工程科学与技术   2020, Vol. 52 Issue (5): 170-177
橡胶颗粒–砂混合物新型路基填料动力参数特性的试验研究
丁瑜1, 张家生1,2, 陈晓斌1,2, 王  晅1,2, 贾羽1, 闫鹏1     
1. 中南大学 土木工程学院,湖南 长沙 410083;
2. 中南大学 教育部重载铁路工程结构重点实验室,湖南 长沙 410083
基金项目: 国家自然科学基金项目(51608533);中国铁路总公司科技研究开发计划(2017G008-A)
摘要: 为研究橡胶颗粒与砂土混合物这种新型路基填料在循环列车荷载作用下的动力参数特性,进行室内固结不排水动三轴试验,分析了橡胶颗粒含量、围压以及加载频率等因素对橡胶颗粒–砂混合物动剪切模量、阻尼比等特性的影响,研究结果表明:应变一定时,混合物的动剪切模量随着橡胶颗粒含量的增加而减小,随着围压的增大而增大,随着加载频率的增加而轻微减小;基于Hardin-Drnevich双曲线模型对动剪切模量试验结果进行拟合,得出最大动剪切模量,发现最大动剪切模量随着橡胶颗粒含量的增加而减小;混合物的阻尼比随着橡胶颗粒含量的增大而增大,随着围压的增大而减小,加载频率对阻尼比的影响较小;基于试验结果,建立了橡胶颗粒–砂混合物阻尼比与动剪应变的关系式。最后,基于柔性橡胶颗粒与刚性砂土颗粒的微观接触特性,分析了橡胶颗粒对混合物动剪切模量以及阻尼比的影响机理。综合研究结果得出:橡胶颗粒含量不宜超过20%,此时橡胶颗粒–砂混合物作为新型路基填料的动剪切模量可以满足要求,阻尼比较大,具有良好的减震耗能效果。
关键词: 橡胶颗粒–砂混合物    新型路基填料    动剪切模量    阻尼比    橡胶颗粒含量    
Experimental Study on Dynamic Parameter Characteristics of New Subgrade Filler Composed of Granular Rubber-Sand Mixtures
DING Yu1, ZHANG Jiasheng1,2, CHEN Xiaobin1,2, WANG Xuan1,2, JIA Yu1, YAN Peng1     
1. School of Civil Eng., Central South Univ., Changsha 410083, China;
2. MOE Key Lab. of Eng. Structures of Heavy Haul Railway, Central South Univ., Changsha 410083, China
Abstract: To study the dynamic parameter characteristics of the granular rubber-sand mixtures (a new type of subgrade filler) under cyclic train loading, the indoor consolidated undrained dynamic triaxial tests were carried out. The effect of granular rubber content, confining pressure and loading frequency on the shear modulus and damping ratio characteristics of the granular rubber-sand mixtures were studied. The results showed that when the shear strain was constant, the shear modulus decreased with the increase of granular rubber content or loading frequency, and increased with the increase of confining pressure. Based on the Hardin-Drnevichin hyperbolic law, the shear modulus test results were fitted to obtain the maximum shear modulus, which decreased with the increase of granular rubber content. When the shear strain was constant, the damping ratio of the granular rubber-sand mixtures increased with the increase of granular rubber content, and decreased with the increase of confining pressure. Based on the experimental results, the relationship between damping ratio and shear strain was established. In addition, based on the micro contact characteristics of flexible rubber particles and rigid sand particles, the influence mechanism of granular rubber on shear modulus and damping ratio of the mixtures was analyzed. According to the research results, the highest granular rubber content in the new subgrade filler was 20%. When the granular rubber content was lower than 20%, the new subgrade filler, whose dynamic shear modulus can meet the requirements and damping ratio was relatively large, had a good damping and energy dissipation effect.
Key words: granular rubber-sand mixtures    new subgrade filler    shear modulus    damping ratio    granular rubber content    

随着汽车工业的迅猛发展,废弃橡胶轮胎的数量逐渐上升。数据显示:2017年中国废弃橡胶轮胎的数量已经突破1.30×107 t,并且以每年6%~8%的速度增长。这些大量废弃的橡胶轮胎被填埋在垃圾填埋场、焚烧或者翻新,不仅产生了环境问题,更造成了资源的浪费。因此,如何经济环保地处理这些废弃橡胶材料成为当前的研究热点与难点。

橡胶材料相较于土体具有密度低、线弹性变形能力强、耐久性好及耗能大等优点,因此,被广泛应用于交通工程和岩土工程中,如:采用纯橡胶轮胎作为挡土墙的回填材料、路基回填材料、边坡加固材料等[1-4]。然而,使用纯橡胶轮胎作为填充材料可能会发生放热反应而引起自燃,存在巨大的安全隐患[5-6]。近年来,不少学者利用废弃橡胶轮胎和土体的混合物作为一种新型轻质回填材料,不仅改善了土体的力学性质,而且扩展了废弃橡胶轮胎的再利用范围[7-9]

废弃橡胶轮胎和砂土混合物作为一种新型路基填料,其在动荷载作用下的动力参数特性得到了很多研究者的关注:Feng等[10]利用扭剪共振柱试验研究了橡胶–砂混合物的动剪切模量以及阻尼比特性,结果表明,随着橡胶含量的增加,混合物的动剪切模量减小,阻尼比增大;Anastasiadis等[11]研究了小应变情况下,橡胶含量对土体动力参数的影响,结果表明,初始动剪切模量随着橡胶含量的增加而减小,初始阻尼比随着橡胶含量的增加而增大;Brara等[12]的研究结果表明,小应变动剪切模量随着橡胶体积含量的增加而减小,而小应变阻尼比随着橡胶体积含量的增加而呈线性增长的趋势;Nakhaei等[13]认为,在任意围压下,随着橡胶含量的增加,混合物的动剪切模量减小,在低围压(50 kPa和100 kPa)下混合物的阻尼比随着橡胶含量的增加而减小,而在高围压(200 kPa和300 kPa)下混合物的阻尼比随着橡胶含量的增加而增大。国内也有学者针对橡胶砂混合物的动力参数特性进行了相关研究,李丽华等[14]通过动三轴试验研究了橡胶含量对橡胶砂混合物的动强度、动弹性模量和等效阻尼比的影响,研究结果表明:混合物的动强度略低于纯净砂土的动强度;动弹性模量随着橡胶含量的增加而减小;阻尼比随着橡胶含量的增加呈现先增大后减小的趋势,在橡胶含量为30%~40%时,阻尼比最大。

目前,研究者针对橡胶砂混合物动力参数特性的研究主要集中在小应变范围内,并且没有达成一致的研究结论,因此,针对废弃橡胶颗粒–砂混合物这种新型路基填料的动力参数特性有必要进行深入的研究。本文采用动三轴试验模拟循环列车荷载作用,在验证橡胶颗粒–砂混合物减震耗能效果的基础上,分析了废弃橡胶颗粒含量、围压及加载频率等因素对橡胶颗粒–砂混合物动剪切模量和阻尼比特性的影响,构建了橡胶颗粒–砂混合物的动剪切模量–动剪应变、阻尼比–动剪应变的发展模型。基于前人研究成果,作者提出了橡胶颗粒–砂混合物作为新型路基填料的合理橡胶含量范围。

1 试验材料和试验方案 1.1 试验材料

图1为试验所用材料,其主要的物理力学性质指标如表1所示。试验时为了消除尺寸效应的影响,人工剔除了粒径大于2 mm的颗粒,级配曲线见图2

图1 试验所用材料 Fig. 1 Tested materials

表1 试验材料的基本物理力学参数 Tab. 1 Physical and mechanical parameters of tested materials

图2 试验材料级配曲线 Fig. 2 Gradation curves of tested materials

1.1.1 砂土

试验采用的砂土为中国ISO标准砂,颗粒形状为次圆–圆形,主要成分为二氧化硅。砂土的有效粒径为0.078 mm,平均粒径为0.52 mm,不均匀系数为8.59,曲率系数为0.62,属级配不良土。

1.1.2 橡胶颗粒

参考文献[15],可以将试验采用的橡胶归类为橡胶颗粒,该橡胶颗粒是由废弃的汽车橡胶轮胎制成,轮胎中的钢丝以及纤维已经被剔除,橡胶颗粒的主要成分是橡胶烃和炭黑。

1.1.3 橡胶颗粒–砂混合物

采用橡胶颗粒体积含量 $\;\chi $ ,其定义为:

$\chi = \frac{{{V_{\rm{GR}}}}}{{{V_{\rm{GR}}} + {V_{\rm{S}}}}} \times 100{\text{%}} $ (1)

式中, ${V_{\rm{GR}}}$ 为橡胶颗粒的体积, ${V_{\rm{S}}}$ 为砂土的体积。

为了研究橡胶颗粒–砂混合物(下文中简称混合物)的动力参数特性,试验把不同体积百分含量( $\;\chi $ =10%、20%、30%、40%)的橡胶颗粒与砂土混合成试验用土。参考《铁路路基设计规范(TB10001—2016 J447—2016)》[16],控制试样的压实系数为0.95。混合物的主要物理力学性质见表2

表2 混合物的基本物理力学参数 Tab. 2 Physical and mechanical parameters of mixtures

1.2 试验仪器

试验采用DDS-70微机控制电磁式振动三轴试验系统。该仪器可以进行各类土体的动模量试验,提供试验所需的荷载波形以及加载频率等,并能将试验过程中的力、动孔隙水压力及位移自动记录下来。

1.3 试验方法

试验方案见表3所示。共设计15组试验工况,每一种工况进行3个试样的平行试验,结果取3组试验的平均值。

表3 试验方案 Tab. 3 Testing programs

1.3.1 试验方案

砂土材料常被用作铁路路基填料,基床层的厚度为2.5 m,围压 ${\sigma _3}$ 选取50 kPa代表基床层土体的受力状态。为了研究围压的影响,在橡胶颗粒含量为0和20%、加载频率为1 Hz的两组试验中再选取100 kPa及150 kPa围压作为研究对象(如表3中编号为5、6、12、13的4组试验)。

为了研究饱和状态混合物的动力参数特性,试验采用不排水条件。

荷载选用正弦波以模拟循环列车荷载的作用,参照《铁路工程土工试验规程》[17],采用分级加载的方式,振动荷载幅值依次为0.1 ${\sigma _3}$ 、0.2 ${\sigma _{\rm{3}}}$ 、0.3 ${\sigma _{\rm{3}}}$ 、···,每一级振动荷载循环10次。为消除上一级振动荷载产生的孔压对下一级的影响,在每一级振动完成后打开排水阀排水,再关闭排水阀进行下一级振动。待试样的应变波形呈现明显的发散趋势时停止试验。

加载频率 $f$ 选用1 Hz,试验过程中为了研究加载频率对混合物动力参数特性的影响,在围压为50 kPa、橡胶颗粒含量为0和20%的两组试验中选取加载频率为3、5、7 Hz作为研究对象(如表3中编号为2、3、4、9、10、11这6组试验)。

1.3.2 试样制备

试样的尺寸(直径×高)为39.1 mm×80.0 mm,试样采用湿击实法制备:首先,根据不同试验工况计算每一组试样所需要的砂土、橡胶颗粒的质量;然后,将称量好的砂土与橡胶颗粒混合均匀,并掺入一定质量的蒸馏水,使砂土具有一定的黏聚力,以方便制样,并将含水的混合物放置在密闭的容器中静置24 h,以确保试样中水分的均匀;最后,根据每一种工况的土样参数计算制备每一组试样所需要的混合料质量,平均分为5层放入金属模具中压实,在进行下一层压实之前,要将上一层已经压实的土样刮毛,以保证各层之间良好的接触;试样制备完之后,置于真空饱和器中进行饱和,饱和24 h后使用。

2 试验结果分析与讨论 2.1 动剪切模量以及阻尼比的确定

当对土体施加较小的周期荷载时,得到如图3所示的滞回曲线。

图3 理想的滞回曲线 Fig. 3 Idealized hysteresis curve produced by cyclic loading

滞回曲线顶点的连线即可得到骨干曲线。动剪切模量和阻尼比分别定义为:

${G_{\rm{d}}} = \frac{{{\tau _{\rm{1d}}} - {\tau _{\rm{2d}}}}}{{{\gamma _{\rm{1d}}} - {\gamma _{\rm{2d}}}}}$ (1)
$\lambda = \frac{{{A_0}}}{{{\rm{4}}\text{π} {A_{\rm{T}}}}}$ (2)

式中, ${G_{\rm{d}}}$ 为土体的动剪切模量, ${\tau _{\rm{1d}}}$ ${\tau _{\rm{2d}}}$ 分别为正负最大动剪应力, ${\gamma _{\rm{1d}}}$ ${\gamma _{\rm{2d}}}$ 分别为正负最大动剪应变, $\lambda $ 为土体的阻尼比, ${A_0}$ 图3中滞回圈的面积, ${A_{\rm{T}}}$ 图3中三角形 $OAA'$ 的面积。

2.2 动剪切模量分析 2.2.1 橡胶颗粒含量对动剪切模量的影响

图4为围压50 kPa、加载频率1 Hz工况下不同橡胶颗粒含量的混合物动剪切模量 ${G_{\rm{d}}}$ 随动剪应变 ${\gamma _{\rm{d}}}$ 的变化曲线。由图4可知:

图4 不同橡胶颗粒含量对混合物动剪切模量的影响 Fig. 4 Shear modulus-shear strain amplitude curves for mixtures with different granular rubber contents

图5 不同围压对纯净砂土及混合物(橡胶颗粒含量为20%)动剪切模量的影响 Fig. 5 Shear modulus-shear strain amplitude curves for pure sand and mixtures(20% granular rubber content)with different confining pressures

1)不同试验工况下,混合物的动剪切模量随着动剪应变的增大呈现出非线性衰减的趋势。

2)橡胶颗粒含量对混合物的动剪切模量具有显著的影响:动剪应变小于0.5%时,相同动剪应变对应的动剪切模量随着橡胶颗粒含量的增加而减小;动剪应变大于0.5%时,混合物的动剪切模量值基本趋于一致。

2.2.2 围压对动剪切模量的影响

图5为纯净砂土及混合物(橡胶颗粒含量为20%)在不同围压下的动剪切模量 ${G_{\rm{d}}}$ 随动剪应变 ${\gamma _{\rm{d}}}$ 的变化曲线。由图5可以看出:动剪应变一定时,随着围压的增加,纯净砂土及混合物的动剪切模量呈现增大的趋势。这是因为:围压越大,土体颗粒或者土体颗粒与橡胶颗粒之间的接触越紧密,试样刚度越大,因此动剪切模量越大。

2.2.3 加载频率对动剪切模量的影响

图6为纯净砂土及混合物(橡胶颗粒含量为20%)在不同加载频率下的动剪切模量 ${G_{\rm{d}}}$ 随动剪应变 ${\gamma _{\rm{d}}}$ 的变化曲线。由图6可以看出:1)加载频率对纯净砂土的动剪切模量的影响比较小,这与文献[18-20]的研究结果相似。2)相对于纯净砂土而言,应变较小时( ${\gamma _{\rm{d}}} < 0.1\% $ ),加载频率对混合物的影响较大,随着加载频率的增加,动剪切模量减小;而在应变较大( ${\gamma _{\rm{d}}} > 0.1\% $ )时,混合物的动剪切模量趋于一致。

图6 不同加载频率对纯净砂土及混合物(橡胶颗粒含量为20%)动剪切模量的影响 Fig. 6 Shear modulus-shear strain amplitude curves for pure sand and mixtures(20% granular rubber content)with different loading frequencies

2.2.4 混合物最大动剪切模量分析

观察图46发现:混合物的动剪切模量–动剪应变曲线满足Hardin-Drnevich双曲线模型[21],见式(4):

$\frac{{{G_{\rm{d}}}}}{{{G_{{\rm{d}}\max }}}} = \frac{1}{{1 + {\gamma _{\rm{d}}}/{\gamma _{\rm{dr}}}}}$ (3)

式中, ${G_{{\rm{d}}\max }}$ 为土体的最大动剪切模量, ${\gamma _{\rm{dr}}}$ 为土体的参考动剪应变。

利用式(3)对得到的动剪切模量及动剪应变试验数据进行拟合,得到混合物的最大动剪切模量 ${G_{{\rm{d}}\max }}$ 及参考动剪应变 ${\gamma _{\rm{dr}}}$ 数值,列于表4图7为橡胶颗粒含量对混合物最大动剪切模量及参考动剪应变的影响。由图7可以看出:1)随着橡胶颗粒含量的增加,混合物的最大动剪切模量逐渐减小:橡胶颗粒含量为10%的混合物的最大动剪切模量比纯净砂土的最大动剪切模量下降约12.5%;橡胶颗粒含量为20%的混合物的最大动剪切模量比纯净砂土的最大动剪切模量下降约22.1%;橡胶颗粒含量为30%的混合物的最大动剪切模量比纯净砂土的最大动剪切模量下降约34.0%;橡胶颗粒含量为40%的混合物的最大动剪切模量比纯净砂土的最大动剪切模量下降约66.1%。2)橡胶颗粒含量对参考动剪应变的影响比较小。

表4 ${{{G}}_{{\bf{d\;max}}}}$ 以及 ${\gamma _{\bf{dr}}}$ 的值 Tab. 4 Values of ${{{G}}_{{\bf{d\;max}}}}$ and ${\gamma _{\bf{dr}}}$

图7 橡胶颗粒含量对最大动剪切模量及参考动剪应变的影响 Fig. 7 Effect of granular rubber contents on ${{{G}}_{{\bf{d}}\;{{\max}} }}$ and ${\gamma _{\bf{dr}}}$

2.2.5 与其他路基填料最大动剪切模量的比较

将本文拟合得到的混合物最大动剪切模量分别与南京细砂[22]、粗粒土[13]、红砂岩风化土[23]以及河砂[11]等类型路基填料的最大动剪切模量进行比较,结果见表5。从表5可以看出:新型路基填料的最大动剪切模量随着橡胶颗粒含量的增加而减小,当橡胶颗粒含量不超过20%时,新型路基填料的最大动剪切模量均大于南京细砂;橡胶颗粒含量超过20%后(围压50 kPa),新型路基填料的最大动剪切模量低于南京细砂。因此,新型路基填料的橡胶颗粒含量不宜超过20%。

表5 不同类型填料的 ${G_{{\rm{d}}\max }}$ 比较 Tab. 5 Comparison of ${G_{{\rm{d}}\max }}$ with different materials

2.3 阻尼比分析 2.3.1 橡胶颗粒含量对阻尼比的影响

图8为围压50 kPa、加载频率1 Hz工况下不同橡胶颗粒含量的混合物阻尼比 $\lambda $ 随动剪应变 ${\gamma _{\rm{d}}}$ 的变化曲线。由图8可知:

图8 不同橡胶颗粒含量对混合物阻尼比的影响 Fig. 8 Damping ratio-shear strain amplitude curves for mixtures with different granular rubber contents

图9 不同围压对纯净砂土及混合物(橡胶颗粒含量为20%)阻尼比的影响 Fig. 9 Damping ratio-shear strain amplitude curves for pure sand and mixtures(20% Granular rubber content)with different confining pressures

1)不同试验工况下,混合物的阻尼比随着动剪应变的增大呈现出非线性增大的趋势。当动剪应变小于0.2%时,阻尼比的增长速率较大;当动剪应变大于0.2%时,阻尼比的增长速率变慢。

2)橡胶颗粒含量对混合物的阻尼比具有显著的影响:动剪应变一定时,随着橡胶颗粒含量的增加,混合物的阻尼比逐渐增大。相较于纯净砂土,橡胶颗粒–砂混合物有较大的阻尼比,也说明这种新型路基填料作为减震耗能材料效果较好。

2.3.2 围压对阻尼比的影响

图9为纯净砂土及混合物(橡胶颗粒含量为20%)在不同围压下的阻尼比 $\lambda $ 随动剪应变 ${\gamma _{\rm{d}}}$ 的变化曲线。由图9可以看出:动剪应变一定时,随着围压的增加,纯净砂土及混合物的阻尼比减小。并且围压对混合物阻尼比的影响程度大于围压对纯净砂土阻尼比的影响程度,这与文献[24-25]的结论相似。

产生这种现象的原因是:纯净砂土的阻尼主要是砂土颗粒之间的位移摩擦产生,而混合物的阻尼主要是由于颗粒之间的位移摩擦以及橡胶颗粒自身的变形产生的[10]。随着围压的增大,纯净砂土试样及混合物试样结构更加紧密,在外荷载的作用下,颗粒之间产生位移更小,因此颗粒之间的摩擦更少,试样的阻尼比也会更小。对于橡胶颗粒–砂混合物而言,围压除了影响颗粒间的位移摩擦外,更会对橡胶颗粒自身的变形程度产生影响,因此,围压对混合物阻尼比的影响程度更大。

2.3.3 加载频率对阻尼比的影响

图10为纯净砂土及混合物(橡胶颗粒含量为20%)在不同加载频率下的阻尼比 $\lambda $ 随动剪应变 ${\gamma _{\rm{d}}}$ 的变化曲线。由图10可以看出:加载频率对纯净砂土以及混合物的阻尼比的影响比较小。

图10 不同加载频率对纯净砂土及混合物(橡胶颗粒含量为20%)阻尼比的影响 Fig. 10 Damping ratio-shear strain amplitude curves for pure sand and mixtures(20% granular rubber content)with different loading frequencies

2.3.4 混合物阻尼比–动剪应变关系曲线

图810可以看出:混合物的阻尼比–动剪应变的关系符合式(5):

$\lambda = a{\left( {\frac{{{\gamma _{\rm{d}}}}}{{1 + b \cdot {\gamma _{\rm{d}}}}}} \right)^c}$ (4)

式中,abc为拟合参数。

利用式(5)对不同工况下的阻尼比试验数据进行线性回归分析,得到拟合系数abc及相关系数R2的数值,列于表6。由表6可以看出,相关系数的数值均大于0.95,表明采用式(5)对混合物的阻尼比–动剪应变关系进行拟合是合理的。

表6 拟合参数abc及相关系数R2的值 Tab. 6 Values of abc and R2

2.4 橡胶颗粒含量影响机理分析

通过饱和橡胶颗粒–砂混合物的动力参数特性分析发现:橡胶颗粒的掺入降低了砂土的动剪切模量,提高了砂土的阻尼比。图11为混合物的微观示意图,随着橡胶颗粒含量的增加,砂颗粒之间的接触逐渐减少,橡胶颗粒之间的接触以及砂颗粒与橡胶颗粒之间的接触逐渐增加。而砂颗粒与橡胶颗粒的刚度相差较大,相比较而言,可以认为砂颗粒是刚性颗粒,而橡胶颗粒是柔性颗粒。因此,随着橡胶颗粒含量的增加,混合物刚度减小,动剪切模量也逐渐减小[12]。而在相同外荷载作用下,砂颗粒的变形较小,并且砂颗粒之间产生的位移摩擦也较少,因此消耗的能量较少;橡胶颗粒通过其自身产生的较大变形可以消耗更多的能量,因此随着橡胶颗粒含量的增加,混合物的阻尼比更大[12]

图11 混合物的微观示意图 Fig. 11 Microstructure of the granular-rubber sand mixtures

3 结 论

针对橡胶颗粒–砂混合物新型路基填料的动力参数特性进行了室内动三轴试验,研究了橡胶颗粒含量、围压以及加载频率等因素对饱和橡胶颗粒–砂混合物的动剪切模量及阻尼比的影响,得到如下结论:

1)不同试验工况下,混合物的动剪切模量随着动剪应变的增大呈现出非线性衰减的趋势。当动剪应变小于0.5%时,相同动剪应变对应的动剪切模量随着橡胶颗粒含量的增加而减小;动剪应变大于0.5%时,混合物的动剪切模量值基本趋于一致。而随着围压的增加混合物的动剪切模量增大,随着加载频率的增加混合物的动剪切模量略有减小。

2)不同试验工况下,混合物的阻尼比随着动剪应变的增大呈现出非线性增大的趋势。橡胶颗粒含量对混合物的阻尼比具有显著的影响:动剪应变一定时,随着橡胶颗粒含量的增加,混合物的阻尼比逐渐增大。随着围压的增加混合物的阻尼比呈现减小的趋势,而加载频率对阻尼比的影响较小。

3)混合物的动剪切模量–动剪应变关系曲线符合H-D模型,通过线性回归分析,得到了不同混合物的最大动剪切模量,分析发现:随着橡胶颗粒含量的增加,最大动剪切模量减小。

4)基于橡胶颗粒砂–混合物的微观结构,解释了橡胶颗粒含量对混合物动剪切模量及阻尼比影响的微观机理。

5)综合研究结果可以看出:橡胶颗粒含量不宜超过20%,此时橡胶颗粒–砂混合物作为新型路基填料的剪切刚度可以满足要求,阻尼比较大,具有良好的减震耗能效果。

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