單軸壓縮測(cè)試條件下泥巖的力學(xué)特性綜述

曹磊

摘 要：本文簡(jiǎn)要介紹泥巖力學(xué)特性指標(biāo)及其在實(shí)際中的研究方法，通過(guò)對(duì)前人在不同地區(qū)、不同條件下對(duì)泥巖進(jìn)行的單軸壓縮測(cè)試所得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行對(duì)比，總結(jié)出典型泥巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線的總體特征。通過(guò)不同形式的泥巖單軸壓縮測(cè)試對(duì)比歸納，總結(jié)出泥巖力學(xué)特性的主要影響因素，包括礦物組成（成分、含量和結(jié)構(gòu)）、水（含水率和浸水時(shí)間）、pH、溫度，并對(duì)各影響因素及之間的關(guān)系進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。

關(guān)鍵詞：泥巖;單軸壓縮測(cè)試;力學(xué)特性;應(yīng)力-應(yīng)變曲線;影響因素

中圖分類號(hào)：TD313文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）14-0135-06

A Review of the Mechanical Properties of Mudstone Under Uniaxial Compression Tests

CAO Lei

（Hebei Geological Workers University，Shijiazhuang Hebei 050081）

Abstract： The mechanical properties of mudstone and its practical research methods was briefly introduced in this paper， and the overall characteristics of typical mudstone stress-strain curves were summarized by comparing the stress-strain curves obtained by the previous uniaxial compression tests on mudstones in different regions and under different conditions. Through the comparison of different forms of mudstone uniaxial compression test， the main influencing factors of mudstone mechanical properties were summarized， including mineral composition （composition， content and structure）， water （water content and immersion time）， pH， temperature， and the influencing factors and the relationship between them were simply analyzed.

Keywords： mudstone;uniaxial compression test;mechanical properties;stress-strain curve;influencing factors

黏土巖類是地球分布面積最廣的沉積巖，約占沉積巖總量的60%[1]，而泥巖是黏土巖類的代表性巖石。在我國(guó)，泥巖層在沉積巖發(fā)育區(qū)域中廣泛存在，如揚(yáng)子地臺(tái)、華北地臺(tái)、塔里木盆地、松遼盆地、鄂爾多斯盆地等[2-5]。

泥巖常因含有機(jī)質(zhì)呈灰黑色、黑色，或含鐵質(zhì)而呈褐紅色、棕紅色;結(jié)構(gòu)按粒度分泥質(zhì)結(jié)構(gòu)、含粉砂泥質(zhì)結(jié)構(gòu)、粉砂泥質(zhì)結(jié)構(gòu)、砂泥狀結(jié)構(gòu)等;無(wú)明顯層理，無(wú)頁(yè)理或不明顯，常呈塊狀。泥巖主要由黏土礦物（高嶺石、蒙脫石、伊利石等）構(gòu)成，其次為陸源碎屑礦物（石英、長(zhǎng)石、云母等）和少量自生非黏土礦物（方解石、白云石、石英、海綠石、石膏等）。泥巖由弱固結(jié)的黏土經(jīng)過(guò)中等程度的成巖作用和后生作用（如壓固、脫水、重結(jié)晶等）而強(qiáng)固結(jié)形成。不同地質(zhì)年代、不同地區(qū)的泥巖組分差別較大。

泥巖層常出現(xiàn)在烴源巖和油氣儲(chǔ)集層的上蓋層或下底板位置，且由于泥巖具有突破壓力高、中值半徑小、滲透率低、熱導(dǎo)率低等特點(diǎn)[6]，如能利用泥巖的特性阻隔烴源巖和油氣儲(chǔ)集層開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生的污染物質(zhì)，形成封閉型隔層，則對(duì)地表土壤及地下水體形成保護(hù)作用，并減少開(kāi)采后期的環(huán)境恢復(fù)治理成本。另外，由于泥巖富含黏土礦物，具有易吸水膨脹等特點(diǎn)，在烴源巖和油氣儲(chǔ)集層開(kāi)采過(guò)程中，外界施工擾動(dòng)等會(huì)造成儲(chǔ)層巖石的彈性形變或塑性形變，使泥巖強(qiáng)度變低，誘發(fā)泥巖層軟化及崩解現(xiàn)象，對(duì)烴源巖和油氣儲(chǔ)集層的開(kāi)采造成破壞[7-8]。

綜上所述，泥巖的力學(xué)特性在烴源巖和油氣儲(chǔ)集層開(kāi)采過(guò)程中成為必要的研究對(duì)象。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)泥巖的力學(xué)特性進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，系統(tǒng)地分析泥巖的在各種試驗(yàn)條件下的蠕變性、膨脹性、崩解性等，并通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立起泥巖特性數(shù)學(xué)模型[9-13]。篇幅所限，本文僅對(duì)前人在單軸壓縮測(cè)試條件下泥巖的力學(xué)特性及影響因素進(jìn)行綜述，并進(jìn)行簡(jiǎn)要分析總結(jié)。

1 泥巖的力學(xué)特性指標(biāo)及研究方法

巖石的強(qiáng)度指巖石試件在各種載荷作用下達(dá)到破壞時(shí)所能承受的最大荷載應(yīng)力，主要包括抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度。由于泥巖在自然狀態(tài)下一般承受壓應(yīng)力的作用，受拉應(yīng)力的情況較少，因此在研究中，以抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度的測(cè)試最為常見(jiàn)。

在測(cè)試中，一般將試件制作成圓柱體，在室內(nèi)通過(guò)在壓力機(jī)上進(jìn)行加壓試驗(yàn)而測(cè)得。巖石的抗壓強(qiáng)度包括單軸抗壓強(qiáng)度和三軸抗壓強(qiáng)度。單軸抗壓強(qiáng)度指巖石試件在單軸壓縮荷載作用下被破壞時(shí)所承受的最大壓應(yīng)力;三軸抗壓強(qiáng)度指巖石試件在三軸壓縮載荷作用下被破壞所承受的最大壓應(yīng)力。其中，單軸壓縮測(cè)試可分為天然單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試、飽和單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試、風(fēng)干單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試等;三軸壓縮測(cè)試分為真三軸壓縮測(cè)試和常規(guī)三軸壓縮測(cè)試。單軸壓縮測(cè)試和常規(guī)三軸壓縮測(cè)試較為常見(jiàn)[14]。

本文僅對(duì)泥巖單軸壓縮測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，總結(jié)其應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化特征，并探究各條件（如巖石成分、含水率、溫度等）發(fā)生變化時(shí)對(duì)泥巖抗壓強(qiáng)度的影響，總結(jié)泥巖力學(xué)特性的主要影響因素。

2 典型的泥巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征

巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，表征了巖石受外應(yīng)力后從開(kāi)始變形，逐漸破壞，到最終失去承載能力的整個(gè)過(guò)程。本文所述單軸壓縮測(cè)試，是指僅在軸向逐級(jí)連續(xù)加載應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，即連續(xù)遞增荷載施加于巖樣上，以得到巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、彈性模量、泊松比等力學(xué)參數(shù)。

肖尊群等[15]選取巴東組典型微風(fēng)化紅色粉砂質(zhì)泥巖試樣進(jìn)行室內(nèi)單軸壓縮測(cè)試，得到泥巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖1所示。其結(jié)論認(rèn)為，巴東組飽和粉砂質(zhì)泥巖具有典型的軟巖力學(xué)特征：最初為微裂隙閉合階段，該階段孔隙率減小，應(yīng)變變化明顯;隨后為彈性變形階段，峰值前應(yīng)力-應(yīng)變并非完全呈線性關(guān)系;之后進(jìn)入塑性變形階段和塑性剪切破壞階段，而且塑性變形階段不明顯。

郭瑞等[16]選取寧夏神華寧煤現(xiàn)場(chǎng)砂質(zhì)泥巖試樣，黃志全等[17]選取寧夏固原地區(qū)飲水工程中的白堊系泥巖試樣，付宏淵等[18]選取湖南長(zhǎng)沙市岳麓山中泥盆統(tǒng)棋梓橋組強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖邊坡的粉砂質(zhì)泥巖試樣，分別進(jìn)行泥巖單軸壓縮測(cè)試，得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖2、圖3和圖4所示。

通過(guò)以上應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比分析，雖各泥巖試樣所取地區(qū)不同，巖石成分、賦存條件、風(fēng)化程度等因素存在差別，曲線峰值、彈性模量、泊松比等參數(shù)有差異，但曲線總體起伏趨勢(shì)相似，可認(rèn)為泥巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有典型變化特征。

典型泥巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線可劃分為4個(gè)階段：第1階段為裂隙壓密階段，此階段在應(yīng)力變化較小的條件下，應(yīng)變變化較大，可認(rèn)為表現(xiàn)為塑性;第2階段為彈性變形階段，此階段曲線為直線或近似直線，表現(xiàn)為彈性或近似彈性，由此階段曲線斜率可得到泥巖彈性模量;第3階段為塑性變形階段，此階段不同泥巖試樣表現(xiàn)出不同特征，曲線斜率或逐漸增大（見(jiàn)圖2、圖3）或逐漸減小（見(jiàn)圖1、圖4），但最終都達(dá)到曲線峰值;第4階段為破壞階段，此階段曲線明顯下降，表明泥巖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全被破壞，抗壓強(qiáng)度沒(méi)降為零，說(shuō)明還有一定的殘余強(qiáng)度。綜上所述，泥巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線符合塑-彈-塑性巖石的特征。

3 影響泥巖力學(xué)特性變化的主要因素

雖不同地區(qū)單軸壓縮測(cè)試條件下的泥巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線總體特征相似，但各力學(xué)特性參數(shù)和具體表現(xiàn)仍有不同。以下對(duì)影響泥巖力學(xué)特性變化的主要因素進(jìn)行分析，以闡明泥巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線發(fā)生變化的原因。

3.1 巖石成分及結(jié)構(gòu)

根據(jù)泥巖中礦物組分及含量不同，可分為含粉砂泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)泥巖、硅質(zhì)泥巖、鐵質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、錳質(zhì)泥巖等常見(jiàn)類型。馬萬(wàn)祥等[19]對(duì)棗泉煤礦東翼采區(qū)和西翼采區(qū)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行煤巖體原位泥巖單軸壓縮測(cè)試，結(jié)果表明，泥巖類型不同，抗壓強(qiáng)度相差較大。孟召平等[20]對(duì)淮南新集井田含煤巖系主采煤層頂?shù)装迥鄮r進(jìn)行單軸壓縮強(qiáng)度測(cè)試（見(jiàn)圖5），發(fā)現(xiàn)在泥巖中，隨著SiO2含量的增大，泥巖的力學(xué)特性總體呈增大趨勢(shì);在相同SiO2含量的情況下，SiO2在泥巖中的賦存狀態(tài)對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)有著重要的影響。上官力等[21]對(duì)粉砂質(zhì)泥巖進(jìn)行測(cè)試，也發(fā)現(xiàn)試樣的天然單軸壓縮強(qiáng)度、飽和單軸壓縮強(qiáng)度隨著石英含量的增大而增大，隨著黏土含量的增大而減小。

綜上所述，泥巖的力學(xué)特性受泥巖的礦物成分及含量的影響。一般情況下，地下賦存狀態(tài)基本相同的泥巖，由于礦物組分及含量不同，對(duì)泥巖的抗壓強(qiáng)度有較大影響。例如，石英（SiO2）硬度較大，其含量愈高，巖石的強(qiáng)度愈高。

另外，泥巖在成巖作用階段的壓實(shí)作用亦對(duì)力學(xué)特性產(chǎn)生明顯影響。這與泥巖顆粒間的連接以及內(nèi)部的微裂隙有關(guān)。壓實(shí)作用強(qiáng)的巖石，由于發(fā)生失水作用和顆粒定向排列作用，顆粒結(jié)合緊密，內(nèi)聚力強(qiáng)，導(dǎo)致膠結(jié)和致密程度增加，泥巖的強(qiáng)度增高[20]。

3.2 水

3.2.1 含水率。鄒晨陽(yáng)等[22]的試驗(yàn)樣品取自江西省不同地區(qū)二疊紀(jì)至三疊紀(jì)泥巖，巖性包括泥板巖、泥頁(yè)巖等，該研究測(cè)試不同含水率泥巖的單軸抗壓強(qiáng)度，如圖6所示。結(jié)果顯示，隨著含水率增加，泥巖的單軸抗壓強(qiáng)度及峰值應(yīng)力均呈現(xiàn)急劇降低的趨勢(shì)。通過(guò)數(shù)據(jù)擬合，含水率與泥巖的單軸壓縮強(qiáng)度之間近似服從指數(shù)關(guān)系;與泥巖的彈性模量之間近似服從線性關(guān)系。上官力等[21]、楊建林等[23]試驗(yàn)也得到相似結(jié)果。

馬福榮等[24]試驗(yàn)?zāi)鄮r試樣取自南寧盆地中部，將天然狀態(tài)與飽和狀態(tài)下泥巖試件對(duì)比，證明試件在長(zhǎng)期浸泡下受水作用，強(qiáng)度大大降低。李應(yīng)濤等[25]試驗(yàn)表明，與自然風(fēng)干的巖石相比，完全干燥的巖石強(qiáng)度有所增加，飽和狀態(tài)的巖石強(qiáng)度則減低。

（a） 泥板巖

（b） 泥頁(yè)巖

3.2.2 浸水時(shí)間。車平等[26]試驗(yàn)選取安徽巢湖鳳凰山地區(qū)墳頭組中段海相粉砂質(zhì)泥巖層采石場(chǎng)采出的新鮮巖石，對(duì)不同浸水時(shí)間巖樣進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)定。結(jié)果表明，隨浸水時(shí)間增加，泥巖含水率呈遞增趨勢(shì)，單軸抗壓強(qiáng)度則有明顯下降，衰減趨勢(shì)逐漸變緩。原巖石表面無(wú)肉眼可見(jiàn)的裂隙，隨著浸水時(shí)間的增加，裂隙數(shù)目增加并貫通。楊曉杰等[27]也認(rèn)為，單軸抗壓強(qiáng)度和浸水時(shí)間存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

何葉[28]選取三疊系中統(tǒng)百逢組泥巖試樣進(jìn)行干濕循環(huán)處理，隨后進(jìn)行單軸壓縮測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，干濕循環(huán)對(duì)泥巖強(qiáng)度指標(biāo)影響明顯，循環(huán)一次后單軸壓縮強(qiáng)度折減率達(dá)到了36.6%，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)都呈較平穩(wěn)的下降趨勢(shì)，折減規(guī)律基本符合指數(shù)分布。

以上結(jié)果均表明，隨著含水率及浸水時(shí)間的增加，泥巖的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量明顯降低。對(duì)其變化進(jìn)行分析，降低程度受巖石本身物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等因素的影響。

泥巖主要由蒙脫石、伊利石、高嶺石、綠泥石等強(qiáng)親水性礦物組成，遇水后礦物發(fā)生膨脹和軟化現(xiàn)象。例如，蒙脫石易分解為斑脫土，弱化巖石固體骨架的強(qiáng)度;在飽和狀態(tài)下，水吸附于裂隙表面，起到一定的潤(rùn)滑作用，降低試件的摩擦系數(shù)[17];泥巖浸水-失水過(guò)程引起黏土顆粒體積的急劇膨脹-收縮，宏觀上總體積大于原干燥泥巖的體積，泥巖內(nèi)部產(chǎn)生次生孔隙或微裂隙等損傷，破壞了泥巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低其結(jié)構(gòu)連接[23];如果浸水過(guò)程中泥巖發(fā)育出貫通裂隙，則導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度進(jìn)一步降低[26]。

此外，當(dāng)水浸潤(rùn)泥巖的方向垂直層理面時(shí)，由于良好的隔水性，水分不易進(jìn)入泥巖內(nèi)部;當(dāng)水浸潤(rùn)泥巖的方向平行層理面組時(shí)，水分易順層理方向進(jìn)入泥巖內(nèi)部，導(dǎo)致含水率上升[29]。

綜上所述，水對(duì)泥巖的單軸壓縮強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)特性具有顯著影響作用。黏土礦物含量、泥巖結(jié)構(gòu)及構(gòu)造的變化是根本原因，含水率、浸水時(shí)間等因素作用明顯：含水率越高、浸水時(shí)間越長(zhǎng)，泥巖抗壓強(qiáng)度越低，應(yīng)力-應(yīng)變曲線變緩，彈性模量降低。

3.3 pH

楊振峰等[30]選用粉砂質(zhì)泥巖，在不同濃度、不同pH的KCl、HN03、H2S04、自來(lái)水等溶液中浸泡，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，試件單軸抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)不同程度的下降。試驗(yàn)表明，靜水浸泡條件下，經(jīng)水-巖化學(xué)作用后，試件中的金屬離子析出，造巖礦物被溶解，試件抗壓強(qiáng)度降低，但沉淀結(jié)晶作用對(duì)巖樣的力學(xué)性質(zhì)有利;水-巖作用后期，強(qiáng)烈的沉淀結(jié)晶作用將導(dǎo)致試件出現(xiàn)裂紋，抗壓強(qiáng)度進(jìn)一步下降。

3.4 溫度

奚家米等[31]砂質(zhì)泥巖試件取自甘肅省新莊煤礦副井，進(jìn)行不同溫度條件下的泥巖單軸壓縮測(cè)試。結(jié)果表明，砂質(zhì)泥巖的抗壓強(qiáng)度隨著溫度的降低有增加的趨勢(shì)：正溫區(qū)間內(nèi)，抗壓強(qiáng)度變化幅度較小;溫度降至0 oC以下時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨著溫度的降低顯著提高。殘余強(qiáng)度增加幅度呈衰減趨勢(shì)，砂質(zhì)泥巖彈性模量隨溫度的降低有增加的趨勢(shì)。劉巍等[32]、劉路路等[33]均得到相似結(jié)論。

付宏淵等[18]對(duì)粉砂質(zhì)泥巖進(jìn)行變溫循環(huán)和溫、濕度共同作用測(cè)試。結(jié)果表明，單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量均較初始值降低，且降幅隨著變溫循環(huán)次數(shù)的增加而增大，單軸壓縮強(qiáng)度和彈性模量隨變溫循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系呈指數(shù)關(guān)系;溫、濕度共同作用于粉砂質(zhì)泥巖時(shí)具有增效作用，在相同條件下，溫、濕度共同作用引起粉砂質(zhì)泥巖單軸壓縮強(qiáng)度和彈性模量降幅大于溫、濕度單獨(dú)作用時(shí)的降幅之和，且溫差變化幅度越大，溫、濕度共同互作用引起的粉砂質(zhì)泥巖力學(xué)性能的降幅越大。經(jīng)不同變水溫循環(huán)的粉砂質(zhì)泥巖單軸力學(xué)指標(biāo)如圖7所示。

以上結(jié)果表明，溫度（特別是負(fù)溫）是影響泥巖抗壓強(qiáng)度的一個(gè)重要因素。僅溫度變化條件下，在一定范圍內(nèi)，彈性模量隨著溫度的降低顯著增長(zhǎng)。這是由于泥巖凍結(jié)條件下，裂隙和孔隙內(nèi)的水逐漸變成冰，體積膨脹，充填泥巖內(nèi)部裂隙和孔隙，對(duì)裂隙壁和骨架產(chǎn)生擠壓，提高了試件內(nèi)部微裂紋的黏結(jié)作用和巖顆粒之間的膠結(jié)作用，冰、巖石顆粒之間排列更加緊密，使試件抗壓強(qiáng)度升高;當(dāng)溫度變化頻繁或溫、濕度共同影響泥巖時(shí)，泥巖的抗壓強(qiáng)度及彈性模量均較初始條件降低，這是由于泥巖在多因素影響下出現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)損傷，使泥巖逐漸向脆性轉(zhuǎn)化。

4 結(jié)論

典型泥巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線可劃分為裂隙壓密階段、彈性變形階段、塑性變形階段、破壞階段四個(gè)階段，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線符合塑-彈-塑性巖石的特征。泥巖組成（成分、含量和結(jié)構(gòu)）、水（含水率和浸水時(shí)間）、pH、溫度等因素均對(duì)泥巖力學(xué)特性有明顯影響。泥巖中礦物成分和含量對(duì)其力學(xué)特性有直接影響，石英（SiO2）等硬度較大的礦物成分及含量影響較大。壓實(shí)作用可改變泥巖結(jié)構(gòu)，從而改變泥巖抗壓強(qiáng)度。水是影響泥巖力學(xué)特性發(fā)生變化的主要因素。含水率越大，浸水時(shí)間越長(zhǎng)，泥巖抗壓強(qiáng)度越低。泥巖中的蒙脫石、伊利石等強(qiáng)親水性礦物遇水后，發(fā)生膨脹作用和潤(rùn)滑作用，弱化了巖石固體骨架的強(qiáng)度，內(nèi)部產(chǎn)生了微孔隙、微裂縫等微觀損傷，降低泥巖的內(nèi)聚力;水的持續(xù)作用可使巖石產(chǎn)生貫通裂隙，進(jìn)一步降低泥巖的力學(xué)特性。

溶液pH不同，泥巖的單軸壓縮強(qiáng)度呈現(xiàn)不同程度的下降。泥巖中的礦物溶解，產(chǎn)生沉淀，改變泥巖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。溫度（特別是負(fù)溫）是影響泥巖抗壓強(qiáng)度的另一個(gè)主要因素。泥巖的抗壓強(qiáng)度隨著溫度的降低有增加趨勢(shì)。低溫作用下，巖石中水凝結(jié)成冰，充填了內(nèi)部裂隙和孔隙，加強(qiáng)了巖石試件內(nèi)部微裂紋的黏結(jié)作用;變溫循環(huán)則可使泥巖產(chǎn)生內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷，抗壓強(qiáng)度下降。各因素可對(duì)泥巖產(chǎn)生相互影響和綜合影響。泥巖中黏土礦物的成分、含量，影響含水率及浸水時(shí)間，使泥巖的力學(xué)特性發(fā)生變化;通過(guò)水-巖作用，可改變泥巖的成分、含量、結(jié)構(gòu)，從而改變泥巖的力學(xué)特性。溫度、含水率等可共同影響泥巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響泥巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和彈性模量。

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