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氯盐干湿循环下纤维编织网增强混凝土力学性能.pdf

1、第 1 9卷第 4 期 2 0 1 6年 8月 建筑材料学报 J OURNAL OF B UI LDI NG MATERI ALS Vo1 1 9 No 4 Au g , 2 O1 6 文章编 号: 1 0 0 7 - 9 6 2 9 ( 2 0 1 6 ) 0 4 0 7 5 2 0 6 氯盐干湿循 环下纤维编织 网增强混凝土力 学性能 尹世平 , 王 波 , 强 东峰 , 王玄玄。 ( 1 中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏 徐州 2 2 1 1 1 6 ; 2 中国矿业大学 江苏省土木工程环境灾变与结构可靠性重点实验室 , 江苏 徐州 2 2 1 1 1 6 ; 3

2、 中国矿业大学 力学与建筑工程学院 , 江苏 徐州 2 2 1 I 1 6 ) 摘 要 : 通过 拉拔 和 四点 弯 曲试 验研 究 了氯 盐( Na C 1 ) 溶 液作 用 下干 湿循 环 次数 、 氯 盐溶 液浓度 ( 质 量 分数) 和短切 纤 维种 类对 纤维编 织 网增 强 混凝 土 ( TR C) 性 能 的影 响 结 果表 明 : 在 浓 度 为 5 0 0A 的 氯盐溶液作用下, 随着干湿循环次数的增加, T R C中纤维束与混凝土的界 面性能呈现下降趋势, 而 TR C的抗弯强度有先提高后降低的趋势; 在 1 2 0次干湿循环作 用下, 随着氯盐溶液浓度的增加 , 纤 维束

3、 与 混凝土 的界 面黏 结 强度 变化 不 大 , 而 TR C的抗 弯 强度也 呈 现 先升 高后 降低 的趋 势 掺 加 短 切 AR - g l a s s 纤 维和 P VA 纤 维均可提 高纤 维束 与混凝 土 的界 面性 能及 TR C的抗 弯性 能 , 且 后 者对 T R C抗 弯承 载力 的提 高更 为明 显 关键 词 :纤 维编 织 网增 强 混凝 土 ;氯盐 干 湿循 环 ; 界 面性 能 ;抗 弯 强度 中图分 类 号 : TQ5 2 8 5 8 2 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

4、 2 0 1 6 0 4 0 2 5 M e c ha ni c a l Pe r f o r ma n c e o f Te x t i l e Re i nf o r c e d Co n c r e t e u n de r Ch l o r i d e Sa l t Dr y W e t Cy c l e y I N S h i p i n g 。 “, WANG Bo , Q I ANG Do n g f e n g ”, WANG Xu a n x u a n , ( 1 S t a t e Ke y La b o r a t o r y f o r Ge o me e h a n

5、 i c s& De e p Un d e r g r o u n d En g i n e e r i n g,Ch i n a Un i v e r s i t y o f M i n i n g a n d Te c h n o l o g y,Xu z h o u 2 2 1 1 1 6 ,Ch i n a ;2 J i a n g s u Ke y La b o r a t o r y o f En v i r o n me n t a l I mp a c t a n d S t r u c t u r a l S a f e t y i n E n g i n e e r i n

6、 g,Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d Te c h n o l o g y ,Xu z h o u 2 2 1 1 1 6,Ch i n a ;3 S c h o o l o f Me c h a n i c s& Ci v i l En g i n e e r i n g,Ch i n a Un i v e r s i t y o f M i n i n g a n d Te c h n o l o g y ,Xu z h o u 2 2 1 1 1 6,C h i n a ) Ab s t r a c t :By t h e

7、 p u l l o u t t e s t a n d f o u r - p o i n t b e n d i n g t e s t ,t h e i n f l u e n c e o f t h e n u mb e r o f d r y we t c y c l e s , t h e c o n c e n t r a t i o n( ma s s f r a c t i o n )o f c h l o r i d e s o l u t i o n a n d t h e t y p e s o f s h o r t f i b e r s o n t h e p e

8、 r f o r ma n c e o f t e x t i l e r e i n f o r c e d c o n c r e t e ( TRC) wa s s t u d i e d u n d e r t h e a c t i o n o f s o d i u m c h l o r i d e s o l u t i o n Th e r e s u l t s s h o w t h a t u n d e r 5 9 5 c o n c e n t r a t i o n o f c h l o r i d e s o l u t i o n,wi t h t h e

9、i n c r e a s e o f t h e n u mb e r o f d r y - we t c y c l e s , t h e i n t e r r a c i a l p r o p e r t y b e t we e n y a r n s a n d c o n c r e t e i n TRC p r e s e n t s a d o wn wa r d t r e n d a n d t h e b e n d i n g s t r e ng t h o f TRC i n c r e a s e s f i r s t a n d t h e n d

10、e c r e a s e s;un de r 1 2 0 t i m e s o f d r y - we t c yc l e s,wi t h t h e i n c r e a s e o f t h e c o n c e n t r a t i o n o f c h l o r i d e s o l u t i o n,t h e i n t e r f a c i a l s t r e n g t h b e t we e n y a r n s a n d c o n c r e t e i n TRC c h a n g e s a l i t t l e a n d

11、t h e b e n d i n g s t r e n g t h o f TRC a l s o i n c r e a s e s f i r s t a n d t h e n d e c r e a s e s Ad d i n g b o t h AR g l a s s a n d PVA s h o r t f i b e r s c o u l d i mp r o v e t h e i n t e r r a c i a l p r o p e r t y b e t we e n y a r n s a n d c o n c r e t e i n TRC a n

12、d t h e b e n d i n g p r o p e r t y o f TRC,a n d t h e l a t t e r h a s b e t t e r i mp r o v e me n t o n t h e f l e x u r a l b e a r i n g c a p a c i t y o f TRC Ke y wo r d s :t e x t i l e r e i n f o r c e d c o n c r e t e ;c h l o r i d e d r y - we t c y c l e ;i n t e r f a c i a l

13、p r o p e r t y ;b e n d i n g s t r e n g t h 收稿 日期 : 2 0 1 5 0 5 1 7 ;修订 日期 : 2 O 1 5 一 O 7 2 3 基金项 目; 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 4 7 8 4 5 8, 5 1 1 0 8 4 5 1 ) ; 江苏省 自然科学基 金资助项 目( B K2 0 1 1 2 2 0 ) ; 中央高校基本 科研业 务费专 项资金资助项 目( 2 0 1 4 QNA7 9 ) ; 中国博士后基金资助项 目( 2 0 1 4 T7 0 5 5 9 , 2 0 1 2 M5 1 1 3 3 7 ) 第

14、一作 者: 尹世平 ( 1 9 7 8 一) , 男 , 山东高密人 , 中国矿业大学副教授 , 博士 E ma i l : y i n s h i p i n g 2 8 2 1 1 6 3 c o m 第 4期 尹世 平 , 等 : 氯盐干湿循环下纤维编织 网增强混凝 土力 学性 能 在海洋环境 中, 钢筋混凝土结构耐久性降低大 多是 因其 中的钢筋受到氯盐 ( Na C 1 ) 侵蚀 而产生锈 胀所致 , 采用纤维编织 网增强技术即可解决这一问 题 纤 维 编织 网增 强 混 凝 土 ( t e x t i l e r e i n f o r c e d c o n c r e t e

15、,T RC ) 是一种新 型复合材料 1 , 主要 由纤维 编织 网和高性 能混凝土组成 , 它具有轻质高强等特 点 , 在建筑结构中具有广泛 的应用前景 目前 , 关于 T RC在常规环境下力学性能的试验 研究较多, 结果表 明, 采用纤维编织网增强技术能明 显提高水泥基复合材料 的力学性 能I 1 为 了提高纤 维束 的协 同受力 能力 和增 强纤 维编 织 网与水 泥基 材 料 的黏 结性 能 , 可 对 纤 维 编 织 网进 行 浸 胶 处 理_ 3 B a r h u m 等 6 通 过 拉 拔 试 验 研 究 发 现 , 在 水 泥 基 材 料 中掺加短切纤维能提高纤维编织 网和混

16、凝土之间 的黏结强度 但是 , 关于 TR C在氯盐溶液作用下 的 力 学 性 能 和 耐 久 性 能 研 究 成 果 较 少Mu me n y a 等口 研究表明, 在干湿 、 冷热循环作用下 , 纤维编织 认为 , TR C具有 良好 的抗海水侵蚀性能 , 而且 , 其耐 久性取决于纤维编织 网与混 凝土界面 的抗侵 蚀能 力 , 但并没有对其开展进一步的研究 为此本文就氯 盐溶液作用下干湿循环次数、 氯盐溶液浓度( 质量分 数) 和短切纤维种类对 TR C力学性能的影响进行了 研 究 1 试验 1 1原材 料 试验采用碳纤维束和无碱玻璃纤维束混和针织 的二维编织网, 网格间距为 1 0

17、mm, 碳纤维束为受力 纤维 , 玻璃纤维束主要用来 固定碳纤维束 , 表 1 为碳 纤维束的物理力学参数 混凝土为高性能混凝土 , 其 配合 比参见文献 3 , 5 为了提高纤维编织网和混凝 土的黏结性能 , 用环氧树脂对纤维编织网进行 了浸 胶粘 砂处 理 ( 见 图 1 ) 短切 纤 维 为 AR g l a s s 纤 维 和 P VA纤维 , 其几何参数及力学性能见表 2 , 掺量( 体 网和水泥基材料的黏结性能退化不大 杜玉兵等 。 积分数) 均为 0 5 表 1 碳 纤维束 的物理 力学参数 Ta b l e 1 P hy s i c a l a n d me c h a ni

18、c a l p a r a me t e r s o f c a r b o n f i b e r y a r n s 图 1 浸胶粘砂后 的纤 维编织网 F i g 1 T e x t i l e a f t e r e p o x y r e s i n i mp r e g n a t i o n a n d s t i c k i n g s a n d 1 2试件 制 作 首先将 9 0 0 mm4 5 0 mm 的木模具放平 , 然后 浇筑 5 mm厚度 的混凝土 , 再将纤维 编织 网固定到 模具上, 浇注 5 mm 厚的混凝土保护层 ( 四点弯曲试 件的保护层为 3 mi l

19、 l 厚) , 在室温养护 2 4 h拆模 , 置 于标 准 养 护 室 养 护 2 7 d , 即 可 得 到 T RC 板 用 T D M1 2 0 0电动石 材切 割 机将 T R C板 切 割 成不 同尺 寸试件 拉拔试件尺寸为 2 0 0 mm6 O mm1 0 mm, 四点 弯 曲 试 验 试 件 尺 寸 为 4 0 0 mm 1 0 0 mm 8 mm, 每组 3 个试件 , 其试验数据取平均值 试件的 表 2 短切纤维的几何参数及力学性能 Ta b l e 2 Ge o me t r i c p a r a me t e r s a n d p r o p e r t i e

20、s o f s ho r t - c u t 干湿循环制度为: 常温下 , 在氯盐溶 液中浸泡 1 2 h , 然后在室内干燥 1 2 h 拉拔和弯 曲试件试验参数见 表 3 , 其中 D组为拉拔试件, P组为弯曲试件 , D O和 P 0为对 照试件 1 3试 验 拉拔和四点弯曲试验设备为 1 0 0 k N 的电子万 能试验机 , 前者的加载速率为 1 0 ram rai n , 后者 的 加 载速率为 0 5 mm mi n , 加载试验如 图 2所示 在 四点弯曲试验时 , 将试件 5 iT l m厚 的保 护层朝上放 置, 数据采集仪通过荷载传感器和位移计记 录试件 的荷载和挠度 建

21、筑材料学报 第 1 9卷 表 3 拉拔和弯 曲试件试验参数 T a b le 3 E x p e r i m e n t a l in fo r m a ti o n o f p u ll。 u t a n d b e n d in g s p e c im e n s 2 试验 结果及分析 2 1界 面性 能 碳纤维束的埋长为 2 0 mm, 平均界 面黏结强度 ( r ) 由文献 5 建议的公式计算 在干湿循 环作用 下 , 试件的最大拉拔荷载 ( P 一 ) 及平均界面黏结强 度见表 4 , 拉拔荷载一 滑移曲线见 图 3 2 1 1 干湿循 环 次数 的影 响 由表 4可见 , 当氯盐

22、溶液浓度为 5 0 时, 随着 干湿循环次数 的增加 , 纤维束与混凝 土的最大拉拔 荷载和平均黏结强度有逐渐 降低 的趋势 , 这是 由于 氯盐在纤维束和混凝土的界面处产生结晶及侵蚀产 l 5 0 I 1 O 0 I 1 O 0 I l O 0 I 5 0 I ( b ) F o u r - p o i n t b e n d i n g t e s t 图 2 加 载试 验装置 F i g 2 S e t u p s c h e ma t i c f 0 r l o a d i n g t e s t ( s i z e : ram) 表 4最大拉拔 荷载及界 面黏结 强度 Ta b l

23、e 4 M a x i mu m p u l l o u t l o a d a n d a v e r a g e i n t e r f a c e b o n d s t r e n g t h o f s p e c i me n 物引起混凝土孔隙破裂所致 2 1 2 氯 盐溶 液浓 度 的影 响 由表 4可见, 随着氯盐溶液浓度的增大 , 纤维束 与混凝土 的平 均黏结强度变 化不大 由图 3 ( b ) 可 见 , 当氯盐溶液浓度为 7 5 时 , 试件达到拉拔峰值 荷载后 , 其荷载陡降, 这说明纤维束与混凝土的界面 已被破坏 , 而且 , 随着氯盐溶液浓度 的增加 , 峰值荷

24、载后纤 维束 与混 凝土 的界 面破 坏更 快 2 1 3 短 切纤 维种类 的影 响 由表 4和 图 3( c ) 可见 , 当氯 盐溶 液浓 度 为 5 0 时 , 掺加短切纤维后 TR C的界面黏结强度有 所提高 , 这是因为短切纤维具有桥联作用, 可增强纤 维束与混凝土 的黏结强度 , 且掺加短 切 P VA纤 维 对 T RC界面黏结强度的提高 比掺加短切 AR - g l a s s 纤维 更 明显 2 2 抗 弯性 能 在干湿循环作用下 , 试 件的开裂荷载 ( P ) 、 破 坏荷载( P ) 、 开裂挠度 ( D。 ) 、 破坏挠度( D ) 见表 5 , 荷载一 跨中挠度

25、曲线见图 4 2 2 1 干湿循环次数的影响 由表 5可见, 当氯盐溶液浓度为 5 0 时, 随着 干湿循环次数的增加 , 试件 的开裂荷载逐渐减小 这 是因为试件在初始开裂时 , 纤维编织 网与混凝土的 相对变形很小 , 界面黏结力还未产生作用 , 试件受力 主要 由混 凝土 承担 , 而 随着 干湿循 环 次数 的增 加 , 混凝 土 的抗 拉 性 能 下 降跏 由图 4 ( a ) 可 见 , 干 湿 循 第 4期 尹世平 , 等 : 氯盐干湿循环下纤维 编织 网增 强混凝土力学性能 ( a ) Nu mb e r o f d r y we t c y c l e ( b ) Co n

26、c e n t r a t i o n o f c h l o r i d e s o l u t i o n ( c ) Ad d i n g s h o r t - c u t fi b e r 图 3 拉拔荷 载一 滑移 曲线 Fi g 3 C u r v e s o f p u l l o u t l o a d a n d s l i p 表 5 试件开裂与极限状态荷载、 挠度 Ta b l e 5 L o a d a n d d e f l e c t i o n v a l u e o f s p e c i me n a t c r a c k i n g a n d u l

27、t i ma t e c o n d i t i o n Nu mb e r P k N P k N D mm D mm 环 1 2 0次的试件抗弯承载力 明显提 高 这可能是 由 于混凝土的抗压性能得到改善 , 使纤维编织 网的抗 拉性 能得 到充 分 发挥 所 致 因 为 随着 干 湿 循 环 的 进 行 , 一方面水泥的水化更加充分 , 另一方面氯盐产生 的结 晶 和 侵 蚀 产 物 可 填 补 混 凝 土 的 孔 隙 和 缺 陷 9 , 使之更加 密实 , 从 而使抗 压强度 进 一步 提 高 不过 , 随着干湿循环次数的增加 , 氯盐结晶和侵 蚀产物膨胀会引起混凝土开裂破坏 , 导致

28、 TR C的抗 弯承载力有所降低 2 2 2 氯盐溶液浓度的影响 由表 5可见 , 当氯盐溶液浓度为 2 5 , 5 0 , 7 5 时 , 经过 1 2 0次干湿循环的试件开裂荷载分别 为 0 1 6 7 , 0 1 5 1 , 0 1 6 1 k N, 相 比 于对 照试 件 , 开 裂 荷载降低 , 但是 , 其破坏荷载随着氯盐溶液浓度 的增 加呈先增大后减小的趋势( 见 图 4 ( b ) ) 这是由于氯 盐产生的结 晶和侵蚀产物随其浓度的增加会越来越 多 , 导致混凝土产生的膨胀越来越大 9 , 对混凝土抗 压强度 的影响由有利变为不利 , 最终导致 T RC抗弯 承载力先增大后减小

29、 另外 , 由于氯盐溶液 浓度 对 T R C的界面黏结强度影响不大 , 3组试件 的裂缝形 态相 似 , 刚度差 别 较小 , 因此 其 破坏 挠 度无 太 大 变化 2 2 3 短切 纤维 种类 的影 响 由表 5可见 , 掺加短切纤维可以提高 T RC的开 裂荷载和破坏荷载 这是 由于掺加短切纤维有利于 改 善混凝 土 的力学 性 能 , 减 少早期 微 观裂缝 , 从 而使 其开裂荷载提高 , 开裂挠 度增大 众所周知 , 短 切纤维在裂缝处的桥接作用有助于纤维编织 网和混 凝土之间的应力传递 , 提高二者的界面黏结性能, 从 而使 T RC的破坏荷载增大 另外 , 掺 加短切 P V

30、A Z) I, p 对 0 一 _ 0 I I Z ,p 0 一 暑0 一 一 T l Z毫g _【 苗0 H H 7 5 6 建筑材料学报 第 1 9卷 Mi d s pa n d e fle c t i o n mm ( a ) Nu mb e r o f d r y - we t c y c l e 2 O 1 8 1 6 1 4 1 2 1 O 0 8 O 6 0 4 02 O Mi ds p a n d e fle c t i o n mm ( b ) Co n c e n t r a t i o n o f c h l o r i d e s o l u t i o n Mi d

31、s p a n d e fle c t i o n ram ( c ) Ad d i n g s h o r t - c u t f i b e r 图 4 荷载一 跨 中挠 度曲线 F i g 4 Cu r v e s o f l o a d a n d mi d s p a n d e f l e c t i o n 纤维还有助于纤维编织网和混凝土协 同受力, 提高 TR C的弯 曲刚度 , 使试 件 的破 坏挠 度减 小 ( 见 图 4 ( c ) ) 3 结论 ( 1 ) 当氯盐溶液浓度为 5 时 , 随着干湿循环次 数 的增加 , 纤维束与混凝 土的界面性能呈现下 降趋 势, 而 T

32、R C的抗弯强度呈现先升高后降低趋势 ( 2 ) 当干湿循环 1 2 0次时 , 随着氯盐溶液浓度的 增加 , 纤维 束 与混 凝 土 的界 面性 能 变化 不 大 , 而 T RC的抗弯强度呈现先升高后降低趋势 ( 3 ) 在干湿循环作 用下 , 掺加短切 P V A 纤维 、 AR g l a s s 纤维 可提 高 T RC的界 面性 能及 抗弯 性 能 , 且短切 P VA纤维对提高纤 维束与混凝土 的界 面强度及 TRC的抗弯承载力效果更明显 参考文献: 1 2 3 M U M EM YA S W , TAI T R B, ALEXANDER M G Ev a l u a t i o

33、 n o f t o u g h n e s s o f t e x t i l e c o n c r e t e J Ma t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s , 2 0 1 0, 4 4 ( 1 ): 2 7 9 - 2 8 9 PELED A P r e - t e ns io n i n g o f f a b r i c s i n c e me n t - b a s e d c o m p o s i t e s J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h , 2 0 0 7

34、, 3 7 ( 5 ) : 8 0 5 8 1 3 YI N S P, XU S L, LI H D I mp r o v e d me c ha n i c a l p r o p e r t i e s o f t e x t i l e r e i n f o r c e d c o n c r e t e t h i n p l a t e J J o u r n a l o f Wu h a n U n i v e r s i t y o f Te c h n ol o g y( Ma t e r i a l s S c i e n c e), 2 O 1 3,2 8(1): 9 2

35、 9 8 4 S CHL E S E R M, WAL K L AUF F E R B, R AUP ACH M , e t a 1 Ap p l i c a t i o n o f p o l y me r s t o t e x t i l e r e in f o r c e d c o n c r e t e J J M a t e r Ci v i l En g, 2 0 0 6, 1 8 ( 5 ): 6 7 0 6 7 6 5 尹世平 , 徐世娘 , 王菲 纤维编织 网在细粒 混凝土 中的黏结 和 搭接性能E J 建 筑材料学报 , 2 0 1 2 , 1 5 ( 1 ) : 3

36、 4 4 1 YI N S h i p i n g, XU S h i l a n g, W ANG Fe i I n v e s t i g a t i o n o n bo n d i ng a n d o v e r l a p p i n g pe r f o r ma nc e o f t e x t i l e i n f i n e g r a i ne d c o n c r c t e J J o u r n a l o f B u i l d i n g Ma t e r i a l s , 2 0 1 2 , 1 5 ( 1 ) : 3 4 4 1 ( i n Ch i

37、n e s e ) r 6 B ARHUM R, MECHTCHERI NE VI n f l u e n c e o f s h o r t d i s p e r s e d a n d s h o r t i n t e g r a l g l a s s f i b r e s J Ma t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s, 2 0 1 3, 4 6 ( 1 ): 6 5 7 - 5 7 2 r 7MUM E MYA S W , T AI T R B, AL E XAND E R M G M e c h a n i c a l b e ha

38、v i o ur o f t e xt i l e c o n c r e t e un d e r a c c e l e r a t e d a g e i n g c o n d i t i o n s J C e me n t& C o n c r e t e C o mp o s it e s , 2 0 1 0 , 3 2 ( 8 ) : 5 8 0 5 8 8 8 杜玉兵 , 苟勇 , 刘小艳 碳纤维织 物增强混凝 土薄板 抗海水 侵 蚀性能研究E J 混凝土 , 2 0 0 8 ( 9 ) : 5 3 5 7 DU Yub i n g, XUN Yo n g, LI U Xi

39、a o y a n Co r r o s i o n r e s i s t a nc e o f c a lf b o n t e x t i l e r e i n f o r c e d c o n c r e t e s h e e t s i n s e a w a t e r E J C o n c r e t e, 2 0 0 8, ( 9 ): 5 3 5 7 ( i n Ch i ne s e ) 9 杨全兵 。 朱蓓蓉 混凝土盐结晶破坏的研究 J 建 筑材料学报 J 2 0 0 7 , 1 0 ( 4 ) : 3 9 2 3 9 6 6 4 2 O 8 6 4 2 O 1

40、1 1 1 O O O O Z毫 目 0 6 4 2 O 8 6 4 2 O 1 l l l O O O O Z焉 0 Z 日 0 第 4期 尹世平 , 等 : 氯 盐干湿循 环下纤维编织 网增强混凝土力学性能 7 5 7 ( 上接第 7 4 1页 ) I s 吴庆 , 章鑫森 , 袁迎曙 不同加速锈蚀方法下钢筋混凝土结构性 能试验研究 J 安 徽理 工 大学 学 报 ( 自然 科 学 版) , 2 0 0 5 , 2 5 ( 3 ): 2 卜2 5 WU Qi n g 。 Z HANG X i n s e n, YUAN Y i n g s h u E x p e r i me n t r

41、e s e a r c h 0 1 1 d i f f e r e n t s t r u c t ur a 1 b e h a v i or o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a ms u s i n g d i f f e r e n t a c c e l e r a t e d c o r r o s i o n me t h o d s - J J o u r n a l o f An h u i Uni v e r s i t y o f Sc i e nc e a n d Te c h no l o g y( Na t u r a l Sc i e n c e ), 2 0 0 5, 2 5 ( 3 ): 2 1 - 2 5 ( i n Ch i ne s e )

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