DE19524326B4 - Verfahren zur Herstellung einer hydraulisch erhärtenden Zubereitung und Verwendung derselben zum Auffüllen eines ausgehobenen Hohlraums und im Schildtunnelbau - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer hydraulisch erhärtenden Zubereitung und Verwendung derselben zum Auffüllen eines ausgehobenen Hohlraums und im Schildtunnelbau Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Herstellung einer hydraulisch erhärtenden Zubereitung, welches die aufeinanderfolgenden Stufen umfasst
(i) Vermischen einer ausgehobenen Erde mit einem hydraulischen Material
(ii) Vermischen eines ersten Zusatzmittel, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Hydroxycarbonsäuren, Phosphonsäure-Derivaten und Sacchariden und deren Derivaten, mit Wasser
(iii) Vermischen des ersten Gemisches mit dem zweiten Gemisch,
(iv) Vermischen eines zweiten Zusatzmittels in Form eines Zement-Dispergiermittels, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ligninsulfonsäuren, Melaminsulfonat-Formaldehyd-Kondensaten, Naphthalinsulfonat-Formaldehyd-Kondensaten; Polycarbonsäuren, Polyalkylsulfonsäuren, aromatischen Aminosulfonsäuren oder deren Derivaten und/oder deren Salzen mit der Mischung. aus (iii),
wobei ein Anteil an Wasser verwendet wird, der ausreicht, um das Gesamtgemisch fließfähig zu machen und. ein Anteil an hydraulischem Material gewählt wird, der ausreicht, um das Gesamtgemisch hydraulisch erhärten zu lassen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer hydraulisch erhärtenden Zubereitung unter Verwendung von ausgehobener Erde und die Verwendung der Zubereitung im Schildtunnelbau und zum Auffüllen eines ausgehobenen Hohlraums.
  • Bei jeder Art von Bauprojekten, die mit Aushub verbunden sind, fällt eine große Menge von ausgehobener Erde (welche meistens als "Bauabfall" bezeichnet wird) an, deren Entsorgung zu großen Problemen führen kann. Es wurde bereits vorgeschlagen, diese ausgehobene Erde als Aufschüttmaterial oder sogar als richtiges Baumaterial zu verwenden. Erste Versuche umfassten die Zugabe einer hydraulischen Substanz zu der ausgehobenen Erde. Das Problem bei diesem Verfahren besteht darin, dass, falls die ausgehobene Erde hohe Anteile von Lehm und Schlick enthält, eine genügende Fließfähigkeit nur durch Zugabe von relativ großen Mengen Wasser erreicht werden kann. Dies hat die Auswirkung, dass die Endfestigkeit auf ein unannehmbar niedriges Niveau reduziert wird. Ausserdem zeigt das Endprodukt einen hohen Schrumpfungsgrad und es entwickelt große Risse.
  • Eine weitere Verwendung von ausgehobener Erde ist als Bestandteil von Gießmörtel, der beim Schildtunnelbau verwendet wird. In diesem Fall besteht das Verfahren darin, die ausgehobene Erde von der Aushubstelle durch Zugabe eines Verfestigers (wie Zement) und eines Verflüssigungsmittels in einen Gießmörtel überzuführen und das erhaltene Gemisch als Gießmörtel zu verwenden. Auch hier bereitet der Anteil von Lehm und Schlick in der ausgehobenen Erde Probleme. Nach dem Vermischen nimmt die Fließfähigkeit des Gießmörtels mit der Zeit rasch ab und es können hierdurch Probleme beim Pumpen und beim Gießen entstehen. Dazu werden größere Anteile von Verflüssigungsmitteln benötigt. Überdies verbrauchen solche Gießmörtel keine großen Mengen ausgehobener Erde, was bedeutet, dass noch immer ein großes Entsorgungsproblem verbleibt.
  • Die DE 41 01 015 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Dichtungsschlitzwand nach dem Einphasenverfahren, wobei eine Nachfüllsuspension aus Inertanteilen aus einem Bodenaushub zubereitet wird.
  • Die DE 37 16 974 A1 beschreibt eine hydraulische Masse, die eine hydraulische Komponente, ein organisches Hydrogel sowie gegebenenfalls einen Zuschlagstoff, Verstärkungsmaterial und andere Additive enthält.
  • Es wurde nunmehr gefunden, dass es möglich ist eine hydraulisch erhärtende Zubereitung herzustellen, welche wirklich große Mengen von ausgehobener Erde verwertet, welche während einer wesentlichen Zeit einen angemessenen Verflüssigungsgrad beibehält, welche eine ausgezeichnete Festigkeit besitzt, welche geringe oder keine Rissbildung beim Trocknen aufweist und welche nach Beendigung eines Vermischens eine erhaltene gewünschte Fließfähigkeit im Bereich von 180-210 mm über einen Zeitraum von 90 Minuten mit beinahe keinem Abfall in der Fließfähigkeit beibehält.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft dementsprechend ein Verfahren zur Herstellung einer hydraulisch erhärtenden Zubereitung, welches die aufeinanderfolgenden Stufen umfasst
    • (i) Vermischen einer ausgehobenen Erde mit einem hydraulischen Material,
    • (ii) Vermischen eines ersten Zusatzmittels, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Hydroxycarbonsäuren, Phosphonsäure-Derivaten und Sacchariden und deren Derivaten (nachfolgend bezeichnet als „erstes Zusatzmittel") mit Wasser, um ein zweites Gemisch zu bereiten,
    • (iii) Vermischen des ersten Gemisches mit dem zweiten Gemisch,
    • (iv) Vermischen eines zweiten Zusatzmittels in Form eines Zement-Dispergiermittels, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ligninsulfonsäuren, Melaminsulfonat-Formaldehyd-Kondensaten, Naphthalinsulfonat-Formaldehyd-Kondensaten, Polycarbonsäuren, Polyalkylsulfonsäuren, aromatischen Aminosulfonsäuren oder deren Derivaten und/oder deren Salzen mit der Mischung aus (iii),
    wobei ein Anteil an Wasser verwendet wird, der ausreicht, um das Gesamtgemisch fließfähig zu machen und ein Anteil an hydraulischem Material gewählt wird, der ausreicht, um das Gesamtgemisch hydraulisch erhärten zu lassen.
  • Das hydraulische Material ist jedes Material dieser Art, das aus dem Stand der Technik bekannt ist. Unter „hydraulischem Material" versteht man ein Material, das unter Wasseraufnahme an Luft und selbst unter Wasser steinartig erhärtet und nach dem Aushärten wasserbeständig ist. Hydraulische Materialien, die bei der Durchführung der Erfindung verwendbar sind, umfassen die verschiedenen Arten von Zement, wie Portlandzement, Hochofenzement und Tonerdeschmelzzement. Solche Materialien sind die bevorzugten hydraulischen Materialien, andere Materialien umfassen auch Branntkalk, abgelöschten Kalk und feinkörnigen, gebrannten Dolomit.
  • Unter „Anteil, der ausreicht, um das Gesamtgemisch hydraulisch erhärten zu lassen" wird der Anteil von hydraulischem Material verstanden, welcher zusammen mit Wasser und ausgehobener Erde eine feste Masse bildet. Die Menge des hydraulischen Materials wird unter verschiedenen Bedingungen, abhängig von der Art der Erde (höchst verschiedenartig), dem hydraulischen Material und dem ersten Zusatzmittel, selbstverständlich verschieden sein, der Fachmann ist jedoch ohne Weiteres in der Lage, in jedem Fall festzustellen, wie viel der oben genannte Anteil ausmacht.
  • Was den Wasseranteil anbelangt, so sollte genügend Wasser vorhanden sein, um das Gemisch fließfähig zu machen, das bedeutet, genügend um ein flüssiges Gemisch zu bilden jedoch nicht so viel, um eine Verfestigung zu verhindern. Ausgehobene Erde enthält im Allgemeinen Wasser und der Fachmann kann ohne Weiteres feststellen, ob und wieviel zusätzliches Wasser benötigt wird.
  • Das erste Zusatzmittel, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Hydroxycarbonsäuren, Phosphonsäure-Derivaten und Sacchariden und deren Derivaten, kann aus einem oder mehreren dieser aus dem Stand der Technik bekannten Materialien ausgewählt werden.
  • Beispiele von geeeigneten Hydroxycarbonsäuren umfassen Gluconsäure, Glucarsäure, Glucoheptonsäure, Arabinonsäure, Apfelsäure, Zitronensäure und deren Salzen. Die Salze umfassen beispielsweise Salze von Alkalimetallen, wie Natrium und Kalium, Salze von Erdalkalimetallen, wie Calcium und Magnesium und Salze von nichtmetallischem Material, wie Ammonium und Triethanolamin. Phosphonsäure-Derivate umfassen Aminometaphosphonsäure, Aminotrimethylphosphonsäure, Methylenphosphonsäure, 1-Hydroxyethyliden-1,1-diphosphonsäure, Phosphoncarbonsäure-Derivate und deren Salze. Saccharide und ihre Derivate umfassen Galaktose, Mannose, Xylose, Arabinose und Ribose, Disaccharide, wie Maltose, Sucrose und Laktose, Trisaccharide, wie Maltotriose und Raffinose und Zuckeralkohole, wie Oligosaccharide und Sorbitol.
  • Die Zement-Dispergiermittel sind vorzugsweise wasser-reduzierende Mittel, luft-einbringende wasser-reduzierende Mittel, hochwertige wasser-reduzierende Mittel, hochwertige luft-einbringende wasserreduzierende Mittel und Verflüssiger. Sie umfassen die erfindungsgemäß eingesetzten Zementdispergiermittel bestehend aus der Gruppe Ligninsulfonsäuren, Melaminsulfonat-Formaldehyd-Kondensate, Naphthalinsulfonat-Formaldehyd-Kondensate, Polycarbonsäuren, Polyalkylsulfonsäuren, aromatische Aminosulfonsäuren oder deren Derivate und/oder deren Salze.
  • Es besteht keine Begrenzung, was den Typus der ausgehobenen Erde anbelangt, der gemäß dieser Erfindung verwendet werden kann. Im Allgemeinen wird solch eine Erde Materialien, wie Sand, Schlick und Lehm enthalten.
  • Die relativen Mengen der verschiedenen Materialien, die im erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden, können gemäß der Art dieser Materialien schwanken und der Fachmann kann ohne Weiteres geeignete Mengenverhältnisse in jedem gegebenen Fall feststellen. Eine verfestigende Menge des hydraulischen Materials kann ohne Weiteres durch einfaches Experimentieren mit einem Muster der ausgehobenen Erde festgestellt werden. Ein typisches Mengenverhältnis des ersten Zusatzmittels beträgt von 0.01-5 Gew.% des hydraulischen Materials, die Menge wird jedoch, wie oben bereits erwähnt, von der Art des betroffenen Materials abhängen und es ist verständlich, dass es manchmal möglich und sogar erwünscht sein wird, außerhalb dieses Bereiches zu arbeiten. Das Zement-Dispergiermittel kann im Allgemeinen ebenfalls in einem Anteil von 0.01-5 Gew.% des hydraulischen Materials zugesetzt werden, aber auch hier kann es möglich und/oder erwünscht sein, außerhalb dieses Bereiches zu arbeiten.
  • Ein weiterer nützlicher zusätzlicher Bestandteil ist ein wasserlösliches Polymeres. Besonders geeignete Beispiele umfassen Celluloseether, Polyacrylate, Polyethylenoxide, Curdlan (ein von Bakterien hergestelltes Saccharid) und natürliche Oligosaccharide, wie Xanthan Gummi und Welan Gummi.
  • Die Erfindung wird ohne Weiteres unter Verwendung von üblichen Materialien und Einrichtungen durchgeführt. Sie ist rasch und bequem Die Zeit zwischen der Zugabe des hydraulischen Materials und des Zement-Dispergiermittels ist in der Grössenordnung von höchstens 5 Minuten).
  • Diese Erfindung erlaubt auf äußerst nützliche Weise die Verwendung von großen Mengen augehobener Erde. Die gebildeten Produkte sind wesentlich stabiler als bekannte äquivalente Produkte und zeigen weniger Rissbildung. Die Erfindung erlaubt deshalb die Formulierung von Auffüllkompositionen und Vergussmörteln von guter Qualität. Die Erfindung ist daher auch nützlich in einem Verfahren zum Auffüllen eines ausgehobenen Hohlraums durch Herstelllung und Einfüllung einer erfindungsgemäß hergestellten hydraulischen Zubereitung aus der daraus ausgehobenen Erde, wobei diese Zubereitung zuerst durch Zufügen einer verfestigenden Menge eines hydraulischen Materials, einer verflüssigenden Menge von Wasser und zumindest einer Substanz ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Hydroxycarbonsäuren, Phosphonsäure-Derivaten und Sacchariden und deren Derivaten, zur Erde unter Bildung einer ersten Mischung und durch Zumischen eines Zement-Dispergiermittels zu dieser ersten Mischung hergestellt wird, wobei diese letztgenannte Zumischung in einem Zeitraum zwischen der Zugabe des hydraulischen Materials und dem Beginn des Abbindens des hydraulischen Materials durchgeführt wird.
  • Die Erfindung ist nützlich für einen Vergussmörtel, der eine hydraulische Zubereitung ist, der ausgehobene Erde, eine verfestigende Menge eines hydraulischen Materials, eine verflüssigende Menge Wasser und zumindest eine Substanz, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Hydroxycarbonsäuren, Phosphonsäure-Derivaten und Sacchariden und deren Derivaten, und ein Zement-Dispergiermittel enthält. Die Erfindung ist ferner nützlich in einem Verfahren zum Gießen des Mörtels in einem Verfahren des Schildtunnelbaus, worin die Aushubseite mit einem Mörtel eingemörtelt wird, der aus der ausgehobenen Erde hergestellt wird, die von der Aushubseite stammt, wobei der Vergussmörtel aus der ausgehobenen Erde mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wird, welches
    • (a) erstens aus der Zugabe einer verfestigende Menge eines hydraulischen Materials, einer verflüssigenden Menge von Wasser und zumindest einer Substanz ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Hydroxycarbonsäuren, Phosphonsäure-Derivaten und Sacchariden und deren Derivaten zur ausgehobenen Erde, um eine erste Mischung zu ergeben; und
    • (b) Zugabe zu und Zumischen eines Zement-Dispergiermittels zu dieser ersten Mischung zu einem Zeitpunkt zwischen der Zugabe des hydraulischen Materials und dem Beginn des Abbindens des hydraulischen Materials besteht.
  • Die Erfindung wird ferner durch die nachfolgenden Beispiele dargestellt.
  • Materialien
  • Es werden die nachfolgenden Materialien verwendet, um eine Vielfalt von hydraulischen Zubereitungen herzustellen:
    • a) Zement: Hochofenschlacken-Zement Klasse B.
    • b) Ausgehobene Erde: Erde Nr. 1 (Lehm + Schlick Gehalt 16.1 %) und Erde Nr. 2 (Lehm + Schlick Gehalt 10.1 %). Die ausgehobene Erde wird durch Waschen mit Wasser und Verwendung eines 75-μm Siebes in Sand-Teile und Lehm + Schlick-Teile aufgetrennt und sie wird als Dispersion von Lehm und Schlick in Wasser verwendet.
    • c) Bentonit
    • d) Wasser zum Vermischen: Leitungswasser
    • e) Erstes Zusatzmittel: Es werden sieben Arten verwendet. Diese sind Natriumcitrat als eine Oxycarbonsäure (abgekürzt als F1), Natriumglukonat (abgekürzt als F2), Gluconsäure (abgekürzt als F3), Apfelsäure (abgekürzt als F4), Stärkesirup als ein Saccharid (abgekürzt als F5), Glukose (abgekürzt als F6) und Methylenphosphonsäure als ein Phosphonsäure Derivat (abgekürzt als F7).
    • f) Zement-Dispergiermittel: Es werden vier Arten verwendet. Diese sind Natrium Melamin Sulfonat Formaldehyd Kondensat (abgekürzt als R1), Natrium Naphthalin Sulfonat Formaldehyd Kondensat (abgekürzt als R2), Calcium Polycarboxylat Ether (abgekürzt als R3) und Natrium Polyalkyl Sulfonat (abgekürzt als R4).
  • Die Mischungsverhältnisse der hydraulisch erhärtenden Zubereitungen sind in Tabelle 1 angegeben.
  • Testmethoden
  • a) Methode zum Vermischen der hydraulischen Zubereitung.
  • Das erste Zusatzmittel wird zum Wasser hinzugefügt, zu Zement und ausgehobene Erde in einem Mörtelgegebenmischer, Rühren und Mischen werden während 2 Minuten durchgeführt, wonach das Zement-Dispergiermittel zugesetzt und das Rühren und Mischen neuerdings während 2 Minuten durchgeführt werden.
  • b) Zeit-abhängiger Veränderungstest der Fließfähigkeit der hydraulischen Zubereitung.
  • Die gemäß a) hergestellte hydraulische Zubereitung wird während der angegebenen Dauer stehen gelassen, vor dem Messen während 30 Sekunden mit einem Mischer vermischt, und die Fließfähigkeit wird mittels des Fließtests des JIS (Japanischer Industrie Standard) R 5201 gemessen. Dabei wird Zement und Sand gemischt und geknetet unter Zugabe von Wasser. Nach dem Mischen wird ein Setztrichter damit gefüllt, eine Fließplatte trocken gewischt und der Trichter in die Mitte der Fließplatte gesetzt. Nach dem Entfernen des Trichters wir die Verbreitung des Mörtels in der breitesten Richtung und im rechten Winkel dazu gemessen.
  • Figure 00080001
  • c) Pumpbarkeit
  • Die Beurteilung wird durch Beobachtung der Entmischungsbedingungen nach dem Fließtest mittels Sichtkontrolle durchgeführt. In unbefriedigenden Situationen, verbleibt das Aggregat in dem Pumpenschlauch und verstopft ihn gegebenenfalls.
  • d) Druckfestigkeit
  • Die Untersuchung erfolgt gemäss JIS A 1108.
  • e) Trockenschrumpfung
  • Die Untersuchung erfolgt während annähernd 3 Monaten unter Verwendung einer modifizierten Version von JIS A 1129.
  • Testresultate
  • Die Testresultate sind in den Tabellen 2 und 3 angegeben. Die beiden Tabellen zeigen die zeitabhängigen Veränderungen (mm) in der Fließfähigkeit und den unbeschränkten Druckfestigkeiten (N/mm2) der einzelnen Kombinationen der Vielfalt von Mischungsverhältnissen, welche in Tabelle 1 angegeben werden, und erste Zusatzmittel und Zement-Dispergiermittel. In Tabelle 2 werden in den Tests Nr.1 bis Nr.10 Vergleichsbeispiele und in den Tests No.11 und 12 Beispiele angegeben. Die Dosierungen der ersten Zusatzmittel und Zement-Dispergiermittel in der Tabelle geben die Gewichtsprozente der Feststoffe auf Zement berechnet an. Ferner werden in Tabelle 3 in den Tests Nr.13 bis Nr.15 Vergleichsbeispiele und in den Tests Nr.16 bis Nr.42 Beispiele angegeben. Auch in diesem Fall geben die Dosierungen der ersten Zusatzmittel und Zement-Dispergiermittel die Gewichtsprozente der Feststoffe auf Zement berechnet an. Ferner enthalten in den Tabellen 2 und 3 die Vergleichsbeispiele Nr.13 und Nr.14 keine ersten Zusatzmittel und Zement-Dispergiermittel und Nr.15 enthält nur ein Zement-Dispergiermittel.
  • Figure 00100001
  • Figure 00110001
  • Figure 00120001
  • Figure 00130001
  • Zeitabhängige Veränderung der F1ießfähigkeit der hydraulischen Zubereitung
  • Beim Vergleichen der Tests Nr.2 bis Nr.10 und der Tests Nr.13 bis Nr.15 (Vergleichsbeispiele) mit den Tests Nr.11, Nr.12 und Nr.16 bis Nr.42 (Beispiele) wurde gefunden: die erwünschten Fließfähigkeiten werden nach Beendigung des Vermischens erhalten und, überdies, nach Ablauf von 90 Minuten, mit beinahe keinem Abfall in der Fließfähigkeit verglichen mit der üblichen Technologie. Im Test Nr.21 (Beispiel) ist die Dosierung des ersten Zusatzmittels niedriger und es ist zu sehen, dass die Länge der Zeit, in der die Fließfähigkeit aufrechterhalten wird, abgekürzt ist.
  • Pumpbarkeit
  • Die Tests Nr.11, Nr.12 und Nr.16 bis Nr.42 (Beispiele) zeigen keine Entmischung verglichen mit der üblichen Technologie und es ist zu sehen, dass bei der Pumpbarkeit kein Problem besteht.
  • Druckfestigkeit
  • Im Vergleich zu den Tests Nr.1 und Nr.13 (Vergleichsbeispiele), sind Zunahmen der Druckfestigkeit in all den Tests Nr.11, Nr.12 und Tests Nr.17, Nr.20 bis Nr.28, Nr.30, Nr.34, Nr.37 bis Nr.42 (Beispiele) zu sehen.
  • Trockenschrumpfung
  • Veränderungen in der Länge werden beim Aushärten im geschlossenen Raum bei einer Feuchtigkeit von 60% gemessen. Das Ausmaß der Längenveränderung im Test Nr.11 bei einem Alter von 30 Tagen ist 4.2 × 10-3, und es tritt danach fast keine Veränderung mehr auf. Dieser Wert ist höher als der Veränderungsgrad eines Betons, er ist jedoch nicht hoch für ein Erd-Zement Material. Ferner ist festzustellen, dass eine Stabilisierung des Veränderungsgrades eintritt.

Claims (5)

  1. Verfahren zur Herstellung einer hydraulisch erhärtenden Zubereitung, welches die aufeinanderfolgenden Stufen umfasst (i) Vermischen einer ausgehobenen Erde mit einem hydraulischen Material (ii) Vermischen eines ersten Zusatzmittel, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Hydroxycarbonsäuren, Phosphonsäure-Derivaten und Sacchariden und deren Derivaten, mit Wasser (iii) Vermischen des ersten Gemisches mit dem zweiten Gemisch, (iv) Vermischen eines zweiten Zusatzmittels in Form eines Zement-Dispergiermittels, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ligninsulfonsäuren, Melaminsulfonat-Formaldehyd-Kondensaten, Naphthalinsulfonat-Formaldehyd-Kondensaten; Polycarbonsäuren, Polyalkylsulfonsäuren, aromatischen Aminosulfonsäuren oder deren Derivaten und/oder deren Salzen mit der Mischung. aus (iii), wobei ein Anteil an Wasser verwendet wird, der ausreicht, um das Gesamtgemisch fließfähig zu machen und. ein Anteil an hydraulischem Material gewählt wird, der ausreicht, um das Gesamtgemisch hydraulisch erhärten zu lassen.
  2. Verfahren gemäß Patentanspruch 1, worin das erste Zusatzmittel in einem Anteil von 0,01-5 Gew.% des hydraulischen Materials zugesetzt wird.
  3. Verfahren gemäß Patentanspruch 1, worin das Zement-Dispergiermittel in einem Anteil von 0,01-5 Gew.% des hydraulischen Materials zugesetzt wird.
  4. Verwendung einer gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 hergestellten hydraulischen Zubereitung zum Auffüllen eines ausgehobenen Hohlraums durch Einfüllung der hydraulischen Zubereitung in den Hohlraum.
  5. Verwendung einer gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 hergestellten hydraulischen Zubereitung im Schildtunnelbau, wobei die Aushubseite mit der hydraulischen Zubereitung in Form eines Vergussmörtel eingemörtelt wird und die ausgehobene Erde von der Aushubseite stammt.
DE19524326A 1994-07-05 1995-07-04 Verfahren zur Herstellung einer hydraulisch erhärtenden Zubereitung und Verwendung derselben zum Auffüllen eines ausgehobenen Hohlraums und im Schildtunnelbau Expired - Lifetime DE19524326B4 (de)

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