装配式结构混凝土结合面粘结强度试验研究

引用文献：

张晋峰孙彬毛诗洋王霓张裕照. 装配式结构混凝土结合面粘结强度试验研究[J]. 建筑结构，2018，48（23）：17-21,27.

Zhang Jinfeng Sun Bin Mao Shiyang Wang Ni Zhang Yuzhao. Experimental study on bond strength of concrete interface of prefabricated structure[J]. Building Structure，2018,48（23）：17-21,27.

作者：张晋峰孙彬毛诗洋王霓张裕照

单位：中国建筑科学研究院有限公司北京珠穆朗玛绿色建筑科技有限公司

摘要：为研究施工质量缺陷对混凝土结合面粘结强度的影响, 考虑结合面是否清理和是否洒水湿润两种处理情况, 共4种工况, 结合工程实际设计了结合面不同处理状况下的混凝土叠合试件, 并采用钻芯植筋拉拔法对混凝土结合面正拉粘结强度进行了试验研究。研究结果表明:钻芯植筋拉拔法用于原位检测混凝土结合面粘结强度是可行的;就粘结强度而言, 结合面是装配式混凝土结构的薄弱部位;表面处理情况对混凝土结合面粘结强度有明显影响, 结合面粘结强度随积灰面积的增大基本呈线性下降趋势;通过比较结合面粘结强度值可反映二次浇筑施工质量。研究结果可为结合面施工质量检测评定以及工程验收提供参考和依据。

关键词：装配式结构混凝土结合面粘结强度质量缺陷钻芯植筋拉拔

作者简介：张晋峰, 硕士, 工程师, Email:20588951@qq.com。

基金：国家重点研发计划项目(2016YFC0701800);中国建筑科学研究院应用技术研究课题(20150112330730050);住房和城乡建设部科技项目(2016-K5-043)。

0 引言

　　随着我国经济转型发展和建筑工业化进程的加快, 装配式混凝土建筑开始焕发出新的生机, 在全国得到大量推广应用^[1,2,3]。装配式混凝土建筑是通过工厂生产的混凝土预制构件在施工现场装配建造而成, 其较混凝土传统现浇建造方式而言, 具有质量高、工期短、节能减耗、环境友好等优点^[4]。但由于装配式混凝土建筑采用了大量叠合构件 (梁、板、墙) , 其中叠合板和叠合梁的后浇混凝土往往同时施工, 面积大、钢筋密集且预埋管路繁多, 如果浇筑混凝土时振捣不密实, 或结合面清理不彻底, 易在结合面上形成各类缺陷^[5], 导致预制构件与后浇混凝土之间的连接无法保证结构的整体受力, 从而难以达到“等同现浇”的设计初衷^[6]。

　　目前, 国内外对混凝土结合面粘结强度的研究主要集中在工程加固领域。Pedro等^[7]通过试验和数值模拟研究了结合面粗糙度、后浇混凝土养护情况及新老混凝土间弹性模量的差异对结合面粘结强度的影响;Ariel等^[8]通过理论模型和圆柱体试件劈裂试验对新老混凝土结合面进行了粘结强度机理研究;韩菊红等^[9]对新老混凝土粘结断裂机理以及影响粘结断裂性能的主要因素进行了研究;高剑平等^[10]采用了抗拉和抗剪试件, 对不同界面剂处理混凝土结合面的粘结强度进行了研究。以上研究取得了较全面的试验成果, 但受限于理论和数值模型, 且多限于在试验室内进行, 与工程实际还存在差异。卜良桃等^[11]和傅翔等^[12]采用钻芯粘结拉拔法对新老混凝土结合面粘结强度进行了试验研究并应用于工程实际, 但试验及工程数据不够充分。

　　综上, 国内外对于装配式结构混凝土结合面粘结强度现场检测并没有形成统一的方法或标准, 对于结合面粘结强度受缺陷影响的程度也没有深入的研究。针对工程上常用的钢筋混凝土叠合构件, 在已有研究基础上, 提出了一种用于叠合构件结合面粘结强度的现场检测方法, 并研究了表面不同处理情况形成的施工缺陷对结合面粘结强度的影响程度, 以期为叠合构件结合面施工质量检测评定及工程验收等提供参考依据。

1 试验原理

　　 叠合板面处理情况表1

编号	区域尺寸/mm	处理情况
A	900×1 860	未清理+洒水:板面未经任何处理, 以粉煤灰来模拟板面存在积灰, 在后浇层混凝土浇筑前洒水湿润板面, 板面无积水。
B	720×1 860	清理+洒水:清理板面疏松部分及积灰, 在后浇层混凝土浇筑前洒水湿润板面, 板面无积水。
C	900×1 860	未清理+不洒水:板面未经任何处理, 以粉煤灰来模拟板面存在积灰, 在后浇层混凝土浇筑前保持板面干燥。
D	720×1 860	清理+不洒水:清理板面疏松部分及积灰, 在后浇层混凝土浇筑前保持板面干燥。

　　 混凝土配合比参数表2

混凝土	PII42.5R水泥 / (kg/m³)	II区级配天然砂 / (kg/m³)	连续粒级碎石 / (kg/m³)	碎石粒径 /mm	水胶比	水灰比	外加剂 / (kg/m³)	粉煤灰掺合料 / (kg/m³)
叠合板	320	1 000	790	5～10	0.41	0.58	6.5	140
后浇层	320	1 000	790	5～10	0.39	0.56	6.5	140

　　钻芯植筋拉拔法试验原理如图1所示。垂直于结合面方向钻取深度大于后浇混凝土厚度15mm的芯样试件, 通过对芯样内植入的螺杆施加轴向拉拔荷载直至芯样试件发生破坏。假定芯样断面为垂直于螺杆轴线方向的平截面, 根据芯样破坏时的极限荷载值P和芯样直径D, 按式 (1) 即可得到芯样的正拉粘结强度f。

　　 $f = 4 Ρ / π D^{2} (1)$

　　图1 试验原理图

　　芯样破坏形式按断面位置分为结合面混凝土破坏、后浇混凝土破坏以及预制构件混凝土破坏等, 如图2所示。当破坏形式为结合面混凝土破坏时, 正拉粘结强度f即为结合面的正拉粘结强度;当破坏形式为后浇混凝土破坏时, 表明结合面的正拉粘结强度大于后浇混凝土轴心抗拉强度;当破坏形式为预制构件混凝土破坏时, 表明结合面的正拉粘结强度大于预制构件混凝土轴心抗拉强度, 但因钻芯过深造成芯样整体拔出破坏除外。若破坏形式出现螺杆拔出、芯样劈裂等其他非正常破坏形式时, 应另选测点重新进行试验。

　　图2 芯样破坏形式示例

2 试验方案

2.1 试件设计

　　本试验选用的叠合构件为桁架钢筋混凝土叠合板, 尺寸为1 620×3 720×60, 板面设有规则菱形拉毛, 深度为5mm, 其余设计参数均符合国家标准图集《桁架钢筋混凝土叠合板 (60mm厚底板) 》 (15G366-1) ^[13]的要求。考虑是否清理叠合板结合面疏松部分及积灰、是否洒水湿润结合面两种处理情况, 设计4种工况, 将叠合板共划分为4个区域, 具体信息如表1所示。试验用叠合板及后浇层混凝土配合比如表2所示, 其中混凝土设计强度等级均为C30, 后浇混凝土设计厚度为90mm, 按工程实际布置双向■10@200分布筋。试件设计详图见图3。

　　图3 叠合板构件设计图

　　图4 叠合板构件制作成型

2.2 试件制作

　　试件制作流程如下:1) 按不同分区处理叠合板面, 布置板面分布筋;2) 安装固定叠合板四边钢模, 调整高度以确保后浇层厚度满足设计要求;3) 布置缺陷, 浇筑混凝土并振捣, 然后用刮杠刮平浇筑面;4) 7d后拆模, 然后自然养护至28d进行试验。试件具体制作过程见图4。

2.3 试验加载设备及步骤

　　试验加载用设备为HC-40多功能强度检测仪, 该仪器由液压穿心式千斤顶、手摇泵及反力三角底盘构成。主要技术参数为:最大量程40kN, 分辨率0.01kN, 精度≤2%FS。

　　图5 试验设备及步骤

　　图6 典型芯样断面照片

　　试验前为了避开钢筋, 采用钢筋探测仪定位试件后浇混凝土内部钢筋位置, 画出钢筋分布网格线, 然后在网格中部钻孔 (孔深60mm, 孔径14mm) 、注胶并植入螺杆。待植筋胶固化后, 以螺杆为中心, 用金刚石薄壁空心钻 (内径70mm) 钻取芯样, 钻取深度大于后浇混凝土设计厚度15mm。最后将多功能检测仪与螺杆连接, 使拉拔方向与芯样轴线平行, 缓慢匀速加载直至芯样发生破坏并记录最终的极限荷载。试验设备及步骤如图5所示。

3 试验结果与分析

3.1 破坏形态

　　主要试验结果如表3所示。芯样从开始加载直至最终破坏, 其表面都没有出现混凝土开裂或破损, 表明中心螺杆与芯样在试验过程中并没有发生相对位移。当加载至极限荷载时, 芯样突然发生沿整个横截面的脆断破坏。从表3统计可知, 在试验共74个芯样中, 71个芯样的芯体高度均符合后浇层设计厚度, 结合拔出后芯样的断面可见, 其均位于预制构件和后浇混凝土结合面处, 断面呈锯齿状且锯齿高度不大于6mm, 如图6所示, 基本符合式 (1) 中计算正拉粘结强度时的平截面假定。

3.2 后浇混凝土强度测试结果

　　后浇混凝土同条件养护28d立方体试块抗压强度为42.5MPa。根据现行国家标准《混凝土结构设计规范》 (GB 50010—2010) ^[14]规定:当混凝土强度等级为C40时, 混凝土轴心抗拉强度标准值f_tk为2.39MPa, 混凝土轴心抗拉强度设计值f_t为1.71MPa;当混凝土强度等级为C45时, 混凝土轴心抗拉强度标准值f_tk为2.51MPa, 混凝土轴心抗拉强度设计值f_t为1.80MPa, 采用线性内插可推算出后浇混凝土轴心抗拉强度标准值f_tk为2.45MPa, 轴心抗拉强度设计值f_t为1.76MPa。

　　现场拉拔的74个芯样中, 有3个芯样 (B6, D1, D8芯样) 钻芯深度未透过结合面, 实测芯体高度均未超过60mm, 可见芯样断面均位于后浇混凝土内, 其测试结果为后浇混凝土抗拉强度实测值。3个芯样抗拉强度分别为4.08, 4.37, 3.99MPa, 实测抗拉强度平均值为4.15MPa。

3.3 结合面清理与否对粘结强度的影响

　　由表3可见, 无论结合面是否处理, 结合面正拉粘结强度均低于后浇混凝土实测抗拉强度, 说明结合面是装配式混凝土结构的薄弱部位。对于A区 (未清理+洒水) 芯样而言, 其正拉粘结强度均不满足后浇混凝土轴心抗拉强度标准值f_tk要求, 仅断面积灰面积比≤20%的A8芯样正拉粘结强度满足后浇混凝土轴心抗拉强度设计值f_t要求。对于B区 (清理+洒水) 和D区 (清理+不洒水) 共36个芯样而言, 其中20个芯样的正拉粘结强度满足后浇混凝土轴心抗拉强度标准值f_tk要求, 占比仅56%, 但其正拉粘结强度基本满足后浇混凝土轴心抗拉强度设计值f_t要求, B18芯样正拉粘结强度偏低可能是此处混凝土振捣不实或叠合板面存在疏松部分所致 (图7) , 而D16芯样正拉粘结强度偏低则可能是板面清理不彻底所致 (图8) 。对于C区 (未清理+不洒水) 芯样而言, 仅断面无积灰的C2, C5芯样正拉粘结强度满足后浇混凝土轴心抗拉强度标准值f_tk要求, 当断面积灰面积比≥30%时, 其正拉粘结强度则均不满足后浇混凝土轴心抗拉强度设计值f_t要求。

　　 试验结果汇总表3

芯样编号	极限荷载 /kN	正拉粘结强度 /MPa	芯体高度 /mm	断面位置及形状	断面积灰面积比 /%	芯样编号	极限荷载 /kN	正拉粘结强度 /MPa	芯体高度 /mm	断面位置及形状	断面积灰面积比 /%
A1	1.56	0.41	85～88	结合面处, 断面呈锯齿状	70～80	C1	4.68	1.22	88～92	结合面处, 断面呈锯齿状	20～30
A2	5.83	1.52	85～87	结合面处, 断面呈锯齿状	20～30	C2	11.35	2.95	87～92	结合面处, 断面呈锯齿状	0
A3	0.78	0.20	87～89	结合面处, 断面呈锯齿状	90～95	C3	4.50	1.17	84～88	结合面处, 断面呈锯齿状	20～30
A4	1.45	0.38	85～87	结合面处, 断面呈锯齿状	70～80	C4	2.88	0.75	81～87	结合面处, 断面呈锯齿状	60～70
A5	4.42	1.15	88～91	结合面处, 断面呈锯齿状	30～40	C5	10.42	2.71	80～86	结合面处, 断面呈锯齿状	0
A6	0.11	0.03	92～93	结合面处, 断面呈锯齿状	100	C6	3.58	0.93	85～90	结合面处, 断面呈锯齿状	50～60
A7	5.34	1.39	90～94	结合面处, 断面呈锯齿状	10～20	C7	8.81	2.29	79～85	结合面处, 断面呈锯齿状	10～20
A8	7.52	1.96	86～90	结合面处, 断面呈锯齿状	10～20	C8	3.05	0.79	90～92	结合面处, 断面呈锯齿状	20～30
A9	3.40	0.88	90～92	结合面处, 断面呈锯齿状	60～70	C9	6.83	1.78	91～92	结合面处, 断面呈锯齿状	20～30
A10	0.32	0.08	86～90	结合面处, 断面呈锯齿状	80～90	C10	4.77	1.24	91～93	结合面处, 断面呈锯齿状	30～40
A11	0.43	0.11	90～94	结合面处, 断面呈锯齿状	100	C11	1.90	0.49	91～93	结合面处, 断面呈锯齿状	80～90
A12	1.69	0.44	85～86	结合面处, 断面呈锯齿状	70～80	C12	2.99	0.78	89～92	结合面处, 断面呈锯齿状	70～80
A13	1.49	0.39	92～93	结合面处, 断面呈锯齿状	70～80	C13	4.02	1.05	89～92	结合面处, 断面呈锯齿状	50～60
A14	2.80	0.73	87～92	结合面处, 断面呈锯齿状	40～50	C14	4.02	1.05	88～90	结合面处, 断面呈锯齿状	50～60
A15	3.93	1.02	85～90	结合面处, 断面呈锯齿状	40～50	C15	7.21	1.87	89～93	结合面处, 断面呈锯齿状	0
A16	0.43	0.11	90～94	结合面处, 断面呈锯齿状	90～95	C16	1.78	0.46	92～94	结合面处, 断面呈锯齿状	80～90
A17	1.77	0.46	90～92	结合面处, 断面呈锯齿状	50～60	C17	9.00	2.34	87～90	结合面处, 断面呈锯齿状	0
A18	1.89	0.49	86～90	结合面处, 断面呈锯齿状	50～60	C18	0.98	0.25	87～89	结合面处, 断面呈锯齿状	90～95
B1	6.74	1.83	87～89	结合面处, 断面呈锯齿状	0	C19	5.41	1.41	82～84	结合面处, 断面呈锯齿状	30～40
B2	7.14	1.93	89～90	结合面处, 断面呈锯齿状	0	C20	3.93	1.02	89～92	结合面处, 断面呈锯齿状	50～60
B3	11.43	2.97	88～91	结合面处, 断面呈锯齿状	0	D1	16.80	4.37	50～53	非结合面处, 断面呈锯齿状	0
B4	10.33	2.69	88～90	结合面处, 断面呈锯齿状	0	D2	10.20	2.76	82～86	结合面处, 断面呈锯齿状	0
B5	9.23	2.40	90～92	结合面处, 断面呈锯齿状	0	D3	8.55	2.22	78～82	结合面处, 断面呈锯齿状	0
B6	15.69	4.08	57～59	非结合面处, 断面呈锯齿状	0	D4	9.23	2.40	82～84	结合面处, 断面呈锯齿状	0
B7	8.73	2.27	84～87	结合面处, 断面呈锯齿状	0	D5	7.35	1.91	81～86	结合面处, 断面呈锯齿状	0
B8	10.50	2.73	87～89	结合面处, 断面呈锯齿状	0	D6	9.43	2.45	90～94	结合面处, 断面呈锯齿状	0
B9	8.12	2.11	87～88	结合面处, 断面呈锯齿状	0	D7	7.70	2.00	89～90	结合面处, 断面呈锯齿状	0
B10	8.13	2.11	83～86	结合面处, 断面呈锯齿状	0	D8	15.35	3.99	50～55	非结合面处, 断面呈锯齿状	0
B11	10.65	2.77	83～84	结合面处, 断面呈锯齿状	0	D9	12.00	3.12	88～89	结合面处, 断面呈锯齿状	0
B12	13.56	3.53	86～88	结合面处, 断面呈锯齿状	0	D10	10.96	2.85	89～92	结合面处, 断面呈锯齿状	0
B13	13.10	3.41	86～88	结合面处, 断面呈锯齿状	0	D11	11.59	3.01	84～86	结合面处, 断面呈锯齿状	0
B14	11.43	2.97	84～88	结合面处, 断面呈锯齿状	0	D12	6.98	1.81	84～90	结合面处, 断面呈锯齿状	0
B15	10.21	2.65	89～93	结合面处, 断面呈锯齿状	0	D13	7.96	2.07	86～89	结合面处, 断面呈锯齿状	0
B16	11.75	3.06	84～87	结合面处, 断面呈锯齿状	0	D14	11.68	3.04	81～84	结合面处, 断面呈锯齿状	0
B17	10.19	2.65	85～88	结合面处, 断面呈锯齿状	0	D15	8.18	2.13	82～85	结合面处, 断面呈锯齿状	0
B18	6.36	1.65	85～89	结合面处, 断面呈锯齿状	0	D16	5.89	1.53	90～93	结合面处, 断面呈锯齿状	10～20
B19	10.24	2.66	87～89	结合面处, 断面呈锯齿状	0
B20	8.49	2.21	85～87	结合面处, 断面呈锯齿状	0

　　图7 B18芯样断面照片

　　图8 D16芯样断面照片

　　图9 不同断面积灰面积比下结合面正拉粘结强度的比较

　　结合面疏松层和积灰处理情况对结合面正拉粘结强度的影响如图9所示。由图9可见, 随着断面积灰面积比的增加, 结合面正拉粘结强度基本呈线性下降趋势。实际工程中由于停工、沙尘或管理疏忽等原因导致板面出现不同程度的积灰是可能存在的, 结合试验数据可知, 积灰对结合面粘结强度有明显影响, 彻底清理结合面疏松层及积灰才能基本满足其粘结强度等同后浇混凝土轴心抗拉强度设计值的要求。

3.4 洒水湿润与否对粘结强度的影响

　　统计表3数据可知, D区 (清理+不洒水) 芯样正拉粘结强度平均值为2.38MPa, B区 (清理+洒水) 芯样正拉粘结强度平均值为2.56MPa, B区与D区的正拉粘结强度平均值未见显著差异。A区 (未清理+洒水) 与C区 (未清理+不洒水) 在不同断面积灰面积比下结合面洒水湿润对粘结强度的影响如图10所示。从两区各自线性回归拟合线可以看出, 当断面积灰面积比相同时, A区正拉粘结强度比C区正拉粘结强度稍低, 但差异同样不显著。按照行业标准《装配式混凝土结构技术规程》 (JGJ 1—2014) ^[15]规定, 后浇混凝土浇筑前对结合面洒水湿润是保证其粘结质量的一项必要工序。由于本次试件处于室外环境, 在二次浇筑施工前两天曾遭遇过雨天, 同一积灰面积比下的试验数据也不够充分, 因此后续试验研究中有必要对洒水湿润的影响开展进一步研究验证。

　　图10 不同断面积灰面积比下结合面洒水湿润对正拉粘结强度的影响

4 结论

　　 (1) 钻芯植筋拉拔法用于现场检测叠合构件与后浇混凝土结合面粘结强度是可行的。相较于钻芯粘结拉拔法而言, 现场无需磨除芯样表面碳化薄弱层和修补芯样顶面, 也不会出现因胶层粘附破坏导致的检测结果失效, 检测过程方便快捷, 受力清晰, 适用性高。

　　 (2) 在保证钻芯深度透过结合面的前提下, 拔出芯样的高度均为后浇层厚度, 芯样断面均位于预制构件和后浇混凝土结合面处, 无论结合面是否处理, 结合面正拉粘结强度均低于后浇混凝土实测轴心抗拉强度, 表明结合面确为装配式混凝土叠合构件的薄弱部位。

　　 (3) 试验研究表明, 表面处理情况对预制构件与后浇混凝土结合面的粘结强度有明显影响, 结合面粘结强度随积灰面积的增大基本呈线性下降趋势, 清理彻底并洒水湿润的结合面粘结强度基本能够满足后浇混凝土轴心抗拉强度设计值的要求。

参考文献[1] 王俊, 赵基达, 胡宗羽.我国建筑工业化发展现状与思考[J].土木工程学报, 2016, 49 (5) :1-8.
[2] 肖同亮, 王晓觅, 唐立秋, 等.预制装配式结构发展现状及施工关键技术研究[J].江苏建筑, 2018 (1) :73-76.
[3] 刘琼, 李向民, 许清风.预制装配式混凝土结构研究与应用现状[J].施工技术, 2014, 43 (22) :9-14.
[4] 蒋勤俭.国内外装配式混凝土建筑发展综述[J].建筑技术, 2010, 41 (12) :1074-1077.
[5] 姚利君, 李华良, 管文, 等.相控阵超声成像法检测钢筋混凝土叠合构件缺陷研究[J].施工技术, 2017, 46 (17) :20-22.
[6] 崔士起, 刘文政, 石磊, 等.装配式混凝土结构套筒灌浆饱满度检测试验研究[J].建筑结构, 2018, 48 (2) :40-47.
[7] PEDRO M D S, EDUARDO N B S J.Factors affecting bond between new and old concrete[J].ACI Materials Journal, 2011, 108 (4) :449-456.
[8] ARIEL D E, JAVIER L.Estimation of bond strength envelopes for old-to-new concrete interfaces based on a cylinder splitting test[J].Construction and Building Materials, 2011, 25 (3) :1222-1235.
[9] 韩菊红, 赵国藩, 张雷顺.新老混凝土粘结面断裂性能试验研究[J].土木工程学报, 2003, 36 (6) :31-35.
[10] 高剑平, 潘景龙, 王雨光.不同界面剂对新旧混凝土粘结强度影响的试验研究[J].哈尔滨建筑大学学报, 2001, 34 (5) :25-29.
[11] 卜良桃, 周宁, 毛晶晶.新老混凝土黏结界面钻芯拉拔强度的试验研究[J].西安建筑科技大学学报 (自然科学版) , 2009, 41 (5) :599-605.
[12] 傅翔, 宋人心, 王五平.钻芯拉剥法现场检测修补混凝土粘结强度[J].施工技术, 2005, 34 (7) :72-73.
[13] 桁架钢筋混凝土叠合板 (60mm厚底板) :15G366-1[S].北京:中国计划出版社, 2015.
[14] 混凝土结构设计规范:GB 50010—2010[S].北京:中国建筑工业出版社, 2011.
[15] 装配式混凝土结构技术规程:JGJ 1—2014[S].北京:中国建筑工业出版社, 2014.

Experimental study on bond strength of concrete interface of prefabricated structure

Zhang Jinfeng Sun Bin Mao Shiyang Wang Ni Zhang Yuzhao

(China Academy of Building Research Beijing Everest Green Building Technology Co., Ltd.)

Abstract: In order to study the effect of construction quality flaw on the bond strength of concrete interface, the concrete composite specimens under different treatment conditions on interface were designed by considering whether the interface to be cleaned or to be wetted, total four working conditions. Combining with engineering practice, experiments on normal bond strength test of concrete interface were carried out by core-drilling and pull-stripping with embedded bar. Study results indicate that: the method of core-drilling and pull-stripping with embedded bar is feasible for bond strength inspection of concrete interface in situ; the interface was the weak part of the prefabricated concrete structure in terms of bond strength; the surface treatment has a significant influence on the bond strength of concrete interface, and with the increase of the dust area, the bond strength of interface decrease basically linearly; the construction quality of the secondary pouring can be reflected by comparing the bond strength value of interface. The research results can provide reference and basis for the quality inspection, evaluation and construction acceptance of interface construction.

Keywords: prefabricated structure; concrete; interface; bond strength; quality flaw; core-drilling and pull-stripping with embedded bar

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