CN102864739B - 一种环保型隔震橡胶支座及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环保型隔震橡胶支座，包括：相互对置并通过套筒螺栓与所支撑结构相连的外连接钢板；以及由交替层叠的加劲钢板和高阻尼橡胶层共同构成的支座本体，该支座本体的上下端面分别通过封板与外连接钢板相联接的芯体，并且其中高阻尼橡胶层的组分及质量百分比为：40%~50%的丁腈橡胶、3%~4%的填充补强剂、2%~3%的增塑剂、1%~1.5%的促进剂、2%~2.5%的防老剂，以及40%~50%的纳米级硬沥青颗粒。本发明还公开了相应的制造方法。通过本发明，能够有效实现隔震支座的超高阻尼比，并且与传统的铅芯隔震橡胶支座相比由于去掉了铅芯因此具有环保性，同时实现对桥梁等工程结构的减震，而且具备高耐久、耐低温、无铅环保、成本低以及便于加工制造等优点。

Description

一种环保型隔震橡胶支座及其制造方法

技术领域

本发明属于工程减振技术领域，更具体地，涉及一种环保型并具备超高阻尼比的隔震橡胶支座及其制造方法。

背景技术

隔震橡胶支座是一种由多层天然橡胶与薄钢板镶嵌、粘合、硫化形成的桥梁支座产品。该类型的橡胶支座有足够的竖向刚度以承受垂直荷载，能将上部构造的压力可靠地传递给墩台；此外，有良好的弹性以适应梁端的转动，并具有较大的剪切变形以满足上部构造的水平位移。目前国内在用的隔震橡胶支座主要包括普通橡胶支座、铅芯橡胶支座和普通高阻尼橡胶支座等。

如图1中所示，显示了常规的普通橡胶支座的结构。这种橡胶支座将多层钢板1分布镶嵌在橡胶2中制成，其上下表面都为橡胶层，整体表现为矩形或圆形截面形状。由于与桥梁粱底没有直接连接，因此此支座易出现打滑现象，影响桥梁结构安全。尤其当发生地震时，由于支座与桥梁没有连接成在一起，容易出现支座滑移、脱落等情况，不能起到隔震作用。此外，这种橡胶支座的阻尼比一般只有5%左右，隔震能力差，难以降低结构的地震反应。

图2中显示了现有技术的铅芯隔震橡胶支座的结构。如图2中所示，该铅芯橡胶支座包括上下两层的外连接钢板1’，支座芯体通过上下封板2’分别与外连接钢板1’联接，并在封板与外连接钢板之间设置有剪切键5’以便带动支座产生水平方向上的相对位移。所述支座芯体由橡胶层6’和用于提高竖向承载力的加劲钢板3’交错层叠形成，并沿着竖直方向插有多个铅芯棒4’以便进一步提高支座整体的阻尼性能。对于支座整体，可表现为矩形或圆形截面形状。其中铅芯层4’直接套合在两层外连接钢板之间，而加劲钢板3’同样通过封板2’并使用内六角螺钉7’与外连接钢板1’相联接。在完成外连接钢板及其芯体的组装之后，通过套筒螺栓8’分别与桥梁的梁底、以及桥墩的墩顶相连，由此作为桥梁支座起到减振作用。这种铅芯橡胶支座具备普通橡胶支座的性能，同时解决了普通橡胶支座在抗震方面所存在的不足。然而，为提高支座的阻尼比，需要在支座中加入铅芯以达到降低结构地震反应的效果。但是铅是重污染金属，无论在生产过程还是使用过程中铅金属会外漏对环境造成较大的污染，目前国内外已经对铅的使用有很严格的限制，因此铅芯橡胶支座对与当今环保趋势相违背。

图3中显示了现有技术的普通高阻尼隔震橡胶支座的结构。如图3中所示，该橡胶支座包括上下两层外连接钢板11，芯体（该芯体由加劲钢板13和高阻尼橡胶层15交替层叠形成）通过上下封板12并使用内六角螺钉16分别与外连接钢板11联接，并在封板与外连接钢板之间设置有剪切键14。在完成对外连接钢板及其芯体的组装之后，通过套筒螺栓17与桥梁梁底相连。对于这种橡胶支座而言，无需加入铅芯就能达到较好的隔震效果，其阻尼比可达15%以上。然而，其滞回曲线不饱满，耗能能力较差，因此其隔震能力虽比一般普通橡胶支座略有提高，但是效果还是低于铅芯橡胶支座的性能，不能完全满足结构减震的需要；此外，由于它采用了大量的非环保添加剂来改善橡胶的阻尼性能，相应在制造工艺及适用性等方面存在局限。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷和技术需求，本发明的目的在于提供一种环保型超高阻尼隔震橡胶支座及其制造方法，该隔震橡胶支座能够有效实现对桥梁等结构的减震和高阻尼比，而且具备高耐久、耐低温、低碳环保、成本低以及便于加工制造等优点。

按照本发明的一个方面，提供了一种环保型隔震橡胶支座，该隔震橡胶支座包括：

外连接钢板，所述外连接钢板为相互对置的上下两层，并通过套筒螺栓与所支撑结构相连；

支座本体，该支座本体由交替层叠的加劲钢板和超高阻尼橡胶层共同构成，其上、下端面分别通过封板与所述外连接钢板相联接，其中超高阻尼橡胶层的组分及质量百分比如下：

40%~50%的丁腈橡胶、3%~4%的填充补强剂、2%~3%的增塑剂、1%~1.5%的促进剂、2%~2.5%的防老剂，以及40%~50%的纳米级硬沥青颗粒。

通过对环保型隔震橡胶支座本体中的橡胶层成分及质量百分比进行以上设定，经过较多试验和实践表明，所获得的橡胶支座阻尼比可高达20%以上，低碳环保、成本低且便于制造，适于各种低温和耐油性高的场合。尤其是，用于取代目前非环保材料的纳米级硬沥青颗粒可以使丁腈橡胶胶料在微观上对橡胶分子进行分层，打破了原有的分子链，同时硬沥青颗粒与橡胶分子间通过层与层的连接可产生较大的阻尼效应；此外，由于该橡胶层内部不存在传统合成胶料的橡胶分子与添加物之间形成的分子链，因而即便在低温下也不易产生结晶现象，试验证明零下20度时仍具备良好的阻力性能，而且当温度变化和交通荷载作用时也不会产生疲劳剪切破坏。

作为进一步优选地，所述填充补强剂为湿式云母粉，增塑剂为硬脂酸，促进剂为促进剂DM和促进剂TT的混合物，防老剂为4010NA、RD和RP-3型防护蜡的混合物。

通过对以上成分类型的具体限定，能够便于橡胶层的制备加工操作，并且所制得的环保型超高阻尼隔震橡胶支座具备较高的竖向承载能力和水平变形能力，当地震发生时呈现良好的可复位性；其中湿式云母粉与常规的炭黑填充剂相比，能够有效提高丁腈橡胶的曲挠性能和耐热老化性能；促进剂TT本身也可起到硫化作用，能够制备耐热老化性能好的胶种，而促进剂RD的配合使用可提高硫化后效性；此外，防老剂4010NA、RD和RP-3型防护蜡的配合使用能够有效提供对热、氧、臭氧的有效防护，并避免老化和曲挠龟裂，因而尤其适用于环保型超高阻尼隔震橡胶支座的用途，并可提供更长的使用寿命。

作为进一步优选地，所述丁腈橡胶中的丙烯腈含量为36%~42%，所述纳米级硬沥青颗粒的尺寸为100nm~300nm。

丁腈橡胶作为丁二烯和丙烯腈的共聚物，通常采用乳液聚合法来制造，其中丙烯腈的含量对丁腈橡胶的性能影响很大，本发明通过试验和比较，选用含量较高的丙烯腈，这样所制得的橡胶支座密度大、胶料硫化性好、耐磨耗，并且具备更大的定伸应力和拉伸强度；此外，通过对沥青颗粒的尺寸进行以上具体限定，试验数据表明能够与丁腈橡胶分子更为均匀地相互嵌入，并产生更大的阻尼效应。

作为进一步优选地，所述橡胶支座为尺寸范围为350mm*350mm~1620mm*1620mm的正方形截面形状，或者直径范围为300mm~1700mm的圆形截面形状，在100%应变时其等效阻尼比可以达到为20%以上。

通过对所制得的环保型隔震橡胶支座的形状及尺寸进行以上具体限定，便于大批量的加工制造，并能够适用于支撑各种常规的桥梁梁底以及桥墩墩顶；另一方面，20%以上的高阻尼比能够保证对支撑结构提供更好的隔震作用。

作为进一步优选地，各个所述封板与其联接的外连接钢板构成一体化结构，并在其之间设置有剪切键。

通过将封板与外连接钢板构成一体化结构，能够简化支座结构，便于支座的生产、装配和维护；此外，通过在封板与外连接钢板之间设置剪切键，能够便于带动支座产生水平方向上的相对位移，相应提供支座抗水平荷载的能力。

按照本发明的另一方面，还提供了相应的隔震橡胶支座制造方法，该方法包括：

（a）丁腈橡胶胶片的制备步骤：

将40%~50%重量百分比的丁腈橡胶、3%~4%重量百分比的填充补强剂、2%~3%重量百分比的增塑剂、1%~1.5%的促进剂、2%~2.5%的防老剂，以及40%~50%的纳米级硬沥青颗粒加热混炼，然后根据所需尺寸采用压辊压延出品并剪切成半成品胶片；

（b）胶片和钢板的贴合成型步骤：

按照所需尺寸冲裁出钢板，经表面喷砂或酸洗处理后与步骤（a）所制得的胶片相贴合并交替层叠，由此形成橡胶支座芯体；

（c）硫化处理和装配步骤：

将步骤（b）所形成的橡胶支座芯体装入模具中执行加热和硫化处理，然后修剪处理并在其上下端面通过封板与外连接钢板相联接，由此形成橡胶支座成品。

通过以上工艺流程，能够以低成本、便于操作的方式制造出环保型并且具备超高阻尼比的橡胶支座，并适于大批量生产；此外，该橡胶支座即便在低温环境下仍具备良好的阻力性能，并提供更好的隔震作用。

作为进一步优选地，在步骤（a）中，可以在压辊表面上涂覆低分子聚乙烯材料，以防止压延过程中的粘辊现象。

由于在胶片制备步骤中向丁腈橡胶中添加有纳米级硬沥青颗粒及其他组剂，在拥有较大阻尼性能的同时也可能会带来粘辊现象，因此研究开发出在压辊表面涂覆分子量为500~5000范围内的聚乙烯材料，这样能够取得较好的托辊效果，并有助于较快地制作按照本发明的丁腈橡胶胶片。

作为进一步优选地，在步骤（c）中，加热硫化的温度范围为157℃~172℃，其硫化时间为硫化系数*（1.7*橡胶层的总厚度+0.35*加劲钢板的总厚度），其中硫化系数取值范围是0.8～0.9，橡胶层和加劲钢板的厚度单位是毫米，硫化时间的单位是分钟。

由于丁腈橡胶层中添加有纳米级硬沥青颗粒，为取得更好的硫化效果，经过大量的试验和对比，可以将加热硫化的温度设定为壁传统的硫化温度更高，并按照以上公式对其硫化工艺参数进行限定；此外，虽然加热温度提高，但硫化时间比传统的支座硫化时间要减少10%~15%，因而能够提高最终橡胶支座的综合性能。

总体而言，按照本发明的环保型隔震橡胶支座及其制造方法与现有技术相比，主要具备以下的优点：

1、通过向丁腈橡胶中添加纳米级硬沥青颗粒及其他组剂，纳米级硬沥青颗粒会对橡胶分子产生分层效应，而且它们之间也会产生物理和机械方面的阻尼效应，这样能够取代现有技术中传统树脂类添加剂的化学阻尼效应，并提供高达20%以上的阻尼比；

2、通过对支座结构及其高阻尼橡胶层成分进行改进，能够取代现有技术中所采用的非环保材料，同时提供低碳环保、高耐久、隔震能力优秀的产品；此外，由于其受温度和其他外界环境条件的影响较小，因而更适用于低温环境，能够提高硬度并适用于更多不同场合；

3、按照本发明的橡胶支座结构，一方面易于取得原材料和超高阻尼橡胶层的加工，同时能降低制造成本，另一方面便于橡胶支座的整体制造、装配和维护，并提供更好的隔震作用。

附图说明

图1是用于显示现有技术的普通橡胶支座的结构示意图；

图2是用于显示现有技术的铅芯橡胶支座的结构示意图；

图3是用于显示现有技术的普通高阻尼橡胶支座的结构示意图；

图4是用于显示按照本发明的环保型高阻尼橡胶支座的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参见图4，图4中显示了按照本发明的环保型隔震橡胶支座的组成结构。该橡胶支座包括外连接钢板101、以及被夹持在外连接钢板101之间的芯体。外连接钢板101为相互对置的上下两层，并通过多个套筒螺栓107与譬如桥梁梁底、桥墩墩顶之类的所支撑结构相连；支座本体由交替层叠的加劲钢板103和高阻尼橡胶层105共同构成，并且其上、下端面分别通过封板102和譬如内六角螺钉的连接件106与外连接钢板101相联接。对于整体的橡胶支座而言，它可以为尺寸范围为350mm*350mm~1620mm*1620mm的正方形截面形状，或者直径范围为300mm~1700mm的圆形截面形状。在一个优选实施例中，可以在各个封板102与其联接的外连接钢板101之间设置有剪切键104，以便带动支座产生水平方向上的相对位移，并相应提供支座抗水平荷载的能力。此外，各个封板102与其联接的外连接钢板101还可以构成一体化结构，由此在生产硫化过程中不易烧边，同时便于支座的生产、装配和维护。

考虑到现有技术中的各种隔震橡胶支座存在阻尼比不高、污染环境以及制造工艺和适用性等方面的不足，本发明中所提供的环保型隔震橡胶支座中着重对橡胶层配方及制造流程等方面进行改进，经过大量的试验和对比研究，本发明中所采用的高阻尼橡胶层的组分及质量百分比为：40%~50%的丁腈橡胶、3%~4%的填充补强剂、2%~3%的增塑剂、1%~1.5%的促进剂、2%~2.5%的防老剂，以及40%~50%的纳米级硬沥青颗粒。其中，在优选实施例中，填充补强剂可以选择为湿式云母粉，增塑剂为硬脂酸，促进剂可选择为促进剂DM（二硫化二苯并噻唑）和促进剂TT（二硫化四甲基秋兰姆）的混合物，防老剂为4010NA（N-苯基-N'-基对苯二胺）、RD（主要有效成分为2，2，4-三甲基-1，2-二氢化喹啉的二、三、四聚体））和RP-3型防护蜡的混合物。然而本领域的技术人员容易理解，这些组剂可以根据具体性能需要进行适当调整及不同组合，例如填充补强剂还可以选择炭黑、碳酸钙等；增塑剂还可以选择邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛脂、磷酸三甲苯酯等；促进剂还可以选择醛胺类促进剂H（六亚甲基四胺）、秋兰姆类促进剂、噻唑类促进剂M（2-硫醇基苯骈噻唑）等；防老剂还可以选择防老剂D（N-苯基-2-萘胺）、BLE（丙酮与二苯胺高温缩合物）等。对于作为主要成分的丁腈橡胶和纳米级硬沥青颗粒（其为重质油经深度脱油获得轻组分原料后的副产品，常温下为硬脆固体或粉末，高温下为粘稠状半流体），在一个优选实施例中，丁腈橡胶中丙烯腈含量为36%~42%，纳米级硬沥青颗粒的尺寸为100nm~300nm，以便提高支座胶层密度、改善硫化效果并产生更大的阻尼效应。

以下是本发明的优选的一些具体实施例。

实施例1

将40%质量百分比的丁腈橡胶、3%质量百分比的湿式云母粉、3%质量百分比的硬脂酸、1.5%质量百分比的促进剂、2.5%质量百分比的防老剂，以及50%质量百分比的硬沥青颗粒加热混炼，其中丁腈橡胶中丙烯腈含量为36%，硬沥青颗粒的平均尺寸约为170纳米，促进剂中具体包含1.3%质量百分比左右的促进剂DM和0.2%质量百分比左右的促进剂TT，防老剂中具体包含0.8%量百分比的防老剂4010NA、0.5%量百分比的防老剂RD，以及1.2%量百分比的RP-3型防护蜡；然后根据采用压辊压延出品并剪切成350mm*350mm、厚度为4mm规格的半成品胶片；

接着按照350mm*350mm规格冲裁出2mm的钢板，经表面喷砂或酸洗处理后与半成品胶片相贴合并交替层叠，外层包裹10mm厚的天然橡胶保护层，由此形成橡胶层总厚度为44mm（11层胶片和10层钢板），外形尺寸为370mm*370mm、高度为124mm（上下封板分别为20mm）的橡胶支座本体；

最后将芯体装入模具中执行加热和硫化处理，其中加热硫化的温度为157℃，硫化时间为71分钟，然后修剪处理并在其上下端面通过封板与外连接钢板相联接，由此形成橡胶支座成品。

实施例2

将45%质量百分比的丁腈橡胶、4%质量百分比的湿式云母粉、3%质量百分比的硬脂酸、1%质量百分比的促进剂、2%质量百分比的防老剂，以及45%质量百分比的硬沥青颗粒加热混炼，其中丁腈橡胶中丙烯腈含量为42%，硬沥青颗粒的平均尺寸约为300纳米，促进剂中具体包含0.9%质量百分比左右的促进剂DM和0.1%质量百分比左右的促进剂TT，防老剂中具体包含0.7%的防老剂4010NA、0.4%的防老剂RD，以及0.9%的RP-3型防护蜡；然后根据采用压辊压延出品并剪切成700mm*700mm、厚度为8mm规格的半成品胶片；

接着按照700mm*700mm规格冲裁出3mm钢板，经表面喷砂或酸洗处理后与半成品胶片相贴合并交替层叠，外层包裹10mm厚的天然橡胶保护层，由此形成橡胶层总厚度为64mm（8层胶片和7层钢板），外形尺寸为720mm*720mm、高度为135mm（上下封板分别为25mm）的橡胶支座本体；

最后将芯体装入模具中执行加热和硫化处理，其中加热硫化的温度为165℃，硫化时间为100分钟，然后修剪处理并在其上下端面通过封板与外连接钢板相联接，由此形成橡胶支座成品。

实施例3

将50%质量百分比的丁腈橡胶、3%质量百分比的湿式云母粉、3%质量百分比的硬脂酸、1.5%质量百分比的促进剂、2.5%质量百分比的防老剂，以及40%质量百分比的硬沥青颗粒加热混炼，其中丁腈橡胶中丙烯腈含量为38%，硬沥青颗粒的平均尺寸约为100纳米，促进剂中具体包含1.3%质量百分比左右的促进剂DM和0.2%质量百分比左右的促进剂TT，防老剂中具体包含0.8%的防老剂4010NA、0.5%的防老剂RD，以及1.2%的RP-3型防护蜡；然后根据采用压辊压延出品并剪切成1600mm*1600mm、厚度为10mm规格的半成品胶片；

接着按照1600mm*1600mm规格冲裁出4mm钢板，经表面喷砂或酸洗处理后与半成品胶片相贴合并交替层叠，外层包裹10mm厚的天然橡胶保护层，由此形成橡胶层总厚度为80mm（8层胶片和7层钢板），外形尺寸为1620mm*1620mm、高度为168mm（上下封板分别为30mm）的橡胶支座本体；

最后将芯体装入模具中执行加热和硫化处理，其中加热硫化的温度为172℃，硫化时间为128分钟，然后修剪处理并在其上下端面通过封板与外连接钢板相联接，由此形成橡胶支座成品。

实施例4

将45%质量百分比的丁腈橡胶、4%质量百分比的湿式云母粉、2%质量百分比的硬脂酸、1.5%质量百分比的促进剂、2.5%质量百分比的防老剂，以及45%质量百分比的硬沥青颗粒加热混炼，其中丁腈橡胶中丙烯腈含量为40%，硬沥青颗粒的平均尺寸约为120纳米，促进剂中具体包含1.3%质量百分比左右的促进剂DM和0.2%质量百分比左右的促进剂TT，防老剂中具体包含0.8%的防老剂4010NA、0.5%的防老剂RD，以及1.2%的RP-3型防护蜡；然后根据采用压辊压延出品并剪切成直径为1700mm、厚度为12mm规格的半成品胶片；

接着按照直径1700mm的圆形规格冲裁出4mm钢板，经表面喷砂或酸洗处理后与半成品胶片相贴合并交替层叠，外层包裹10mm厚的天然橡胶保护层，由此形成橡胶层总厚度为120mm（10层胶片和9层钢板），外形尺寸为1720mm*1720mm、高度为216mm（上下封板分别为30mm）的橡胶支座本体；

最后将芯体装入模具中执行加热和硫化处理，其中加热硫化的温度为165℃，硫化时间为133分钟，然后修剪处理并在其上下端面通过封板与外连接钢板相联接，由此形成橡胶支座成品。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种环保型隔震橡胶支座，该隔震橡胶支座包括：

外连接钢板，所述外连接钢板为相互对称的上下两层，并通过套筒螺栓与所支撑结构相连；

支座本体，该支座本体由交替层叠的加劲钢板和高阻尼橡胶层共同构成，其上、下端面分别通过封板与所述外连接钢板相联接，其中高阻尼橡胶层的组分及质量百分比如下：

40%～50%的丁腈橡胶、3%～4%的填充补强剂、2%～3%的增塑剂、1%～1.5%的促进剂、2%～2.5%的防老剂，以及40%～50%的纳米级硬沥青颗粒。

2.如权利要求1所述的环保型隔震橡胶支座，其特征在于，所述填充补强剂为湿式云母粉，增塑剂为硬脂酸，促进剂为促进剂DM和促进剂TT的混合物，防老剂为4010NA、RD和RP-3型防护蜡的混合物。

3.如权利要求1或2所述的环保型隔震橡胶支座，其特征在于，所述丁腈橡胶中的丙烯腈含量为36%～42%，所述纳米级硬沥青颗粒的尺寸为100nm～300nm。

4.如权利要求1所述的环保型隔震橡胶支座，其特征在于，所述橡胶支座为尺寸范围为350mm*350mm～1620mm*1620mm的正方形截面形状，或者直径范围为300mm～1700mm的圆形截面形状，并且在100%应变时其等效阻尼比为20%以上。

5.如权利要求1所述的环保型隔震橡胶支座，其特征在于，各个所述封板与其联接的外连接钢板构成一体化结构，并在封板与外连接钢板之间设置有剪切键，由此承担水平剪力。

6.一种用于制造如权利要求1-5任意一项所述的环保型隔震橡胶支座的支座本体的方法，该方法包括：

（a）丁腈橡胶胶片的制备步骤：

将40%～50%重量百分比的丁腈橡胶、3%～4%重量百分比的填充补强剂、2%～3%重量百分比的增塑剂、1%～1.5%的促进剂、2%～2.5%的防老剂，以及40%～50%的纳米级硬沥青颗粒加热混炼，然后根据所需尺寸采用压辊压延出品并剪切成半成品胶片；

（b）胶片和钢板的贴合成型步骤：

按照所需尺寸冲裁出钢板，经表面喷砂或酸洗处理后与步骤（a）所制得的胶片相贴合并交替层叠，由此形成橡胶支座芯体；

（c）硫化处理和装配步骤：

将步骤（b）所形成的橡胶支座芯体装入模具中执行加热和硫化处理，然后修剪处理并在其上下端面通过封板与外连接钢板相联接，由此形成橡胶支座成品。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在步骤（a）中，在压辊表面上涂覆低分子聚乙烯材料，以防止压延过程中的粘辊现象。

8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，在步骤（c）中，加热硫化的温度范围为157℃～172℃，其硫化时间为硫化系数*（1.7*橡胶层的总厚度+0.35*加劲钢板的总厚度），其中硫化系数取值范围是0.8～0.9，橡胶层和加劲钢板的厚度单位是毫米，硫化时间的单位是分钟。

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