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協(xié)調(diào)、開發(fā)和交付公路運(yùn)輸創(chuàng)新

超高性能混凝土：橋梁領(lǐng)域的最新報(bào)告(節(jié)選) 第 2 章材料與生產(chǎn) 構(gòu)成材料及配合比

UHPC 配方通常由硅酸鹽水泥、細(xì)砂、硅粉、高效減水劑 (HRWR)、纖維（通常是鋼）和水組成。有時(shí)使用小骨料，以及各種化學(xué)外加劑。根據(jù)應(yīng)用和供應(yīng)商的不同，可以使用這些材料的不同組合。本節(jié)描述了其中一些。

在北美最常用于研究和應(yīng)用的 UHPC 是一種商業(yè)產(chǎn)品，稱為 Ductal?。表 1 顯示了這種材料的典型成分。(22)

表 1. Ductal? 的典型成分 材料 磅/碼3 公斤/米3 重量百分比 硅酸鹽水泥 1,200 712 28.5 細(xì)沙 1,720 1,020 40.8 微硅粉 390 231 9.3 磨砂石英 355 211 8.4 HRWR 51.8 30.7 1.2 加速器 50.5 30.0 1.2 鋼纖維 263 156 6.2 水 184 109 4.4

Aarup 報(bào)告說，CRC 由奧爾堡波特蘭公司于 1986 年開發(fā)，由大量鋼纖維（體積百分比為 2% 至 6%）、大量硅粉和水膠比為 0.16 或更低組成。(23)

為與市售成分材料一起使用，制定了以下混合比例建議：(24)

• 中等細(xì)度和 C 3 A 含量顯著低于 8% 的水泥。

• 最大粒徑為 0.8 毫米（0.03 英寸）的砂水泥比為 1.4。

• 含碳量極低的硅粉，占水泥重量的 25%。

• 中值粒徑為 67 x 10 -6英寸（1.7 μm）的玻璃粉，占水泥重量的 25%。

• 高效減水劑。

• 水灰比約為0.22。

• 鋼纖維含量為 2.5%（按體積計(jì)）。

通過優(yōu)化水泥基質(zhì)的抗壓強(qiáng)度、堆積密度和流動(dòng)性；使用非常高強(qiáng)度、細(xì)直徑的鋼纖維；并調(diào)整鋼纖維和水泥基體之間的機(jī)械結(jié)合，在 2 英寸（50 毫米）的立方體上實(shí)現(xiàn)了超過 30 ksi（200 MPa）的 28 天抗壓強(qiáng)度，無需加熱或加壓固化。(25)此外，在 0.46% 的應(yīng)變下獲得了 5.0 ksi (34.6 MPa) 的抗拉強(qiáng)度。UHPC 結(jié)合了美國可用的材料，并在傳統(tǒng)的混凝土攪拌機(jī)中混合。表2給出了一種混合比例。

表 2. CRC 的 UHPC 混合比例（按重量計(jì)）(25) 材料 比例 硅酸鹽水泥 1.0 細(xì)砂1 0.92 微硅粉 0.25 玻璃粉 0.25 HRWR 0.0108 鋼纖維 0.22 至 0.31 水 0.18 至 0.20 1最大尺寸為 0.008 英寸（0.2 毫米）

哈貝爾等人。據(jù)報(bào)道，可以生產(chǎn)用于預(yù)制產(chǎn)品和現(xiàn)場(chǎng)澆鑄 (CIP) 應(yīng)用的自固結(jié) UHPC，而無需在固化過程中進(jìn)行熱處理或壓力處理。(26)這種混合設(shè)計(jì)在 Kazemi 和 Lubell 進(jìn)行的研究項(xiàng)目中得到進(jìn)一步發(fā)展和實(shí)施。(27)

Holschemacher 和 Wei?l 研究了不同的混合比例，以在不犧牲 UHPC 有益特性的情況下最大限度地降低材料成本。(28)通過仔細(xì)選擇骨料、水泥類型、膠凝材料、惰性填料和 HRWR，可以生產(chǎn)出具有良好和易性和適中材料成本的 UHPC。

Plank 等人研究了結(jié)合不同大小的分子混合物以促進(jìn) UHPC 分散的概念。(29)

已經(jīng)研究了用偏高嶺土、粉煤灰、石灰石微填料、硅質(zhì)微填料、微粉化酚石或稻殼灰替代 UHPC 中的硅粉的可能性。(30,31)還追求使用當(dāng)?shù)夭牧隙皇菍Ｓ挟a(chǎn)品。(32,33)

施密特等人。報(bào)道了德國一座橋梁的兩種混合比例。(34)第一種混合物包含 1,854 lb/yd 3 (1,100 kg/m 3 ) 的水泥、占水泥含量百分比為 26% 的硅粉、石英砂、體積百分比為 6% 的鋼纖維、HRWR 和水-粘合劑比為0.14。第二種混合物包含 2,422 lb/yd 3 (1,437 kg/m 3 ) 的水泥和 9% 的鋼絲絨和鋼纖維。

Collepardi 等。據(jù)報(bào)道，用等體積的最大尺寸為 0.3 英寸（8 毫米）的級(jí)配良好的天然骨料代替細(xì)磨石英砂，在相同的水灰比下不會(huì)改變抗壓強(qiáng)度。(35)

科波拉等人。研究了高效減水劑類型對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響。他們報(bào)告說，與萘和三聚氰胺外加劑相比，丙烯酸聚合物外加劑允許使用較低的水灰比并產(chǎn)生更高的抗壓強(qiáng)度。(36)

在 UHPC 的耐久性研究中，Teichmann 和 Schmidt 使用了表 3 中所示的混合比例。(37)混合 1 的最大骨料尺寸為 0.32 英寸（8 毫米），由沙子提供?；旌衔?2 的最大骨料尺寸為 0.32 英寸（8 毫米），由玄武巖提供。

表 3. Teichmann 和 Schmidt (37)的 UHPC 混合比例 材料 混合 1 混合 2 磅/碼3 公斤/米3 磅/碼3 公斤/米3 水泥 1,235 733 978 580 硅粉 388 230 298 177 優(yōu)質(zhì)石英 1 308 183 503 131 優(yōu)質(zhì)石英 2 0 0 848 325 HRWR 55.5 32.9 56.2 33.4 沙 1,699 1,008 597 354 玄武巖 0 0 1,198 711 鋼纖維 327 194 324 192 水 271 161 238 141 水膠比 0.19 0.19 0.21 0.21

美國陸軍工程兵團(tuán)工程師研發(fā)中心的研究人員報(bào)告了一種稱為 Cor-Tuf 的 UHPC 級(jí)材料。(38,39)此 UHPC 的比例如表 4 所示。

表 4. Cor-Tuf 的 UHPC 混合重量比例(38,39) 材料 比例 硅酸鹽水泥 1.0 沙 0.967 硅粉 0.277 微硅粉 0.389 HRWR 0.0171 鋼纖維 0.310 水 0.208

由 Rossi 領(lǐng)導(dǎo)的巴黎中央橋路實(shí)驗(yàn)室 (LCPC) 的研究人員開發(fā)了一種稱為 CEMTEC多尺度的 UHPC 級(jí)材料。(40)該 UHPC 的比例如表 5 所示。

表 5. CEMTEC多尺度(40)的 UHPC 混合比例 材料 磅/碼3 公斤/米3 硅酸鹽水泥 1,770 1,050 沙 866 514 微硅粉 451 268 HRWR 74 44 鋼纖維 1,446人 858 水 303 180 混合和放置

Graybeal 對(duì) UHPC 的混合總結(jié)如下：

幾乎任何傳統(tǒng)的混凝土攪拌機(jī)都可以攪拌 UHPC。但是，必須認(rèn)識(shí)到，與傳統(tǒng)混凝土相比，UHPC 需要增加能量輸入，因此混合時(shí)間會(huì)增加。這種增加的能量輸入，結(jié)合減少或消除的粗骨料和低含水量，需要使用改進(jìn)的程序來確保 UHPC 在混合過程中不會(huì)過熱。這個(gè)問題可以通過使用高能混合器或降低成分的溫度并部分或全部用冰代替混合水來解決。這些程序使 UHPC 可以在傳統(tǒng)的盤式和滾筒式攪拌機(jī)（包括預(yù)拌卡車）中進(jìn)行混合。（第 2 頁）(1)

UHPC 的混合時(shí)間為 7 至 18 分鐘，比傳統(tǒng)混凝土的混合時(shí)間長(zhǎng)得多。(41,42)這阻礙了連續(xù)生產(chǎn)過程并降低了混凝土廠的產(chǎn)能?？梢酝ㄟ^優(yōu)化粒度分布、硅粉替代水泥和石英花、匹配HRWR和水泥的類型以及提高攪拌機(jī)的速度來減少攪拌時(shí)間。(42)通過將混合過程分成兩個(gè)階段也可以減少混合時(shí)間。高速混合 40 秒后低速混合 70 秒，總時(shí)間約為 2 分鐘。(41)

放置 UHPC 的方法對(duì)纖維的取向和分散有影響。(43)取向不影響第一次開裂載荷，但對(duì)彎曲時(shí)的極限抗拉強(qiáng)度有高達(dá) 50% 的影響。當(dāng)沿測(cè)得的抗拉強(qiáng)度方向放置時(shí)，可獲得最高強(qiáng)度。斯蒂爾等人。報(bào)告了在三點(diǎn)彎曲測(cè)試中水平和垂直鑄造梁之間的顯著差異。(44)垂直澆鑄梁中的纖維在垂直于澆鑄方向的層中對(duì)齊。結(jié)果，劈裂強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度僅為水平澆注梁相應(yīng)值的 24% 和 34%。然而，在 39 英寸（1 米）厚的板中，纖維是隨機(jī)排列的。纖維的取向?qū)箟簭?qiáng)度和彈性模量沒有顯著影響。

Graybeal 總結(jié)了 UHPC 的布局如下：

UHPC 的放置可能會(huì)在混合后立即放置，也可能會(huì)在其他混合完成后延遲放置。盡管水泥水化反應(yīng)開始前的停留時(shí)間會(huì)受到溫度和化學(xué)促進(jìn)劑等因素的影響，但通常需要數(shù)小時(shí)才能開始 UHPC 凝固。在延長(zhǎng)停留時(shí)間期間，不應(yīng)允許 UHPC 自行干燥。

纖維增強(qiáng)混凝土的澆筑需要在澆筑操作方面進(jìn)行特殊考慮。UHPC 往往表現(xiàn)出類似于傳統(tǒng)自密實(shí)混凝土的流變行為，因此可能需要額外的模板準(zhǔn)備，但也可以減少澆筑過程中的工作量。由于纖維增強(qiáng)，不推薦 UHPC 的內(nèi)部振動(dòng)，但可以采用有限的外部形式振動(dòng)作為促進(jìn)夾帶空氣釋放的手段。（第 3 頁）(1)

對(duì)于弗吉尼亞州里士滿 Cat Point Creek 上的 624 號(hào)公路橋上使用的 UHPC 梁，承包商必須使用經(jīng)過預(yù)審的 UHPC 生產(chǎn)工廠，并且 UHPC 生產(chǎn)商的代表必須在場(chǎng)。(45) UHPC 在 8-yd 3 (6-m 3 ) 雙軸攪拌機(jī)中以 4-yd 3 (3-m 3 ) 批次混合，并卸入預(yù)拌混凝土卡車進(jìn)行運(yùn)輸。裝載混合物、混合 UHPC 和排出混合器需要大約 20 到 25 分鐘。

從卡車上卸下時(shí)，在混合物中觀察到水泥球。這歸因于袋子在儲(chǔ)存期間暴露于水分。將混合物排放到梁的一端并使其流動(dòng)。僅施加有限的外部振動(dòng) 1 或 2 秒。

養(yǎng)護(hù)

UHPC 的固化考慮了兩個(gè)不同的因素，特別是溫度和濕度。與任何水泥復(fù)合材料一樣，保持適當(dāng)?shù)臏囟葘?duì)于實(shí)現(xiàn)所需的水泥反應(yīng)速率至關(guān)重要。此外，鑒于 UHPC 的含水量較低，通過密封系統(tǒng)或保持高濕度環(huán)境來消除內(nèi)部水分流失也很關(guān)鍵。

UHPC 的固化分兩個(gè)階段進(jìn)行。(1,46)鑒于 UHPC 在初始凝固之前往往會(huì)表現(xiàn)出休眠期，因此初始固化階段包括保持適當(dāng)?shù)臏囟龋瑫r(shí)防止水分流失，直到發(fā)生凝固并發(fā)生快速的機(jī)械性能增長(zhǎng)。第二固化階段可能包括也可能不包括升高的溫度條件和高濕度環(huán)境，這取決于是否需要加速獲得特定材料特性。

Graybeal 報(bào)告了一個(gè)廣泛的項(xiàng)目，該項(xiàng)目使用四種不同的固化后固化程序來確定 UHPC 的材料特性。(22)這些涉及在 194 °F (90 °C) 或 140 °F (60 °C) 下進(jìn)行 48 小時(shí)的蒸汽養(yǎng)護(hù)，在鑄造后約 24 小時(shí)開始；在 194 °F (90 °C) 下進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 15 天后開始；并在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室溫度下固化直至測(cè)試年齡。

這三種蒸汽養(yǎng)護(hù)方法提高了測(cè)得的壓縮強(qiáng)度和彈性模量，減少了蠕變，幾乎消除了干燥收縮，降低了氯離子滲透性，并提高了耐磨性。通過較低的蒸汽溫度和延遲的蒸汽固化實(shí)現(xiàn)的增強(qiáng)略小于通過在較高溫度下的蒸汽固化實(shí)現(xiàn)的。在 194 °F (90 °C) 下蒸汽固化 24 小時(shí)后的樣本在鑄造后 4 天內(nèi)達(dá)到了它們的完全抗壓強(qiáng)度。本報(bào)告第 3 章介紹了測(cè)試結(jié)果的更多詳細(xì)信息。

Graybeal 最近的工作重點(diǎn)是表征環(huán)境固化 UHPC 的性能。(47)這項(xiàng)研究源于這樣一種認(rèn)識(shí)，即在蒸汽環(huán)境中加速固化通常是不切實(shí)際的，而且 UHPC 的環(huán)境固化特性適用于許多應(yīng)用。

Ay 比較了通過以下三種方法固化的 4 英寸（100 毫米）立方體的抗壓強(qiáng)度：(48)

• 在水中固化直至測(cè)試前 1 小時(shí)。

• 在水中固化 5 天，然后進(jìn)行空氣固化。

• 將立方體密封在塑料布中，然后將它們儲(chǔ)存在 68 °F (20 °C) 的溫度下直至進(jìn)行測(cè)試。

存儲(chǔ)在水中然后空氣固化的 UHPC 立方體的抗壓強(qiáng)度略高于通過其他兩種方法固化的立方體。

UHPC 的抗壓強(qiáng)度可以通過使用后固化熱固化顯著提高。(49) Heinz 和 Ludwig 表明，在 149 和 356 °F（65 和 180 °C）之間的不同溫度下進(jìn)行的熱固化產(chǎn)生的 28 天抗壓強(qiáng)度高達(dá) 41 ksi（280 MPa），而強(qiáng)度為 25 和 27 ksi （178 和 189 MPa）在 68 °F (20 °C) 下固化時(shí)。較高的固化溫度導(dǎo)致較高的抗壓強(qiáng)度。此外，澆注后約 48 小時(shí)固化期結(jié)束時(shí)的強(qiáng)度與相應(yīng)的 28 天強(qiáng)度大致相同。作者還得出結(jié)論，在 194 °F (90 °C) 下固化不會(huì)出現(xiàn)鈣礬石延遲形成的危險(xiǎn)。(49)

沙欽格等人。觀察到在 68 °F (20 °C) 下初始固化 5 天，然后在 122 至 149 °F（50 至 65 °C）下進(jìn)行熱固化，是在長(zhǎng)達(dá) 28 天時(shí)達(dá)到高強(qiáng)度的最有利組合. (50)在 6 至 8 歲時(shí)達(dá)到了 36 至 43.5 ksi（250 至 300 MPa）范圍內(nèi)的抗壓強(qiáng)度。

亨氏等。在 68 °F（20 °C）下儲(chǔ)存 8 小時(shí)，然后在 194 °F（90 °C）水中儲(chǔ)存 8 小時(shí)后，24 小時(shí)后的抗壓強(qiáng)度高于 29 ksi（200 MPa）。(51)當(dāng) UHPC 中包含磨碎的高爐礦渣時(shí)，較長(zhǎng)的初始儲(chǔ)存或熱處理時(shí)間會(huì)導(dǎo)致較高的強(qiáng)度。作者通過加入飛灰并在 300 °F (150 °C) 下對(duì) UHPC 進(jìn)行 8 小時(shí)高壓滅菌獲得了最高強(qiáng)度。

馬西達(dá)等人。表明，與在 68 °F (20 °C) 下固化的樣品相比，在 356 °F (180 °C) 和 145 psi (1 MPa) 的溫度下用飽和蒸汽進(jìn)行高壓滅菌會(huì)產(chǎn)生更高的抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度。(52)

質(zhì)量控制測(cè)試

在美國，UHPC 的質(zhì)量控制測(cè)試通常使用與常規(guī)混凝土或砂漿相同或相似的測(cè)試，無論是否進(jìn)行改性。測(cè)量新鮮和硬化混凝土的性能。

UHPC 的流量經(jīng)常使用 ASTM C1437（水硬性水泥砂漿流量的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法）進(jìn)行測(cè)量。(1,53)該測(cè)試方法適用于表現(xiàn)出塑性到流動(dòng)性的砂漿，因此它通常適用于新鮮的 UHPC。在此測(cè)試中，測(cè)量初始流量和動(dòng)態(tài)流量?；旌虾罅⒓赐瓿蓽y(cè)試，以評(píng)估混合物之間的一致性和鑄造的適用性。(1)在 Cat Point Creek 上的 24 號(hào)公路橋上，要求最小動(dòng)態(tài)流量為 9 英寸（230 毫米）以獲得令人滿意的可操作性。(45)

由于針對(duì)不同應(yīng)用開發(fā)了不同版本的 UHPC，因此需要進(jìn)行替代的可操作性測(cè)試。對(duì)于更硬的非自固結(jié) UHPC，ASTM C143 – 水硬水泥混凝土坍落度標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法可能是合適的。(54) Scheffler 和 Schmidt 報(bào)告說，為路面鋪白面等應(yīng)用開發(fā)硬質(zhì) UHPC 配方是可行的。(55)

UHPC 的初始和最終凝固時(shí)間可能比許多傳統(tǒng)水泥材料觀察到的時(shí)間更長(zhǎng)。凝固時(shí)間受固化溫度的影響很大。(47) Graybeal 使用美國國家公路和運(yùn)輸官員協(xié)會(huì) (AASHTO) T 197 抗穿透性測(cè)試方法測(cè)量了不同 UHPC 配方的初始凝固時(shí)間，范圍從 70 分鐘到 15 小時(shí)不等。(22,56,57)相應(yīng)的終凝時(shí)間為 5 至 20 小時(shí)。

UHPC 的抗壓強(qiáng)度測(cè)試經(jīng)常使用 ASTM C39 的修改版本完成 – 圓柱形混凝土試樣抗壓強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法。(58)修改測(cè)試方法以包括增加 150 psi/秒（1 MPa/秒）的負(fù)載率，以響應(yīng) UHPC 表現(xiàn)出的高抗壓強(qiáng)度。(47)適當(dāng)?shù)臍飧锥藴?zhǔn)備很重要，因?yàn)椴黄教够虿黄叫械亩嗣鏁?huì)導(dǎo)致觀察到的抗壓強(qiáng)度降低。(1)早期抗壓強(qiáng)度低于 12 ksi 的圓柱體的端面準(zhǔn)備可以使用多種方法完成，包括根據(jù) ASTM C617 加蓋。(1,47,59)強(qiáng)度較高的圓柱體應(yīng)將端部磨削至 0.5 度以內(nèi)。(58)

較小的圓柱體已被證明可提供與傳統(tǒng)尺寸圓柱體相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度。Graybeal 報(bào)告說，3 x 6 英寸（76 x 152 毫米）圓柱體表現(xiàn)出與 4 x 8 英寸（102 x 203 毫米）圓柱體相似的強(qiáng)度，同時(shí)允許使用顯著降低的測(cè)試機(jī)容量。(22,60)不推薦使用 2 x 4 英寸（51 x 102 毫米）的圓柱體，因?yàn)榻Y(jié)果中出現(xiàn)的離散度增加。

研究表明，ASTM C109——水硬水泥砂漿抗壓強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法（使用 2 英寸（50 毫米）立方體試樣）也可應(yīng)用于 UHPC。(61) Graybeal 報(bào)告說，2 英寸、2.8 英寸和 4 英寸立方體的抗壓強(qiáng)度比 3 x 6 英寸和 4 x 8 英寸（76 x 152 -mm 和 102- x 203-mm) 圓柱體。(22,60) Alhborn 和 Kollmorgen 也報(bào)告了類似的發(fā)現(xiàn)。(62)

在愛荷華州波塔瓦托米縣 Keg Creek 上的美國 6 號(hào)公路橋上，UHPC 用于混凝土面板之間的縱向和橫向接縫。(63)該項(xiàng)目的特殊規(guī)定要求承包商鑄造 12 個(gè) 75 x 150 毫米（3 x 6 英寸）的圓柱體，用于驗(yàn)證混凝土的抗壓強(qiáng)度。(64)將測(cè)試三個(gè)氣缸以在 96 小時(shí)時(shí)驗(yàn)證 10.0 ksi（69 MPa），三個(gè)在打開橋梁時(shí)驗(yàn)證 15.0 ksi（103 MPa），以及三個(gè)在 28 天。其余三個(gè)標(biāo)本作為備用。要求試樣的末端磨平至 1 度平面度。

對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)鑄造的 UHPC 接頭，紐約州交通部 (NYSDOT) 還要求鑄造 12 個(gè) 3 x 6 英寸（75 x 150 毫米）的圓柱體，以三個(gè)為一組進(jìn)行測(cè)試。(65) 4 天測(cè)試一套，28 天測(cè)試一套，一套提供給 NYSDOT，一套作為備用。

對(duì)于擬議的 UHPC 混合物的資格測(cè)試，NYSDOT 要求至少鑄造 64 個(gè) 2 英寸（50 毫米）的立方體。測(cè)試年齡為 4、7、14 和 28 天。4 天時(shí)的最小抗壓強(qiáng)度為 14.3 ksi（100 MPa），28 天時(shí)的最小抗壓強(qiáng)度為 21.8 ksi（150 MPa）。

Fr?lich 和 Schmidt 研究了新鮮 UHPC 測(cè)試方法的可重復(fù)性和再現(xiàn)性。(66)他們觀察到測(cè)量的新鮮特性值受測(cè)量時(shí)間、混合設(shè)備、實(shí)驗(yàn)室條件、操作員和空隙率的影響。作者得出結(jié)論，質(zhì)量控制測(cè)試應(yīng)在混合開始后 30 分鐘進(jìn)行，流動(dòng)稠度應(yīng)使用坍落度流動(dòng)測(cè)試來測(cè)量。

材料和生產(chǎn)概要

UHPC的組成材料一般由硅酸鹽水泥、細(xì)砂、石英粉、HRWR、促凝劑、鋼纖維和水組成。作為一類，UHPC 具有高膠凝材料含量和非常低的水-膠凝材料比。超高性能混凝土可以在傳統(tǒng)攪拌機(jī)中混合，但超高性能混凝土的混合時(shí)間比傳統(tǒng)混凝土長(zhǎng)。放置UHPC的方法對(duì)纖維的取向和分散有影響，從而影響UHPC的拉伸性能。UHPC 的特性受固化方法、持續(xù)時(shí)間和固化類型的影響。與傳統(tǒng)混凝土一樣，熱固化加速了強(qiáng)度和相關(guān)性能的發(fā)展。延遲幾天加熱可以提高測(cè)量的性能，盡管它可能與預(yù)制操作中的快速生產(chǎn)不兼容。較小尺寸的圓柱體已用于質(zhì)量控制以測(cè)量抗壓強(qiáng)度。

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