养护剂对混凝土耐久性能的影响.pdf

2 0 1 0年第 5期 1 0月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2 01 0 No 5 Oc t o be r 养护剂对混凝土耐久性能的影响 石 亮 ，刘建 忠 ，刘加平 ( 江苏省建筑科学研究院有限公司， 南京 2 1 0 0 0 8 ) 摘要： 喷涂养护剂 作为一种新 型的养护方式正逐 步被应用于混凝土工程领域 。试 验对 比研究 了养护剂对 混凝 土收缩性能 、 氯离子渗透性能 、 碳化性能及抗冻性能的影响。结果表明 ： 涂覆养护剂对混凝土有较明显的减缩效果 ， 7 d减缩率在 3 0 以上。相 比 标准养护及干燥养护 ， 涂覆养护剂的混凝土抗氯离子渗透性能最好。涂覆养护剂能够提高低掺量粉煤灰混凝土的抗碳化性能 。涂 覆养护剂可改善无掺合料混凝土的抗冻性能 ， 对掺有粉煤灰的混凝土抗 冻性 能提升不明显 。 关键词： 养护剂 ； 收缩； 氯离子渗透 ； 碳化 ； 抗冻性 Ab s t r a c t ：Co a t i n g wi t h c u rin g a g e n t i s b e i n g u s e d i n fi e l d o f c o n c r e t e e n g i n e e rin g a s a n e w k i n d o f c u rin g me t h o d T he e f f e c t s o f c u rin g a g e n t o n t h e s h rin k a g e ，c h l o rid e i o n p e n e t r a t i o n ，c a r b o n a t i o n a n d f r o s t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e a r e c o mp ara t i v e l y i n v e s t i g a t e d Th e r e s u l t s s h o w t h a t c o a t i n g wi t h c u rin g a g e n t c a n o b v i o u s l y r e d u c e s h rin k a g e o f c o n c r e t e a n d t h e s h rin k ag e r e d u c i n g r a t i o i s a b o v e 3 0 a t e a r l y a g e( 7 d ) C o m p a ri n g w i t h s t a n d a r d c u r i n g a n d d r y c u ri n g ， c o n c r e t e s p e c i me n c o ate d w i t h c u ri n g a g e n t g e t s t h e b e s t c h l o r i d e i o n p e n e t r a t i o n r e s i s t a nc e C o a t i n g wi t h c u rin g a g e n t e n h a n c e s t h e c a r b o n a t i o n r e s i s t an c e of c o n c r e t e wi t h l o w a mo u n t o f fly a s h C o a t i n g w i t h c u rin g a g e n t c a n i mp r o v e t h e f r o s t r e s i s t an c e o f c o n c r e t e wi t h o u t mi n e r a l a d mi x t u r e s ，h o w e v e r ,t h e i mp r o v e me n t b e c o me s we a k wh e n fl y a s h wa s a d d i n g i n t o c o nc r e t e Ke y wo r ds ：Cu rin g a g e n t ； S h rin k a g e ；C h l o rid e i o n p e n e t r a t i o n ； Ca r b o n a t i o n ；F r o s t r e s i s t a n c e 中图分类号 ： T U 5 2 8 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 0) 0 5 1 9 - 0 5 0前 言 混凝土作 为一种 重要 的结构材料被广 泛应用 于建 筑工程领域 ， 由于其 耐久性 能不佳 导致 的混 凝土开裂 、 碳化及钢筋锈 蚀问题 频繁出现 ，耐久性 已成 为当今混 凝土工程界关 注的焦 点。随着工程实践 的增多 和科 学 技术 的发展 ，人们对混凝土耐久性能 的改善和提 高方 法不断完善【 l 1 ， 养护对混凝土耐久性能 的影响正逐渐受 到人们重视 。 水泥混凝土养护剂是一种喷洒或涂刷于混凝土表 面 ，能在混凝土表面形成一层连续不透水 的密闭养护 薄膜 的乳液或高分子溶液闭 。相 比于传统的养护方式 ， 它有着施工便捷 、 节 省资源等优点 ， 在水 资源 1 3 益紧张 的今天 ，采用养护剂代替传统养护方式具有 良好的工 程应用前景翻 。 很多西方发达 国家 自2 0世纪 4 0年代就 开展 了养护剂 的研 究 ， 相 比较而言 ， 我 国对 于养护剂 的研 究起步较 晚 ，在养护剂对混凝土性能影响研 究方 面按 照相关规范要求也多局 限于保水性能及强度影 响 方 面， 而对混凝土耐久性影响的研究涉及较少。 本文选 定江苏某 公司生产 的 J K 一 8 0 0型混凝 土养 护剂 ， 在掺有粉煤灰的混凝土试 件上进 行涂覆 试验 ， 研 究经养护剂养护后 ， 混凝 土试件 收缩性 能 、 抗 氯离子渗 基金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目( 2 0 0 9 C B 6 2 3 2 0 5 ) ； 西部交通建 设科技项 目f 2 0 0 6 Z B 1 2 ) 。 透性 能、 碳化性 能及抗冻性能 的变化 。 同时对 比标 准养 护及 干燥养护 两种养护方式 ，研究养护剂对混凝土耐 久性能 的影 响。 1 试验概况 1 1 试验原材料 水 泥为 P I I 5 2 5级水泥 ，粉煤灰 选用 I 级 粉煤 灰 ， 水泥与粉煤灰的化学组成如表 1 所示 。 细集料选用 细度模 数为 2 6的 中砂 ， 密度 2 6 5 0 k g m ， 粗 集料 为粒 径范围为- 1 0 m m及 1 0 2 0 m m 的石灰岩碎石 。 养护剂 为江苏某公司生产的 J K 一 8 0 0型混凝土养护剂 ， 相关技 术性能指标均 达到国家建材行业标 准要求 。混凝 土的 相关 配合 比见 表 2 。 1 2 试件 制备 与养护剂使用 进行耐久性测试 的混凝土试件均采用表 2中三种 不 同的粉煤灰掺量进行配制 ，试 件成型后经标准养护 ( 2 4 2 ) h后脱模 。养护剂养护试 件为混凝 土脱 模后在 试件表层涂覆一层混凝土养护剂 ，养护剂使用剂量为 1 2 0 m ， 之后将试件放入干燥养护室 中进行养护 。 1 3 试验方法 1 3 1 收缩试验 参照 D 5 1 5 0 - 2 0 0 1 水工 混凝土试 验规程 ， 混 凝土试件尺 寸为 1 0 0 m mx 1 0 0 m m x 5 1 5 mm。试件 脱模后 测试初始长度 ，表 面需涂覆养护剂 的试件在脱模测 量初始长度后在表 面涂覆养护剂 。进行收缩试验 的试 一 】 9一 2 0 1 0年第 5期 混凝土与水泥制品 总第 1 7 5期 件按测试 要求分别 置于温度 为 ( 2 0 3 ) o C、 相对湿 度为 ( 5 0 4 ) 的干缩 室及 标准 养 护室 中养 护 到相 应 龄期 后 ， 测量试件长度 L 。 试 件收缩率 ： f L ) L x l O ， 其 中 L为试件有效 长度 。 养护剂的减缩率 ： f 8 , ) E 0 x 1 0 0 ，其 中 8 。 ， i 分别为干燥养护试 件和涂覆养 护剂 试件的收缩率 。 1 3 2 氯离子渗透试验 参 考 A s T M C 1 2 0 2 0 5标 准 ，制 作 l O O m m 1 8 0 m m 的圆柱体 混凝 土试 件 ，试 件脱模 后在 标 准养 护 、干燥 养 护 及 养 护 剂养 护 条 件 下 养 护 至 2 8 d ， 将 1 0 0 m mx l 8 O m m 的 圆 柱 体 试 件 切 割 成 1 0 0 m m 5 0 m m 的圆柱体 圆片 ，然后真 空饱水 2 4 h ，轴 向施 加 6 0 V直流 电压 ，试件两端正 负极两侧 的电解池内分别 放 置浓度 为 0 3 的 N a O H溶液 和 3 的 N a C 1 溶液 ， 在 试 验开始后 ， 记录初始 电流并每隔 5 m i n 测 量一次通过 试 块的电流 ， 持续 6 h ， 根据 6 h通 电时问 内电流变 化计 算 出总 电量 Q， 以此评价混凝土的抗 氯离 子渗透性能 。 1 3 3 碳化试 验 将 1 0 0 m mx l 0 0 m mx 1 0 0 m m 的标准 养 护混凝 土试 件 置于标 准养护室 、 将 1 0 0 m inx 1 0 0 m m x 1 0 0 m m 的干燥 养 护试件及涂覆养护剂试件置于干缩养护 室中养 护至 2 8 d取出 ，在试件 四个面均匀涂上 石蜡进行密封后放 入混凝土碳化箱 中至相应碳化龄期 取出 ，劈裂后 测试 其碳化深度 。 碳化箱 内二氧化碳 浓度为( 2 0 1 ) ， 温度 为 ( 2 0 1 ) ， 湿度为( 7 0 2 ) 。 1 - 3 _ 4 冻融试 验 一 2 0一 龄 期 d ( a ) 粉煤灰掺量 0 依据 G B J 8 2 8 5 ( 普通 混凝 土长期性能和耐久性能 试 验 方 法 抗 冻 性 能 试 验 中快 冻 法 的规 定 ，成 型 l O O m m x l O 0 m mx 4 0 0 m m的棱柱体试件 ，分别 在标准养 护 、 干燥养 护及 养护剂养 护条件下养护至 2 8 d ， 放 入混 凝 土 自动冻融循环机 中快速饱水冻融 ，在达到一定冻 融循环次数后 ， 用动弹仪测量动弹模 量或横 向基频 ， 并 检查其外部损伤及重量损失。 2结果与讨论 2 1 养护剂对混凝土收缩性能的影响 图 1为粉 煤灰掺量 0 、 2 0 及 4 0 时 ， 干燥养 护条 件及养护剂养护条件下混凝 土试件 的收缩 曲线。由图 1 可看出 ，采用 养护剂养护可在 一定 程度上降低 混凝 土 的收缩 ， 早期的减缩 效果更 为明显 。 随着粉煤灰掺量 的增大 ， 混凝 土整体 收缩有较 为显著 的降低 ， 养 护剂养 护 的减缩效果也有所降低 ，但在早期仍 可保持较高水 平 ， 养护剂养护的 7 d 减缩率均保持在 3 0 以上。采用 养护剂进行养护可增 强混凝 土的体积稳定性 。 本试验采用的混凝 土养 护剂 为聚合 物乳液 ，涂覆 于混凝 土试件 表面后 能在试件表面形成一层 聚合 物薄 膜 ， 封堵混凝 土表面开放 毛细孔 ， 干燥环境 下混凝 土毛 细孔水分散失速率减 慢使得 毛细管 因水分蒸 发而 产生 的负压降低I 5 3 ， 因此混凝土收缩减小 。粉煤灰 的掺人 由 于在一定程度上替代 了部分 水泥 ，使混凝 土在早 期的 水化反应速率减慢 ， 水化反应产生 的毛细孔量减少 ， 收 缩相应减 小 ； 此 外 ， 粉煤 灰可 以起 到微集 料填充作用 ， 封堵一定数量的混凝 土内部 孔隙 ，使混凝 土结构 更加 龄期， d ( b ) 粉煤灰掺量 2 0 图 1 养护剂对混凝 土收缩性能 的影 响 龄 期 d ( c ) 粉煤灰掺量 4 0 石亮 ， 刘建忠， 刘加平 养护剂对混凝土耐久性能的影响 密实 ， 进一步降低混凝 土基体 的收缩 ， 导致养 护剂涂覆 于混凝土表面后 的减缩效果减弱 。 2 2 养护剂 对混凝 土抗氯 离子渗透性能 的影响 图 2为不 同粉煤灰掺 量混凝 土分别在标 准养 护 、 干燥养护及养护剂养护条件下 的 2 8 d电通量 曲线 。 由 图可知 ， 三种粉煤灰掺量下 ， 干燥养护条件下混凝土试 件 的电通量值最大 ，养护剂养护条件下混凝土试件 的 电通量值最小 。 随着粉煤灰掺 量的增加 ， 标准养护及 干 燥养护的混凝土试件电通量值均降低 ，涂覆养护剂 的 混凝土试件 电通量值变化不大。 一 标 准养护 4 5 0 o 4 0 o 0 U 脚 棚 删 3 5 0 0 3 o o O 2 5 0 o U l U Z U j U 4 0 粉煤灰掺量， 图 2 养护剂对混凝土抗氯离子渗透性能 的影响 混凝土的电通量 值反映了混凝 土抵抗 氯离子渗透 的能力 。 干燥养护条件下 ， 混凝土 内部水泥颗粒没有适 宜的湿度条件充 分完成水化 ，同时水分 的散失使 混凝 土内部产生较 多的微裂纹 ， 试件 的密实度受 到影 响 ， 因 此混凝 土的电通量值偏大 ； 标准养护条件下 ， 混凝 土内 部的缺 陷减少 ， 表层混凝土 的致密程度提 高 ， 试件 的抗 氯离子渗透能力得到增强 ；养护剂在混凝土 的表层形 成 了致密 的有机薄膜 ，封堵了外界氯离子 向混凝 土内 部迁移 的路径 ， 故试件的电通量值最小。 标准养护及 干 燥养护条件下 ， 随着 粉煤灰掺量的增加 ， 试件 内部孔结 构得 以优化 ， 因水分散 失而产生 的内部微 裂纹阐 减 少 ， 粉煤灰 的微集 料填充效 应也使 混凝土试 件更加 密实 ， 3 0 2 5 2 O 1 5 疆 1 0 O 7 l 4 碳化 龄期， d ( a ) 粉煤灰掺量 O 3 0 2 5 2 0 1 5 餐 l 0 O 试件 的抗 氯离子 渗透能力得到提升 ；养护剂养护条件 下 ，试件抵抗氯离子渗透 的能力主要 由养护剂 的高分 子薄膜提供 ，虽然掺入粉煤灰后混凝土试件基体抗氯 离子渗透 能力得 到一定提升 ，但 由于养护剂薄膜性能 几乎未变 ， 故试件 的电通量值变化不大 。 2 - 3 养护剂对混凝土碳化性能的影响 将不 同粉煤灰掺量 的混凝土试件分别置于干燥养 护 、 标准养护及养 护剂养护条件 下养护至 2 8 d ， 测试混 凝土不同碳化龄期的碳 化深度 ， 结果见 图 3 。在碳化龄 期分别为 7 d 及 1 4 d 时 ， 标准养护 的混凝 土试 件碳 化深 度均最低 ， 干燥 养护的混凝 土试件碳化深度 最大 ， 涂覆 养 护剂 的混凝 土试件碳化深度居 中。随着粉煤灰掺量 的增加 ， 所有混凝 土试件 的碳化深度均增大 ， 涂覆养 护 剂 的混凝 土试件碳化深度增加更为 明显 。 混凝土 的碳化主要是 由二氧化碳与混凝土 内部碱 性化合物发生 中和反应导致 。 标准养护条件下 ， 混凝 土 内部水泥颗粒水化较为充分 ， 混凝土结构致密 ， 同时水 化反应生成 的碱性物质也更多 ，因此碳化的发展速率 最慢 ， 混凝土 的抗碳 化能力最 强 ； 相反 ， 干燥养 护条件 下 ， 混凝土 由于所处环境湿度较低 ， 试件毛细孔 内部水 分的快速散失 ，导致 混凝 土内部水 泥颗粒水 化程 度较 差 ， 同时水分的蒸发在毛细孔 内部产生 负压 ， 导致混凝 土毛细孔收缩 ，引起周 围的水泥浆体 出现微 细收缩裂 纹 ， 二氧化碳进入混凝土 内部 的通道增多 ， 故试件抵抗 碳化 的能力最 差 ；养护剂 的涂覆在混凝土表层形成 了 一 层有机物薄膜 ， 但是从实验结果分析 ， 这层薄膜具备 透气功能 ，因此其并不能完全阻断混凝土与外界气体 介质 的交换 ，二氧化碳仍可渗透至混凝土 内部使水泥 石产生碳化 ， 但碳化速率有所降低。 粉煤灰 的掺人取代 了部分水泥 ， 当掺量低于 4 0 时 ， 粉煤灰的填充效应及 火 山灰效应 占主导地位 ， 致使混凝 土内部 结构致密 ； 当 掺量达 4 0 时 ， 由于早期参与水化的水泥颗粒过少 ， 导 致没有 足够的碱性物 质支撑 粉煤灰 的后期 火山灰 反应 顺 利进行 ， 混凝 土 的密 实度受到影 响同 ， 养护剂在混凝 7 1 4 碳化龄期 d ( b ) 粉煤灰掺量 2 0 图 3 养护 剂对混凝 土碳 化深度 的影 响 7 1 4 碳化龄期， d ( c ) 粉煤灰掺量 4 J D 一 21一 加 ：2 m 0 2 0 1 0年第 5期 混凝土与水泥制品 总第 1 7 5期 土 的表层存 在一定 的作用深度 ，当二氧化碳突破养护 剂的作用 区域 时 ，碳化反应 的进行不 再受到抑 制 ， 在 4 0 粉煤灰掺量下 ，养护剂在混凝土表层 的作 用深度 降低 ，故此时养护剂对混凝土抗碳化性能的提升作用 减弱。 2 4 养护剂对 混凝 土抗冻性能 的影响 图 4为粉 煤灰 掺量 为 0 、 2 0 及 4 0 的混 凝 土 试 件分别在标准养护 、干燥 养护及 养护剂 养护条 件下养 护 2 8 d后进行冻融循 环的相对动 弹模量 变化 曲线 。由 图可知 ， 粉煤灰掺量为 0时 ， 涂覆养护剂 的混凝 土试件 抗 冻 性 能 最 好 ， 3 0 0次冻 融循 环 后 相 对 动 弹 模 量 为 删 觳 需 靛 0 5 0 1 【 x J 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 冻融循环次数 次 ( a ) 粉煤灰掺量 O 血】 教 幅 靛 7 5 ， 标准养护试件抗冻性能其 次 ， 干燥养护试 件的抗 冻性 能最差 。 粉煤灰掺量为 2 0 时 ， 标准养护及干燥养 护试件抗冻性能均得到提升 ，养 护剂养 护的混凝土试 件抗冻性能有所降低。 粉煤灰掺量增 大至 4 0 ， 标准养 护、干燥养护及养护剂 养护的混 凝土试 件抗 冻性能均 有较大 幅度 的降低 。 图 5为三种粉煤灰掺量下 ， 标 准养 护 、 干燥养护及 养护剂养护 的混凝 土试件 冻融循环过程 中的重量损失 情况 。 粉煤灰 掺量 为 0时 ， 涂覆养护剂的混凝土试件经 3 0 0次冻融循环后的重量损 失为 3 2 ，标准养护及干 燥养护试件 在未达 3 0 0次 冻融循环 时 即发生 破坏 ， 抗 冻融循 环次 数， 次 ( b ) 粉煤灰掺量 2 0 1 ( 1 o 9 5 9 0 8 5 需8 0 蔓7 5 7 0 6 5 6 0 图 4 养护剂对 混凝土冻融循环后相对动弹模量的影响 0 5 0 1 o o 1 5 0 2 o o 2 5 0 3 o o 冻融 循环 次数， 次 ( a ) 粉煤灰掺量 0 冻融循环次数， 次 ( b ) 粉煤灰掺量 2 0 图 5 养护剂对混凝土冻融循环后重 量损失 的影响 冻性能不及涂覆养护剂的试件。 粉煤灰掺量增至 2 0 ， 标准养 护及 干燥 养护试件抗冻融循环 次数提升至 3 0 0 次及 2 0 0次 ，养 护剂养 护的混凝 土试 件经 2 2 5 次冻 融 循环 后 ， 试件 质量损 失 即达到 3 8 ， 抗 冻性 能有所 下 降 。粉煤灰掺量为 4 0 时 ，三种养护条件下 的混凝 土 试件质量损失随冻融循 环次数 的增加增 幅明显 ，试件 抗冻性能降低。 影响混凝 土抗冻性 能的因素较为复杂阎 。 在无掺合 料掺人的情况下 ， 相 比于标准养护及干燥养护 ， 涂覆养 护剂 的 昆 凝土试 件在冻融循环过程 中，试件外部与 内 部水分迁移受到有机膜 阻挡变得缓慢 ，水泥石 中相对 较少 的毛细孔 水结冰 ， 产生 的渗透压 也较小 ， 同时混 一 2 2 0 5 0 1 o o 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 冻融循环次数， 次 ( c ) 粉煤灰掺量 4 0 冻 融循 环次 数 次 ( c ) 粉煤灰掺量4 0 凝土 内部水化产 物碱性 物质 的溶 出量 也较少 ，水 化产 物受破坏的程度减弱 ， 混凝 土内部微裂纹 等缺 陷较少 ， 故试件的相对动弹模量 降幅较 小 ，试件 因剥 落产生 的 质量损失也较小。 粉煤灰 的掺入 ， 主要改善了混凝 土内 部的孔结构 组成 ， 使细孔增 多 ， 昆 凝 土结构 更加密实 ， 因此 ，在标准养护及干燥养护条件下试件 的抗冻性能 得 到提升 ，但掺入粉煤灰在一定程度上减少 了混凝 土 内部参 与水 化水 泥颗粒 的量 ，水泥石 中水化产物彼此 的连接程度减弱 ， 养护剂涂覆 于混凝土表层 ， 孔隙水试 件在冻融过 程中产生结 冰与融化导 致液体 的迁移 ， 试 件表层养护剂的作用区域混凝土与基体混凝土之间出 现渗透压 ，此时 的压力若超过水泥石 内水化产物彼此 O 5 O 5 O 5 O 5 O 5 如 伽 如 加：2 m 。 、 鞲 恻 O 5 0 5 0 5 0 5 0 5 如 如 加=2 。 、 蚓 O 5 0 5 O 5 O 5 O 5 如 们 如 0 、 槲 石亮 ， 刘建忠， 刘加平 养护剂对混凝土耐久性能的影响 的连接力 ， 则试件产生劣化破坏 ， 导致相对 动弹模量降 低及重量损失增大。 若粉煤灰掺量继续增大 ， 则粉煤灰 颗粒 的微集 料填充效应不 占主导地位 ，混凝 土基体强 度因大量的水 泥颗粒被取代而降低 ，冻融过程 中混凝 土 内毛细孔 水产 生 的渗透 压使水 泥石 很容 易 出现 破 坏 ， 因此 ， 混凝土 的抗冻性能变差 。 3结论 ( 1 ) 涂覆养护剂可降低混凝土的收缩 ， 早期减缩效 果 明显 ， 早期减缩率受粉煤灰掺量变化 的影 响不 大 ， 7 d 减缩率在 3 0 以上 。 ( 2 ) 对 比标准养护及 干燥养 护 ， 涂 覆养护剂 的混凝 土抗氯离子渗透性 能最好 ， 2 8 d电通量值最小 ， 粉煤灰 掺量 的变化对涂覆养护剂的混凝 土抗 氯离子渗透性能 影响不大。 ( 3 ) 涂覆养护剂 可提升混凝土 的抗碳化性 能 ， 粉煤 灰掺量较 低时 ， 养护剂对混凝土碳化 的抑制效果 明显 。 ( 4 ) 涂覆养 护剂 的混凝 土抗冻 性能 随粉 煤灰掺 量 的不同而存在差异 ， 对 比标准养护及干燥养护 ， 粉煤 灰 掺 量为 0时 ，涂覆养护剂的混凝土抗冻性能 最佳 ， 3 0 0 次 冻 融 循 环 后 相 对 动 弹模 量 达 7 5 ，质 量 损 失 为 3 2 ； 粉 煤灰 掺量 2 0 时 ， 涂覆 养护剂 的混 凝土 抗冻 性能居 中； 粉煤灰掺量增至 4 0 时 ， 涂覆养护剂 的混凝 土抗冻性能降低较明显 。 参考文献： 1 张士萍， 邓敏， 唐 明述 混凝 土冻融循环破坏研究 进展 川 材 料 科学 与工程学报， 2 0 0 8 ， 2 6 ( 6 ) ： 9 9 0 9 9 4 2 国家建材行业标 准 J C 9 0 1 2 0 0 2 水 泥混凝 土养护剂 S 3 毛永琳， 阎坤， 刘 加平， 等 混 凝土养护剂的应用性 能 J J 商 品混 凝土， 2 0 0 7 ( 4 ) ： 3 4 3 6 4 覃立香， 韩莉 S F - 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