PTFE建筑膜材寒冷地區(qū)耐候性自然暴露試驗(yàn)研究

武 岳，葉瑾瑜，徐 旺，李宗晟

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 結(jié)構(gòu)工程災(zāi)變與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150090；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090；3.中國(guó)建筑西北設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710000；4.華潤(rùn)深圳灣發(fā)展有限公司，廣東 深圳 518054；5.日本中興化成工業(yè)株式會(huì)社，東京107－0052）

建筑用織物膜材是由基層、涂層和面層復(fù)合而成的高分子復(fù)合材料.目前工程中常用的織物膜材主要有兩類(lèi)，一類(lèi)是以聚酯纖維織物為基層，聚氯乙烯（PVC）為面層，通常稱(chēng)為PVC 膜材；另一類(lèi)是以玻璃纖維織物為基層，聚四氟乙烯（PTFE）為面層，通常稱(chēng)為PTFE 膜材.前者的設(shè)計(jì)使用壽命約為15a，后者為25a.從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度，要求膜材的性能和外觀在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)能夠保持基本穩(wěn)定.但是由于建筑膜材屬于聚合物復(fù)合材料，在光、熱、臭氧、溫濕度等因素的影響下，必然會(huì)出現(xiàn)老化現(xiàn)象［1］，因此對(duì)膜材性能受環(huán)境因素影響的變化規(guī)律進(jìn)行研究，從而在設(shè)計(jì)階段預(yù)先考慮這種不利因素就顯得十分重要.

1 建筑膜材的耐候性研究現(xiàn)狀

對(duì)于建筑膜材的耐候性問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開(kāi)展了一些研究工作.譚志樂(lè)［2］對(duì)ePTFE 和PVC 膜材進(jìn)行了熱、濕、光作用下的加速老化試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)2種膜材均能較好地抵抗紫外線作用，但對(duì)熱、濕作用敏感.Toyada等［3］采用室外暴露試驗(yàn)和人工加速老化試驗(yàn)研究了PVC膜材和PTFE膜材的耐候性，并通過(guò)拉伸強(qiáng)度測(cè)試和SEM 表面觀察評(píng)定了2種膜材的耐候性能，建立了兩者之間的聯(lián)系.小川華子等［4］對(duì)PTFE膜材進(jìn)行了20a的耐候性跟蹤測(cè)試，得出經(jīng)過(guò)20a自然暴露試驗(yàn)后，PTFE 膜材的拉伸強(qiáng)度約有80%保持率的結(jié)論.Razak等［5］在熱帶濕熱環(huán)境條件下對(duì)PTFE和PVC膜材進(jìn)行了為期2a的室外暴露試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)膜材表面性能的評(píng)定，證明了經(jīng)過(guò)特殊表面處理的PVC 膜材和PTFE 膜材具有更好的耐候性能.Polfus［6］在不同地區(qū)對(duì)PVC 膜材進(jìn)行了自然老化試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)高溫高濕、長(zhǎng)時(shí)間光照以及工業(yè)污染均是導(dǎo)致PVC 涂層織物性能下降的原因.

從以上介紹可以看出，以往的研究主要集中在人工老化試驗(yàn)以及熱濕環(huán)境下的自然暴露試驗(yàn)方面，專(zhuān)門(mén)針對(duì)寒冷地區(qū)膜材耐候性能的研究較少.為探究PTFE膜材在寒冷氣候條件下的力學(xué)性能變化規(guī)律，本文對(duì)PTFE 膜材進(jìn)行了為期7a的寒冷地區(qū)室外暴露試驗(yàn)，分別測(cè)試了自然暴露1，2，4，7a的PTFE 膜材拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度，并擬合出這2個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)隨時(shí)間的變化曲線，為PTFE 膜材在寒冷地區(qū)的使用壽命預(yù)測(cè)提供參考.

2 PTFE膜材的暴露試驗(yàn)

2.1 暴露場(chǎng)地氣候情況

試驗(yàn)在黑龍江省哈爾濱市某建筑樓頂進(jìn)行，起始時(shí)間為2006年12月.哈爾濱屬寒溫帶氣候，冬季長(zhǎng)夏季短，氣候嚴(yán)寒，該地區(qū)近10a的四季平均氣溫及平均降水量情況如表1［7］所示.

表1 哈爾濱近10a的平均氣溫及降水量Table 1 Weather data of exposure location in recent 10a［7］

2.2 暴露試驗(yàn)方法

根據(jù)日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS A1410［8］和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 3681—2000［9］的要求，暴露試驗(yàn)應(yīng)遠(yuǎn)離工業(yè)區(qū)、污染等復(fù)雜有害環(huán)境因素的影響，選擇開(kāi)闊無(wú)遮擋的場(chǎng)地.本試驗(yàn)暴露場(chǎng)所地處哈爾濱市開(kāi)發(fā)區(qū)，樓頂視野開(kāi)闊，周?chē)鸁o(wú)高大建筑物，無(wú)遮擋無(wú)障礙，滿足暴露試驗(yàn)場(chǎng)所要求的條件.試驗(yàn)?zāi)げ倪x用日本中興化成工業(yè)株式會(huì)社的SKYTOP FGT－800型PTFE膜材，材料出廠性能指標(biāo)如表2所示.

表2 PTFE膜材的出廠性能指標(biāo)Table 2 Properties of PTFE membrane material product

試驗(yàn)?zāi)げ墓?片，每片長(zhǎng)1.5m，寬1.2m，安裝在由角鋼制成的試驗(yàn)支架上.6片膜材均取自同一生產(chǎn)批次.試驗(yàn)支架均朝正南方向固定，支架傾斜角θ按下式確定［10］：

式中：γ為試驗(yàn)地緯度.哈爾濱地區(qū)位于北緯45°，根據(jù)式（1）確定試驗(yàn)支架的傾斜角為35°.如此可以獲得最大的年太陽(yáng)輻射總量，同時(shí)也可使積雪自然滑落，避免膜材在冬季長(zhǎng)期被積雪覆蓋.

2.3 暴露試驗(yàn)過(guò)程

按照計(jì)劃，自然暴露試驗(yàn)自2006年12月開(kāi)始，共進(jìn)行10a，取樣時(shí)間分別為1，2，4，7，10a.目前已完成前4次取樣工作，對(duì)暴露1a（2007年12 月取樣）、2a（2008 年12 月取樣）、4a（2009 年12 月 取樣）和7a（2013年12月取樣）的膜材樣本進(jìn)行拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度測(cè)試后，將所得結(jié)果與出廠數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比.

3 PTFE膜材的拉伸性能測(cè)試

3.1 試驗(yàn)方法

衡量材料拉伸性能的指標(biāo)有拉伸斷裂強(qiáng)度Pf和斷裂延伸率εf，由于測(cè)試結(jié)果的離散性，結(jié)果通常取多組試件測(cè)試結(jié)果的算術(shù)平均值.斷裂延伸率εf的定義為：

式中：Lt為任意時(shí)間下試件的夾持間距；L0為初始時(shí)刻試件的夾持間距.

建筑膜材的拉伸強(qiáng)度測(cè)試方法目前國(guó)際上尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，各國(guó)常用的標(biāo)準(zhǔn)有ISO 1421，英國(guó)的BS3424，德國(guó)的DIN53354，日本的JIS L1096［10］等.本文參照J(rèn)IS L1096標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行PTFE 膜材的單軸拉伸強(qiáng)度測(cè)試.

3.2 試驗(yàn)夾具

考慮到PTFE 膜材硬度較高，表面較光滑，如果采用夾持式夾具易出現(xiàn)膜材試件在夾持端滑移、破壞的情形.為解決上述問(wèn)題，本試驗(yàn)采用了基于自鎖原理的纏繞式夾具，如圖1所示.通過(guò)夾具中纏繞滾軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)膜材拉伸試件的固定，有效消除了試件在夾持端的滑移和破壞現(xiàn)象.

圖1 拉伸測(cè)試用纏繞式夾具Fig.1 Roller clamps for tensile test

3.3 試件制作

較常使用的試件制作方法有拆紗條樣法和切割條樣法［11］.本文試驗(yàn)采用切割條樣法.試件呈矩形長(zhǎng)條帶，寬度（30.0±0.5）mm，長(zhǎng)度（800.0±1.0）mm，初始標(biāo)距取200.0mm.沿試件長(zhǎng)度方向，從中點(diǎn)向兩側(cè)各畫(huà)1條間距為100.0mm 的基準(zhǔn)線，用于斷裂延伸率及試件應(yīng)變測(cè)量.試件尺寸如圖2所示.每次取樣后選取合適部位制作經(jīng)緯向各5條試件，分別進(jìn)行單軸拉伸強(qiáng)度試驗(yàn).

圖2 膜材拉伸試件尺寸Fig.2 Dimension of specimen for tensile test（size：mm）

3.4 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)采用德國(guó)產(chǎn)Zwick／Roell Z010萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，考慮到PTFE膜材的拉伸強(qiáng)度及精度要求，安裝量程為10kN，精度為0.5%的力傳感器及夾持式大變形光柵引伸計(jì)，其最大引伸位移可達(dá)200mm，能充分滿足試驗(yàn)要求.試驗(yàn)加載速率為200mm／min，加載至試件斷裂.

3.5 拉伸試驗(yàn)結(jié)果分析

圖3 為2007 年，2008 年，2010 年，2013 年（即試件自然暴露1，2，4，7a）試件的平均拉伸荷載－位移曲線；其具體測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表3.

圖3 2007年～2013年P(guān)TFE膜材拉伸荷載－位移曲線Fig.3 Tensile load－displacement curves of PTFE membrane material（2007－2013）

表3 暴露不同時(shí)間的PTFE膜材拉伸測(cè)試結(jié)果Table 3 Tensile test results of PTFE membrane material for different exposure duration

通過(guò)對(duì)全部試件曲線的研究分析，可以大致得出該材料在拉力作用下的受力過(guò)程分為3 個(gè)階段［12］：（1）拉力在0%～20%拉伸斷裂強(qiáng)度之間，此階段基層和涂層共同受力；（2）超過(guò)拉伸斷裂強(qiáng)度20%后，涂層開(kāi)始出現(xiàn)斷裂及與基層剝離等破壞現(xiàn)象而逐漸退出工作；（3）拉力超過(guò)拉伸斷裂強(qiáng)度60%，此時(shí)涂層完全失效，拉力由基層承受，基層拉伸斷裂強(qiáng)度即為試件的最終拉伸強(qiáng)度.

結(jié)合圖3和表3可以看出，材料經(jīng)緯向拉伸荷載－位移曲線的不同主要存在于第一、二受力階段，說(shuō)明暴露過(guò)程中膜材試件的涂層首先受到環(huán)境影響.Eichert［13］通過(guò)對(duì)不同涂層厚度的織物類(lèi)膜材在紫外線作用下的性能變化進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，脆性的塑料涂層會(huì)對(duì)材料性能起到相反的作用，并指出材料的長(zhǎng)期性能取決于材料的編織方式和涂層的共同作用.考慮到基層材料纖維不同的排列方式，環(huán)境對(duì)經(jīng)向試件的影響主要集中于第一受力階段和最終的拉伸強(qiáng)度，對(duì)于緯向試件的影響則僅在其最終拉伸強(qiáng)度上.由于工程上關(guān)心的主要是膜材的拉伸強(qiáng)度，故以下主要對(duì)拉伸強(qiáng)度進(jìn)行探討.

為探究在寒地氣候自然暴露環(huán)境下PTFE 膜材拉伸強(qiáng)度隨時(shí)間的變化規(guī)律，采用拉伸強(qiáng)度保持率α及拉伸斷裂延伸率保持率β 作為評(píng)價(jià)參數(shù)：

式中：Pf，n為暴露n 年的膜材拉伸強(qiáng)度；Pf0為原始試件的拉伸強(qiáng)度；εf，n為暴露n 年的膜材斷裂延伸率；εf0為原始試件的斷裂延伸率.

采用最小二乘法對(duì)2007年～2013年拉伸試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行非線性數(shù)據(jù)擬合.根據(jù)拉伸強(qiáng)度保持率隨時(shí)間的變化曲線，分別采用4種函數(shù)對(duì)其進(jìn)行擬合，以衡量樣本回歸線對(duì)樣本觀測(cè)值擬合程度的可決系數(shù)作為判定依據(jù)，最后決定采用y ＝ax－b這一函數(shù)形式進(jìn)行擬合.得到PTFE 膜材在哈爾濱地區(qū)自然暴露環(huán)境下拉伸強(qiáng)度保持率的擬合公式如式（5），（6）所示，擬合結(jié)果見(jiàn)圖4.

圖4 膜材拉伸強(qiáng)度保持率擬合曲線Fig.4 Tensile strength retention rate fitting curves of PTFE membrane material

從擬合曲線來(lái)看，在綜合環(huán)境因子的影響下，PTFE膜材的經(jīng)向和緯向拉伸強(qiáng)度均隨時(shí)間推移而呈下降趨勢(shì)，拉伸強(qiáng)度的下降主要集中在膜材試樣暴露的第1 年內(nèi)，之后下降的趨勢(shì)不斷變緩.最初1a內(nèi)，經(jīng)向和緯向試件拉伸強(qiáng)度保持率近似相同，隨著時(shí)間的推移，1a后，緯向試件的拉伸強(qiáng)度保持率高于經(jīng)向試件.

根據(jù)CECS158：2004《膜結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》可知，一般PTFE膜材的質(zhì)量保證期為10～15a，而采用PTFE膜材的膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限通常在25a以上.用式（5），（6）來(lái)預(yù)測(cè)25a后PTFE 膜材的拉伸強(qiáng)度保持率，可得經(jīng)向?yàn)?7.83%，緯向?yàn)?9.20%，與小川華子等［4］指出的暴露20a后的PTFE 膜材拉伸強(qiáng)度保持率為80%這一結(jié)論基本吻合.

采用同樣方法對(duì)PTFE 膜材拉伸斷裂延伸率保持率隨時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖5所示.通過(guò)圖5可以看出：

（1）膜材拉伸斷裂延伸率保持率隨時(shí)間變化的離散性較大，總體隨時(shí)間呈下降趨勢(shì).

（2）緯向試件的拉伸斷裂延伸率保持率均高于經(jīng)向試件，說(shuō)明PTFE 膜材在緯向具有良好的變形能力.

（3）對(duì)PTFE膜材經(jīng)向和緯向的拉伸斷裂延伸率保持率采用與拉伸強(qiáng)度保持率相同的函數(shù)關(guān)系即y ＝ax－b進(jìn)行曲線擬合，得到的擬合公式為：

式（7），（8）中：βnwarp和βnweft分別為暴露n 年后的膜材經(jīng)向、緯向拉伸斷裂延伸率保持率.

圖5 膜材拉伸斷裂延伸率保持率擬合曲線Fig.5 Elongation retention rate fitting curves of PTFE membrane material

3.6 不同儲(chǔ)存環(huán)境下拉伸試驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證寒地自然暴露條件對(duì)膜材拉伸強(qiáng)度的影響，本文還進(jìn)行了室內(nèi)儲(chǔ)存4，7a的PTFE膜材拉伸強(qiáng)度測(cè)試.室外暴露和室內(nèi)儲(chǔ)存條件下的PTFE膜材拉伸強(qiáng)度結(jié)果見(jiàn)表4.通過(guò)對(duì)比可知，同原始試件比較，室內(nèi)儲(chǔ)存和室外暴露4，7a的PTFE膜材的拉伸強(qiáng)度均有下降，但室內(nèi)儲(chǔ)存條件下試件的拉伸強(qiáng)度要明顯高于室外暴露條件下的試件，說(shuō)明在自然環(huán)境下PTFE膜材的拉伸強(qiáng)度發(fā)生了較大的衰減.

表4 不同環(huán)境條件下PTFE膜材的拉伸強(qiáng)度Table 4 Tensile strength of PTFE membrane material in different environmental conditions

4 PTFE膜材的撕裂性能測(cè)試

4.1 試驗(yàn)方法

目前常采用的膜材撕裂試驗(yàn)方法有雙舌撕裂法、單舌撕裂法、梯形撕裂法、中心撕裂法等，常用測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)有英國(guó)的BS3424、德國(guó)的DIN53356、美國(guó)的ASTM4851以及的日本JIS L1096等.英國(guó)和德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)采用的雙舌撕裂法相同，日本和美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)采用的梯形撕裂法一致.本文采用JIS L1096［10］的梯形撕裂法進(jìn)行PTFE膜材的撕裂強(qiáng)度測(cè)試.

4.2 試驗(yàn)夾具

試驗(yàn)采用平板式夾具，由加載連桿、夾具軸承、夾持墊板三部分組成，見(jiàn)圖6.加載連桿為φ8 的圓柱狀鋼桿，與夾具軸承和試驗(yàn)機(jī)機(jī)夾頭配合；夾具軸承為一φ10的銷(xiāo)軸，連接2塊夾持墊板，實(shí)現(xiàn)可開(kāi)合功能，以方便操作；夾持墊板與軸承相連，主體部分尺寸為120mm×100mm，夾持墊板上開(kāi)有5個(gè)φ7的螺孔，利用M6螺栓夾緊墊板以提供撕裂試件所需要的夾持力；夾持墊板內(nèi)側(cè)粘貼2塊橡膠片以提高夾持摩擦力［14］.

圖6 撕裂夾具Fig.6 Clamp for tear test

4.3 試件制作

依據(jù)規(guī)范［10］對(duì)梯形撕裂法的要求，在長(zhǎng)為180.0mm，寬為75.0 mm 的矩形條帶試件上繪制一等腰梯形作為夾持線，梯形的長(zhǎng)邊取100.0mm，精確到1.0mm，長(zhǎng)邊平行于經(jīng)向的為經(jīng)向試件，長(zhǎng)邊平行于緯向的為緯向試件.在梯形短邊沿著與試件受力方向垂直的方向（橫向）裁出一切口作為撕裂起點(diǎn)，切口長(zhǎng)度為10.0mm.試件制作圖見(jiàn)圖7.每次取樣后選取合適部位制作經(jīng)、緯向各5條試件分別進(jìn)行撕裂強(qiáng)度測(cè)試.

圖7 撕裂試件制作圖Fig.7 Dimension of specimen for tear test（size：mm）

4.4 試驗(yàn)過(guò)程

由于PTFE膜材撕裂強(qiáng)度較小，為了保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，采用量程為1kN，測(cè)試精度為0.5%的CSS44300電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行撕裂試驗(yàn).試驗(yàn)開(kāi)始前，安裝試件，注意上下對(duì)中，給螺栓施加足夠的預(yù)緊力以確保撕裂試件在加載過(guò)程中不發(fā)生滑移；將撕裂夾具安裝到試驗(yàn)機(jī)夾頭上，保證梯形撕裂試件的短邊張緊，長(zhǎng)邊自然彎曲.試驗(yàn)過(guò)程見(jiàn)圖8.

圖8 撕裂試驗(yàn)過(guò)程Fig.8 Tear test process

在加載開(kāi)始時(shí)，梯形撕裂試件短邊切口處先受力，切口附近的縱向纖維承載，隨著加載的進(jìn)行，能夠承載的纖維不斷增多，荷載不斷向切口遠(yuǎn)端的縱向纖維轉(zhuǎn)移，試件的撕裂切口呈三角形（見(jiàn)圖8），縱向纖維被逐根拉斷.由于PTFE 膜材的纖維基布（一般采用經(jīng)緯向紗線正交編織）是主要的受力構(gòu)件，因此在撕裂過(guò)程中試件的橫向纖維基本不承受荷載作用.試驗(yàn)過(guò)程中夾持端未發(fā)生滑移現(xiàn)象.

4.5 撕裂試驗(yàn)結(jié)果分析

PTFE膜材的撕裂荷載－位移曲線為一波動(dòng)曲線，見(jiàn)圖9.曲線的一系列波峰值代表膜材纖維破斷力，它們的統(tǒng)計(jì)值決定了膜材的撕裂強(qiáng)度.取撕裂荷載－位移曲線波峰值的5個(gè)極大點(diǎn)（如圖9中五角星所示）的平均值作為一次撕裂試驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果.暴露1，2，4，7a的PTFE膜材撕裂試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5.

圖9 撕裂荷載－位移曲線Fig.9 Load－displacement curve of tear test

表5 暴露不同時(shí)間的PTFE膜材撕裂試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Tear test results of PTFE membrane material for different exposure duration

由表5可見(jiàn)，PTFE 膜材的經(jīng)向撕裂強(qiáng)度略小于緯向撕裂強(qiáng)度，且緯向撕裂強(qiáng)度保持率除第1年外均大于經(jīng)向撕裂強(qiáng)度保持率.為了探究PTFE 膜材在寒地氣候自然暴露環(huán)境下撕裂強(qiáng)度隨著時(shí)間的變化規(guī)律，采用與拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果同樣的分析方法，取撕裂強(qiáng)度保持率λ作為衡量指標(biāo)：

式中：PR，n為暴露n 年的膜材撕裂強(qiáng)度；PR0為原始試件的撕裂強(qiáng)度.

對(duì)PTFE膜材撕裂強(qiáng)度保持率進(jìn)行了非線性擬合，擬合曲線見(jiàn)圖10.綜合表5 和圖10 可以看出：

（1）經(jīng)、緯向試件的撕裂強(qiáng)度保持率符合形如y＝ax－b的函數(shù)關(guān)系：

圖10 PTFE膜材撕裂強(qiáng)度保持率擬合曲線Fig.10 Tear strength retention rate fitting curves of PTFE membrane material

（2）根據(jù)擬合公式計(jì)算PTFE 膜材暴露25a后的撕裂強(qiáng)度保持率分別為：經(jīng)向80.10%，緯向83.09%.可以認(rèn)為，在寒冷地區(qū)使用的PTFE 膜材能夠在使用壽命內(nèi)保持較好的撕裂強(qiáng)度.

5 結(jié)語(yǔ)

（1）總體來(lái)看，PTFE膜材具有較好的經(jīng)年耐候性，除第1年性能衰減較快外，其后隨著時(shí)間的增長(zhǎng)其性能趨于平穩(wěn).

（2）環(huán)境對(duì)膜材的影響目前主要集中在涂層上，而由于涂層對(duì)基層的保護(hù)作用，使得環(huán)境對(duì)材料基層的影響較小.

（3）由所得擬合公式進(jìn)行預(yù)測(cè)，在25a設(shè)計(jì)使用壽命內(nèi)，PTFE 膜材的力學(xué)性能將降低20%左右，這需要在設(shè)計(jì)階段引起注意.

（4）考慮到實(shí)際膜結(jié)構(gòu)中的膜材是在一定的張力作用下工作的，而這種張力作用會(huì)對(duì)膜材內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，進(jìn)而可能影響到膜材的耐久性能，因此還將開(kāi)展PTFE 膜材在預(yù)張力作用下的經(jīng)年耐候性研究.

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