高層建筑地下室大體積砼底板內外溫差裂縫控制

摘 要:高層建筑地下室采用的筏板基礎、箱式基礎，其底板厚度較大，當砼內外溫差較大時，容易產生溫差裂縫，影響結構安全和正常使用，本文結合南寧某商住綜合高層建筑工程實例，從砼原材料選擇和配合比設計、施工組織、施工工藝、溫度、應力等方面來保證砼的澆筑質量，采取適合南方高溫特點的養護方法，杜絕通縫和有害裂縫的產生。

關鍵詞:地下室大體積砼 溫差裂縫 溫度 應力 養護方法

中圖分類號:ＴＵ71文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)04(a)-0034-04

隨著現代化城市的不斷發展，為了充分利用有限的城市空間，高層和超高層建筑紛紛涌現，其采用的滿堂砼基礎底板厚度較大，多屬于大體積砼。由于這類結構截面尺寸較大，配筋較密，因此由荷載引起裂縫的可能性較小，但由于大體積砼硬化期間，水泥水化過程中釋放的水化熱所產生的溫度變化、砼收縮以及外界氣溫變化的共同作用，由此產生的溫度應力成為導致鋼筋砼結構出現裂縫的主要因素。

1 工程概況

南寧市某商住綜合高層建筑位于城市中心繁華商圈內，總建筑面積82382.6平方米(含地下室二層)。地下建筑面積10452.35平方米，地上建筑由1#樓和2#樓組成(1#樓30層、2#樓29層)，采用部分框支剪力墻結構體系。基礎底板厚度為300mm，基礎梁梁高600～1000mm;筏板、底板基礎厚300mm～4500mm;承臺基礎厚1000mm～2250mm;基底面積5000多平方米(南北長93.23m，東西寬66.4m).東西及南北方向均設有后澆帶，將底板分為6個施工區。底板砼強度等級為C30砼，抗滲等級為S8。

2 防治底板溫差裂縫產生的控制措施

基礎施工期間正值南寧市夏季高溫階段，最高氣溫達36.6℃，由于大體積砼在高溫條件澆筑時釋放的水化熱產生較大的溫度變化和收縮作用，由此而產生的溫差和收縮應力，將會導致砼出現裂縫，為減少溫度和收縮應力對砼質量產生的影響，除了設計時留有后澆帶外，施工時須從以下六方面進行控制來保證砼的澆筑質量，采取適合南方高溫特點的養護方法，杜絕通縫和有害裂縫的產生。

2.1 砼材料選擇

(1)水泥

本工程采用紅水河牌P.042.5R普通礦渣硅酸鹽水泥。水泥必須滿足強度、安定性要求，嚴禁使用安全性不合格產品。其質量應符合現行國家標準《硅酸鹽水泥，普通硅酸鹽水泥》GB175的規定。

(2)骨料

粗骨料:要求石子為5～40mm的石子，石子含泥量小于1％，有研究表明，采用5~40mm的石子比采用5~25mm石子，每立方米砼可減少用水量15kg左右，在相同水灰比的情況下，水泥用量可減少20kg左右;

細骨料:采用中粗砂，細度模數在2.3以上，含泥量小于2％。根據有關的試驗資料表明:當采用細度模數為2.79、平均粒徑為0.381的中、粗砂，它比采用細度模數為2.12、平均粒徑為0.336的細砂，第立方米左可減少用水量20～25kg，水泥用量可相應減少28～35kg。這樣就降低了砼的溫升和減小了砼的收縮。

(3)粉煤灰:為減少水泥用量，最大限度地降低水化熱。摻入一定量的粉煤灰取代水泥，粉煤灰應符合《GB1596－2005》的標準，其燒失量應≤8％，SO3含量≤3％，并應對水泥無不良反應。本工程使用來賓電廠Ⅱ級粉煤灰。

(4)水泥外加劑:

為滿足和易性和減緩水泥早期水化熱發熱量的要求，砼中摻入適量的緩凝高效減水劑。本工程摻外加劑為山西黃騰化工有限公司UNF－3B緩凝高效減水劑，水泥初凝時間為4h。

為了有效防止龜裂，提高抗滲性能，在砼中加入水泥重量1/10的星航牌UEA膨脹劑。

2.2 配合比設計

(1)砼配合比應根據使用的材料通過試驗確定。水灰比≤0.6，砂率應控制在0.4～0.45(泵送)，塌落度應通過調整和摻用減水劑解決，嚴禁在現場隨意加水以增大塌落度。

(2)設計步驟按現行《JGJ55－2000》執行。砼所用砂石要經檢驗合格后方可使用，砂子要用中砂，碎石采用連續級配碎石，以達到更好的抗滲效果。

2.3 施工組織

(1)項目部成立QC小組，以大體積砼底板內外溫差裂縫控制為課題展開活動。

經過調查原公司施工過的大體積砼工程，確定活動的目標為“保證砼內外溫差△T≤25℃，杜絕通縫和有害裂縫的產生”。

通過“因果分析圖”，從人、機、料、法、環五方面分析出12條末端原因;再通過要因確認得出以下五條“要因”—“工人培訓不夠”、“未編制有針對性的施工方案”、“技術交底不及時不詳細”、“砼未采取保溫養護”、“交通道路不便”;

針對以上主要影響因素，制定了相應的對策、措施，同時明確執行人和完成時間。

(2)砼的拌制及運輸

根據本工程的實際情況，本工程地下室砼全部采用預拌砼，由砼公司提供，用專車運到現場，由砼輸送泵送到施工部位進行澆筑。

與周邊單位及業主達成協議，保證輸送能力，在澆筑砼期間專門安排了2名保安對現場交通進行疏導協調。同時與商品砼公司商量，在市區道路的上下班高峰期，另行增加了4部砼運輸車，以杜絕塞車等原因造成供料不及時的問題，使砼供應不斷料。

(3)砼的澆筑及振搗

砼工程是整個建筑施工的一道關鍵工序，砼質量的好壞直接影響到整個建筑工程的質量，所以施工時必須控制砼的澆灌寬度和墻的分層厚度。做到勤下灰、勤振搗。另外砼澆筑要做好交接班工作，接班人員未到位，交班人員不下班，確保砼不要出現漏振和冷縫。

3 溫度及溫度應力控制

選取砼澆筑量最大且板厚較大(僅比最厚的小0.1m)的筏板5來進行施工控制計算。

筏板1:17.4m×13.0m，最大厚度4.5m，砼澆筑量約641.2m3;

筏板5:31.4m×14.2m，最大厚度4.4m，砼澆筑量約1782.8m3。

底板施工于6月份進行，據氣象部門統計，本地區該時間段平均氣溫27.2℃，早晚溫差大，中午最高氣溫36.6℃左右。本工程采用商品砼，從攪拌現場裝料至砼澆筑完畢，共需裝卸三次。攪拌車從攪拌現場到施工現場共需30min。

3.1 砼拌合溫度Tc及砼比熱C

經計算，每方砼(C30 P8)中，各材料用量(參考試驗配合比報告)如表1:

Tc＝∑TiWC/∑WC＝26.51℃;C=1/p∑(p×c)=1.00 kJ/kg·K

式中Tc—砼的拌和溫度(℃);

W—砼組成材料重量(kg);

C—砼組成材料比熱，kJ/(kg·K);

Ti—砼組成材料溫度(℃);

3.2 砼澆筑溫度Tj

本工程采用場外集中攪拌商品砼，從攪拌現場裝料至砼澆搗完畢，共需裝卸3次。攪拌車從攪拌現場到施工現場之間共需30 min，中途停機時間約需10 min，澆搗時間約20 min。

Tj＝Tc＋(Tq－Tc)×(∑Ai)

式中Ai—溫度損失系數;砼裝、卸、轉運，每次A=0.032，砼運輸時，A=θt(其中θ＝0.0042，t為運輸時間)，澆筑過程中A=0.003·t(t為澆搗時間);

Tq—室外平均氣溫(℃);

3.3 砼絕熱溫升值T(t)

T(t)= mc·k·Q·(1- e-mt)/(C·ρ)

Tmax = mc·k ·Q/(C·ρ)=54.30℃

當t=1時，T(1)=54.30×(1- e-0.391×1)=17.57℃;

同理:T(2)=29.46℃;

式中:T(t)—t齡期砼的絕熱溫升(℃)

mc—每立方米砼水泥用量，由表1可知mc =300kg/m3;

k—不同摻量摻合料水化熱調整系數，根據《大體積混凝土施工技術規范》，其值取0.95;

Q—每千克水泥水化熱量，按普通水泥計，取Q＝461kJ/kg;

c—砼比熱，由1.1可知此處

C＝1.00kJ/(kg·K);

ρ—砼質量密度，由表1可知此處取2419.5kg/m3;

e—常數2.718;

m—與水泥品種比表面、澆筑時溫度有關的經驗系數，查表得m=0.391;

Tmax—砼的最大水化熱絕熱升溫值，即最終溫升值。

3.4 砼內部中心最高溫度(一般情況下3-5天溫差最大)

Tmax＝Tj + T(t)·ζ

Tmax—砼內部中心最高溫度(℃);

ζ－不同的澆筑厚度、不同齡期時的降溫系數，ζ=Tm/Th，這里取厚度4.4m，查表得ζ(3)＝0.76。

∴砼內部中心最高溫度Tmax＝Tj+T(t)·ζ＝67.97℃

且，近似取第一天砼內部中心溫度T=44.27℃

第二天砼內部中心溫度T=56.16℃

因為由前面計算可知:砼澆筑完畢時的溫度為26.70℃，而Tq＝27.2℃

所以，砼中心的溫度與Tj、Tq的差都大于25℃，因此必須采取保溫保濕措施。

3.5 養護材料厚度計算(第1－2天采用一層薄膜加草袋養護，3-14天采用蓄水養護)

3.5.1 草袋養護

δ=0.5Hλ1(Ta-Tq)×K/｛λ2×(Tmax-Ta)｝=4cm

式中 δ—保溫材料所需厚度;

H—筏板厚度，取4.4m;

λ1—草袋材料導熱系數(取值0.14);

λ2—砼導熱系數2.33;

Tmax取第二天的砼中心溫度56.16℃;

Ta為砼與養護材料接觸處的溫度，當內外溫差控制在25℃時，Ta=Tmax-25=31.16;

Tq—施工時日平均氣溫;

K—傳熱系數修正值取2.0;

∴因此，選用兩層草袋加一層塑料薄膜覆蓋保溫，可滿足要求。

3.5.2 蓄水法溫度控制

(1)砼表面的熱阻系數

R=XM(Tmax-Ta)K/(700Tj+0.28mcQ)＝0.148 K/W

式中 R—砼表面的熱阻系數( k/W)

X—砼維持到預定溫度的持續時間(14天，336h)

M—砼結構的表面系數(l/m);取筏板1計算(因筏板1的表面系數較大，計算偏于安全)M=0.78 l/m

Tmax-Ta—內部最高溫度與表面溫度差，Tmax-Ta=25℃;

K—傳熱系數修正值，可取1.3;

Tj—砼澆筑、振搗完畢開始養護時的溫度的溫度，從前面計算取。

(2)砼表面的蓄水深度

hw=Rλw=9cm

式中hw—砼表面的蓄水深度(m);

λw—水的導熱系數，取0.58W/(m·K)。

前兩天選用一層塑料薄膜覆蓋保濕加2層草袋(4cm)保溫，后12天蓄水(9cm)可滿足要求。蓄水時采用－20×2的鋼板(除保護層外18cm)豎焊在后澆帶旁，這樣既可以做蓄水用，又可以在砼澆搗完后在鋼板上面蓋膠合板保護后澆帶不受污染。做法如圖1。

4 溫度應力計算

由于采取第1～2天采用一層薄膜加草袋、3～14天采用蓄水的養護方式。

由于a、第3、7天溫升最大;b、砼澆筑后14天時1-e-0.391×14=0.996即水化熱已接近最大。計算齡期為第1、3、7天及第14天由溫差和收縮差引起的溫度應力，進行驗算。

4.1 計算砼絕熱溫升值T(t)

由1.3可知:當t=1時，T(1)=17.57℃

同理:T(1)=37.50℃，T(7)=50.78℃，T(14)=54.07℃

4.2 砼收縮變形值

εy(t)＝ε°y(1－e－bt)×M1×M2×M3······×M11

εy(t) —非標準狀態下砼任意齡期(t)的收縮變形值。

ε°y—標準狀態下的砼最終收縮值(即極限收縮值)，取3.24×10－4

b—經驗系數，取0.01

M1—水泥品種修正系數，普通水泥取1.0;

M2—水泥細度修正系數，普通水泥取1.35;

M3—水膠比修正系數，水灰比為0.6，取1.42;

M4—膠漿量修正系數，估計膠漿量一般為(水全部重量＋水泥全部重量＋砂子重量的30％)÷砼重量。每m3C30砼中水180kg，水泥300kg，砂子(30％)700×30％＝210kg，砼重2419.5kg。因此，水泥漿量為28.5％，查表取1.375;

M5—養護條件修正系數，一天取1.11，三天取1.09，7天取1.0，14天取0.93;

M6—環境相對濕度修正系數，按80％計算，取0.7;

M7—構件尺寸修正系數，水力半徑的倒數(γ)，為構件的截面周長(L)除以截面積(A)，筏板5基礎長31.4m，寬14.2m;則周長為91.2m，面積為445.88m2

∴水力半徑的倒數γ＝L/A＝0.205，查表M7取1.002

M8—配筋率修正系數，鋼筋的彈性模量×鋼筋的截面積÷(砼的彈性模量×砼的截面積)EaAa/EbAb

圖紙給定:鋼筋三級鋼32@200，雙層鋼筋，計算單元取200×4400截面。鋼筋彈性模量為2.0×105N/mm2，鋼筋(6根)的截面積為6×804＝4824mm3，砼彈性模量為3.0×104N/mm2，砼的截面積為200×4400＝880000mm2，則配筋率＝EaAa/EbAb＝0.037，查表M8取0.889;

M9—減水劑修正系數，取1.3;

M10—粉煤灰摻量修正系數，取0.86;

M11—礦粉摻量修正系數，取1.0;

εy(1)＝ε°y(1－e－b×1)×M1×M2×M3······×M11＝0.066×10－4

εy(3)＝0.192×10－4，εy(7)＝0.403×10－4，εy(14)＝0.723×10－4

4.3 砼收縮當量溫差

Ty(t)＝－εy(t)/ α

Ty(t)—各齡期(d)砼收縮當量溫差(℃)，負號表示降溫;

εy(t)—各齡期砼收縮變形值，詳2.2

α:砼的線膨脹系數，取1.0×10－5

Ty(1)＝－εy(1)/α＝－0.66℃

Ty(3)＝－1.92℃，Ty(7)＝－4.03℃，Ty(14)＝－7.23℃

4.4 砼彈性模量

E(t)＝βEc(1－e－0.09t)

E(t)—砼齡期為t時，砼的彈性模量(N/mm2);

Ec—砼的彈性模量，一般近似取標準條件下養護28d的彈性模量，取Ec＝3.0×104N/mm2;

β—摻合料修正系數，該系數取值應以現場試驗數據為準，在施工準備階段和現場無試驗數據時，可參考下式進行計算: β＝β1·β2

β1—粉煤灰摻量對應系數，取0.99;

β2—礦粉摻量對應系數，取1.0;

∴E(1)＝βEc(1－e－0.09×1)＝0.256×104N/mm2

同理:E(3)＝0.703×104N/mm2，E(7)＝1.388×104N/mm2，E(14)＝2.128×104N/mm2

4.5 砼的最大綜合溫度差

ΔT＝T0＋2/3T(t)＋Ty(t)－Tn

式中：ΔT:砼的最大綜合溫度差。

T0—砼澆筑入模溫度，由前面計算知T0＝26.70℃

T(t)—砼水化熱絕熱溫升值，取前面2.1計算結果為

T(1)＝17.57℃ ，T(3)＝37.50℃，T(7)＝50.78℃，T(14)＝54.07℃

Ty(t)—砼收縮當量溫差，取前面2.3計算結果為

Ty(1)＝－0.66℃;Ty(3)＝－1.92℃;Ty(7)＝－4.03℃;Ty(14)＝－7.23℃;

Tn—施工期間平均溫度，南寧6月平均溫度為Tn＝27.2℃

∴ΔT(1)＝T0＋2/3T(1)＋Ty(1)－Tn＝10.55℃

同理:ΔT(3)＝22.58℃，ΔT(7)＝29.32℃，ΔT(14)＝28.32℃

4.6 砼齡期為t時的抗拉強度設計值

根據《大體積混凝土施工技術規范》GB50496－2009的(B.7-1)式

tk(t)=tk(1－e-γt)

式中:tk(t) —砼齡期為t時的抗拉強度標準值(N/mm2);

tk—砼抗拉強度標準值(N/mm2)，為2.01 N/mm2;

γ—系數，應根據所用砼試驗確定，當無試驗數據時，可近似地取γ=0.3;

σ≤λtk(t)/K

式中:K—防裂安全系數，取K=1.15。

λ—摻合料對砼抗拉強度影響系數，λ＝λ1·λ2，取值參見表B.7-1

∵粉煤灰摻量為20%，礦渣粉摻量為0，∴λ1=1.03、λ2=1

∴tk(1)=tk(1－e-γ×1)=0.521N/mm2

同理:tk(3)=1.193 N/mm2，tk(7)=1.764 N/mm2，tk(14)=1.980N/mm2。

4.7 砼的溫度收縮應力

σ＝－E(t)dΔT/(1－ν)·S(t)R

式中：σ—砼的溫度收縮應力;

E(t)—砼從澆筑后計算時的彈性模量，取第2.4條計算結果;

0.256×104N/mm2(1天);0.703×104N/mm2(3天);

1.388×104N/mm2(7天);2.128×104N/mm2(14天);

d—砼線膨脹系數，1.0×10－5;

ΔT—砼的最大綜合溫度差，取第2.5條計算結果;

ΔT(1)＝10.55℃;ΔT(3)＝22.58℃;ΔT(7)＝29.32℃;ΔT(14)＝28.32℃;

ν—砼的泊松比，取0.15;

S(t)—砼徐變影響的松弛系數S(1)＝0.06;S(3)＝0.186;S(7)＝0.21;S(14)＝0.227;

R—砼外約束系數，R＝1(樁基礎);

∴σ(1)＝－E(t)dΔT/(1－ν)·S(t)R

＝0.019N/mm2＜λtk(1)/K＝0.467N/mm2，滿足要求。

同理:σ(3)＝0.347 N/mm2＜λtk(3)/K＝1.069 N/mm2，滿足要求。

σ(7)＝1.005 N/mm2＜λtk(7)/K＝1.580 N/mm2，滿足要求。

σ(14)＝1.609 N/mm2＜λtk(14)/K＝1.773 N/mm2，滿足要求。

5 澆筑工藝

筏板5預計工期為36h(每臺泵每小時30m3，兩臺泵同時工作按50m3)，采用商品砼。砼澆筑方向，由北向南，采用“分層、分段、定點，一個坡度，層層澆筑，齊頭并進，循序推進，逐層到頂”的方法，使上下層砼澆筑時間(停歇)不超過初凝時間，交界面分界不漏振，這種自然流淌形成的斜坡(約10m)的澆筑方法，能較好適應泵送工藝，避免砼輸送管道經常拆除、沖洗、接長，從而提高泵送效率，簡化砼的泌水處理，保證上下層砼澆筑不超過初凝時間。(板厚300mm處一次澆筑到頂)。

4.4m厚筏板砼的澆筑共分5層進行，第一層1.0m，第二層1.0m，第三層1.0m，第四層1.0m，第5層0.4m。第一層(由北向南拆管退澆)完成后，一次澆筑長度5m，再接管澆筑第二層，如此反復至澆筑到頂，時間可保證在砼初凝時間內，使層與層之間砼不出現冷縫。

以每次澆筑長度14.2m×5m寬度計算砼澆筑量，本工程砼的初凝時間為4h(考慮到為夏天，取3小時)，以澆筑工作面筏板5處(最大厚度4.4m)考慮，算得砼約為71m3，每小時23.6m3，兩臺HBT60泵車每小時平均排量50m3，因此可保證在第一層砼初凝前完成一個5m寬的工作面砼澆筑。

5.1 砼振動棒布置及振法

根據砼泵送自然流淌及振搗時形成的坡度，分前、中、后3段布置砼振搗器，前面在泵管處料口處布置1臺，中間布置1臺，后面布置2臺，其中1臺需下到上下鋼筋間，專門振搗底板的底層鋼筋網片的砼。在砼澆筑過程中，為了使上下層不產生冷縫，上層砼振搗實，應在下層砼初凝前完成，且振搗棒下插5cm。振搗要采取快插慢拔的原則，防止先將上層砼振實，而下層砼氣泡無法排出，且振搗棒略微上下抽動，使振搗密實。振搗時間不要過長，一般控制在表面出浮漿且不再下沉為止。

5.2 泌水處理

在澆筑過程中應及時將水泥漿和泌水排到一端或兩端，用軟軸泵抽出，消除泌水對砼層間粘結能力的影響，提高砼的密實度及抗裂性能。

5.3 砼表面初凝

砼初凝前用刮杠按設計標高找平后，用木抹子抹壓，初凝后終凝前再用木抹子抹灰1遍，使砼表面更密實，閉合收水裂縫，避免收縮裂縫產生。

5.4 砼測溫

為掌握大體積砼的溫度變化規律，及時了解溫差對大體積砼質量的影響，底板砼需進行溫度監測控制。測溫管用導熱良好的φ48×3.5鋼管制作，下端封閉。鋼管焊接固定在鋼筋上，上端用棉包塞住，以防砼進入管內。2.3m厚筏板每組測溫管長度分別為1900mm、1300mm、600mm，管上口露出底板表面100mm，1m厚筏板測溫管長度為600mm，管上口露出底板表面100mm。

測溫用酒精溫度計測讀，為能精確體現砼內部溫度，測溫管上口必須用棉包塞嚴，測完溫度繼續塞好棉包。中止測溫記錄后，采用高強度等級無收縮防水砂漿注漿封閉測溫管。在養護階段注意對測溫管的保護。

(1)測點布置。用酒精溫度計測讀，測點沿澆筑高度布置在中部和表面，表面測溫點距底板表面50cm，測溫點布置距邊角和表面應大于50mm。以筏板5為例，設測溫孔共4處，每處3個測溫點。設置情況如圖2。

(2)用酒精溫度計測讀。做好測溫點位的編號及溫度測量記錄，以便及時發現問題。

(3)測溫次數。砼澆筑后，前4d每2～4h測一次，第5～7d內每4～8h測一次，第8～15d每8小時測一次，每次需測出大氣溫度。

(4)數據整理及分析。應及時記錄處理數據，當溫差超過25℃時應及時采取備用塑料薄膜和草包覆蓋或加大蓄水深度。

6 養護

6.1 養護方式

在砼表面覆蓋2層麻袋(前兩天)進行保溫(筏板面先鋪養護膜保濕)養護。后12天蓄水養護。

6.2 砼養護時間

據經驗公式和現場砼不同齡期抗壓強度，推定養護至14d時，砼自身抗拉強度大于溫降產生的拉應力，可停止養護。但為使砼緩慢地降溫、緩慢的收縮，故自14d起，逐漸減少覆蓋層(蓄水)厚度，第28d停止養護，第30d將全部保溫材料撤除。

7 基坑內排水做法

在基坑最深處再挖低30cm做集水坑以保證澆搗砼時基底沒有積水。具體做法如下:

(1)土方開挖完成后人工挖一500×500×300的筏板內集水坑，要求必須在標高最低處。

(2)綁扎鋼筋時留出500×500的方格，周邊用相同的鋼筋補強，但基底鋼筋用相同的底筋綁扎，每邊伸入承臺一個錨固長度。

(3)砼澆搗時，把水抽干后水泵往上提，保證基坑內無積水。

8 結束語

本工程通過采用以上施工技術措施，取得了較好的效果。本工程基礎底板砼澆筑結束后，1～15天的測溫數據顯示:砼內外溫差變化均不大于25℃。30天后，經業主方、監理方、設計方、施工方共同檢查，未發現溫差、收縮裂縫等有害裂縫，砼整體質量控制較好。

滿堂基礎大體積砼面上沿邊線焊接一圈鋼板作圍擋(擋水鋼板)，既用于蓄水保養，也有利于避免施工時水泥砂漿流到后澆帶中，而且還可以周轉使用，一舉多得。

滿堂基礎大體積砼采用覆蓋養護及蓄水養護相結合的形式，適合南方氣溫較高的特點，而且簡便易行，工藝成熟可靠;并取得了較好的社會效益及經濟效益。

采用一次整體澆筑砼的方法和“綜合溫控”施工技術，有利于提高結構的整體性、抗滲性、同時提高了結構的抗震能力。

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