CN115397787A - 用作无机化学紧固体系的水泥质多组分砂浆体系中的细磨波特兰水泥熟料 - Google Patents

用作无机化学紧固体系的水泥质多组分砂浆体系中的细磨波特兰水泥熟料 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种水泥质多组分砂浆体系，其包含研磨细度在6000cm2/g至12000cm2/g范围内的细磨波特兰水泥熟料，用作用于矿物基材中锚固元件的无机化学紧固体系。

Description

用作无机化学紧固体系的水泥质多组分砂浆体系中的细磨波 特兰水泥熟料
技术领域
本发明涉及建筑和紧固技术领域中的矿物基材中锚固元件的化学紧固领域，并且具体地涉及在水泥质多组分砂浆体系中借助于基于细磨波特兰水泥熟料的无机化学紧固体系的锚固元件的化学紧固。
背景技术
在建筑和紧固技术领域中用于紧固矿物基材中锚固元件的复合砂浆是已知的。这些复合砂浆几乎完全基于有机含环氧的树脂/硬化剂体系。然而，众所周知，此类体系对环境和操作它们的人来说是污染性的、昂贵的、潜在危险的和/或有毒的，并且它们经常需要被特别标记。此外，当暴露于强阳光或其它高温时，有机体系通常表现出大大降低的稳定性，这降低了它们在锚固元件的化学紧固中的机械性能。
因此，需要一种即用型水泥质多组分砂浆体系，优选地为水泥质双组分砂浆体系，其在环境方面、健康和安全、操作、储存时间和凝固与固化之间的良好平衡方面优于现有技术体系。此外，令人感兴趣的是提供一种体系，该体系可以用于矿物基材中锚固元件的化学紧固而不会不利地影响该化学紧固体系的操作、特性和机械性能。特别地，特征在于优异荷载值的水泥质多组分砂浆体系是理想的。
鉴于以上内容，本发明的目的是提供一种水泥质体系，特别是水泥质多组分砂浆体系，特别是水泥质双组分砂浆体系，其克服了现有技术体系的缺点。特别地，本发明的目的是提供一种易于操作并且环境友好的即用型水泥质多组分砂浆体系，其可以在使用之前稳定地储存一定的时间段，并且在凝固与固化之间具有良好的平衡，并且还在矿物基材中锚固元件的化学紧固中在高温的影响下表现出优异的机械性能。
此外，本发明的目的是提供一种水泥质多组分砂浆体系，其可以用于在矿物基材，诸如由砖、天然石、混凝土、透水混凝土等制成的结构中的锚固装置，优选地为金属元件的化学紧固。
从本发明的以下描述中，将变得显而易见的这个和另外的目的通过如独立的权利要求中所描述的本发明来实现。从属权利要求涉及优选实施例。
发明内容
本发明涉及一种水泥质多组分砂浆体系，其包含研磨细度在6000cm2/g至12000cm2/g范围内的细磨波特兰水泥熟料，其理想地适合用作用于矿物基材中锚固元件的无机化学紧固体系以实现高荷载值。特别地，本发明涉及一种水泥质多组分砂浆体系，其包含研磨细度在6000cm2/g至12000cm2/g范围内的细磨波特兰水泥熟料、硫酸盐载体和任选的硅粉，其理想地适合用作用于矿物基材中锚固元件的无机化学紧固体系以实现高荷载值。
本发明还涉及此类水泥质多组分砂浆体系用于在矿物基材，诸如由砖、天然石、混凝土、透水混凝土等制成的结构中的锚固装置，优选地为金属元件的化学紧固的用途。
本发明进一步涉及研磨细度在6000cm2/g至12000cm2/g范围内的细磨波特兰水泥熟料在水泥质砂浆体系中作为用于矿物基材中锚固元件的无机化学紧固体系以增加荷载值的用途。
该发明的一些其它目的和特征是明显的，并且一些将在下文中解释。特别地，将基于实施例，详细地描述本发明的主题。
具体实施方式
在本发明的范围内，使用以下术语：
在本发明的上下文中，术语“粘合剂”或“粘合剂组分”涉及多组分砂浆体系的水泥质组分和任选的组分诸如填料。特别地，这也被称为A组分。
在本发明的上下文中，术语“引发剂”或“引发剂组分”涉及引发劲化，固化和硬化作为后续反应的水性水合组分，优选地为添加的水。特别地，这也被称为B组分。
术语“包含”、“具有”和“具有”旨在是包括性的，并且意指还可以意指所引用的那些之外的要素。
如在本发明的范围内使用的，单数形式“一个(a)”和“一个(an)”还包括对应的复数形式，除非可以从上下文明确地推断出某些不同。因此，例如，术语“一个(a)”旨在意指“一个或多个”或“至少一个”，除非另有指示。
各种类型的水泥，它们的组成和它们的应用领域从现有技术中是已知的，但是它们作为无机化学紧固体系的用途，特别是基于细磨波特兰水泥熟料的水泥质多组分砂浆体系的用途很大程度上仍然是未知的。
现已发现，包含研磨细度在6000cm2/g至12000cm2/g范围内的细磨波特兰水泥熟料的水泥质多组分砂浆体系理想地适合用作用于矿物基材中锚固元件的无机化学紧固体系以实现高荷载值，特别是包含研磨细度在6000cm2/g至12000cm2/g范围内的细磨波特兰水泥熟料、硫酸盐载体和任选的硅粉的水泥质多组分砂浆体系。
此外，此类体系，特别是水泥质多组分砂浆体系的特征在于在环境方面、健康和安全、操作、储存时间和凝固与固化之间的良好平衡方面的积极优点，而不会不利地影响化学紧固体系的操作、特性和机械性能。
因此，本发明涉及一种水泥质多组分砂浆体系，其包含研磨细度在6000cm2/g至12000cm2/g范围内的细磨波特兰水泥熟料，用作用于矿物基材中锚固元件的无机化学紧固体系。特别地，本发明涉及一种水泥质多组分砂浆体系，其包含研磨细度在6000cm2/g至12000cm2/g范围内的细磨波特兰水泥熟料、硫酸盐载体和任选的硅粉，用作用于矿物基材中锚固元件的无机化学紧固体系。
水泥质多组分砂浆体系优选地包含粘合剂组分和引发剂组分。优选的是细磨波特兰水泥熟料存在于粘合剂组分中。特别优选的是，水泥质多组分砂浆体系是双组分砂浆体系并且包含粉状水泥质粘合剂组分和水性引发剂组分。
水泥质多组分砂浆体系的波特兰水泥熟料包含58％至70％的氧化钙(CaO)、18％至26％的二氧化硅(SiO2)、1％至10％的氧化铝(Al2O3)和1％至10％的三氧化二铁(Fe2O3)。波特兰水泥熟料的其它特征为二氧化钛(TiO2)、氧化钠(Na2O)、氧化钾(K2O)、氯化物、硫化物、五氧化二磷(P2O5)、三氧化硫(SO3)和氧化镁(MgO)，其优选地占该熟料的小于5％。
水泥质多组分砂浆体系的波特兰水泥熟料的熟料相包含40％至80％的硅酸三钙(阿利特(alite))C3S、5％至30％的硅酸二钙(贝利特(belite))C2S、1％至20％的铝酸三钙C3A、1％至20％的铝酸钙铁氧体C4AF和以较少量存在于熟料中的其它相。
本发明的水泥质多组分砂浆体系包含研磨细度在6000cm2/g至12000cm2/g范围内，优选地在7000cm2/g至12000cm2/g范围内，最优选地在9000cm2/g至12000cm2/g范围内的细磨波特兰水泥熟料。在水泥质多组分砂浆体系的特别优选实施例中，细磨波特兰水泥熟料具有在9000cm2/g至12000cm2/g范围内的研磨细度。
按粘合剂的总重量计，本发明的水泥质多组分砂浆体系优选地包含在1重量％至50重量％范围内，更优选地10重量％至40重量％，最优选地在20重量％至30重量％范围内的细磨波特兰水泥熟料。
水泥质多组分砂浆体系优选地进一步包含硫酸盐载体和任选的硅粉。优选地，硫酸盐载体和任选的硅粉存在于粘合剂组分中。特别优选地，细磨波特兰水泥熟料、硫酸盐载体和任选的硅粉存在于粘合剂组分中。
水泥质多组分砂浆体系的硫酸盐载体包含硫酸盐载体，其选自由以下组成的组：硫酸钙、硫酸钠、硫酸锂、硫酸镁和硫酸钾。水泥质多组分砂浆体系优选地包含选自硫酸钙二水合物、硫酸钙无水石膏、硫酸钙半水合物及其混合物的硫酸钙。在水泥质多组分砂浆体系的特别优选实施例中，硫酸盐载体是无水石膏和半水合物的混合物，优选地具有1.5:1的重量％比。硫酸盐载体显著影响与水混合的水泥的固化行为。按粘合剂组分的总重量计，本发明的水泥质多组分砂浆体系优选地包含在1重量％至6重量％范围内，更优选地1.5重量％至5重量％，最优选地在2重量％至4重量％范围内的硫酸盐载体。
已经有利地发现，如果硫酸盐载体以在6000cm2/g至12000cm2/g范围内，优选地在7000cm2/g至10000cm2/g范围内，最优选地在8000cm2/g至9500cm2/g范围内的研磨细度存在于水泥质多组分砂浆体系中，则可以实现高荷载值。
按粘合剂的总重量计，水泥质多组分砂浆体系的硅粉以1重量％至10重量％的范围，优选地2重量％至8重量％，最优选地4重量％至6重量％的范围存在。硅粉优选地具有0.4μm的平均粒度和180,000cm2/g至220,000cm2/g或18m2/g至22m2/g的表面积。
可替代地，也可以用火山灰材料或具有火山灰特性的材料或其它细反应性或惰性填料代替硅粉。这些是例如刚玉、方解石、白云石、砖灰、稻壳灰、响岩、煅烧粘土、飞灰、粒化高炉矿渣、高岭土和偏高岭土。
在水泥质多组分砂浆体系的优选实施例中，按粘合剂的总重量计，硅粉以5重量％至6重量％的范围存在。
此外，至少一种填料或填料混合物可以存在于粘合剂组分中。这些优选地选自由以下组成的组：石英、砂、石英粉末、粘土、飞灰、粒化高炉矿渣、颜料、氧化钛、轻质填料、石灰石填料、刚玉、白云石、耐碱玻璃、碎石、砂砾、卵石及其混合物。
按粘合剂的总重量计，水泥质多组分砂浆体系的至少一种填料优选地以20重量％至70重量％的范围，更优选地30重量％至60重量％，最优选地40重量％至50重量％的范围存在。
在水泥质多组分砂浆体系的优选实施例中，填料是砂，并且按粘合剂的总重量计，以50重量％至55重量％的范围存在。
在本发明特别优选实施例中，填料是砂和石英粉末的混合物。按粘合剂的总重量计，砂优选地以50重量％至55重量％的范围存在，并且石英粉末以10重量％至11重量％的范围存在。
此外，粘合剂组分可以含有至少一种粉末形式的促凝剂或促凝剂混合物。可以使用普通的波特兰水泥促凝剂。该促凝剂由至少一种碱金属盐和/或碱土金属盐组成，其选自由以下组成的组：氢氧化物、氯化物、硫酸盐、磷酸盐、磷酸一氢盐、磷酸二氢盐、硝酸盐、碳酸盐及其混合物，该至少一种促凝剂优选地为碱金属盐和/或碱土金属盐；钙金属盐诸如氢氧化钙、硫酸钙、碳酸钙、氯化钙、硝酸钙、甲酸钙或磷酸钙；钠金属盐诸如氢氧化钠、硫酸钠、碳酸钠、氯化钠、硝酸钠、甲酸钠或磷酸钠，或C-S-H细菌。
此外，粘合剂组分可以含有其它水泥，诸如基于铝酸钙的水泥。此外，粘合剂组分可以含有纤维，诸如矿物纤维、化学纤维、天然纤维、合成纤维、由天然或合成聚合物制成的纤维，或由无机材料制成的纤维，特别是碳纤维或玻璃纤维。
多组分砂浆体系的引发剂组分包含水和任选的增塑剂。按引发剂组分的总重量计，水含量在大于70重量％，优选地大于80重量％，最优选地大于90重量％的范围内。在优选实施例中，按引发剂组分的总重量计，水含量以70重量％至100重量％的范围，更优选地80重量％至95重量％，最优选地90重量％至95重量％的范围存在。
按引发剂组分的总重量计，任选的增塑剂以1重量％至30重量％的范围，优选地5重量％至25重量％，最优选地10重量％至20重量％的范围存在。任选的增塑剂选自由以下组成的组：具有低分子量(LMW)的聚丙烯酸聚合物、来自聚膦酸酯聚氧化乙烯(polyox)和聚碳酸酯聚氧化乙烯家族的超增塑剂、缩聚物，例如萘磺酸甲醛缩聚物或三聚氰胺磺酸甲醛缩聚物、木质素磺酸盐和来自聚羧酸酯醚基的乙基丙烯酸超增塑剂及其混合物，例如
Figure BDA0003885963090000061
G(法国阿科玛集团的高泰公司(Coatex,Arkema Group,France))、
Figure BDA0003885963090000062
1051(英国罗门哈斯公司(Rohm and Haas,UK))
Figure BDA0003885963090000063
Figure BDA0003885963090000064
HE(德国西卡公司(Sika,Germany))。合适的增塑剂是可商购获得的产品。
在水泥质多组分砂浆体系的非常特殊的实施例中，按引发剂组分的总重量计，水含量为90重量％至95重量％以及增塑剂含量为5重量％至10重量％。
此外，至少一种填料或填料混合物可以存在于引发剂组分中。这些优选地选自由以下组成的组：石英、砂、石英粉末、粘土、飞灰、粒化高炉矿渣、颜料、氧化钛、轻质填料、石灰石填料、刚玉、白云石、耐碱玻璃、碎石、砂砾、卵石及其混合物。
此外，引发剂组分可以含有至少一种水性形式的促凝剂或促凝剂混合物。可以使用普通的波特兰水泥促凝剂。该促凝剂由至少一种碱金属盐和/或碱土金属盐组成，其选自由以下组成的组：氢氧化物、氯化物、硫酸盐、磷酸盐、磷酸一氢盐、磷酸二氢盐、硝酸盐、碳酸盐及其混合物，该至少一种促凝剂优选地为碱金属盐和/或碱土金属盐；钙金属盐诸如氢氧化钙、硫酸钙、碳酸钙、氯化钙、硝酸钙、甲酸钙或磷酸钙；钠金属盐诸如氢氧化钠、硫酸钠、碳酸钠、氯化钠、硝酸钠、甲酸钠或磷酸钠，或由Master X-Seed 100(巴斯夫公司(BASF))组成。
引发剂组分可以另外包含增稠剂。增稠剂可以选自由以下组成的组：膨润土、二氧化硅、基于丙烯酸酯的增稠剂，诸如碱溶性或碱溶胀性乳液、石英粉尘，粘土和钛酸盐螯合剂。给出的实例是聚乙烯醇(PVA)；疏水改性的碱溶性乳液(HASE)；本领域中已知为HEUR的疏水改性的环氧乙烷氨基甲酸酯聚合物；以及纤维素增稠剂，诸如羟甲基纤维素(HMC)、羟乙基纤维素(HEC)、疏水改性的羟乙基纤维素(HMHEC)、羧甲基纤维素钠(SCMC)、羧甲基-2-羟乙基纤维素钠、2-羟丙基甲基纤维素、2-羟乙基甲基纤维素、2-羟丁基甲基纤维素、2-羟乙基乙基纤维素、2-羟丙基纤维素；绿坡缕石粘土及其混合物。合适的增稠剂是可商购获得的产品，诸如Optigel WX(德国毕克化学公司(BYK-Chemie GmbH,Germany)、Rheolate 1(德国海名斯公司(Elementis GmbH,Germany))和Acrysol ASE-60(陶氏化学公司(The DowChemical Company))。
上述组分的存在不会改变水泥质多组分砂浆体系的整体无机性质。
包含研磨细度在6000cm2/g至12000cm2/g范围内的细磨波特兰水泥熟料、硫酸盐载体和硅粉的A组分或粘合剂组分为固体形式，优选地为粉末或粉尘形式。B组分或引发剂组分呈水性形式，可能呈浆液或糊剂形式。
A组分与B组分之间的重量比(A/B)优选地在10/1与1/3之间，并且优选地为8/1至4/1。水泥质多组分砂浆体系优选地包含量为至多80重量％的A组分和量为至多40重量％的B组分。
在分别制备之后，将A组分和B组分放置在单独的容器中，它们可以通过机械作用进行混合。特别地，水泥质多组分砂浆体系是双组分砂浆体系，优选地为水泥质双组分胶囊体系。该体系优选地包含两个或更多个用于分离可固化粘合剂组分和引发剂组分的膜袋。优选地通过引入锚固元件在机械作用下彼此混合的腔室、玻璃胶囊或袋，诸如膜袋，的内容物优选地已经存在于钻孔中。多室筒或盆或桶组的布置也是可能的。
本发明的水泥质多组分砂浆体系可以用于在矿物表面诸如由砖、混凝土、透水混凝土或天然石制成的结构中锚固元件，优选地为金属元件，诸如锚杆，特别是螺纹杆、螺栓、钢增强杆等的化学紧固。特别地，本发明的水泥质多组分砂浆体系可以用于在钻孔中锚固元件，诸如金属元件的化学紧固。其可以用于涉及增加荷载能力和/或增加固化状态下的粘结强度的锚固目的。
此外，本发明的水泥质多组分砂浆体系可以用于纤维、亚麻布、针织物或复合材料，特别是具有高模量的纤维，优选地为碳纤维的应用，特别是用于增强建筑结构，例如墙壁或天花板或地板，并且还用于在建筑物或结构元件上安装部件，诸如由石头、玻璃或塑料制成的板或块。
特别地，在水泥质多组分砂浆体系中使用研磨细度在6000cm2/g至12000cm2/g范围内的细磨波特兰水泥熟料，以增加荷载值。优选地，在水泥质双组分砂浆体系中使用研磨细度在6000cm2/g至12000cm2/g范围内的细磨波特兰水泥熟料、硫酸盐载体和任选的硅粉，以增加荷载值。
以下实例说明本发明，而非由此限制本发明。
实例
1.熟料的组成
表1：通过X射线荧光分析(XRF)和用Rietveld精化进行X射线衍射分析(XRD)测定熟料粉末的化学组成、特征和相组成。
Figure BDA0003885963090000081
2.A组分和B组分的制备
根据本发明的对比实例1、8、10、12和14以及实例2至7、9、11、13和15中的粉状粘合剂组分(A组分)和液体引发剂组分(B组分)最初通过将表2和表3中指定的组分以表4中指定的比例混合来制备，该比例以重量％为单位表示。
表2：基于细磨波特兰水泥熟料的A组分的组成(重量％)。
Figure BDA0003885963090000091
1)硫酸钙：重量％比为1:1.5的硫酸钙半水合物和硫酸钙无水石膏的混合物；以cm2/g(布萊恩)为单位的研磨细度9,000；粒度分布(μm)0.1至30。
2)硅粉：以cm2/g(布萊恩)为单位的研磨细度180,000至220,000；粒度分布(μm)0.1至10。
3)砂：粒度分布(μm)125至1000。
4)石英粉末：粒度分布(μm)0.1至100。
表3：组分B的组成(重量％)。
引发剂 增塑剂
水 聚羧酸酯醚
B0 91.2 8.8
B1 95.1 4.9
表4：A组分与B组分的混合比。
A组分 B组分 A/B比 水/粘合剂比
A0 B0 0.158 0.4
A1 B0 0.17 0.45
A2 B0 0.184 0.5
A3 B0 0.184 0.5
A4 B0 0.2 0.55
A5 B0 0.2 0.55
A6 B0 0.2 0.55
A5 B1 0.2 0.55
A6 B1 0.2 0.55
3.机械性能的测定
在分别制备之后，使用混合器混合粉状粘合剂组分A和引发剂组分B。将所有样品混合1分钟。将混合物倒入具有直径为12mm，锚固深度为32mm并且地面底切为0.33mm的不锈钢套管钻孔中。在填充之后立即将长度为100mm的M8螺纹杆插入钻孔中。
使用“Zwick Roell Z050”材料测试装置(德国乌尔姆的兹韦克集团(Zwick GmbH&Co.KG,Ulm,Germany))在24小时内的特定时间测定固化砂浆组合物的荷载值。将不锈钢套管固定在板上，同时用螺母将螺纹杆固定在力测量装置上。在500N的预荷载和3mm/min的测试速度下，通过从中心拉出螺纹杆来测定断裂荷载。每个样品由平均5份提取物组成。断裂荷载计算为内部强度，并且在表5中以N/mm2为单位给出。
表5：以N/mm2为单位的内部强度。
Figure BDA0003885963090000101
从表5中可以看出，在固化24小时之后，与没有增加细度的对比体系相比，根据本发明的所有可测量的体系显示出相当大的内部强度和增加的荷载值以及因此改进的机械强度。
如上所示，与具有3000cm2/g的低颗粒细度的体系相比，使用本发明的细磨粘合剂，特别是具有在6000cm2/g至12000cm2/g范围内的细度，优选地10000cm2/g至12000cm2/g的颗粒细度的细磨粘合剂提供了即使在低温下的荷载值和因此机械强度的增加。

Claims (16)

1.一种水泥质多组分砂浆体系，其包含研磨细度在6000cm2/g至12000cm2/g范围内的细磨波特兰水泥熟料，用作用于矿物基材中锚固元件的无机化学紧固体系。
2.根据权利要求1所述的水泥质多组分砂浆体系，其进一步包含硫酸盐载体，所述硫酸盐载体选自由以下组成的组：硫酸钙、硫酸钠、硫酸锂、硫酸镁和硫酸钾。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的水泥质多组分砂浆体系，其进一步包含硅粉。
4.根据前述权利要求中任一项所述的水泥质多组分砂浆体系，其进一步包含至少一种矿物填料，所述至少一种矿物填料选自由以下组成的组：石英、砂、石英粉末、粘土、飞灰、粒化高炉矿渣、颜料、氧化钛、轻质填料、石灰石填料、刚玉、白云石、耐碱玻璃、碎石、砂砾、卵石及其混合物。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的水泥质多组分砂浆体系，其中所述硫酸盐载体以6000cm2/g至12000cm2/g范围内的研磨细度存在。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的水泥质多组分砂浆体系，其中所述硫酸盐载体是硫酸钙二水合物、硫酸钙无水石膏、硫酸钙半水合物及其混合物。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的水泥质多组分砂浆体系，其中所述硫酸盐载体是无水石膏和半水合物的混合物，优选地具有1.5:1的重量％比。
8.根据前述权利要求中任一项所述的水泥质多组分砂浆体系，其中所述水泥质多组分砂浆体系为双组分砂浆体系，优选地为双组分胶囊砂浆体系。
9.根据权利要求8所述的水泥质多组分砂浆体系，其中所述双组分胶囊砂浆体系包含粉状A组分和水性B组分，所述粉状A组分包含研磨细度在6000cm2/g至12000cm2/g范围内的所述细磨波特兰水泥熟料、所述硫酸盐载体和所述硅粉。
10.根据权利要求9所述的水泥质多组分砂浆体系，其中所述水性B组分包含水和增塑剂。
11.根据前述权利要求中任一项所述的水泥质多组分砂浆体系，其中按粘合剂的总重量计，所述细磨波特兰水泥熟料以1重量％至50重量％的范围存在。
12.根据前述权利要求中任一项所述的水泥质多组分砂浆体系，其中按所述粘合剂的所述总重量计，所述硫酸盐载体以1重量％至6重量％的范围存在。
13.根据前述权利要求中任一项所述的水泥质多组分砂浆体系，其中按所述粘合剂的所述总重量计，所述硅粉以1重量％至10重量％的范围存在。
14.一种研磨细度在6000cm2/g至12000cm2/g范围内的细磨波特兰水泥熟料在水泥质多组分砂浆体系中作为用于矿物基材中锚固元件的无机化学紧固体系以增加荷载值的用途。
15.根据权利要求14所述的用途，其中所述水泥质多组分砂浆体系进一步包含硫酸盐载体和任选的硅粉。
16.根据权利要求15所述的用途，其中所述水泥质多组分砂浆体系为双组分砂浆体系，其中所述双组分砂浆体系包含粉状A组分和水性B组分，所述粉状A组分包含研磨细度在6000cm2/g至12000cm2/g所述范围内的所述细磨波特兰水泥熟料、所述硫酸盐载体和所述硅粉。
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