董 理，侯天順,，駱亞生，Sibel Pamukcu

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2. 里海大學(xué)土木與環(huán)境工程系，美國 賓夕法尼亞州伯利恒市 18015)

輕量土是指由原料土、輕質(zhì)材料、固化劑和水按照一定的配比混合而成的混合土[1]。根據(jù)輕質(zhì)材料的不同，一般分為聚苯乙烯(expanded polystyrene，簡稱EPS)混合輕量土、氣泡混合輕量土、次生材料混合輕量土等[2]。在這些原料的共同作用下，輕量土具有環(huán)保、輕質(zhì)、強(qiáng)度高、可塑性強(qiáng)、密度與強(qiáng)度可調(diào)節(jié)以及隔熱性好的特點(diǎn)[3]。原料土一般選用砂、黏土或者疏浚淤泥[1,4]。水選用自來水或無污染的江河水。輕質(zhì)材料目前應(yīng)用較多的是EPS顆粒，主要影響混合土的密度，實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中選取3～5 mm的EPS球粒[5]。固化劑選用水泥，主要影響混合土的強(qiáng)度。因此，該輕量土又稱作EPS顆?；旌陷p量土。朱偉等[4]通過無側(cè)限抗壓試驗(yàn)對混合土進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)混合土抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻入量的增大而增大，隨著EPS顆粒摻入量的增大而減小。

目前關(guān)于EPS顆粒混合輕量土動(dòng)力特性的研究較少。高玉峰[1]、黎冰等[6]通過室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)對輕質(zhì)土的變形特性進(jìn)行研究，主要分析圍壓、水泥摻入比以及EPS顆粒摻入比對輕質(zhì)土動(dòng)變形特性的影響。王庶懋等[7]通過動(dòng)三軸試驗(yàn)對砂土與EPS顆?；旌陷p質(zhì)土的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究，將混合土在動(dòng)荷載作用下所產(chǎn)生的最大壓應(yīng)變作為破壞應(yīng)變。黎冰等[8]研究了不同振動(dòng)頻率對黏土與EPS顆?；旌陷p質(zhì)土的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明振動(dòng)頻率降低，試樣的軸向動(dòng)應(yīng)變增大，動(dòng)強(qiáng)度減小。關(guān)于EPS顆?；旌陷p量土的動(dòng)力特性缺少系統(tǒng)全面的研究，尤其是關(guān)于EPS顆粒混合輕量土動(dòng)強(qiáng)度特性的研究。

因此，本文選取陜西扶風(fēng)地區(qū)黃土作為原料土制備EPS顆粒混合輕量土，進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)。研究EPS顆粒摻入比、水泥摻入比和圍壓等因素對EPS顆?；旌陷p量土動(dòng)強(qiáng)度特性的影響。

1 試驗(yàn)材料方法

1.1 試樣材料

EPS顆?；旌陷p量土是由黃土、EPS顆粒、水泥和水混合攪拌而成的。本次試驗(yàn)原料土為陜西扶風(fēng)地區(qū)黃土，取土深度8～10 m，呈黃褐色，屬Q(mào)3黃土，其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。所用EPS顆粒為球粒狀，粒徑3～5 mm，堆積密度0.008 7 g/cm3，純顆粒密度0.013 7 g/cm3。固化劑采用盾石牌冀東普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級32.5。試驗(yàn)用水選用自來水。

表1 陜西扶風(fēng)地區(qū)黃土的物理性質(zhì)Tab.1 Physical properties of Fufeng loess in Shaanxi area

1.2 試樣制備

相比較一般的土樣而言，EPS顆粒混合輕量土的組成成分較為復(fù)雜。在此主要研究水泥與EPS顆粒對EPS顆粒混合輕量土動(dòng)強(qiáng)度特性的影響。為了便于試驗(yàn)研究，在此定義水泥摻入比和EPS顆粒摻入比這兩個(gè)變量。本文試樣的密度采用理想密度模型進(jìn)行預(yù)測[2]，試驗(yàn)以干土質(zhì)量ms作為標(biāo)準(zhǔn)，水泥摻入比ac=mc/ms×100%，EPS顆粒摻入比ae=me/ms×100%，其中mc為水泥質(zhì)量；me為EPS顆粒質(zhì)量。

制備EPS顆粒混合輕量土試樣時(shí)，如表2所設(shè)計(jì)的配比。按照黃土、水泥、水、EPS顆粒這樣的順序放入容器中進(jìn)行攪拌，使其混合均勻。把混合土裝入直徑為39.1 mm、高為80.0 mm的三瓣模中。為了方便脫模，事先在內(nèi)壁套上一層保鮮袋，在澆注的過程中要盡可能的搗實(shí)，底面為光滑干凈的玻璃片。然后做好標(biāo)簽將其放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)24 h后脫模，脫模后繼續(xù)放在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)[9]。養(yǎng)護(hù)至預(yù)定齡期28 d后，將試樣抽真空2 h進(jìn)行飽和，然后放入水中浸泡24 h后進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)。

表2 試驗(yàn)方案Tab.2 Test schemes

注：土的含水率是指制備試樣的時(shí)候，摻入水泥之前，水的質(zhì)量和干土質(zhì)量的比值。

對于重塑黃土試樣，采用三軸擊實(shí)儀分3層進(jìn)行擊實(shí)制樣[10]。制樣時(shí)其單位體積擊實(shí)功能為592.2 kJ/m3，統(tǒng)一每層錘擊次數(shù)為23次。控制重塑黃土試樣的最優(yōu)含水率為20.95%，干密度為1.60 g/cm3。將試樣放入飽和器中，在抽氣缸中抽真空2 h，然后置于水中浸泡24 h進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)是在西安力創(chuàng)材料檢測技術(shù)有限公司生產(chǎn)的STD-20型土動(dòng)三軸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。為了研究EPS顆?；旌陷p量土的動(dòng)強(qiáng)度特性，采用固結(jié)不排水試驗(yàn)，分別對不同配比的EPS顆粒混合輕量土進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)。首先，打開閥門，施加圍壓進(jìn)行排水固結(jié)，固結(jié)應(yīng)力比為1.0。固結(jié)結(jié)束后，關(guān)閉排水閥門，施加波形為正弦波的循環(huán)荷載，加載頻率為1.0 Hz。在試驗(yàn)過程中根據(jù)不同的試驗(yàn)條件，預(yù)先設(shè)置動(dòng)荷載大小(以5 kPa為最小單位調(diào)整動(dòng)荷載大小，進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，從而使動(dòng)應(yīng)力與破壞振次的點(diǎn)較為分散)，直到試樣破壞停止加荷。

2 破壞標(biāo)準(zhǔn)的確定

動(dòng)強(qiáng)度是在一定動(dòng)荷載往返作用次數(shù)N下土體產(chǎn)生某一指定破壞應(yīng)變εd或滿足某一破壞標(biāo)準(zhǔn)所需要的動(dòng)應(yīng)力[11]。常用破壞標(biāo)準(zhǔn)包括孔壓標(biāo)準(zhǔn)、屈服標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)。因此，動(dòng)強(qiáng)度數(shù)值的大小與指定的破壞應(yīng)變或破壞標(biāo)準(zhǔn)有著密切的關(guān)系。本次試驗(yàn)采用抽真空浸水飽和，將試樣從水中拿出時(shí)會有大量的水流出，EPS顆粒混合輕量土不能夠達(dá)到飽和狀態(tài)。已有研究表明，由于EPS顆粒混合輕量土中孔隙發(fā)達(dá)，各種不同的孔隙分布較為廣泛，因而采用抽真空浸水飽和、反壓飽和或者二氧化碳通水飽和，EPS顆?；旌陷p量土均不能夠達(dá)到飽和狀態(tài)，所以EPS顆?；旌陷p量土不滿足孔壓破壞標(biāo)準(zhǔn)的適用條件[12]。

如圖1所示為不同配比下EPS顆?；旌陷p量土以及重塑黃土的動(dòng)應(yīng)變與加載次數(shù)的關(guān)系曲線。由圖1可以看出，不同配比的EPS顆?；旌陷p量土動(dòng)應(yīng)變變化比較穩(wěn)定。隨著振動(dòng)次數(shù)的增大，EPS顆?；旌陷p量土的動(dòng)應(yīng)變主要分為兩個(gè)階段：第一階段，EPS顆?；旌陷p量土的動(dòng)應(yīng)變包含壓應(yīng)變和拉應(yīng)變，其中壓應(yīng)變較小，拉應(yīng)變較大。在動(dòng)荷載作用起始階段，加載周數(shù)較少，由于水泥水化物的膠結(jié)作用，從而試樣具有較好的抗壓性能，因此在動(dòng)荷載作用下EPS顆?；旌陷p量土的壓應(yīng)變較小，而且增長比較緩慢。另外，在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)動(dòng)荷載施加較大時(shí)，橡皮膜拉伸幅度很大，有的甚至在試驗(yàn)過程中破裂。等到試驗(yàn)結(jié)束后，可以觀察到試樣未產(chǎn)生明顯的破壞并且具有較高的強(qiáng)度，而且試樣一開始所產(chǎn)生的拉應(yīng)變基本接近定值未發(fā)生變化，因此認(rèn)為該拉應(yīng)變存在一部分是由橡皮膜拉伸所產(chǎn)生的[7]。第二階段，EPS顆?；旌陷p量土的壓應(yīng)變增長幅度有所提升且穩(wěn)定增長，拉應(yīng)變明顯小于壓應(yīng)變，或者不產(chǎn)生拉應(yīng)變。隨著振動(dòng)周數(shù)的增加，不同配比的EPS顆?；旌贤猎嚇釉诓煌膰鷫合滤a(chǎn)生的壓應(yīng)變明顯大于拉應(yīng)變，表現(xiàn)出明顯的偏壓情況。水泥摻入比為15%的試樣所產(chǎn)生的偏壓程度明顯大于水泥摻入比為10%的試樣所產(chǎn)生的偏壓程度。此現(xiàn)象主要是由于水泥含量的不同引起的，當(dāng)水泥摻入比較大時(shí)，試樣內(nèi)部的顆粒黏結(jié)得更加緊密，從而不容易產(chǎn)生拉應(yīng)變。

圖1 不同配比下EPS顆?；旌陷p量土以及重塑黃土的εd～N曲線Fig.1 εd～N curves of remolded loess and light weight soil mixed with EPS beads under various mixed ratio

考慮到EPS顆?；旌陷p量土在動(dòng)荷載作用過程中，雖然變形分為兩個(gè)階段，但兩個(gè)階段銜接比較平穩(wěn)且沒有出現(xiàn)變形急速陡轉(zhuǎn)的情況，隨著振動(dòng)次數(shù)的增加，EPS顆?；旌陷p量土產(chǎn)生的壓應(yīng)變逐漸大于拉應(yīng)變，表現(xiàn)出明顯的偏壓現(xiàn)象。同時(shí)觀察試驗(yàn)現(xiàn)象，在動(dòng)荷載作用下未出現(xiàn)明顯的剪切破壞面，因此采用應(yīng)變破壞標(biāo)準(zhǔn)。對于這類土體進(jìn)行研究，通常選擇軸向總應(yīng)變或者單軸應(yīng)變到達(dá)2.5%、5%、10%或20%作為破壞標(biāo)準(zhǔn)[13]。

如圖1所示，當(dāng)EPS顆?；旌陷p量土的壓應(yīng)變?yōu)?.5%時(shí)，壓應(yīng)變與加載次數(shù)的關(guān)系曲線比較平緩，試樣并未產(chǎn)生較大變形，不能夠充分發(fā)揮EPS顆?；旌陷p量土的強(qiáng)度。另外，試驗(yàn)中設(shè)置EPS顆粒混合輕量土破壞標(biāo)準(zhǔn)為10%時(shí)，包裹EPS顆粒混合輕量土的橡膠膜易破裂，試樣應(yīng)變無法達(dá)到10%，而且隨著加載次數(shù)的增加，壓應(yīng)變的變化更加顯著，即壓應(yīng)變與加載次數(shù)關(guān)系曲線更陡。所以若選取壓應(yīng)變?yōu)?0%或20%作為破壞標(biāo)準(zhǔn)偏于不安全。結(jié)合工程實(shí)際，EPS顆?；旌陷p量土一般用于公路工程，有著較高的變形要求[14]。因此本試驗(yàn)選擇5%壓應(yīng)變作為EPS顆粒混合輕量土的破壞標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而分析研究其動(dòng)強(qiáng)度特性。

比較圖1(i)～圖1(l)所示重塑黃土的動(dòng)應(yīng)變與加載次數(shù)的關(guān)系曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)在動(dòng)荷載作用下，重塑黃土的動(dòng)應(yīng)變增大是逐漸變化的且沒有明顯的突變點(diǎn)，因此不能采用屈服標(biāo)準(zhǔn)，否則人為主觀因素將會影響試驗(yàn)結(jié)果[15]。而且在試驗(yàn)過程中孔隙水壓力變化較小，所以無法使用孔壓標(biāo)準(zhǔn)。重塑黃土和EPS顆粒混混合輕量土的動(dòng)應(yīng)變與加載次數(shù)關(guān)系曲線情況相似，不同的是重塑黃土所表現(xiàn)的動(dòng)應(yīng)變狀態(tài)為拉應(yīng)變與壓應(yīng)變基本對稱，因此重塑黃土可以選取5%拉應(yīng)變或壓應(yīng)變作為破壞標(biāo)準(zhǔn)。為了便于將重塑黃土的動(dòng)強(qiáng)度特性與EPS顆?；旌陷p量土的動(dòng)強(qiáng)度特性進(jìn)行比較，所以同樣采用5%壓應(yīng)變作為重塑黃土的破壞標(biāo)準(zhǔn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)5%壓應(yīng)變的破壞標(biāo)準(zhǔn)，選取對應(yīng)的動(dòng)應(yīng)力以及振動(dòng)次數(shù)分別作為動(dòng)強(qiáng)度和破壞振次。用動(dòng)應(yīng)力σd與達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的振動(dòng)次數(shù)Nf的關(guān)系曲線表示EPS顆?；旌陷p量土的動(dòng)強(qiáng)度變化，其中用σd表示試驗(yàn)過程中的作用動(dòng)應(yīng)力，Nf表示達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的破壞振次。

3.1 圍壓的影響

不同圍壓下EPS顆?；旌陷p量土與重塑黃土的動(dòng)強(qiáng)度曲線如圖2所示。可以發(fā)現(xiàn)：隨著圍壓的增大，EPS顆粒混合輕量土和重塑黃土的動(dòng)強(qiáng)度均增大，而且重塑黃土動(dòng)強(qiáng)度曲線的斜率絕對值大于EPS顆?；旌陷p量土動(dòng)強(qiáng)度曲線的斜率絕對值。本次試驗(yàn)選取了4個(gè)圍壓，在50～200 kPa范圍內(nèi)，圍壓每增大50 kPa，則EPS顆?；旌陷p量土動(dòng)強(qiáng)度增大的幅度為7.9%～21.9%，重塑黃土動(dòng)強(qiáng)度增大的幅度為35.6%～40.6%。

圖2 不同圍壓下EPS顆?；旌陷p量土以及重塑黃土的動(dòng)強(qiáng)度曲線Fig.2 Dynamic strength curves of remolded loess and light weight soil mixed with EPS beads under various confining pressure

這是因?yàn)樵趪鷫旱淖饔孟?，土體顆粒擠密，土體中的孔隙減小，從而使土體抵抗外部荷載的能力有所提高。另外，EPS顆?；旌陷p量土中含有一定量的水泥，混合土體中的水與水泥發(fā)生水化反應(yīng)產(chǎn)生一定量的水泥水化物，包括硅酸鈣凝膠C-S-H和氫氧化鈣晶體Ca(OH)2等。這些水化物一方面將土顆粒和EPS顆粒包裹并黏結(jié)在一起，從而增大了混合土體的黏結(jié)力。另一方面水化物可以將混合土中的孔隙填密，從而使得混合土體更加密實(shí)。在這兩方面的共同作用下，EPS顆?；旌陷p量土具有很好的結(jié)構(gòu)性，因此相對于重塑黃土，圍壓對EPS顆粒混合輕量土的動(dòng)強(qiáng)度影響程度較小。需要指出，對于EPS顆粒摻入比為1.31%的試樣，EPS顆粒占據(jù)試樣的體積比可化簡為50%，水泥對于試樣內(nèi)的顆粒包裹不夠充分，試樣強(qiáng)度較低，而且在固結(jié)加壓的過程中，軸向荷載和徑向圍壓不是同時(shí)施加，存在一定的時(shí)間差，當(dāng)固結(jié)圍壓設(shè)定為150、200 kPa時(shí)，試樣軸向變形明顯增大，內(nèi)部的孔隙已經(jīng)貫通，在施加不同大小的動(dòng)荷載時(shí)，試樣均在振動(dòng)次數(shù)10以內(nèi)達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)，儀器停止試驗(yàn)。

3.2 EPS顆粒含量的影響

不同EPS顆粒摻入比的EPS混合輕量土與重塑黃土的動(dòng)強(qiáng)度曲線如圖3所示。由圖3可以看出，在相同的破壞振次條件下，隨著EPS顆粒摻入比的增大， EPS混合輕量土的動(dòng)強(qiáng)度減小。進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn)：①在其他條件相同的情況下，當(dāng)EPS顆粒摻入比由0.14%增大到1.31%時(shí)，EPS顆?；旌陷p量土的動(dòng)強(qiáng)度減小幅度為14.50%～70.47%。其中當(dāng)EPS顆粒摻入比由0.54%增大到0.86%時(shí)，EPS顆?；旌陷p量土的動(dòng)強(qiáng)度急劇下降。②與重塑黃土作對比，不同配比的EPS顆?；旌陷p量土的動(dòng)強(qiáng)度均有大幅度增加，提升幅度為20.8%～232.9%。

造成上述現(xiàn)象是因?yàn)楫?dāng)EPS顆粒摻入比較小時(shí)，所占土體體積較小，水泥土能夠充分地將其包裹，從而形成孔隙比較小的混合土，強(qiáng)度較高。而隨著EPS顆粒摻入比的逐漸增大，其所占土體體積也在逐步增大，水泥含量一定時(shí)，將會造成一定量的EPS顆粒直接接觸，使得土體孔隙比增大，強(qiáng)度降低。另外，由于EPS顆?；旌陷p量土中含有一定量的水泥，水泥水化作用產(chǎn)生的一系列物質(zhì)對混合土的結(jié)構(gòu)有一定的加固作用。本文所制備的重塑黃土經(jīng)過抽真空且浸水飽和后，黃土顆粒之間的黏結(jié)力減小。因此在圖3表現(xiàn)為EPS顆?；旌陷p量土的動(dòng)強(qiáng)度均大于重塑黃土的動(dòng)強(qiáng)度。

3.3 水泥含量的影響

不同水泥摻入比的EPS顆?；旌陷p量土與重塑黃土的動(dòng)強(qiáng)度曲線如圖4所示?？梢园l(fā)現(xiàn)：在相同振次條件下，隨著水泥摻入比的增大，EPS顆?；旌陷p量土的動(dòng)強(qiáng)度增大，且不同水泥摻入比的EPS顆?；旌陷p量土的動(dòng)強(qiáng)度均大于重塑黃土動(dòng)強(qiáng)度。其中，當(dāng)水泥摻入比由10%增大到15%時(shí)，EPS顆?；旌陷p量土的動(dòng)強(qiáng)度增長幅度為49%～55.7%，當(dāng)水泥摻入比由15%增大到20%時(shí)，EPS顆?；旌陷p量土的動(dòng)強(qiáng)度增長幅度為19.3%～23.2%。相比較于重塑黃土，當(dāng)EPS顆粒摻入比為0.86%時(shí)，不同水泥摻入比的EPS顆?；旌陷p量土的動(dòng)強(qiáng)度增長幅度為20.8%～247.5%。

圖3 不同EPS摻入比下EPS顆?；旌陷p量土以及重塑黃土的動(dòng)強(qiáng)度曲線(ac=10%)Fig.3 Dynamic strength curves of remolded loess and light weight soil mixed with EPS beads under various EPS contents(ac=10%)

圖4 不同水泥摻入比下EPS顆?；旌陷p量土以及重塑黃土的動(dòng)強(qiáng)度曲線(ae=0.86%)Fig.4 Dynamic strength curves of remolded loess and light weight soil mixed with EPS beads under various cement contents(ae=0.86%)

以上現(xiàn)象是由于EPS顆粒混合輕量土中的水泥在與水、原料土進(jìn)行拌和時(shí)，水化產(chǎn)生硅酸鈣凝膠C-S-H和氫氧化鈣晶體Ca(OH)2等水化物，其中硅酸鈣凝膠C-S-H水化物的膠結(jié)作用是構(gòu)成混合土強(qiáng)度的主要因素。當(dāng)EPS顆?；旌陷p量土中的水泥摻入比較大時(shí)，即混合土孔隙水中的Ca2+、OH+含量較多或處于過飽和狀態(tài)時(shí)，一方面根據(jù)硅酸鈣凝膠C-S-H生成的熱力學(xué)平衡式6Ca2++5HSiO-+7OH-→6CaO·5SiO2·6H2O(簡稱C-S-H)可知，硅酸鈣凝膠C-S-H等水化物不受其他因素影響繼續(xù)生成。另一方面土顆粒中的活性材料將與氫氧化鈣晶體Ca(OH)2進(jìn)行硬凝反應(yīng)，生成硅酸鈣凝膠C-S-H水化物[16]。而且，水泥在攪拌過程中發(fā)生水解反應(yīng)以及水化反應(yīng)，在EPS顆粒和原料土顆粒之間產(chǎn)生一定量的鈣釩石晶體顆粒等水泥水化物，將EPS顆?；旌陷p量土顆粒之間的孔隙填充，使得孔隙減小。因此，隨著水泥摻入比的增大，EPS顆?；旌陷p量土的動(dòng)強(qiáng)度增大。

4 結(jié) 語

(1)在對不同配比的EPS顆?；旌陷p量土的εd～N曲線進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，確定以5%壓應(yīng)變作為EPS顆?；旌陷p量土的破壞標(biāo)準(zhǔn)。

(2)EPS顆粒混合輕量土隨著動(dòng)荷載的增大，達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)的振動(dòng)次數(shù)逐漸減少。

(3)EPS顆?；旌陷p量土的動(dòng)強(qiáng)度隨著EPS顆粒摻入量的增大而減小，而隨著水泥摻入量的增大而增大，且不同配比的EPS顆?；旌陷p量土的動(dòng)強(qiáng)度均大于本次試驗(yàn)所制備的重塑黃土動(dòng)強(qiáng)度。與本次試驗(yàn)所制備的重塑黃土動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行比較，不同配比的EPS顆?；旌陷p量土的動(dòng)強(qiáng)度增大幅度為20.8%～232.9%。

(4)EPS顆?；旌陷p量土的動(dòng)強(qiáng)度均隨著圍壓的增大而增大。在50～200 kPa范圍內(nèi)，圍壓每增大50 kPa，則EPS顆粒混合輕量土動(dòng)強(qiáng)度增大的幅度為7.9%～21.9%。

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