劉洪森
【摘 要】為保護(hù)膨脹土地區(qū)引水渠道邊坡的穩(wěn)定,采用膨脹土摻加適量水泥加水拌和進(jìn)行改性處理,通過渠道邊坡?lián)Q填實(shí)際應(yīng)用,分析總結(jié)了水泥改性土施工方法的優(yōu)缺點(diǎn),并通過實(shí)驗(yàn)區(qū)的模擬運(yùn)行試驗(yàn),分析其在膨脹土地區(qū)換填的試驗(yàn)效果。
【關(guān)鍵詞】水泥改性土
【Abstract】In order to protect the stability of diversion canal slope in expansive soil area, the expansive soil is mixed with cement and mixed with water to modify. The experimental results of the experiment in the expansive soil area were analyzed.
【Key words】Cement modified soil
引言:膨脹土中含有較多的粘粒及親水性較強(qiáng)的蒙脫石或伊利石等粘土礦物成分,是一種遇水膨脹、強(qiáng)度驟減、失水干縮、堅(jiān)硬而又常有收縮裂隙的高塑性粘土。膨脹土渠坡易產(chǎn)生溜坍、坍塌、滑坡等嚴(yán)重事故,還會(huì)產(chǎn)生收縮開裂、膨脹、松散、剝落等病害,對(duì)工程建設(shè)潛在著嚴(yán)重的破壞性。通過在膨脹土中加入水泥,使其改變性質(zhì),變成常規(guī)土,改變膨脹土這種縮脹性質(zhì),是水泥改性土膨脹土換填的主要目的。
1. 水泥改性膨脹土作用機(jī)理
消除膨脹土的破壞性是膨脹土施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在膨脹土摻加水泥后,二者發(fā)生化學(xué)及物理作用,包括離子交換、凝硬反應(yīng)、碳化作用、膠結(jié)作用。改變膨脹土的力學(xué)性質(zhì),其強(qiáng)度和水穩(wěn)定性大大提高,膨脹性也得到控制。水泥改性土在換填的膨脹土邊坡中能改良膨脹性、減少與水接觸后劇烈反應(yīng),消弱了膨脹土自身因水量變化而產(chǎn)生的縮脹應(yīng)力。
2. 填筑施工碾壓控制參數(shù)
碾壓施工參數(shù)如下(表1):
布置寬度為14m,長度為50m的4%水泥摻量改性土、10%水泥摻量水泥土填筑碾壓試驗(yàn)場地,在試驗(yàn)場地按鋪料厚度30cm和35cm布置兩個(gè)試驗(yàn)區(qū),每個(gè)試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)再按碾壓遍數(shù)、劃分為三個(gè)小區(qū)域,確定試驗(yàn)采樣點(diǎn),試驗(yàn)布置圖如圖1所示:
3. 試驗(yàn)材料
水泥改性土試驗(yàn)材料:進(jìn)行水泥摻量4%水泥改性土和水泥摻量10%水泥土填筑碾壓試驗(yàn)的材料。
4. 試驗(yàn)方案(見圖2)
5. 試驗(yàn)步驟
5.1 試驗(yàn)材料與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。
5.1.1 進(jìn)行水泥摻量4%水泥改性土和水泥摻量10%水泥土填筑碾壓試驗(yàn)的材料,均采用十二里河西支排水涵洞2m處開挖料。
5.1.2 在進(jìn)行填筑或換填之前,我標(biāo)將先進(jìn)行碾壓試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果通過審批后,在嚴(yán)格執(zhí)行各項(xiàng)碾壓參數(shù)的基礎(chǔ)上,根據(jù)施工實(shí)際情況不斷分析總結(jié)和相應(yīng)的局部微調(diào)優(yōu)化,以指導(dǎo)后續(xù)渠道改性土和建筑物水泥改性土的填筑施工。
(1)在碾壓試驗(yàn)之前,根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙,在監(jiān)理工程師的見證下,我標(biāo)于2011年4月27日對(duì)十二里河西支排水涵洞2m處的開挖料進(jìn)行了取樣,隨即進(jìn)行了土工試驗(yàn),經(jīng)過檢測十二里河西支排水涵洞2m處的開挖料為弱膨脹土,具體的試驗(yàn)時(shí)間和試驗(yàn)結(jié)果見表2所示:
此表試驗(yàn)數(shù)據(jù)根據(jù)附件自由膨脹率檢測報(bào)告(ZYPZL-027)、液塑限聯(lián)合測定試驗(yàn)報(bào)告(YSX-003)、改性前的開挖土料的擊實(shí)試驗(yàn)報(bào)告(JS-008)而知(原狀土擊實(shí)曲線圖見圖3)。
(2)對(duì)取樣土樣,實(shí)驗(yàn)室按4%、10%水泥摻量進(jìn)行了均勻拌制,進(jìn)行室內(nèi)配合比試驗(yàn)和室內(nèi)EDTA滴定試驗(yàn)及均勻性檢測,取得了水泥含量標(biāo)準(zhǔn)曲線(見附件EDTA法標(biāo)準(zhǔn)曲線測定報(bào)告(EDTA-1),根據(jù)取樣料源,對(duì)4%水泥摻量水泥改性土、10%水泥摻量水泥土,在室內(nèi)分別進(jìn)行水泥改性土擊實(shí)試驗(yàn),確定了水泥土和水泥改性土的最優(yōu)含水量及最大干密度等實(shí)驗(yàn)數(shù)值,具體的試驗(yàn)結(jié)果見表3:
(3)此表試驗(yàn)數(shù)據(jù)根據(jù)附件:配合比報(bào)告編號(hào)GXT-PHB2011-002而知(10%水泥摻量水泥土擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見表4, 4%水泥摻量水泥改性土配合比報(bào)告見表5,4%水泥摻量水泥改性土擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見表6)。
(4)此表試驗(yàn)數(shù)據(jù)根據(jù)附件:配合比報(bào)告編號(hào)GXT-PHB2011-001而知。
(5)此表試驗(yàn)數(shù)據(jù)根據(jù)附件:改性后的擊實(shí)試驗(yàn)報(bào)告編號(hào)JS-009而知(4%水泥摻量水泥改性土擊實(shí)擊實(shí)曲線圖見圖5)。
(6)對(duì)于換填10%水泥摻量的水泥土,在室內(nèi)進(jìn)行了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),其檢測結(jié)果見附件(無側(cè)限抗壓強(qiáng)度報(bào)告,編號(hào)NSBD-WCX-001)。10%水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)表(10%水泥摻量水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)表見表7):
5.2 碾壓參數(shù)組合。
水泥土和改性土填筑碾壓試驗(yàn)參數(shù)組合按表8進(jìn)行。
碾壓試驗(yàn)參數(shù)初選,初步選擇碾壓初選參數(shù)如表9所示:
5.2.1 碾壓機(jī)械設(shè)備檢驗(yàn)。
進(jìn)行水泥土、水泥改性土碾壓試驗(yàn),選用的碾壓機(jī)械均為SEM8222型凸塊振動(dòng)平碾,施工中使用2Km/h速度。經(jīng)現(xiàn)場觀察開啟振動(dòng)碾進(jìn)行振動(dòng)、行走試驗(yàn),判斷其工作狀態(tài)是正常的。碾壓機(jī)械主要的性能指標(biāo)為(見表10):
5.2.2 拌合工藝試驗(yàn)。
(1)在拌合之前,對(duì)拌合土料進(jìn)行了天然含水率的檢測,結(jié)合改性土的配合比,現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)室下發(fā)了改性土配料單,灰土拌合站根據(jù)改性土配料單的要求進(jìn)行了配料。
(2)配料完成后,灰土拌合站(MWB-400I灰土拌合站)隨即進(jìn)行了改性土的拌制,由ZL50C裝載機(jī)上料,拌合機(jī)由集料系統(tǒng)、計(jì)量傳送系統(tǒng)、拌制系統(tǒng)、水泥罐體四部分組成。集料系統(tǒng)用于盛放土料,配置了4個(gè)料斗;在集料斗下部有電子計(jì)量系統(tǒng),通過控制液壓斗門開啟或關(guān)閉來確定土料的重量,土料落至皮帶機(jī)上后,傳送至拌合機(jī)內(nèi);在拌合系統(tǒng)運(yùn)行后,電腦自動(dòng)控制水泥罐添加水泥至拌合機(jī)內(nèi),并根據(jù)改性土配料單的要求添加水,拌制完成后經(jīng)皮帶機(jī)卸料。為保證土料質(zhì)量,集料斗上口加工成帶坡度的型式,并在上口設(shè)置篩網(wǎng),每個(gè)小網(wǎng)格邊長不宜大于5cm,以過濾掉粒徑不合格的土料。拌合稱量系統(tǒng)按改性土配料單,控制土料、水泥和水的重量,進(jìn)行充分拌合。
(3)水泥土的拌合工藝試驗(yàn)流程與上述拌合工藝試驗(yàn)流程相同。
(4)出料后,在監(jiān)理工程師的見證下,取樣進(jìn)行了室內(nèi)的均勻性檢測、水泥含量檢測,檢測后灰土拌合站的拌合工藝達(dá)到了改性土和水泥土拌合工藝及相關(guān)控制指標(biāo)的要求(詳見編號(hào)EDTA-2、EDTA-3:EDTA法測水泥含量檢測報(bào)告)。
5.2.3 填筑試驗(yàn)場地平整。
在選定的填筑碾壓試驗(yàn)場地,采用TY220推土機(jī),配合人工,將填筑基面或接觸面的腐植土、草皮、樹根、廢渣、垃圾等進(jìn)行清除,基面清理后,對(duì)試驗(yàn)場地進(jìn)行精平,達(dá)到平整度的要求。
5.2.4 填筑試驗(yàn)場地基底處理。
由于選定的填筑碾壓試驗(yàn)場地基礎(chǔ)面均為原土地基面,在進(jìn)行填筑試驗(yàn)之前,用振動(dòng)平碾對(duì)地基面進(jìn)行碾壓2遍;碾壓結(jié)束后,利用控制點(diǎn)坐標(biāo),測放出改性土填筑碾壓試驗(yàn)場地邊線, 每側(cè)均超出試驗(yàn)場地寬度100cm,并用石灰線和木樁明顯標(biāo)示。
5.2.5 水泥改性土拌制。
(1)在進(jìn)行水泥土(水泥改性土)拌合之前,在現(xiàn)場監(jiān)理工程師的見證下,我標(biāo)對(duì)拌合土料進(jìn)行了天然含水率的檢測,結(jié)合配合比,現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)室下發(fā)了水泥土(水泥改性土)配料單,灰土拌合站根據(jù)配料單的要求進(jìn)行了配料。
(2)配料完成后,灰土拌合站(MWB-400I灰土拌合站)拌合稱量系統(tǒng)按水泥土(水泥改性土)配料單,控制土料、水泥和水的重量,進(jìn)行充分拌合,嚴(yán)格按照拌合工藝試驗(yàn)的拌合程序進(jìn)行拌制。出料后,在監(jiān)理工程師的見證下,取樣進(jìn)行均勻性檢測和水泥含量檢測,檢測合格的水泥土(水泥改性土),由20T自卸汽車運(yùn)送至填筑試驗(yàn)場地工作面(詳見附件,編號(hào)EDTA-2、EDTA-3:EDTA法測水泥含量檢測報(bào)告)。
5.2.6 填料運(yùn)輸、入倉。
碾壓填料,由20T自卸汽車運(yùn)送至試驗(yàn)區(qū)域,順長方向采取進(jìn)占法入倉卸料,汽車不得在已壓實(shí)土料上行駛,填料含水率必須均勻(最優(yōu)含水量+2%以內(nèi)),用ZL50C裝載機(jī)進(jìn)行輔助補(bǔ)料,在邊角處采用人工進(jìn)行補(bǔ)料,以達(dá)到鋪填厚度和較為合理的級(jí)配。
5.2.7 填料攤鋪、平整。
(1)采用TY220推土機(jī)鋪料,平整,兩側(cè)每10m插設(shè)一根標(biāo)桿,上面白油漆標(biāo)示鋪土厚度,作為推土機(jī)攤鋪時(shí)的參照,局部人工配合精平。若拌合后水泥改性土含水率偏低的土料進(jìn)行灑水調(diào)整;對(duì)含水率超標(biāo)的進(jìn)行翻松晾曬。采用五鏵犁對(duì)改性土料進(jìn)行翻松,調(diào)整含水量進(jìn)行晾曬的場地在填筑現(xiàn)場進(jìn)行。
(2)為保證壓路機(jī)壓輪表面能基本均勻接觸填筑面進(jìn)行碾壓,以達(dá)到理想的壓實(shí)效果,采用TY220推土機(jī)對(duì)回填土料進(jìn)行平整,做到攤鋪面縱向和橫向平順均勻,在填筑邊線外側(cè)均增加100cm寬的超鋪余量。同時(shí)利用坐標(biāo)法對(duì)場地進(jìn)行4×4m方格定位測量,測定虛鋪高程厚度,作好鋪料前高程記錄,作為鋪土厚度控制、壓實(shí)后高程(厚度)比較的依據(jù)。
5.2.8 碾壓方式。
(1)碾壓前由主管技術(shù)人員進(jìn)行檢查,確認(rèn)分層厚度、平整程度,符合要求后進(jìn)行碾壓;
(2)碾壓機(jī)械,采用凸塊振動(dòng)碾。
(3)碾壓采用振動(dòng)碾沿長方向進(jìn)行碾壓,前進(jìn)、后退,一個(gè)來回按二遍計(jì),壓實(shí)順序按先兩側(cè)后中間,按照先進(jìn)行靜壓1遍使填料穩(wěn)定,再進(jìn)行弱振碾壓1遍,隨即進(jìn)行強(qiáng)振的操作程序進(jìn)行碾壓。
(4)碾壓采用進(jìn)退錯(cuò)距法進(jìn)行條帶式碾壓,相鄰碾壓軌跡及相鄰?fù)亮线B接處的碾壓搭接寬度為10cm。
(5)振動(dòng)碾對(duì)A、B試驗(yàn)區(qū)填筑料慢一檔強(qiáng)振4遍。用水準(zhǔn)儀按檢測點(diǎn)測量壓實(shí)后的高程,與其對(duì)應(yīng)點(diǎn)的起始高程比較,記錄壓縮沉降量。用環(huán)刀法取樣測定A1、B1條帶干密度,每個(gè)條帶的每個(gè)檢測區(qū)域內(nèi)檢測5點(diǎn)。
(6)振動(dòng)碾對(duì)A2、B2 、A3、B3試驗(yàn)區(qū)填筑料慢一檔再強(qiáng)振2遍(累計(jì)共8遍)。用水準(zhǔn)儀按檢測點(diǎn)測量壓實(shí)后的高程,與其對(duì)應(yīng)點(diǎn)的起始高程比較,記錄壓縮沉降量。用環(huán)刀法取樣測定A2、B2條帶干密度,每個(gè)條帶的每個(gè)檢測區(qū)域內(nèi)檢測5點(diǎn)。
(7)振動(dòng)碾對(duì)A3、B3試驗(yàn)區(qū)填筑料慢一檔再強(qiáng)振2遍(累計(jì)共10遍)。用水準(zhǔn)儀按檢測點(diǎn)測量壓實(shí)后的高程,與其對(duì)應(yīng)點(diǎn)的起始高程比較,記錄壓縮沉降量。用環(huán)刀法取樣測定A3、B3條帶干密度,每個(gè)條帶的每個(gè)檢測區(qū)域內(nèi)檢測5點(diǎn)。
6. 檢測
6.1 碾壓試驗(yàn)檢測方法。
水泥改性土的試驗(yàn)檢測根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237-1999)進(jìn)行;采用環(huán)刀法進(jìn)行取樣,烘干后檢定土樣的含水率,每一組合取樣5個(gè);碾壓累計(jì)遍數(shù)達(dá)到第六遍后,測定方格點(diǎn)高程并作干密度試驗(yàn)。碾壓累計(jì)遍數(shù)達(dá)到第八遍后,又測定方格點(diǎn)高程做干密度。碾壓累計(jì)遍數(shù)達(dá)到第十遍后,作最后一次干密度,用水準(zhǔn)儀測定最終壓實(shí)高程,作好每次測定原始記錄。
6.1.1 碾壓后試驗(yàn)場地的處理。
由于布置在1#副營地灰土拌合站土料堆放場,為進(jìn)一步研究改性土的特性,我標(biāo)將保持改性土碾壓試驗(yàn)場地一個(gè)月,碾壓完成,進(jìn)行試驗(yàn)檢測后及時(shí)用塑料薄膜對(duì)碾壓現(xiàn)場進(jìn)行覆蓋。
6.1.2 承載力檢測。
根據(jù)現(xiàn)有的施工圖紙,左岸排水工程基礎(chǔ)使用水泥摻量為10%的水泥土進(jìn)行基礎(chǔ)換填, 2011年5月21日,在現(xiàn)場監(jiān)理工程師的見證下,我標(biāo)采用輕型的動(dòng)力觸探對(duì)水泥摻量10%的水泥土進(jìn)行承載力檢測,經(jīng)檢測,所測各點(diǎn)均符合設(shè)計(jì)要求,其檢測的結(jié)果見附件動(dòng)力觸探試驗(yàn)報(bào)告:編號(hào)NSBD-DLCT-20110521-1。10%的水泥土動(dòng)力觸探試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表見表11:
6.2 檢測單位。
中國水利水電第七工程局有限公司。
6.3 碾壓質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)。
根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237-1999)進(jìn)行動(dòng)力觸探試驗(yàn),碾壓后承載力≥400KPa。
6.4 膨脹性檢測。
根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237-1999)進(jìn)行自由膨脹率檢測。
6.5 滲透試驗(yàn)。
根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237-1999)進(jìn)行滲透試驗(yàn)。
6.6 填料壓實(shí)度檢測。
根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237-1999),用環(huán)刀法進(jìn)行壓實(shí)度檢測(10%水泥摻量水泥土碾壓試驗(yàn)高程測量記錄表見表12,10%水泥摻量水泥土試驗(yàn)場地高程點(diǎn)布置圖見圖6,4%水泥摻量改性土高程點(diǎn)布置圖見圖7)。
7. 水泥改性土試驗(yàn)高程測量記錄表
7.2 壓實(shí)度檢測成果表(10%水泥摻量水泥土壓實(shí)度檢測成果統(tǒng)計(jì)表見表14,水泥摻量4%改性土壓實(shí)度檢測成果統(tǒng)計(jì)表見表15)
7.3 碾壓遍數(shù)與沉降量的關(guān)系曲線(見圖8,圖9)。
7.4 碾壓遍數(shù)與干密度的關(guān)系曲線(見圖10,圖11)。
7.5 碾壓遍數(shù)與壓實(shí)度的關(guān)系曲線(見圖12,圖13)。
7.6 填筑碾壓試驗(yàn)成果分析。
7.6.1 水泥摻量10%水泥土試驗(yàn)成果分析。
(1)從表14,圖8~圖13可以看出,鋪料厚度相同時(shí),沉降量隨碾壓遍數(shù)的增加而增大;碾壓8遍與碾壓10遍的沉降量差值不大,再增加碾壓遍數(shù),沉降不明顯,故再增加碾壓遍數(shù)已不經(jīng)濟(jì)。比較如表16:
從表14,圖7~圖12可以看出,平均壓實(shí)度隨碾壓遍數(shù)的增加而增大,隨鋪土的增加而減小,符合填筑材料的特性。
(2)根據(jù)表14中不同碾壓遍數(shù)和不同鋪土厚度,得到的平均干密度和壓實(shí)度統(tǒng)計(jì)如17表所示:
(3)本次水泥摻量10%水泥土碾壓試驗(yàn)所用土料的含水率在13.78%~16.11%之間,土料最大含水率為16.11%,碾壓過程中土料可塑性好,未出現(xiàn)異?,F(xiàn)象。
7.6.2 水泥摻量4%水泥改性土試驗(yàn)成果分析。
(1)從表15,圖8~圖13可以看出,鋪料厚度相同時(shí),沉降量隨碾壓遍數(shù)的增加而增大;碾壓8遍與碾壓10遍的沉降量差值不大,再增加碾壓遍數(shù),沉降不明顯,故再增加碾壓遍數(shù)已不經(jīng)濟(jì)。比較如表18:
(2)從表15,圖9、圖11、圖13可以看出,平均壓實(shí)度隨碾壓遍數(shù)的增加而增大,隨鋪土的增加而減小,符合填筑材料的特性。
(3)根據(jù)表15中不同碾壓遍數(shù)和不同鋪土厚度,得到的平均干密度和壓實(shí)度統(tǒng)計(jì)如表19所示:
(4)本次水泥摻量4%水泥改性土碾壓試驗(yàn)所用土料的含水率在15.82%~16.36%之間,土料最大含水率為16.36%,碾壓過程中土料可塑性好,未出現(xiàn)異?,F(xiàn)象。
7.7 填筑碾壓試驗(yàn)結(jié)論。
(1)經(jīng)過試驗(yàn)段的施工,使所有的參加人員明確了水泥改性土碾壓的基本流程,達(dá)到規(guī)定壓實(shí)度所需的配套機(jī)具、碾壓遍數(shù)和人員組織,達(dá)到了試驗(yàn)段的目的。
(2)綜合分析試驗(yàn)結(jié)果,選擇最優(yōu)施工碾壓參數(shù)為(見表20,表21):
(3)試驗(yàn)段進(jìn)行水泥改性土填筑碾壓試驗(yàn)后,從經(jīng)濟(jì)和其他方面綜合考慮,我部4%水泥摻量水泥改性土、10%水泥摻量水泥土,推薦采用機(jī)械松鋪30cm,靜壓弱振各一遍,然后強(qiáng)振6遍的碾壓參數(shù),具體的碾壓參數(shù)如下(表22):
A.施工鋪土厚度:30cm 含水量范圍:最優(yōu)含水量+2%以內(nèi)。
B.確定壓實(shí)設(shè)備類型及機(jī)械最佳組合方式:
C.鋪土方式:自卸車到拌和站集料,運(yùn)至填筑工作面,鋪土找平采用TY220推土機(jī)攤平,人工配合,以保證鋪土厚度均勻;含水量偏低的土料進(jìn)行灑水調(diào)整,對(duì)含水量超標(biāo)的進(jìn)行翻松晾曬;沿軸線或平行軸線進(jìn)行攤鋪。
D.碾壓遍數(shù): 采用凸塊碾碾壓靜壓一遍、弱振一遍、強(qiáng)振6遍。碾壓速度:2Km/h(見表23)。
8. 結(jié)論及建議
(1)水泥改性土現(xiàn)場碾壓最適合的機(jī)械是凸塊振動(dòng)碾,經(jīng)過在渠道邊坡?lián)Q填試驗(yàn)使用壓路機(jī)碾壓和凸塊振動(dòng)碾碾壓后經(jīng)過機(jī)械削坡的對(duì)比后發(fā)現(xiàn),換填時(shí)壓路機(jī)(平碾)碾壓后盡管也對(duì)結(jié)合層進(jìn)行了刨毛處理,但結(jié)合層仍有分層現(xiàn)象,而凸塊振動(dòng)碾不明顯。
(2)水泥改性膨脹土換填施工所需要的人工較多(特別是在土料拌制時(shí)撒水泥,加水),工藝復(fù)雜,對(duì)土的含水率要求較高,受天氣影響較大,費(fèi)用高。
(3)在進(jìn)行換提施工中不需要每層削坡,水泥改性膨脹土易受外界陽光、大風(fēng)影響。超填部分可以考慮每填筑3m高時(shí)削一次,削坡時(shí)留一定保護(hù)層,減少水泥土表面與大氣反應(yīng)而產(chǎn)生風(fēng)干。
(4)水泥改性膨脹土換填施工后,邊坡如果不加防護(hù),土體易受雨水沖刷失穩(wěn)而造成變形。
參考文獻(xiàn)
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