CN102337742A - 一种预应力复合材料叠合大直径管桩及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种预应力复合材料叠合大直径管桩及其制造方法，其各管节采用采用超高性能纤维改性水泥基复合材料UHPFRC作为基体，并在UHPFRC外侧设有超高韧性水泥基复合材料UHTCC控裂防护层，在桩顶管节顶部外围设有钢板环箍，桩底管节底端设有法兰盘，管壁内配有螺旋箍筋，并设置预留孔道，通过张拉穿过所述预留孔道的纵向预应力筋将各管节拼接为一体，所述预留孔道在纵向预应力筋张拉完成后通过注压水泥净浆填充密实，钢管桩尖与桩底管节法兰盘通过焊接连接，并在钢管桩尖与法兰盘的相交部位设有加劲板。本发明充分提高管桩的延性、冲击韧性及耐久性能。

Description

一种预应力复合材料叠合大直径管桩及其制造方法

技术领域

本发明属于土木工程、桥梁工程、港口工程桩基础技术领域，尤其涉及到复合材料叠合大直径管桩及其制造方法。

背景技术

当前，预应力混凝土管桩凭借强度高、耐久性好、抗腐蚀能力强、抗渗能力高的优点在海工基础处理中得到广泛应用。但其抗弯承载力远低于钢管桩，斜桩斜率小，不能承受较大的水平荷载，而且在击打次数较大的情形下，容易出现桩身开裂以及桩顶破坏的现象。

预应力UHPFRC管桩采用超高性能纤维改性水泥基复合材料（UHPFRC）取代了普通混凝土作为基体材料。UHPFRC材料不仅具有高强度、高韧性性能及高抗碳化、抗氯离子侵蚀、抗冻融等耐久性能，而且在弯曲荷载作用下表现为多裂缝发展的变形硬化特征。其抗压强度为80~120 MPa；极限拉应变达0.002~0.0035；耐久性能试验结果表明，经过6个月的碳化实验，其碳化深度保持为0 mm；按照ASTM C 1202规范进行抗氯离子侵蚀实验，抗侵蚀结果为2库伦；经冻融循环600次后，基体材料的弹性模量保持在98%~100%。

相比于普通预应力混凝土管桩，预应力UHPFRC管桩的抗裂性能和抗击打能力得到一定的提高，满足了沉桩的抗冲击要求，以及在正常运行条件下的耐久性要求。但是在一些特殊情况下，受拉边缘的拉应变可能超过UHPFRC的极限拉应变，则会出现开裂现象，裂缝宽度甚至超过《港工混凝土设计规范》以及《混凝土耐久性设计规范》规定预应力混凝土管桩的裂缝宽度限值，这将对桩体带来耐久性方面的问题。因此，有必要提高桩体的裂缝控制能力以保证特殊情况下的安全可靠。

超高韧性水泥基复合材料（UHTCC）作为一种高性能水泥基复合材料，在拉伸荷载下表现出显著的拉应变硬化特征以及多条细密的裂缝形态，极限拉应变可达1%以上，最大裂缝宽度可以控制在100 μm之内。大量的试验结果表明此材料具有优良的抗渗、抗碳化、抗氯离子渗透等耐久性能、以及良好的冲击性能和裂缝控制能力。

UHTCC能够将混凝土中出现的单一裂缝分散为多条细密裂缝，有效地约束了混凝土裂缝宽度的增长，直到纵向受拉钢筋达到屈服，受拉边缘最大裂缝宽度仅有100 μm左右。显然，这一裂缝宽度级别足以满足在腐蚀极端严重的浪溅区的裂缝宽度要求。徐等所进行了耐久性试验结果表明，在无裂缝状态下, UHTCC的抗碳化性能与同强度普通混凝土相当，但在相同荷载预裂后，UHTCC裂缝处的碳化深度仅为对比混凝土的1/3，也就是说，UHTCC在正常工作状态下的抗碳化能力要远高于普通混凝土。其次，UHTCC抗渗性能优于相同强度等级普通混凝土，且随着龄期增长优势更明显, 其56天龄期的渗透系数约为对比混凝土的1/3。快速氯离子试验和自由氯离子含量测定得到的氯离子渗透系数均表明, UHTCC具有明显优于普通混凝土的抵抗氯离子渗透性能。

基于此，采用一定厚度的UHTCC取代部分UHPFRC作为外侧防护层，不仅可以起到控裂作用，而且还能进一步提高整个桩体的韧性性能以及耐久性能。。

发明内容

本发明首先所要解决的技术问题是提供一种预应力复合材料叠合大直径管桩，由两种高性能纤维增强水泥基复合材料作为管桩基体，充分提高管桩的延性、冲击韧性及耐久性能。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种预应力复合材料叠合大直径管桩包括钢管桩尖和若干个管节；其中，各管节采用采用超高性能纤维改性水泥基复合材料UHPFRC作为基体，并在基体外侧设有超高韧性水泥基复合材料UHTCC控裂防护层，在桩顶管节顶部外围设有钢板环箍，桩底管节底端设有法兰盘，管壁内配有螺旋箍筋，并设置预留孔道，通过张拉穿过所述预留孔道的纵向预应力筋将各管节拼接为一体，所述预留孔道在纵向预应力筋张拉完成后通过注压水泥净浆填充密实，钢管桩尖与桩底管节法兰盘通过焊接连接，并在钢管桩尖与法兰盘的相交部位设有加劲板。

所述UHPPRC由砂浆基体内掺加增强纤维构成，增强纤维为短钢纤维，其体积掺量为UHPFRC总体积的1~2%，直径为0.2~0.5 mm、长度为13~15 mm、弹性模量为800~1800 MPa；砂浆基体的组分重量比为:水泥:硅灰:硅微粉:细骨料:减水剂:水=1: (0.1~0.25): (0.1~0.3): (1.0~1.2): (0.01~0.04): (0.2~0.35)；其中，细骨料由细砂与中砂组成，质量比为1: 9~7: 3，硅微粉可以用石英粉或石灰石粉替代。

管桩UHPFRC基体外围的UHTCC控裂防护层由短纤维和砂浆基体组成，掺加的短纤维种类为聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维中的一种或几种，体积掺量为UHTCC总体积的1~3%；砂浆基体的组分重量比为水泥：水：精细骨料：粉煤灰：硅灰：粒化高炉矿渣：偏高岭土= 1:（0.27~2.2）:（0~3）:（0~6.9）:（0~0.3）：（0~0.55）：（0~0.4），精细骨料的最大粒径不大于0.5 mm；精细骨料、粉煤灰、硅灰、粒化高炉矿渣、偏高岭土的重量不同时为零，与此同时，还可以根据实际需要掺加适量的化学外加剂，如0.2%~3%的减水剂、0.05%~0.3%的消泡剂、0.003%~0.02%的引气剂、0.03%~0.3%的增稠剂等。

所述UHPFRC的拉应变为0.1%~0.5%，抗压强度为80~120 MPa，抗拉强度为8~12 MPa；UHTCC的拉应变为1%以上，抗压强度为30~60 MPa，抗拉强度为3~6 MPa。

所述预应力复合材料叠合大直径管桩的桩径为1200~1400 mm，壁厚为130~150 mm。

所述预应力复合材料叠合大直径管桩的UHPFRC厚度为90~120 mm，UHTCC控裂防护层厚度为30~50 mm。

所述钢板环箍的设置范围为桩顶300~500 mm，其厚度为3~5 mm。

所述钢管桩尖，其长度为0.6~1.2 m，内径与管桩内径相同。

本发明另一个所要解决的技术问题是提供一种上述预应力复合材料叠合大直径管桩的制造方法。为此，本发明采用以下技术方案：先进行管节制作然后拼装各管节成整桩，其中管节制作为先离心施工所述外层UHTCC控裂防护层，然后进行内层UHPFRC管桩的离心作业。

所述一种预应力复合材料叠合大直径管桩的制作具体包括以下步骤： 

(1) 拼装外模，吊装到离心机上，采用离心、振动、滚压相结合的方式进行外侧UHTCC控裂防护层的制作，作业完成后，将其吊装下来；

(2) 将制作好的钢筋笼放入外层UHTCC成形的外模内，布置预留孔道成形部件，将准备好的外套橡胶管钢管芯棒穿入两端外模端板的孔中，并在钢管芯棒端部用螺帽拧紧固定在端板外侧； 

(3) 再次将桩模吊装到离心机上，实施内层UHPFRC的离心施工作业；采用离心、振动、滚压相结合的施工工艺实现整个管节成形：首先边喂料边振动外模，喂料结束后，再采用边振动外模边辊压管桩内壁，而后以不小于73g的离心加速度进行离心处理，保证管壁进一步密实；

(4) 蒸汽养护与拆模。离心施工结束后，先在25~30^o温度下静置5~6小时，然后进行蒸汽养护。蒸汽养护完成后，抽出预埋的钢管芯棒以形成预留孔道。然后拆除外模，继续进行洒水养护，保证其充分水化； 

(5) 将钢管桩尖焊接在桩底管节的法兰盘上，然后进行各管节拼装；拼接前，将管节端面表层水泥浆磨除，用清洁剂清洗和耦联剂涂刷，并涂刷粘结剂，然后将纵向预应力筋穿过预留孔道，将其一端锚固在桩底法兰盘上，在其另一端分两次施加预应力，第一阶段取设计值的30%~40%，待粘结剂与管节成为一个整体时，再施加第二阶段的预应力至设计值；

(6) 对预留孔道注压水泥净浆；对预留孔道注入水泥净浆使得预应力筋与预留孔道间的空隙填充密实，注浆完成后并以0.4~0.6 MPa的压力保持2~3分钟，保证孔道浆体密实及其与纵向预应力筋之间的握裹力。

由于采用本发明的技术方案，本发明外侧应用一定厚度的针对本发明的超高韧性水泥基复合材料（UHTCC）、内侧应用针对本发明的超高性能纤维改性水泥基复合材料（UHPFRC）作为叠合基体，充分利用了UHTCC卓越的裂缝控制能力、优良的抗冲击性能以及耐久性能，以及UHPFRC的高强度、高韧性、高耐久性能的特点，不仅提高了桩体的抗裂、控裂能力、承载能力、以及抗腐蚀能力，保证了沉桩过程中桩身的完整性，而且显著降低了日常运行期间的维护费用，延长了管桩的使用寿命，具有显著的经济效益。与普通大管桩和PHC桩相比，外侧UHTCC层可有效约束内层UHPFRC有害裂缝的扩展，将其分散为多条微细裂缝，宽度限制在100 μm之内，保证其耐久性能。其次，UHTCC以及UHPFRC所具有的优良的冲击韧性，能够抵抗浪溅区海水的往复冲击作用，并且能够避免在沉桩过程中由于锤击作用而出现桩顶破坏以及桩身开裂等缺陷。与钢管桩相比，UHTCC和UHPFRC的优良的耐久性能使得叠合桩能够抵抗海洋环境下的腐蚀作用，而且免除日常维护，其使用寿命甚至可达100年。其次，在管桩端部设置一段钢管桩尖，可以有效提高其贯入能力，能够穿越比较密实的土层。

本发明所提供的制造方法使得在桩体外层UHTCC控裂防护层和内部UHPFRC紧密结合在一起，能够协同工作，构成体系，完全发挥UHTCC和UHPFRC的功效。

因此，本发明具有优良的力学性能、冲击韧性、耐久性能可使其广泛应用于耐久性要求很高的海洋以及江河等环境的地基处理。

附图说明

图1为本发明管桩的轴向截面示意图。

图2为图1的A-A剖视图。

图3为本发明管桩桩顶管壁放大示意图。

图4为图1的B-B剖视图。

图中：1：纵向预应力钢筋； 2：基体；3：控裂防护层；4：螺旋箍筋；5：钢板环箍；6：钢管桩尖；7：预留孔道；8：法兰盘；9：加劲板；10：管壁。

具体实施方式

参照附图。本发明所提供的一种预应力复合材料叠合大直径管桩包括钢管桩尖6和若干个管节；其中，各管节采用采用超高性能纤维改性水泥基复合材料UHPFRC作为基体2，并在基体2外侧设有超高韧性水泥基复合材料UHTCC控裂防护层3，在桩顶管节顶部外围设有钢板环箍5，桩底管节底端设有法兰盘8，管壁内配有螺旋箍筋4，并设置预留孔道7，通过张拉穿过预留孔道7的纵向预应力筋1将各管节拼接为一体，所述预留孔道7在纵向预应力筋1张拉完成后通过注压水泥净浆填充密实，钢管桩尖6与桩底管节法兰盘8通过焊接连接，并在钢管桩尖6与法兰盘8的相交部位设有加劲板9。

所述UHPPRC由砂浆基体内掺加增强纤维构成，增强纤维为短钢纤维，其体积掺量为UHPFRC总体积的1~2%，直径为0.2~0.5 mm、长度为13~15 mm、弹性模量为800~1800 MPa；砂浆基体的组分重量比为:水泥:硅灰:硅微粉:细骨料:减水剂:水=1: (0.1~0.25): (0.1~0.3): (1.0~1.2): (0.01~0.04): (0.2~0.35)；其中，细骨料由细砂与中砂组成，质量比为1: 9~7: 3，硅灰和硅微粉中的SiO₂含量均在92%以上，硅微粉可以用石英粉或石灰石粉替代。

所述管桩基体外围的UHTCC控裂防护层3由短纤维和砂浆基体组成，掺加的短纤维种类为聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维中的一种或几种，体积掺量为UHTCC总体积的1~3%；砂浆基体的组分重量比为水泥：水：精细骨料：粉煤灰：硅灰：粒化高炉矿渣：偏高岭土= 1:（0.27~2.2）:（0~3）:（0~6.9）:（0~0.3）：（0~0.55）：（0~0.4），精细骨料的最大粒径不大于0.5 mm；精细骨料、粉煤灰、硅灰、粒化高炉矿渣、偏高岭土的重量不同时为零，与此同时，还可以根据实际需要掺加适量的化学外加剂，如0.2%~3%的减水剂、0.05%~0.3%的消泡剂、0.003%~0.02%的引气剂、0.03%~0.3%的增稠剂等。

所述UHPFRC的拉应变为0.1%~0.5%，抗压强度为80~120 MPa，抗拉强度为8~12 MPa；UHTCC3的拉应变为1%以上，抗压强度为30~60 MPa，抗拉强度为4~6 MPa。

所述管桩的桩径为1200~1400 mm，壁厚为130~150 mm，管桩内层UHPFRC厚度为90~120 mm，外层UHTCC控裂防护层厚度为30~50 mm。

所述管桩在桩体顶部设置钢板环箍5，保证桩顶在锤击作用下不发生局部破，其设置范围为桩顶300~500 mm，其厚度为3~5 mm；其次，在桩底管节设置一段钢管桩尖6，提高管桩穿越密实的土层的能力，其长度为0.6~1.2 m，内径与管桩内径相同；

所述的一种预应力复合材料叠合大直径管桩的制造方法为先进行管节制作然后拼装各管节成整桩，其中，管节制作为先离心施工所述外层UHTCC控裂防护层，然后进行内层UHPFRC管桩的离心作业。

本发明所提供的预应力复合材料叠合大直径管桩的实施例如下：

1、管桩参数包括外径1200 mm，内径 910 mm，UHTCC厚30 mm，UHPFRC厚115 mm，预留16孔，预留孔直径40 mm，每孔配筋2Φ^s1×7，直径为15.2 mm，f _yk =1860 MPa，f _Uk=100 MPa（f _Uk为UHPFRC的标准抗压强度）。设置1 m长的钢管桩尖，其内径和壁厚分别为910 mm、16 mm；r₁、r₃分别为管桩内径、外径，r₂为外层UHTCC与内层UHPFRC之间的界面位置的半径。

2、此预应力复合材料叠合大直径管桩的制造步骤包括：

 (1) 所用UHTCC的砂浆基体成分的重量比为水泥：水：砂：粉煤灰：硅灰：减水剂：增稠剂= 1: 1.58: 1.5: 2.0: 0.15: 0.01: 0.002，并掺加体积掺量为2%的聚乙烯醇短纤维，砂的最大粒径为0.2 mm。

(2) 拼装外模，对于桩顶管节，要将4 mm厚的钢管环箍5固定在外模内，吊装到离心机上，首先进行外侧UHTCC控裂防护层的离心成形作业，作业完成后，吊离离心机至地面。

(3) 所用UHPFRC的砂浆基体成分的重量比为比为水泥：硅灰：石英粉：细砂：中砂：减水剂：水=1: 0.25: 0.3: 0.3: 0.8: 0.04: 0.25。水泥采用42.5硅酸盐水泥，钢纤维，体积掺量为2%，直径为0.3 mm、长度为13 mm、弹性模量为1200 Mpa。

(4) 在钢筋笼纵向钢筋上设置聚乙烯塑料定位卡子，将制作好的钢筋笼安置在外层UHTCC成形的管桩内。然后将带有橡胶管的钢管芯棒穿入两端外模端板的孔中，并用螺栓拧紧固定在外模端板外侧，保证内置钢筋笼与橡胶管不发生接触，完成桩模。对于桩底管节将20 mm厚的法兰盘固定在管节任一端部。

(5) 再次将桩模吊装到离心机上，实施内层UHPFRC的离心施工作业，采用离心、振动、滚压相结合的方式成形管节：首先采用低速离心边喂料边振动外模，再采用边振动外模边在管节内壁辊压使其致密，而后进行高速离心处理，使管壁中层UHPFRC产生不小于73g的离心加速度，使管节UHPFRC进一步的密实。

(6) 制作完成后，进行蒸汽养护。整个养护过程分为四个阶段，包括静养5~6小时、升温3小时、恒温养护36小时左右、降温6小时。在静养阶段，温度为25-30 ^oC；升温阶段，升温速度不大于10 ^oC/h；恒温养护阶段，蒸汽温度不超过45 ^oC，桩体内部温度不超过60 ^oC，最大不超过65 ^oC；降温阶段，以不宜高于10 ^oC/h降温速度降至与室外相当的温度。蒸汽养护完成后，抽出预埋的钢管芯棒以形成预留孔道，然后拆除管桩外模，继续浇水养护一周，保证充分水化。

(7) 将钢管桩尖焊接在桩底管节的法兰盘上，然后进行各管节拼接成整桩。拼接前，将管节端面表层水泥浆磨除，用清洁剂清洗及耦联剂涂刷，并涂刷界面粘结剂。然后将纵向预应力筋穿过预留孔道，将其一端锚固在桩底法兰盘上，在其另一端分两次施加预应力，第一阶段取设计值的30%~40%，待粘结强度达到一定的强度即与管节成为一整体时，再施加第二阶段的预应力至设计值，以确保管桩接缝的粘结剂和桩身混凝土处于相同预应力值。

(8) 对预留孔道注压水泥净浆。采用由高速搅拌机拌制的水灰比0.32左右的高流动度、低泌水率的水泥净浆注入预留孔道使得孔壁与预应力筋之间的空隙填充密实；作业过程为先压下层孔道后上孔道，由桩的一端向另一端缓慢、均匀地注浆，注浆完成后再保持0.5 MPa的压力3分钟，确保浆体的密实性及其与预应力筋之间的握裹力。

Claims (10)

1.一种预应力复合材料叠合大直径管桩，其特征在于：所述管桩包括钢管桩尖和若干个管节；其中，各管节采用采用超高性能纤维改性水泥基复合材料UHPFRC作为基体，并在基体外侧设有超高韧性水泥基复合材料UHTCC控裂防护层，在桩顶管节顶部外围设有钢板环箍，桩底管节底端设有法兰盘，管壁内配有螺旋箍筋，并设置预留孔道，通过张拉穿过所述预留孔道的纵向预应力筋将各管节拼接为一体，所述预留孔道在纵向预应力筋张拉完成后通过注压水泥净浆填充密实，钢管桩尖与桩底管节法兰盘通过焊接连接，并在钢管桩尖与法兰盘的相交部位设有加劲板。

2.如权利要求1所述的一种预应力复合材料叠合大直径管桩，其特征在于所述UHPPRC由砂浆基体内掺加增强纤维构成，增强纤维为短钢纤维，其体积掺量为UHPPRC总体积的1~2%，直径为0.2~0.5 mm、长度为13~15 mm、弹性模量为800~1800 MPa；砂浆基体的组分重量比为:水泥:硅灰:硅微粉:细骨料:减水剂:水=1: (0.1~0.25): (0.1~0.3): (1.0~1.2): (0.01~0.04): (0.2~0.35)；其中，细骨料由细砂与中砂组成，质量比为1: 9 ~ 7: 3，硅微粉可以用石英粉或石灰石粉替代。

3.如权利要求1所述的一种预应力复合材料叠合大直径管桩，其特征在于管桩基体外围的UHTCC控裂防护层由短纤维和砂浆基体组成，掺加的短纤维种类为聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维中的一种或几种，体积掺量为UHTCC总体积的1~3%；砂浆基体的组分重量比为水泥：水：精细骨料：粉煤灰：硅灰：粒化高炉矿渣：偏高岭土= 1:（0.27~2.2）:（0~3）:（0~6.9）:（0~0.3）：（0~0.55）：（0~0.4），精细骨料的最大粒径不大于0.5 mm；精细骨料、粉煤灰、硅灰、粒化高炉矿渣、偏高岭土的重量不同时为零。

4.如权利要求1所述的一种预应力复合材料叠合大直径管桩，其特征在于所述UHPFRC的拉应变为0.1%~0.5%，抗压强度为80~120 MPa，抗拉强度为8~12 MPa；UHTCC的拉应变为1%以上，抗压强度为30~60 MPa，抗拉强度为3~6 Mpa。

5.如权利要求1所述的一种预应力复合材料叠合大直径管桩，其特征在于所述叠合大直径管桩的桩径为1200~1400 mm，壁厚为130~150 mm。

6.如权利要求1所述的一种预应力复合材料叠合大直径管桩，其特征在于所述叠合大直径管桩的UHPFRC厚度为90~120 mm，UHTCC控裂防护层厚度为30~50 mm。

7.如权利要求1所述的一种预应力复合材料叠合大直径管桩，其特征在于所述钢板环箍的设置范围为桩顶300~500 mm，其厚度为3~5 mm。

8.如权利要求1所述的一种预应力复合材料叠合大直径管桩，其特征在于所述钢管桩尖，其长度为0.6~1.2 m，内径与管桩内径相同。

9.一种权利要求1所述的一种预应力复合材料叠合大直径管桩的制造方法，其特征在于先进行管节制作然后拼装各管节成整桩，其中管节制作为先离心施工所述外层UHTCC控裂防护层，然后进行内层UHPFRC基体的离心作业。

10.一种权利要求9所述的一种预应力复合材料叠合大直径管桩的制造方法，其特征在于所述叠合管桩制作具体包括以下步骤：

 (1) 拼装外模，吊装到离心机上，采用离心、振动、滚压相结合的方式进行外侧UHTCC控裂防护层的制作，作业完成后，将其吊装下来；

(2) 将制作好的钢筋笼放入外层UHTCC成形的外模内，布置预留孔道成形部件，将准备好的外套橡胶管钢管芯棒穿入两端外模端板的孔中，并在钢管芯棒端部用螺帽拧紧固定在端板外侧，形成桩模； 

(3) 再次将桩模吊装到离心机上，实施内层UHPFRC的离心施工作业；采用离心、振动、滚压相结合的施工工艺实现整个管节成形：首先边喂料边振动外模，喂料结束后，再采用边振动外模边辊压管桩内壁，而后以不小于73g的离心加速度进行离心处理，保证管壁进一步密实；

(4) 蒸汽养护与拆模；

离心施工结束后，先在25~30^o温度下静置5~6小时，然后进行蒸汽养护，蒸汽养护完成后，抽出预埋的钢管芯棒以形成预留孔道，然后拆除外模，继续进行洒水养护，保证其充分水化；

(5) 将钢管桩尖焊接在桩底管节的法兰盘上，然后进行各管节拼装；拼接前，将管节端面表层水泥浆磨除，用清洁剂清洗和耦联剂涂刷，并涂刷粘结剂，然后将纵向预应力筋穿过预留孔道，将其一端锚固在桩底法兰盘上，在其另一端分两次施加预应力，第一阶段取设计值的30%~40%，待粘结剂与管节成为一个整体时，再施加第二阶段的预应力至设计值；

(6) 对预留孔道注压水泥净浆；对预留孔道注入水泥净浆使得预应力筋与预留孔道间的空隙填充密实，注浆完成后并以0.4~0.6 MPa的压力保持2~3分钟，保证孔道浆体密实及其与纵向预应力筋之间的握裹力。

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