资源描述
美国沥青路面再生技术进展
杨韵华
西安公路研究所 陕西西安,710054
摘要:大规模的经济建设推动了交通建筑的发展,较早修建的沥青路面已逐步进入维修期。本文综合简述美国沥青路面再生维修方案的选择,现场热再生、全厚式和现场冷再生的配合比设计流程,及取样、实验方法和质量控制,并结合我国实际提出尚待研究的问题。本文内容主要参考“美国沥青再生指南。”
关键词:沥青路面再生 配合比设计 设计程序 质量控制
沥青路面再生利用,是将旧沥青路面经过铣刨、破碎、翻挖、掺加专用再生剂、无机、有机新结合料、新集料等按比例重新拌和成混合料,按规定工艺铺筑路面,满足要求的使用性能。沥青路面再生是保护环境、资源循环利用、节约能源和可持续发展的重要技术措施。
沥青路面再生国外始于20世纪30年代,50年代广泛发展。随着石油危机的爆发,1975年冷刨设备大规模生产和应用,使沥青路面再生技术得到迅速发展。1997年国际经合组织对14个国家的调查表明旧料利用率已达75%~100%,其它国家也有不同程度的利用,我国沥青路面再生起步晚,但近几年发展较快。
1、 沥青路面再生技术概述与分类
1.1热再生(HIR)
是将再生沥青路面(RAP)与新集料、新沥青和专用再生剂(需要时)在工厂拌和再生混合料。热再生中用RAP的比例与拌和设备的类型有关。拌和需要的热量一般多于热拌沥青混合料(HMA),为此,有专门设计或改进的间隙式或连续式热再生拌和设备。
1.2现场热再生(HIR)
分表面再生法、复拌法和重铺法。
表面再生法是用预热机和加热机加热软化沥青路面,然后用锋利的耙齿或小直径的旋转刀头翻松达到一定的处理厚度。如需要在翻松路面上添加再生剂,处理厚度通常在20-40mm。其特点是既不加新集料,也不添新的热沥青混合料,因此整个路面总厚度不变。表面再生通常是为随后的热沥青混合料(HMA)加铺做准备。
复拌法是加热、软化和翻松旧沥青路面,按需要加入新沥青、新集料、专用再生剂(需要时)和新HMA,拌和成混合料。它通常用作磨耗层,也可加铺碎石封层或新HMA。处理厚度通常在25-70mm。
重铺法是将表面再生法或复拌法同时结合铺设一层新HMA加铺层。其特点是表面再生或复拌层与新HMA铺层热结合并同时碾压,因此新、旧HMA加铺层厚度比分层加铺要薄。再生混合料充当整平层,新HMA充当面层或磨耗层。
1.3冷刨(CP)
是用专门设备剥离现有路面到合适的深度、纵断面和横断面,经清扫可立即用作行驶面,如需要,在清扫路面上喷洒粘层后加铺新HMA或再生混合料。
1.4全厚再生(FDR)
是将全部厚度的沥青路面、基层、底基层或路基铣刨、粉碎、拌和以提供良好的基层材料,然后,在其上面加铺沥青面层或磨耗层。道路类似于现场冷再生(CIR),不需加热。处理厚度视原路面结构而定,通常100-300mm。
1.5冷再生(CR)
是再生路面过程中无需加热的方法。根据使用的工艺可分成现场冷再生(CIR)和厂拌冷再生(CCPR)。
CIR是100%使用该过程产生的RAP,当仅使用乳化沥青或泡沫沥青作再生剂时,CIR处理厚度通常为50-100mm。当使用化学稳定剂,其处理厚度可达125-150mm。
2、工程评价
当路面状况恶化到养护行为不再有成本效益时,则需进行维修。为确保工程成功,工程评价是旧沥青路面维修前的首要工作。维修方案选择得当,再生沥青路面将经济、耐久。
2.1 维修方案选择
维修方案选择时应该以科学的态度认真地进行,例如,对路面病害造成的原因分析时,出现的裂缝是由荷载还是非荷载造成,如是荷载造成,进而分析是疲劳还是其他原因。在路面破损评价中将路面弯沉与车辙深度相联系,以确定道路结构破损的位置,并明确车辙与弯沉是否有关。选择可能的维修方案时,在明确维修道路破损类型和程度后,应考虑回收原路面材料的质量、维修道路的期望设计年限,原道路结构的承载能力及维修道路性能标准等。
路面病害目测评定
1、 类型
2、 数量
3、 程度
4、 频率
回顾历史记录
·设计数据
·施工数据
·QC/QA数据
·PMS数据
·养护记录
量化现有路面状况
·平整度
·车辙
·抗滑系数
·弯沉
·材料特性
确定路面损坏的决定因数
优先维修评估
·冷再生(CP) ·热再生
·现场热再生(HIR) ·薄HMA层
·现场冷再生(CIR) ·厚HMA层
·全厚再生(FDR) ·复合式
·预算
·政策
·几何形状
·交通量增长
·性能
·环境
选择可能的维修技术方案
经济分析:
·初期投资费用
·寿命周期费用
选择修复技术
详细设计与分析
维修方案选择的步骤见图2-1
图2-1维修方案选择的步骤
2.2 维修策略
维修方法有一次维修法及分期维修法
分期维修法是采取上述某种再生方法部分地维修道路,达到一定性能和结构承载能力,日后加铺新HMA层,求取经济实用的厚度。这种方法尤其适用于旧面层不平、表面状况较差,或只需轻微加强的情况。
分期维修可将主要投资费用分散到其他项目,以提高效益,延缓主要投资费用的支付等。
3、配合比设计
沥青路面再生配合比设计分热拌再生、现场热再生、全厚度再生及冷再生法等。分别叙述如下:热拌沥青混合料组成设计可参照现行施工规范进行,在此不赘述。
设计原则:恢复旧路面老化沥青到新沥青的性能。恢复老化沥青的措施是掺加专用再生剂或再生剂。再生剂有:软质沥青、乳化沥青、泡沫沥青等。专用再生剂的规范(ASTM)见表3-1
美国ASTM热拌沥青混合料再生剂规范 表3-1
试验项目
ASTM检测方法
RA-5
RA-25
RA-250
RA-500
60℃粘度(cst)
D2171
176~900
901~4500
12501~37500
37501~60000
柯里夫兰开口闪点(℃)
D92
〉220
〉220
〉220
〉220
饱和成分比例(%)
D2007
〈30
〈30
〈30
〈30
RTFO/TFO残留物性质
D2007或D1754
粘度比
〈3
〈3
〈3
〈3
质量损失(%)
〈4
〈3
〈3
〈3
密度
D70或D1298
要求提供测试报告
要求提供测试报告
要求提供测试报告
要求提供测试报告
3.1 HIR法
HIR配合比设计有三种方法,掺配图法、综合法和Superpave法。
3.1.1 掺配图法:
主要考虑老化沥青的粘度和所需再生剂的用量,见图3-1掺配图设计流程。
由流程可看出此法较简单,仅选用再生剂和确定掺加比例。
3.1.2 综合法
综合法HIR配合比设计不仅考虑沥青的流变性质也考虑再生混合料的性能。见图3-2设计流程。
收集原路面信息
萃取、恢复沥青胶结料 集料
确定:
沥青胶结料
针入度
粘度
温度敏感度
Superpave PG分级
确定:
集料级配
棱角度
磨光值
磨耗阻力
密度
确定:
含水量
密度
最大理论密度
空隙率
稳定度
弹性模量
评估沥青胶结料用量
选择再生剂(RA)类型及数量
评估新集料正确用量
评估原沥青胶结料的类型和用量
选择AR、集料、沥青胶结料
制备由不同RAP、RA、集料和沥青胶结料混合而成的样品
搅拌并压实混合料
确定:
密度
空隙率
稳定度
弹模
水敏性
确定:
最大理论密度
再生沥青结合料性质:
针入度
粘度
温度敏感性
Superpave PG分级
再生沥青结合料及混合料性质精确试验结果
所有性质都合适
抗车辙及疲劳性的最佳配比
所有性质都合适
完成配比设计并建立生产配比
HIR施工中根据QC/QA试验做现场调整
图3-2综合法HIR配合比设计流程图
设计流程图看似复杂,但逻辑性强,易于使用。流程图所包含的步骤都必须遵守,目的是判明影响再生混合料性能的重要因素。
加新集料的方法:用已加热的新集料作载体拌和新沥青后,再掺到已预热的旧路面混和料中。其优点是粗集料预先裹覆,可缩短老沥青路面的加热时间,提高生产率,又有利于环保等。
3.1.3 Superpave法
Superpave技术是SHRP的一项研究成果,是沥青基于使用性能的沥青结合料规范即PG性能规范,使用旋转压实仪的体积法设计配合比。
最初Superpave仅用于新沥青和新HMA,近年延伸到掺用不大于40%RAP的研究。旧沥青经掺配新沥青或再生剂,使所配制的再生沥青等级满足高、中和低温性能的要求。
高温性能:用动态剪切流变仪 (DSR)测定沥青在高、中温荷载频率下沥青的复数剪切模量和相位角(G*/Sinδ),以控制车辙变形。
中温性能:要求RTFOT和压力老化试验(PAV)残留物的G*/Sinδ,控制常温条件的疲劳开裂;
低温性能:用RTFOT+PVA残留物蠕变劲度值(s)和蠕变速率值(m) ,以控制低温开裂。
Superpave设计步骤见图3-3
确定掺配新沥青的比例和等级
(1)将老化沥青和新沥青以不同比例掺配得出各种温度下掺配沥青G*/Sinδ值。Y坐标为双对数G*/Sinδ值,图中左边纵坐标为老化沥青的G*/Sinδ值,右边纵坐标为掺配沥青的G*/Sinδ的δ值。
(2)连接两点的直线与1.0kPa和2.0kPa两条水平线相交,交点分别为A和B。
(3)A点对应的X坐标为掺加沥青用量的最大值,而B点所对应的X坐标为掺加沥青用量的最小值。
(4)根据经验考虑有关因素,预估再生工程中掺加的新沥青用量。
(5)用工程所在地环境温度,测试老化沥青和掺加新沥青的G*/Sinδ值。当G*/Sinδ分别为1.0、2.0kPa水平线相交,对应X轴即为新沥青掺加量范围。
(6)该掺量百分比与4中预估掺量进行比较,如高于对应X轴中掺量的最低百分率,则需降低PG等级重新测试,直至G*/Sinδ交点的掺量最大值和最小值符合1中A、B线对应X轴的掺量范围。
3.2 FDR法
为提高旧路面混合料的性能,通常进行稳定处理改善其强度、水稳性和耐久性。
稳定方法有机械的,化学的,沥青的和复合的四种。设计步骤汇总在表3-2
3.2.1 机械稳定法配合比设计
机械稳定材料有粗、细集料及回收破碎的旧水泥混凝土材料等。 论证机械稳定适用性时,必须需要考虑道路线型状况,如跨线结构的净跨径、路缘石的高度、道路宽度和边坡等以确定容许加入粒料的数量。此外,应用此法时,当地集料要丰富。当旧料标高等受到限制,当地集料紧缺或需远运,则采用无机稳定法更为合适。对基层有柔性要求时宜用沥青稳定。
3.2.2 化学稳定法配合比设计
化学稳定的材料有水泥、石灰和粉煤灰等无机稳定剂。水泥、石灰等除用粉状外还可以用浆体,因浆体计量精确,且利于保护环境。水泥可以提高早期强度,水泥适用于再生材料中塑性指数小于10,如果超过10,通常使用石灰稳定,石灰与再生材料中的粘土相互作用可以降低塑性。水泥、石灰等稳定剂可提高早期强度,如掺有粉煤灰可减少收缩导致的路面开裂。再生材料中含粗粒料多且粒径均一可增加细料,如果再生材料太细或塑性指数高则加粒料。
3.2.3 沥青稳定法配合比设计
沥青稳定材料有乳化沥青、泡沫沥青等,采用乳化沥青和泡沫沥青的组成设计步骤大体相同,但稍有差别。选用泡沫沥青其优点是可在更宽松的气候条件下施工,有足够和易性,易压实。用泡沫沥青作稳定剂,级配中小于0.075mm应在5-15%范围,以免形成富沥青团,或成润滑剂,从而降低再生混合料的强度和稳定性。对矿粉的塑性指数不宜高,否则会阻止泡沫沥青裹覆和稳定混合料。如用乳化沥青作稳定剂,其原因是适合与冷湿再生材料混合,但要注意乳化沥青与再生材料的相容性及工艺中用水的相容性。乳化沥青使用不同的乳化剂与添加剂,其相容性也是不同的。
3.2.4 复合稳定法配合比设计
复合稳定材料是化学稳定材料和沥青稳定材料的复合应用。其组成设计可综合3.2.2和3.2.3进行。
FDR法设计步骤汇总 表3-2
步骤
机械稳定法配合比设计
化学稳定法配合比设计
沥青稳定法配合比设计
复合稳定法配合比设计
1
论证机械稳定法的适用性
评价旧路面混合料的适用性
评价旧路面混合料作柔性基层的适用性
组成设计可以综合化学稳定法和沥青稳定法进行。
2
旧路面取样、抽提、筛分、计算旧路面混合料级配及需加入的新集料等
3
确定最佳含水量及相应的最大干密度。
通过试拌确定旧路面混合料、化学稳定材料和水的比例,以确定最佳含水量及相应的最大干密度;
确定最佳含液量
4
成型试件测试干、湿强度及回弹模量,经济分析
成型试件,评价再生混合料试件的干、湿强度,冻融等耐久性能。
成型试件,确定最佳沥青用量;测试强度和水敏性,需要时增加、动态蠕变等。
注:含液量是乳化沥青组成中的水、拌和用水、再生添加剂和RAP含水量的总和。
3.3 CIR配合比设计
设计步骤为:
(1)旧路面取样
(2)了解旧路面混合料的性能、抽提、筛分等
(3)确定新集料的用量与级配,参考表3-3
(4)选择稳定剂
稳定材料有由乳化沥青、泡沫沥青、水泥和石灰等,需要复合应用时,可掺加专用再生剂。
(5)预估总用水量和稳定剂用量,拌和再生混合料
(6)成型试件
(7)养护,有短期和长期,方法见配合比设计注意问题中(2)④
(8)测试物理、力学性质
包括毛体积密度,马歇尔稳定度、流值、间接拉伸强度等。在有水影响的地区需增加测试水稳性
(9)在室内确定配合比的基础上,根据现场温度和湿度条件由有经验、有资格的人员进行调整。
CR混合料级配 表3-3
筛孔尺寸
A
B
C
D
通过率(%)
40.0mm
100
25.0 mm
90-100
100
20.0 mm
90-100
100
12.5 mm
60-80
90-100
100
9.5 mm
60-80
90-100
4.75 mm
25-60
35-65
45-75
60-80
2.16 mm
15-45
20-50
25-55
35-65
0.300 mm
3-20
3-21
6-25
6-25
0.075 mm
1-7
2-8
2-9
2-10
3.4配合比设计注意问题
⑴旧路面取样
取有代表性的RAP试样使充分代表工程RAP的使用性能以正确设计再生混合料。取样前应制定详细的取样计划。采用施工与养护结合的方法来确定材料是否存在差异。有明显差异的路段,应作为单独的取样段划出和处理。不同区域和养护区域不应放在一起进行设计。划出有代表性取样单元后,采取随机取样的方法按每个单元取路面试样。通常建议在区域内分批随机取样,取样的批次和数量按工程长度与交通状况确定,对更大的工程,长度大于6.4km,通常每1 km随机取样1个,每个工程最少取样6个试样,对大的不均匀区域为20个或更多。对小的区域取样数量为3到5个。总之取样的数量与频率取决于老路处理厚度和芯样的直径、实验室试验项目及配合比设计方案的规模等因素。
取样的方法有钻芯、锯块和小铣刨机三种。锯切块取样通常比钻芯费用高。小铣刨机类型不同很难达到取样的一致性。用小铣刨机所取试样的级配与大、中型铣刨机相比,最大粒径偏细,通过0.075mm含量较多,且费用昂贵。为此,目前普遍采用钻芯取样方法,通常直径为150或200mm,用现场钻芯所得的试样级配与CIR现场工艺所得级配接近。钻芯取样应在全部厚度取得。如是CIR尽量取老路处理厚度芯样的上部,用于随后的分析,以免带有不同道路层位的材料影响评价性能。为精确获取路面材料的含水量,应用干法取芯,如用压缩空气代替水等方法获取。用湿法取芯所得含水量增大,影响铣刨旧路面时用水量的精度,也增加沥青路面除出水份所需热量。此外尚需注意铣刨后的道路必须进行评价,以确保道路能够支撑再生车组。通常建议保留25 mm~50 mm沥青路面或150 mm基层以提供足够的承载力。
⑵试验方法
① 钻芯取样的试件应谨慎干燥和加热,以免将已老化沥青再发生老化。旧路面材料中需加入外掺剂、再生剂等,则再生混合料应在非强制通风烘箱内加热、养护,其温度比再生混合料碾压温度高5℃,待温度达120~130℃后保持30分钟~1小时,以便再生剂有足够的时间分散到沥青中,但时间也不能太长,要符合施工实际情况。
② 并非所有的专用再生剂和老化沥青都相容。再生剂选择要注意配伍性、改善效果与经济性。
③ 在试样制备试件前应将旧路面材料烘干,并测定含水量以便制件及铣刨旧路面材料时扣除其中水量。如果采用浆体无机稳定剂或乳化沥青稳定剂,在确定拌和、拌制用水时要扣除其中含水量。
④ 用机械稳定或无机结合料稳定时,试件基本按公路土工试验规程有关方法进行,但稍有改进,闷料时间为2~4小时,这是模拟现场拌和与初整平再生混合料所需的时间。试件养护条件相对湿度95~100%,温度22~25℃,时间1天。对于用某些无机稳定剂稳定的试件,需在试模中保留24小时以便脱模前有足够的强度。
乳化沥青稳定再生材料时通常采用马歇尔法、维姆法或改进的冷拌方法制作和压实混合料。乳化沥青制备试件前,先要寻求制备乳化沥青的最佳油石比,以得出最佳的拌和相容性及裹覆效果,较好的方法是室温并且初始破乳前压实试件。
泡沫沥青制件前,需获得膨胀比和半衰期最佳值。拌和加水量用先前确定的最佳用水量的90%,然后加入所需的泡沫沥青。在40℃条件下击实75次以接近现场密度。
乳化沥青或泡沫沥青拌和、击实后的试件于室温下带模养护24小时,脱模后置于光滑平板上,在40℃的强通风烘箱中养护72小时;也可在60℃条件养护2~4小时,试件在试模中侧放;有的在110℃下放置,还有的在60℃下放24~48小时,后两种长期养生前可脱模具。
测试强度在25℃条件下进行。如要评定水稳性,将试件在25℃水中浸泡24小时,为缩短时间也可用真空饱和法。
4.质量控制
为保证施工质量和道路性能,需建立施工质量控制规范,在施工期间严格质量检查,以确保达到规范要求。
美国沥青再生指南中仅有沥青路面冷再生指导性规范,其现场取样与试样计划见表4-1。
CIR现场取样与质量检查 表4-1
试验类型
试验目的
频率
取样位置或尺寸
RAP的级配,筛孔为(50、37.5或31.5mm)
检查最大粒径是否符合规范规定
每(0.8Km)
传送带,观察窗或面层最少取9.0Kg
再生添加剂(乳化沥青,乳化的再生添加剂,水泥,粉煤灰,石灰等等)
检查规范的执行情况
每次送料,每天测试一次
从再生车组的沥青罐或运输车取样,用敞口的塑料瓶盛放1.0Kg的量
RAP的湿度
调节用水量以取得合适的配合比和最佳压实度
每0.8Km
从混合料传送带或摊铺以后,最少取9.0Kg
硬化后面层的湿度(乳化沥青/再生剂)
确定何时添加新沥青
每0.8Km
全冷再生时提升的样品,最少取1.4Kg
再生添加剂的含量
检验再生添加剂的用量和计数器的精确性
最少每天一次
储罐测定,运输车重量或计数器读数和由传送带计数器记录的RAP重量综合测得
从螺旋布料器中取再生料的密度
按规范要求确定压实程序和目标密度
每(0.8Km)1,2最少取两条带上做核子密度试验
如果再生混合料的主要技术指标发生变化,在项目开始时或需要时,长(120-150m)的带上
现场压实试件的压实密度
按规范要求确定目标密度
每(0.8Km)1,6取样并做核子密度试验
摊铺后从传送带,观察窗或面层取样,最少9.0Kg
粉碎/铣刨的深度
是否符合规范设计要求
每0.2Km或视需要另增200m
测量面层断面,附近纵向接头和外边缘处
采用厂拌冷再生时,再生料的撒布厚度
检查布料厚度是否符合规范或设计要求
每0.2Km或视需要另增200m
测量面层断面,附近纵向接头和外边缘处
混合料生产设备校准
保证再生添加剂掺量和含水率
每年项目开始之前应检查
材料开始从拌和缸输送到运输车,液体输送到桶,罐或沥青喷洒机的计重器
辅助信息
再生材料的温度
确定压实对温度的影响和设计控制温度
最少一天四次,上午早些时候和下午晚些时候各两次
再生料拌和时和摊铺之前
再生面层的平整度
了解摊铺机的一些数据,以备将来可能写入规范
连续或经挑选的现有路面和冷再生后的路面
表面平度仪
原路面和再生材料的各自含量①
确定新添加沥青和所有沥青的含量
随机⑥
从所选地点的贮料堆或再生前的路面,以及再生的面层处,最少取重9Kg
5、研究与建议
5.1研究必要性
经济和交通发达的美国,有实力和需要进行路面再生研究与应用。对再生技术研究系统而全面,工程上应用较多,积累了丰富的经验,其中包括用Superpave方法设计再生混合料,根据再生混合料的特点对原有HMA配合比设计及试验方法作出改进等,这些对我国具有借鉴意义和参考应用价值。
在指南中一些问题有待继续研究,如Superpave法设计HR混合料时,中、低温性能、用SGC压实旋转次数及旧沥青混合料高于40%等。
我国公路交通建设发展迅速,截止2007年底,公路通车里程达348万公里,高速公路5.3万公里。较早修建的沥青路面需大、中修。目前我国约有20个省市对道路路面再生技术研究与应用,取得很大进展,但尚有很多问题需要研究解决,现提出与业内人士商榷,旨在抛砖引玉。
5.2再生材料混合料级配
为改善旧路面中沥青老化及HIR混合料的性能,需掺用专用再生剂或沥青等。专用再生剂掺量少,且与旧沥青混合料易拌和,工艺简便。乳化沥青能方便地与就地铣刨的冷湿混合料拌和。
目前,我国对再生剂开始进行研究,但尚未广泛使用,也缺少反馈应用效果的信息。而制备乳化沥青所用的乳化剂品种单一,制备工艺参数并没有随结合料等级与乳化剂品种不同而进行优化,期望研究获得品质优良,价格合理的产品,以适应再生路面中的需要。
混合料级配同路面性能与施工状态密切相关,目前,我国旧路面材料大多用作基层或底基层。将旧混合料掺配新集料或新结合料,按新沥青层或稳定类基层提出技术要求,如大量的二级路,沥青面层5~10cm,再生施工时将旧路面(含稳定基层)一次铣刨,材料共混掺配新料后用作基层。美国指南中推荐了冷再生中旧路混合料加新料后级配有4种类型但缺乏应用条件。美国沥青协会AI推荐冷再生混合料级配设计范围有2类7种,对我国是否可用,不得而知。
5.3再生沥青混合料技术指标与结构厚度
美国指南指出,HR法RAP掺量小于50%,比当量新HMA密度大,矿料间隙率小,空隙率低,稳定度与流值高,但其性能不低于新HMA。如要求HIR与常用HMA相同的物理力学性质铺筑时,又未必有一样的现场特性,可见采用的新HMA与旧路混合料的性质及施工工艺存在差异,仍需加深研究与积累资料,从而制订出切合实际的技术指标。
结构层厚度设计需要材料设计参数,如混合料抗压模量,劈裂强度等。由于对旧沥青路面混合料及掺用不同比例的新材料的混合料尚未系统研究,因而缺乏设计参数,随之也无法科学地设计出再生混合料的厚度。
5.4机械设备
铣刨机械选用洽当是确保修建再生路面的质量与经济性的必要条件,但至今我国尚未开发研制。近几年旧路面再生应用中仅购置台数不多的进口设备或租赁应用,因而影响了再生经济效益和质量。
关于拌和设备,根据再生的特点,美国有特定设计或改进间隙式和连续式的拌和机,既减少预热路面所需热量和不延误铣刨、摊铺等工序,还避免因预热汽化脱水增加沥青的老化及控制废气排放量等。
目前,我国拌和旧沥青路面混合料仍为惯用的HMA拌和机械,可见开发、研制机械设备也是当务之急。
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