李 嘉,趙 昭,王萬鵬,陳 衛(wèi)
(1. 湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南 長沙 410082; 2. 湖南大學(xué) 風(fēng)工程與橋梁工程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長沙410082)
超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)被認(rèn)為是過去三十年中最具創(chuàng)新性的水泥基工程材料,其主要成分為水泥、粉煤灰、礦渣、硅灰、石英砂、石英粉、鋼纖維等,不含粗骨料。超高性能混凝土結(jié)構(gòu)致密并具有優(yōu)良的力學(xué)性能及耐久性,其抗壓強(qiáng)度為120~180 MPa,抗拉強(qiáng)度為7~10 MPa,極限拉應(yīng)變?yōu)槠胀ɑ炷恋?0~100倍,氣體滲透系數(shù)比普通混凝土低1~2個(gè)數(shù)量級(jí),氯離子滲透系數(shù)僅為普通混凝土的1/50[1-3]。
筆者通過材料組分優(yōu)化及密實(shí)配筋,已成功將UHPC應(yīng)用于鋼橋面工程中,即:鋼橋面上鋪筑35~50 mmUHPC,將鋼橋面轉(zhuǎn)變成組合橋面,再在其上鋪筑10~15 mm薄層聚合物混凝土面層TPO(thin polymer overlay)。TPO是以環(huán)氧樹脂為膠結(jié)劑,以堅(jiān)硬耐磨玄武巖為集料的高效能結(jié)構(gòu)材料,厚度一般為6~20 mm。相對(duì)于瀝青面層,TPO能有效減輕橋梁自重,具有更好的路用性能,能提供長久的抗滑能力,溫度穩(wěn)定性好、無車轍和推移破壞,服役壽命可達(dá)20年左右[4-5]。近年的理論研究與實(shí)橋監(jiān)測表明,該新型橋面體系能極大提高鋼橋面剛度,有效改善鋪面層受力狀態(tài),大幅提高鋼橋橋面抗疲勞壽命,有望綜合解決鋼橋面結(jié)構(gòu)開裂和鋪裝層破損兩大問題[6-8]。
鋪面材料TPO直接與外界環(huán)境接觸,受高溫、陽光和水等因素作用,可能會(huì)出現(xiàn)老化現(xiàn)象,進(jìn)而影響UHPC-TPO層間黏結(jié)性能。目前國內(nèi)外關(guān)于鋪裝材料耐老化研究主要針對(duì)瀝青及瀝青混合料,模擬環(huán)境有紫外光、熱氧、含鹽高濕等。吳少鵬等[9]指出紫外光老化是瀝青混合料老化的主要原因,且道路瀝青光氧老化研究可分為瀝青膠結(jié)劑本身光氧老化和瀝青混合料的光氧老化;周燕等[10]采用紅外光譜實(shí)驗(yàn)從微觀官能團(tuán)角度分析了瀝青熱老化機(jī)理,為瀝青抗老化研究和瀝青路面養(yǎng)護(hù)提供參考;張爭奇等[11]選擇50 ℃實(shí)驗(yàn)溫度,配制了0%、5%、10%這3種質(zhì)量濃度的鹽溶液并進(jìn)行干濕循環(huán),分析了高溫、鹽分、水分耦合作用下對(duì)瀝青混合料耐久性影響。目前學(xué)界對(duì)環(huán)氧鋪裝材料在環(huán)境因素下的耐老化研究較少,且主要集中于溫度因素上。方星等[12]重點(diǎn)模擬了常溫和高溫下環(huán)氧鋪裝材料的使用性能,結(jié)果表明其具有優(yōu)異的層間黏結(jié)性能;崔樹華等[13]采用三點(diǎn)小梁彎曲試驗(yàn)研究了不同溫度下環(huán)氧鋪裝材料的斷裂性能,得出環(huán)氧鋪裝材料比瀝青混合料具有更優(yōu)異的高溫性能。因此現(xiàn)有研究并不適用于新型材料薄層聚合物混凝土TPO。
為探究TPO面層受外界環(huán)境作用對(duì)UHPC-TPO層間黏結(jié)性能的影響,筆者基于4種環(huán)境條件(“紫外光照”、“紫外光照+水浸泡”、“紫外光照+10%NaCl溶液浸泡”、“紫外光照+高溫”),采用拉拔強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度評(píng)價(jià)老化前后UHPC-TPO層間黏結(jié)性能;采用滲水率、表面構(gòu)造深度評(píng)價(jià)老化前后TPO路用性能。以期為新型鋪裝體系的進(jìn)一步推廣應(yīng)用、尤其是UHPC-TPO耐老化研究提供參考。
UHPC主要由水泥、硅灰、石英粉、高效減水劑、混合鋼纖維等組成。其中,鋼纖維體積總摻量為3.5%。
TPO材料由聚氨酯環(huán)氧樹脂、玄武巖集料組成。其中聚氨酯環(huán)氧樹脂分為A、B兩種組分,按質(zhì)量比3∶1混合使用,固化后技術(shù)性質(zhì)如表1;玄武巖集料選用粒徑2.36、1.18 mm按1∶1(質(zhì)量比)混合,級(jí)配如表2。
表1 聚氨酯環(huán)氧樹脂固化屬性Table 1 Properties of cured polyurethane epoxy binders
表2 試驗(yàn)用集料級(jí)配Table 2 Gradation of aggregate for testing
制作尺寸為300 mm×300 mm×35 mm的UHPC基板,澆注成型后立即在表面覆蓋塑料薄膜減少水分蒸發(fā),在室溫下自然養(yǎng)護(hù)48 h,待UHPC終凝后,拆模并進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù),蒸養(yǎng)溫度控制在90~100 ℃,連續(xù)蒸養(yǎng)48 h。自然晾干后,先清理UHPC層表面浮漿,并用壓縮空氣吹凈表面浮塵,隨后進(jìn)行表面拋丸處理。
采用層鋪法在UHPC基板上鋪筑TPO:第1次樹脂用量為1.23 kg/m2、玄武巖用量為8.14 kg/m2;第2層樹脂用量為2.86 kg/m2、玄武巖用量為8.14 kg/m2,TPO厚度為10 mm。在室內(nèi)通風(fēng)環(huán)境下放置48 h后拆模。
本次共制備300 mm×300 mm×45 mm UHPC-TPO復(fù)合試板共20塊,其中12塊切割成98 mm×98 mm×45 mm尺寸的試件共108塊,用于拉拔試驗(yàn)和斜剪試驗(yàn);另8塊試板用于滲水試驗(yàn)和表面構(gòu)造深度測試。
我國大跨徑橋梁主要修建在南方,考慮南方夏季高溫、紫外線強(qiáng)、濕度大等環(huán)境條件,再加上橋面可能遭受海霧及除冰鹽的侵蝕,故筆者以紫外光照、飽水浸泡、氯鹽侵蝕、高溫為模擬對(duì)象,通過單環(huán)境因素及雙因素耦合作用,探討自然條件對(duì)UHPC-TPO復(fù)合構(gòu)件力學(xué)性能和路用性能影響。
太陽光中的紫外光是引起橋面服役期間發(fā)生老化的主要自然因素之一。TPO面層以環(huán)氧樹脂(環(huán)氧樹脂作為一種聚合物)為膠結(jié)劑,在紫外光照射下可發(fā)生降解[14],致使其性能劣化,與集料之間的黏結(jié)變?nèi)?,從而?dǎo)致集料脫落,影響TPO耐久性。
目前,紫外光照的實(shí)現(xiàn)方法主要有2類:室內(nèi)環(huán)境箱模擬和室外自然大氣暴露[15-18]。鑒于目前尚無環(huán)氧樹脂及聚合物紫外老化試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,而影響材料紫外老化的因素主要有紫外光照強(qiáng)度(W·m-2)與暴露時(shí)間(h)等。參照文獻(xiàn)[19],筆者采用光照強(qiáng)度與時(shí)間累積效率380(W·m-2·h),間隔12 h為1次紫外光照循環(huán),共循環(huán)12次。紫外光照強(qiáng)度采用紫外線強(qiáng)度檢測儀測得,無論試件置于室內(nèi)環(huán)境箱或室外光照條件下,只要達(dá)到等效紫外光照效率,即可實(shí)現(xiàn)紫外光照簡化模擬。
沿海地區(qū)高濃度海霧、冬季用除冰鹽和融雪劑等往往都能成為NaCl的載體[20]滲入到橋面中。當(dāng)氯鹽溶液與TPO接觸后,由于其表面張力比環(huán)氧樹脂大,更易侵入膠結(jié)劑與集料結(jié)合處與膠結(jié)劑發(fā)生置換,降低了膠結(jié)劑與集料的黏附性,再加上荷載和溫度脹縮反復(fù)作用,將加劇集料的剝落。
張苛等[21]基于含鹽高濕環(huán)境腐蝕作用,設(shè)計(jì)配制了10%濃度的NaCl溶液,在室溫20 ℃下,將養(yǎng)護(hù)完成后的UHPC-TPO復(fù)合試件全部浸泡在溶液中,持續(xù)浸泡24 h后取出,室溫下放置12 h為一次干濕循環(huán),共循環(huán)12次。為保持氯離子濃度基本恒定,容器加蓋以減少溶劑蒸發(fā),每10 d更換一次溶液。
TPO環(huán)氧樹脂成分中存在大量輕質(zhì)組分,在高溫環(huán)境下這些輕質(zhì)成分容易揮發(fā),致使環(huán)氧樹脂發(fā)脆、出現(xiàn)裂紋、力學(xué)性能下降;另外,環(huán)氧樹脂暴露在空氣中被氧氣、臭氧等具有氧化作用的化學(xué)物質(zhì)氧化后會(huì)產(chǎn)生鍵的斷裂[22]。
鑒于目前關(guān)于環(huán)氧樹脂或TPO高溫老化模擬暫無規(guī)范可循,筆者參考文獻(xiàn)[23],進(jìn)行高溫加速老化模擬。將制備好的UHPC-TPO復(fù)合試件放入(85±3)℃的烘箱中,在強(qiáng)制通風(fēng)條件下連續(xù)加熱24 h,之后關(guān)閉烘箱,打開箱門,經(jīng)自然冷卻不少于16 h至室溫,該過程為1次循環(huán),本試驗(yàn)初步確定總循環(huán)次數(shù)為7次。
橋面暴露在自然環(huán)境中,溫度、濕度、太陽光照、含鹽海霧等因素將對(duì)橋面鋪裝的耐久性產(chǎn)生不利影響。筆者考慮從單環(huán)境因素到雙環(huán)境因素耦合作用,模擬自然條件下UHPC-TPO復(fù)合試件老化過程。分別采用紫外光照(環(huán)境1)、紫外光照+水浸泡(環(huán)境2)、紫外光照+氯鹽溶液浸泡(環(huán)境3)、紫外光照+高溫(環(huán)境4)這4種環(huán)境模擬方式,如表3。其中前3種方式循環(huán)次數(shù)為3、6、9、12次,第4種方式循環(huán)次數(shù)為1、3、5、7次。
表3 環(huán)境模擬方式匯總Table 3 Summary sheet of environmental simulations
將完成環(huán)境模擬后的UHPC-TPO復(fù)合構(gòu)件取出,靜置待用。力學(xué)性能和路用性能試驗(yàn)主要內(nèi)容包括:① TPO-UHPC層間拉拔試驗(yàn);② TPO-UHPC層間斜剪試驗(yàn);③ 滲水試驗(yàn);④ 表面構(gòu)造深度。
3.1.1 拉拔試驗(yàn)
測試復(fù)合試塊拉拔強(qiáng)度,分析不同循環(huán)次數(shù)下TPO-UHPC層間黏結(jié)性能變化規(guī)律。參考美國標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法ASTM C1583/C1583M-13,對(duì)經(jīng)切割后的試塊進(jìn)行拉拔試驗(yàn)。采用TJ-10型碳纖維黏結(jié)強(qiáng)度檢測儀測試組合試塊層間黏結(jié)強(qiáng)度。不同環(huán)境條件下拉拔典型破壞面如圖1。
圖1 拉拔典型破壞形態(tài)Fig. 1 Typical failure modes of pull-off test
從圖1可見:① 老化后拉拔破壞面均位于TPO-UHPC層間交界處,破壞面平整,表明層間為薄弱部位;② 環(huán)境3〔圖1(c)〕和環(huán)境4〔圖1(d)〕,TPO底面環(huán)氧樹脂膠結(jié)劑由最初透明黃色變成棕色,顏色明顯變深,說明其樹脂老化程度較嚴(yán)重。其測試結(jié)果見表4。
由表4可知:① 隨著循環(huán)次數(shù)增加,TPO-UHPC復(fù)合構(gòu)件層間黏結(jié)強(qiáng)度逐漸下降;② 不同環(huán)境條件下,TPO-UHPC界面性能劣化程度存在差異。
不同環(huán)境條件對(duì)層間黏結(jié)強(qiáng)度影響見圖2。
表4 拉拔試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of pull-off tests MPa
注:()內(nèi)數(shù)字表示環(huán)境4相應(yīng)循環(huán)次數(shù)。
圖2 模擬自然條件下黏結(jié)強(qiáng)度對(duì)比Fig. 2 Comparison of bond strengths in simulated natural conditions
根據(jù)圖2可知:① 循環(huán)次數(shù)相同時(shí),環(huán)境1、2結(jié)果相近,說明紫外光照附加飽水條件后,界面強(qiáng)度變化微小,水對(duì)TPO-UHPC黏結(jié)強(qiáng)度影響可忽略;② 對(duì)環(huán)境3、4,隨循環(huán)次數(shù)增加,黏結(jié)強(qiáng)度明顯下降,說明飽水氯鹽及高溫環(huán)境對(duì)TPO-UHPC黏結(jié)強(qiáng)度有較大影響。
不同環(huán)境條件,黏結(jié)強(qiáng)度變化曲線見圖3。
通過分析測試數(shù)據(jù)及其變化規(guī)律,由圖3可知,指數(shù)形式能較好擬合循環(huán)次數(shù)與層間黏結(jié)強(qiáng)度之間關(guān)系,如式(1):
y=a+c×e(-x/b)
(1)
式中:y為層間黏結(jié)強(qiáng)度,MPa;a、b、c為回歸參數(shù);x為循環(huán)次數(shù)。
由圖3可看出:① 環(huán)境1~3〔圖3(a)~(c)〕中,前6次循環(huán)的強(qiáng)度下降幅度大,隨后曲線平緩,強(qiáng)度降幅減小,經(jīng)12次循環(huán),數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定;② 對(duì)環(huán)境4〔圖3(d)〕,隨著循環(huán)次數(shù)增加,TPO-UHPC黏結(jié)強(qiáng)度逐漸下降,7次循環(huán)后變化趨勢(shì)仍不確定。
3.1.2 斜剪試驗(yàn)
采用斜剪試驗(yàn)?zāi)M車輛水平力與垂直力綜合作用下TPO-UHPC的受力狀態(tài)。界面抗剪試驗(yàn)參考美國標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法ASTM C882/C882M-13進(jìn)行。
在常溫20 ℃下,將試塊置于45°斜剪試模中,對(duì)中校準(zhǔn)后施加荷載,控制加載速率為1 kN/s,觀察試驗(yàn)過程,直至荷載數(shù)據(jù)不再增加,記錄試件破壞形態(tài)和儀表讀數(shù)。
斜剪強(qiáng)度計(jì)算如式(2):
τ= sin 45°×F/S
(2)
式中:τ為層間抗剪強(qiáng)度,MPa;F為試件破壞荷載,kN;S為試件橫截面積,mm2。
斜剪典型破壞形態(tài)見圖4,測試結(jié)果見表5。
圖3 UHPC-TPO黏結(jié)強(qiáng)度與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig. 3 Relationship between bond strengths and cycle numbers
從圖4可見:① 剪切破壞同樣出現(xiàn)在層間交界處,因此需要重視TPO-UHPC可靠連接問題;② 這4種環(huán)境條件下,斜剪典型破壞形態(tài)無明顯差別,但對(duì)于環(huán)境3、4,上層TPO底面環(huán)氧樹脂膠結(jié)劑顏色明顯變深,說明其樹脂老化程度較嚴(yán)重。
由表5可知:① 隨著循環(huán)次數(shù)增加,TPO-UHPC復(fù)合構(gòu)件層間斜剪強(qiáng)度逐漸下降;② 不同環(huán)境條件下,TPO-UHPC界面性能劣化程度存在差異。
斜剪強(qiáng)度隨循環(huán)次數(shù)變化曲線見圖5;不同環(huán)境條件下斜剪強(qiáng)度對(duì)比見圖6。
圖4 不同環(huán)境條件斜剪典型破壞形態(tài)Fig. 4 Typical failure modes of shear test of four cases
MPa
圖5 斜剪強(qiáng)度與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig. 5 Typical failure modes of shear test of four cases
圖6 模擬自然條件下斜剪強(qiáng)度對(duì)比Fig. 6 Comparison of shear strengths in simulated natural conditions
由圖5、6可知:① 不同環(huán)境條件下,TPO-UHPC層間斜剪強(qiáng)度隨循環(huán)次數(shù)增加而下降;② 環(huán)境1~3〔圖5(a)~(c)〕,初始6個(gè)循環(huán)強(qiáng)度下降明顯,之后強(qiáng)度變化幅度減小,經(jīng)12次循環(huán)后,剪切強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)門PO中環(huán)氧樹脂在紫外光下會(huì)發(fā)生降解,性能劣化,與集料間黏結(jié)性變?nèi)?,而到后期老化基本完成,層間強(qiáng)度變得穩(wěn)定;且UHPC-TPO層間存在微裂縫和空隙,穿透力極強(qiáng)的氯離子和水進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部后與膠結(jié)劑發(fā)生置換,導(dǎo)致混合料松散,表現(xiàn)為最初幾次層間斜剪強(qiáng)度下降速度較快,隨著循環(huán)次數(shù)增加,在無外界荷載作用下,氯離子和水分無法更多透過結(jié)構(gòu)致密的UHPC-TPO而進(jìn)入界面,層間強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。具體數(shù)據(jù)為:經(jīng)6次循環(huán),環(huán)境1~3的斜剪強(qiáng)度分別由最初的15.34 MPa下降到11.05、10.9、9.97 MPa,降幅分別為27.97%、28.94%、35.01%;9~12次循環(huán),斜剪強(qiáng)度分別由10.51、10.16、9.29 MPa下降到10.32、9.95、9.18 MPa,降幅僅為1.81%、2.07%、1.18%;③ 對(duì)環(huán)境4〔圖5(d)〕,隨著循環(huán)次數(shù)增加,TPO-UHPC斜剪強(qiáng)度逐漸下降,7次循環(huán)后變化趨勢(shì)仍不穩(wěn)定。究其原因?yàn)椋涵h(huán)氧樹脂在高溫條件下,聚合物中輕質(zhì)組分揮發(fā),膠黏劑分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,導(dǎo)致UHPC-TPO層間斜剪強(qiáng)度降低,7次循環(huán)后,熱老化仍未完全,故變化趨勢(shì)仍不穩(wěn)定。
由圖3、圖5可知:模擬自然條件下,拉拔強(qiáng)度與剪切強(qiáng)度隨循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律基本一致。環(huán)境因素對(duì)UHPC-TPO層間強(qiáng)度的影響排序?yàn)椋鹤贤夤庹?高溫>紫外光照+氯鹽浸泡>紫外光照+水浸泡>紫外光照。且斜剪強(qiáng)度隨循環(huán)次數(shù)劣化規(guī)律亦可用式(1)來表征。
由表4、表5發(fā)現(xiàn):對(duì)環(huán)境1~3,經(jīng)過12次循環(huán)后,黏結(jié)強(qiáng)度由最初的4.27 MPa分別降至3.56、3.48、2.96 MPa,降幅為16.63%、18.5%、30.68%;對(duì)應(yīng)斜剪強(qiáng)度由15.34 MPa分別降至10.32、9.95、9.18 MPa,降幅為32.72%、35.14%、40.16%。對(duì)環(huán)境4,經(jīng)過7次循環(huán)后,黏結(jié)強(qiáng)度由4.27 MPa降至2.8 MPa,降幅為34.43%;而斜剪強(qiáng)度由15.34 MPa降至8.59 MPa,降幅為44.0%。綜上所述,環(huán)境因素對(duì)UHPC-TPO層間斜剪強(qiáng)度影響大于黏結(jié)強(qiáng)度。
3.2.1 滲水試驗(yàn)
為探究不同環(huán)境因素對(duì)TPO表面透水性及TPO-UHPC復(fù)合構(gòu)件水穩(wěn)定性的影響,筆者將經(jīng)4種環(huán)境模擬后的試件靜置于常溫空氣中不少于16 h,使其完全干燥后開展?jié)B水試驗(yàn)。
通過觀測儀器管的刻度發(fā)現(xiàn),環(huán)境1~3經(jīng)12次循環(huán)后,環(huán)境4經(jīng)7次循環(huán)后,均未見水面明顯下降,即水面基本保持不變。從而表明環(huán)境因素對(duì)TPO-UHPC復(fù)合構(gòu)件水穩(wěn)定性影響可忽略。
3.2.2 表面構(gòu)造深度
表面構(gòu)造深度是一項(xiàng)重要的路用性能,反映路面抗滑性;也可反映集料脫落情況,評(píng)價(jià)TPO結(jié)合料的耐老化性能。將經(jīng)過環(huán)境模擬后的試板取出,自然條件下冷卻至室溫并保持干燥。
測定結(jié)果按式(3)計(jì)算:
(3)
式中:hTD為表面構(gòu)造深度,mm;V為砂的體積,25 cm3;D為攤平砂的平均直徑,mm。
4種不同環(huán)境條件下試板的表面構(gòu)造深度測試結(jié)果見表6。
表6 不同環(huán)境條件表面構(gòu)造深度測試結(jié)果Table 6 Test results of surface structure depth of four cases mm
由表6可看出:① 環(huán)境1~3,經(jīng)12次循環(huán)后,構(gòu)造深度變化幅度約8%;環(huán)境4經(jīng)7次循環(huán)后,變化幅度約17%;② 經(jīng)4種環(huán)境模擬老化后,表面構(gòu)造深度hTD≥1.0,滿足規(guī)范hTD≥0.55 mm要求[24]。
1)對(duì)力學(xué)性能,無論是層間黏結(jié)強(qiáng)度還是斜剪強(qiáng)度,在4種環(huán)境模擬條件下隨循環(huán)次數(shù)增加均減??;呈現(xiàn)出前期下降幅度大,后期下降幅度小的規(guī)律;且層間黏結(jié)強(qiáng)度的劣化規(guī)律可用指數(shù)函數(shù)y=a+c×e-x/b來表達(dá)。
2)無論是層間黏結(jié)強(qiáng)度還是斜剪強(qiáng)度,環(huán)境條件對(duì)其影響程度排序一致:紫外光照+高溫>紫外光照+氯鹽飽水>紫外光照+飽水>紫外光照。最不利環(huán)境耦合為高溫+紫外光照;故需重點(diǎn)關(guān)注高溫條件下受紫外線影響的UHPC-TPO層間黏結(jié)性能,且環(huán)境因素對(duì)斜剪強(qiáng)度影響大于拉拔強(qiáng)度。
3)4種不同環(huán)境模擬前后,滲水系數(shù)、表面構(gòu)造深度等變化較小,故環(huán)境因素影響可忽略。
4)對(duì)環(huán)境4,經(jīng)7次循環(huán)后變化趨勢(shì)仍不穩(wěn)定,建議增加循環(huán)次數(shù)。
筆者通過試驗(yàn)研究,初步掌握了UHPC-TPO復(fù)合構(gòu)件在模擬自然條件下的劣化規(guī)律,但鑒于目前對(duì)于試驗(yàn)方法暫無規(guī)范可循,后續(xù)研究中將進(jìn)一步完善試驗(yàn)設(shè)計(jì),開展專題研究,以建立UHPC-TPO復(fù)合構(gòu)件性能預(yù)測模型、完善現(xiàn)有規(guī)范。
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