CN113387646B - 一种轻质膨胀型超高性能混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及混凝土技术领域,特别涉及一种轻质膨胀型超高性能混凝土及其制备方法。本申请提供的轻质膨胀型超高性能混凝土,按质量份计,包括以下原料:胶凝材料700~1300份,外加剂20~150份,集料500~1400份,纤维50~250份,水150~250份;其中,按质量份计,所述胶凝材料包括:普通硅酸盐水泥500~1000份、微硅粉50~300份、粉煤灰漂珠100~200份;所述外加剂包括:减水剂5~50份、膨胀剂10~100份、消泡剂5~20份,所述集料包括:石英砂0~1300份、预湿轻集料10~600份。本申请制得的超高性能混凝土具有良好的工作性能、力学性能和耐久性能,实现了轻量化和膨胀化。
Description
技术领域
本申请涉及混凝土技术领域,特别涉及一种轻质膨胀型超高性能混凝土及其制备方法。
背景技术
超高性能混凝土,简称UHPC(Ultra-High Performance Concrete),具有超高的耐久性和超高的力学性能,UHPC的组成中含有高比例的胶凝材料和大掺量的钢纤维,因此其容重比普通混凝土高15%~20%,导致同尺寸条件下UHPC材料及结构具有更大的自重。同时,UHPC胶凝体系的水胶比极低,内部自干燥现象显著,早期收缩发展迅速,增加了结构收缩脱粘和开裂风险。
传统的混凝土减缩技术,如掺入减缩剂、膨胀剂、内养护剂均能一定程度降低UHPC的收缩变形,其中,掺入膨胀剂是实现混凝土膨胀最有效的方式。然而,UHPC内部极度缺水,膨胀剂的膨胀效应难以发挥。因此,在不降低UHPC密实度的前提下,为膨胀剂的反应供水以激发其膨胀潜能是解决这一矛盾的有效途径。目前,将内养护剂和膨胀剂联用是制备膨胀型UHPC的最佳设计策略。
然而,基于内养护剂与膨胀剂理化协同效应以制备轻质膨胀型UHPC水泥基复合材料存在诸多技术难点:1、在膨胀剂方面,UHPC胶凝体系对膨胀源和膨胀量的要求较为苛刻,膨胀源选择不当,膨胀作用难以实现或膨胀效应不稳定;膨胀量控制不当,无法产生膨胀或导致膨胀开裂;2、在预湿内养护剂方面,1)轻集料吸水率和夹带水量需精准控制,吸水率/夹带水量过高,UHPC密实度和强度会下降甚至导致泌水离析,吸水率/夹带水量过低,UHPC浆体的和易性变差;2)轻集料尺寸和掺量需合理调控,轻集料尺寸/掺量过小,则降低UHPC容重效果不显著,轻集料尺寸/掺量过大,则UHPC集料及界面过渡区薄弱环节增加,力学性能难以保障;3)轻集料本身孔道构造拓展了混凝土内外介质传输与扩散的通道,可能削弱UHPC抗渗性和抗有害离子侵蚀的能力。
因此,有必要提供一种能够克服上述技术难点的制备轻质膨胀型超高性能混凝土的方法。
发明内容
本申请实施例提供一种轻质膨胀型超高性能混凝土及其制备方法,以解决相关技术中基于内养护剂与膨胀剂理化协同效应制备轻质膨胀型UHPC水泥基复合材料存在的技术难点。
第一方面,本申请提供了一种轻质膨胀型超高性能混凝土,按质量份计,包括以下原料:胶凝材料700~1300份,外加剂20~150份,集料500~1400份,纤维50~250份,水150~250份;其中,按质量份计,所述胶凝材料包括:普通硅酸盐水泥500~1000份、微硅粉50~300份、粉煤灰漂珠100~200份;所述外加剂包括:减水剂5~50份、膨胀剂10~100份、消泡剂5~20份,所述集料包括:石英砂0~1300份、预湿轻集料10~600份。
一些实施例中,所述轻质膨胀型超高性能混凝土包括以下原料:普通硅酸盐水泥844份、微硅粉212份、粉煤灰漂珠130份、减水剂16份、膨胀剂52份、消泡剂7份、石英砂230份、预湿轻集料311份、纤维120份、水202份。
一些实施例中,所述轻质膨胀型超高性能混凝土包括以下原料:普通硅酸盐水泥852份、微硅粉208份、粉煤灰漂珠112份、减水剂17份、膨胀剂48份、消泡剂10份、石英砂188份、预湿轻集料457份、纤维120份、水198份。
一些实施例中,所述减水剂选用聚羧酸减水剂。
一些实施例中,所述膨胀剂选用钙系膨胀剂。
一些实施例中,所述消泡剂选用有机硅类消泡剂。
一些实施例中,所述纤维选用镀铜直钢纤维。
一些实施例中,所述预湿轻集料的制备过程为:在轻集料的表面喷洒水,当轻集料的表面达到初始面干状态后,搅拌使轻集料混合均匀,之后密封静置3h~12h,即得到预湿轻集料。与现有的采用浸润的预湿方式相比,本申请通过喷洒水的方式预湿轻集料具有以下优势:1)浸润的预湿方式不适用大规模实际现场应用,而喷洒水预湿适用于大规模现场应用;2)浸润预湿引入的水量不确切,而喷洒水预湿的水量可人为设计和控制,能够根据不同的轻集料类型和应用场景要求进行合理调控;3)浸润预湿的轻集料表面仍有大量附着水分,可能在拌制过程中引入过量水分而导致浆体黏度下降,浆体发生离析泌水或者钢纤维沉降分层;而喷洒水预湿的轻集料表面不存在附着水分,不会影响浆体的黏度。
一些实施例中,所述轻集料选用轻砂或火山渣。
一些实施例中,所述轻集料的粒径为0~3mm,干松散容重为500kg/m3~1200kg/m3,吸水率为5%~80%;较大粒径的轻集料本身强度偏低,利用大粒径的轻集料配制的混凝土在受力过程中可能存在轻集料自身发生破坏而导致材料失效的情况,难以达到超高性能混凝土的强度指标,而0~3mm粒径的轻集料整体上具有较好的强度,以其作为集料制备超高性能混凝土能较好地满足混凝土强度指标要求;本申请采用吸水率为5%~80%的轻集料,轻集料自身携带水分能够产生缓释效应,一方面可以为膨胀剂的膨胀反应提供水分,激发膨胀剂的膨胀潜能;另一方面能实现混凝土的内养护,降低混凝土早期自收缩;并且能促进水泥和矿物掺合料的继续水化,促进混凝土后期强度发展。
第二方面,本申请提供了上述轻质膨胀型超高性能混凝土的制备方法,包括以下步骤:
步骤S101,将普通硅酸盐水泥、微硅粉、粉煤灰漂珠、减水剂、膨胀剂、消泡剂、石英砂和预湿轻集料混合搅拌,混合均匀后,加入水,搅拌,得到第一混合浆体;
步骤S102,向第一混合浆体中加入纤维,搅拌,得到第二混合浆体;
步骤S103,将第二混合浆体倒入模具中成型,先在室温中养护,脱模后继续养护,即得到轻质膨胀型超高性能混凝土。
一些实施例中,在步骤S101之前,先测试胶凝材料和集料的表观密度及粒径分布,然后利用颗粒紧密堆积模型根据测得的胶凝材料和集料的表观密度及粒径分布设计轻质膨胀型超高性能混凝土的基体配合比,即确定胶凝材料和集料的体积占比从而确定轻质膨胀型超高性能混凝土的基体配合比。
一些实施例中,所述预湿轻集料的制备过程为:在轻集料的表面喷洒水,当轻集料的表面达到初始面干状态后,搅拌使轻集料混合均匀,之后密封静置3h~12h,即得到预湿轻集料。
一些实施例中,减水剂的掺量为胶凝材料质量的1%~3%。
一些实施例中,轻质膨胀型超高性能混凝土的水胶比为0.15~0.25。
一些实施例中,纤维的掺量为轻质膨胀型超高性能混凝土的基体体积的1%~4%。
一些实施例中,膨胀剂的掺量为胶凝材料质量的2%~8%。
一些实施例中,制备的轻质膨胀型超高性能混凝土的表观密度为1800kg/m3~2300kg/m3,28d抗压强度为100MPa~170MPa,28d抗弯强度为20MPa~35MPa,28d抗拉强度为5MPa~20MPa,3d膨胀率为50με~800με,28d氯离子扩散系数小于1×10-12m2/s。
与现有技术相比,本申请具有以下有益效果:
1、本申请以预湿轻集料作为内养护剂与膨胀剂协同作用制备超高性能混凝土,可以制备出表观密度小于2100kg/m3、强度大于120MPa、3d膨胀率大于100με、且具有良好匀质性和耐久性的轻质膨胀型UHPC材料,不仅保证UHPC具有良好的工作性能、力学性能和耐久性能,而且实现了UHPC材料的轻量化和膨胀化;
2、利用本申请提供的制备方法制得的超高性能混凝土解决了UHPC构件收缩开裂问题,产生巨大的经济效益和社会效益,拓宽了UHPC的应用领域。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例1制得的轻质膨胀型超高性能混凝土的抗压强度发展图;
图2为本申请实施例1制得的轻质膨胀型超高性能混凝土的抗弯和抗拉强度发展图;
图3为本申请实施例1制得的轻质膨胀型超高性能混凝土的收缩试验结果图;
图4为本申请实施例2制得的轻质膨胀型超高性能混凝土的抗压强度发展图;
图5为本申请实施例2制得的轻质膨胀型超高性能混凝土的抗弯和抗拉强度发展图;
图6为本申请实施例2制得的轻质膨胀型超高性能混凝土的收缩试验结果图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本申请的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
本申请实施例提供了一种轻质膨胀型超高性能混凝土的制备方法,其能解决相关技术中基于内养护剂与膨胀剂理化协同效应制备轻质膨胀型UHPC水泥基复合材料存在的技术难点。
本申请实施例提供了一种轻质膨胀型超高性能混凝土的制备方法,包括以下步骤:
步骤S101,按质量份计,称取胶凝材料700~1300份、外加剂20~150份、集料500~1400份混合搅拌,混合均匀后,加入水150~250份,搅拌,得到第一混合浆体;其中,胶凝材料包括:普通硅酸盐水泥500~1000份、微硅粉50~300份、粉煤灰漂珠100~200份;外加剂包括:减水剂5~50份、膨胀剂10~100份、消泡剂5~20份;集料包括:石英砂0~1300份和预湿轻集料10~600份;
步骤S102,按质量份计,向第一混合浆体中加入纤维50~250份,搅拌,得到第二混合浆体;第二混合浆体的容重为1800kg/m3~2300kg/m3,扩展度为500mm~800mm;
步骤S103,将第二混合浆体倒入模具中成型,先在室温中养护,脱模后继续养护,即得到轻质膨胀型超高性能混凝土。
上述制备方法中,减水剂选用聚羧酸减水剂;膨胀剂选用钙系膨胀剂;消泡剂选用有机硅类消泡剂;纤维选用镀铜直钢纤维。
预湿轻集料的制备过程为:在轻集料的表面喷洒水,当轻集料的表面达到初始面干状态后,搅拌使轻集料混合均匀,之后密封静置3h~12h,即得到预湿轻集料;轻集料选用轻砂或火山渣,轻集料的粒径为0~3mm,干松散容重为500kg/m3~1200kg/m3,吸水率为5%~80%;本申请使用的集料中,利用轻集料按照10%~100%的体积比例置换石英砂,轻集料的级配与石英砂的级配相当,轻集料具有材料稳定性好、经济性好的优势,且能有效降低UHPC材料的容重,实现构件的轻量化;轻集料的水分缓释效应不仅能补偿UHPC内部相对湿度下降从而抑制基体自收缩发展,而且能为膨胀剂的反应供给水分来源。
下面结合实施例对本申请提供的轻质膨胀型超高性能混凝土及其制备方法进行详细说明。
实施例1:
本申请的实施例1提供了一种轻质膨胀型超高性能混凝土的制备方法,实施例1中使用的各原料为:
普通硅酸盐水泥:P·O 52.5水泥(华新水泥股份有限公司,湖北黄石);微硅粉(蓝星硅材料有限公司,甘肃兰州);减水剂:聚羧酸型液体减水剂(江苏苏博特新材料股份有限公司,江苏南京);膨胀剂:UEA膨胀剂(武汉三源特种建材有限责任公司,湖北武汉);石英砂(湖北九棵松石英石股份有限公司,湖北黄冈),粒径为0.15mm~1.18mm;轻集料:轻砂(苏州绿乘轻质绿色材料有限公司,江苏苏州),粒径为0.15mm~1.18mm,干密度为800kg/m3,吸水率为12%。
实施例1提供的制备方法包括以下步骤:
(1)测试P·O 52.5水泥、微硅粉、粉煤灰漂珠、石英砂和轻砂的表观密度及粒径分布,测得:P·O 52.5水泥的密度为3150kg/m3,中值粒径为14μm;微硅粉的密度为2200kg/m3,中值粒径为3μm;石英砂的密度为2650kg/m3,粒径为0.15mm~1.18mm;轻砂的密度为800kg/m3,粒径为0.15mm~1.18mm;
(2)利用颗粒紧密堆积模型根据上述测得的表观密度及粒径分布设计轻质膨胀型高性能混凝土的基体配合比,确定P·O 52.5水泥、微硅粉、粉煤灰漂珠、石英砂和轻砂的体积占比,其中,P·O 52.5水泥的体积占比为30%~35%,微硅粉的体积占比为8%~12%,粉煤灰漂珠的体积占比为3%~15%,石英砂和轻砂的总体积占比为50%~60%;
(3)确定轻砂按照体积分数70%~90%置换石英砂,对含轻砂的超高性能混凝土配合比进行优化设计;
(4)对轻砂进行预湿处理:将吸水率为8%~15%的轻砂摊平,在轻砂的表面喷洒适量水并封盖,当轻砂的表面达到初始面干状态后,搅拌使轻砂混合均匀,密封静置3h~12h,得到预湿轻砂;
(5)将P·O 52.5水泥、微硅粉、粉煤灰漂珠、石英砂、预湿轻砂、聚羧酸型液体减水剂、UEA膨胀剂、有机硅类消泡剂加入混凝土搅拌机中搅拌120s混料,然后加入水,搅拌得到第一混合浆体;
(6)向第一混合浆体中加入镀铜直钢纤维,搅拌180s,得到第二混合浆体,第二混合浆体的扩展度大于500mm,且保持良好的匀质性;
(7)将第二混合浆体倒入标准模具中成型,插捣5~10次,刮面5~10次,覆膜,在室温中养护1d,脱模,脱模后置于标准养护室中继续养护,即得到轻质膨胀型超高性能混凝土。
按照每立方米混凝土计,实施例1中各原料的配比见表1。
表1:各原料的配比(kg/m3)
根据GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》对实施例1制得的轻质膨胀型超高性能混凝土的扩展度和表观密度进行测定;根据GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》对实施例1制得的轻质膨胀型超高性能混凝土的抗压、抗弯、抗拉强度进行测定。根据GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》对实施例1制得的轻质膨胀型超高性能混凝土的收缩(非接触法)和快速氯离子迁移系数进行测定。
实施例1制得的轻质膨胀型超高性能混凝土的扩展度、表观密度及28d硬化体表观密度和快速氯离子迁移系数见表2,抗压强度发展见图1,抗弯和抗拉强度发展见图2,收缩试验结果见图3。
表2:实施例1制得的轻质膨胀型超高性能混凝土的性能
由表2可知,实施例1制得的轻质膨胀型超高性能混凝土的表观密度小于2000kg/m3,且具有良好的工作性能和耐久性能;由图1和图2可知,实施例1制得的轻质膨胀型超高性能混凝土具有良好的力学性能,28d抗压强度为130MPa,28d抗弯强度为26.6MPa,28d抗拉强度为8.5MPa;由图3可知,实施例1制得的轻质膨胀型超高性能混凝土表现出良好的膨胀性,3d膨胀率为422με。
实施例2:
本申请的实施例2提供了一种轻质膨胀型超高性能混凝土的制备方法,实施例2中使用的各原料为:
普通硅酸盐水泥:P·O 52.5水泥(华新水泥股份有限公司,湖北黄石);微硅粉(蓝星硅材料有限公司,甘肃兰州);减水剂:聚羧酸型液体减水剂(江苏苏博特新材料股份有限公司,江苏南京);膨胀剂:CSA膨胀剂(武汉三源特种建材有限责任公司,湖北武汉);石英砂(湖北九棵松石英石股份有限公司,湖北黄冈),粒径为0~2mm;轻集料:火山渣,粒径为0~2mm,干密度为1000kg/m3,吸水率为14%;
实施例2提供的制备方法包括以下步骤:
(1)测试P·O 52.5水泥、微硅粉、粉煤灰漂珠、石英砂和火山渣的表观密度及粒径分布,测得:P·O 52.5水泥的密度为3150kg/m3,中值粒径为14μm;微硅粉的密度为2200kg/m3,中值粒径为3μm;石英砂的密度为2650kg/m3,粒径为0~2mm;火山渣的密度为1000kg/m3,粒径为0~2mm;
(2)利用颗粒紧密堆积模型根据上述测得的表观密度及粒径分布设计轻质膨胀型高性能混凝土的基体配合比,确定P·O 52.5水泥、微硅粉、粉煤灰漂珠、石英砂和火山渣的体积占比,其中,P·O 52.5水泥的体积占比为30%~35%,微硅粉的体积占比为8%~12%,粉煤灰漂珠的体积占比为3%~15%,石英砂和火山渣的总体积占比为50%~60%;
(3)确定火山渣按照体积分数75%~95%置换石英砂,对含火山渣的超高性能混凝土配合比进行优化设计;
(4)对火山渣进行预湿处理:将吸水率为14%的火山渣摊平,在火山渣的表面喷洒适量水并封盖,当火山渣的表面达到初始面干状态后,搅拌使火山渣混合均匀,密封静置3h~12h,得到预湿火山渣;
(5)将P·O 52.5水泥、微硅粉、粉煤灰漂珠、石英砂、预湿火山渣、聚羧酸型液体减水剂、CSA膨胀剂、有机硅类消泡剂加入混凝土搅拌机中搅拌120s混料,然后加入水,搅拌得到第一混合浆体;
(6)向第一混合浆体中加入镀铜直钢纤维,搅拌180s,得到第二混合浆体,第二混合浆体的扩展度大于500mm,且保持良好的匀质性;
(7)将第二混合浆体倒入标准模具中成型,插捣5~10次,刮面5~10次,覆膜,在室温中养护1d,脱模,脱模后置于标准养护室中继续养护,即得到轻质膨胀型超高性能混凝土。
按照每立方米混凝土计,实施例2中各原料的配比见表3。
表3:各原料的配比(kg/m3)
对实施例2制得的轻质膨胀型超高性能混凝土的性能进行测试,扩展度、表观密度及28d硬化体表观密度和快速氯离子迁移系数见表4,抗压强度发展见图4,抗弯和抗拉强度发展见图5,收缩试验结果见图6。
表4:实施例2制得的轻质膨胀型超高性能混凝土的性能
由表4可知,实施例2制得的轻质膨胀型超高性能混凝土的表观密度小于2100kg/m3,且具有良好的工作性能和耐久性能;由图4和图5可知,实施例2制得的轻质膨胀型超高性能混凝土具有良好的力学性能,28d抗压强度为132MPa,28d抗弯强度为27.8MPa,28d抗拉强度为8.6MPa;由图6可知,实施例2制得的轻质膨胀型超高性能混凝土表现出良好的膨胀性,3d膨胀率为434με。
需要说明的是,在本申请中,诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式,使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种轻质膨胀型超高性能混凝土,其特征在于,按质量份计,包括以下原料:胶凝材料700~1300份,外加剂20~150份,集料500~1400份,纤维50~250份,水150~250份;其中,按质量份计,所述胶凝材料包括:普通硅酸盐水泥500~1000份、微硅粉50~300份、粉煤灰漂珠100~200份;所述外加剂包括:减水剂5~50份、膨胀剂10~100份、消泡剂5~20份,所述集料包括:石英砂0~1300份、预湿轻集料10~600份;所述膨胀剂选用钙系膨胀剂;所述预湿轻集料的制备过程为:在轻集料的表面喷洒水,当轻集料的表面达到初始面干状态后,搅拌使轻集料混合均匀,之后密封静置3h~12h,即得到预湿轻集料;所述轻集料选用轻砂或火山渣,所述轻集料的粒径为0~3mm,吸水率为5%~80%。
2.根据权利要求1所述的轻质膨胀型超高性能混凝土,其特征在于,按质量份计,所述轻质膨胀型超高性能混凝土包括以下原料:普通硅酸盐水泥844份、微硅粉212份、粉煤灰漂珠130份、减水剂16份、膨胀剂52份、消泡剂7份、石英砂230份、预湿轻集料311份、纤维120份、水202份。
3.根据权利要求1所述的轻质膨胀型超高性能混凝土,其特征在于,按质量份计,所述轻质膨胀型超高性能混凝土包括以下原料:普通硅酸盐水泥852份、微硅粉208份、粉煤灰漂珠112份、减水剂17份、膨胀剂48份、消泡剂10份、石英砂188份、预湿轻集料457份、纤维120份、水198份。
4.根据权利要求1-3任一项所述的轻质膨胀型超高性能混凝土,其特征在于,所述减水剂选用聚羧酸减水剂。
5.根据权利要求1-3任一项所述的轻质膨胀型超高性能混凝土,其特征在于,所述纤维选用镀铜直钢纤维。
6.根据权利要求1-3任一项所述的轻质膨胀型超高性能混凝土,其特征在于,所述轻集料的干松散容重为500kg/m3~1200kg/m3。
7.权利要求1-3任一项所述轻质膨胀型超高性能混凝土的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S101,将普通硅酸盐水泥、微硅粉、粉煤灰漂珠、减水剂、膨胀剂、消泡剂、石英砂和预湿轻集料混合搅拌,混合均匀后,加入水,搅拌,得到第一混合浆体;
S102,向第一混合浆体中加入纤维,搅拌,得到第二混合浆体;
S103,将第二混合浆体倒入模具中成型,先在室温中养护,脱模后继续养护,即得到轻质膨胀型超高性能混凝土。
8.根据权利要求7所述的轻质膨胀型超高性能混凝土的制备方法,其特征在于,制备的轻质膨胀型超高性能混凝土的表观密度为1800kg/m3~2300kg/m3,28d抗压强度为100MPa~170MPa,28d抗弯强度为20MPa~35MPa,28d抗拉强度为5MPa~20MPa,3d膨胀率为50με~800με,28d氯离子扩散系数小于1×10-12m2/s。
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