KR20000014685A - 경화성 및 수축 안정성이 강화된 경량 단열 몰탈 조성물 - Google Patents

경화성 및 수축 안정성이 강화된 경량 단열 몰탈 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 공동 주택의 건축에서 바닥 난방 시공 부분중 일반적으로 단열층 또는 축열층이라고 일컬어지는 구조층 시공용 경량단열 몰탈 조성물에 관한 것이다.
본 발명은 시멘트 50∼70 중량부, 화력 발전소 부산 플라이 애쉬 30∼50 중량부를 기본 조성으로하는 기포 콘크리트에 팽창제 1∼10 중량부, 알루미나 0.01∼0.5 중량부, 응결 촉진제 0.1∼0.8중량부, 셀룰로즈 에스테르 0.01∼0.1 중량부를 투입하여 건식으로 충분히 혼합하여 이를 고상 베이스로하고 여기에 기포제를 0.1∼5.0 중량부로 희석한 기포액을 이용하여 만든 기포군과 혼합수를 혼합하여 슬러리를 만들었을 경우 슬러리 비중 0.5g/㎤∼1.0g/㎤ 범위로 발포시켜 사용할 수 있도록 한 경량 단열몰탈 조성에 관한 것이다.

Description

경화성 및 수축 안정성이 강화된 경량 단열 몰탈 조성물
본 발명은 공동 주택의 바닥 난방 시공 부분중 일반적으로 단열층 또는 축열층이라고 일컬어지는 구조층 시공용 경량 단열 몰탈 조성물에 관한 것이다.
바닥 난방 시공 구조는 우리나라에서만 독창적으로 발달되어온 전통적인 구조인바, 온수 배관을 이용한 바닥 난방 구조가 개발되기 전까지는 아궁이를 통해서 직접 실내 바닥 아랫 부분을 가열함으로서 실내의 온도를 상승시키는 구들 구조를 사용하였으나, 건축 기술의 발달과 사용 연료의 다양화로 인하여 보다 편리하고 효율적인 온수 배관 난방 구조로 변화하게 되었다.
온수 배관층 아랫 부분은 단열층 및 축열층으로 지금까지 주로 사용되고 있는 구조는 자갈을 채우는 구조, 경량 기포 콘크리트를 타설하는 구조, 경량 골재 콘크리트를 타설하는 구조, 건식 단열 패널을 적용하는 구조 등이 이용되어 왔다.
각 구조의 장단점을 살펴보면, 먼저 자갈 채움 구조는 건축물의 대형화, 고층화에 따라서 자재 운반의 곤란, 자재의 중량으로 인한 고층 시공의 제한 등의 문제로 인하여 사용에 많은 제약을 받아 왔다. 또 건설 현장에서의 구인난으로 인해 노동력이 많이 필요한 자갈 채움 구조는 그 적용에 한계를 느껴왔다.
또 현재 단열층으로서 주로 적용되는 경량 기포 콘크리트 구조는 시멘트만을 사용하여 슬러리를 만들고 여기에 기포군을 섞어서 타설하였으므로 과다한 시멘트가 소요되어 경제적으로 낭비가 심하였으며, 양생이 진행됨에 따라서 건조 수축이 심하여 크랙을 발생시켜왔다. 또 비중이 높은 시멘트만을 고체상으로 사용함으로써 경화체내 적정 포아(pore)를 얻고자 할 경우 고비중, 크랙 발생, 슬러리의 고점도화 등의 문제로 인하여 적용이 불가능하고 단지 비중이 낮은 상태로만 시공이 되어 강도 부실, 경화체의 침전등 많은 하자 요인을 발생시켜 왔다.
이러한 문제를 해결하고자 지금까지 많은 연구와 노력을 해왔고, 또 개선안이라고 하는 많은 연구 보고서들이 발표되었으나, 상기 문제를 완벽히 해결할 만한 대안은 제시되지 못했다.
예를 들면 대한민국 특허출원공개 제86-8958호의 "불연성 콤프렉스 포옴 경량 콘크리트 제조 방법"에서는 단지 필라(filler)로서 플라이애쉬나 카바이드를 사용하였으므로 기존의 크랙이나 강도 부실의 문제를 전혀 개선치 못하고 단지 시멘트의 일부를 골재로 대체하는 역할밖에 하지 못하였다.
대한민국 특허출원공개 제92-2287호의 "경량 단열 콘크리트의 제조 방법"에서는 시멘트와 함께 스치로폴 입자, 화산재, 퍼라이트, 팝스톤, 고로스래그, 질석 등의 경량 골재를 사용하는 시공법을 제시하였으나, 이러한 물질들은 시멘트에 단지 골재를 투입해서 배합을 조정하는 정도의 역할밖에 하지 못하므로 대한민국 특허출원공개 제86-8958호의 "불연성 콤프렉스 포옴 경량 콘크리트 제조 방법"과 대동소이하다고 할수 있겠다. 이는 시공시 블리딩(bleeding)과 입도 분리, 시공시간 경과에 따라 시공 기계 내부에 시멘트가 경화되어 믹서의 작동 제한 등과 같은 문제를 발생시키면서 경량 기포 콘크리트의 근본 문제는 해결하지 못하였다.
상기의 예와 같이 기포제를 사용하여 기포군을 만들어 이를 시멘트 슬러리와 혼합하여 단열층을 형성하는 공법의 경우 기포의 불안정성으로 인하여 예정 산출 부피를 시공하는 것이 어렵고 또 기상, 액상, 고상 즉 기포군, 물, 시멘트 및 플라이애쉬의 3상을 적당히 섞어서 일정한 비중을 얻어야 하므로 제품의 안정성에서 많은 문제를 발생시켰다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로서 제시된 공법이 경량 골재나 폐기 플라스틱을 골재로 사용하여 단열층을 구성하는 공법에 관한것으로는 대한민국 특허출원공개 제94-2202호 "기포 콘크리트 제조 방법"과 대한민국 특허출원공개 제95-3216호 "경량 단열 콘크리트 제조 방법" 같은 방법이 제시되었다. 상기 배합으로 시공시 폴리우레탄, E.V.A, 스치로폴 등의 경량 골재를 적용하여 단열성을 높이고자 하였으나 이들 물질은 초경량이라서 시멘트 슬러리와 혼합하여 타설시 폴리우레탄이나 E.V.A, 스치로폴 등 유기 프라스틱 조각들이 부유하는 현상이 나타난다. 이러한 현상은 하부와 상부층에서 유기물과 무기물의 층분리로 인하여 층간의 열팽창 계수와 건조 수축의 차이 및 강도의 차이를 발생시켜 하자의 위험성을 갖게 된다. 특히 심각한 경우 입주후 바닥에 난방을 시작할 경우 단열층이 박리 현상을 일으켜서 바닥을 전면적으로 재시공해야 하는 경우도 발생된다. 즉 단열층의 강도 저하는 궁극적으로 마감층까지도 영향을 주게된다는 결론이다.
본 발명에서도 필라(filler)로서 플라이애쉬(fly ash)를 사용하였다. 플라이애쉬를 사용함으로서 일반 경량 기포 콘크리트에서 과다하게 사용되는 시멘트의 양을 줄였다. 또 플라이애쉬는 입자가 구형이라서 파쇄 구조인 시멘트만을 사용한 일반 경량 기포 콘크리트에 비하여 우수한 유동성을 발현하므로 고비중의 슬러리를 타설할 경우 표면 평활도가 높아지게 된다. 상대적으로 시멘트량을 줄임으로서 초기 강도 저하가 우려되나 이는 경화체의 비중 증대와 플라이 애쉬와의 포졸란(pozzolan) 반응을 통한 장기 강도 증대를 통하여 보정된다. 또 플라이 애쉬를 사용함으로서 얻어지는 장점은 포졸란 반응을 통하여 미반응 산화칼슘 성분을 안정된 칼슘실리케이트 수화물로 전환시킴으로서 백화 현상을 줄여 상(相)의 안정화를 추구할수 있다.
그러나 상기와 같이 플라이 애쉬를 필라로 사용하는 발명은 대한민국 특허출원공개 제93-21566호 "온돌 단열 기포 콘크리트 경화체 제조 방법"에서 이미 발표되었다. 그러나 상기 발명은 대한민국 특허출원공개 제86-8958호 "불연성 콤프렉스 포옴 경량 콘크리트 제조 방법"과 대한민국 특허출원공개 제92-2287호 "경량 단열 콘크리트의 제조 방법"에서 이미 언급되었던바 별로 특이한 기술이라 할수 없겠다.
본 발명은 기존 제품의 상기와 같은 단점을 두가지 방법에 의하여 건조 수축 및 침전을 보완하였다.
본 발명에서는 건조 수축 문제를 해결하기 위하여 팽창 기구를 도입하였다.
일반적인 시멘트 제품의 수축 보정은 시멘트 경화체내 팽창 기구를 도입하여 이들을 팽창시킴으로서 일반적인 시멘트상의 수축을 보정하는 방법을 사용한다.
일반적인 시멘트 상의 비중이 2.3-2.7 정도인데 비하여 에트린자이트는 1.7정도로 비교적 저비중이다. 따라서 소지내에 칼슘실리케이트 수화물에 의해 수축되는 경화체에 에트린자이트를 생성시켜서 보정해 줄 수가 있다. 이와 같은 방법은 한때 과다 팽창으로 인하여 파괴의 원인이 된다 하여 유해시 하고 적용을 거부한 적도 있으나 현재는 이때의 팽창력을 이용하여 시멘트 자체의 팽창성을 갖게 하는 제품들이 널리 상용되고 있다. 이들은 반응 메카니즘에 따라 K형, M형, S형 및 O형으로 분류되어진다.
먼저 K형 팽창제는 칼슘설포알루미네이트와 황산칼슘 또는 산화칼슘을 함유하고 있는 시멘트이다. 칼슘설포알루미네이트는 포트랜드 시멘트와 함께 소성하든가 따로 소성하여 혼합되는데, 보통 보크사이트 20-25%, 석회석 40-50% 및 석고 40-35%를 혼합하여 1,200-1,300℃에서 소성하여 제조케 되는 것으로, 보크사이트 대신 점토중의 알루미나 성분을 사용하기도 한다.
한편, M형 팽창제는 포틀랜드 시멘트에 알루미나 시멘트와 석고를 혼합한 제품으로서, 포틀랜드 시멘트 60-70%에 알루미나 시멘트 및 석고를 30-40%을 혼합한 것으로, 팽창은 온도에 따라 제어된다.
또한, S형 팽창제는 보통 포틀랜드 시멘트에 비하여 다량의 칼슘알루미네이트상과 칼슘설페이트상을 함유한 시멘트이다.
마지막 O형 팽창제는 산화칼슘이나 산화마그네슘이 수화시 팽창한다는 성질을 이용하여 이를 미량 첨가하는 방법이다.
지금까지 일반적인 몰탈이나 구조체에는 팽창제를 투입하여 소지의 팽창을 통한 수축을 보정한 예는 있었으나 본 발명과 같이 액상, 고상, 기상, 즉 물, 시멘트와 플라이애쉬, 기포군의 삼상을 혼합하여 단열층을 구성하는 경우에 적용된 적이 없었다.
본 발명에서는 팽창 원료로서 K형 시멘트를 사용하였다. 칼슘설포알루미네이트에서의 에트린자이트의 생성은 다음과 같은 메카니즘을 따른다.
3CaO·3Al2O3·CaSO4+ 8CaSO4+ 6CaO + 96H2O → 3(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)
이 반응으로부터 고상부분의 부피 변화를 계산해 보면 수화후의 부피는 약2배가 됨을 알수 있다. 물론 수화시 물이 참여하지 않고 있고 고상 부피의 증가 자체가 팽창을 일으키는 충분한 요인은 아니다. 수화한 시멘트 경화체에는 많은 공간이 존재하므로 이공간에서 수화 생성물이 석출될수 있고 이 석출물이 주위의 매트릭스를 흩뜨리지 않고 그 공간내에서만 생성한다면 팽창은 일어나지 않는다. 반대로 석출물이 고상 내에서 석출되면서 주위 미세 구조를 밀어내면 고상은 팽창된다. 즉 고상의 부피 변화와의 관계는 단순하게 비교, 설명할 수는 없다. 따라서 팽창 기구를 이해하려면 그 수화 생성물의 석출이 어떻게 그 미세 구조에 영향을 미치는지를 검토하여야 한다. 에트린자이트의 생성이 팽창을 일으키기는 하지만 에트린자이트의 형성 시기, 형성 방법 및 그 형태 등이 중요하다.
동일하게 M형, S형, O형 팽창제를 적용하였을 경우 공히 팽창제의 팽창 작용에 의하여 경량 단열 몰탈의 건조 수축을 보정해줄수 있는 것으로 나타났다.
산화칼슘-산화알루미늄-산화황의 수화 반응에 의하면 에트린자이트가 생성할 때 시멘트의 응결 과정의 어떤 시기에 이 에트린자이트가 생성하는가에 의해 에트린자이트는 팽창성, 급경성 및 고강도성 등 다른 작용을 한다. 따라서 본 발명에서는 계절적인 온도의 변화 및 시멘트 제조사에 따른 시멘트의 경화 속도를 제어하기 위하여 칼륨, 나트륨, 리튬, 칼슘 이온을 함유한 무기 화합물을 반응 촉진제로 사용하였다. 만약 반응 촉진제를 사용하지 않으면 계절 및 시멘트 제조사의 차이에 따라 응결 속도가 차이 나므로 어떤 제품에 있어서는 과다한 팽창으로 인하여 단열층 전체의 파괴 결과를 가져오게 되며 또한 어떤 경우는 팽창 작용이 거의 없어서 크랙 방지의 역할을 할 수 없게 된다.
일반적인 기포 콘크리트는 양생이 진행됨에 따라 시멘트의 수축에 의한 크랙의 진행도 존재하지만 시간이 지남에 따라 기포의 소멸로 인한 크랙도 존재하게 된다.
이러한 현상은 타설시 침하 현상으로 나타나는데 이는 팽창시멘트를 적용함으로서도 해결할 수가 없는 문제이다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 바에라이트의 생성 메카니즘을 적용하였다.
그 반응 메카니즘을 보면,
2Al + 6H2O → 2Al(OH)3+ 3H2
위 반응식과 같이 알루미나 분말을 투입시 이는 물과 반응하여 바에라이트를 발생시키고 그 부산물로서 수소 가스를 생성시킨다. 이때 생성된 수소 가스는 기포제에 의한 기포의 소멸을 보정해 줌으로서 타설후 기포 소멸로 인한 부피 감소를 보정해주게 된다.
건설 현장에서 공기 단축과 후속 공정의 신속한 진행을 위하여 단열층의 경화 촉진은 기본적인 요구 조건이다. 특히 유동성 및 장기 강도 증진을 위하여 플라이 애쉬를 시멘트와 혼용하여 사용할 경우에는 플라이 애쉬의 보습성으로 인하여 경화 지연은 더욱 큰 문제로 대두된다. 본 발명에서는 상기의 문제를 해결하고 경화를 촉진시키기 위하여 응결촉진제를 적용하였다. 응결 촉진제는 동관이나 콘크리트 슬라브 하지내의 철근을 부식시키지 않는 소듐카보네이트를 사용하였다.
지금까지는 무기원료 측면에서 본 발명의 특성을 설명하였고 유기원료 측면에서 본 발명의 특성은 다음과 같다.
일반적인 플라이 애쉬의 진비중은 2.1-2.3g/㎤ 이고 시멘트는 3.1-3.2g/㎤이다. 이와 같이 서로 상이한 비중과 입도의 원료를 슬러리 상에서 균일하게 섞어서 상을 유지하는 것은 대단히 어렵다. 따라서 본 발명에서는 서로 상이한 입도와 비중을 갖는 시멘트와 플라이 애쉬를 안정화 시키기 위하여 셀룰로즈 에스테르 화합물을 첨가하였다.
본 발명에서는 사용되는 셀룰로스 에스테르 화합물은 에스테르화 반응에 의하여 불용성 셀룰로즈를 수용성 셀룰로즈로 전환한 것을 사용한다. 아래 그림은 셀룰로즈 다연결 구조를 입체적인 구조로 나타낸 것이다.
셀룰로즈 에스테르를 형성하기 위해서는 무수 그루코스 기본구조의 하이드록실 그룹에서 수소가 치환되어야 한다. 이러한 셀룰로즈의 치환은 폴리머 반응과 동일한 메카니즘으로서 셀룰로즈 체인은 손상시키지 않고 치환될수 있다. 그러나 일정 정도의 분자량이나 특성이 변화될 수 있으나 물리적, 화학적 특성의 다양성 및 기능의 차이에 따른 것으로서 다양한 셀룰로즈 에스테르가 형성된다고 볼 수 있다. 이러한 반응은 여러 가지 에스테르화 첨가제에 의하여 수행되며, 단지 하나만 사용되면 모노에스테르라고 한다. 만약 여러 가지 첨가제가 사용되면 혼합물의 결과를 낳는다.
본 발명에서 사용된 셀룰로즈 에스테르는 고순도 화학 펄프에서 추출된 것이다. 이러한 것들은 솜이나 여러종류의 목재에서 얻어진다. 가공하지 않은 셀룰로즈는 여러 가지 정제와 표백 공정과 같은 보다 복잡한 화학 반응 과정을 거쳐서 얻어진다. 고순도 화학 펄프는 높은 반응성의 알카리 셀룰로즈를 얻기 위하여 가성소다 용액에 의해 처리된다. 이러한 반응은 제어된 조건에서 하나 이상의 단계를 거쳐 얻어진다.
이 제품은 최초 염화 나트륨을 함유한 공정에서 얻어진다. 이것은 원하는 물성을 가진 입도를 얻기 위한 세척과 건조 과정을 수반한다.
아래 그림은 본 발명에서 사용되는 셀룰로즈 에스테르 구조중의 하나이다.
상기의 셀룰로즈 에스테르 물질을 첨가함으로서 시멘트 제품에서 일반적으로 발생되는 블리딩이나 층분리 현상을 막아 안정된 상을 얻을수 있다.
<실시예>
실시예 1
본 실험은 팽창제를 첨가하였을 경우 팽창성을 확인하기 위한 실험으로서 20℃, 50% 양생 조건에서 양생 하였다. 본 실험에 사용된 원료는 플라이 애쉬, 시멘트 및 팽창제이고 플라이애쉬는 화력 발전소 부산물인 석탄회이며 팽창제는 칼슘설포알루미네이트 시멘트와 화학 석고를 7:5로 혼합한 K형 팽창제를 사용하였다. 상기의 원료들을 충분히 혼합한후 기포제 1wt%를 사용한 기포군을 혼합후 물 50%의 무게비로 섞어서 일정한 비중의 슬러리를 제작하여 선수축률을 비교하였다. [표 1a]은 본 실험에서의 배합을 표시하였고, [표 1b]는 팽창제 투입량 증가에 따라서 선변화율 변화를 측정함으로서 실제 시공시 크랙 안정성을 측정 하였다.
선변화율 측정 시험용 배합비
(단위:중량부)
구분 플라이애쉬 시멘트 K형 팽창제
배합1 40 60 0
배합2 38 60 2
배합3 36 60 4
배합4 34 60 6
배합5 32 60 8
배합6 30 60 10
선변화율 비교
(단위: %, +:팽창, -:수축)
구분 3일 7일 14일 28일
배합1 -0.022 -0.043 -0.064 -0.105
배합2 -0.010 -0.024 -0.059 -0.084
배합3 +0.010 -0.005 -0.040 -0.065
배합4 +0.040 +0.011 -0.020 -0.052
배합5 +0.064 +0.032 -0.012 -0.046
배합6 +0.083 +0.055 +0.010 -0.020
실시예 2
본 실험은 공사 현장에서 공기를 단축하기 위함으로서 응결 촉진제를 투입함에 따른 응결 속도를 측정한 것이다. 본 실험의 양생 환경은 실시예 1과 동일한 환경이며 사용된 시멘트와 플라이애쉬도 실시예 1과 동일 원료를 사용 하였고 응결 촉진제로는 탄산나트륨을 사용하였다. <표 2a>과 같은 배합의 원료를 건식 상태에서 충분히 혼합한후 동물성 기포제를 사용한 기포군 1%와 물 50%를 혼합하여 일정한 슬러리 비중의 슬러리를 제작하여 각각의 응결 속도를 측정하여 비교하였다. <표 2b>는 각각의 배합의 응결 속도를 나타낸 것이다.
응결도 측정용 원료 배합비
(단위:중량부)
구분 플라이애쉬 시멘트 응결촉진제
배합1 40 60 0
배합2 40 60 0.2
배합3 40 60 0.4
배합4 40 60 0.6
배합5 40 60 0.8
응결 속도 비교표
구분 배합1 배합2 배합3 배합4 배합5
초결(hr) 17:00 15:50 11:20 7:50 5:30
종결(hr) 26:00 23:00 16:40 11:00 7:50
실시예 3
본 실험에서는 셀룰로즈 에스테르 화합물과 알루미나 파우더를 혼합하였을 경우 이상의 첨가제가 단열 콘크리트의 물성에 미치는 영향을 평가하기 위하여 진행한 실험으로서 사용된 시멘트와 플라이애쉬는 실시예 1과 실시예 2와 동일한 원료를 사용하였고 첨가제(증점제)로 셀룰로즈 에스테르 화합물과 100% 순도에 글리콜 25중량부를 함유하고 평균 입도는 10마이크로미터 내외인 알루미나 파우더로를 사용하였다. <표 3a>과 같은 배합으로 각각의 원료를 건식의 상태에서 충분히 혼련한후 기포제를 사용하여 만든 기포군과 일정량의 물을 혼합하여 일정한 슬러리 비중의 슬러리를 제작하였다. <표 3b>는 각각의 슬러리의 슬럼프(slump)와 경화체의 비중을 측정하여 상기 첨가제의 효과를 측정하였다.
배합비
(단위:중량부)
구분 플라이애쉬 시멘트 셀룰로즈에스테르 알루미나
배합1 40 60 0 0
배합2 40 60 0.2 0
배합3 40 60 0.4 0
배합4 40 60 0.6 0
배합5 40 60 0.6 0.1
배합6 40 60 0.6 0.2
셀룰로즈 에스테르 투입량 변화에 따른 슬럼프
구분 배합1 배합2 배합3 배합4 배합5 배합6
슬럼프(mm) 240 235 220 215 217 212
비중(g/㎤) 0.64 0.61 0.55 0.53 0.49 0.46
실시예 4
본 실험은 상기 1)∼3)의 실험에서 각각 적용하였던 원료를 모두 적용한 본원 발명의 조성물을 이용한 경량단열 몰탈의 물성과 종래 사용되던 경량단열 몰탈물성을 비교한 결과이다.
배합비
(단위:중량부)
구분 플라이애쉬 시멘트 K형팽창제 탄산나트륨 셀룰로즈 알루미나
배합1 40 60 0 0 0 0
배합2 34 60 6 0.4 0.2 0.1
물성
구분 선변화율(%) 응결 속도(hr) 슬럼프(mm) 비중(g/㎤)
3일 7일 14일 28일 초결 종결
배합1 -0.022 -0.043 -0.063 -0.120 17:30 26:50 242 0.62
배합2 +0.04 +0.012 -0.025 -0.048 9:20 14:20 218 0.50
본 발명은 상기 실시예를 통하여 살펴보았듯이 기존의 경량단열 몰탈과 비교하여 볼 때 선변화율, 응결속도, 비중면에서 물성이 우수함을 보이고 있으며, 이에 따라 크랙, 강도부실, 층분리 및 블리딩 등의 문제점을 해소하여 줌으로서 경화성 및 수축안정성이 강화된 경량단열 몰탈 조성물임을 알 수 있다.

Claims (2)

  1. 시멘트 50∼70 중량부, 플라이 애쉬 30∼50 중량부, 팽창제 1∼10 중량부, 알루미나 0.01∼0.5 중량부, 응결 촉진제로서 탄산나트륨 0.1∼0.8 중량부, 셀룰로즈 에스테르 0.01∼0.1 중량부로 조성된 경화성 및 수축 안정성이 강화된 경량 단열 몰탈 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 팽창제는 칼슘설포알루미네이트와 황산칼슘 또는 산화칼슘의 혼합물, 알루미나 시멘트와 석고의 혼합물, 칼슘알루미네이트와 칼슘설페이트의 혼합물, 산화칼슘이나 산화마그네슘의 혼합물중 선택된 1종 또는 2종 이상 혼합 사용됨을 특징으로 하는 경화성 및 수축 안정성이 강화된 경량 단열 몰탈 조성물.
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