KR102621993B1 - 탄산칼슘을 포함하는 백색시멘트 조성물 - Google Patents
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Abstract
개시된 내용은, 탄산칼슘을 포함하는 백색시멘트 조성물은 산업 부산물인 고로슬래그 미분말에 이산화탄소 포집물인 탄산칼슘을 주원료로 사용함으로써 친환경적이며 경제적인 탄산칼슘을 포함하는 백색시멘트 조성물에 관한 것이다.
이러한 탄산칼슘을 포함하는 백색시멘트 조성물은 고로슬래그 미분말 60~75중량%, 탄산칼슘 8~12중량%, 리토폰 6~8중량%, 실리카 3~6중량%, 생석회 4~5중량%, 황산나트륨 1~3중량%, 염화칼슘 2~3중량% 및 백색안료 1~3중량%를 포함하되, 백색도는 89~98이고, 28일간 양생 시 압축강도는 43~46MPa이며, 안정도는 0.5~0.59%이다.
이러한 탄산칼슘을 포함하는 백색시멘트 조성물은 고로슬래그 미분말 60~75중량%, 탄산칼슘 8~12중량%, 리토폰 6~8중량%, 실리카 3~6중량%, 생석회 4~5중량%, 황산나트륨 1~3중량%, 염화칼슘 2~3중량% 및 백색안료 1~3중량%를 포함하되, 백색도는 89~98이고, 28일간 양생 시 압축강도는 43~46MPa이며, 안정도는 0.5~0.59%이다.
Description
본 명세서에 개시된 내용은 탄산칼슘을 포함하는 백색시멘트 조성물에 관한 것이다.
본 명세서에서 달리 표시하지 않는 한, 이 섹션에 설명되는 내용들은 이 출원의 청구항들에 대한 종래 기술이 아니며, 이 섹션에 포함된다고 하여 종래 기술이라고 인정되는 것은 아니다.
일반적으로 현대인은 시멘트로 건축된 건물에서 생활하고 있으며, 시멘트는 인간의 생활수준과 주거문화를 획기적으로 발전시키고 생활 편의를 주었지만 독성의 화학적 유해물질이 방출되는 양면성이 있다. 시멘트에서 방출되는 인체에 유해한 대표적인 성분으로는 암모니아, 라돈과 같은 유해가스와 발암성 중금속인 6가 크롬, 그리고 시멘트 고유의 물질 특성에 의한 열기를 흡수하고 냉기를 품어내는 냉복사열과 강알칼리가 있다.
한편, 백색시멘트는 건물의 미관을 위해 내외장재로 끝마감 바름, 물갈기시공 외에도 인조대리석, 각종 건축마감재의 2차 제품 등에 주로 사용되고 있다. 이러한 백색시멘트는 포틀랜드 시멘트 생산기술을 기반으로 하기 때문에 고순도 석회석을 고온으로 소성하여 산화칼슘과 이산화탄소로 분리하는 기본과정을 거치므로 다량의 에너지소비와 함께 이산화탄소를 발생시키고, 그 원료인 납석, 형석 등은 국내 생산량으로는 부족하여 중국 등에서 수입하여 사용하고 있어 제조원가가 비교적 높은 실정이다.
따라서, 상술한 문제점을 해결하기 위한 연구가 절실한 실정이다.
자원을 재활용하여 경제적이면서도 에너지 사용량과 이산화탄소 발생량을 기존대비 15%이하로 줄일 수 있는 친환경적인 탄산칼슘을 포함하는 백색시멘트 조성물을 제공하고자 한다.
또한 상술한 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 이하의 설명으로부터 또 다른 기술적 과제가 도출될 수도 있음은 자명하다.
개시된 내용의 일 실시예에 의하면, 탄산칼슘을 포함하는 백색시멘트 조성물은 고로슬래그 미분말 60~75중량%, 탄산칼슘 8~12중량%, 리토폰 6~8중량%, 실리카 3~6중량%, 생석회 4~5중량%, 황산나트륨 1~3중량%, 염화칼슘 2~3중량% 및 백색안료 1~3중량%를 포함하되, 백색도는 89~98이고, 28일간 양생 시 압축강도는 43~46MPa이며, 안정도는 0.5~0.59%이다.
또한, 상기 고로슬래그 미분말의 분말도는 6,000~9,000cm2/g일 수 있다.
또한, 상기 탄산칼슘은 발전소, 폐기물 소각시설, 하수 슬러지 처리시설로부터 배출되는 이산화탄소와 생석회 또는 산업부산물의 광물탄산화 반응을 통해 포집된 이산화탄소 포집물이고, 6,000~8,000cm2/g의 분말도를 가질 수 있다.
또한, 상기 이산화탄소와 산화칼슘의 직접 반응은 이산화탄소 전환반응기에 의해 실시되되, 상기 이산화탄소 전환반응기는 발전소, 폐기물 소각시설, 하수 슬러지 처리시설에서 회수된 이산화탄소를 포함하는 배가스를 저장하는 가스저장부, 산화칼슘을 구비하고 상기 가스저장부로부터 공급되는 배가스와 반응하여 탄산칼슘을 생성하는 반응부, 상기 반응부에서 생성된 탄산칼슘을 포집하는 포집부 및 상기 반응부에서 미반응된 이산화탄소를 회수하는 회수부를 포함하고, 상기 회수부에 회수된 이산화탄소는 상기 가스저장부로 보내 재사용될 수 있다.
또한, 상기 백색안료는 산화아연, 이산화티탄 및 백운석 중에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
본 명세서에 개시된 일 실시예에 따르면, 탄산칼슘을 포함하는 백색시멘트 조성물은 산업 부산물인 고로슬래그 미분말에 이산화탄소 포집물인 탄산칼슘을 주원료로 사용함으로써 친환경적이며 경제적인 효과가 있다.
또한, 경화속도가 빠르고 백색도가 뛰어나며 압축강도가 우수한 효과가 있다.
도 1은 이산화탄소 전환반응기를 나타낸 개략도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 개시된 내용의 바람직한 실시예의 구성 및 작용 효과에 대하여 살펴본다. 참고로, 이하 도면에서, 각 구성요소는 편의 및 명확성을 위하여 생략되거나 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 반영하는 것은 아니다. 또한 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭하며 개별 도면에서 동일 구성에 대한 도면 부호는 생략하기로 한다.
본 명세서에 개시된 내용의 일 실시예에 따른 탄산칼슘을 포함하는 백색시멘트 조성물은 (1) 고로슬래그 미분말, (2) 탄산칼슘, (3) 리토폰, (4) 실리카, (5) 생석회, (6) 황산나트륨, (7) 염화칼슘 및 (8) 백색안료를 포함하고, 백색도 89~98, 28일간 양생 시 압축강도 43~46MPa, 및 안정도 0.5~0.59%를 만족한다.
(1) 고로슬래그 미분말
고로슬래그 미분말은 제철공장에서 선철과 함께 생성되는 용융슬래그를 급랭시켜 얻은 입상의 수쇄슬래그를 건조 및 분쇄하여 미분화한 것으로, 잠재수경성을 가지고 있으며, 산화제이철을 고로슬래그 미분말 전체 중량%에 대해 0.5중량% 미만으로 함유하는 것이 바람직하다. 이는 산화제이철의 함량이 0.5중량% 이상이면, 고로슬래그 분말도가 충분하다고 하더라도 고로슬래그 자체의 색상이 갈색을 띄기 때문에 조성물로 사용하기에 적합하지 않다. 고로슬래그 미분말의 반응성은 일반적으로 염기도 및 유리화율이 높을수록 크며, 비중은 2.90 내지 2.94 범위이고 분말도는 비표면적으로 6,000~9,000㎠/g이 적당하다. 상기 분말도가 6,000㎠/g 미만이면, 입자크기가 크므로 대기 중으로 노출되는 표면적이 충분하지 못해 원하는 수준으로의 백색도 구현이 어렵고, 9,000㎠/g를 초과하면, 초기 활성도 및 백색도는 좋으나 제조원가가 높아 경제성이 떨어지고 건조수축이 커지므로 균열이 발생하기 쉽다.
본 실시예에서 고로슬래그 미분말을 사용함에 따라 표면 활성도가 증가하며 Al2O3의 용출속도가 빨라지게 되어 에트링가이트(Ettringite)의 생성이 촉진되며, C-S-H계 수화물의 겔화를 촉진시키는 것과 동시에 미반응 부분을 감소시키는 효과가 있다. 고로슬래그 미분말은 SiO2 37.9%, Al2O3 12.5%, Fe2O3 0.3%, CaO 43.7%, 및 MgO 5.6%로 구성될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 환경에 따라 일부 성상은 변경될 수도 있다.
이러한 고로슬래그 미분말은 조성물 전체 중량%에 대하여, 60~75중량%로 포함될 수 있는데, 이는 고로슬래그 미분말이 60중량% 미만이면, 강도 및 내구성이 저하될 수 있고, 75중량%를 초과하면, 강도 및 내구성은 개선되나 건조수축이 발생되며 경제성이 떨어질 수 있다.
(2) 탄산칼슘
탄산칼슘은 발전소, 폐기물 소각시설, 하수 슬러리 처리시설로부터 배출되는 이산화탄소(CO2)와 산화칼슘(CaO) 또는 산업부산물의 광물탄산화 반응을 통해 포집된 이산화탄소(CO2) 포집물이고, 6,000~8,000cm2/g의 분말도를 가질 수 있다. 상기 산업부산물은 산화칼슘(CaO)을 다량으로 포함하고 있는 제강슬래그, 폐콘크리트 미분 또는 생활 폐기물 소각재일 수 있으며, pH조절을 목적으로 산과 암모늄염을 용제로 추가하여 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
탄산칼슘은 건설용으로 많이 사용되고, Calcite, Aragonite, Vaterite의 3가지 결정구조를 가지며, 골재 내부 수분이 빠져나간 자리에 공극을 매우는 충진재 역할을 하여 강도 증진 효과에 기여한다. 탄산칼슘은 CaCO3 92.8%, MgO 2.73%, SiO2 1.41%, Fe2O3 0.26%, Al2O3 0.38%, Na2O 0.08%, 및 K2O 0.18%로 구성될 수 있다.
이러한 탄산칼슘은 조성물 전체 중량%에 대하여, 8~12중량% 포함될 수 있는데, 이는 8중량% 미만이면, 내식성이 떨어질 수 있고, 12중량%를 초과하면, 내구성이 미흡해지는 문제가 발생될 수 있다.
한편, 상기 이산화탄소와 산화칼슘의 직접 반응은 이산화탄소 전환반응기에 의해 실시될 수 있다. 도 1을 참조하면, 이산화탄소 전환반응기(100)는 발전소, 폐기물 소각시설, 하수 슬러지 처리시설에서 회수된 이산화탄소를 포함하는 배가스를 저장하는 가스저장부(10), 산화칼슘을 구비하고 상기 가스저장부(10)로부터 공급되는 배가스와 반응하여 탄산칼슘을 생성하는 반응부(20), 상기 반응부(20)에서 생성된 탄산칼슘을 포집하는 포집부(30) 및 상기 반응부(20)에서 미반응된 이산화탄소를 회수하는 회수부(40)를 포함하고, 상기 회수부(40)에 회수된 이산화탄소는 상기 가스저장부(10)로 보내 재사용될 수 있다. 예컨대, 도면에는 부호로 표시하지 않았지만 상기 반응부(20)는 배가스가 유입되는 유입구, 생성된 탄산칼슘이 배출되는 제1 배출구 및 미반응된 이산화탄소가 배출되는 제2 배출구를 포함하고, 상기 유입구는 제1 배출구 및 제2 배출구보다 하부측에 위치될 수 있다.
(3) 리토폰
리토폰(lithopone)은 황화아연과 황산바륨의 혼합물로 이루어진 백색의 미분말로, 황산바륨에 탄소를 넣어 공기를 막고 900℃로 가열하며 환원한 것을 물로 추출해서 황화바륨 용액을 만든다. 한편, 아연을 묽은 황산으로 녹여 황산아연 용액을 만든다. 황화바륨 용액 속에 황산아연 용액을 넣고, 황화아연과 황산바륨을 침전시켜, 거름, 물세척, 건조한다. 건조 후 공기를 막고 800℃로 가열하여 물로 냉각하고 건조해서 제조한다. 한편, 리토폰은 순백이며, 은폐력, 착색력 모두 연백, 아연화보다 크고, 물 알칼리에 침해되지 않지만 산에는 침해될 수 있다. 주로 페인트로서의 용도로 사용되며, 백색의 착색제로서 고무 배합제에 이용되고 백색도와 경제성을 높이기 위해 고가의 다른 백색안료와 혼합하여 백색시멘트 첨가용으로도 사용될 수 있다. 리토폰은 황화아연과 황산바륨이 99%이상이고, 백색도 96% 이상, pH 7.5, 입도 10㎛, 및 함수율 0.02%이하의 조건을 만족할 수 있다.
이러한 리토폰은 조성물 전체 중량%에 대하여, 6~8중량%로 포함될 수 있는데, 이는 6중량% 미만이면, 내식성이 떨어질 수 있고, 8중량%를 초과하면, 비용이 상승하여 경제성이 떨어질 수 있다.
(4) 실리카
실리카는 SiO2 함량이 99.5% 수준의 실라카 제조공정에서 생산되는 중간 품위의 실리카이고, 비중은 2.66이며, 평균입경이 10.4㎛ 이하 수준으로 보통 포틀랜드 시멘트의 평균 입경(17~20㎛)보다 우수하다. 이와 같은 특성으로 인해 시멘트계 수화물의 최밀 충전과 규산칼슘(Calcium Silicate) 광물의 수화물(CSH, Calcium Silicate Hydrates)을 활성화 하는데 도움을 주어 강도 증진에 효과가 있으며, 채움재, 그라우트재, 속경성 시멘트계 등 고강도 혼합재 역할을 한다. 실리카는 SiO2 99.5%, Al2O3 0.19%, CaO 0.02%, Fe2O3 0.01%, MgO 0.01%, Na2O 0.04%, 및 Others 0.07%로 구성될 수 있으며, 이때 Ig. Loss는 0.14%일 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 환경에 따라 일부 성상은 변경될 수도 있다.
이러한 실리카는 조성물 전체 중량%에 대하여, 3~6중량%로 포함될 수 있는데, 이는 실리카가 3중량% 미만이면, 높은 압축강도 발현이 어려울 수 있고, 6중량%를 초과하면, 경화가 빠르게 일어나 물성 및 내구성이 떨어질 수 있다.
(5) 생석회
생석회(CaO)는 산화칼슘이라고도 하고, 순수한 것은 입방정의 백색 결정으로 녹는점은 2570℃이며 백색 분말상태이다. 이러한 생석회의 입도는 200mesh 이상의 것으로, 탄산칼슘과 결합화를 통해 강도를 향상시키고 칼슘이 부족해지는 현상을 방지하며, 잠재수경성을 촉진시키는 자극제로서 이온 응집반응 및 포졸란 반응을 수행하는 역할을 한다.
이러한 생석회는 조성물 전체 중량%에 대하여, 4~5중량%로 포함될 수 있는데, 이는 생석회가 4중량% 미만이면, 경도 강화 효과가 미미할 수 있고, 5중량%를 초과하면, 과다한 팽창으로 균열을 야기할 수 있다.
(6) 황산나트륨
황산나트륨(Na2SO4)은 무수물 또는 몇 가지 수화물 형태로 존재하며 대부분 물에 잘 녹는 백색 고체로, 비중은 2.7 정도이고 입도는 200mesh 이상인 것이 바람직하다. 특히, 황산 소듐 십수화물(Na2SO4 .10H2O)이 상용하는 주요 제품이며, 세제의 제조 및 종이 펄프화를 위한 크래프트(Kraft) 공정에 주로 사용될 수 있고, 무수 황산 소듐은 실험실에서 유기 용매의 수분 제거용으로 많이 쓰인다. 예컨대, 황산나트륨은 수화반응에 의해 초기에 에트링가이트 활성화로 초기 강도가 증가되며 중장기적으로 수산화칼슘과의 포졸란 반응으로 압축강도 및 내구성을 향상시키는 역할을 한다.
이러한 황산나트륨는 조성물 전체 중량%에 대하여, 1~3중량%로 포함될 수 있는데, 이는 생석회가 1중량% 미만이면, 원활한 수화작용을 충분히 수행하지 못하게 되어 압축강도 및 내구성 강화 효과가 미미할 수 있고, 3중량%를 초과하면, 수화작용 향상에는 도움이 되지만 비용이 증가될 수 있어 경제성이 떨어지는 문제가 발생될 수 있다.
(7) 염화칼슘
염화칼슘(CaCl2)은 염소와 칼슘이 반응하여 만들어진 이온성 화합물로, 다른 조성과 함께 혼합된 혼합물에 가소성을 부여하여 수화물 반응을 촉진함으로써 초기에 경화하는데 기여할 수 있다. 특히, 이수화물의 염화칼슘 및 무수물의 염화칼슘은 조해성(deliquescence)이 강하여 수분을 잘 흡수한다. 한편, 염화칼슘은 구형, 후레이크형, 분말형 등이 있으며, 반응성을 증가시키기 위해 분말형을 사용하는 것이 바람직하다.
이러한 염화칼슘는 조성물 전체 중량%에 대하여, 2~3중량%로 포함될 수 있는데, 이는 염화칼슘이 2중량% 미만이면, 초기 경화가 어려울 수 있고, 3중량%를 초과하면, 내수성이 떨어질 수 있다.
(8) 백색안료
백색안료는 백색도를 높이기 위해 사용하는 것으로, 산화아연, 이산화티탄 및 백운석 중에서 선택되는 하나 이상, 바람직하게는 산화아연을 단독으로 사용해도 되지만 산화아연과 백운석을 1:2의 중량비로 혼합하여 사용할 수도 있다. 이러한 경우 백색도 확보가 보다 더 용이할 수 있다.
이러한 백색안료는 조성물 전체 중량%에 대하여, 1~3중량%로 포함될 수 있는데, 이는 백색안료가 1중량% 미만이면, 백색도 확보가 어려울 수 있고, 3중량%를 초과하면, 과다 투입으로 경제성이 떨어질 수 있다.
<실시예 1 내지 3, 비교예 1>
하기 표 1에 기재된 백색시멘트의 조성 및 함량을 상온에서 일정속도로 정밀 혼합하여 실시예 1 내지 3 및 비교예 1의 백색시멘트를 제조하였다.
표 1의 함량은 중량%이다.
| 구분 | 실시예 1 | 실시예 2 | 실시예 3 | 비교예 1 | |
| 고로슬래그 미분말 | 6,500 cm2/g | 61 | 68 | 75 | - |
| 3,200 cm2/g | - | - | - | 81 | |
| 탄산칼슘 | 12 | 10 | 8 | 7 | |
| 리토폰 | 8 | 7 | 6 | 5 | |
| 실리카 | 5 | 4 | 3 | 2 | |
| 생석회 | 5 | 4.5 | 4 | 3 | |
| 황산나트륨 | 3 | 2 | 1 | 0.5 | |
| 염화칼슘 | 3 | 2.5 | 2 | 1 | |
| 백색안료 | 산화아연 | 3 | 2 | 1 | 0.5 |
실험예 1. 물리적 특성 평가
실시예 1 내지 3 및 비교예 1의 물리적 특성을 확인하기 위하여 하기 표 2에 기재된 시험법으로 각각 시험을 실시하였으며, 그 결과는 표 3에 나타내었다.
표 3에서 KS L 5204는 백색시멘트 KS 규격이다.
| 시험명 | 시험법 |
| 분말도 | KS L 5106 |
| 안정도 | KS L 5107 |
| 응결시간 | KS L 5108 |
| 압축강도 | KS L ISO 679 |
| 백색도 | KS L 5113 |
| 구분 | KS L 5204 (기준치) |
실시예 1 | 실시예 2 | 실시예 3 | 비교예 1 | ||
| 분말도(cm2/g), 비표면적 | 3,000 이상 | 6,500 | 6,500 | 6,500 | 3,200 | ||
| 압축강도(MPa) | 3일 | 12.5 이상 | 15.4 | 14.3 | 13.9 | 10.6 | |
| 7일 | 22.5 이상 | 30.6 | 28.3 | 26.7 | 20.2 | ||
| 28일 | 42.5 이상 | 45.2 | 44.1 | 43.2 | 38.1 | ||
| 백색도(헌터법) | 89 이상 | 90.9 | 90.4 | 90.1 | 87.7 | ||
| 안정도(%) | 0.80 이하 | 0.53 | 0.56 | 0.58 | 0.60 | ||
| 응결시간 | 초결(분) | 60 이상 | 172 | 179 | 185 | 197 | |
| 종결(시간) | 10 이하 | 7 | 7 | 7 | 7 | ||
표 3을 참조하면, 실시예 1 내지 3은 모든 시험에서 기준치 이상으로 나타난 반면, 비교예 1에서는 압축강도 및 백색도가 기준 이하로 나타났다. 따라서, 고로슬래그 미분말의 분말도나 탄산칼슘의 함량은 백색시멘트의 압축강도 및 백색도에 영향을 준다는 사실을 알 수 있었다.
개시된 내용은 예시에 불과하며, 특허청구범위에서 청구하는 청구의 요지를 벗어나지 않고 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양하게 변경 실시될 수 있으므로, 개시된 내용의 보호범위는 상술한 특정의 실시예에 한정되지 않는다.
100: 이산화탄소 전환반응기
10: 가스저장부
20: 반응부
30: 포집부
40: 회수부
10: 가스저장부
20: 반응부
30: 포집부
40: 회수부
Claims (5)
- 고로슬래그 미분말 60~75중량%, 탄산칼슘 8~12중량%, 리토폰 6~8중량%, 실리카 3~6중량%, 생석회 4~5중량%, 황산나트륨 1~3중량%, 염화칼슘 2~3중량% 및 백색안료 1~3중량%를 포함하되,
백색도는 89~98이고, 28일간 양생 시 압축강도는 43~46MPa이며, 안정도는 0.5~0.59%인 것이고,
상기 고로슬래그 미분말의 분말도는 6,500cm2/g인 것을 특징으로 하는 탄산칼슘을 포함하는 백색시멘트 조성물.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 탄산칼슘은 발전소, 폐기물 소각시설, 하수 슬러지 처리시설로부터 배출되는 이산화탄소와 생석회 또는 산업부산물의 광물탄산화 반응을 통해 포집된 이산화탄소 포집물이고, 6,000~8,000cm2/g의 분말도를 가지는 것을 특징으로 하는 탄산칼슘을 포함하는 백색시멘트 조성물.
- 제3항에 있어서,
상기 이산화탄소와 산화칼슘의 직접 반응은 이산화탄소 전환반응기에 의해 실시되되, 상기 이산화탄소 전환반응기는, 발전소, 폐기물 소각시설, 하수 슬러지 처리시설에서 회수된 이산화탄소를 포함하는 배가스를 저장하는 가스저장부; 산화칼슘을 구비하고 상기 가스저장부로부터 공급되는 배가스와 반응하여 탄산칼슘을 생성하는 반응부; 상기 반응부에서 생성된 탄산칼슘을 포집하는 포집부; 및 상기 반응부에서 미반응된 이산화탄소를 회수하는 회수부;를 포함하고, 상기 회수부에 회수된 이산화탄소는 상기 가스저장부로 보내 재사용되는 것을 특징으로 하는 탄산칼슘을 포함하는 백색시멘트 조성물.
- 제1항에 있어서,
상기 백색안료는 산화아연, 이산화티탄 및 백운석 중에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 탄산칼슘을 포함하는 백색시멘트 조성물.
Priority Applications (1)
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| KR1020210113742A KR102621993B1 (ko) | 2021-08-27 | 2021-08-27 | 탄산칼슘을 포함하는 백색시멘트 조성물 |
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Citations (3)
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2021
- 2021-08-27 KR KR1020210113742A patent/KR102621993B1/ko active IP Right Grant
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