工程科学与技术   2021, Vol. 53 Issue (4): 101-109
烧结法赤泥–沥青粉固化剂稳定粉土的路用性能研究
孙兆云, 韦金城, 王林, 李夏, 吴文娟     
山东省交通科学研究院 高速公路养护技术交通行业重点实验室,山东 济南 250102
基金项目: 山东省交通科技创新计划项目(2016B43);山东省重点研发计划项目(2019GSF109057)
摘要: 为解决黄河冲积平原地区粉土黏聚力低、水稳定性差等工程应用问题,以烧结法赤泥和基质沥青为主材制备粉土固化剂(RAC),对粉土进行综合稳定。按5%水泥优选掺量并附加0、2%、4%、6%、8% RAC成型稳定粉土试件,经过标准养护、浸水强度、循环加热、低温冻融、高温自愈等特定试验条件后,进行3、7和28 d龄期的抗压强度与单轴压缩弹性模量试验,对比分析不同掺量RAC稳定粉土综合路用性能的变化规律。采用扫描电镜(SEM)分别观察粉土、水泥稳定粉土和RAC稳定粉土的微观结构形貌和孔隙特征,进而探讨固化稳定机理。结合实体工程的应用实践对RAC稳定粉土的路用性能进行测试分析与验证。结果表明:与单掺水泥相比,RAC稳定粉土具有良好的力学性能和水稳定性,2%、4%、6%、8% RAC稳定粉土标准养护3 d,强度分别提高110%、146%、156%、161%,28 d龄期浸水强度损失率由大于50%降低至小于20%;5次循环加热水泥稳定粉土强度增幅不大,高于4%掺量的RAC稳定粉土强度增长超过140%;经低温冻融后,单掺水泥稳定粉土试件发生开裂损坏,而RAC稳定粉土试件完好无损,且强度损失率小于15%;高温自愈试验中,试件加载至90%极限荷载,循环加热5次后,2%、4%、6%、8%RAC稳定粉土强度变化率分别为–8.3%、–2.3%、8.0%、12.9%。SEM图像显示RAC稳定使粉土形成密实的胶结凝聚体和均匀分布的孔径小于1 μm的非连通微孔结构,有利于稳定粉土水稳定性和抗冻性的提高;高温条件下沥青组分发生湿润黏结包裹粉土颗粒及水化产物,同时加速扩散填充内部孔隙和微裂缝,实现了土体的损伤修复和结构补强。实体工程采用“4%RAC+5%水泥”对粉土稳定后用于道路基层,通车后,通过现场取芯、FWD弯沉等测试分析,道路整体承载能力和使用状况良好,未出现裂缝、坑槽、松散等损坏现象。
关键词: 道路工程    稳定粉土    对比试验    路用性能    微观结构    烧结法赤泥–沥青粉    
Study on Road Performance of Stabilized Silt with Sintering Red Mud-asphalt Powder Curing Agent
SUN Zhaoyun, WEI Jincheng, WANG Lin, LI Xia, WU Wenjuan     
Key Lab. of Expressway Maintenance Technol. Ministry of Transport, Shandong Transportation Research Inst., Ji’nan 250102, China
Abstract: In order to solve the engineering application problems such as low cohesion and poor water stability of silt in the alluvial plain of the Yellow River, the sintering red mud and matrix asphalt were utilized as the main materials to prepare red mud-asphalt powder curing agent (RAC) for comprehensively stabilizing the silt. Setting the optimum dosage of cement as 5% and adding 0, 2%, 4%, 6%, 8% RAC to form stable silt specimens, the compressive strength and uniaxial compressive elastic modulus tests were conducted at 3 d, 7 d, 28 d ages after standard curing, immersion softening, cyclic heating, low-temperature freeze-thaw and high-temperature self-healing methods. The change rules of comprehensive road performance of stabilized silt with different dosage of RAC were compared and analyzed. The scanning electron microscope (SEM) was used to observe the microstructure and pore characteristics of silt, cement stabilized silt and RAC stabilized silt, and then the mechanism of solidification and stabilization was discussed. Combined with the practical application of entity engineering, the road performance of RAC stabilized silt was tested and verified. The results showed that RAC stabilized silt had good mechanical properties and water stability compared to cement alone, the strength of 2%, 4%, 6%, and 8% RAC stabilized silt increased by 110%, 146%, 156%, and 161%, respectively after standard curing of 3 d, and the loss rate of immersion strength at 28 d age is reduced from more than 50% to less than 20%. The strength of cement stabilized silt increased slightly after 5 cycles of heating, but the strength of RAC stabilized silt increases by more than 140% when the dosage was higher than 4%. After the low-temperature freeze-thaw tests, the cement stabilized silt specimen cracked and damaged, the RAC stabilized silt specimen was intact, and the loss rate of strength was less than 15%. The specimen was loaded to 90% ultimate load and heated for 5 times, the strength change rates of 2%, 4%, 6%, and 8% RAC stabilized silt were –8.3%, –2.3%, 8.0%, and 12.9%, respectively. The SEM images showed that RAC stabilized silt had dense cemented aggregates and non-connected microporous structure with uniformly distributed pore diameter less than 1 μm, which were beneficial to improve the water stability and frost resistance of stabilized silt. The asphalt components wet-bonded and wrapped with silt particles and hydration products under high temperature conditions, which accelerated the diffusion to fill the internal pores and micro cracks and realized damage repair and structural reinforcement of stabilized soil. In the entity project, the road base was filled with “4% RAC+5% cement” stabilized silt. After opening to traffic, the overall bearing capacity and service condition of the road were in good condition through field coring and FWD deflection tests. There were no cracks, pits, loose and other damages.
Key words: road engineering    stabilized silt    contrast test    road performance    microstructure    sintering red mud–asphalt powder    

粉土在黄河下游冲积平原地区分布广泛,其颗粒级配不良、黏粒含量低、强度弱、水稳定性差,工程应用中存在易冲刷、毛细水现象强烈、施工压实困难等问题[1-3],属于不良的公路工程用土。粉土直接用于路基填筑,往往会由于压实不足、毛细水剧烈上升、不均匀沉降等原因引发路基的强度衰减或软化失稳,最终导致路面整体结构破坏[4]。随着中国公路建设规模的快速发展和社会生态保护意识的不断提高,工程建设面临土源严重紧缺的问题,黄河下游冲积平原地区尤为突出。目前,工程建设中往往就地取材,采取改良固化、压实工艺优化和工程防护措施等技术手段,实现粉土规模化应用于路基填筑。

粉土的改良固化技术主要采用化学改良方法,在粉土中掺入固化稳定材料,经过一系列物理化学反应使土体形成胶结整体,从而解决粉土颗粒黏聚力弱、渗透性强、水稳定性差等不良工程特性。国内外学者对粉土的固化稳定材料开展了大量试验与研发工作。宋博文等[5]研究了消石灰、水泥改良粉土的强度及变形特性。崔伟等[6]研究了水泥和水玻璃对低液限粉土强度的改善效果。武庆祥等[7]研究了石灰、水泥对粉土的工程改良效果。周天宝等[8]以生物聚合物(黄原胶)为固化剂,研究了西北地区粉土的固化效果并进行了机理分析。张涛和刘松玉等[9-10]对工业副产品木质素改良粉土进行了大量室内试验研究和填筑路基技术的可行性评价。蔡光华等[11]通过强度、微观孔隙等特征揭示了活性MgO碳化加固粉土的微观机理。邵光辉等[12]利用巴氏芽孢杆菌诱导碳酸钙沉积,对粉土进行固化并分析了微观控制因素与作用机理。国外学者还研究将液体沥青用作粉砂土的稳定材料[13-14]。以上研究在粉土的改良固化方面取得了良好的理论分析和试验效果,固化材料也由传统的无机类、有机类逐渐发展为无机–有机复合及生物类改良固化。但是,粉土固化在工程应用实践中仍存在改良效果单一、推广应用技术难度高等问题。因此,在开展固化粉土的强度、变形等基本性能研究的基础上,进一步研究固化粉土在实际工作条件下可能出现的受水、低温冻融影响及自然或荷载作用下的微损伤影响等不利条件下的路用性能变化是非常必要的。

烧结法赤泥是碱法生产氧化铝所排放的固体工业废渣[15],氧化钙、氧化硅含量较高,颗粒细小且内部呈网状结构,具有较强的吸附能力和一定的水化活性[16]。沥青是由不同分子量的碳氢化合物及其衍生物组成的复杂混合物,属于温感性材料,具有流动自愈合特性[17-19]。研究结合烧结法赤泥颗粒特征和沥青材料特性,在一定工艺下将两者拌和、粉磨,制备新型粉土固化剂(red mud-asphalt powder curing agent,RAC),通过物理–化学综合作用对粉土进行固化稳定。RAC的制备过程可增值利用工业固废–烧结法赤泥,同时将沥青在常温下转化为固体粉末形态,有利于固化粉土的工程实践和施工质量控制。作者在评价RAC稳定粉土基本力学性能的基础上,进一步研究浸水软化、循环加热、低温冻融、高温自愈等试验条件下不同掺量RAC稳定粉土路用性能的变化规律,分析RAC掺量对稳定粉土水稳定性、抗冻性和损伤修复性能的影响。采用扫描电镜(SEM)分别观察粉土、水泥稳定粉土和RAC稳定粉土的微观形貌,分析不同材料对土体结构与孔隙特征的影响,探讨固化稳定机理。依托实体工程,对RAC稳定粉土道路的弯沉、强度等指标进行测试,为路用性能评价和工程应用提供技术参考和借鉴。

1 试验材料与方案 1.1 试验材料

试验用粉土取自山东省德州市黄河冲积平原,取样位置距黄河北岸约15 km。土样比重为2.7,液限wL为28.4%,塑性指数Ip为8.6,最大干密度为1.78 g/cm3,最佳含水率为15.1%。采用激光粒度仪进行颗粒分析,不均匀系数为4.8,曲率系数为1.9,颗粒分布曲线如图1所示。

图1 土样颗粒分析曲线 Fig. 1 Soil sample grain analysis curve

水泥选用42.5级基准水泥,密度为3.07 g/cm3,初凝时间为183 min,终凝时间为248 min,比表面积为360 m2/kg,3 d抗压强度为30.0 MPa、28 d抗压强度为57.0 MPa。

烧结法赤泥的化学成分以CaO、SiO2、Fe2O3、Al2O3、MgO为主,其中,CaO与SiO2的总量占比60%以上。烧结法赤泥粉末的含水率小于3%,堆积密度为0.6~0.8 g/cm3,比表面积为550~600 m2/kg。

基质沥青选用70号A级道路石油沥青,针入度70(0.1 mm),软化点46.5 ℃,15 ℃延度大于100 cm,15 ℃密度1.033 g/cm3,60 ℃动力黏度246 Pa·s。

RAC固化剂是以烧结法赤泥和70号基质沥青为主要材料研制而成。将烧结法赤泥烘干、磨细至小于120目备用;基质沥青加热至一定温度后,按比例投入磨细烧结法赤泥,充分搅拌120 s后冷却至室温;投入适量分散剂后,用粉碎机破碎至0.075 mm以下,即得到RAC固化剂。

1.2 试验方案

稳定粉土采用“RAC+水泥”双掺方式进行复合固化。根据工程经验和前期室内对比试验结果,水泥掺量取5%。为研究RAC固化剂掺量对粉土力学性能的影响,RAC固化剂掺量选取0、2%、4%、6%、8%不同比例。两种材料的掺量均按土样干质量百分比计。根据室内重型击实试验参数,按96%压实度静压成型圆柱形试件。将试件在温度(20±1)℃、湿度≥90%的标准养护条件下养护至相应的试验龄期,并按表1所列方案开展试验。

表1 RAC稳定粉土路用性能试验方案 Tab. 1 RAC stabilized silt road performance test schemes

2 结果与分析 2.1 标养、浸水强度试验

标养、浸水强度试验是以轴向应变1%/min~3%/min的速度对无侧向限制的圆柱体试件进行加载,测得试件所能承受的最大轴向应力即为无侧限抗压强度。

不同掺量RAC稳定粉土在标准养护条件下3、7和28 d龄期的抗压强度试验结果如图2所示。

图2 不同龄期稳定粉土RAC掺量–抗压强度试验结果 Fig. 2 RAC dosage–compressive strength test results of stable silt at different ages

图2可知,随着RAC掺量的增加,稳定粉土不同龄期的强度均得到提高。2%、4%、6%、8%RAC稳定粉土的3 d龄期强度较单掺水泥(RAC掺量为0)分别提高110%、146%、156%、161%,3 d到28 d龄期的强度增长率分别为136%、134%、137%、127%。结果表明,“RAC+水泥”双掺对粉土的固化稳定效果明显优于单掺水泥固化,且RAC掺量对稳定粉土早期强度的形成影响显著,后期强度增长率则趋于稳定。

稳定粉土的强度受浸水条件的影响而发生变化,图3为不同RAC掺量下稳定粉土3、7、28 d龄期试件浸水后抗压强度的损失情况。

图3 不同龄期稳定粉土RAC掺量–强度损失率曲线 Fig. 3 RAC dosage–strength loss rate curves of stable silt at different ages

图3表明RAC掺量对稳定粉土的水稳定性能具有显著影响:1)单掺水泥稳定粉土的3、7、28 d浸水强度损失率分别为61.2%、51.3%、50.5%,整体上受浸水影响而导致的强度损失较大。2)RAC掺量低于4%时,稳定粉土的浸水强度损失率降低明显;RAC掺量高于4%时,稳定粉土的浸水强度损失率逐渐趋于稳定。3)与单掺水泥稳定粉土相比,2%~6%RAC稳定粉土7 d龄期之后浸水强度损失率呈小幅下降趋势,以4%RAC掺量为例,其3、7、28 d龄期浸水强度损失率分别为21.4%、12.0%、7.6%;当RAC掺量为8%时,7 d龄期之后的浸水强度损失率趋于稳定。

综合分析上述标养、浸水强度试验结果,可以发现:单掺水泥稳定粉土,随水泥水化反应的进行,稳定粉土能够形成一定强度,但浸水后强度损失较高。与单掺水泥相比,“RAC+水泥”双掺稳定粉土的强度和水稳定性更优。这是由于RAC组分中烧结法赤泥含有活性CaO、SiO2,具备水化活性,水化生成C—S—H凝胶,沥青微粒则在物理压实作用下连结水化产物与粉土颗粒形成凝聚结构。通过两种材料的综合作用,宏观上进一步提高了稳定粉土的强度和水稳定性。同时,对比图23表明:稳定粉土的强度和水稳定性随RAC掺量的变化规律具有一致性,且RAC掺量大于2%时,稳定粉土强度和水稳定性提高明显;RAC掺量超过6%之后,性能提高趋于稳定,初步说明了RAC存在一定的最佳掺配比例范围。

2.2 循环加热试验

稳定粉土循环加热后的力学性能利用强度增长率进行评价,强度增长率为循环加热后强度与标准养护强度的比值,5次和10次循环加热试验后的强度增长率分布如图4所示。

图4 循环加热RAC稳定粉土的强度增长率 Fig. 4 RAC stabilized silt strength growth rates by cyclic heating

图4可知,循环加热试验条件对不同掺量RAC稳定粉土强度增长有明显差异,主要体现在两个方面:

1)掺量影响。循环加热对单掺水泥和2%低掺量RAC稳定粉土强度增长作用较小;当RAC掺量高于4%时,5次以上循环加热后稳定粉土强度增长明显,增长率超过140%;随RAC掺量的增加,3、7 d龄期稳定粉土循环加热,强度增长率呈上升趋势,28 d龄期、8%RAC强度增长率会略有下降。

2)龄期影响。循环加热对不同掺量RAC稳定粉土的早期强度作用明显,3 d龄期、5次循环强度分别提高116.4%、129.7%、156.1%、163.8%、170.4%,3 d龄期10次循环分别提高123.9%、143.2%、180.6%、182.9%、182.4%。对比图4(a)(b)可知:随龄期增长,RAC稳定粉土循环加热后的强度增长率逐渐减小;28 d龄期时,当循环次数由5增至10次,其强度增长率基本保持不变。

由于循环加热可加速水化反应,促进强度形成,单掺水泥稳定粉土的强度会有小幅度提高。当加入RAC时,所含的沥青以微粉形态充分分散于稳定土体内,循环加热作用使沥青分子活动得到增强,不断湿润裹附土体颗粒并扩散渗透孔隙结构,有效黏结粉土颗粒与水化产物,形成胶结体,这一过程是RAC稳定粉土循环加热后强度提高的主要原因。

2.3 低–高温试验

单掺水泥稳定粉土和RAC稳定粉土试样经低温冻融试验后的状态如图5所示。

图5 低温冻融后土样状态 Fig. 5 Soil sample state after low temperature freeze-thaw

单掺水泥的稳定粉土试件经1次冻结即发生开裂破坏,故仅选择2%、4%、6%、8%RAC稳定粉土进行低温冻融和高温自愈试验。不同掺量稳定粉土经过低温冻融、高温自愈作用后应力–应变关系发生明显变化,如图6所示。

图6 不同温度条件下RAC稳定粉土应力应变关系曲线 Fig. 6 Stress–strain curves of RAC stabilized silt under different temperature conditions

图6中,曲线峰值和弹性阶段斜率分别代表了试件的单轴抗压强度和弹性模量,由图6可知:

1)低温冻融条件下:2%、4%、6%、8%RAC稳定粉土的低温冻融试验曲线整体位于标准养护试验曲线的下方,各组曲线峰值和斜率低于标准养护试验曲线。说明低温冻融作用使稳定粉土的抗压强度和弹性模量均有所降低。

2%、4%、6%、8%RAC稳定粉土低温冻融的强度变化率分别为–20.5%、–12.9%、–10.1%、–14.6%,而单掺水泥稳定粉土冻融后完全失去强度。与单掺水泥相比,RAC伴随水泥水化与粉土颗粒共同形成胶凝态结构,RAC中沥青组分通过粉化分散和黏性吸附作用,阻断结构内毛细孔隙的连通,减小自由水冻结条件下因体积膨胀而产生的附加内力,从而使稳定粉土的抗冻融性能得到显著提高。但RAC掺量过大会使稳定粉土逐渐出现团粒结构大孔隙,试件吸水性增强,不利于整体抗冻性能。结果表明,4%~6%RAC掺量稳定粉土的抗冻性能更优。

2)高温自愈条件下:2%、4%、6%、8%RAC稳定粉土的高温自愈试验曲线出现不同变化,各组曲线的斜率均小于标准养护试验曲线,曲线峰值则从低于标准试验曲线逐渐发生反超。说明高温愈合试验后,稳定粉土弹性模量整体降低,抗压强度则随RAC掺量的增加得到补强。

2%、4%、6%、8%RAC稳定粉土高温自愈的强度变化率分别为–8.3%、–2.3%、8.0%、12.9%,呈正向增长趋势;弹性模量分别为1 321、1 118、1 013、907 MPa,随掺量增加呈下降趋势。RAC中沥青组分具有自愈合性能,高温作用能够明显改变材料界面表面能,激发加速分子扩散和重组渗透进入土体微裂缝,起到填补和黏附作用,宏观上表现出修复强度损伤与补强功能。随着土体内沥青含量的增加,稳定土体的塑性得到增强,弹性模量出现下降趋势。结果表明,RAC掺量超过4%时,稳定粉土均具有良好的自愈补强效果。

2.4 微观形貌分析

采用SEM分别观测粉土、水泥稳定粉土、RAC稳定粉土、加热后的RAC稳定粉土的微观形貌特征,如图7所示。

图7 不同试样的SEM形貌 Fig. 7 SEM morphology photographs of different samples

图7可知:图7(a)中,粉土的黏粒成分含量很少,颗粒间无明显黏结,呈松散粒状结构,粒间孔隙较大;图7(b)中,水泥稳定粉土颗粒表面存在大量的絮状水化硅酸钙凝胶和板片状氢氧化钙,整体形成网状结构,但土粒与水化产物间黏结不紧密,结构密实度不高,存在较多连通粒间孔隙;图7(c)中,RAC稳定粉土中沥青组分与水化产物、土粒吸附黏结效果明显,形成密实的整体胶结–凝聚结构,粒间孔隙转变为均匀分布的非连通微孔结构形态,孔径分布在0.5~1.0 μm范围;图7(d)中,RAC稳定粉土经过加热作用,沥青组分软化后发生扩散与重组,进一步填充粒间孔隙或细微裂缝,缩小非连通微孔孔径,孔径分布在0.1~0.5 μm范围,整体胶结结构更加密实。通过观测不难发现,粉土、水泥稳定粉土、RAC稳定粉土在微观形貌上具有非常显著的差异性,且3种不同粉土的胶结结构、孔隙特征与其宏观上在所述试验条件下表现出的力学性能规律相一致。

综上所述,RAC稳定粉土是一个复杂的物理–化学作用过程:1)利用烧结法赤泥比表面积大、吸附能力强的颗粒特性,与基质沥青充分拌和、吸附、研磨,使基质沥青在常温下能够转化形成高分散性的微粉形态;2)烧结法赤泥中存在大量的活性CaO、SiO2,与水泥共同发生水化反应,可以促进转化形成水化硅酸钙凝胶,形成致密的3维空间水泥石结构;3)基质沥青以微粉形态充分分散并填充于粉土颗粒之间,经初步机械压实与土粒发生胶结,随后伴随水化反应进程,部分沥青微粉进一步与土粒及水化产物相互吸附形成空间凝聚结构,改善界面形态形成均匀分布的非连通胶凝微孔;4)稳定土体在高温作用下,剩余自由态沥青微粉逐渐转至黏性状态,沥青分子的湿润和扩散作用得到增强[20],进一步填充内部孔隙和微损失裂缝,恢复至常温状态,可实现稳定土体的损伤修复和结构补强。

3 工程应用

实体工程位于德州市黄河冲积平原地区,为适合中小型客车、轻型载重汽车、四轮低速货车、三轮汽车、摩托车、非机动车混合行驶的双车道四级公路(Ⅰ类),设计速度为15 km/h,属于小交通量农村公路建设项目。道路长2.2 km,路面宽7 m,路面采用“土基+20 cm厚6%水泥稳定土+15 cm厚4%RAC、5%水泥稳定土+3 cm厚AC–13沥青面层”的结构组合。

项目通车运行8个月后,路面未出现裂缝、坑槽、松散等损坏现象,整体平整度良好,见图8(a)。在经历一次冬季和雨季影响后,采用落锤式弯沉仪(FWD,图8(b))、动力锥贯入仪(DCP)、钻芯等试验方法对道路的整体承载能力和力学性能进行现场测试评价。

图8 工程应用道路状况及FWD测试 Fig. 8 Engineering application road condition and FWD test

道路路面的FWD测试弯沉值范围在18~23(0.01 mm)之间,RAC稳定粉土结构层的DCP贯入度值为2 mm,换算CBR值为134%。RAC稳定粉土结构层的现场取芯芯样完整,如图9所示。室内加工后,按照表1中的抗压强度和单轴压缩弹性模量试验方法进行测试,其无侧限抗压强度为1.7 MPa,弹性模量为1 360 MPa。

图9 现场取芯及芯样 Fig. 9 Field coring and core sample

结合项目道路实际技术状况和各项试验结果可以看出:RAC稳定粉土在经历低温、降水等自然环境影响后具有良好的承载能力和力学性能;路用工作性能与室内多种特定试验条件下的力学性能评价结果相一致,烧结法赤泥–沥青粉在实体工程应用中对粉土具有良好的作用效果。

4 结 论

1)工业固废–烧结法赤泥具有活性成分和微颗粒结构,沥青具有温度敏感性和自愈合特性,结合利用这两种材料的特性,制备烧结法赤泥–沥青粉固化剂(RAC),并对粉土进行物理–化学综合固化稳定。

2)RAC稳定粉土标准养护抗压强度随掺量增加提升明显,28 d龄期的浸水强度损失率均小于20%;RAC掺量高于4%时,低温冻融强度损失率小于15%,循环加热5次以上,强度增长可以超过140%,高温自愈补强呈正向增长趋势;综合对比不同试验条件下RAC稳定粉土的性能变化规律,确定RAC优选掺量为4%~6%。

3)RAC稳定粉土具有显著的胶结结构形态,粒间孔隙被均匀分布的非连通微孔所替代,水稳定性和抗冻性得到了明显提高。温度升高能够激发、加速沥青分子扩散和重组,进一步填充土体内部孔隙与细微裂缝,高温工作环境中具有损伤修复和结构补强功能。

4)在实体工程应用中,RAC稳定粉土结构层现场芯样的抗压强度为1.7 MPa,单轴压缩弹性模量为1 360 MPa,道路路面FWD弯沉值为18~23(0.01 mm);低温、降水等自然环境影响下道路未出现裂缝、坑槽、松散等损坏现象。下一步将继续对实体工程道路的技术状况进行长期跟踪观测。

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