凍融對(duì)AS型固化劑改良土工程特性的影響

王天亮，張麗玲，劉堯軍，卜建清

（1.石家莊鐵道大學(xué)a.土木工程學(xué)院；b.道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊050043；2.天大卓然設(shè)計(jì)院，石家莊050040）

土壤固化劑是在常溫下能夠直接膠結(jié)土壤顆粒表面或能夠與粘土礦物反應(yīng)生成膠凝物質(zhì)的土壤硬化劑。由于其具有較高性價(jià)比、高效低耗以及節(jié)約能源的特性，被廣泛應(yīng)用于道路基層［1－2］、渠道防滲［3］和水利工程［4］等領(lǐng)域。國(guó)外在固化劑的應(yīng)用和研究方面已趨于成熟，研究對(duì)象包括各種水泥和石灰添加劑［5－6］、廢物再利用［7］、新型土壤固化劑［8］。中國(guó)對(duì)固化劑的應(yīng)用起步較晚，固化劑多以引進(jìn)為主［2，9－10］，但是由于氣候與土壤條件以及依據(jù)的技術(shù)規(guī)范不同，多數(shù)液體固化劑不能直接使用［11］，影響了土壤固化劑的進(jìn)一步推廣。因此，確定固化劑的使用條件、應(yīng)用方法以及地域適用性是非常有必要的。

由于季節(jié)性凍土地區(qū)特殊的氣候環(huán)境，該地區(qū)的土壤表現(xiàn)出獨(dú)特的性質(zhì)，給公路、鐵路等工程建設(shè)帶來(lái)不利的影響，在路基土中加入土壤固化劑來(lái)改善其抗凍性，對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有重要的意義。筆者以高液限黏性土為研究對(duì)象，研究了凍融后AS型固化劑改良土的靜動(dòng)力特性，探討了土壤固化劑的抗凍融耐久性。

1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 土樣的物理性質(zhì) 土樣取自哈大客運(yùn)專線鞍山某土料堆填場(chǎng)，根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》（GB／T 50123－1999）中的有關(guān)要求，對(duì)土樣進(jìn)行了顆粒粒徑分析、液塑限測(cè)定及擊實(shí)試驗(yàn)，將其定為高液限黏性土質(zhì)。液限48.6%，塑限21.5%，塑性指數(shù)27.1，最優(yōu)含水率18.1%，最大干密度為1.80g／cm3。其顆粒粒徑分析見(jiàn)圖1。

圖1 素土顆粒粒徑分布曲線

1.1.2 AS型土壤固化劑 Aught－Set（奧特賽特）土壤固化劑是以水泥基為基礎(chǔ)的由大量無(wú)機(jī)材料（水泥熟料、粉煤灰、礦渣、石膏、石灰、鐵渣、硫酸鋁鉀、硅酸鈉、氟化鈉、碳酸鈉等以及能與土壤活性物質(zhì)起反應(yīng)的氧化鎂、氯化鈣、氯化鐵、明礬、磷酸等）和有機(jī)材料（如檸檬酸、聚丙烯酰胺、三乙醇胺等）混合而成的膠凝性材料，即該土壤固化劑由固體固化劑和液體固化劑2種材料組成。

1.2 試樣制備

當(dāng)配制土樣時(shí)，先將固體固化劑按摻入比3%的量加入土中拌合均勻待用。然后將液體固化劑按照1：200的比例放入所需的水中，攪拌均勻。最后將經(jīng)過(guò)稀釋后的固化劑水溶液摻入到混合料中，拌合均勻，悶料2～4h后便可以開(kāi)始制備試樣。按照試驗(yàn)規(guī)程，所有三軸試樣均按95%的壓實(shí)度控制干密度，利用三瓣飽和器分5層擊實(shí)而成，試樣高度H＝80mm，直徑D＝39.1mm，含水量為19.31%，放在保濕缸中進(jìn)行常溫養(yǎng)護(hù)。

1.3 試樣方法

待試樣養(yǎng)護(hù)完成后，進(jìn)行室內(nèi)凍融循環(huán)試驗(yàn)。參照季節(jié)性凍土區(qū)的溫度變化，采用5組凍融循環(huán)溫度，即冷卻溫度Tc分別為－20、－15、－10、－5和－2℃，融化溫度均為15℃。為防止凍融過(guò)程中試樣水分損失，將每個(gè)試樣用塑料薄膜封閉好后放于凍融箱內(nèi)，冷卻時(shí)在恒溫冷凍箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)12h，融化時(shí)在5℃的恒溫箱中養(yǎng)護(hù)12h，此過(guò)程為一個(gè)凍融循環(huán)周期。凍融循環(huán)周期次數(shù)Nft為0、1、3、6、10次，前期研究表明8～12次循環(huán)就可以滿足研究?jī)鋈趯?duì)強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)影響的要求［12］。達(dá)到凍融循環(huán)周期次數(shù)后取出部分試樣進(jìn)行試驗(yàn)，剩余試樣繼續(xù)做凍融循環(huán)試驗(yàn)。

試驗(yàn)分別在MTS810土動(dòng)三軸儀和GDS非飽和土三軸儀上進(jìn)行。MTS810土動(dòng)三軸儀采用應(yīng)力控制式單循環(huán)加載方式，振動(dòng)頻率f＝4Hz，動(dòng)荷載以半正弦波的形式輸入，最小動(dòng)應(yīng)力幅值從250kPa逐步提高，直至達(dá)到使試樣破壞的動(dòng)應(yīng)力，圍壓為20kPa；GDS非飽和土三軸儀為應(yīng)變控制式，進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和常規(guī)三軸試驗(yàn)，圍壓為20kPa，加載速率為0.5mm／min，控制應(yīng)變?yōu)?%。數(shù)據(jù)采集均由與儀器相匹配的自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成，所采集的數(shù)據(jù)包括時(shí)間、荷載、圍壓、孔壓和位移。

2 AS固化劑土的力學(xué)性狀分析

2.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

對(duì)養(yǎng)護(hù)3、7、14、28d的3%AS固化劑改良土進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得到固化劑改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期變化曲線，見(jiàn)圖2。

圖2 AS固化劑土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化關(guān)系

由圖2可以看出，3%AS固化劑改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著齡期的增加而不斷增長(zhǎng)。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度前7d的增長(zhǎng)速率較快，但強(qiáng)度增加的速率隨齡期延長(zhǎng)逐漸變緩。7d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是732kPa，28d的是982kPa，7d的無(wú)側(cè)向抗壓強(qiáng)度達(dá)到28d強(qiáng)度的75%。同時(shí)，為研究齡期和凍融次數(shù)的相互關(guān)系，圖3給出了7d和28d養(yǎng)護(hù)齡期試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與凍融次數(shù)的變化關(guān)系。試樣的7d和28d養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度隨凍融次數(shù)的增加而減小，在經(jīng)歷6次凍融后的變化趨勢(shì)趨于穩(wěn)定狀態(tài)。由此可知，7d強(qiáng)度可以滿足施工的要求，考慮到試驗(yàn)量較大，在隨后的試驗(yàn)中均采用7d養(yǎng)護(hù)的試樣。

圖3 AS固化劑土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨凍融次數(shù)的變化關(guān)系

2.2 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

圖4為冷卻溫度－15℃時(shí)不同凍融次數(shù)下固化劑改良土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，Nft為凍融循環(huán)次數(shù)。在一定圍壓下，隨著剪應(yīng)變?cè)龃?，AS固化劑改良土應(yīng)力應(yīng)變曲線出現(xiàn)明顯的峰值，峰值后強(qiáng)度降低明顯，為應(yīng)變軟化型曲線，試樣呈脆性破壞形式，而素土為應(yīng)變硬化型曲線，呈塑性破壞形式。同時(shí)，凍融作用對(duì)曲線的影響非常明顯，隨著凍融次數(shù)的增加，曲線的峰值點(diǎn)和初始切線模量均隨之減小，但當(dāng)達(dá)到6次凍融作用后，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線基本重合。

圖4 不同凍融次數(shù)下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線（Tc＝ －15℃，σ3＝20kPa）

圖5為6次凍融循環(huán)下不同冷卻溫度的固化劑改良土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，圍壓σ3為20kPa。在一定的凍融次數(shù)下，固化劑改良土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線的峰值點(diǎn)和初始切線模量均隨冷卻溫度的降低而降低，同時(shí)，隨著溫度的降低，經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后的固化劑改良土脆性逐漸減弱。當(dāng)冷卻溫度低于－5℃后，溫度不再起主要作用。

圖5 不同冷卻溫度下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線（Nft＝6）

2.3 靜強(qiáng)度

研究者普遍認(rèn)為，凍融作用會(huì)降低土的強(qiáng)度，主要是由于土中水的凍結(jié)增大了土體的孔隙體積，當(dāng)孔隙冰融化時(shí)，有些已增大的孔隙無(wú)法恢復(fù)到原始狀態(tài)，從而使土體疏松，土顆粒之間的連結(jié)力降低，但多次凍融是否會(huì)使土的強(qiáng)度繼續(xù)下降還有待于研究。筆者就未凍融土、凍融1、3、6、8、10次的結(jié)果進(jìn)行了分析。對(duì)于以脆性破壞的土樣，取應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系曲線的峰值點(diǎn)作為土樣的峰值抗剪強(qiáng)度。

圖6和圖7分別為AS固化劑改良土的靜強(qiáng)度隨凍融次數(shù)以及冷卻溫度的變化規(guī)律。固化劑改良土的靜強(qiáng)度隨凍融次數(shù)的增加呈指數(shù)形式衰減，當(dāng)達(dá)到一定凍融次數(shù)后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在冷卻溫度高于－5℃達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的次數(shù)是6次，而低于－5℃的穩(wěn)定次數(shù)是3次。第一次凍融作用對(duì)改良土的影響顯著，因冷卻溫度的不同，降低幅度在10%～50%之間，如圖6和圖7所示。在第一次凍融作用下，固化劑改良土的靜強(qiáng)度與冷卻溫度存在良好的線性關(guān)系，而當(dāng)經(jīng)歷多次凍融作用后，隨著冷卻溫度的降低，靜強(qiáng)度變化趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 固化劑土靜強(qiáng)度隨凍融次數(shù)的變化關(guān)系（σ3 ＝20kPa）

圖7 固化劑土靜強(qiáng)度隨冷卻溫度的變化關(guān)系（σ3＝20kPa）

3 AS固化劑土的動(dòng)力特性分析

3.1 變形特性

圖8為循環(huán)三軸試驗(yàn)過(guò)程的動(dòng)應(yīng)力加載曲線，圖9為動(dòng)應(yīng)力σd分別為240、350kPa時(shí)的AS固化劑改良土試樣的動(dòng)應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系對(duì)比曲線。從圖8可以看出，施加在試樣的動(dòng)應(yīng)力波形符合試驗(yàn)前設(shè)定的加載形狀，即為半正弦（haversine）波。從圖9可以看出，循環(huán)荷載作用下試樣產(chǎn)生明顯的滯回圈，并逐漸產(chǎn)生累積應(yīng)變，且變形增長(zhǎng)率隨加載次數(shù)增加逐漸減小。變形穩(wěn)定試樣與變形破壞試樣的動(dòng)應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系差別較大，對(duì)于穩(wěn)定試樣，循環(huán)荷載作用20周后動(dòng)應(yīng)力 應(yīng)變滯回圈的面積變小，表明試樣變形已接近彈性，累積應(yīng)變趨于穩(wěn)定，見(jiàn)圖9（a）；但對(duì)于破壞試樣，循環(huán)荷載作用20周后滯回圈的面積逐漸變大，表明試樣發(fā)生脆性變形破壞，見(jiàn)圖9（b）。

圖8 循環(huán)加載過(guò)程中的動(dòng)應(yīng)力曲線（循環(huán)加載20周）

圖9 試樣的動(dòng)應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系

圖10 為素土在不同動(dòng)應(yīng)力水平下的累積塑性應(yīng)變?chǔ)舙與振動(dòng)次數(shù)的半對(duì)數(shù)lgN關(guān)系曲線；圖11和圖12分別為冷卻溫度Tc為－5、－20℃時(shí)不同凍融次數(shù)下AS固化劑改良土的累積塑性應(yīng)變?chǔ)舙與振動(dòng)次數(shù)的半對(duì)數(shù)lgN關(guān)系曲線。由圖10可知，素土的累積塑性變形隨振次的增加呈增加趨勢(shì)，為塑性破壞形式，在動(dòng)應(yīng)力水平小于某值時(shí)，累積變形增加趨勢(shì)變緩；在動(dòng)應(yīng)力水平大于某值時(shí)，變形不斷增大直至破壞，可見(jiàn)存在一個(gè)臨界狀態(tài)值。由圖11和圖12可知，當(dāng)動(dòng)應(yīng)力超過(guò)試樣的臨界值時(shí)，土樣的累積塑性變形初期發(fā)展較慢，當(dāng)循環(huán)荷載作用到一定振動(dòng)次數(shù)后，出現(xiàn)應(yīng)變轉(zhuǎn)折點(diǎn)，土樣變形開(kāi)始急劇增大，在隨后很少的振動(dòng)次數(shù)范圍內(nèi)就達(dá)到破壞，表現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征。同時(shí)，在相同動(dòng)應(yīng)力水平下，經(jīng)歷較少凍融次數(shù)時(shí)，固化劑改良土試樣的累積塑性應(yīng)變較小，基本上為彈性應(yīng)變；隨著凍融次數(shù)的增加，變形在經(jīng)歷一定振動(dòng)次數(shù)后急劇增大并破壞，表現(xiàn)出脆性破壞特征，且隨著冷卻溫度的降低，試樣達(dá)到破壞所需的凍融次數(shù)減少，如冷卻溫度－5℃時(shí)是8次，而－20℃時(shí)是6次。

圖10 不同動(dòng)應(yīng)力下素土的εp－lg N曲線（σ3＝20kPa）

圖11 不同凍融次數(shù)下固化劑土的εp－lg N曲線（σ3＝20kPa，σd＝450kPa，Tc＝ －5℃）

圖12 不同凍融次數(shù)下固化劑土的εp－lg N曲線（σ3＝20kPa，σd＝300kPa，Tc＝－20℃）

3.2 臨界動(dòng)應(yīng)力

根據(jù)每次試驗(yàn)得到的εp－lgN典型曲線，判別試樣是趨于強(qiáng)化、破壞還是臨界狀態(tài)，并繪出由所有的臨界點(diǎn)回歸得到的區(qū)分破壞點(diǎn)和未破壞點(diǎn)的直線，即為臨界狀態(tài)線，從而獲得土樣的臨界動(dòng)應(yīng)力［13］。圖13為不同冷卻溫度下AS固化劑改良土的臨界動(dòng)應(yīng)力與凍融次數(shù)的關(guān)系曲線。由圖可以看出，相同冷卻溫度和圍壓下固化劑改良土的臨界動(dòng)應(yīng)力隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈指數(shù)形式衰減，－2、－5℃時(shí)在經(jīng)歷6次凍融循環(huán)后基本趨于穩(wěn)定，而低于－10℃后達(dá)到穩(wěn)定的凍融次數(shù)為3次，即多次凍融循環(huán)作用使得石灰土內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化趨于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。

圖13 AS固化劑土的臨界動(dòng)應(yīng)力與凍融次數(shù)關(guān)系曲線（σ3＝20kPa）

式中，σdcrb為未凍融土的臨界動(dòng)應(yīng)力；σdcra為凍融循環(huán)后土的臨界動(dòng)應(yīng)力。

依據(jù)式（1），圖14為不同凍融次數(shù)下AS固化劑改良土的臨界動(dòng)應(yīng)力衰減率與冷卻溫度的關(guān)系。由圖可知，衰減系數(shù)η能夠更直觀地反映凍融循環(huán)對(duì)土試樣臨界動(dòng)應(yīng)力的影響程度，具有工程普適性，指導(dǎo)工程實(shí)踐。臨界動(dòng)應(yīng)力衰減率隨冷卻溫度的降低而增加，隨著凍融次數(shù)的增加，衰減率的增加幅度逐漸減小。同時(shí)，相同冷卻溫度下，衰減率隨凍融次數(shù)的增加而增大，且隨著冷卻溫度的降低，其增大幅度逐漸減小，如－2℃時(shí)，衰減率隨凍融次數(shù)的增加幅度為30%；而在－20℃時(shí)，增加幅度僅為5%。

3.3 動(dòng)回彈模量

圖15為不同動(dòng)應(yīng)力幅值下AS固化劑改良土土樣回彈模量與加載次數(shù)的關(guān)系曲線，圖16為不同凍融次數(shù)下固化劑土回彈模量隨累積應(yīng)變的變化曲

為更好的研究?jī)鋈谧饔脤?duì)固化劑改良土的影響規(guī)律，在此引入臨界動(dòng)應(yīng)力衰減率η。凍融循環(huán)臨界動(dòng)應(yīng)力衰減率反映了凍融循環(huán)作用對(duì)固化劑改良土臨界動(dòng)應(yīng)力的影響程度，其定義為改良土凍融前后臨界動(dòng)應(yīng)力之比。線。分析圖線可知，加載初期，回彈模量隨著振動(dòng)次數(shù)以及累積應(yīng)變的增加而迅速降低，當(dāng)振動(dòng)次數(shù)超過(guò)10次后或者應(yīng)變超過(guò)1.0%時(shí)，回彈模量變化趨于穩(wěn)定。在同一動(dòng)應(yīng)力水平和相同應(yīng)變值下，回彈模量隨凍融次數(shù)的增加而降低，而當(dāng)凍融次數(shù)超過(guò)6次后，回彈模量不再減小，趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖14 臨界動(dòng)應(yīng)力衰減率與冷卻溫度的關(guān)系曲線（σ3＝20kPa）

圖15 不同動(dòng)應(yīng)力幅值下回彈模量與加載次數(shù)的關(guān)系（σ3＝20kPa，Nft＝3，Tc＝－5℃）

圖16 不同凍融次數(shù)下回彈模量隨累積應(yīng)變變化曲線（σ3＝20kPa，σd＝450kPa，Tc＝ －5℃）

由文獻(xiàn)可知［14］，路基土的回彈模量一般取循環(huán)三軸試驗(yàn)中某級(jí)應(yīng)力狀態(tài)下應(yīng)變速率達(dá)到穩(wěn)定后的數(shù)值。圖17為動(dòng)荷載作用20次時(shí)，不同冷卻溫度下固化劑改良土的回彈模量Edmax與凍融次數(shù)的關(guān)系曲線。由圖可知，在同一冷卻溫度下，固化劑改良土的回彈模量隨凍融次數(shù)增加而降低，第一次凍融作用對(duì)其影響非常明顯，當(dāng)經(jīng)歷6次凍融作用后，變化趨勢(shì)趨于穩(wěn)定，這與前面有關(guān)靜強(qiáng)度和臨界動(dòng)應(yīng)力的分析結(jié)果是一致的，因此，在實(shí)際工程中可以考慮采用固化劑改良土經(jīng)歷6次凍融作用后的力學(xué)指標(biāo)［15］。

圖17 回彈模量與凍融次數(shù)的關(guān)系（σ3＝20kPa）

4 AS型土壤固化劑加固機(jī)理

將一定量的AS型土壤固化劑摻入土壤中，經(jīng)攪拌、壓實(shí)、淋水和自然養(yǎng)護(hù)等處理后，固化劑本身部分成分水化反應(yīng)生成硅酸鈣、鋁酸鈣等膠凝性物質(zhì)，使粘土顆粒表面形成凝結(jié)硬化殼。同時(shí)，固化劑與土壤混合后，將過(guò)多的水分在反應(yīng)中“奪取”，生成含32個(gè)結(jié)晶水的鈣礬石針狀結(jié)晶體3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O，將土壤中大量的自由水以結(jié)晶水的形式固定下來(lái)。而且，與水作用產(chǎn)生大量的Ca2＋，以及激發(fā)素中含有的高價(jià)陽(yáng)離子，如Fe3＋、Al3＋等，由于具有較高的離子強(qiáng)度，與土顆粒中的Na＋、K＋、Ca＋進(jìn)行離子交換作用，使得粘土膠團(tuán)表面ξ電位降低，膠團(tuán)所吸附的雙電層減薄，電解質(zhì)濃度增強(qiáng)、顆粒趨于凝聚，清除土壤內(nèi)的液相和氣相，生成的硫酸鈣結(jié)晶，體積膨脹而進(jìn)一步填充孔隙，同時(shí)與針狀結(jié)晶相互交叉，形成鏈狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而緊密結(jié)合，另外AS系列土壤固化劑能阻斷或破壞土層中的毛細(xì)管結(jié)構(gòu)，從而提高了地基的強(qiáng)度、耐水性和抗凍性。

總之，土壤固化劑是在與土壤細(xì)微顆粒接觸時(shí)發(fā)生各種物理和化學(xué)反應(yīng)，使界面形成牢固的多結(jié)晶聚集體，從而改變顆粒界面的接觸，新形成的化學(xué)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)強(qiáng)度和其他性能。

5 結(jié) 論

在大量三軸試驗(yàn)和凍融循環(huán)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分析了凍融次數(shù)、冷卻溫度對(duì)AS型土壤固化劑改良土力學(xué)特性的影響，得出了如下結(jié)論：

1）3%AS固化劑改良土的7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到28d強(qiáng)度的75%，有效地縮短了工期。

2）AS型固化劑改良土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為應(yīng)變軟化型曲線，呈脆性破壞形式。通過(guò)分析動(dòng)應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系，可以將試樣分為變形穩(wěn)定和變形破壞2種形式。在同一動(dòng)應(yīng)力水平下，隨著凍融次數(shù)的增加，試樣的累積塑性變形由變形穩(wěn)定狀態(tài)向變形破壞發(fā)展。

3）AS型固化劑改良土的靜強(qiáng)度、臨界動(dòng)應(yīng)力以及動(dòng)回彈模量均隨凍融次數(shù)的增加而降低，且第一次凍融對(duì)其影響非常明顯，且當(dāng)經(jīng)歷6次凍融后趨于穩(wěn)定，因此，在實(shí)際工程中可考慮采用固化劑改良土凍融6次后的力學(xué)指標(biāo)。

4）AS型土壤固化劑通過(guò)與土中的礦物和水分發(fā)生一系列的水化反應(yīng)、置換水反應(yīng)以及離子交換等化學(xué)過(guò)程，提高了土體的抗?jié)B性、整體強(qiáng)度和抗凍融耐久性。

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