KR20220096950A - 난연 및 불연성능이 향상된 건축 외장 마감재용 시멘트계 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 건축 외장 마감재용 시멘트계 조성물에 관한 것으로서, 입도조절 시멘트 75 내지 80 중량부, 플라이애시 3 내지 10 중량부, 경량골재 5 내지 7 중량부, 중공글라스 5 내지 7 중량부, 에틸렌비닐 클로라이드 0.5 내지 3.5 중량부를 포함한다. 또한 입도조절 시멘트는 포틀랜드 시멘트로부터 분쇄하여 형성되고 분말도가 약 4,500 ~ 5,500 cm2/g이고, 경량골재의 입도는 10 내지 200 μ이고, 상기 중공글라스의 입도는 5 내지 65 μ것을 특징으로 한다. 종래 EVA 재유화성 분말수지를 대체하여 EVCL을 도입함으로써 고온에서 열분해되어 밀도가 낮아짐으로써 시멘트 조성물의 내구성이 저하되는 문제를 개선하고 난연 및 불연성능과 유동성 및 워커빌리티에 영향이 적은 효과를 가지는 건축 외장 마감재용 초경량 시멘트계 조성물을 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 건축 외장 마감재에 사용되는 시멘트계 조성물에 관한 것이다.
건축용 외장재는 직접 외부와 접촉하고 있으므로 비바람이나 악천후 등 기상조건 및 화재발생시 고온으로부터 견딜 수 있는 재료를 사용해야 한다. 이중 시멘트 모르타르를 사용하여 제조 한 외장 마감재 및 시멘트 패널은 콘크리트 구조체 위의 단열층과 단열층을 보호하기 위해 적용되며 기본적으로 난연성과 높은 압축강도를 가지고 있다. 시멘트계 재료는 기본적으로 물과 반응하여 경화하는 수경성 재료로써 에트린 자이트와 미반응 간극 물질, 석고 등이 반응하여 모노설페이트를 생성함으로써 강도를 발현하게 된다. 그러나, 이러한 과정 중 시멘트는 높은 점성을 가지게 되며 경화 시 수분증발 에 따른 수분증발에 의한 시멘트 모르타르에 수축이 발생하게 된다. 이러한 단점을 극복하기 위해 시멘트 모르타르에 수성 폴리머 재료를 사용한다. 수성 폴리머 재료는 시멘트 모르타르 내부에 생성되는 폴리머필름으로 인해 내구성이 향상되며 얇게 펴서 바를 수 있는 장점과 부착성능이 우수하기 때문에 시멘트 모르타르에 섞어서 사용하게 된다. 하지만 일반적으로 사용되는 EVA(Ethylene-vinyl acetate) 재유화형 분말수지와 같은 폴리머 재료는 기본적으로 화재와 같은 고온에서는 취약하기 때문에 고온에서는 현저하게 성능이 저하하는 단점을 가지게 된다.
이를 해결하기 위하여 EVA(Ethylene-vinyl acetate) 재유화형 분말수지와 유사한 효능을 가지면서 난연 및 불연 성능이 우수한 EVCL(Ethylene-vinyl chloride) 재화유형 분말수지를 혼입하고자 이들의 고온에서의 특성을 비교한 실험 (Hun Song, 2018, EVA, EVCL 분말수지와 플라이애시를 혼입한 시멘트 모르타르의 고온특성 High Temperature Properties of Cement Mortar Using EVA, EVCL Redispersible Polymer Powder and Fly Ash)에서 있어왔다. 그러나 일반 시멘트계 건축 외장 마감재는 제품의 밀도가 높고 가볍지 않아 자중으로 인해 단열층 위에 시공될 경우 탈락의 위험을 가지고 있다. 이에, KR20110082442A에서 초경량 입도가 작은 입도조절 시멘트 및 경량재를 사용하여 이를 해결하고자 하였으나, 이 역시 EVA 재유화성 분말수지를 사용하였기 때문에 상기와 같은 고온에서 EVA가 분해되어 내구성이 감소하는 문제 및 입도가 작은 시멘트를 사용하기 때문에 발생하는 유동성 및 응결시간에 불리하여 워커빌리티가 저하되는 문제점과 배합성능에 불리하여 강도가 저하되는 문제를 해결하지 못한 한계점이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같이, 기존의 EVA 재유화성 분말수지가 고온에서 열분해되어 공극을 형성하게 되어 시멘트 모르타르의 내구성을 저하시키는 문제를 해결하고, 시멘트 모르타르의 단점인 높은 밀도를 개선하면서도 유동성 및 응결시간에 불리하여 워커빌리티가 저하되는 문제점 및 시멘트 모르타르의 배합이나 물성에 영향을 미치지 않아 강도가 저하되는 문제점을 개선한 난연 및 불연성능이 향상된 건축 외장 마감재용 초경량 시멘트계 조성물을 제공하는 것에 목적이 있다.
상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 입도조절 시멘트, 플라이애시, 경량골재, 중공글라스, 에틸렌비닐 클로라이드 (EVCL)를 포함하는 건축 외장 마감재용 시멘트계 조성물을 제공한다.
입도조절 시멘트는 포틀랜드 시멘트로부터 분쇄하여 형성되고 분말도가 약 4,500 ~ 5,500 cm2/g이고 경량골재의 입도는 10 내지 200 μ이고 상기 중공글라스의 입도는 5 내지 65 μ일 수 있다.
본 발명은 메칠셀룰로우즈, 칼슘포메이트, 카르복실 유동화제를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 건축 외장 마감재용 시멘트계 조성물은 입도조절 시멘트 75 내지 80 중량부, 플라이애시 3 내지 10 중량부, 경량골재 5 내지 7 중량부, 중공글라스 5 내지 7 중량부, 에틸렌비닐 클로라이드(EVCL) 0.5 내지 3.5 중량부, 메칠셀룰로우즈 0.3 내지 0.6 중량부, 칼슘포메이트 0.3 내지 0.6 중량부, 카르복실 유동화제 0.6 내지 1.2 중량부를 포함할 수 있다.
본 발명은 EVCL 재유화성 분말수지 혼입을 통하여 종래 EVA 재유화성 분말수지를 혼입한 시멘트계 조성물보다 재료가 고온에서 열분해되어 밀도가 낮아짐으로써 시멘트 조성물의 내구성이 저하되는 문제를 개선하고 난연 및 불연성능과 유동성 및 워커빌리티에 영향이 적은 효과를 가지는 건축 외장 마감재용 초경량 시멘트계 조성물을 제공할 수 있다.
또한 본 발명은 모르타르 배합 및 물성에 영향을 미치지 않는 경량재 및 중공글라스의 배합비를 통하여 기존의 시멘트계 조성물의 밀도를 개선한 효과가 있고, 작은 입도의 미분 형태의 조성물을 통하여 3D 프린팅 기기를 이용한 재료사출방식의 조형물 적층제조에 적합한 효과가 있는 건축 외장 마감재용 초경량 시멘트계 조성물을 제공할 수 있다.
또한 본 발명은 메칠셀룰로우즈, 칼슘포메이트 및 카르복실 유동화제 분말 등의 점도, 유동성 및 응결시간을 효과적으로 조절하는 혼화제 혼입을 통하여 입도가 적으면서도 강도 및 워커빌리티의 저하 없는 효과를 가지는 건축 외장 마감재용 초경량 시멘트계 조성물을 제공할 수 있다.
본 발명은 종래 수성 폴리머 시멘트계 조성물이 가지는 화재 발생 시 건축물 외벽 마감층의 난연 및 불연 성능이 저하되는 문제점 및 기존의 시멘트계 조성물이 가지는 높은 밀도의 문제점을 해결하면서도 종래의 입도가 작은 초경량 시멘트계 조성물이 가지는 유동성 및 응결시간에 불리한 점을 개선한 난연 및 불연 성능이 향상된 초경량 건축 외장 마감재 및 시멘트 패널용 시멘트계 조성물을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 시멘트계 조성물로부터 제조된 시험체의 불연성능 측정 후 표면 상태의 사진이다.
도 2는 실시예 및 비교예에 따른 시멘트계 조성물로부터 제조된 시험체의 난연시험 후의 표면 상태의 사진이다.
도 3은 본 발명에서 사용한 경량골재 및 중공글라스의 SEM 사진이다.
도 4은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 시멘트계 조성물의 입도분포 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 시멘트계 조성물로부터 제조된 시험체의 밀도 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 시멘트계 조성물로부터 제조된 시험체에 따른 총 방출열량 그래프이다.
도 2는 실시예 및 비교예에 따른 시멘트계 조성물로부터 제조된 시험체의 난연시험 후의 표면 상태의 사진이다.
도 3은 본 발명에서 사용한 경량골재 및 중공글라스의 SEM 사진이다.
도 4은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 시멘트계 조성물의 입도분포 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 시멘트계 조성물로부터 제조된 시험체의 밀도 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 시멘트계 조성물로부터 제조된 시험체에 따른 총 방출열량 그래프이다.
본 발명은 건축 외장 마감재용 시멘트계 조성물에 관한 것으로서, 입도조절 시멘트, 플라이애시, 경량골재, 중공글라스, 에틸렌비닐 클로라이드(EVCL)를 포함하는 건축 외장 마감재용 시멘트계 조성물이다. 입도조절 시멘트는 포틀랜드 시멘트로부터 분쇄하여 형성되고 분말도가 약 4,500 ~ 5,500 cm2/g이고, 경량골재의 입도는 10 내지 200 μ이고, 상기 중공글라스의 입도는 5 내지 65 μ일 수 있다.
본 발명에서 상기 시멘트는 종래의 포틀랜드 시멘트에 비하여 입도가 약 1.4 내지 1.7 배 작은 입도조절 시멘트를 사용한다. 여기서 상기 입도조절 시멘트의 분말도가 4,500 cm2/g 보다 작으면 조성물의 강도 발현에 불리할 수 있으며, 5,500 cm2/g 보다 크면 워커빌러터 및 유동성에 불리할 수 있다. 이 때, 상기 입도조절 시멘트는 일반 포틀랜드 시멘트를 분쇄하여 사용할 수 있으며 결합재로써 조성물의 뼈대를 구성한다. 본 발명에서의 입도조절 시멘트는 75 내지 80 중량부이며, 75 중량부 미만이면 초경량 시멘트 조성물의 강도가 현저하게 낮아지며 80 중량부를 초과할 시 경량성능을 발휘할 수 없다. 상기 플라이애시는 3 내지 10 중량부를 사용하며, 유동성 및 고온에서의 강도저하 개선에 중요한 역할을 한다. 3 중량부 미만이면 고온 및 유동성 개선에 큰 영향이 없으며 10 중량부를 초과할 시 강도저하가 발생할 수 있다. 여기서 플라이애시는 고로슬래그 미분말으로 대체할 수 있다. 상기 경량골재는 입도 10 내지 200 μ를 가지는 재료를 사용하는 것이 바람직하며 5 내지 7 중량부를 사용한다. 5 중량부 미만이면 경량성능을 발휘하기 어렵고, 7 중량부 초과이면 시멘트 혼합비 감소로 인한 강도저하가 발생하고 추가적으로 재료자체의 흡수율이 높아 유동성이 현저히 감소하며 재료간의 충분히 혼합되지 않는다. 상기 중공글라스도 동일하며 5 중량부 미만으로 혼합되면 경량성을 유도하기 힘들며 7 중량부 이상 초과할 시 강도저하가 발생한다. 본 발명에서 에틸렌비닐 클로라이드(EVCL)는 0.5 내지 3.5 중량부를 사용한다. 에틸렌비닐 클로라이드(EVCL)를 사용함으로써 기존의 EVA 재화유형 분말수지에 비하여 고온에서 열분해가 적게 되어 내열성이 우수하며, 사용 시 조성물의 유동성 및 점성을 개선시켜 시공성에 유리한 물성을 가진다. 0.5 중량부 미만인 경우 조성물의 점성과 유동성 개선이 어려우며 3.5 중량부 초과인 경우 조성물의 응결지연 현상이 발생하며 강도 저하를 초래할 수 있다. 본 발명에서 에틸렌비닐 클로라이드(EVCL)의 함량은 바람직하게는 3 내지 3.5일 수 있다.
또한 본 발명에 사용한 경량골재의 입도는 10 내지 200 μ일 수 있으며 중공글라스의 입도는 5 내지 65 μ일 수 있다. 경량골재의 입도가 10 μ보다 작으면 제품제조가 어렵고 불량률이 높아 흡수성이 떨어지고, 경제성이 낮아져 사용이 어렵고, 200 μ보다 크면 경량성능 및 난연성능에 불리할 수 있으며, 중공글라스의 입도가 5 μ보다 작으면 점도조절에 불리할 수 있고, 65 μ보다 크면 난연성능 및 불연성능의 발현에 불리할 수 있다.
본 발명의 조성물은 3D 프린팅 기기를 이용한 재료사출방식의 조형물의 적층제조에 적합한 건축 외장 마감재 및 시멘트 패널용 초경량 시멘트계 조성물을 제공하기 위하여 각 조성물의 입도가 작은 미분말인데, 이 때문에 유동성 및 응결시간에 불리하게 되어 결과적으로 강도가 저하될 수 있다. 이를 개선하기 위하여 본 발명은 점도 증진을 위한 메칠셀룰로우즈 0.3 내지 0.6 중량부, 응결시간 조절을 위한 칼슘포메이트 분말 0.3 내지 0.6 중량부, 유동성 조절을 위한 카르복실 유동화제 분말 0.6 내지 1.2 중량부를 더 포함할 수 있다.
이하에서 도면과 실시예 및 비교예를 통해 본 발명을 더욱 자세히 상술한다.
실시예 및 비교예.
표 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 조성물과 비교예 조성물에 사용된 입도조절 시멘트(Cement), 플라이애시(Fly ash), 경량골재(Light aggregate), 중공글라스(Glass bubble), 에틸렌비닐 아세테이트(EVA), 에틸렌비닐 클로라이드(EVCL), 메칠셀룰로우즈(MC), 칼슘포메이트(CF), 카르복실 유동화제(C)의 함량을 하기 표 1에 나타내었다. 도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 시멘트계 조성물에 사용된 입도조절 시멘트(Cement), 플라이애시(Fly ash), 경량골재(Light aggregate), 중공글라스(Glass bubble), 에틸렌비닐 아세테이트(EVA), 에틸렌비닐 클로라이드(EVCL), 메칠셀룰로우(MC), 칼슘포메이트(CF), 카르복실 유동화제(C)의 배합비를 나타내었다.
| No | Water/ Binder (%) |
Comp.(wt.%) | ||||||||
| Binder | Sand | EVA | EVCL | MC | CF | C | ||||
| Cement | Fly ash | Light aggregate | Glass bubble |
|||||||
| LG1A 비교예 |
45 | 78 | 5.22 | 7 | 7 | 0.78 | - | 0.5 | 0.5 | 1.0 |
| LG2A 비교예 |
78 | 4.44 | 7 | 7 | 1.56 | - | ||||
| LG3A 비교예 |
78 | 3.66 | 7 | 7 | 2.24 | - | ||||
| LG4A 비교예 |
78 | 2.88 | 7 | 7 | 3.12 | - | ||||
| LG0C 실시예 |
78 | 5.58 | 7 | 7 | - | 0.42 | ||||
| LG1C 실시예 |
78 | 5.22 | 7 | 7 | - | 0.78 | ||||
| LG2C 실시예 |
78 | 4.44 | 7 | 7 | - | 1.56 | ||||
| LG3C 실시예 |
78 | 3.66 | 7 | 7 | - | 2.24 | ||||
| LG4C 실시예 |
78 | 2.88 | 7 | 7 | - | 3.12 | ||||
| LG5C 비교예 |
78 | 2.30 | 7 | 7 | - | 3.70 | ||||
본 발명의 초경량 시멘트계 조성물을 제조하기 위해 입도조절 시멘트, 플라이애시, 경량골재, 중공글라스, 에틸렌비닐 클로라이드(EVCL)의 함량을 달리하여 밀도, 난연성능 및 불연성능에 대한 특성을 검토하였고, 비교군으로 EVA를 사용한 시험체를 제조하여 난연성능과 경량성능을 비교하였다.
도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 시멘트계 조성물로부터 제조된 시험체의 불연성능 측정 후 표면 상태의 사진이고, 도 2는 실시예 및 비교예에 따른 시멘트계 조성물로부터 제조된 시험체의 난연시험 후의 표면 상태의 사진이다. 도 1과 같이 기존 수성 폴리머 혼입 제품 (LG3A) 에 비하여 본 발명 (LG3C)의 초경량 시멘트계 조성물이 불연성능 측정 후 시험편의 표면의 균열과 형태변화가 적은 것을 알 수 있으며 도 2와 같이 본 발명의 실시예에 의하여 제조된 시멘트계 조성물 (LG2C)이 난연시험 후의 열에 의해 휘어지는 현상이 종래의 수성 폴리머 혼입제품 (LG2A)보다 적음을 알 수 있다. 또한 도 1에 나타난 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 시멘트계 조성물로부터 제조된 시험체가 비교예에 따른 시험체보다 표면에 크랙 발생이 적은 것을 확인할 수 있다. 이것으로부터 에틸렌비닐 클로라이드(EVCL)를 사용한 본 발명에 따른 시멘트계 조성물이 에틸렌비닐아세테이트(EVA)를 사용한 시멘트계 조성물보다 난연 성능이 우수한 것을 알 수 있다.
본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 시멘트계 조성물로부터 제조된 시험체의 밀도를 하기 표 2와 도 5에 나타내었다. 표 2 및 도 5에 나타난 바와 같이, 실시예 및 비교예 모두에서 경량성이 1.5g/cm3 이하로 나타났다. 한편 에틸렌비닐 클로라이드(EVCL)의 함량이 증가할수록 밀도가 낮아지는 경향을 대체로 나타내었다. 에틸렌비닐 클로라이드(EVCL) 함유량이 증가할수록 경량성이 개선되는 것을 볼 수 있었으며 최소 0.5 중량부 이상 함유해야 시멘트 조성물의 점성 및 유동성에 불리하지 않으며 우수한 난연 및 불연 성능을 보인다. 그러나 에틸렌비닐 클로라이드(EVCL)이 3.5 중량부 초과인 경우 시멘트계 조성물의 응결시간에 영향을 미치므로 그 함량을 3.5 중량부 이하로 제한한다.
| Sample | LG1A 비교예 |
LG2A 비교예 |
LG3A 비교예 |
LG4A 비교예 |
LG0C 실시예 |
LG1C 실시예 |
LG2C 실시예 |
LG3C 실시예 |
LG4C 실시예 |
LG5C 비교예 |
| Density(g/cm3) | 1.47 | 1.46 | 1.42 | 1.41 | 1.40 | 1.42 | 1.45 | 1.40 | 1.39 | 1.38 |
본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 시멘트계 조성물로부터 제조된 시험체의 불연성능은 하기 표 3에 나타내었다.
| Sample | LG3A 비교예 | LG3C 실시예 | 성능기준 | |
| 시험조건 (가열로 안정) |
노내온도의 Drift(℃) | 1.3 | 1.7 | |
| 노내온도의 편차(℃) | 3.6 | 9.8 | ||
| 질량 (g) |
시험 후 질량 | 82.77 | 83.08 | 30% 이하 |
| 가열감량 | 23.13 | 25.12 | ||
| 감소율(%) | 21.84 | 23.22 | ||
| 노 내온도 (℃) |
초기온도 | 752.6 | 749.9 | 최고온도가 최종평형온도를 20K초과 상승하지 않을 것 |
| 최고온도 | 753.0 | 741.0 | ||
| 최종평형온도 | 753.0 | 740.2 | ||
| 온도차 | 0 | 0.8 | ||
| 잔염시간(s) | 0 | 0 | ||
표 3에 나타난 바와 같이, 질량감소율은 30% 미만이고 최고온도와 최종평형온도의 상승폭이 20K 미만이므로 적합한 불연성능을 가지고 있음을 확인하였다.
본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 시멘트계 조성물로부터 제조된 시험체의 난연성능을 측정한 결과를 하기 표4에 나타내었다.
| Sample |
LG1A
비교예 |
LG2A
비교예 |
LG3A
비교예 |
LG4A
비교예 |
LG0C
실시예 |
LG1C
실시예 |
LG2C
실시예 |
LG3C
실시예 |
LG4C
실시예 |
LG5C
비교예 |
| Total heat release (MJ/m2) | 0.8 | 1.0 | 1.2 | 3.0 | 0.0 | 0.0 | 0.4 | 0.9 | 1.0 | 1.4 |
| Mean heat release rate (kW/m2) | 1.26 | 1.65 | 2.04 | 5.01 | 0.01 | 0.07 | 0.64 | 1.48 | 1.62 | 2.25 |
| Peak heat release rate (kW/m2) | 2.55 | 3.31 | 3.46 | 7.42 | 0.38 | 0.83 | 1.36 | 2.95 | 3.33 | 3.64 |
| Mass loss (g) | 10.15 | 16.99 | 20.89 | 18.80 | 2.91 | 3.83 | 6.09 | 8.50 | 10.21 | 13.05 |
시멘트의 경우 기본적으로 불연성능을 가지고 있지만 폴리머 재료는 유기계 재료이므로 열에 반응하여 열분해에 따른 중량이 감소한다. 표 4에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 시멘트계 조성물이 비교예보다 총방출열량 및 질량감소량이 더 적은 것을 확인할 수 있다. 이것으로부터 본 발명의 시멘트계 조성물은 난연성능이 우수한 것을 알 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (6)
- 입도조절 시멘트, 플라이애시, 경량골재, 중공글라스, 에틸렌비닐 클로라이드(EVCL)를 포함하는 건축 외장 마감재용 시멘트계 조성물.
- 제 1 항에 있어서,
상기 입도조절 시멘트는 포틀랜드 시멘트로부터 분쇄하여 형성되고 분말도가 약 4,500 ~ 5,500 cm2/g 인 것을 특징으로 하는 건축 외장 마감재용 시멘트계 조성물.
- 제 1 항에 있어서,
상기 경량골재의 입도는 10 내지 200 μ이고, 상기 중공글라스의 입도는 5 내지 65 μ것을 특징으로 하는 건축 외장 마감재용 시멘트계 조성물.
- 제 1 항에 있어서,
입도조절 시멘트 75 내지 80 중량부, 플라이애시 3 내지 10 중량부, 경량골재 5 내지 7 중량부, 중공글라스 5 내지 7 중량부, 에틸렌비닐 클로라이드 0.5 내지 3.5 중량부를 포함하는 건축 외장 마감재용 시멘트계 조성물.
- 제 1 항에 있어서,
메칠셀룰로우즈, 칼슘포메이트, 카르복실 유동화제를 더 포함하는 건축 외장 마감재용 시멘트계 조성물.
- 제 5 항에 있어서,
메칠셀룰로우즈 0.3 내지 0.6 중량부, 칼슘포메이트 0.3 내지 0.6 중량부, 카르복실 유동화제 0.6 내지 1.2 중량부를 더 포함하는 건축 외장 마감재용 시멘트계 조성물.
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