混凝土深層裂縫化學(xué)灌漿施工技術(shù)探討

林啟春，王林林，周嚴(yán)，趙沈軍，余勛

（1.寧波市白溪水庫(kù)管理局，浙江寧海315600；2.浙江華東建設(shè)工程有限公司，浙江杭州310030）

1 工程概況

小灣水電站位于云南省西部南澗縣與鳳慶縣交界的瀾滄江中游河段，在干流河段與支流黑惠江交匯處下游1.5k m處，系瀾滄江中下游河段規(guī)劃八個(gè)梯級(jí)中的第二級(jí)。小灣水電站工程屬大Ⅰ型一等工程，永久性主要水工建筑物為一級(jí)建筑物。工程以發(fā)電為主，兼有防洪、灌溉、養(yǎng)殖和旅游等綜合利用效益，水庫(kù)具有不完全多年調(diào)節(jié)能力，系瀾滄江中下游河段的“龍頭水庫(kù)”。該工程由混凝土雙曲拱壩、壩后水墊塘及二道壩、左岸泄洪洞及右岸地下引水發(fā)電系統(tǒng)組成。

大壩壩高292m，壩頂高程1245 m，壩頂長(zhǎng)922.74 m，拱冠梁頂寬13m，底寬69.49m。大壩混凝土自2005年12月開始澆筑，2007年11月在對(duì)壩體中部高程1048.5~1059.25 m橫縫灌區(qū)進(jìn)行壓水檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)部分壩段橫縫之間有互串現(xiàn)象，隨后經(jīng)巡視檢查、橫縫灌區(qū)壓水、檢查孔壓水及數(shù)字成像等資料分析表明，各壩段高程1100m以下分布有多條裂縫，其中部分裂縫為貫通性裂縫。裂縫主要分布在14~31號(hào)壩段高程980~1100m范圍，裂縫產(chǎn)狀在平面上基本為近平行拱圈方向分布，沿拱圈厚度方向在中部區(qū)域較為集中，在拱圈方向有一定的連通性，高程方向?yàn)榻U直向且較為連通。

2 裂縫特點(diǎn)及產(chǎn)生原因分析

2.1 小灣壩體裂縫特點(diǎn)

（1）出現(xiàn)在傳統(tǒng)不易裂的位置。一般建筑物裂縫在外部均可見，而本工程裂縫位于壩體內(nèi)部，見圖1。

圖1 大壩15壩段（剖面）裂縫分布示意圖Fig.1 Distribution of cracks on the dam section 15(profile)

（2）裂縫縫面面積很大。一般建筑物單條裂縫縫面至多數(shù)十平米，而本工程裂縫縫面積為幾千平米，較少見。

2.2 裂縫原因分析

有關(guān)專家和院士組成的專家組對(duì)大壩裂縫問題進(jìn)行了專題分析論證，認(rèn)為產(chǎn)生裂縫的主要原因有以下幾個(gè)：

（1）小灣水電站大壩采用的混凝土溫控措施使二冷過程中未在高程方向上形成相對(duì)均勻的溫度梯度，使二冷區(qū)與未二冷區(qū)交界處溫度梯度過大；同高程范圍內(nèi)左右岸大壩混凝土二期冷卻不同步，在左右岸分界處形成明顯溫度梯度；二期冷卻沿上下游方向劃分的不同封拱溫度分區(qū)冷卻開始時(shí)間不同步。這些是導(dǎo)致大壩混凝土開裂的一個(gè)重要因素。

（2）大壩按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行15～21 d的一冷，但通水過程中還存在一定的缺陷，降溫不均勻，并且在二冷開始前，壩體溫度平均回升4℃左右，以致二冷降溫幅度過大（按觀測(cè)到的壩內(nèi)最高溫度計(jì)算，最大降幅為18℃～19℃），這是產(chǎn)生裂縫的重要原因。

（3）已進(jìn)行封拱灌漿的下部拱壩對(duì)上部各壩段混凝土產(chǎn)生的約束是導(dǎo)致大壩混凝土開裂的重要因素。

（4）對(duì)于底寬較大的小灣拱壩，二冷6m蓋重明顯偏小，加劇了裂縫的產(chǎn)生。

3 裂縫處理方案及處理原則

3.1 裂縫處理方案

由于拱壩本身受力特性，裂縫處理目的以補(bǔ)強(qiáng)加固為主，經(jīng)過前期鉆孔電視觀測(cè)，裂縫寬度一般在1 m m以內(nèi)，處理方法應(yīng)以化學(xué)灌漿為主?；瘜W(xué)灌漿材料雖然較昂貴，但屬于真溶液，比水泥具有更好的可灌性，而且可按工程需要調(diào)節(jié)漿液的凝固時(shí)間，有的化學(xué)灌漿材料還具有較高的粘結(jié)強(qiáng)度，用于結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)可獲得較好的效果。國(guó)內(nèi)較多工程裂縫化灌證明，化學(xué)灌漿對(duì)提高工程質(zhì)量、加快工程進(jìn)度和提高經(jīng)濟(jì)性都有極大的作用。因此，通過水規(guī)總院組織的《云南瀾滄江小灣水電站工程大壩裂縫成因分析和處理措施專題報(bào)告咨詢會(huì)》，決定采用灌注環(huán)氧化灌材料對(duì)壩體裂縫進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固處理。

3.2 處理原則

利用壩后馬道、棧橋、排架和檢查廊道打設(shè)灌漿孔穿過壩體裂縫，通過灌漿孔將環(huán)氧漿材灌入裂縫中，將裂縫填充密實(shí)并與縫面混凝土有效粘結(jié)?？紤]到裂縫分布范圍較大，可視壩體結(jié)構(gòu)分區(qū)灌漿。化灌材料性能首先須符合JC/T 1041-2007《混凝土裂縫用環(huán)氧樹脂灌漿材料》，再根據(jù)生產(chǎn)性試驗(yàn)及灌漿情況調(diào)整。施工必須通過招標(biāo)選擇國(guó)內(nèi)有類似工程經(jīng)驗(yàn)、有強(qiáng)大實(shí)力的單位實(shí)施。

4 混凝土深層裂縫化學(xué)灌漿工藝技術(shù)

本工程裂縫處理從2008年5月開始至2009年12月，期間經(jīng)過了生產(chǎn)性試驗(yàn)階段、高程1061 m以下裂縫處理、高程1061~1084 m裂縫處理、高程1084 m以上裂縫處理共4個(gè)階段。每個(gè)階段每個(gè)灌區(qū)都根據(jù)具體情況制定灌漿方案，每個(gè)階段每個(gè)灌區(qū)都根據(jù)灌漿情況進(jìn)行總結(jié)分析，根據(jù)總結(jié)分析來(lái)優(yōu)化調(diào)整灌漿工藝參數(shù)，最終總結(jié)完成了適合大范圍深層裂縫灌漿的施工技術(shù)。

4.1 工藝流程

孔位布置→鉆孔→單孔壓水→孔內(nèi)物探測(cè)試→射漿管安裝→灌區(qū)壓水及外漏封堵→方案擬定、模擬灌漿→壓氣排水→化學(xué)灌漿→灌后質(zhì)量檢查。

4.2 布孔

根據(jù)生產(chǎn)性試驗(yàn)，擬定間排距6m（高差）×4 m（間距），通過壓水檢查情況可進(jìn)行加密，漿液擴(kuò)散半徑能滿足要求。

4.3 鉆孔

考慮到盡量減少化學(xué)漿液孔占量，鉆孔孔徑盡可能小，但應(yīng)滿足能通入射漿管，目前國(guó)內(nèi)類似化灌工程基本采用?60m m孔。在鉆孔設(shè)備選用上，考慮到后續(xù)孔內(nèi)物探的效果，且避免更多的粉沫污染縫面，本工程均選用地質(zhì)鉆機(jī)造孔。

4.4 單孔分段壓水

單孔壓水檢查采用正規(guī)單點(diǎn)法壓水，由孔底向孔口分段壓水，分段長(zhǎng)度為5m，壓水壓力為0.5M Pa。壓水過程中通過流量的變化大致確定裂縫部位，便于與孔內(nèi)物探成果相互驗(yàn)證。

4.5 孔內(nèi)物探

鉆孔及單孔壓水試驗(yàn)完成后，將孔內(nèi)沖洗干凈，進(jìn)行數(shù)字成像測(cè)試。主要查明以下內(nèi)容：鉆孔孔深、裂縫距離孔口位置、裂縫縫面充填情況、裂縫寬度及孔內(nèi)其它情況。

4.6 射漿管安裝

根據(jù)各灌漿孔的孔深，用4″鋼管接箍連接到孔底作為射漿管，射漿管距孔底深度不大于10c m。為減少化灌孔占量，曾提出將止?jié){塞設(shè)置在裂縫外端一定距離，裂縫端灌化學(xué)材料，另外段灌水泥漿。試驗(yàn)表明橡膠止?jié){塞容易被化學(xué)材料腐蝕，密封效果不好，且不能重復(fù)使用。又提出采用模袋法制作止?jié){塞，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)由于鉆孔較深，按預(yù)定位置放置模袋難度較大；又因鉆孔孔徑較小，同時(shí)放置射漿管及模袋注漿管難度較大，模袋密封效果受孔壁情況影響，綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，采用孔口灌漿方式。孔口段用快硬材料埋設(shè)進(jìn)漿管（射漿管）和排氣管，封堵密實(shí)，防止?jié){液外漏。

4.7 灌區(qū)壓水及漏點(diǎn)封堵

灌區(qū)壓水是指對(duì)擬灌區(qū)域內(nèi)所有孔進(jìn)行全孔壓水，壓水順序?yàn)閺南聦油蠈?，壓力?.5 M Pa。上層的灌漿孔返水后，再?gòu)纳蠈拥倪M(jìn)漿孔壓水，依次逐層實(shí)施，直到灌區(qū)頂層灌漿孔返水并關(guān)閉閥門，測(cè)出灌區(qū)穩(wěn)定流量。灌區(qū)壓水檢查的目的是全面了解灌區(qū)各孔串通情況、串漏量大小、查出外漏部位及外漏量等。對(duì)灌區(qū)漏點(diǎn)一般采用直接封堵的方法，實(shí)踐發(fā)現(xiàn)外漏點(diǎn)可在灌漿過程中進(jìn)行排氣和排水，對(duì)提高灌漿效果有利，因此此后對(duì)灌區(qū)漏點(diǎn)采用埋管封堵的方法。

4.8 灌漿方案擬定及模擬灌漿

根據(jù)灌區(qū)壓水成果，制定出針對(duì)本灌區(qū)的化學(xué)灌漿施工方案。由于化學(xué)灌漿的不可逆性及重要性，灌漿過程必須受控，因此有必要進(jìn)行模擬灌漿，以便掌握各種情況。考慮水的價(jià)格低廉及粘度與環(huán)氧漿液接近，本工程采用水模擬漿液進(jìn)行灌漿，進(jìn)一步確認(rèn)灌區(qū)的封閉性、外漏處理效果、是否會(huì)有其它特殊情況發(fā)生、灌區(qū)總灌水量等。通過模擬灌漿，可較合理地計(jì)劃灌漿材料用量，讓灌漿實(shí)施人員掌握整個(gè)灌漿工藝流程和應(yīng)急處理方法，從而保證灌漿施工效果。模擬灌漿進(jìn)一步清洗了裂縫縫面，有利于環(huán)氧灌漿材料的粘結(jié)，可提高灌漿效果；同時(shí)，也驗(yàn)證了擬定灌漿方案的可行性。模擬灌漿在整個(gè)灌漿過程中起了非常大的作用，今后類似大規(guī)?；瘜W(xué)灌漿均可參照實(shí)施此工序。

4.9 壓氣排水

壓氣排水至少兩次，第二次在灌漿過程中進(jìn)行，風(fēng)壓不超過最大灌漿壓力的50%。灌漿孔之間有互相串通的，壓氣吹水時(shí)敞開該高程或其它高程所有灌漿孔進(jìn)行排水。沒有互相連通的，利用灌漿管壓風(fēng)，出漿管排水，盡量確?？變?nèi)與裂縫面無(wú)積水。

4.10 化學(xué)灌漿

4.10.1 灌漿原則

灌漿施工遵循“自低高程向高高程，在同一高程灌漿孔中，先灌流量大的孔，再灌流量小的孔。先進(jìn)行串通孔灌漿，后進(jìn)行單孔灌漿”的原則，灌漿采用純壓式、孔口封閉灌漿法灌注。

4.10.2 灌漿壓力及升壓方式

采用純壓式灌漿，灌漿壓力應(yīng)以進(jìn)漿壓力為主要控制指標(biāo)，同時(shí)使回漿壓力達(dá)到0.3~0.5 M Pa之間，灌區(qū)最頂排灌漿孔灌漿壓力按0.3M Pa控制，防止壓力過大對(duì)裂縫上緣造成劈裂。

在升壓方式上，一般工程均要求灌漿開始后盡快升至灌漿壓力。在本工程中，經(jīng)過幾個(gè)階段的摸索，總結(jié)出“能灌則灌，不易灌則升”的思路，采用逐級(jí)升壓方式，正常情況下，控制在0.1 M Pa（/30~60m i n）內(nèi)，但可根據(jù)灌漿過程中注入率的變化來(lái)控制升壓速度，當(dāng)注入量小于1 L/m i n時(shí)，開始逐級(jí)升壓，最高至設(shè)計(jì)壓力。此項(xiàng)創(chuàng)新基于以下原因：①灌漿前外漏點(diǎn)已基本封堵，灌入的漿液都將在大壩混凝土內(nèi)，可對(duì)裂縫和其缺陷進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。②如開始就升至設(shè)計(jì)壓力，會(huì)使可灌性較好部位進(jìn)漿更加明顯，漿液流動(dòng)性大，從而使可灌性較差部位漿液流動(dòng)緩慢，加快凝固，影響灌漿效果。③將化灌材料的初凝時(shí)間延長(zhǎng)至不少于18h，在此期間漿液粘度基本不變。④整個(gè)灌漿過程中漿液有均勻的流動(dòng)性，便于填充內(nèi)部縫隙。

4.10.3 灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

串通孔灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：在進(jìn)漿壓力0.5M Pa下，灌漿注入量小于0.01 L/m i n，保持進(jìn)漿壓力屏漿4 h后結(jié)束灌漿。單孔灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：在進(jìn)漿壓力0.8 M Pa下，灌漿注入量小于0.01 L/m i n，保持進(jìn)漿壓力屏漿2h后結(jié)束灌漿。此灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)較以往其它化灌工程高，一方面原因是此次裂縫處理成敗對(duì)本工程影響很大，另一方面，經(jīng)過各階段灌漿及取芯檢查發(fā)現(xiàn)，由于環(huán)氧灌漿材料可灌性較好，提高灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)能使裂縫更好地充填粘結(jié)。

根據(jù)化學(xué)灌漿材料的性能指標(biāo)，一般化學(xué)灌漿結(jié)束流量可按0.01~0.1 L/m i n控制，屏漿時(shí)間按不少于30m i n。如以防滲為目的，在30~60m i n之間，如以補(bǔ)強(qiáng)加固為目的，可再延長(zhǎng)。具體灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)須經(jīng)綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析后確定。

4.10.4 灌漿程序

按灌區(qū)最底層串通性好的灌漿孔為首進(jìn)漿孔，采用大流量泵對(duì)進(jìn)漿孔進(jìn)行充容，充容量根據(jù)串通孔孔占量計(jì)算。充容后逐級(jí)升壓，注入率按不大于2L/m i n控制。同層孔返漿后按返漿次序依次并灌，上層灌漿孔返漿后暫時(shí)關(guān)閉閥門，每4 h排氣、排水一次。最低排灌漿孔采用小流量泵逐級(jí)升壓至設(shè)計(jì)壓力后穩(wěn)壓灌注直至屏漿結(jié)束；若最低排灌漿孔灌注時(shí)間已達(dá)15~20h，但尚未達(dá)到灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，為了避免上層返漿孔孔內(nèi)漿液長(zhǎng)時(shí)間處于靜止?fàn)顟B(tài)，要對(duì)上層返漿孔開始不間斷充容，置換新鮮的漿液，以免返漿孔內(nèi)漿液初凝，造成灌漿孔堵塞，影響灌漿質(zhì)量。依次類推，直至最頂層灌漿孔灌漿結(jié)束。

4.10.5 特殊情況處理

灌漿工程中時(shí)常會(huì)有特殊情況出現(xiàn)，本工程針對(duì)易出現(xiàn)的情況制定以下措施：

①施工用電：現(xiàn)場(chǎng)施工用電要接至雙回路配電柜上，一旦發(fā)生斷電情況，要立即關(guān)閉進(jìn)漿閥并關(guān)閉設(shè)備開關(guān)，在半小時(shí)內(nèi)接至另一條線路上，確保施工用電正常；

②當(dāng)因停電或設(shè)備故障導(dǎo)致灌漿泵停止工作時(shí)，應(yīng)立即換接備用灌漿泵，或做到恢復(fù)運(yùn)行時(shí)間不超過3h，保證灌入部分漿液還具有一定的流動(dòng)性；

③灌漿過程中漏漿問題：采用間歇式灌漿方式并短時(shí)間降低灌漿壓力，同時(shí)對(duì)漏漿部位采用局部灌注水溶性聚氨酯材料或?qū)βc(diǎn)表面加熱，加快環(huán)氧漿液的固化。

4.10.6 灌后質(zhì)量檢查

有效檢查孔按灌漿孔總孔數(shù)的10%左右控制，但每個(gè)單元的每批灌區(qū)必須有一個(gè)有效檢查孔。檢查孔采用地質(zhì)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)造孔、雙管單動(dòng)鉆具取芯，孔徑為91m m。

（1）檢查孔布置原則

①單排串通孔布置在兩孔連接中點(diǎn)附近，多排串通孔布置在矩形孔或菱形中心點(diǎn)附近；

②串通性較好的部位；

③灌漿情況不正常以及分析認(rèn)為裂縫化學(xué)灌漿質(zhì)量有問題的部位。

（2）檢查孔取芯成果

本次化學(xué)灌漿處理共布置檢查孔215個(gè)，其中發(fā)現(xiàn)有化學(xué)灌漿漿液充填的裂縫總數(shù)為189處，充填飽滿的裂縫數(shù)為175處，充填率為92.59%，其中，粘結(jié)良好的裂縫數(shù)為150處，占有化學(xué)灌漿漿液充填裂縫總數(shù)的79.37%（大于設(shè)計(jì)要求的50%）。有效檢查孔芯樣結(jié)石所處的高程部位反映出，大壩裂縫內(nèi)均被化學(xué)灌漿漿液充填密實(shí)且粘結(jié)良好，處理效果滿足設(shè)計(jì)要求。

5 混凝土深層裂縫化學(xué)灌漿材料技術(shù)

5.1 材料性能

本工程對(duì)環(huán)氧灌漿材料性能指標(biāo)要求嚴(yán)格，各項(xiàng)指標(biāo)在滿足JC/T 1041-2007《混凝土裂縫用環(huán)氧樹脂灌漿材料》基礎(chǔ)上，通過現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)性試驗(yàn)及各階段技術(shù)總結(jié)，不斷對(duì)材料性能提出改進(jìn)要求，主要對(duì)起始粘度、可操作時(shí)間、本體抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了改進(jìn)，最終環(huán)氧灌漿材料性能指標(biāo)見表1、表2。

表1 灌漿材料漿液性能Table 1:Properties of the grouting material

表2 灌漿材料固化物性能Table 2:Properties of cured compound

5.2 材料配制

化學(xué)灌漿材料的配制根據(jù)廠家提供的配比，材料用量用電子秤稱取，材料配比不符合要求的漿液禁止使用，確保用于灌漿的材料符合技術(shù)要求。

化灌材料在混合過程中會(huì)產(chǎn)生熱量，該熱量又會(huì)引起材料的加速變稠與固化，一旦材料的粘度變大，其可灌性就會(huì)下降，因此控制材料的發(fā)熱與保證其正常固化時(shí)間顯得十分重要，在配合比方面采用以下控制措施：

①在材料供應(yīng)商專業(yè)人員配合下，材料配制由專人負(fù)責(zé)，并做好溫度記錄；

②采用專用配漿桶進(jìn)行配漿，桶外層加冰冷卻，控制好配制漿液的溫度，保持在5℃~35℃；

③嚴(yán)格控制材料的配合比，確保材料的性能與灌漿效果；

④在滿足灌漿速度的前提下，盡量采用多次少量的配制原則，每次配制好的材料要求在可操作時(shí)間內(nèi)使用；

⑤漿液混合要在專用的容器內(nèi)進(jìn)行，同時(shí)該容器要置于陰涼的棚子內(nèi)，避免陽(yáng)光直射；在氣溫較高或拌和量較多時(shí)，采用冷卻設(shè)備進(jìn)行降溫；

⑥漿液混合及使用過程中，要定時(shí)對(duì)混合物充分?jǐn)嚢?，一方面使其均勻混合，另一方面讓其加大與空氣接觸，充分散熱。

5.3 材料檢測(cè)

為有效控制材料各項(xiàng)性能指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求，每批材料均抽樣在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行性能檢測(cè)，并同時(shí)送第三方進(jìn)行檢測(cè)。其中對(duì)力學(xué)性能指標(biāo)分7d、28d、60d三次檢測(cè)，確保性能受控。

6 混凝土深層裂縫化學(xué)灌漿設(shè)備技術(shù)

6.1 灌漿設(shè)備

本工程所需灌漿設(shè)備參數(shù)要求：流量0~50L/m i n，壓力0~1.6M Pa，且壓力可調(diào)。由于整個(gè)灌漿過程中灌漿流量差異較大（0.01~20L/m i n），特別是屏漿時(shí)間較長(zhǎng)，壓力要求穩(wěn)定，因此采用一臺(tái)大流量泵與一臺(tái)小流量泵并聯(lián)設(shè)置，根據(jù)不同進(jìn)漿量使用相匹配的泵，發(fā)揮泵的性能優(yōu)勢(shì)。

隨著化學(xué)灌漿向滿足不同工程需求發(fā)展，對(duì)灌漿設(shè)備的要求也越來(lái)越高，高壓（10M Pa以上）、大流量（幾十升/m i n）、小體積的專用灌漿設(shè)備尚不成熟，同時(shí)具備智能性、易操作性、耐久性，易修性的灌漿設(shè)備也是研發(fā)方向。

6.2 計(jì)量設(shè)備

目前市場(chǎng)上已有針對(duì)化學(xué)灌漿的自動(dòng)記錄儀，本工程實(shí)施時(shí)，也曾引進(jìn)自動(dòng)記錄儀進(jìn)行試驗(yàn)，與手工記錄相對(duì)比發(fā)現(xiàn)誤差較大，因此本工程最終采用電子秤手工記錄，精度50g。但隨著自動(dòng)記錄理論及技術(shù)的發(fā)展，已有不少化學(xué)灌漿工程成功采用自動(dòng)記錄儀。

7 結(jié)語(yǔ)

從目前的發(fā)展趨勢(shì)分析，化學(xué)灌漿在工程中的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣，而且大規(guī)模的化灌工程（如重要建筑物基礎(chǔ)的防滲、加固）也會(huì)越來(lái)越多。這需要完善、標(biāo)準(zhǔn)的灌漿工藝、性能優(yōu)越的灌漿材料，集制漿、灌漿、記錄一體化的設(shè)備等技術(shù)支持，相信以上對(duì)混凝土深層裂縫化學(xué)灌漿技術(shù)的總結(jié)可為今后大規(guī)?；喙こ痰睦碚撗芯考皩?shí)踐應(yīng)用提供借鑒?！?/p>

[1]黃國(guó)興,陳改新.水工混凝土建筑物修補(bǔ)技術(shù)及應(yīng)用[M].中國(guó)水利水電出版社.

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