CN113529514B - 一种尾矿固废形成的道路路面基层结构 - Google Patents

Abstract

一种尾矿固废形成的道路路面基层结构，包括底基层和基层，其特征在于：所述的基层由尾矿固废和P型胶凝剂综合粘结处理后构成，所述的底基层由尾矿固废和P型胶凝剂综合粘结处理后构成；且尾矿固废和P型胶凝剂原料重量百分比的配比为：尾矿92～98%，P型胶凝剂2～8%。不用天然开采的碎石，而是用尾矿固废，取代碎石，尾矿固废废占比在90～98%，用少量的P型胶凝剂，占比一般都在7%以下，加水拌合成混合料，尾矿固废通过P型胶凝剂的综合粘结作用，转化成一种筑路材料，用于铺筑成路面基层。

Description

一种尾矿固废形成的道路路面基层结构

技术领域

本发明属于道路结构技术领域，具体涉及一种尾矿固废形成的道路路面基层结构。

背景技术

现有公路路面结构设计的断面形式，都是采用层式结构，路面的整体结构从下至上是由若干个层次组成的，包括有：垫层，基层，面层。基层又分为底基层和基层，基层又分为下基层和上基层，面层又分为下面层、中面层和表面层。现行公路设计的路面结构，对于底基层和基层的材料结构设计，多采用水泥稳定碎石，俗称为“水稳”或简称为“水稳层”。这种结构设计在材料组合上，是由碎石和水泥两种材料按一定比例配合而成，两种材料的质量配合比一般都在：水泥∶碎石＝5∶95左右，总组分之和100％。即水泥稳定碎石是以碎石做骨料，用水泥作为胶凝材料，以足够的水泥灰浆体积填充骨料的孔隙空间，按嵌挤原理，经摊铺压实形成路面基层结构。当水泥占比为混合料的5％左右时，混合料压实养生后的强度一般只能达到3.0MPa，这种水稳结构，一般只能满足旧标准对低等级的路面基层强度要求，但无法满足新标准《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20～2015)高等级公路极重特重荷载等级时对路面基层的强度要求，即底基层3.0～5.0Mpa，上基层5.0～7.0Mpa。而对于水泥稳定碎石来说，提高强度的唯一方法是增加水泥用量。现行常用的普通硅酸盐水泥的水化热为375～525j/g，增加水泥用量虽然能提高“水稳”的强度，但它带来的不良后果是：随着水泥用量的增加，水泥在水解硬化过程中产生的水化热量也会大量增加，不可避免的引起水稳层的温缩反应，导致水稳层产生温缩裂纹。而且这种开裂所形成的裂纹，非常不规则，纵横交错，成网状分布；裂缝宽度一般在0.1～1.0mm之间大小不等。这种裂纹是无法治理的，对路面质量的危害极大，可以说，基层开裂是路面损坏的最主要原因之一。裂缝不仅破坏了路面基层的整体性，还会引起水份渗透，不断导致结构层内的可溶性有效成份的流失，使水稳层变松发软，迅速导致路面的破坏，因此路面基层开裂是导致路面加速破坏的罪魁祸首。为了解决不规则裂纹问题，只好在路面基层施工结束后、还未发生开裂之前，采取人工锯缝，并在锯缝内灌入沥青，以防止水分从锯缝中渗入。其实，人工锯缝灌入沥青，并不能起到完全防止水份渗透的作用，反而人工锯缝灌入沥青直接后果是：不仅加大了工程投资成本，而且同样破坏了路面基层的整体性，给路面质量埋下了灾难性隐患，使路面在车辆荷载的反复作用下，疲劳效应使路面加速产生不规则、不均匀沉降变形，从而加速路面的损坏，缩短路面的使用寿命。因此，水泥稳定碎石在面对新标准《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20～2015)对路面基层强度的高要求，已经走入没有出路的死胡同，无法攀越新标准所要求的路面基层强度高度。另外，水稳基层所用的材料主要是碎石，占比在95％以上。多年来，大量开采石料，极大的破坏了绿水青山，破坏了自然环境，与绿色发展的理念背道而驰。国家已经出台政策，明令禁止大量开采石料，水稳碎石将面临无碎石可用的无米之炊绝境。

因此，如何设计开发出来一种能够有效的满足新标准《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20～2015)高等级公路极重特重荷载等级时对路面基层的强度要求，即底基层3.0～5.0Mpa，上基层5.0～7.0Mpa，又能够有效的降低或者减少对碎石的开采利用，成为亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明针对现有技术的上述不足，提供一种利用尾矿固废经一种特殊胶凝剂—P型胶凝剂综合处理后，所生成的一种新型道路建筑材料，取代“水泥稳定碎石”铺筑路面基层，这种新型道路建筑材料的主要原材料是：不用天然开采的碎石，而是用尾矿固废，取代碎石，尾矿固废废占比在90～98％，仅仅用少量的P型胶凝剂、占比一般都在7％以下，加水拌合成混合料，尾矿固废通过P型胶凝剂的综合粘结作用，转化成一种筑路材料，用于铺筑成路面基层。

为了解决上述技术问题，本专利申请采用的技术方案为：一种尾矿固废形成的道路路面基层结构，包括底基层和基层；所述的基层由尾矿固废和P型胶凝剂综合粘结处理后构成，所述的底基层由尾矿固废和P型胶凝剂综合粘结处理后构成；且尾矿固废和P型胶凝剂原料重量百分比的配比为：尾矿92～98％，P型胶凝剂2～8％。

采用上述结构构成的道路路面基层结构，该结构首次采用“尾矿固废和P型胶凝剂”这种方式实现相对于传统水泥稳定碎石具有更高的强度和抗开裂性能，可以有效避免收缩裂纹的出现，因为尾矿固废的松散颗粒被P型胶凝剂严密包裹之后，通过外力作用，被包裹的颗粒物相互紧密联系形成一个坚固的密实结构体，这种密实结构有效阻断了结构体内的毛细管和细流通道，阻断、减少了水在结构体内流动与渗透，降低、消除了经胶凝粘结后的颗粒类材料的水浸蚀破坏和冻融破坏。因此，胶凝粘结后的结构体在宏观上表现出有很好的力学性能、耐久性、温度稳定性，从而也降低了对路面质量的危害。

优选的，所述的尾矿固废和P型胶凝剂综合粘结处理，具体的处理方法的步骤包括：

(1)按质量百分比称取以下组分：尾矿92～98％，P型胶凝剂2～8％，上述各组分的质量百分比之和为100％；

(2)在称好的组分中加水拌合形成混合料时，控制含水率为5％～10％；强制式拌合时间控制在1～3min，从加水拌合开始，到碾压结束，混合料的初凝时间≥5h；

(3)在称好的组分中加水拌合形成混合料时，可以在拌合站集中拌合，也可以在路床处进行现场拌合，现场摊铺；现场拌合的具体操作方法是：按照摊铺面积和摊铺厚度计算出原材料用量，均匀堆放在施工路段上，用“联合拌合摊铺机”进行现场拌合摊铺，“联合拌合摊铺机”上安装有一个可计量的水槽，控制拌合用水量，保证拌合好的混合料含水率达到预定含水率；

(4)“联合拌合摊铺机”具有拌合与摊铺双重功能，拌合好的混合料摊铺后，经碾压养生形成路面底基层或基层。

进一步的，上述步骤1)中称取的各组分的质量百分比为：尾矿91～97％、P型胶凝剂3.0～9.0％，上述各组分的质量百分比之和为100％，固废尾矿一定是占绝大部分；

进一步的，上述步骤1)中称取的各组分的质量百分比为：尾矿90～96％，P型胶凝剂4.0～10.0％，上述各组分的质量百分比之和为100％，固废尾矿一定是占绝大部分。

进一步的，上述P型胶凝剂的水化热≤280j/g(水泥的水化热为375～525j/g)。胶凝剂的水化热若是越低，作为胶凝材料用于尾矿固废所产生的热量也就越少，则尾矿固废混合料铺筑的路面基层开裂的可能性很小，经试验测定，它的温度膨胀收缩率为0.03％～0.05％，不到水稳层的1/3，因此，可以有效的降低路面开裂现象的出现。

进一步的，将上述经P型胶凝剂尾矿固废综合处理后，用于铺筑路面基层，包括底基层和基层。其拌合方法可以采用拌合站集中路拌法，将拌制好的混合料成品运往摊铺现场，机械摊铺碾压。也可以采用路拌法，方法的要点在：将尾矿固废、P型胶凝剂，按配合比定量铺在计算好的路床面积范围内，用联合路拌摊铺机拌合摊铺，边拌合边加水；加水方法是：在联合路拌摊铺机上加装一个安有计量装置的水槽，水槽连通横向滴灌水管，均匀对路拌过程加水并通过计量装置控制加水量。

进一步的，将上述经P型胶凝剂处理后的尾矿固废混合料，碾压或击实成型做成预设规格试件，经－40℃低温冻融试验，按规定标准次数经72h冻融消解反复循环5次，其冻融损失率小于3～5％，远小于规范规定值20％。证明本发明的这种尾矿固废混合料具有良好的耐抗冻性，稳定性强。

进一步的，上述P型胶凝剂粘结尾矿固废混合料，在加水拌合中加入缓凝剂控制初凝硬化时间，缓凝剂的添加量为“P型胶凝剂”用量的8‰以下，从加水拌合开始到路面基层碾压成型结束，控制初凝硬化时间≥4h，这个数字是可变的，可以根据施工需要，提高到5小时、6小时，这种灵活性对保证路面基层质量具有不可或缺的决定作用。

具体的，本申请所述的碾压采用弱振单向碾压法，即一定吨位的压路机在振动碾压时，不开强振，只开弱振，压路机只需单向开振，不必来回振捣；养护采用薄膜湿水封闭养护，养护5～14d，温度控制在5～35℃。

上述P型胶凝剂英文全名为Polymer Cement Soil Binder，基本组成参见ZL201110291183.3专利所公开的内容。它的中文全名称叫做“高膨胀性强力粘结胶凝剂”，简称为P型胶凝剂。P型胶凝剂本身无毒、无嗅、无污染、无放射性。它对松散性砂土质颗粒材料具有很强的粘结作用。只用少量的P型胶凝剂，就可以把大量的松散颗粒材料，粘结成具有一定强度的整体性材料，在外力作用下，用这种材料制成的结构体，具有一定的抗压强度和抗剪强度。P型胶凝剂遇水产生水化反应，会迅速膨胀扩展形成巨大面积的薄膜，这些巨大面积的膜在扩展推力和外力的共同作用下，迅速将松散颗粒紧紧包裹住，并迅速充满松散颗粒间的孔隙。将松散颗粒紧密联结在一起，使松散颗粒形成具有一定抗压、抗剪强度的致密结构体。

这种结构体类似如沥青混凝土的悬浮型密实结构，它的一个显著特点就是：松散颗粒被胶凝剂膜严密包裹之后，通过外力作用，被包裹的颗粒物相互紧密联系形成一个坚固的密实结构体。这种密实结构有效阻断了结构体内的毛细管和细流通道，阻断、减少了水在结构体内流动与渗透，降低、消除了经胶凝粘结后的颗粒类材料的水浸蚀破坏和冻融破坏。因此，胶凝粘结后的结构体在宏观上表现出有很好的力学性能、耐久性、温度稳定性。

本发明具有以下有益的技术效果：

1)本发明的第一个显著有益特点是：所有的原材料基本上都是固体废弃物，一种是尾矿固废，绿色环保，固废利用，节省投资。

2)本发明的第二个显著有益特点是：本申请首次以“尾矿固废和P型胶凝剂”替代“水泥稳定碎石”作为路面的底基层和基层；而且本申请采用的P型胶凝剂的水化热≤280j/g，比中热水泥、矿渣水泥要低很多(水泥的水化热为375～525j/g)。因为水化比热低，用量少，水化产生的热量有限，则温缩效应小，它的温度膨胀收缩率为0.03％～0.05％，不到水稳材料的1/3，铺筑成路面基层开裂的机率很小，所以P型胶凝剂固化尾矿固废所铺筑成的路面基层，其性能比现行的水泥稳定层在抗温缩方面显得更优异可靠，不开裂，使用寿命长。

3)本发明的第三个显著有益特点是：综合处理尾矿生成的道路建筑材料强度高，无侧限抗压强度最高能达到15.0Mpa以上，满足并超过国家新的标准《公路路面基层施工技术细则(JTG/T F20-2015)》规定的要求：即高等级公路路面底基层强度为3.0～5.0Mpa，上基层强度为5.0～7.0Mpa。现在常用的水稳碎石基层，混合料配比：碎石∶水泥＝95∶5.0时，其强度最高只能达到3.5Mpa，用综合处理尾矿生成的道路建筑材料取代水稳材料，是大势所趋，是现实必然。

4)本发明的第四个显著有益特点是：综合处理尾矿铺筑路面基层施工，工艺简单，易于操作。将综合处理的固废尾矿铺筑路面基层时，可以用路拌法。路拌法是在摊铺现场进行混合料的拌合并直接摊铺，省去了设备复杂的拌合站，省去了原材料和成品混合料的来回运输，缩短了混合料的从加水拌合到成型的工作时间，加快施工进度。路拌法施工不仅工艺简单，易于操作，缩短工时，提高工效。

5)本发明的第五个显著有益特点是：综合处理尾矿固废生成的道路建筑材料所施工成的路面基层，投资成本低，经测算，与水稳层比较，它是用废料代替了碎石，材料成本大幅度降低；拌合方法可以采用路拌法，省去了复杂的拌合站设备，省去了原材料的来回路途倒运，施工成本也可以大幅度降低，两项降低叠加，尾矿固废路面基层造价要比水稳基层低20～30％，一条四车道的高速公路，每公里可节省基层造价45～50万元以上。

6)本发明第六个显著有益特点尤其重要的是：本申请首次将尾矿作为单一的材料直接和“P型胶凝剂”混合，不需要粗集料、细集料等其他的辅助材料的添加，可以最大程度的利用尾矿，尾矿在混合料的占比为绝大多；综合处理尾矿固废可以大量节省碎石的使用，符合绿色发展方向。水稳碎石混合料配比，碎石∶水泥＝95∶5.0，占绝大部分的是碎石。新发展形势要求贯彻绿色发展理念，为了留住绿水青山，国家已经明令禁止开采碎石，水稳碎石正面临着无碎石可用的难题，将陷入无米之炊的绝境，找出取代水稳碎石的途径，迫在眉睫，刻不容缓。本发明P型胶凝剂综合处理利用尾矿固废，能恰到好处的取代水稳碎石，而且这种材料在性能上、质量上、工程成本上、施工工艺上，大大优越于水稳碎石，利用P型胶凝剂综合处理利用尾矿固废，具有广阔的前途和广泛的空间。

7)本发明第七个显著有益特点尤其重要的是：本发明的核心是用尾矿固废取代碎石，完全不用天然开采的石料；而且尾矿的添加量在92-98％之间、添加量之大、消耗量之多，是现有技术均没有的；本申请这种“尾矿固废综合处理利用”所生成的新型道路建筑材料，是取代“水泥稳定碎石”的理想手段，它不仅可以完全取代“水稳”，而且在性能上、质量上、施工工艺上，比“水稳”要优越很多。

附图说明

图1胶凝尾矿压实后超高倍数扫描电镜影像图。

图2为图1中小黑方块位置的再放大图。

具体实施方式

以下所提供的实施例并非用以限制本发明所涵盖的范围，所描述的步骤也不是用以限制其执行顺序。本领域技术人员结合现有公知常识对本发明做显而易见的改进，亦落入本发明要求的保护范围之内。

本申请的“联合拌合摊铺机”是一种具有拌合与摊铺双重功能的设备，市售产品能够实现上述功能的摊铺机均可以适应本申请，该设备可以实现拌合好的混合料直接摊铺在道路上的效果。

实施例一

一种道路路面基层结构，包括底基层和基层。底基层其混合料的组份质量比：尾矿96.5％、P型胶凝剂3.5％，加水拌和控制含水率8％，养生7d，抗压强度达4.0MPa，满足高等级公路特重极重交通标路面底基层强度3.0～5.0MPa指标。基层其混合料的组份质量比：尾矿96.0％、P型胶凝剂4.0％，加水拌和控制含水率8％，养生7d，抗压强度能达到5.5MPa，满足高等级公路特重极重交通标准路面上基层强度5.0～7.0MPa指标要求；加水过程同时加入缓凝剂，缓凝剂的添加量为P型胶凝剂用量的4.5‰；

其中所述的：尾矿固废采用的武汉江夏乌龙泉石灰石矿的尾矿，粒径范围为0.00～15.0mm之间，粒径≤2.0mm的占50％以上，粒径≤0.075mm的含泥量高达20～60％，经高湿粉碎机打碎后过10mm圆孔筛；所述的P型胶凝剂的水化热≤280j/g。

实施例二

一种道路路面基层结构，包括底基层和基层。底基层其混合料的组份质量比：尾矿97％、P型胶凝剂3.0％，加水拌和控制含水率9％，养生7d抗压强度达3.5MPa，满足高等级公路特重极重交通标路面底基层强度3.0～5.0MPa指标。基层其混合料的组份质量比：尾矿96.5％、P型胶凝剂3.5％，加水拌和控制含水率9％，养生7d，抗压强度达5.5MPa，满足高等级公路特重极重交通标准路面上基层强度5.0～7.0MPa指标要求；

其中所述的：尾矿固废采用的武汉江夏乌龙泉石灰石矿的尾矿，粒径范围为0.00～15.0mm之间，粒径≤2.0mm的占50％以上，粒径≤0.075mm的含泥量高达20～60％，经高湿粉碎机打碎后过10mm圆孔筛；所述的P型胶凝剂的水化热≤280j/g。

实施例三

一种道路路面基层结构，包括底基层和基层。底基层其混合料的组份质量比：尾矿95.5％、P型胶凝剂4.5％，控制含水率10％，养生7d，抗压强度达5.0MPa，满足高等级公路特重极重交通标路面底基层强度3.0～5.0MPa指标；基层其混合料的组份质量比：尾矿95.0％、P型胶凝剂5.0％，控制含水率10％，养生7d，抗压强度达8.5MPa，满足(并超过)高等级公路特重极重交通标准路面上基层强度5.0～7.0MPa指标要求；

其中所述的：尾矿固废采用的武汉江夏乌龙泉石灰石矿的尾矿，粒径范围为0.00～15.0mm之间，粒径≤2.0mm的占50％以上，粒径≤0.075mm的含泥量高达20～60％，经高湿粉碎机打碎后过10mm圆孔筛；所述的P型胶凝剂的水化热≤280j/g。

对比例：

以水泥稳定碎石为对比例。多年来，公路常用的路面基层水泥稳定碎石，实际所用配合比如下：

上基层配合比：42.5#水泥∶碎石＝5.0∶95.0，7d抗压强度3.0～3.5Mpa左右，远不能满足高等级公路特重极重荷载标准路面上基层强度要求(标准要求强度为5.0～7.0Mpa)；

底基层配合比：42.5#水泥∶碎石＝4.5％∶95.5％，7d抗压强度2.5～3.0Mpa左右，亦不能满足高等级公路特重极重荷载标准路面底基层强度要求(标准要求强度为3.0～5.0Mpa)。

实例与对比例的性能比较：

本发明的实例与对比例在下列各方面显示有突出优越性。

从材料性质上作比较，水泥稳定类材料不能满足高等级公路路面基层技术标准的强度要求，在水泥参量为5％时，强度在2.5～3.5Mpa之间，只能勉强能满足一般公路路面的基层强度要求。而P型胶凝剂粘结尾矿固废混合料的强度最高能达到15.0Mpa，能充分满足并超过新的标准《公路路面基层施工技术细则(JTG/T F20-2015)》规定的强度要求：即高等级公路路面底基层强度为3.0～5.0Mpa，上基层强度为5.0～7.0Mpa。路面基层强度大幅度提高，对提高路面质量有利，符合路面设计强基薄面的设计理念；

(2)水泥稳定碎石若要再提高强度，则必须加大水泥掺量，但是多年来的公路施工实践证明，由于水泥掺量的加大，则路面基层将不可避免的产生水化收缩裂纹，给公路路面带来灾难性的隐患，即在渗透水的侵蚀下，将引起路面基层整体性破坏。而P型胶凝剂粘结尾矿混合料，它的温度膨胀收缩率为0.03％～0.05％，不到水稳材料的1/3，具有很好的温度稳定性，基本上不产生水化收缩裂纹；

(3)根据现行市场单价进行成本计算，水稳碎石每立方米材料造价,底基层为226.19元/m3，上基层为230.25元/m3。尾矿基层材料造价,底基层为168.70元/m3，上基层为188.61元/m3。底基层节省材料造价24.4％，上基层节省材料造价17.0％，平均降低基层材料造价20.8％。

(4)根据国家关于消解固废政策，在符合资源化、无害化、大宗化原则的前提条件下，国家对消解固废将给予一定的政策性财政补贴，则相应的可以大大降低尾矿的使用价格，即可以大幅度降低尾矿基层的材料造价，大致可比水稳基层降低30％左右，1公里条四车道高速公路，大致可降低基层造价45～50万元左右。

(5)P型胶凝剂综合处理尾矿固废路面基层的施工工艺可以采用路拌法，省去了复杂的拌合站设备，省去了原材料的来回路途倒运，施工成本也可以大幅度降低，加上上面第(4)项，两项降低叠加，尾矿固废路面基层造价要比水稳基层低20～30％，一条四车道的高速公路，每公里可节省基层造价50万元以上。

(6)水泥对尾矿完全不具有胶凝粘结效果，而P型胶凝剂粘结尾矿则有独到的优势，所产生的混合料经过压实后不仅强度高，而且温度稳定性好，抗低温冷冻性强，经－40℃低温冻融试验，按规定标准次数经72h冻融消解反复循环5次，其冻融损失率≤5％，远小于规范规定值20％。P型胶凝剂粘结尾矿混合料相比水泥稳定类材料有不可相提并论的优越性。

Claims (5)

1.一种尾矿固废形成的道路路面基层结构，包括底基层和基层，其特征在于：所述的基层由尾矿和P型胶凝剂综合粘结处理后构成，所述的底基层由尾矿和P型胶凝剂综合粘结处理后构成；且尾矿和P型胶凝剂原料重量百分比的配比为：尾矿92～98％，P型胶凝剂2～8％；

所述尾矿为武汉江夏乌龙泉石灰石矿的尾矿；

经P型胶凝剂处理后的尾矿混合料，碾压或击实成型做成预设规格试件，经－40℃低温冻融试验，按规定标准次数经72h冻融消解反复循环5次，其冻融损失率小于3～5％；养生7d无侧限抗压强度达到3.5Mpa以上；

所述的尾矿和P型胶凝剂综合粘结处理，具体的处理步骤包括：

(1)按质量百分比称取以下组分：尾矿92～98％，P型胶凝剂2～8％，上述各组分的质量百分比之和为100％；所述尾矿经高湿粉碎机打碎后过10mm圆孔筛；

(2)在称好的组分中加水拌合形成混合料，加水后控制含水率为5％～10％；拌合时间控制在1～3min，从加水拌合开始，到碾压结束，混合料的初凝时间≥5h；

(3)在称好的组分中加水拌合形成混合料时，在拌合站集中拌合或者在路床处进行现场拌合，现场摊铺；现场拌合的具体操作方法是：按照摊铺面积和摊铺厚度计算出原材料用量，均匀堆放在施工路段上，用“联合拌合摊铺机”进行现场拌合摊铺“联合拌合摊铺机”上安装有可计量的水槽，控制拌合用水量，保证拌合好的混合料含水率达到预定含水率；

(4)“联合拌合摊铺机”具有拌合与摊铺双重功能，拌合好的混合料摊铺后，经碾压养生形成路面底基层和基层。

2.根据权利要求1所述的尾矿固废形成的道路路面基层结构，其特征在于：所述的P型胶凝剂的水化热≤280j/g。

3.根据权利要求1所述的尾矿固废形成的道路路面基层结构，其特征在于：所述的基层的温度膨胀收缩率为0.03％～0.05％，不到水稳层的1/3。

4.根据权利要求1所述的尾矿固废形成的道路路面基层结构，其特征在于：所述P型胶凝剂粘结尾矿混合料，在加水拌合中加入缓凝剂控制初凝硬化时间，缓凝剂的添加量为P型胶凝剂用量的8‰以下。

5.根据权利要求4所述的尾矿固废形成的道路路面基层结构，其特征在于：所述的碾压采用弱振单向碾压法，即一定吨位的压路机在振动碾压时，不开强振，只开弱振，压路机只需单向开振，不必来回振捣；养护采用薄膜湿水封闭养护，养护5～14d，温度控制在5～35℃。

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