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      水泥穩(wěn)定碎石基層抗裂性能指標(biāo)研究

      2013-12-09 02:09:40劉敬輝操宇航
      關(guān)鍵詞:溫縮抗溫剛性

      劉敬輝,操宇航

      (三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院,湖北 宜昌443002)

      水泥穩(wěn)定碎石材料由于具有優(yōu)良的路用性能常用做道路基層,采用傳統(tǒng)彈性層狀理論體系進(jìn)行路面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),需要得到路面基層材料的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)于水泥穩(wěn)定類(lèi)基層,由于應(yīng)力和應(yīng)變之間為線(xiàn)性關(guān)系,還由于泊松比對(duì)應(yīng)變的影響,極限應(yīng)力將比極限應(yīng)變先到達(dá),因此采用應(yīng)力作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn);但有些人也認(rèn)為水泥穩(wěn)定材料破壞時(shí),應(yīng)變值比強(qiáng)度小很多,極限拉應(yīng)變更易到達(dá),故主張采用拉應(yīng)變作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),但在實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí),通常采用拉應(yīng)力作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),因?yàn)閷?shí)際工程中,拉應(yīng)力比拉應(yīng)變更容易獲得,更易具體化.目前在評(píng)價(jià)水泥穩(wěn)定材料收縮開(kāi)裂的性能時(shí),兩種情況都存在,有的以拉應(yīng)力作為開(kāi)裂的標(biāo)準(zhǔn),有的采用拉應(yīng)變作為開(kāi)裂的標(biāo)準(zhǔn).大多數(shù)抗裂指標(biāo)主要考慮了水泥穩(wěn)定類(lèi)材料的收縮性,但卻忽視了其抗縮能力,將材料本身具有的抗拉強(qiáng)度棄之不用,并且大多數(shù)抗裂性評(píng)價(jià)指標(biāo)都有一定的片面性,不能真正反映水泥穩(wěn)定材料的抗裂性能.基于現(xiàn)狀情況,本文首先對(duì)抗裂指標(biāo)的不足進(jìn)行分析和評(píng)價(jià),然后針對(duì)水泥穩(wěn)定碎石初期容易收縮開(kāi)裂的缺陷,提出合適的評(píng)價(jià)水泥穩(wěn)定碎石材料的抗裂評(píng)價(jià)指標(biāo),并在實(shí)際生產(chǎn)中加以應(yīng)用.

      1 現(xiàn)有抗裂指標(biāo)評(píng)價(jià)方法分析

      對(duì)目前水泥穩(wěn)定類(lèi)材料等半剛性材料的抗裂性評(píng)價(jià)方法進(jìn)行分析,探討其不足之處,有利于尋求更合理的抗裂性評(píng)價(jià)指標(biāo).

      1.1 干縮系數(shù)和溫縮系數(shù)[1-2]

      含水量是影響無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料干燥收縮最重要的因素,水泥穩(wěn)定碎石材料干燥收縮是主要是因?yàn)閮?nèi)部含水率的變化而引起整體宏觀(guān)體積收縮.它影響著半剛性材料的干縮程度.同時(shí),干縮系數(shù)也反映了半剛性材料對(duì)水的敏感程度,干縮系數(shù)大,表示半剛性材料對(duì)水敏感;干縮系數(shù)小,表示半剛性材料對(duì)水不敏感.為了分析半剛性材料的干縮規(guī)律,通常采用干縮系數(shù)αd(單位含水量w(%)改變所引起材料的應(yīng)變值,單位為10×10-6/%)來(lái)表征材料干燥收縮程度.因此,從某種程度上講,干縮系數(shù)也表示半剛性材料的抗裂性能.

      類(lèi)似的,為了分析半剛性材料溫度脹縮現(xiàn)象,通常采用溫縮系數(shù)αt(單位溫度T(℃))改變所引起半剛性材料的應(yīng)變值,單位為10×10-6/℃)來(lái)表征半剛性材料的溫度脹縮程度,溫縮系數(shù)反映了半剛性材料對(duì)溫度的敏感程度,溫縮系數(shù)大,表示材料對(duì)溫度敏感;溫縮系數(shù)小,表示材料對(duì)溫度不太敏感.因此,從某種程度上講,溫縮系數(shù)表示了半剛性材料的抗裂性能,使用溫縮系數(shù)也可以間接反應(yīng)半剛性材料的溫縮抗裂性能.

      綜上可知,干縮系數(shù)和溫縮系數(shù)考慮了半剛性材料對(duì)含水率變化和溫度變化的敏感程度,它應(yīng)用簡(jiǎn)單,測(cè)試方便,有一定實(shí)用的價(jià)值,但其最主要的缺陷是沒(méi)有表征半剛性材料的抗裂能力,因此作為評(píng)價(jià)半剛性材料的抗裂性能不夠合理,更不夠全面.

      1.2 干縮抗裂系數(shù)和溫縮抗裂系數(shù)[3]

      多數(shù)人認(rèn)為,半剛性材料的開(kāi)裂是因?yàn)樵跍囟?或濕度)作用下,引起的收縮應(yīng)變超過(guò)了材料本身所能承受的最大拉應(yīng)變,故而可采用材料的溫度(或干燥)收縮系數(shù)與材料極限拉應(yīng)變的比值來(lái)反映材料本身的抗裂性能.采用溫縮抗裂系數(shù)[T]=εmax/αt或干縮抗裂系數(shù)[w]=εmax/αd來(lái)表征半剛性材料所能承受的最大溫差或含水量變化范圍,[T]或[w]反映了半剛性材料的抗溫(或抗?jié)?收縮的相對(duì)能力,其值越大,表明抗溫(或抗?jié)?收縮性能越好;其值越小,收縮性能越差.

      對(duì)于強(qiáng)度相同的半剛性材料,其剛度越小,對(duì)應(yīng)的極限拉應(yīng)變?cè)酱?高強(qiáng)度低剛度的材料是抗裂性能最好的材料.但是實(shí)際生產(chǎn)中,半剛性材料的強(qiáng)度越高,剛度也越大.很難找到強(qiáng)度高剛度小的材料.

      綜上可知,干縮抗裂系數(shù)[w]、溫縮抗裂系數(shù)[T]作為評(píng)價(jià)半剛性材料的抗裂指標(biāo),已經(jīng)相對(duì)全面的考慮了半剛性材料的力學(xué)性能(抗拉強(qiáng)度或最大拉應(yīng)變)、溫度收縮或干縮性能.既考慮了半剛性材料對(duì)溫度和濕度的敏感性,也考慮了半剛性材料對(duì)溫度和濕度變化的抵抗能力.表面看起來(lái),該方法比較合理實(shí)用.但不足之處在于:首先,它需要用純彎小梁破壞時(shí)的最大拉應(yīng)變來(lái)代替最大收縮應(yīng)變,力學(xué)模型與實(shí)際收縮模型不一致;其次,采用抗彎拉試驗(yàn)獲得最大拉應(yīng)變,采集數(shù)據(jù)困難,實(shí)驗(yàn)結(jié)果離散性太大,很難選擇合適的數(shù)值.

      1.3 抗干縮耐用指數(shù)和抗溫縮耐用指數(shù)[4-5]

      也有人采用抗干縮耐用指數(shù)和抗溫縮耐用指數(shù)來(lái)反映半剛性材料的抗裂性能.

      抗溫縮耐用指數(shù):

      式中:ΔTm表示當(dāng)?shù)匕雱傂圆牧献畲笕諟夭?,?[T]表示溫縮抗裂系數(shù),℃.

      抗干縮耐用指數(shù):

      式中:Δwm表示當(dāng)?shù)匕雱傂圆牧系暮康淖畲笞兓浚?;[w]表示干縮抗裂系數(shù),%.

      很明顯:如果St>1 或Sd>1,半剛性材料就會(huì)開(kāi)裂;St=1 或Sd=1,材料處于抗拉極限平衡狀態(tài);St<1 或Sd<1,材料就能抵抗溫縮或干縮應(yīng)力而不開(kāi)裂.稍加分析,抗干縮耐用指數(shù)Sd和抗溫縮耐用指數(shù)St與干縮抗裂系數(shù)[w]和溫縮抗裂系數(shù)[T]實(shí)際上非常相似,應(yīng)用的原理相差不大,只不過(guò)一個(gè)考慮了當(dāng)?shù)丨h(huán)境變化的實(shí)際情況,比另一個(gè)看起來(lái)更合理一些,但仍然具有類(lèi)似的缺點(diǎn).

      1.4 抗裂指數(shù)[6]

      夏季高溫天氣,日夜溫差較大,半剛性材料主要溫縮變形的同時(shí)伴隨著材料的干縮變形;而在冬季,半剛性材料一方面在溫差作用下溫縮變形,另一方面干燥的冷空氣使混合料很快損失濕度,干溫縮同時(shí)作用.考慮到基層材料實(shí)際工作中,干、溫縮變形往往同時(shí)發(fā)生,抗裂指數(shù)隨之產(chǎn)生,同時(shí)考慮材料的抗干縮耐用性指數(shù)、抗溫縮耐用性指數(shù)兩指數(shù)[7],即:

      式中:I表示抗裂指數(shù);Sd表示抗干縮耐用指數(shù);St表示抗溫縮耐用指數(shù);λd混合料干縮權(quán)重系數(shù),<1;λt混合料溫縮權(quán)重系數(shù),<1;其中:λd,λt與道路所處的自然區(qū)劃對(duì)應(yīng),當(dāng)?shù)貐^(qū)材料干燥收縮相對(duì)較為嚴(yán)重時(shí),λd應(yīng)取大值.而當(dāng)?shù)貐^(qū)材料溫度收縮相對(duì)較為為嚴(yán)重時(shí),λt應(yīng)取大值.

      半剛性基層材料抗裂設(shè)計(jì)中,最終應(yīng)使設(shè)計(jì)的基層材料滿(mǎn)足公式:

      這種方法綜合考慮了半剛性材料的干縮變形和溫縮變形,但λd和λt值在計(jì)算中難以準(zhǔn)確確定,其值的大小對(duì)抗裂指數(shù)I的值影響又很大.而且該指標(biāo)忽略了材料的不均勻情況以及溫差難以確定等因素,故而并不能全面反應(yīng)半剛性材料的抗裂性能.

      1.5 修正的抗干縮耐用指數(shù)和抗溫縮耐用指數(shù)[8-9]

      考慮到半剛性材料的干縮和溫縮雖然同時(shí)發(fā)生,但初期主要是干縮變形,后期主要是溫縮變形,徐江萍[2]認(rèn)為,早期測(cè)定的收縮為干縮變形,后期測(cè)定的收縮為溫縮變形. 在抗裂分析時(shí),需要在以上抗裂指標(biāo)的基礎(chǔ)上,考慮混合料的不均勻程度,施工溫度以及天氣的影響,徐江萍提出了修正的抗干縮耐用指數(shù)和抗溫縮耐用指數(shù).修正的抗溫縮耐用指數(shù):

      式中:T表示施工溫度,℃;T1和T2表示該地區(qū)極端最高氣溫和極端最低氣溫,℃;Cv2表示180d 抗壓強(qiáng)度偏差系數(shù);[T]表示溫縮抗裂系數(shù),℃.修正的抗干縮耐用指數(shù):

      式中:Δwm表示施工季節(jié)半剛性材料含水率的最大變化幅度,%;[w]表示干縮抗裂系數(shù),%.Cv1表示7 d 抗壓強(qiáng)度偏差系數(shù).從上面容易看出修正的抗干縮耐用指數(shù)Sd和修正抗溫縮耐用指數(shù)St與也主要是從干縮抗裂系數(shù)[w]和溫縮抗裂系數(shù)[T]演化而來(lái),原理相同,只不過(guò)前者考慮了半剛性材料強(qiáng)度的不均勻性和極端的氣候因素,比后者看起來(lái)更合理一些,但仍然具有與后者相同的缺點(diǎn),而且其中的抗壓強(qiáng)度偏差系數(shù)Cv2,Cv1也很難準(zhǔn)確確定.

      1.6 干縮能抗裂系數(shù)和溫縮能抗裂系數(shù)

      楊紅輝[3]基于劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)和能量的觀(guān)點(diǎn)提出了干縮能抗裂系數(shù)和溫縮能抗裂系數(shù),所謂干縮能,即基層材料由于含水量變化而出現(xiàn)體積變化的奇變能.假定一定范圍內(nèi)半剛性材料劈裂模量保持不變,那么半剛性材料的單位含水率變化的干縮能為:

      式中:εdi+1,εdi分別表示第i+1,i次測(cè)得的干縮應(yīng)變;wi+1,wi分別表示第i+1,i次測(cè)得的含水率;E表示劈裂模量.

      類(lèi)似地,所謂溫縮能,即半剛性基層材料由于溫度變化而出現(xiàn)體積變化的奇變能.假定在一定范圍內(nèi)半剛性材料劈裂模量不隨應(yīng)力變化,那么半剛性基層材料的單位溫度變化的溫縮能:

      式中:εti+1,εti分別表示第i+1,i次測(cè)得的溫縮應(yīng)變;ti+1,ti分別表示第i+1,i次測(cè)得的溫度;E表示劈裂模量.

      定義極限抗拉能為基層材料在拉力作用下達(dá)到破壞時(shí)的應(yīng)變能:

      式中:σmax表示劈裂強(qiáng)度,E表示劈裂模量.

      定義干縮能抗裂系數(shù)為材料極限抗拉能與含水率變化引起干縮能的比值,可見(jiàn)干縮能抗裂系數(shù)是從能量角度刻劃半剛性材料對(duì)含水率變化的敏感程度.即:

      [W]的大小可以反映該材料的抵抗干收縮變形的能力,其值越大,表明材料抗干縮性能越好,反之亦然.

      定義溫縮能抗裂系數(shù)為材料極限抗拉能與溫度變化引起溫縮能的比值,即:

      [T]的大小可以反映該材料的抗溫縮變形的能力,其值越大,表明材料抗溫縮性能越好,反之亦然.

      對(duì)式(1)進(jìn)一步推導(dǎo)可得到:

      同樣,對(duì)式(2)推導(dǎo)也可得:

      式(3)~(4)比較全面的考慮了材料的力學(xué)性能(劈裂強(qiáng)度和劈裂模量)、溫縮或干縮變形,也考慮了溫縮或干縮系數(shù).就是說(shuō)既考慮了溫度和濕度對(duì)半剛性材料的變形影響又考慮材料對(duì)溫度和濕度變化的抵抗能力的大?。虼?,該評(píng)價(jià)方法比較全面、合理.但是干縮能抗裂系數(shù)、溫縮能抗裂系數(shù)在評(píng)價(jià)半剛性材料的抗裂性能的主要的缺點(diǎn)是:它需要確定失水量、溫差以及相應(yīng)的干縮應(yīng)變和溫縮應(yīng)變,還有劈裂模量(實(shí)際計(jì)算中多采用彎拉模量代替),需要確定的參數(shù)太多,而且這些參數(shù)都是很難準(zhǔn)確測(cè)定的,適用性較差,實(shí)踐中也缺乏可以參考的試驗(yàn)數(shù)據(jù),因此實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值并不大[10].

      2 本文抗裂性能評(píng)價(jià)方法

      雖然水泥穩(wěn)定碎石基層材料的干燥收縮和溫度收縮是同時(shí)發(fā)生的,但由其機(jī)理分析可知,干燥收縮的主要因素是水分的蒸發(fā),有研究表明,當(dāng)瀝青面層鋪筑以后,基層材料的含水量變化很小,基層的收縮開(kāi)裂的主要因素是溫度的變化,因此從理論上說(shuō)水泥穩(wěn)定碎石的干燥收縮在后期是很小的.而根據(jù)溫度收縮的機(jī)理分析可知,在水泥穩(wěn)定碎石混合料中,砂石集料具有很小的線(xiàn)膨脹系數(shù),水泥水化反應(yīng)的生成物則具有相對(duì)較大的熱脹縮,因此,當(dāng)水泥穩(wěn)定碎石的水泥水化反應(yīng)基本完成以后,混合料溫度收縮最大,這個(gè)過(guò)程很漫長(zhǎng),往往持續(xù)幾年以上.由此可見(jiàn),水泥穩(wěn)定碎石的干燥收縮和溫度收縮雖然同時(shí)發(fā)生,但在早期主要是干燥收縮,后期主要是溫度收縮,因此,抗裂分析時(shí),對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的干燥收縮和溫度收縮需要綜合考慮,權(quán)衡收縮變形中干縮和溫縮所占的比例大?。囼?yàn)表明,通常水泥穩(wěn)定碎石的剛度(模量)越高,抗壓強(qiáng)度越高,劈裂強(qiáng)度也越高,干縮系數(shù)和溫縮系數(shù)越大,鑒于此,這就需要提出一種合理的、全面的半剛性基層材料抗裂性評(píng)價(jià)方法[11].在借鑒上述抗裂指標(biāo)的基礎(chǔ)上,考慮混合料均勻程度,施工溫度以及氣候因素的影響,實(shí)際工作中的可操作性,提出水泥穩(wěn)定碎石的抗裂指標(biāo).對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的收縮開(kāi)裂如果采用拉應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn),認(rèn)為收縮開(kāi)裂是拉應(yīng)力超過(guò)了材料的抗拉強(qiáng)度,則可以采用式:

      式中:σmax表示抗拉強(qiáng)度,E表示彈性模量,Δwm表示施工季節(jié)基層材料的含水量的最大變化幅度.

      式中:σmax表示抗拉強(qiáng)度,E表示彈性模量,ΔTm表示施工季節(jié)基層材料日溫差.

      水泥穩(wěn)定碎石的彈性模量E與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間有著密切的聯(lián)系,存在一定的比例關(guān)系.根據(jù)文獻(xiàn)[4]的建議,水泥穩(wěn)定碎石彈性模量E與7d 齡期抗壓強(qiáng)度R7的關(guān)系可用式(5)和式(6)表示.

      28 d 齡期:

      90 d 齡期:

      盡管不同的研究者得出的關(guān)系式不盡相同,但是可以看出無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與彈性模量之間存在某種確定的關(guān)系,可以用下式進(jìn)行表示:

      式中:f表示一個(gè)常系數(shù),隨采用的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度而變.R表示無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度,MPa.可見(jiàn),如果只是考察水泥穩(wěn)定材料相對(duì)抗裂能力的大小,沒(méi)有必要確定f這個(gè)系數(shù)的大?。紤]到路面基層的實(shí)際工作過(guò)程中,干、溫縮往往同時(shí)發(fā)生,則可以得到綜合的抗裂指數(shù),即:

      式中:IT表示綜合抗裂指數(shù);λd混合料干縮權(quán)重系數(shù),<1;λt混合料溫縮權(quán)重系數(shù),<1;σmax表示劈裂強(qiáng)度,MPa;R表示隨齡期變化的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度,MPa;f表示隨采用的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度而變的系數(shù).

      雖然式(7)中常系數(shù)f不能完全確定下來(lái),但是如果只是比較兩種不同配比的基層材料相對(duì)抗裂能力的大小,是完全可行的.而且該式不僅考慮了濕度和溫度對(duì)材料的變形影響,又考慮了材料對(duì)溫度和濕度變化抵抗能力的大小,還考慮了混合料不均勻程度,施工溫度以及氣候因素的影響,劈裂強(qiáng)度和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度由室內(nèi)試驗(yàn)容易得到,評(píng)價(jià)也很方便,因此這種評(píng)價(jià)方法不但全面、合理,應(yīng)用也很方便,實(shí)際生產(chǎn)中積累的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也較多,很多可以參考借鑒.

      3 綜合抗裂指數(shù)的應(yīng)用

      許多研究表明,水泥劑量對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度和抗裂能力有著非常重要的影響,選取一種典型級(jí)配懸浮密實(shí)型XF 摻加不同的水泥劑量4%、5%、6%、7%(見(jiàn)表1),采用振動(dòng)壓實(shí)法成型試件,研究不同水泥劑量對(duì)水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度和抗裂性能的影響.對(duì)于7d 干縮抗裂系數(shù)和溫縮抗裂系數(shù),采用最大降溫為20℃,失水量為4%計(jì)算,7 d 抗裂指數(shù)計(jì)算中,

      表1 級(jí)配及水泥劑量Tab.1 Gradation and cement content

      λd=λt=0.5.試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1~3.

      圖1 干縮抗裂系數(shù)Fig.1 Coefficient of drying resistance

      圖2 溫縮抗裂系數(shù)Fig.2 Coefficient of temperature resistance

      圖3 綜合抗裂指數(shù)Fig.3 Index of crack resistance

      圖1~3 表明,干縮抗裂系數(shù)、溫縮抗裂系數(shù)和綜合抗裂指數(shù)并不是隨著水泥劑量的增加而變小,而是在水泥劑量為5%的時(shí)候,具有最大值,這說(shuō)明懸浮密實(shí)型XF 水泥穩(wěn)定碎石在水泥劑量為5%的時(shí)候具有最好的抗裂能力.這也表明不能簡(jiǎn)單的以溫縮系數(shù)或干縮系數(shù)評(píng)價(jià)水泥穩(wěn)定碎石的抗裂能力,采用本文介紹的干縮抗裂系數(shù)、溫縮抗裂系數(shù)和綜合抗裂指數(shù)對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的抗裂能力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)才能真正反映基層材料實(shí)際的工作狀況;對(duì)于一定級(jí)配的懸浮密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石來(lái)說(shuō),存在一個(gè)抗裂能力最佳的水泥劑量.

      4 結(jié)論

      水泥穩(wěn)定碎石材料容易產(chǎn)生收縮開(kāi)裂,主要是發(fā)生在養(yǎng)護(hù)早期(7 d),后期強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢,產(chǎn)生收縮開(kāi)裂的可能性較小,針對(duì)早期容易收縮開(kāi)裂的特點(diǎn),提出了全面合理的評(píng)價(jià)水泥穩(wěn)定碎石早期相對(duì)抗裂能力大小的指標(biāo)—綜合抗裂指數(shù),不但考慮了材料對(duì)溫度和濕度的敏感性也考慮了材料對(duì)溫度和濕度變化的抵抗能力,而且對(duì)該抗裂指標(biāo)計(jì)算時(shí)所采用的試驗(yàn)數(shù)據(jù)也比較容易獲得,對(duì)抗裂能力的評(píng)價(jià)比較方便,該綜合抗裂指標(biāo)也能解釋隨著水泥劑量的增加,無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度同時(shí)增長(zhǎng),但收縮變形也增大,存在著一個(gè)最佳的抗裂水泥劑量.

      [1] 張嘎吱.考慮抗裂性的水泥穩(wěn)定類(lèi)材料配合比設(shè)計(jì)方法研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2001.

      [2] 徐江萍.水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石基層瀝青路面抗裂性能研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2006.

      [3] 楊紅輝,摻膨脹劑及纖維水泥穩(wěn)定碎石抗裂性能研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2003.

      [4] 沙慶林.高等級(jí)公路半剛性基層瀝青路面[M].北京:人民交通出版社,1998.

      [5] 沙慶林.高等級(jí)公路半剛性基層瀝青路面[M].北京:人民交通出版社,1998:439-485.

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