CN111094210A - 轻质泡沫混凝土 - Google Patents

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Abstract

一种泡沫混凝土，其具有包括水泥、砂子、密度在1400kg/m3至1600kg/m3范围内的粗骨料、水和泡沫溶液的成分。泡沫溶液包含发泡剂和发泡水。泡沫混凝土的抗压强度为至少20MPa，导热系数小于0.40W/mK，并且最大干重为2000kg/m3。

Description

轻质泡沫混凝土
技术领域
本公开涉及一种泡沫混凝土。更具体而言，本公开涉及一种使用粗骨料和泡沫的轻质混凝土组合物及其制备方法。
背景技术
混凝土可以用于各种建筑目的。轻质混凝土被定义为密度低(例如低于1,600kg/m3)的混凝土。这种类型的混凝土通常用于需要降低结构元件的重量的情况中。一些现有的轻质混凝土的抗压强度低，因此不能用于承重的混凝土应用，如结构部件。为了提供足够的抗压强度，可以将重量较大的混凝土(如常规混凝土)用于承重的混凝土部件。然而，常规混凝土的导热系数较高且重量较大，因而使用重量较大的混凝土或较大量的混凝土会导致结构沉重或笨重。
发明内容
本公开的实施方案提供了一种轻质泡沫混凝土，该轻质泡沫混凝土的导热系数低于常用的常规普通重量混凝土和轻质混凝土，并且具有高于现有的轻质混凝土或泡沫混凝土的抗压强度。本文所述的组合物和方法提供了这样的泡沫混凝土，该泡沫混凝土可以用于制造细长的结构构件，并且与一些现有的混凝土相比，结构构件的尺寸减小降低了建筑物的总成本。所公开的泡沫混凝土的抗压强度足够高，以使得该泡沫混凝土能够用于结构目的以及用于砌筑单元、砖块和绝缘材料。此外，所开发的组合物的导热系数低于常规混凝土和一些现有的轻质混凝土的导热系数，由于所开发的组合物的高耐热性，因而可以实现显著的能量节约。
在本公开的一个实施方案中，泡沫混凝土的成分包含：水泥；砂子、密度在1400kg/m3至1600kg/m3范围内的粗骨料、水和泡沫溶液。泡沫溶液包含发泡剂和发泡水。所开发的泡沫混凝土的抗压强度为至少20MPa，导热系数小于0.40W/mK，并且最大干重为2000kg/m3。
在可供选择的实施方案中，泡沫混凝土可以不含额外的添加剂，并且可以不含粉煤灰、增塑剂和纤维。泡沫混凝土的干重可以为约1690kg/m3。泡沫溶液可以包含以下比例的发泡剂和发泡水：约175体积份的发泡剂:约2500体积份的发泡水。泡沫混凝土可以不含引气剂。基于泡沫混凝土的重量，水泥连同水一起可以占泡沫混凝土的成分的75.0重量％至76.7重量％。泡沫混凝土的抗压强度可以为约27.5MPa。
在其他可供选择的实施方案中，泡沫混凝土的成分可以包含各自基于泡沫混凝土的重量的：
含量为泡沫混凝土的成分的55.6重量％至57.8重量％的水泥；
含量为泡沫混凝土的成分的11.1重量％至11.5重量％的砂子；
含量为泡沫混凝土的成分的11.1重量％至11.5重量％的粗骨料；
含量为泡沫混凝土的成分的17.9重量％至21.1重量％的水；和
含量为泡沫混凝土的成分的1.1重量％至2.8重量％的泡沫溶液。
还在其他可供选择的实施方案中，泡沫混凝土的成分包含各自基于泡沫混凝土的重量的：
含量为泡沫混凝土的成分的约57.8重量％的水泥；
含量为泡沫混凝土的成分的约11.5重量％的砂子；
含量为泡沫混凝土的成分的约11.5重量％的粗骨料；
含量为泡沫混凝土的成分的约17.9重量％的水；和
含量为泡沫混凝土的成分的约2.24重量％的泡沫溶液。
在本公开的另一个实施方案中，泡沫混凝土的成分包括各自基于泡沫混凝土的重量的：
含量为泡沫混凝土的成分的55.6重量％至57.8重量％的水泥；
含量为泡沫混凝土的成分的11.1重量％至11.5重量％的砂子；
含量为泡沫混凝土的成分的11.1重量％至11.5重量％的粗骨料，该粗骨料的密度在1400kg/m3至1600kg/m3的范围内；
含量为泡沫混凝土的成分的17.9重量％至21.1重量％的水；和
含量为泡沫混凝土的成分的1.1重量％至2.8重量％的泡沫溶液。
在可供选择的实施方案中，泡沫混凝土的抗压强度可以为约27.5MPa，导热系数可以为约0.389W/mK并且干重可以为约1690kg/m3。泡沫溶液可以包含以下比例的发泡剂和发泡水：约175体积份的发泡剂:约2500体积份的发泡水，并且泡沫混凝土可以不含引气剂。
在本公开的另一个实施方案中，形成泡沫混凝土的方法包括将水泥、砂子、密度在1400kg/m3至1600kg/m3范围内的粗骨料和水混合在一起。添加包含发泡剂和发泡水的泡沫溶液，以得到抗压强度为至少20MPa、导热系数小于0.40W/mK并且最大干重为2000kg/m3的泡沫混凝土。
在可供选择的实施方案中，泡沫混凝土可以不含粉煤灰、增塑剂、纤维和引气剂。泡沫混凝土的干重可以为约1690kg/m3。泡沫溶液可以包含以下比例的发泡剂和发泡水：约175体积份的发泡剂:约2500体积份的发泡水。基于泡沫混凝土的重量，水泥连同水一起可以占泡沫混凝土的成分的75.0重量％至76.7重量％。
在可供选择的实施方案中，泡沫混凝土的成分包含各自基于泡沫混凝土的重量的：
含量为泡沫混凝土的成分的55.6重量％至57.8重量％的水泥；
含量为泡沫混凝土的成分的11.1重量％至11.5重量％的砂子；
含量为泡沫混凝土的成分的11.1重量％至11.5重量％的粗骨料；
含量为泡沫混凝土的成分的17.9重量％至21.1重量％的水；和
含量为泡沫混凝土的成分的1.1重量％至2.8重量％的泡沫溶液。
在其他可供选择的实施方案中，泡沫混凝土的成分可以包括壳子基于泡沫混凝土的重量的：
含量为泡沫混凝土的成分的约57.8重量％的水泥；
含量为泡沫混凝土的成分的约11.5重量％的砂子；
含量为泡沫混凝土的成分的约11.5重量％的粗骨料；
含量为泡沫混凝土的成分的约17.9重量％的水；和
含量为泡沫混凝土的成分的约2.24重量％的泡沫溶液。
附图说明
为了获得并详细理解所公开的实施方案的上述特征、方面和优点以及将变得显而易见的其他特征、方面和优点，可以通过参考构成本说明书的一部分的附图中示出的实施方案来对以上简要概括的公开内容进行更具体的描述。然而，应当注意，附图示出了本公开的一些实施方案，因此，不应被认为是对本公开的范围的限制，因为本公开可以允许其他同等有效的实施方案。
图1为示出根据本公开的实施方案制造的泡沫混凝土板的底部温度和顶部温度随时间变化的曲线图。
具体实施方式
本公开中描述的组合物和方法提供了一种具有包括水泥、砂子、粗骨料、水和泡沫溶液的成分的泡沫混凝土。
混凝土是由水泥、水和骨料(aggregate或aggregates)制成的组合物。虽然“骨料”可以为复数，但术语“骨料(aggregates)”通常是指多于一种类型或多于一种尺寸的骨料。水泥是一种可以使骨料结合在一起的结合剂。普通波特兰水泥是一种这样的结合剂，其可以结合至诸如细骨料和粗骨料之类的其他材料，从而使所述其他材料固定在一起。可以以水泥的方式硬化以使多种材料结合在一起的作为浆料的材料被称为水泥质材料或具有水泥质性能。本领域技术人员将理解，可以将水添加到干水泥中以制备水泥浆料。常规的普通重量水泥的水灰比(“w/c比例”)通常为约0.40至0.45。作为说明，w/c比例为0.20表明一份水比五份波特兰水泥(1/5＝0.20)。w/c比例为0.5表明一份水比两份水泥。本公开的实施方案的水泥可以为(例如)I型波特兰水泥。然而，任何类型的水泥(包括火山灰水泥)都可以用于生产本公开中所开发的轻质混凝土。在某些实施方案中，可供选择地，可以将火山灰材料用作填料。
如普通技术人员将理解的，可以将各种类型的常规骨料用作混凝土中的填料。如本领域技术人员将理解的，术语“骨料”可以指多种类型或尺寸的骨料。骨料可包括(例如)砂子、砂砾、碎石、炉渣或任意其他类型的骨料。当将骨料用于混凝土时，水泥通常会覆盖骨料，然后在基质中使骨料结合在一起。当使用各种尺寸的骨料时，较小的骨料材料可以填充较大的骨料材料之间的空隙，从而产生更致密的基质。混凝土中使用的骨料可以用粗骨料和细骨料来定义。细骨料(也称为“细粒”)可以包括天然砂、碎石或其他合适的细颗粒，其大部分颗粒小于5mm。粗骨料通常包括砂砾或碎石，其大部分颗粒大于5mm并且通常为9.5mm至37.5mm。
在本公开的泡沫混凝土的实施方案中，可以使用廉价且易于获得的粗骨料，如石灰石。在不需要昂贵或难以获得的骨料的情况下即可实现本公开的组合物所需的性能。本公开的组合物可以包含密度在1400kg/m3至1600kg/m3范围内的粗骨料。因此，在不需要专用骨料或轻质骨料的情况下即可实现本公开的组合物所需的重量和强度性能。
可以使用泡沫溶液，如市售可得的与水混合时形成溶液的发泡剂。一种这样的市售可得的发泡剂为可购自E-A-B Associates的EABASSOC发泡剂。可以替代性地使用其他市售可得的发泡剂，并且在各情况中，根据供应商的说明进行制备。例如，可以将压缩空气引入发泡剂加水中以形成泡沫。如本公开中所述，与发泡剂混合以形成泡沫溶液的水区别于用作泡沫混凝土的单独成分的水含量。在本说明书中，用于与发泡剂混合以形成泡沫溶液的水将被称为发泡水。
在本公开的实施方案中，在不使用引气剂的情况下制备泡沫混凝土。在现有技术中使用引气剂以产生气泡，在冷冻温度以下，该气泡可以调节冰的形成。使用发泡剂可形成较小尺寸的气孔，这有助于得到更轻的混凝土。使用引气剂而形成的气孔的尺寸大于使用发泡剂而形成的气孔的尺寸。因此，在本申请的泡沫混凝土中不希望有引气剂。
在制备根据本公开的实施方案的泡沫混凝土时，可以在表1中找到各成分的重量％范围，所述成分包含水泥、砂子、粗骨料、水和泡沫溶液。如本公开所用，单位重量％是相对于泡沫混凝土的重量而测量的。
表1：泡沫混凝土的重量组成范围
Figure BDA0002139921220000061
在某些实施方案中，如表2的混合物5和10以及表3的测试用混合物中所示，水泥可以构成泡沫混凝土的成分的55.6重量％至57.8重量％。在确定成分的比率时，如表2的混合物5和10以及表3的测试用混合物所示，基于泡沫混凝土的重量，水和水泥的组合可以构成泡沫混凝土的成分的75.0重量％至76.7重量％。水和水泥都需要形成能够易于使骨料结合的浆料。
在可供选择的实施方案中，如表2和表3的混合物中所示，各成分的重量％可以在其他范围内。例如，砂子可以为泡沫混凝土的成分的11.1重量％至11.5重量％。在某些实施方案中，粗骨料的含量可以为泡沫混凝土的成分的11.1重量％至11.5重量％。在某些实施方案中，水的含量可以为泡沫混凝土的成分的17.9重量％至21.1重量％。在某些实施方案中，泡沫溶液的含量可以为泡沫混凝土的成分的1.1重量％至2.8重量％，并且在某些实施方案中，可以为泡沫混凝土的成分的约2.24重量％。泡沫混凝土不含额外的添加剂。泡沫混凝土也不含粉煤灰、增塑剂和纤维。由于泡沫混凝土将是半液体形式并且可以易于放置，因而不需要添加增塑剂。存在纤维将阻碍泡沫混凝土的形成。因此，增塑剂和纤维材料不能为泡沫混凝土提供优势，并且会增加所得产品的成本。因此，本公开的实施方案提供了不需要昂贵且来源困难的材料的轻质承重的产品的益处。
所得的泡沫混凝土为轻质混凝土产品，其可用作绝缘构件和结构承重构件。例如，根据本公开所形成的混凝土产品的抗压强度可以为至少20MPa的抗压强度，并且可以在20.87MPa至45.9MPa的范围内，并且在某些实施方案中，抗压强度为约27.5MPa。根据本公开所形成的混凝土产品的导热系数可以小于0.40W/mK(如0.389W/mK)，并且最大重量可以为2000kg/m3(其范围为1690kg/m3至1984kg/m3)。
为了形成泡沫混凝土，可以以常规方式将水泥、砂子、粗骨料和水混合。可以制备泡沫溶液并将其添加到其他预混合的成分中，以得到泡沫混凝土。可以在环境压力下施加水来固化泡沫混凝土。例如，可以通过水浸、泡水、雾化或湿覆盖来固化泡沫混凝土。在某些实施方案中，可以通过在泡沫混凝土部件周围形成堤围(dyke)，以使得在固化时间段的持续时间内在泡沫混凝土部件上保持有水层，从而进行泡水。
实施例
制备了几种泡沫混凝土的试验混合物。试验混合物中的混合物成分的重量示于表2中。
Figure BDA0002139921220000081
Figure BDA0002139921220000091
表2：试验混合物中成分的重量
对于表2中所示的试样，泡沫溶液包含以下比例的发泡剂和发泡水：约175体积份的发泡剂:约2500体积份的发泡水。根据试验，选择了一种混合物进行详细评价。该测试用混合物中成分的重量示于表3中。
表3：详细评价中所用的泡沫混凝土中成分的重量
Figure BDA0002139921220000092
从表3中的数值可以计算出，水与水泥之比(w/c)为0.31，并且(水加泡沫)与水泥的比例((w+f)/c)为0.35。
制备尺寸为250mm×150mm×50mm的泡沫混凝土板试样，用于在约600℃的温度下暴露于火焰。暴露之后，采集目视检查和照片证据。对于暴露于火焰之前和之后进行了比较。对试样进行火烧直至丧失结构稳定性，并记录劣化开始的时间。
图1示出了泡沫混凝土板试样的顶部表面和底部表面的温度变化。正如所预期的，底部表面处(暴露于火焰)的温度高于顶部表面处(未暴露于火焰)的温度。在暴露于火焰约两小时后，顶部表面处的温度几乎是底部表面处的温度的一半。暴露于火焰20分钟后，该底部表面和顶部表面之间的温度减少为约80％，并且暴露于火焰120分钟后，该底部表面和顶部表面之间的温度减少为约55％。
将符合ASTM标准C177的防护热板用于在稳态热流条件下测定导热系数。导热系数测定装置适合用于测试非均质材料，如混凝土、砖石、木制品、泡沫塑料等。测试装置的精度为导热系数实际值的约±4％。
制备尺寸为35cm×35cm×5cm的测试试样并在保护热板中进行测试。试样的表面必须是平的并且平行，以使得这两个表面与相应的热板表面及冷板表面之间的接触电阻最小化。由于样品的表面粗糙，因而不可能得到平坦且平行的表面。不平坦的表面将造成热板与相应的试样表面之间的显著温差。为了克服这个问题，将热电偶线固定在试样的两侧。多通道可编程数据记录仪以每小时的间隔监测表面温度。在计算中，使用由每一侧上的这些热电偶测定的温度的算术平均值替代来自保护热板的热表面和冷表面的温度。用覆盖层覆盖试样的两侧，以与板表面平滑接触。监测试样温度直至获得稳态条件。通过下式计算测试试样的导热系数k[W/m.K]：
Figure BDA0002139921220000101
其中：
Q[瓦特]为通过试样的热流；
d[m]为测试试样的厚度；
Th[℃]为测试试样的热侧的温度；
Tc[℃]为测试试样的冷侧的温度；并且
A[m2]为加热器的面积。
参见图1，正如所料，底部表面处(暴露于火焰)的温度高于顶部表面处(未暴露于火焰)的温度。暴露于火焰约两小时后，顶部表面处的温度低于底部表面处的温度的一半。随着时间的推移，顶部表面的温度保持为底部表面温度的约一半。
为了确定泡沫混凝土的抗压强度，在单独的测试中，根据ASTM C39对三个100mm×100mm×100mm的试样进行压缩测试。
测试试样的测试结果示于表4中。
表4：所开发的泡沫混凝土的性能
Figure BDA0002139921220000111
因此，测试试样具有足够的抗压强度以用作结构构件。根据本公开的实施方案的泡沫混凝土可以比抗压强度相当的传统的结构混凝土轻超过30％，从而提供了总体上较轻重量的产品。
此外，根据本公开的实施方案的泡沫混凝土的导热系数可以比传统的普通重量结构混凝土的导热系数小50％。所公开的泡沫混凝土在单位重量和导热系数方面的降低可减少混凝土部件的重量，实现能量节约，并降低基础结构的总成本。因此，本公开的实施方案可以用于生产具有良好的抗压强度和较好的隔热性能或结构应用的较轻的混凝土部件，以及用于混凝土砌块单元、砖块和用于绝缘目的。本申请所制造的混合物的性能在强度方面优于常规泡沫混凝土，其比常规混凝土轻，并且热性能优于常规混凝土。
虽然已经详细描述了本公开的实施方案，但是应当理解，在不脱离本公开的原理和范围的情况下，可以进行各种改变、替换和更改。因此，本公开的范围应当由以下权利要求及其适当的合法等同方式所确定。
除非上下文另有明确规定，否则单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指示物。
任选的或任选地是指随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生。该描述包括发生事件或情况的情形以及不发生事件或情况的情形。
在本文中，范围可表述为从大约一个特定值和/或到大约另一个特定值。当表述这样的范围时，应当理解，另一个实施方案是从一个特定值和/或到另一个特定值以及所述范围内的所有组合。
如本文所用，修饰数量或性能的术语“约”是指(例如)通过现实世界中的典型测量和处理步骤；通过这些步骤中的无意错误；通过制备组合物所采用的材料的制造、来源或纯度的差异、或者实施方法的差异；等等，从而可能发生的数字量的变化。在任何情况中，术语“约”是指在报告的数值的10％以内，优选在报告的数值的5％以内。
在本申请全文中，当引用专利或出版物时，旨在通过引用将这些参考文献的全部内容并入本申请中，以便更全面地描述本公开所属领域的现有技术，除非这些参考文献与本文所做的陈述相矛盾。

Claims (20)

1.一种泡沫混凝土，该泡沫混凝土的成分包含：
水泥；
砂子；
密度在1400kg/m3至1600kg/m3范围内的粗骨料；
水；和
泡沫溶液；其中，
所述泡沫溶液包含发泡剂和发泡水；并且
所述泡沫混凝土的抗压强度为至少20MPa，导热系数小于0.40W/mK，并且最大干重为2000kg/m3。
2.根据权利要求1所述的泡沫混凝土，其中所述泡沫混凝土不含额外的添加剂。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的泡沫混凝土，其中所述泡沫混凝土不含粉煤灰、增塑剂和纤维。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的泡沫混凝土，其中所述泡沫混凝土的干重为约1690kg/m3。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的泡沫混凝土，其中所述泡沫溶液包含以下比例的所述发泡剂和所述发泡水：约175体积份的发泡剂:约2500体积份的发泡水。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的泡沫混凝土，其中所述泡沫混凝土不含引气剂。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的泡沫混凝土，其中基于所述泡沫混凝土的重量，所述水泥连同所述水一起占所述泡沫混凝土的成分的75.0重量％至76.7重量％。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的泡沫混凝土，其中所述泡沫混凝土的抗压强度为约27.5MPa。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的泡沫混凝土，其中所述泡沫混凝土的成分包含各自基于所述泡沫混凝土的重量的：
含量为所述泡沫混凝土的成分的55.6重量％至57.8重量％的所述水泥；
含量为所述泡沫混凝土的成分的11.1重量％至11.5重量％的所述砂子；
含量为所述泡沫混凝土的成分的11.1重量％至11.5重量％的所述粗骨料；
含量为所述泡沫混凝土的成分的17.9重量％至21.1重量％的所述水；和
含量为所述泡沫混凝土的成分的1.1重量％至2.8重量％的所述泡沫溶液。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的泡沫混凝土，其中所述泡沫混凝土的成分包含各自基于所述泡沫混凝土的重量的：
含量为所述泡沫混凝土的成分的约57.8重量％的所述水泥；
含量为所述泡沫混凝土的成分的约11.5重量％的所述砂子；
含量为所述泡沫混凝土的成分的约11.5重量％的所述粗骨料；
含量为所述泡沫混凝土的成分的约17.9重量％的所述水；和
含量为所述泡沫混凝土的成分的约2.24重量％的所述泡沫溶液。
11.一种泡沫混凝土，该泡沫混凝土的成分包含各自基于所述泡沫混凝土的重量的：
含量为所述泡沫混凝土的成分的55.6重量％至57.8重量％的水泥；
含量为所述泡沫混凝土的成分的11.1重量％至11.5重量％的砂子；
含量为所述泡沫混凝土的成分的11.1重量％至11.5重量％的粗骨料，所述粗骨料的密度在1400kg/m3至1600kg/m3的范围内；
含量为所述泡沫混凝土的成分的17.9重量％至21.1重量％的水；和
含量为所述泡沫混凝土的成分的1.1重量％至2.8重量％的泡沫溶液。
12.根据权利要求11所述的泡沫混凝土，其中所述泡沫混凝土的抗压强度为约27.5MPa，导热系数为约0.389W/mK，并且干重为约1690kg/m3。
13.根据权利要求11或权利要求12所述的泡沫混凝土，其中所述泡沫溶液包含以下比例的发泡剂和发泡水：约175体积份的发泡剂:约2500体积份的发泡水，并且其中所述泡沫混凝土不含引气剂。
14.一种形成泡沫混凝土的方法，该方法包括以下步骤：
将以下成分混合在一起：
水泥；
砂子；
密度在1400kg/m3至1600kg/m3范围内的粗骨料；和
水；以及
添加包含发泡剂和发泡水的泡沫溶液，以得到抗压强度为至少20MPa、导热系数小于0.40W/mK并且最大干重为2000kg/m3的所述泡沫混凝土。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述泡沫混凝土不含粉煤灰、增塑剂、纤维和引气剂。
16.根据权利要求14或权利要求15所述的方法，其中所述泡沫混凝土的干重为约1690kg/m3。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的方法，其中所述泡沫溶液包含以下比例的所述发泡剂和所述发泡水：约175体积份的发泡剂:约2500体积份的发泡水。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的方法，其中基于所述泡沫混凝土的重量，所述水泥连同所述水一起占所述泡沫混凝土的成分的75.0重量％至76.7重量％。
19.根据权利要求14至18中任一项所述的方法，其中所述泡沫混凝土的成分包含各自基于所述泡沫混凝土的重量的：
含量为所述泡沫混凝土的成分的55.6重量％至57.8重量％的所述水泥；
含量为所述泡沫混凝土的成分的11.1重量％至11.5重量％的所述砂子；
含量为所述泡沫混凝土的成分的11.1重量％至11.5重量％的所述粗骨料；
含量为所述泡沫混凝土的成分的17.9重量％至21.1重量％的所述水；和
含量为所述泡沫混凝土的成分的1.1重量％至2.8重量％的所述泡沫溶液。
20.根据权利要求14至18中任一项所述的方法，其中所述泡沫混凝土的成分包含各自基于所述泡沫混凝土的重量的：
含量为所述泡沫混凝土的成分的约57.8重量％的所述水泥；
含量为所述泡沫混凝土的成分的约11.5重量％的所述砂子；
含量为所述泡沫混凝土的成分的约11.5重量％的所述粗骨料；
含量为所述泡沫混凝土的成分的约17.9重量％的所述水；和
含量为所述泡沫混凝土的成分的约2.24重量％的所述泡沫溶液。
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