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第 1 8卷第 5 期 2 0 1 5 年 1 O月 建筑材料学报 J OURNAL OF B UI LDI NG MATERI ALS Vol _1 8, NO 5 Oc t , 2 0 1 5 文章编号 : 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 O 1 5 ) O 5 一 O 8 4 7 一 O 5 双 向应 力下碾压 混凝土动态力学性能 王怀 亮 。 ( 1 大连大学 建筑工程学院, 辽 宁 大连 1 1 6 6 2 2 ; 2 河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室 , 江苏 南京 2 1 0 0 9 8 ) 摘 要 :对含 层 面碾压 混凝 土试 块 进行 了不 同加 载 速 率 下的 双 轴 压和 双 轴拉 压试 验 , 系统 研 究 了加 载速率对碾压混凝土强度及变形特性的影响 结果表明: 在层 面处理 良好的情形下, 碾压混凝土的 拉压 强度随加 栽速率以及侧 向压力的变化规律 , 与常态混凝土动 态拉压试验及双轴试验 的变化规 律有 一 定 的相 似 性 根 据 试验 结果 建 立 了针 对 不 同应 力状 态 下碾 压 混 凝 土 的 动 态 强度 准 则 , 为评 价爆 炸及地震等动荷栽作用下碾压混凝土工程结构的响应提供 了参考。 关键 词 : 碾 压 混凝 土 ;双 向应 力状 态 ;加载 速 率 ; 破 坏模 式 ; 破 坏 准则 中图分 类号 : T U3 7 5 文献 标 志码 : A d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 - 9 6 2 9 2 0 1 5 0 5 0 2 3 Dy na mi c Pr o p e r t i e s o f RCC i n Bi a x i a l S t r e s s S t a t e s W AN G H u ai l i an g 。 ( 1 C i v i l a n d Ar c h i t e c t u r a l En g i n e e r i n g C o l l e g e ,Da l i a n Un i v e r s i t y ,Da l i a n 1 1 6 6 2 2,Ch i n a ;2 S t a t e Ke y La b o r a t o r y o f Hy d r o l o g y - Wa t e r Re s o u r c e s a n d Hy d r a u l i c E n g i n e e r i n g,Ho h a i Un i v e r s i t y ,Na n j i n g 2 1 0 0 9 8 ,C h i n a ) Ab s t r a c t :Bi a x i a l c o mp r e s s i v e a n d c o mp r e s s i v e - t e n s i l e l o a d i n g t e s t s o n c u b i c r o l l e r c o mp a c t e d c o n c r e t e ( RCC)s p e c i me n s wi t h i n t e r f a c e s we r e c o n d u c t e d a t d i f f e r e n t l o a d i n g r a t e s Th e e f f e c t o f l o a d i n g r a t e s o n t h e d y n a mi c s t r e n g t h a n d d e f o r ma t i o n p r o p e r t i e s o f RCC wa s 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 t h e c h a n g e r u l e o f s t r e n g t h wi t h l o a d i n g r a t e a n d l a t e r a l s t r e s s f o r t h e RCC s a mp l e s wi t h we l l t r e a t e d i n t e r f a c e s i S s i mi l a r wi t h t h a t o f c o n v e n t i o n a l c o n c r e t e ma t e r i a 1 u n d e r d y n a mi c e x t e n s i o n。c o mp r e s s i o n a n d b i a x i a l t e s t s Ba s e d o n t h e e x p e r i me n t a l r e s u l t s ,d y n a mi c f a i l u r e c r i t e r i a a r e p r o p o s e d t o c h a r a c t e r i z e b o t h t h e e f f e c t o f l o a d i n g r a t e a n d t h e e f f e c t o f l a t e r a l s t r e s s o n t h e s t r e n g t h o f RCC u n d e r b i a x i a l s t r e s s s t a t e s , wh i c h p r o v i d e r e f e r e n c e f o r a s s e s s me n t o f t h e s a f e t y o f RCC s t r u c t u r e u n d e r d y n a mi c l o a d s s u c h a s e x p l o s i o n a n d e a r t hq ua ke Ke y wo r d s :r o l l e r c o mp a c t e d c o n c r e t e ( RC C) ;b i a x i a l s t r e s s s t a t e ;l o a d i n g r a t e ;f a i l u r e mo d e ;f a i l u r e c r i t e r i a 碾压混凝土( R C C ) 是用振动碾压实的超 干硬性 混凝土 , 其特点是坍落度为零 , 胶凝材料用量小 , 并 高掺粉 煤 灰 等 掺 和 料 以降低 水 化 热 L i 和 C h a i 等L 】 对 RC C结构的断裂性能和层 间渗透问题进行 了大量的研究 , 取得 了丰硕 的成 果 但 在实 际工 程 中, 大多数水工 RC C大坝 多建在高烈度地震 区, 坝 体处在复杂的应力状态下 在地震作用下 , 混凝土的 应变率可达 1 0 1 O S _ 。 , 比静态应变率高 2 3 个数 量 级 , 此 时混 凝 土 的率 敏感 效 应 不 可 忽视 Ya n 和 Wu等 3 对普通混凝土的动态拉 、 压性能及多轴 应力条件下的动态强度指标 和破坏特性 进行 了研 究 , 为常规混凝 土水 坝的抗震安全分析提供 了试验 依据 对 于 R C C动态 性能 , 只有 Z h a n g和王 怀亮 等 6 - 7 3 开展了单 向应力 状态下 的动态拉 、 压试 验研 收稿 日期 l 2 0 1 4 0 3 0 9 ;修订 日期 : 2 0 1 4 0 5 2 7 基金项 目: 河海大学水文水资源与水利工程科学 国家重点实验室开放基金资助项 目( 2 0 1 3 4 9 1 8 1 1 ) ; 清华大学深圳研究生院一 城市资源循 环 利用工程技术研究 中心开放基金资助项 目( URRT 2 0 1 4 0 0 6 ) 第 一作者 : 2 E t T i ( 1 9 7 9 -) , 男 , 河南郑州人 , 大连大学副教授 , 硕士生导师 , 博士 E - ma i l : wh u a i l i a n g 1 6 3 c o rn 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 4 8 建筑材料学报 第 1 8卷 究 , 对二维 、 三维应力状态下的 R C C动态力学特性 试 验 研究 还很 少 基 于 目前 的状 况 , 本文 对含 层 面 的 RC C进 行 了有 侧 向压 力 的动 态 受 压 和 动 态 劈 拉 试 验 , 系统探 讨 了有侧 压 应力 作用 时 R C C在不 同加载 速率 下 的强 度和 变 形 变 化 规 律 , 为 进 一 步 建立 其 动 态本构关系提供必要的试验依据 1 试验概况 1 1试 验材 料与 试件 成 型 R C C的配合 比见 表 1 , 其 中水 泥 为大 连 水 泥 厂 生产 的 3 2 5 R 硅 酸 盐 水 泥 , 砂 子 为 天 然河 砂 ( 砂 率 训 为 3 3 ) 粗骨料 为二级配石 灰岩碎石 , 粉煤灰 为 级 C类粉煤灰 , 水 为 自来水 外加剂采用大连 建科院生产的 DK 一 5型低引气高效 复合 减水剂 , 掺 量 为 0 7 5 ( 质量 分数) 所有试件 在钢模 中成型 , 试 件 尺寸 为 1 5 0 mi l l 1 5 0 mm1 5 0 mm, 养 护 4 8 h 后拆 模 , 试 验 龄期 为 9 0 1 0 0 d 表 1 R C C的配合 比 T a b l e 1 Mi x p r o p o r t i o n o f R C C k g m 由 于实 际 工 程 中 的 R C C结 构 是 由于 硬 性 混 凝 土拌 和料 分 薄 层 摊 铺 并 经 振 动 碾 压 密 实 而 成 , 因 此 其 中包 含 了 数 量 众 多 的碾 压 混 凝 土 层 面 , 如 果 这些层面处理不好 , 将成 为结构 的薄 弱面 为了研 究碾压混凝 土层 面对 其静动 力学 性能 的影 响 , 本 次试验成 型分本体 、 分层处 理及 分层 但层 面不 处 理 3种 工 况 层 面 处 理 试 件 是 在 底 层 ( 7 5 mm 厚 ) 成 型后 8 1 0 h , 用 水 冲 洗 层 面 并 进 行 凿 毛 处 理 , 铺 上 1层 约 1 0 mm厚 的粉 煤灰水 泥砂 浆 , 再 浇 筑 顶 层 , 成 型过 程 如 图 1所 示 层 面 未 处 理 试 件 在 底 层 ( 7 5 mm厚 ) 成 型后 , 间隔 8 1 0 h , 不作 冲毛 处 理 即浇筑上层混凝 土 由于层 面对 R C C抗拉强 度 的影 响较 大 , 因此本 文 的劈 拉试 验采 用 了 以上 3 种 工 况 试 件 , 而 双 轴 试 验 全 部 采 用 了 分 层 并 对 层 面 进 行 处 理 的试 件 图 1 试件层面凿毛处理及成 型效果 Fi g 1 Co n s t r u c t i o n me t h o d o f RCC wi t h i n t e r f a c e 1 2 试验 设 备与试 验方 法 试验设 备采 用大 连理 工大 学海 岸与 近海 工 程 国 家重点实验室 的大 型静 、 动 三轴 电液伺 服试 验 系 统 。 试件侧向受压面与加载板之间采用塑料薄膜 和甘 油减摩 考虑 到 地 震 作 用 的 应 变 速 率 为 1 O 1 0 S _ 。 , 本试验以加载速率 1 O , l O , 1 O , 1 0 S 研究 RC C 的动 态 特 性 , 其 中 1 0 S 为 准 静 态 应 变 率 双轴压 试验 采用 恒定 侧压 的非 比例 双轴 加 载路 径 : 先加 载 至 预设 的侧应 力 值 , 并 保 持 恒定 , 再 以设 定 的加 载速 率施 加竖 向荷 载 , 直至试 件破 坏 侧应 力 加载 量 级 分 别 为 0 , 0 2 5 f 0 5 O f 0 。 7 5 f , 其 中 厂 为单轴静态抗压强度 双轴拉 压试 验 采 用 有侧 压 劈 拉 试 验 方 法 : 压 力 施 加方 向垂 直 于层面 , 劈拉 方 向与层 面平 行 劈 拉 试 验 采用 荷载 控 制 , 将 不 同 的应 变 速 率 分别 折 算 成 了 对 应 的 劈 裂 加 载 速 率 量 级 , 即 5 6 , 5 6 0 , 5 6 0 0 , 5 6 0 0 0 k N s 2 试 验结果与分析 2 1 破坏 模式 含 层面 RC C试件 在不 同侧 压应力 下 劈拉 时 , 大 部 分试 件沿 着层 面 发 生 开 裂 , 且 劈 拉破 坏 的断 裂 界 面比较清晰 , 随着侧向压应力 的增加 , 试件开始 出现 被 压坏 的痕 迹 , 如图 2所示 图 2 不同侧向压力下含层面 R C C试件劈拉试验破坏形态 F i g 2 S p l i t t i n g f a i l u r e mo d e s o f RCC s p e c i me n s wi t h d i f f e r e n t l a t e r a l s t r e s s e s 双轴受压时 , 随着侧压应力的增加 , 破坏形态从 典 型 的柱状 破坏 逐 步 过 渡 到 明显 的层 状 破 坏 , 如 图 3所示 加载速率对破坏形态无太大影响, 只是在单 图 3 双轴压下试件 的破坏形态 F i g 3 Fa i l u r e mo d e s o f s p e c i me n u n d e r b i a x i a l c o m p r e s s i o n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 王怀亮 : 双向应力下碾压混凝土动态力 学性 能 8 4 9 轴压下 , 试件无侧 向约束, 随着应变速率 的提高 , 其 破坏 时产 生 的碎 片有 增 多趋势 , 如图 4所 示 这说 明 高应变速率下 R C C的脆性变大 含层面试件由于对 层面进行 了处理 , 因此破坏形态与本体试件相差不 大 , 并且与常态混凝土破坏形态相似 引 图 4 不 同应变速率下含层 面 R C C试 件的单轴压破坏形态 Fi g 4 Ty p i c a l f a i l u r e mo d e o f RCC s u b j e c t e d t o d i f f e r e n t s t r a i n r a t e s u n d e r u n i a x i a l c o mp r e s s i o n 2 2极 限 强度 和破 坏准 则 2 2 1 单 轴 动态 强 度规律 图 5为含层面 RC C单轴强度 随加 载速率 的变 化规律 与文献 9 1 0 的结果类似 , 随着应变速率 的 增加 R C C的单 轴拉 、 压 强 度 均呈 增 加 趋 势 , 其 中抗 压强度的提高 幅度 比劈裂抗拉强度的提高 幅度小 定义动态强度增长 因数 DI F为 动荷载下 的强度 与 静载下的强度 比值 文献 1 1 x ,- 普通混凝 土及钢纤 维 混凝 土 的试 验结 果 表 明 , 混 凝 土 的 D I F与应 变 速 率 的 对数 接 近 线 性 关 系 通 过 线 性 回归 分 析 , 得 到 R C C动态拉压强度增长 系数与 应变速率之间 的计 算 式 如下 : f , d 一 1 8 6 3 9+ 0 1 7 4 5 l g l d f 一 1 2 6 0 9 + 0 0 5 2 4 1 g e Te s t d a t a un d e r u n i a x i a l c ompr e s s t o n: Av e r a g e s t r e n g t h u nd e r u n i a x i a l c omp r e s s i o n: o Te s t d a t a un d e r s p l i t t i ng t e n s i o n: Av e r a g e s t r e n gth u nd e r s pl i t t i n g t e ns i o n: - Fi t t e dli n e 图 5 加载速率对含层 面 R C C单轴强度 的影 响 Fi g 5 I n f l u e n c e o f l o a d i n g r a t e s o n u n i a x i a 1 s t r e n g t h o f RCC 式 中: , a , , 为当前应变率下 R C C的单轴抗压强 度和劈 裂抗 拉强 度 , MP a ; f f 为静 态 加 载 条 件 下 R C C 的单 轴抗 压强 度 和劈 裂抗 拉强 度 , MP a ; 为 当前 的应 变速率 , S 2 2 2 双 轴拉 压强 度规 律 图 6 为不同加载速率下含层 面 RC C劈裂抗 拉 强度随侧压的变化趋势 由图 6可见: 双轴拉压应力 状态下 , 当加载速 率相 同时 , 随侧 压应 力 的提高 , R C C的平均劈裂抗 拉强度降低 ; 在相同侧压力下 , 随 加载 速率 数量 级 的提 高 , R C C的平 均劈 裂 抗拉 强 度提高 为了便于实际应用 , 建立了考虑侧压应力和 加 载速率 的统一破 坏 准则 即 : f 二 ,b t d q 1 + q 2 l g + q 3 口 ( 1 ) u t s D s 式中: a为侧压应力 比系数, a f 。为侧压应 力 , MP a ; f b t a 为双轴拉压应力条件下 的动态劈裂抗 拉强 度 , MP a ; , 。为 当前 动 态 加 载 速 率 和 静 态 加 载速 率 , k N s ; q 1 , q , q 。 为 回归 系数 图 6 不同加载速率下侧压应力对含层面 R C C 劈 裂抗拉强度的影响 F i g 6 Ch a n g e o f s p l i t t i n g t e n s i l e s t r e n g t h wi t h l a t e r a l s t r e s s a t d i f f e r e n t l o a d i n g r a t e s 通 过 对试 验 数 据 回归 , q , q , q 。分 别 为 1 O 2 。 0 0 5 , 一0 2 2 , 复 相关 系数 为 0 8 1 4 , 变 异 系 数 为 0 1 4 6 由图 6可见, 实测数据与拟合直线基本吻合 2 2 3 双 轴抗 压强 度规律 图 7为不 同加 载 速 率下 含 层 面 R C C抗 压 强 度 随侧压的变化趋势 从 图 7可 以看 出: R C C双轴抗 压强度随着加载速率 的提高而增加, 并且该强度随 应变率提高的幅度与侧压应力水平有关 这一 结论 与文献- 1 2 双轴 比例加载条件下动态抗压强度试验 结 果类 似 从 图 7还 可 以 看 出 , 在 同 一 应 变 率 下 , R C C的双轴抗压强度较单轴抗压强度有明显提高 , 且在低应变速率下 , 双轴抗压强度的增长更为明显 在较高加载速率下 , 侧向恒定压力对 RC C的增 强作 用有 所减 弱 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 5 O 建筑材料学报 第 1 8卷 图 7 不 同加载速率下侧压应力对含层 面 R C C抗压强度 的影响 F i g 7 Ch a n g e o f c o mp r e s s i v e s t r e n g t h wi t h l a t e r a l s t r e s s a t d i f f e r e n t l o a d i n g r a t e s 为了便于实际应用 , 建立 了考虑侧压应力和加 载速率的 R C C抗压强度统一破坏准则 , 即: 一 P 1 + P 2 l g ( d 。 ) + J u c + ( 1+ 口 ) ( 1+ a ) ( a ) Un i a x i a l s t r e s s ( c ) L a t e r a l s t r e s s 0 5 式 中: , 。 为双轴 压应 力条件 下 的动态抗 压强 度 , MP a ; 如, e 为以应变率表示的当前动态加载速率和 静态加载速率 , s ; P , P 。 , P 。 , P 为回归系数 求解可得 P , P , P 。 , P 分别 为 3 2 1 , 0 1 4 , 一 4 3 7 , 一2 1 3 ; 复相关 系数为 0 9 7 5 , 变异系数为 0 0 0 6 回归结果见图 7 由图 7可见 , 回归结果与试 验数据基本吻合 2 3变形 性能 图 8为不同侧向压力下含层面 R C C的应力一 应 变全曲线 从图 8可 以看 出, 双轴 应力状 态下 R C C 应力一 应变曲线 的线性段 比单轴受压时有所延 长, a 越大 , 线性段延长的幅度越大 通常情况下 , R C C的 弹性模量 比常态混凝土小 7 。 试验时 , 取应力达极限 强度 4 O 时的割线模量作为 R C C的弹性模量 从 图 8还可以看出 , 在相同的侧压应力下 , 随着加载速 率的提高, RC C的弹性 模量有增加的趋势 , 但增 幅 较 小 ( b ) L a t e r a l s t r e s s 0 2 5 f _ ( d ) L a t e r a l s t r e s s 0 7 厂 嘣 图 8 不同侧向压力下含层面 R C C的应力一 应变全 曲线 Fi g 8 Ty p i c a l s t r e s s s t r a i n c u r v e s o f c o n c r e t e wi t h d i f f e r e n t l a t e r a l p r e s s u r e s 3 R C C层面对动态试验结果 的影响 在本试验 的加载速率范 围内, 层面未经过处理 且间隔时间超过混凝土初凝时间的试件 , 不仅静态 强度要低于本体试件 , 其动态强度也几乎没有增加 , 而层面经过处理的试件, 其 D I F略大于本体试件 图 9为 3种试件在不 同加载速率下 的劈裂抗拉强 度 试验现象表明, 对本体试件和层面处理试件 , 随 着加载速率的提高 , 劈裂面上被拉断的粗骨料 比例 增大 这说明快速加载时, 冲击力直接传至骨料 , 使 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 期 王怀亮 : 双向应 力下碾压混凝土动态力学性能 8 5 1 破坏面来不及沿着薄弱界面层扩展而直接穿过骨料 的概率增加 , 导致实测劈裂抗拉强度提高 层面未经 过处理且处理间隔 时间超过混凝 土初凝 时间的试 件 , 层面处的砂浆层拉开 , 使其静动态强度低于本体 试件 2 0 1 5 1 0 ( 3 ) 提出了单双轴应力条件下 R C C的动态强度 破坏准则, 为不同加载速率 压 拉作用下 R C C结构 的准确分析提供了可靠依据 参 考 文献 : LI Qi n gb i n, Z HANG Fu de , ZHANG We nc u i , e t a 1 Fr a c t ur e a n d t e n s i o n p r o p e r t i e s o f r o l l e r c o mpa c t e d c o nc r e t e c o r e s i n U n i a x i a l t e n s i o n J J o u r n a l o f Ma t e r i a l s i n C i v i l E n g i n e e r i n g , 2 0 0 2, 1 4 ( 5 ) : 3 6 7 - 3 7 3 C HAI J u n r u i , L I Ka n g h o n g , WU Ya n q i n g , e t a 1 C o u p l e d s e e p a g e a n d s t r e s s f i e l d s i n r o l l e r c o mp a c t e d c o n c r e t e d a m J Co mmu n i c a t i o ns i n Nu me r i c a 1 Me t h o ds in Eng i n e e r i n g, 2 0 0 5, 2 1 ( 5 ): 1 3 21 YAN D M LI N GDy n a mi c p r o p e r t i e s of c o n c r e t e i n d i r e c t t e n s i o n J C e me n t a n d Co n c r e t e Re s e a r c h , 2 0 0 6 , 3 6( 3 ) : 1 3 7 1 - 1 3 7 8 YAN D M , LI N G , CHEN G Dy n a m i c p r o p e r t i e s o f p l a i n c o n c r e t e i n t r i a x i a l s t r e s s s t a t e J A C I Ma t e r i a l s J o u r n a l , 2 0 0 9 , 1 0 6 ( 1 ): 8 9 - 9 4 WU S X, CHEN X D, ZHOU J K I nf l u e n c e o f s t r a i n r a t e a n d w a t e r c o n t e n t o n me c h a n i c a l b e h a v i o r o f d a m c o n c r e t e J Co n s t r u c t i o n a n d Bu i l d i n g M a t e r i a l s , 2 0 1 2, 3 6l 4 48 4 5 7 Z H ANG Chu h a n, W ANG Gu a n g l un, W ANG S h a o mi n, e t a 1 Ex p e r i me n t a l t e s t s o f r o l l e d c o mpa c t e d c o n c r e t e a n d f r a c t u r e a n a l y s i s o f r o l l e d c o mp a c t e d c o n c r e t e d a ms J J o u r n a l o f Ms - t e r i a l s i n Ci v i l En gi n e e r i n g, 2 0 0 2, 1 4 ( 2 ): 1 0 8 1 1 5 王怀亮 , 闻伟 碾压混凝土单轴动态力学性能研究 J 水 力发 电学报 , 2 0 1 1 , 4 ( 5 ) : 1 2 9 1 3 4 W ANG Hu a i l i a n g WEN W e i Dy n a mi c me c h a n i c a l p r o pe r t i e s o f RC C u n d e r u n i a x i a l s t r e s s J J o u r n a l o f Hy d r o e l e c t r i c E n - g i ne e r i n g, 2 0 1 1, 4( 5 ) : 1 2 9 1 3 4 ( i n Ch i n e s e ) YAN Do n g mi n g, GA0 Li n I n f l u e nc e o f i n i t i a l s t a t i c s t r e s s o n t h e d y n a mi c p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e J C e me n t C o n c r e t e Co mp o s i t e s , 2 0 0 8, 3 0( 4 ): 3 2 7 - 3 3 3 TEDES C0 J W , POW ELL J C。 RoSS C, e t a 1 A s t r a i n - r a t e - d e p e n d e n t c o n c r e t e ma t e r i a l mo d e l f o r AD I NAE J C o mp u t e r s & S t r u c t u r e s , 1 9 9 7 , 6 4 ( 5 6 ) : 1 0 5 3 1 0 6 7 BRARA A, KLEP ACZKO J REx p e r i me nt a l c h a r a c t e r i z a t i o n o f c o n c r e t e i n d y n a mi c t e n s i o n J Me c h a n i c s o f Ma t e r i a l s , 2 0 0 6, 3 8 ( 3 ): 2 5 3 - 2 6 7 R0SS C A, J EROME D M , TEDES C0 J W , e t a 1 Mo i s t u r e a n d s t r a i n r a t e e f f e c t s o n c o n c r e t e s t r e n g t h J AC I Ma t e r i a l s J o u r n a l , 1 9 9 6, 9 3( 3 ): 2 9 3 - 3 0 0 YAN D M 。 UN G Dy n a mi c b e h a v i o r o f c o n c r e t e in b iax i a l Dm- p r e s s io n J Ma g a z i n e o f C o n c r e t e R e s e a r c h , 2 0 0 7 , 5 9 ( 1 ) : 4 5 5 2 、 是 8 扫 o 耍 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m
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