KR20130018017A - 압축 및 비압축 조건하에서의 투수 및 압밀시험장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 투수 및 압밀시험장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 투수 및 압밀시험장치는 시험대상이 되는 시료가 채워지며 상방으로 개구되어 있는 수용부와, 수용부 내의 물이 배출될 수 있는 배수로가 형성되어 있는 마운팅부재, 마운팅부재가 장착되어 지지되는 본체, 마운팅부재의 수용부에 삽입 및 이탈가능하도록 본체에 왕복이동 가능하게 설치되며, 수용부에 삽입되어 시료를 가압하는 플런저를 구비하는 실린더, 플런저가 이동한 거리를 측정하기 위한 변위센서 및 수용부에 채워진 시료에 물을 공급하기 위한 급수수단을 포함하여 이루어진 것에 특징이 있다.

Description

압축 및 비압축 조건하에서의 투수 및 압밀시험장치{Apparatus for water permeability and consolidation test}

본 발명은 토양의 물성을 파악하기 위한 시험장치에 관한 것으로서, 특히 다양한 압력조건 하에서 토양의 투수성 및 압밀성을 모두 측정할 수 있는 투수 및 압밀시험장치에 관한 것이다.

토양의 물성을 측정하기 위한 토질시험에는, 비중, 함수량, 입도분포, 액성한계, 소성한계 등을 측정하는 물리적 시험과, pH 염화물 함유량 등을 측정하는 화학적 시험 및 CBR시험 투수시험, 압밀시험 및 전단시험과 같은 역학시험이 있다.

이들 중 투수시험과 압밀시험은 다양한 목적으로 사용되는데, 토목, 지질, 등의 분야는 물론 폐기물 매립 등의 환경분야에서 구조물을 설치할 때, 구조물이 설치되는 지반의 토양의 투수성 및 압밀성을 사전에 조사하여 설계에 반영한다.

예컨대, 고준위 방사성 폐기물을 매립하기 위한 매립지를 점토로 둘러싸는데, 지하수 등이 점토를 통해 유입될 수 있으므로 투수특성에 대한 조사가 필요하며, 매립지가 지하에 설치되므로 점토의 압밀특성에 대해서도 조사가 필요하다. 즉, 매립지를 설계하기 전에 점토의 투수거동과 압밀거동을 조사하여 설계에 반영하여야 안전사고 등을 예방할 수 있다.

투수시험은 토양의 투수성을 측정하는 시험이다. 흙의 투수성은 투수계수의 대소로 표현되므로, 투수시험은 흙의 투수계수를 구하는 방식으로 이루어진다. 압밀시험은 토양이 압력에 따라 압축되는 정도를 구하는 것으로서, 주로 토양이 압축되는 변위를 측정하는 방식으로 이루어진다.

토양의 투수성과 압밀성은 대부분의 경우에 있어서 함께 테스트되며, 이들 중 하나의 특성만 시험하는 경우는 찾아보기 어렵다. 그러나, 종래에 토양의 투수성을 시험하기 위한 장치와 압밀성을 시험하기 위한 장치는 각각 별도로 존재하여 사용의 편의성이 없었으며, 투수성과 압밀성을 함께 시험할 수 있는 장치는 개발되지 않았다.

또한 투수시험에 있어서도, 다양한 압축조건과 수압 조건하에서 투수시험을 수행함으로써 토양시료가 가지는 물성을 정확하게 파악할 수 있는 투수시험장치의 개발도 요청되고 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 투수시험과 압밀시험을 하나의 장치로 수행할 수 있으며, 다양한 환경하에서 투수성과 압밀성을 정확하게 측정가능하도록 구조가 개선된 투수 및 압밀시험장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 투수 및 압밀시험장치는, 시험대상이 되는 시료가 채워지며 상방으로 개구되어 있는 수용부와, 상기 수용부 내의 물이 배출될 수 있는 배수로가 형성되어 있는 마운팅부재; 상기 마운팅부재가 장착되어 지지되는 본체; 상기 마운팅부재의 수용부에 삽입 및 이탈가능하도록 상기 본체에 왕복이동 가능하게 설치되며, 상기 수용부에 삽입되어 상기 시료를 가압하는 플런저를 구비하는 실린더; 상기 플런저가 이동한 거리를 측정하기 위한 변위센서; 및 상기 수용부에 채워진 시료에 물을 공급하기 위한 급수수단;을 포함하여 이루어진 것에 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 상기 급수수단은, 물이 저장되어 있는 공급수조와, 상기 수조의 물이 배출되는 공급라인과, 상기 시료와 접촉되는 상기 플런저의 선단면으로부터 상기 공급라인과 연결된 상기 플런저의 일측면까지 형성된 급수로 및 상기 공급라인에 연결되어 상기 공급라인을 통해 주입되는 물의 수압을 조정하는 펌프를 포함하여 이루어진다.

그리고 상기 플런저의 선단면에는 상기 급수로와 연결된 복수의 급수공이 형성된다.

또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 플런저가 상기 시료를 가압하는 압력을 일정하게 유지시키기 위한 레귤레이터와, 상기 시료가 수용된 수용부로부터 상기 배수로를 통해 배출된 물이 저장되는 배출수조와, 상기 배출수조에 저장된 물의 양을 측정하기 위한 수량측정저울을 더 구비할 수 있다.

그리고, 본 발명의 일 실시예에서, 상기 변위센서는 위치고정되게 설치되는 센서체와, 상기 플런저에 결합되어 상기 플런저와 함께 이동되며, 일단부가 상기 변위센서의 센싱 경로상에 배치되는 이동자를 더 구비하여, 상기 센서체로부터 상기 이동자까지의 거리를 센싱하여 상기 플런저의 이동 변위를 측정하며, 상기 변위센서는 와전류식 변위센서가 사용될 수 있다.

또한, 상기 마운팅부재는, 상방으로 돌출되게 인서트부가 형성되어 있는 지지체와, 중공형으로 형성되어 상기 인서트부에 끼워지는 시료챔버를 구비하며, 상기 배수로는 상기 시료와 접촉되는 인서트부의 선단면으로부터 상기 지지체의 내부를 통해 상기 지지체의 외측면까지 형성되며, 상기 시료챔버의 내주면과 상기 인서트부의 외주면 사이에는 실링용 오링이 개재된다.

또한, 상기 시료가 채워지는 수용부는 상기 인서트부의 선단면과 상기 시료챔버의 내주면으로 둘러싸인 공간에 의하여 형성되며, 상기 수용부에 채워진 상기 시료의 상면과 하면에는 상기 시료와 물 중 물만 선택적으로 통과시키는 필터가 각각 배치된다.

한편, 본 발명의 일 실시예에서, 상기 본체에는 평평한 판상의 지지판이 결합되며, 상기 마운팅부재는 상기 지지판 위에 결합되되, 상기 지지판에는 크기가 다른 상기 마운팅부재가 교체되어 결합될 수 있도록 복수의 결합공이 형성될 수 있다.

본 발명에 따르면, 시료에 대한 투수시험과 압밀시험을 하나의 장치에 의하여 수행할 수 있다는 이점이 있다.

또한, 본 발명에서는 시료에 가해지는 압력, 시료에 공급되는 물의 유속, 유량 및 수압 등에 관한 조건을 다양하게 변경시켜 가면서 시료에 대한 투수시험과 압밀시험을 수행할 수 있으며, 시험의 조건별로 결과값이 정확하게 측정되므로, 해당 시료의 물성치를 정확하게 확인할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 투수 및 압밀실험장치의 개략적 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 투수 및 압밀실험장치의 개략적 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 투수 및 압밀실험장치의 주요 부위의 개략적 분리사시도이다.
도 4는 도 1의 Ⅳ-Ⅳ선 개략적 단면도이다.
도 5는 도 1에 도시된 투수 및 압밀시험장치의 사용례를 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 투수 및 압밀시험장치를 더욱 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 투수 및 압밀실험장치의 개략적 구성도이며, 도 2는 도 1에 도시된 투수 및 압밀실험장치의 개략적 사시도이고, 도 3은 도 1에 도시된 투수 및 압밀실험장치의 주요 부위의 개략적 분리사시도이며. 도 4는 도 1의 Ⅳ-Ⅳ선 개략적 단면도이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시에에 따른 투수 및 압밀시험장치(100)는 본체(10), 마운팅부재(30), 실린더(50) 및 변위센서(70)를 구비한다.

본체(10)는 후술할 마운팅부재(30) 등을 지지하기 위한 것이다. 본 실시예에서 본체(10)는 하판부(11), 상판부(12) 및 프레임(13)을 구비한다. 하판부(11)와 상판부(12)는 사각의 평평한 판 형상으로 이루어져 각각 하부와 상부에 서로 이격되어 평형하게 배치된다. 프레임(13)은 수직하게 배치되어 하판부(11)와 상판부(12)를 상호 연결한다. 본 실시예에서 프레임은(13)은 하판부(11)와 상판부(12)의 네 곳의 모서리에 각각 배치된다.

그리고 본체(10)의 하판부(11) 위에는 지지판(14)이 결합된다. 지지판(14)은 후술할 마운팅부재(30)가 결합되어 지지되는 곳으로서, 평평한 판상으로 형성된다. 지지판(14)에는 관통공(15)이 형성되며, 나사(미도시)가 관통공(15)을 통해 본체(10)에 체결됨으로써 지지판(14)이 본체(10)의 하판부(11)에 고정된다.

그리고 지지판(14)에는 후술할 마운팅부재(30)와의 결합을 위한 결합공이 마련되는데, 마운팅부재(30)에 따라 크기가 다르므로 결합공도 크기에 맞게 복수로 형성된다. 본 실시예에서는 크기가 다른 2개의 마운팅부재를 결합시킬 수 있도록 2세트의 결합공이 형성된다. 즉, 도 3에서 참조번호 16으로 표시된 제1결합공과, 참조번호 17로 표시된 제2결합공이다. 제1결합공(16)은 작은 크기의 마운팅부재를 장착하기 위한 것이며, 제2결합공(17)은 큰 크기의 마운팅부재를 장착하기 위한 것이다.

마운팅부재(30)는 투수시험과 압밀시험의 대상이 되는 시료(본 실시예에서는 토양시료)를 본체(10)에 장착하기 위한 것으로서, 지지체(31)와 시료챔버(38)를 구비한다.

지지체(31)에는 하부에 평평한 베이스판(32)이 형성된다. 베이스판(32)에는 본체(10) 지지판(14)의 제1결합공(16)에 대응되는 구멍(32a)이 형성되어 있다. 나사(미도시)가 구멍(32)을 통해 제1결합공(16)에 체결됨으로써 마운팅부재(30)가 본체(10)에 결합된다.

베이스판(32)의 상부에는 인서트부(33)가 상방으로 돌출되게 형성된다. 본 실시예에서 인서트부(33)는 대략 원기둥 형상으로 이루어진다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 인서트부(33)의 선단면(상면)으로부터 측면까지 지지체(31)의 내부를 따라 배수로(34)가 형성된다. 이 배수로(34)는 배수라인(35)이 연결된다.

또한 인서트부(33)의 외주면에는 둘레방향을 따라 오링(37)이 끼워질 수 있는 홈부(36)가 형성된다.

시료챔버(38)는 중공형의 관 형상으로 형성되어 인서트부(33)에 끼워진다. 인서트부(33)의 외주면과 시료챔버(38)의 내주면 사이가 밀폐되도록, 이들 사이에는 오링(37)이 개재된다. 상기한 바와 같이, 시료챔버(38)가 인서트부(33)에 끼워지면, 인서트부(33)와 시료챔버(38)의 내주면에 의하여 둘러싸인 공간이 형성된다. 이 공간은 시료가 수용되는 수용부(39)를 형성한다. 수용부(39)는 상방으로 개구되어 있으며, 하단부는 수용부(39) 내의 물이 배출될 수 있는 배수로(34)와 연결된다. 그리고 본 실시예에서 시료챔버(38)는 그 내부의 시료(s)의 상태를 육안으로 관찰할 수 있도록 투명한 아크릴 소재로 형성한다. 다만, 시료(s)에 가해지는 압력이 높은 경우 아크릴 소재로 압력을 견딜 수 없는 경우에는 금속 소재 등으로 제조될 수 있다.

투수시험 및 압밀시험을 수행할 때에는 수용부(39)의 상면과 하면에 각각 필터(f)가 배치된다. 즉, 인서트부(33)의 선단면 위에 필터(f)가 놓인 상태에서 수용부(39)에 시료(s)가 채워지고, 시료(s)의 상단에 다시 필터(f)가 놓여진다.

필터(f)는 물은 통과시키지만 시료(s)는 통과할 수 없는 정도의 작은 구멍들이 형성되어 있다. 입자의 크기가 작은 클레이의 경우 0.001mm정도이며, 입자의 크기가 큰 모래의 경우 4mm 정도로 형성된다. 시험대상이 되는 토양시료를 고려하여 필터를 선택하면 된다. 본 실시예에서 사용되는 필터(f)는 금속재질로서 0.001mm 미만의 입자만을 통과시킬 수 있다.

한편, 실린더(50)는 마운팅부재(30)에 수용되어 있는 시료(s)를 가압하기 위한 것으로서, 실린더본체(51)와 플런저(52)를 구비한다. 본 실시예에서 실린더본체(51)는 상판부(12) 위에 결합되며, 플런저(52)는 상판부(12) 중앙에 형성된 구멍(미도시)을 통해 상판부(12)의 하측으로 돌출되게 배치된다.

플런저(52)는 실린더본체(51)에 끼워져 왕복운동 가능하다. 본 실시예에서 사용되는 실린더(50)는 공압을 이용한 것으로서, 실린더본체(51)에는 2개의 에어포트(53,54)가 마련된다. 이 에어포트(53,54)에는 각각 에어펌프(55)와 연결되어 있는 에어공급라인(57)이 접속되어 실린더본체(51) 내부로 에어를 공급한다. 플런저(52)의 상단부는 두 개의 에어포트(53,54) 사이에 배치되어 에어의 공급에 따라 상방 또는 하방으로 이동한다. 에어공급라인(57)에는 유량을 조절하기 위한 밸브(58)가 설치된다.

플런저(52)는 봉 형상으로 형성되어 시료챔버(38)의 내경보다 약간 작은 직경을 가진다. 이에 플런저(52)가 하방으로 이동시 시료챔버(38) 내측의 수용부(38)로 삽입될 수 있다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 상측의 에어포트(53)를 통해 실린더본체(51)로 에어가 공급됨에 따라 플런저(52)가 하방으로 이동하면, 플런저(52)의 선단면이 수용부(39)로 삽입되어 수용부 내의 시료(s)를 가압한다. 그리고 하측의 에어포트(54)를 통해 에어가 공급되면 플런저(52)는 수용부(39)로부터 이탈하여 시료에 대한 가압이 해제된다. 플런저(52)의 선단부에는 오링(52a)이 끼워져, 플런저(52)가 시료챔버(38)에 삽입되었을 때 플런저(52)의 외주면과 시료챔버(38)의 내주면 사이를 실링한다.

그리고 플런저(52)에 의해 가해지는 압력을 일정하게 유지하기 이하여 에어펌프(55)와 실린더(50) 사이의 에어공급라인(57)에는 레귤레이터(56)가 설치된다. 플런저(52)에 의해 가압이 시작된 후 시료(s)로부터 물이나 공기가 빠져나가면 압력이 변하게 되므로 레귤레이터(56)를 통해 플런저(52)의 압력이 일정하게 유지되도록 한다.

그리고 압밀시험에서는 시료(s)가 압축된 거리를 주로 측정해야 하는데, 본 발명에서는 압축거리를 플런저(52)가 시료(s)에 접촉한 지점을 기준으로 플런저(52)가 하방으로 이동한 변위를 통해 측정한다. 이렇게 플런저(52)의 이동거리를 측정하기 위하여 변위센서(70)가 마련된다.

본 실시예에서 변위세서(70)는 와전류식 변위센서가 사용되는데, 센서체(71)는 고정바(75)에 의하여 본체(10)의 일측에 위치고정되게 설치되며, 플런저(52)에는 이동자(72)가 설치된다. 이동자(72)는 바 형상으로 길게 수평하게 배치되어 플런저(52)에 결합되어, 일단부는 센서체(71)의 센싱경로 상에 배치된다. 즉, 본 실시예에서는 이동자(72)가 센서체(71)의 하부에 배치되어, 플런저(52)의 이동시에 함께 상하로 이동하는데, 센서체(71)에서는 이동자(72)의 변위를 측정함으로써 플런저(52)의 변위를 센싱할 수 있다.

한편, 투수시험을 위해서는 시료(s)에 물을 공급하기 위한 급수수단이 마련되어야 하는데, 본 발명에서는 급수수단으로 공급수조(61), 공급라인(62), 펌프(63) 및 급수로(64)가 이용된다.

공급수조(61)는 본체(10)의 외측에 배치되며 시료(s)로 공급되는 물이 저장된다. 그리고 급수로(64)는 플런저(52)의 일측면으로부터 플런저의 내부를 통해 선단면까지 형성된다. 플런저(52)의 선단면에는 급수로(64)와 연결된 복수의 급수공(65)이 형성된다.

공급라인(62)은 공급수조(61)와 플런저(52)의 일측면으로 노출된 급수로(64) 사이를 연결하며, 펌프(63)는 공급라인(62)에 설치되어 공급수조(61)의 물을 급수로(64)쪽으로 펌핑한다. 그리고 펌프(63)를 제어함으로써 시료(s)로 공급되는 물의 양, 물의 압력 및 속도를 조절할 수 있다.

한편, 시료(s)로 공급된 물은 필터(f)와 배수로(34)를 통해 배출되는데, 투수시험 및 압밀시험에서는 이렇게 시료(s)로부터 배출된 물의 양을 측정해야 한다. 이에 본 실시예에서는 배수로(34)로부터 배출된 물이 저장되는 배출수조(81)가 마련되며, 배수로(34)와 배출수조(81) 사이는 배수라인(82)에 의하여 연결된다. 또한, 배출수조(81)의 하측에는 배출수조(81)에 저장된 물의 양을 측정할 수 있도록 수량측정저울(83)이 설치된다.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 펌프(61)를 제어함으로써 시료(s)로 공급되는 물의 양, 속도 및 압력을 조절할 수 있으며, 시료를 통과하여 배출되는 물의 양을 수량측정저울(83)을 통해 측정가능하다. 또한 실린더(30)를 통해 시료(s)를 가압하는 압력을 조절할 뿐만 아니라 일정하게 유지할 수 있고, 변위센서(70)에서는 시료(s)가 플런저(52)에 의하여 압축되는 거리를 측정할 수 있다.

그리고 이렇게 측정 및 제어되는 각종 데이터는 케이블(c)을 통해 콘트롤러(90)에 저장되고 디스플레이된다. 사용자는 콘트롤러(90)를 통해 에어펌프(55), 펌프(61), 실린더(30), 변위센서(70)를 조절할 수 있다.

즉, 본 발명에서는 시료에 가해지는 압력, 시료에 공급되는 물의 유속, 유량 및 수압 등에 관한 조건을 다양하게 변경시켜 가면서 시료에 대한 투수시험과 압밀시험을 수행할 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

100 ... 투수 및 압밀시험장치 10 ... 본체
30 ... 마운팅부재 38 ... 시료챔버
50 ... 실린더 52 ... 플런저
61 ... 공급수조 63 ... 펌프
70 ... 변위센서 81 ... 배출수조
83 ... 수량측정저울 90 ... 콘트롤러

Claims (11)

1. 시험대상이 되는 시료가 채워지며 상방으로 개구되어 있는 수용부와, 상기 수용부 내의 물이 배출될 수 있는 배수로가 형성되어 있는 마운팅부재;
   상기 마운팅부재가 장착되어 지지되는 본체;
   상기 마운팅부재의 수용부에 삽입 및 이탈가능하도록 상기 본체에 왕복이동 가능하게 설치되며, 상기 수용부에 삽입되어 상기 시료를 가압하는 플런저를 구비하는 실린더;
   상기 플런저가 이동한 거리를 측정하기 위한 변위센서; 및
   상기 수용부에 채워진 시료에 물을 공급하기 위한 급수수단;을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 투수 및 압밀시험장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 급수수단은,
   물이 저장되어 있는 공급수조와,
   상기 수조의 물이 배출되는 공급라인과,
   상기 시료와 접촉되는 상기 플런저의 선단면으로부터 상기 공급라인과 연결된 상기 플런저의 일측면까지 형성된 급수로 및
   상기 공급라인에 연결되어 상기 공급라인을 통해 주입되는 물의 수압을 조정하는 펌프를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 투수 및 압밀시험장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 플런저의 선단면에는 상기 급수로와 연결된 복수의 급수공이 형성되는 것을 특징으로 하는 투수 및 압밀시험장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 플런저가 상기 시료를 가압하는 압력을 일정하게 유지시키기 위한 레귤레이터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 투수 및 압밀시험장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 수용부로부터 상기 배수로를 통해 배출된 물이 저장되는 배출수조와,
   상기 배출수조에 저장된 물의 양을 측정하기 위한 수량측정저울을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 투수 및 압밀시험장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 변위센서는 위치고정되게 설치되는 센서체와,
   상기 플런저에 결합되어 상기 플런저와 함께 이동되며, 일단부가 상기 변위센서의 센싱 경로상에 배치되는 이동자를 더 구비하여,
   상기 센서체로부터 상기 이동자까지의 거리를 센싱하여 상기 플런저의 이동 변위를 측정하는 것을 특징으로 하는 투수 및 압밀시험장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 변위센서는 와전류식 변위센서인 것을 특징으로 하는 투수 및 압밀시험장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 마운팅부재는, 상방으로 돌출되게 인서트부가 형성되어 있는 지지체와, 중공형으로 형성되어 상기 인서트부에 끼워지는 시료챔버를 구비하며,
   상기 배수로는 상기 시료와 접촉되는 인서트부의 선단면으로부터 상기 지지체의 내부를 통해 상기 지지체의 외측면까지 형성되는 것을 특징으로 하는 투수 및 압밀시험장치.
9. 제8항에 있어서,
   상기 시료챔버의 내주면과 상기 인서트부의 외주면 사이에는 실링용 오링이 개재되는 것을 특징으로 하는 투수 및 압밀시험장치.
10. 제8항에 있어서,
    상기 시료가 채워지는 수용부는 상기 인서트부와 상기 시료챔버의 내주면으로 둘러싸인 공간에 의하여 형성되며,
    상기 수용부에 채워진 상기 시료의 상면과 하면에는 상기 시료와 물 중 물만 선택적으로 통과시키는 필터가 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 투수 및 압밀시험장치.
11. 제1항에 있어서,
    상기 본체에는 평평한 판상의 지지판이 결합되며,
    상기 마운팅부재는 상기 지지판 위에 결합되되,
    상기 지지판에는 크기가 다른 상기 마운팅부재가 교체되어 결합될 수 있도록, 복수의 결합공이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 투수 및 압밀시험장치.

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