摘要: 结合高性能混凝土和聚羧酸外加剂的应用技术, 介绍客运专线预应力箱梁高性能混凝土的原材料选择、配合比设计、泵送及灌筑工艺, 提出了各环节的关键技术与控制方法。
关键词: 客运专线; 箱梁; 高性能混凝土; 泵送; 灌筑
中图分类号: TU528.041 文献标志码: A 文章编号: 1002- 3550( 2008) 02- 0106- 05
0 引言
为适应国民经济快速发展, 国家发改委会同铁道部制定了《中长期铁路网规划》, 计划到2020 年中国将建成客运专线1万公里, 形成“四纵四横”客运专线骨架; 建成环渤海圈、长江三角洲、珠江三角洲地区快速客运系统铁路2 000 km。随着2005年以来京津、郑西、合宁、武合、甬温、温福、福厦、武广、广珠、胶济等客运专线相继开工建设, 中国铁路快速客运网大规模建设高潮已经掀起。
为建设高标准客运专线、推动铁路建设技术进步, 铁道部科技司等相关部门发布了若干暂行技术条件和规范、标准, 确保客运专线混凝土结构的长期耐久性, 提出客运专线预应力混凝土箱梁高性能混凝土施工中各环节应注意的若干关键技术问题和控制方法, 以期给客运专线预应力混凝土箱梁高性能混凝土的施工提供借鉴、保证我国铁路快速客运网的结构耐久性。
1 客运专线箱梁高性能混凝土的原材料选择
1.1 混凝土主要设计要求
( 1) 客运专线桥梁结构使用年限100 年;
( 2) 箱梁混凝土耐久性技术要求主要有: 56 d 电通量小于1 000 C ( 氯盐环境小于800 C) ; 抗冻融指标F200 ( 冻融环境F300) ; 抗渗等级P20 以上。
1.2 原材料选择控制
对客运专线箱梁来说, 混凝土抗裂是首要考虑因素, 除预应力措施外, 应兼顾水化热和混凝土体积稳定性。
基于抗裂、低水化热、高体积稳定性、低渗透性、高耐久性,并适应箱梁混凝土的施工要求, 应选择优质粉煤灰、磨细矿粉作为辅助胶凝材料, 并选择适应大掺量混合材使用的兼有低收缩、早强、缓凝、保坍、高减水性能的聚羧酸系高性能外加剂是制作预应力高性能混凝土箱梁的关键技术措施。
( 1) 基于控制水化热和收缩的抗裂要求以及强度、耐久性要求, 选择胶凝材料时应注意:
水泥: 强度等级应在42.5 级以上; 应限制使用早强型水泥;应控制碱含量≤0.6%; 熟料中的C3A 含量≤8%; 比表面积≤350 m2/kg;
粉煤灰: 控制烧失量≤3%; 需水量比≤100%, 对于硫酸盐侵蚀环境, 应限制粉煤灰CaO 含量≤10%;
磨细矿粉: 控制比表面积350~450 m2/kg。
( 2) 基于强度和耐久性要求并考虑施工性能, 选择骨料应注意:
粗骨料: 母岩强度不应低于100 MPa; 级配合理、粒形好, 紧密孔隙率宜≤40%, 松堆密度大于1 500 kg/m3, 压碎值≤10%, 针片状≤5%, 硬质、洁净碎石; 吸水率≤2%, 处于冻融环境应≤1%;非碱活性; 根据大量工程实践, 应积极选择石灰岩质、玄武岩质、细粒花岗岩质类粗骨料, 以满足线膨胀系数( 温控) 和混凝土弹性模量的要求;
细骨料: 级配应合理, 细度模数宜为2.6%~3.0%, 含泥量≤2%,吸水率≤2%, 硬质、洁净、天然河砂; 非碱活性;
( 3) 基于抗裂、耐久性、强度、施工性能要求, 选择聚羧酸系外加剂时, 聚羧酸系外加剂与胶凝材料应相容, 减水率宜为25%以上, 并适度引气、适度缓凝。
2 客运专线箱梁高性能混凝土的配合比设计
客运专线箱梁高性能混凝土是基于抗裂、抗氯离子渗透、抗硫酸盐腐蚀、抗冻融、抗碳化等耐久性的早强高性能混凝土配合比设计, 作者认为, 应遵循高性能混凝土的习惯设计方法———绝对体积法, 即对水胶比、矿物掺合料掺量、含气量、浆集比、砂率( 粗骨料用量) 等参数全计算进行配合比设计, 可科学地指导混凝土的实际施工、满足耐久性要求。
为适应客运专线箱梁高性能混凝土的泵送施工, 配合比设计试验中除了对水胶比、矿物混合材的选择, 应强化工作性能的设计, 即对浆骨比、骨料级配、拌合物性能进行性能优化设计。
( 1) 国内外多年来高性能混凝土的施工实践表明, 采用适宜的骨料时, 浆骨比( 浆集体积比) 为0.35∶0.65 时可以解决强度、工作性和尺寸稳定性( 弹性模量、干缩和徐变) 之间的矛盾。针对我国骨料加工的实际现状, 箱梁混凝土的浆体体积不应低于0.34m3/m3, 如用水量过低时混凝土含气量应按照2%~4%的上限控制, 以确保泵送施工要求的浆体含量。
( 2) 为实现混凝土低渗透性、有效改善混凝土抗化学侵蚀性能, 考虑预应力混凝土箱梁施工特点兼顾早强、降低水化热的要求以及原料来源的限制, 箱梁高性能混凝土施工以粉煤灰与磨细矿粉二者双掺较为适宜, 混凝土掺入粉煤灰因早期强度偏低, 其掺量应根据水泥实际强度和施工季节的温度条件进行调整, 以适应箱梁的预应力张拉要求, 掺量通常应选择15%以上, 以利于改善混凝土和易性和水化热; 矿粉的掺量则主要应兼顾到施工性能, 如混凝土黏度过大、拌合物流动性损失过快而影响混凝土可泵性时则应适当减少用量, 通常胶凝材料各掺量组合范围为: 水泥45%~75%、粉煤灰10%~20%、磨细矿粉15%~45%。
( 3) 砂率( 粗骨料用量)粗骨料的选择, 除了应符合连续级配要求, 重点要控制粗骨料的孔隙率, 防止过大的孔隙率, 导致胶凝材料浆体和细骨料用量过大、粗骨料用量过少, 影响混凝土的弹性模量和尺寸稳定性、影响水化热控制。从国内骨料实际情况分析, 客运专线箱梁混凝土的粗、细骨料用量宜分别控制在0.38~0.40 m3/m3 和0.255~0.275 m3/m3。
砂的细度模数通常不能完全反映颗粒组成差异, 砂率应根据砂自身的颗粒组成进行选择: 细颗粒含量过多时则应适当降低砂率, 以防止骨料裹浆量不足, 并引起管道润滑层摩擦阻力增大; 细颗粒含量过少时则应适度增加砂率, 增强浆体保水性能、降低离析倾向, 防止裹浆不良, 通常, 应保证砂中0.315 mm以下颗粒含量不低于10%, 以防止浆体与骨料分离导致和易性不良。
( 4) 拌合物性能为适应箱梁混凝土的泵送, 可采用倒坍落度筒流下时间结合拌和物的压力泌水率和设备最高泵送压力来指导实际施工。拌合物工作性建议按照扩展度450~550 mm、坍落度180~220 mm,拌合物黏度按照倒坍落度筒流下时间在5~25 s 的指标进行控制。
如选定配合比的混凝土压力泌水量较小, 应按建议的坍落度和扩展度的上限对配合比调整、控制, 强化拌合物可施工性能, 防止混凝土经泵送后泵管出料口流动性下降过多影响浇筑质量。
3 客运专线箱梁高性能混凝土的泵送施工
3.1 泵送设备选型
客运专线箱梁高性能混凝土对原材料的要求相对较高, 但限于实际条件, 品质优良的原材料难以获得, 由于粉煤灰的烧失量和需水比、粗骨料的加工状况、砂的颗粒圆润度及颗粒组成与级配等严重影响到采用大掺量矿物掺合料和聚羧酸减水剂拌合的低水胶比混凝土的黏度指标, 因受到经济方面考虑的影响, 很多施工单位没能足够重视适应高性能混凝土施工的设备选型和混凝土的搅拌难度, 极大地影响此类混凝土的正常施工。
由于材料的原因, 低水胶比时高性能混凝土拌合物黏度大, 摩擦阻力和泵送阻力大, 为适应坍落度的控制、保证泵送出口端混凝土的性能、适应远距离输送, 通常泵送设备需考虑适应黏度大、泵压高的高性能混凝土施工、出口泵压宜为16 MPa以上的高压泵。
客运专线箱梁高性能混凝土的施工通常应选择拖式泵, 为防止拖式泵出现故障, 尚应预留汽车泵备用。混凝土输送泵的电机功率是决定出口压力和输送方量的前提条件, 如果既要达到出口压力高, 又想得到输送量大的目的, 尤其在布管长度( 高度) 较大时, 选择电机功率高的输送泵是唯一途径, 同时应保证液压泵、液压阀、电气元件的可靠性。
考虑箱梁高性能混凝土的施工难度, 为减少混凝土经泵管输送后的流动性损失, 泵的功率应尽可能大, 在笔者去过的京津、武合、甬温、郑西、武广等客运专线的若干预制箱梁施工现场, 相比而言, 凡选择最大泵送压力大、功率大的混凝土泵施工时, 施工中出现不畅的发生率较低, 混凝土流动性、含气量经泵管后的损失较小, 混凝土流动性容易得到控制, 尤其在处理腹板翻浆时可控度高。
根据箱梁高性能混凝土拌和物特点和箱梁施工特点, 应选择拖式S 形摆管阀高压泵, 最大泵送压力宜选择16 MPa 以上,电动机功率宜选择132 kW 以上, 柴油机功率宜选择181 kW 以上。
3.2 泵送施工常见问题及解决措施
箱梁混凝土泵送施工中的常见问题主要是混凝土工作性不良、流动性控制不当、黏度过大等引起泵送困难, 除了提高设备泵送能力适应高性能混凝土施工外, 主要应提高混凝土的可泵性。
3.2.1 泵送设备选型要得当, 根据输送泵的设备能力和混凝土可泵性确定泵的布置方案
混凝土的可泵性取决于混凝土拌合物的性能和泵送设备的可输出压力, 由于箱梁高性能混凝土水胶比低、矿物掺合料掺量大, 混凝土黏度大、离析敏感度高, 在管道中容易形成较大的摩擦阻力, 需要选择输出压力高的输送泵并采用高压泵送, 以防止出口端混凝土流动性下降过多、泵送施工不畅发生堵管。
输送泵的布置可选择拌合楼下料口位置和梁浇筑现场, 视实际混凝土的可泵性、设备泵送能力和拌合物控制稳定性确定, 通常后者优于前者, 可调整性大, 建议按照泵送工艺试验结果确定布置方案并调整输送泵的选型。
3.2.2 采取措施保证混凝土的可泵性
混凝土工作性不良主要表现为: 混凝土流动性不足、流动性过大、浮浆过多、离析、抓底等, 泵送时极易因上述情况导致混凝土可泵性不足引起堵管, 出现上述情况通常由以下因素引起:
( 1) 拌合楼搅拌时间不足
由于高铁客运专线箱梁混凝土配合比设计采用大掺量掺合料和低水胶比, 搅拌时间过短则拌合物不容易搅拌均匀并导致拌合物含气量过低, 引起浆体量缺失导致包裹性不良、流动性减弱, 在用水量控制不严的情况下则出现浆体流逸、离析; 而在用水量控制过低时则出现黏度过大、流动性不足导致不适宜泵送。
解决的措施是尽可能控制适宜的用水量并适当延长混凝土拌合时间, 通常应保证90~110 s 的搅拌时间, 尤其在拌合物流动性出现明显的滞后反应时, 为防止浇筑箱梁腹板混凝土时难以控制翻浆尤其应适当延长搅拌时间。
( 2) 搅拌系统计量误差较大
外加剂计量系统应满足精度要求, 为防止设备计量精度缺陷, 应在可满足配合比要求的外加剂掺量范围内, 选择使混凝土黏度较低的外加剂掺量下使用, 但同时须采取翻拌等措施确保骨料含水率均匀一致, 防止用水量波动过大引起流动性的敏感变化影响混凝土施工质量。
( 3) 用水量控制不当
试验室试拌因搅拌机搅拌效率不足可能导致采用掺合料掺量大和水胶比低的混凝土拌合物试验外加剂用量偏大, 导致的结果是容易造成拌合物性能不稳定、对用水量敏感。
施工前对配合比如未进行拌合楼试拌调整而用于实际生产时由于骨料含水量波动较大( 尤其在雨后) 引起用水量失控,则极易导致工作性不良、甚至出现过多浮浆、泌水而影响施工质量。
通常对骨料采用遮雨棚遮挡雨水、施工前多次翻拌的办法使骨料含水率相对稳定, 降低用水量控制难度。
( 4) 材料品质发生变化
①水泥: 化学组成、比表面积、新鲜程度均可导致外加剂与胶凝材料相容性发生改变, 外加剂掺量如未根据实际生产材料进行相应调整, 往往出现混凝土流动性不足、可泵性降低。通常通过外加剂掺量和单位用水量的微调可得到解决。
②掺合料: 品质波动可导致外加剂相容性、含气量、拌合物性能发生改变, 必要时应调整外加剂的引气性能、按照规范要求严格控制掺合料性能参数( 尤其是粉煤灰的烧失量、需水比) 。
③外加剂: 减水率、含气量、保坍能力容易波动而导致浆体性能改变, 使掺量、含气量、施工性能偏离施工要求, 由于材料品质波动原因引起改变时应及时调整外加剂掺量, 必要时应调整引气量、保坍组分, 以满足入泵混凝土的浆体含量和性能, 满足流动性、可泵性要求。
④骨料: 如细骨料细度模数增加、其中的细颗粒含量明显减少, 可导致外加剂掺量相对过量、浆体分散性过大、含气量指标改变而引起浆体与骨料分离、可泵性降低, 应及时调整增加砂率、降低外加剂用量、调整引气量。
细骨料细颗粒含量明显增加和粗骨料石粉含量增加则导致混凝土流动性降低、黏度增加, 通常增加外加剂的掺量、同水胶比下增加胶凝材料和用水量可以调整合适, 但有时尚不能根本协调拌合物性能, 因此, 细颗粒含量过高、含泥量大的细骨料和石粉含量过高的粗骨料在箱梁高性能混凝土施工中应慎重使用。
3.3 混凝土施工性能控制措施
箱梁混凝土胶凝材料用量相对较多, 配合比进行适当调整, 容易使浆体含量适应泵送施工要求, 但由于水胶比低, 掺合料用量大、聚羧酸外加剂相对敏感而使拌合物性能不容易控制, 极易因原材料品质的波动出现混凝土工作性不良, 主要通过严格控制计量、控制混凝土搅拌时间、控制骨料含水率波动、按照实际原材料及时调整相应参数的办法对混凝土施工性能进行控制。
根据箱梁高性能混凝土的特点和聚羧酸外加剂的特性, 箱梁泵送高性能混凝土建议注意如下参数和环节的控制:
( 1) 施工时应合理控制混凝土的流动性, 优化可泵性泵送混凝土的可泵性与混凝土黏着管道产生的阻力及其在管道内流动的速度快慢产生的阻力有关[5], 混凝土流动性过低、黏度过大会引起摩擦阻力增大导致泵送压力增加, 增加到一定程度即引起堵管。
采用聚羧酸外加剂拌制的箱梁混凝土单位用水量及水胶比较低并大量使用掺合料, 混凝土黏度相对较大, 同时混凝土中细粉料在聚羧酸外加剂适宜掺量时的保水能力非常强, 如按照以往对采用萘系减水剂的箱梁泵送混凝土的控制观念进行坍落度单指标控制时, 将引起混凝土压力泌水过少、压力泌水率过低、黏度过大, 极易造成泵送压力上升过高引起泵送受阻。
结合聚羧酸外加剂在适宜掺量时混凝土常压泌水和压力泌水较小的特点, 应适当提高混凝土的流动性、降低混凝土黏度, 以扩展度和坍落度双指标控制流动性并以倒坍落度筒流下时间评价黏度, 以满足泵送工艺要求的可泵性。
( 2) 配合比设计时应保证适宜的混凝土浆体含量, 优化可泵性为保证浆体包裹性和充盈度, 保证可泵性和振捣密实度,应采取措施保证浆体数量。
如采用的骨料孔隙率大, 考虑钢筋密集的箱梁施工时振捣的难度, 因胶凝材料用量的限制, 混凝土不应过分追求低用水量, 防止低用水量引起浆体量不足, 造成振捣缺陷。为防止早期张拉强度不足, 低温条件下施工时尚需要进行蒸汽养护才能满足早期张拉要求, 必要时应合理提高对水泥强度和骨料孔隙率的要求。
( 3) 严格材料的进场和混凝土生产过程控制, 保持拌合物性能的稳定性
为保证施工顺畅, 应加强对混凝土的原材料的控制:进场材料应加强测试, 如出现品质波动较大, 应采用实际配合比校核, 防止实际施工时调整失误引起施工不畅;施工前应对用于实际施工的材料增加胶凝材料与外加剂相容性、细骨料颗粒级配的测试频次, 如相容性有较大差异, 应增加混凝土配合比的校验;
施工中应加强骨料含水率的测试频次, 如配合比合理、计量准确而出现施工和易性不良、泵送困难时应增加含气量和容重的测试并进行外加剂掺量和用水量的微调、验算配合比浆体体积量, 根据测试和调试结果及时采取调整措施。
4 客运专线箱梁高性能混凝土的灌筑工艺
4.1 浇筑施工方法
梁体混凝土采用“斜面分层, 薄层浇筑, 连续推进, 一次成型”的施工方法, 客运专线箱梁混凝土通常采用混凝土运输车运送混凝土至布置在梁端处的两台拖式输送泵泵送至布置在跨中位置的两台布料机进行浇筑, 根据预制场具体情况, 输送泵也可布置在搅拌楼下料口直接泵送至梁体。
( 1) 在搅拌楼下料处布置输送泵, 混凝土工作性控制难度大, 可调整余地小, 输送管径长, 对混凝土泵的要求更严格, 要求有足够稳定的材料品质和控制水平提供保障, 不需要混凝土运送车即可连续作业;
( 2) 在梁体附近布置输送泵, 并采用混凝土运输车, 可实施连续作业, 相对来说, 混凝土工作性控制难度小, 调整余地大,输送距离近, 虽然对混凝土泵要求仍然严格, 但输送距离的缩短可降低泵送难度。
4.2 客运专线箱梁混凝土的浇筑顺序
混凝土浇筑顺序如下:
纵桥向可选择沿腹板方向由梁一端至另一端, 也可选择分别由梁端开始沿着腹板向跨中方向灌注或由跨中向两端浇筑;横桥向先浇底板, 后浇腹板, 再浇顶板( 含翼板) , 示意图见图1。
( 1) 第一步: 浇筑底板混凝土, 由内模顶板上开设的窗口下料, 浇筑底板混凝土, 浇筑厚度25~30 cm, 中间略低于两侧。预留收浆抹平层5 cm, 稍作停顿。
( 2) 第二步: 由腹板上口下料, 浇筑倒角处混凝土至倒角上方20~25 cm, 让混凝土充分翻浆, 与底板混凝土充分振捣融合,纵桥向按浇筑顺序浇筑, 再进行底板补平收浆。
( 3) 第三步: 分层依次浇筑腹板及横梁位置混凝土, 纵桥向浇筑顺序不变。
( 4) 第四步: 按照由低向高浇筑腹板上方及顶板、翼缘板混凝土, 纵桥向浇筑顺序不变。
4.3 浇筑中应注意的事项
( 1) 为防止底板混凝土超厚, 浇筑时应先从内模顶窗口浇一层底板混凝土, 并使底板两侧混凝土超过内模下梗斜后, 稍作停顿, 再从腹板上口浇筑倒角混凝土, 待混凝土浇筑高度超过内倒角上口20~25 cm, 内模底倒角模口混凝土充分翻浆后,腹板停止浇筑, 并对辅助倒角模板压挤底板混凝土, 再从内模顶部预设灌注孔处补充底板混凝土。
为防止后续腹板混凝土继续翻浆, 应在浇筑完第一层腹板混凝土, 停顿一段时间后, 再继续腹板混凝土浇筑。
由于具体配合比选材不同, 并且混凝土输送泵的泵压、泵送情况不同, 入模拌合物流动性不同, 停顿时间应根据浇筑后的拌合物流动性丧失时间确定。
( 2) 按斜面分层薄层浇筑, 连续推进一次成型的顺序施工,混凝土分层厚度不宜超过30 cm, 堆料不应高于50 cm, 灌注中不得用振动棒推移混凝土以免造成离析。
( 3) 灌注腹板倒角梗斜处时, 为保证底板交接部位及附近区域混凝土密实, 应将振动棒插入模板预留孔内, 沿周围振捣。
底板混凝土的振捣完全以振捣棒振捣为主。振捣下梗肋处的底板混凝土时应特别小心, 不得将振捣棒插入下梗肋下部, 以免造成下梗肋上部形成空洞。底板及下梗肋的混凝土主要以附着式振捣器振捣为主, 振捣棒主要起引导作用。
( 4) 底板灌注完成后, 应对称灌注腹板混凝土, 防止两边混凝土面高低悬殊, 造成内模偏移。
( 5) 灌注底板混凝土时应让混凝土充分翻浆, 只有充分翻浆才能保证腹板下梗肋处的混凝土密实。下梗肋处的腹板混凝土在没有灌满之前不应将翻浆堆积的混凝土摊平。当腹板下梗肋处的混凝土灌满堆高后, 通过内膜顶板预留的灌注孔用导管或软管插入补充灌注底板中部的混凝土。
( 6) 在梁体混凝土灌注过程中, 应指定专人检查模板、钢筋, 如发现螺栓、支撑等松动应及时拧紧, 漏浆处应及时堵严,钢筋和预埋件如有移位, 应及时调整保证位置正确。
( 7) 混凝土灌注入模时下料要均匀, 注意与振捣相配合, 混凝土的振捣与下料交错进行, 每次振捣按混凝土所灌注的部位使用相应区段上的附着式振动器。
( 8) 操作插入式振动器时宜快插慢拔, 振动棒移动距离应不超过振动棒作用半径的1.5 倍( 约40 cm) , 振动时振动棒上下略为抽动, 振动棒插入深度以进入前次灌注的混凝土面层下50~100 mm 为宜, 每点振动时间约20~30 s, 混凝土振动时间,应以表面没有气泡逸出和混凝土面不再下沉为宜。振捣棒可按直线行列移位或交错行列移位。混凝土振捣时, 应避免振捣棒碰撞波纹管、模板、钢筋及其他预埋件。混凝土应捣固密实, 不漏振、欠振或过振。
( 9) 灌筑底腹板混凝土时滴落在内模及翼板顶板上的混凝土应及时清除掉, 以免底部形成干灰或夹渣造成外观质量缺陷。
( 10) 浇箱梁顶板( 含翼缘板) 混凝土时, 由底处向高处浇筑, 由两侧向中心进行。混凝土振捣先用插入式振动器振捣, 再用专用振动梁振捣平整, 桥面混凝土应确保密实、平整、坡度顺畅, 因此除应按规定进行振动外, 还必须执行两次收浆抹平, 以防裂纹和不平整。振动桥在移动时应缓慢平稳, 其移动的速度及反复振捣的次数应视混凝土的坍落度而定, 振动提浆完后,收浆人员站在振动桥上对表面进行收浆抹面。收浆抹面后用竹扫把或粗毛刷将混凝土表面拉毛。桥面一经收浆抹面及拉毛后初凝前不得践踏。
( 11) 浇筑温度控制
混凝土浇筑前温度应维持在5 ℃至28 ℃, 入模温度不宜超过28 ℃并不应大于30 ℃, 新浇混凝土与已硬化混凝土之间的温差不大于15~20 ℃, 混凝土入模后30 min, 最大温升应小于30 ℃, 内部最高温度不能高于75 ℃。
夏秋高温季节、雨季, 冬春严寒季节时的混凝土浇筑施工,尽量选择适宜时间浇筑混凝土, 并按暑期或冬期施工措施组织施工:
( a) 高温季节: 选择下午7 点~第2 天上午7 点, 温度较低的时候;
( b) 低温季节: 选择上午9 点~下午8 点, 温度较高的时候;
( c) 雨季: 应避免大雨、雷雨时。
5 结语
客运专线箱梁高性能混凝土施工应充分考虑大掺量矿物掺合料和采用聚羧酸外加剂的混凝土拌合物的特点、骨料品质现状, 充分重视泵送设备的选型和工艺布置, 优化配合比, 合理确定适应实际机械设备能力、控制水平的箱梁灌筑工艺, 以确保客运专线百年大计对混凝土耐久性的要求。
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