andere Weise als ein Gemisch verbunden werden.
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Eine
noch weitere Anordnung wird in 13 gezeigt,
wo das Anodenmaterial als eine Folie bereitgestellt wird und das
Mittel als eine Schicht auf einer Seite der Folie bereitgestellt
wird, wobei die Folie dann gefaltet oder gerollt werden kann, wie
um die überlagernden
Schichten des Materials mit dem Mittel zwischen solchen wie bei
einer Geleerolle oder Akkordeon-artig gefaltetem Aufbau. Diese Anordnung
liefert eine Oberfläche
wie die Oberfläche
am Rand der Geleerolle, auf dem Anodenkörper, der durch das Anodenmaterial
mit dem direkt an derselben Oberfläche verfügbaren Mittel definiert ist.
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Daher
wird das Befeuchtungsmaterial in einer Weise geführt, die es ermöglicht,
dass eine Oberfläche
des Materials des Anodenkörpers
mit der Schicht über
Ionen in Verbindung steht und welche das Mittel an dieselbe Oberfläche bringen.
Wenn daher diese Oberfläche
korrodiert, bleibt das Mittel an der Oberfläche verfügbar, um seine Wirkung durch Erhöhen der
elektrolytischen Wirkung fortzusetzen. Daher tritt der einzige Effekt
des Mittels an der Grenzfläche
auf, und es ist wertlos, falls es in dem Körper oder anderweitig entfernt
von der aktiven Oberfläche verborgen
ist.
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Noch
weitere alternative Techniken lassen das Anodenmaterial in Netzform
mit dem Mittel in den Poren oder Öffnungen verwenden oder lassen
gebohrte oder anderweitig gebildete Löcher in dem Körper das
Mittel aufnehmen.
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Die
Anordnung zum Bereitstellen des Mittels direkt in den Anodenkörper ermöglicht,
dass die Konstruktion des Anodenkörpers von den kleinsten Abmessungen
ist, was von daher sein Installieren in kleinen Stellen oder Löchern ermöglicht und
daher das Installieren an Stellen ermöglicht, wo der Platz begrenzt
ist, und daher die Kosten für
die Bildung der Aushöhlung
verringert, um das Installieren zu ermöglichen.
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In
der Ausführungsform
der 8 wird der Anodenkörper 16A durch das
Zufügen
eines ergänzenden
Körperteils 35 aus
einem anderen Material vergrößert. Dieser
Körperteil
wird aus einem Metall gebildet, das von höherer Potenzialdifferenz vom Stahlverstärkungsstab
relativ zum Hauptkörper
der Anode ist, so dass dieser Anodenkörper eine erhöhte Potenzialdifferenz
in einem anfänglichen
Betriebszustand bereitstellt, aber der zusätzliche Körper schneller aufgezehrt werden
wird, so dass er in einem frühen
Stadium aufgebraucht wird. Der zusätzliche Körper liefert daher einen „Kickstart" für das Verfahren, bei
dem er eine anfänglich
hohe Potenzialdifferenz erzeugt, und dann nachdem er aufgezehrt
ist, läuft das
verbleibende Verfahren durch die Verwendung des vorher beschriebenen
Anodenkörpers 16A weiter.
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Bei
dieser Anordnung wird der zusätzliche Körper einfach
in der Form eines zylindrischen Rings am unteren Ende 27 des
Körpers 16A angebracht,
so dass er vor Ort eingesetzt werden kann und dann der Stift durch
die Bohrung 30 und durch eine ähnliche Bohrung in dem Ring
in den Verstärkungsstab 11 wie zuvor
beschrieben hineingetrieben werden kann. Der Ring kann daher vor
der Verwendung an dem Körper 16A befestigt
werden oder kann ein einfaches getrenntes Element sein. Der Ring
kann entweder an einem Ende des Körpers an dem Stift angebracht
werden und wird durch die Starrheit des Stiftes wie zuvor beschrieben
an dem Platz gehalten.
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Eine
weitere Alternative wird in 9 gezeigt,
wo der Stift 30 durch einen verformbaren Block 36 eines
fließfähigen Metalls
wie Blei ersetzt wird. In dieser Ausführungsform schließt daher
der Körper 16B keine
zentrale Bohrung ein, aber trägt
stattdessen den Bleiblock 36 an seinem unteren Ende 27. Das
Schlagwerkzeug wirkt in diesem Fall daher so, dass es eine Kraft
durch den Körper 16B in
den fließfähigen Materialblock 36 treibt,
wie um dieses Material zu verformen und es mit dem Verstärkungsstab 11 durch
die Wirkung des Fließens
von Material zu binden.
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In 10 wird
noch eine weitere Alternative gezeigt, bei der ein Stift 31A bereitgestellt
wird, der schon durch den Körper 16C hindurch
eingesetzt ist. Bei dieser Anordnung wird das Loch 30 durch
den Körper 16C als
eine Reibpassung zu dem Stift eingerichtet, so dass der Stift ohne
die Notwendigkeit der Verformung des Körpers 16C vor Ort
gehalten wird. Der Stift hat daher ein unteres Ende, das sich von
der Unterseite des Körpers 16C abwärts erstreckt,
und dieses untere Ende oder diese Spitze 37 wird mit der oberen
Oberfläche
des Verstärkungsstabes 11 durch ein
Lichtbogenschweißsystem 38 konventionellen Typs
verschweißt,
das ein zurück
geführtes
Kabel 39 hat, das mit dem Verstärkungsstab verbunden ist, der sich
im allgemeinen an einem getrennten Ort befindet. Daher wirkt der
elektrische Strom durch den Stift 31A, um das untere Ende
des Stiftes mit dem Verstärkungsstab
zu verschweißen,
um einen permanent befestigten aufrecht stehenden Stift bereitzustellen,
der den Anodenkörper 16C innerhalb
des gebohrten Loches 25 genau am Platz hält.
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In 12 wird
eine andere alternative Anordnung gezeigt, die zwei gebohrte Löcher 40 und 41 verwendet.
In vielen Betonkonstruktionen sind Verstärkungselemente in einer Tiefe
von weniger als 2 Zoll angeordnet, was es schwierig gestaltet, einen Anodenkörper bereitzustellen,
der ausreichend klein ist, um oberhalb des Betonrippenstahls aufgenommen
zu werden und ausreichend Platz lässt für ein Füllmaterial, das den Anodenkörper bedeckt.
Die Anordnung mit zwei Löchern
ermöglicht
daher ein tieferes zweites Loch längsseitig des Betonrippenstahls, um
das Anodenelement aufzunehmen und zu beherbergen, und das erste
Loch, um ein Stiftelement aufzunehmen, das elektrisch mit dem Betonrippenstahl verbindet.
Das Stiftelement verwendet eine der oben genannten Techniken für die Befestigung
am Betonrippenstahl. Eine kleine Verbindungsrinne 42 wird zwischen
den gebohrten Löchern
gebildet, und ein flexibler Leiter 43, der an der Anode 44 befestigt
ist, und das Stiftelement 45 werden durch die Rinne geleitet.
Die gebohrten Löcher
und die Rinne werden wie zuvor beschrieben gefüllt. Die Anode kann daher in
relativ kleinen gebohrten Löchern
installiert werden und kann mit dem Betonrippenstahl verbunden werden,
um eine wirksame elektrische Verbindung sicherzustellen, die ausreichende
Größe hat,
um das erforderliche Volumen des Opfermaterials für die erforderliche
Betriebslebensdauer bereitzustellen.
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Es
wird daher geschätzt
werden, dass die Wirkung jeder Anode örtlich relativ beschränkt ist,
so dass die Anoden in einer Reihe installiert werden müssen, um
einen Schutz für
die gesamte Stahlverstärkungskonstruktion
bereitzustellen.