KR101970272B1 - 순환유동층 보일러 연소재를 이용한 싱크홀 고화제 - Google Patents

Abstract

본 발명은 순환유동층 보일러 연소재를 이용한 싱크홀 고화제에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 포틀랜드 시멘트, 고로슬래그 미분말, 순환유동층 보일러 연소재 및 플라이애시를 포함하는 바인더에 배합수 및 재활용 토사를 혼합하여 제조되는 싱크홀 고화제를 제공할 수 있다.

Description

순환유동층 보일러 연소재를 이용한 싱크홀 고화제{Sinkhole Firming agent Using Circulating fluidized bed combustion Cinder}

본 발명은 순환유동층 보일러 연소재를 이용한 싱크홀 고화제에 관한 것으로, 보다 상세하게는 순환유동층 보일러에서 발생하는 연소재를 이용하여 싱크홀을 유발하는 지하공동을 효과적으로 제거 하면서도 경제적이고 상하수도 매설관의 재시공 시의 굴착문제도 해결할 수 있는 순환유동층 보일러 연소재를 이용한 싱크홀 고화제에 관한 것이다.

2014년 제2 롯데 월드 송파구 일대 인근 지반 침하현상이 발생한 이후 싱크홀에 대한 국민과 언론의 관심이 증폭되었다.

특히 상하수도관이 밀집되어 있는 수도권과 도심지를 중심으로 지반 침하현상이 빈번하게 일어나고 있으며, 2005년부터 2015년까지 도심지 싱크홀 발생현황을 보면 서울에서만 3,000여건의 도로함몰이 발생하였으며, 연평균 약 680건의 지반함몰 사건이 발생하였다.

도심지의 지반 함몰 및 싱크홀 현상은 주로 노후 상하수도관의 누수로 인한 주변 토사의 유실로 인해 생겨난 공동이 상부의 압력을 견디지 못하고 함몰될 때 발생하거나, 토목공사를 진행하며 지하수의 수위가 낮아질 때 지하수가 차지하던 공간이 공동으로 변하여 함몰되며 발생한다.

서울시 조사 자료에 따르면, 발생하는 지반 침하 현상 중 85%가 도로에 매설된 상하수도관의 노후로 인한 것이고 전체 상하수도관의 48.3%인 5,000 km 정도가 매설된 지 30년이 넘었다는 것을 감안할 때 앞으로의 지반 침하현상은 더 빈번히 일어날 것으로 예상되며, 추후 채움이 이루어져야 할 공동의 총 부피 또한 상당할 것으로 예상된다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 종래의 기술로서 대한민국 등록특허 10-1583257 “싱크홀 방지용 경량 성토재”에서는 시멘트 20~30중량%, 플라이애시 10~20중량% 및 고로슬래그 50~70중량%로 구성되는 결합재와 물 및 재활용 토사를 포함하는 싱크홀 방지용 경량 성토재를 제시하고 있다.

하지만 결합재의 구성요소가 산업부산물의 활용도 측면에서 경제성이 떨어지고, 시공 이후 재굴착성이 떨어져 향후 이루어질 수 있는 지하공사에 영향을 줄 수 있다는 문제점이 있다.

또한 종래의 기술로서 아크릴 종합체 레진을 사용하는 대한민국 공개특허 10-2016-0116105, 염화물계 고화제를 사용하는 대한민국 공개특허 10-2017-0005377, 액상 고화재 조성물을 사용하는 대한민국 등록특허 10-1581238이 존재하지만, 고가의 구성성분을 포함한다는 점에서 경제성이 현저히 떨어진다는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제를 해결하고자, 본 발명은 순환유동층 보일러에서 발생하는 연소재를 이용하여 싱크홀을 유발하는 지하공동을 효과적으로 제거하면서도 경제적이고 상하수도 매설관의 재시공 시의 굴착문제도 해결할 수 있는 순환유동층 보일러 연소재를 이용한 싱크홀 고화제를 제공하는 데 있다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 포틀랜드 시멘트, 고로슬래그 미분말, 순환유동층 보일러 연소재 및 플라이애시를 포함하는 바인더에 배합수 및 재활용 토사를 혼합하여 제조되는 싱크홀 고화제를 제공할 수 있다.

여기서, 상기 바인더는 포틀랜드 시멘트 5 내지 20 중량부, 고로슬래그 미분말 5 내지 50중량부, 순환유동층 보일러 연소재 5 내지 50중량부 및 플라이애시 10 내지 30중량부로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 바인더 100중량부에 대하여, 상기 배합수 45 내지 55중량부 및 상기 재활용 토사 70 내지 80중량부로 혼합하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 바인더는 조강제 1 내지 3 중량부가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 순환유동층 보일러 연소재는 6400 내지 6600 cm²/g의 분말도를 가지는 것을 특징으로 한다.

또한, 최종 압축강도는 15Mpa 내지 20Mpa 인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 순환유동층 보일러 연소재를 이용한 싱크홀 고화제는 순환유동층 보일러 연소재를 이용하여 공동 채움용 고화제의 수밀성 및 재굴착성을 향상시킬 수 있다.

또한, 산업부산물의 활용도를 높임으로써, 경제적 비용을 절감하여 경제성까지 확보할 수 있다.

도 1은 실시예, 비교예에서 제조된 싱크홀 고화제의 3일, 7일 및 28일의 압축강도를 비교한 결과를 나타낸 그래프.

이하, 도면을 참조한 본 발명의 설명은 특정한 실시 형태에 대해 한정되지 않으며, 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있다. 또한, 이하에서 설명하는 내용은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이하의 설명에서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용되는 용어로서, 그 자체에 의미가 한정되지 아니하며, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 명세서 전체에 걸쳐 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 이하에서 기재되는 "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로 해석되어야 하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 순환유동층 보일러 연소재를 이용한 싱크홀 고화제는 순환유동층 보일러에서 발생하는 연소재를 이용하여 싱크홀을 유발하는 지하공동을 효과적으로 제거 하면서도 경제적이고 상하수도 매설관의 재시공 시의 굴착문제도 해결할 수 있는 순환유동층 보일러 연소재를 이용한 싱크홀 고화제에 관한 것이다.

본 발명에 따르면 싱크홀 고화제는 순환유동층 보일러 연소재를 이용하여 공동 채움용 고화제의 수밀성을 향상시켜, 싱크홀 및 지반 침하현상을 야기할 수 있는 지하 공동을 방지할 수 있다.

또한, 적정 압축강도를 형성함으로써, 추후 지하공사에 동반되는 재굴착 작업의 용이성을 높이는 효과가 있다.

또한, 산업부산물의 활용도를 높이고, 시멘트 사용량을 감소시켜 이산화탄소 저감효과를 나타낼 수 있다.

또한, 산업부산물의 활용도를 높여 경제적 비용을 절감하고, 많은 양의 소요가 예상됨으로써 경제성이 있을 것으로 기대할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 순환유동층 보일러 연소재를 이용한 싱크홀 고화제는 포틀랜드 시멘트, 고로슬래그 미분말, 순환유동층 보일러 연소재 및 플라이애시를 포함한 바인더, 배합수 및 재활용 토사를 포함할 수 있다.

바인더는 포틀랜드 시멘트, 고로슬래그 미분말, 순환유동층 보일러 연소재 및 플라이애시를 포함할 수 있다.

더욱 구체적으로, 바인더는 포틀랜드 시멘트 5 내지 20 중량부, 고로슬래그 미분말 5 내지 50중량부, 순환유동층 보일러 연소재 5 내지 50중량부 및 플라이애시 10 내지 30중량부로 구성될 수 있다.

포틀랜드 시멘트는 산화칼슘(CaO), 실리카(SiO₂) 및 산화알루미늄(Al₂H₃)으로 구성되며, 3,300 ㎠/g 전후의 분말도를 가지는 것이 바람직하다.

또한, 포틀랜드 시멘트는 5 내지 20 중량부로 혼합되는 것이 가장 바람직하다.

이때, 포틀랜드 시멘트가 5 중량부 미만일 경우 고화제의 충분한 강성을 기대하기 어렵고, 20중량부를 초과할 경우 고화제의 압축강도가 더욱 높아져 고화제의 재굴착성 및 경제성이 저감되는 문제점이 있다.

고로슬래그 미분말은 용광로에서 철을 제련하고 생성되는 부산물로서 수산화칼슘(CaOH₂) 및 잠재수경성 물질을 포함하고 있다. 포틀랜드 시멘트의 석회석 성분인 산화칼슘을 대체할 수 있는 재료로, 비경질의 유리상이 다량 포함되어 있으며, 이러한 비경질 상은 알칼리성 물질과 접촉하여 반응이 용이하게 일어날 수 있다.

또한, 고로슬래그 미분말은 5 내지 50중량부로 혼합되는 것이 가장 바람직하다.

이때, 고로슬래그 미분말이 5 중량부 미만일 경우 순환유동층 보일러 연소재와 반응하기에 너무 미미한 양이고, 50중량부를 초과할 경우 압축강도의 저하로 싱크홀 방지기능을 기대하기 어려울 수 있다.

순환유동층 보일러 연소재는 페트로코크스 및 바이오매스를 혼소하여 연료로 사용하는 순환유동층 연소 방식의 화력발전소에서 단일 사용 및 연소하여 발생하는 산업부산물로서 다량의 산화칼슘(CaO)과 황성분이 포함되어 있다.

페트로코크스란, 정유공장에서 원유를 정제하는 과정에 발생하는 석유 부산물로써 각종 유류를 빼낸 뒤 남게 되는 고체 형태의 탄화물이다.

이러한 페트로코크스는 원래 연소재가 발생되지 않으나, 황(S) 성분의 제거를 위해 투입된 석회석(CaCO₃)으로 인해 산화칼슘(CaO)과 황산칼슘(CaSO₄₎를 주성분으로 하는 산업부산물이 발생되고 있다.

페트로코크스에 바이오매스를 혼소하여 연료로 사용하여 발생하는 순환유동층 보일러 연소재는 고화제의 강도를 저해할 수 있는 유리석회를 제거하지 않아도 고화제의 충분한 강성을 나타낼 수 있다.

이러한 순환유동층 보일러 연소재가 고로슬래그 미분말을 자극하여 에트링자이트를 생성하고 잠재수경성을 발휘함에 따라, 고화제는 강성을 띄게 될 수 있다.

또한, 순환유동층 보일러 연소재는 5 내지 50중량부로 혼합되는 것이 가장 바람직하다.

이때, 순환유동층 보일러 연소재가 5 중량부 미만이면 고화제의 충분한 강성을 기대하기 어렵고, 50 중량부를 초과할 경우 압축강도가 높아져 고화제의 재굴착성 및 경제성이 저감되는 문제가 발생할 수 있다.

또한, 순환유동층 보일러 연소재는 6400 내지 6600 cm²/g의 분말도를 가지는 것을 특징으로 한다.

이는 공동을 고화제로 매설 또는 타설 하면, 고화제의 도포가 균일하게 형성되도록 할 수 있다.

플라이애시는 유연탄을 연료로 사용하는 화력발전소에서 발생하는 산업부산물로서, 고화제 내의 장기강도를 증진시키는 효과를 나타낼 수 있다.

또한, 플라이애시는 혼화재로써 사용될 수 있는 물질 중에서 저렴한 것으로, 경제적이며, 입자가 원형으로 혼합시 고화제의 유동성을 향상시킬 수 있다.

또한, 플라이애시는 10 내지 30 중량부로 혼합되는 것이 가장 바람직하다.

이때, 플라이애시는 10 중량부 미만일 경우 충분한 장기 강도 증진효과를 보기 어렵고, 30중량부를 초과할 경우 오히려 강성을 저하시켜 싱크홀 방지효과를 저해시키는 요소로 작용할 수 있다.

상기에서 설명한 순환유동층 보일러 연소재를 사용하고, 플라이애시의 함량을 증가시킴으로써, 시멘트의 사용량을 감소시킬 수 있다.

이에 따라, 고화제에 의해 발생하는 이산화탄소 발생의 저감효과를 나타낼 수 있다.

또한, 포틀랜드 시멘트가 순환유동층 보일러 연소재 및 플라이애시로 대체되는 비율이 높아짐에 따라 고화제의 최종 압축강도는 상승하고, 초기 압축강도는 감소할 수 있다.

또한, 바인더는 조강제를 더 포함할 수 있다.

조강제는 혼합되어 고화제의 경도, 강도 및 내마모성에 영향을 줄 수 있다.

조강제는 당업계에 공지된 다양한 경화제를 이용할 수 있으나, 벤질과산화물(benzylperoxide, BPO) 혹은 변성경화제(MXDA Mannich)를 사용할 수 있다.

또한, 조강제는 1 내지 3 중량부로 혼합되는 것이 가장 바람직하다.

이때, 조강제가 1중량부 미만일 경우 반응속도의 지연에 따른 경도의 저하 및 신율의 감소를 초래할 수 있고, 조강제가 3 중량부를 초과할 경우 경도는 우수하지만 반응속도가 너무 빨라 수축 균열의 확대를 초래하기 때문에 고화제의 물성을 저하시키며 신율이 감소될 수 있다.

한편, 조강제는 목표로 하는 경화시간 및 대기온도조건 그리고 하지면 온도에 따라 달리 사용할 수도 있는데, 겨울철에는 더 많은 양을 혼합하고, 여름철에는 적은 양을 혼합하여 발열량을 조절할 수도 있다.

배합수는 바인더 100중량부에 대하여, 45 내지 55 중량부로 혼합되는 것이 가장 바람직하다.

이때, 배합수가 45 중량부 미만일 경우 고화제의 유동성이 저하되어 공용을 매설하는데 어려움이 발생할 수 있고, 55 중량부를 초과할 경우 고화제의 유동성이 너무 높아지고 경화시간이 지연되는 문제가 발생하고, 고화제의 강도가 저하될 수 있다.

재활용 토사는 준설토 및 건설잔토 등이 토사를 재활용하여 사용할 수 있다. 이는 산업 부산물의 활용도, 환경 문제 및 경제성을 높이는 효과를 기재할 수 있다.

또한, 재활용 토사는 바인더 100 중량부에 대하여, 재활용 토사 70 내지 80중량부로 혼합되는 것이 가장 바람직하다.

상기와 같은 구성으로 형성된 싱크홀 고화제의 유동성은 120mm 내지 250mm의 플로우값을 가질 수 있다.

고화제의 유동성을 나타내는 플로우값은 고화제의 작업성 및 강성과 연관되어 있다.

이에 따라, 고화제는 중력과 투입 압력의 힘으로 공동을 최대한 채워줘야 하는 공동 매설, 뒤채움채 시에도 적합하며, 저유동성이 필요한 상하수도관의 보수 및 신규 상하수도관의 매설 등의 일반적인 타설에도 사용하기 용이할 수 있다.

또한, 고화제의 압축강도는 싱크홀을 방지하며, 추후 지하공사를 위해서는 15 내지 20Mpa가 가장 바람직하다.

본 발명의 실시예에 따른 싱크홀 고화제는 초기 압축강도(재령 3일 후)는 5Mpa 이상으로 나타나며, 싱크홀 고화제의 최종 압축강도(재령 28일 후)는 15Mpa 내지 20Mpa로 나타날 수 있다.

이에 따라, 싱크홀 고화제는 싱크홀 및 지반 침하현상을 야기할 수 있는 지하 공동을 방지하면서, 추후 지하공사 시 재굴착 작업이 용이하도록 할 수 있다.

상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 순환유동층 보일러 연소재를 이용한 싱크홀 고화제는 순환유동층 보일러 연소재를 이용하여 공동 채움용 고화제의 수밀성을 향상시켜, 싱크홀 및 지반 침하현상을 야기할 수 있는 지하 공동을 방지할 수 있다.

또한, 적정 압축강도를 형성함으로써, 추후 지하공사에 동반되는 재굴착 작업의 용이성을 높이는 효과가 있다.

또한, 산업부산물의 활용도를 높이고, 시멘트 사용량을 감소시켜 이산화탄소 저감효과를 나타낼 수 있다.

또한, 산업부산물의 활용도를 높여 경제적 비용을 절감하고, 많은 양의 소요가 예상됨으로써 경제성이 있을 것으로 기대할 수 있다.

이하, 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다.

단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

[ 실시예 1]

실시예 1에서는 포틀랜드시멘트 17중량%, 고로슬래그미분말 40중량%, 플라이애시 21중량%, 순환유동층 보일러 연소재 20중량% 및 조강제 2%를 혼합하여 450g의 바인더를 형성하였으며, 바인더 100중량부에 대해 배합수 50중량부와 표준사 75중량부를 혼합하여 고화체를 형성하였다.

(재활용 토사를 대신해 시멘트 강도 시험에 사용하는 모래인 표준사를 사용하였다.)

[ 실시예 2]

실시예 2에서는 포틀랜드시멘트 14중량%, 고로슬래그미분말 43중량%, 플라이애시 21중량%, 순환유동층 보일러 연소재 20중량% 및 조강제 2%를 혼합하여 450g의 바인더를 형성하였으며, 바인더는 같은 방법으로 배합수와 표준사를 혼합하여 고화체를 형성하였다.

[ 실시예 3]

실시예 3에서는 포틀랜드시멘트 14중량%, 고로슬래그미분말 40중량%, 플라이애시 24중량%, 순환유동층 보일러 연소재 20중량% 및 조강제 2%를 혼합하여 450g의 바인더를 형성하였으며, 바인더는 같은 방법으로 배합수와 표준사를 혼합하여 고화체를 형성하였다.

[ 실시예 4]

실시예 4에서는 포틀랜드시멘트 11중량%, 고로슬래그미분말 46중량%, 플라이애시 21중량%, 순환유동층 보일러 연소재 20중량% 및 조강제 2%를 혼합하여 450g의 바인더를 형성하였으며, 바인더는 같은 방법으로 배합수와 표준사를 혼합하여 고화체를 형성하였다.

[ 실시예 5]

실시예 5에서는 포틀랜드시멘트 11중량%, 고로슬래그미분말 40중량%, 플라이애시 27중량%, 순환유동층 보일러 연소재 20중량% 및 조강제 2%를 혼합하여 450g의 바인더를 형성하였으며, 바인더는 같은 방법으로 배합수와 표준사를 혼합하여 고화체를 형성하였다.

[ 비교예 1]

비교예 1에서는 포틀랜드시멘트 40중량%, 고로슬래그미분말 40중량% 및 플라이애시 20중량%를 혼합하여 450g의 바인더를 형성하였으며, 바인더는 같은 방법으로 배합수와 표준사를 혼합하여 고화체를 형성하였다.

[ 비교예 2]

비교예 2에서는 포틀랜드시멘트 26중량%, 고로슬래그미분말 37중량% 및 플라이애시 35중량%를 혼합하여 450g의 바인더를 형성하였으며, 바인더는 같은 방법으로 배합수와 표준사를 혼합하여 고화체를 형성하였다.

상기 실시예 1 내지 5와 비교예 1 및 2를 하기 [표 1]에 정리하였다.

[ 실험예 ]

상술한 실시예 1 내지 5와 비교예 1 및 2에 따라 싱크홀 고화제 각각에 대한 압축강도를 3일, 7일, 28일에 각각 측정하였다. 여기서, 압축강도는 KS L 5211의 평가방법을 이용하여 측정하였다.

그 결과는 하기의 [표 2]와 같다.

상기 표 2 및 도 1에서 보이는 바와 같이, 순환유동층 보일러 연소재를 전혀 사용하지 않고, 기존 포틀랜드시멘트, 고로슬래그 미분말 및 플라이애시만을 사용하여 제조된 비교예 1 및 2의 고화제의 강도는 재령 28일 기준 모두 35 MPa를 초과한 것을 확인할 수 있다.

이는 양생이 완료된 고화체가 추후 케이블매설, 지하공간 개발 등에 동반되는 재굴착시에 어려움을 야기할 수 있음을 나타낸다.

반면, 순환유동층 보일러 연소재를 20중량% 포함하여 제작된 실시예 1 내지 5의 고화체의 재령 28일 압축강도는 모두 15MPa 이상 20MPa 이하인 것을 확인할 수 있다.

이는 고화제가 타설되었을 시에 안정적으로 공동 상부의 토양을 지지하여 싱크홀을 방지할 수 있는 강도일 뿐만 아니라, 추후 지하공간 개발의 필요에 따라 어려움 없이 재굴착을 진행할 수 있는 강도이기도 하다.

또한, 모든 실시예에서 시멘트 사용량은 20중량% 미만으로, 이는 시멘트 생산시 필연적으로 발생하는 이산화탄소의 감소효과를 의미할 뿐만 아니라 산업부산물인 순환유동층 보일러 연소재를 활용함으로서 자원의 활용도를 높이는 효과가 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.

Claims (6)

1. 포틀랜드 시멘트, 고로슬래그 미분말, 순환유동층 보일러 연소재 및 플라이애시를 포함하는 바인더에 배합수 및 재활용 토사를 혼합하여 제조되며,
   상기 바인더는,
   포틀랜드 시멘트 5 내지 20 중량부, 고로슬래그 미분말 5 내지 50중량부, 순환유동층 보일러 연소재 5 내지 50중량부 및 플라이애시 10 내지 30중량부로 구성되고,
   상기 바인더 100중량부에 대하여, 상기 배합수 45 내지 55중량부 및 상기 재활용 토사 70 내지 80중량부로 혼합하며,
   상기 순환유동층 보일러 연소재는,
   6400 내지 6600 cm²/g의 분말도를 가지는 것을 특징으로 하는 싱크홀 고화제.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 바인더는,
   조강제 1 내지 3 중량부가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 싱크홀 고화제.
   
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   최종 압축강도는 15Mpa 내지 20Mpa 인 것을 특징으로 하는 싱크홀 고화제.

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