徐 波,傅春秀
(1.深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣東深圳 518029;2.福州大學(xué),福建福州 350108)
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,“以人為本,環(huán)境友好”理念深入人心。公眾對(duì)出行質(zhì)量需求不斷提高,對(duì)道路交通安全日益關(guān)注。如何提高道路使用品質(zhì),如何向社會(huì)提供更加安全、舒適、環(huán)保的道路交通,已成為我國(guó)道路交通事業(yè)發(fā)展的新目標(biāo)和新方向。低噪聲透水瀝青路面則是實(shí)現(xiàn)這種新目標(biāo)的一種典型路面結(jié)構(gòu)[1]。
低噪聲透水瀝青路面是一種具有大于15%(一般為18%~25%)空隙率的瀝青路面。以大空隙瀝青混合料作為表層(4~5 cm厚),表層以下為密實(shí)型級(jí)配不透水瀝青層,雨水通過排水功能層迅速排入邊溝等排水構(gòu)造物中。
低噪聲透水瀝青路面構(gòu)造深度大,抗滑性能好,能有效減輕行駛車輛的濺水、水霧,減輕光線漫反射,提高行車安全;同時(shí)還具有良好的排水、降噪、降低城市熱導(dǎo)效應(yīng)等生態(tài)環(huán)保功能[1,2]。
開級(jí)配的多空隙瀝青混合料20世紀(jì)50年代始于美國(guó),隨后歐洲、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家先后就這種瀝青混合料的不同功能展開了研究與推廣應(yīng)用。我國(guó)對(duì)該種瀝青混合料的研究應(yīng)用起步相對(duì)較晚,先后在北京、上海、浙江等地修筑了部分試驗(yàn)路。近年來,隨著預(yù)拌式施工技術(shù)的引入,成品高粘度改性瀝青質(zhì)量的提高,深圳等地修筑了部分低噪聲透水瀝青路面應(yīng)用工程,取得了不錯(cuò)的進(jìn)展。
本文依托深圳已修筑的幾條低噪聲透水瀝青路面工程,從原材料選擇、配合比設(shè)計(jì)、施工控制、路面排水構(gòu)造、養(yǎng)護(hù)管理等方面較為系統(tǒng)地介紹了低噪聲透水瀝青路面在南方濕熱地區(qū)市政道路中的應(yīng)用及其注意事項(xiàng)。
針對(duì)深圳地區(qū)高溫多雨的南方濕熱地區(qū)區(qū)域環(huán)境氣候,從排水路面結(jié)構(gòu)與構(gòu)造設(shè)計(jì)、原材料選擇、施工工藝等方面進(jìn)行系統(tǒng)的區(qū)域性研究與應(yīng)用。截至目前,深圳市低噪聲透水瀝青路面典型應(yīng)用工程有:(1)深圳市恒心路(直投式施工);(2)龍崗區(qū)新東路(預(yù)拌式施工);(3)南山區(qū)桃園西路(預(yù)拌式施工);(4)光明新區(qū)36號(hào)路(預(yù)拌式施工);(5)光明新區(qū)38號(hào)路(預(yù)拌式施工)。
低噪聲透水瀝青混合料是一種基于骨架空隙結(jié)構(gòu)發(fā)展而來的開級(jí)配瀝青混合料(見圖1)。該種結(jié)構(gòu)粗集料含量多,細(xì)集料含量少,粗集料通過點(diǎn)接觸形成骨架,混合料中剩余空隙率大,易滲水,因此,該結(jié)構(gòu)內(nèi)摩擦阻力較大,粘聚力較?。ㄒ妶D2)。在這樣的結(jié)構(gòu)特性下,低噪聲透水瀝青路面具有如下技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。
圖1 骨架孔隙結(jié)構(gòu)
圖2 低噪聲透水瀝青混合料
(1)大幅度提高行車安全。
低噪聲透水瀝青路面由于具有較大的空隙率和表面構(gòu)造深度,與普通的密級(jí)配瀝青混合料相比,能較大幅度地提高行車安全,主要體現(xiàn)在:a.構(gòu)造深度大,抗滑性好;b.減輕行駛車輛的濺水、水霧;c.減輕光線的路面反射,提高行車安全。
(2)良好的生態(tài)環(huán)保性。
低噪聲透水瀝青路面具有迅速排除路表積水、降低交通噪聲和城市熱導(dǎo)效應(yīng)的生態(tài)環(huán)保功能。
深圳等類似南方濕熱地區(qū)具有高溫、多雨、太陽輻射較大的氣候環(huán)境特點(diǎn),對(duì)道路尤其是市政道路要求能夠快速排除路表水分,保證行車安全,降低車輛噪聲,減緩城市熱導(dǎo)效應(yīng)。在南方濕熱地區(qū)鋪設(shè)低噪聲透水瀝青路面能夠很好地滿足上述技術(shù)要求。但是,由于高溫多雨的氣候特點(diǎn),濕熱地區(qū)低噪聲透水瀝青路面在交通荷載下的飛散問題、水穩(wěn)定性問題、高溫穩(wěn)定性問題、瀝青老化問題、堵孔問題突出,要求混合料具有較多的有效連通空隙、足夠的耐久性、良好的水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性。
在環(huán)境場(chǎng)和車輛荷載綜合作用下,低噪聲透水瀝青路面的主要失效模式有以下幾種。
(1)飛散
飛散,亦稱為松散,是低噪聲透水瀝青路面最典型的病害之一,是由于瀝青膜提供的顆粒間結(jié)合失效而導(dǎo)致的石料與路表結(jié)構(gòu)脫離(見圖3)。飛散可分為由于瀝青結(jié)合料的初始勁度不足、骨料過軟等施工材料質(zhì)量不佳,在輪胎—路面接觸區(qū)內(nèi)的強(qiáng)剪切力作用下導(dǎo)致的早期飛散[3]和由于結(jié)合料老化硬化、重力離析導(dǎo)致的長(zhǎng)期飛散[4]。飛散一旦開始,其影響范圍就像多米若骨牌般迅速擴(kuò)大。
(2)水損害剝落
由于具有較大的空隙率(15%~22%),低噪聲透水瀝青路面長(zhǎng)期處于潮濕或水蒸氣飽和狀態(tài),一旦瀝青與集料粘附性不足,很容易出現(xiàn)集料與瀝青剝落等水損害病害。
圖3 飛散破壞
(3)層間剝落
低噪聲透水瀝青路面由于其表層為大空隙的瀝青混合料,與下承層的接觸面積僅為一般的密級(jí)配瀝青混合料的75%~85%[5],因此常常在陡坡、轉(zhuǎn)彎、交叉路口等剪切應(yīng)力大的路段發(fā)生由于層間抗剪強(qiáng)度不足導(dǎo)致的層間剝落現(xiàn)象(見圖4)。
圖4 層間剝落
(4)功能耐久性
低噪聲透水瀝青路面的功能耐久性問題表現(xiàn)為由于道路周圍環(huán)境較差,路面孔隙容易被泥沙、灰塵等堵塞,造成排水、降噪、抗滑、降溫等功能性下降的堵孔問題和由于高的空隙率,瀝青與空氣、光、熱、水接觸面積增大,導(dǎo)致老化進(jìn)程加快的瀝青老化問題。
在濕熱地區(qū)鋪設(shè)低噪聲透水瀝青路面可以有效排除路面積水,降低水膜厚度,大幅度提高行車安全,但由于高溫多雨的區(qū)域氣候特點(diǎn),該種路面結(jié)構(gòu)容易發(fā)生水損害問題。低噪聲透水瀝青混合料由于天生級(jí)配不良,其水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性、抗剝落性和層間粘結(jié)較差,因此,如何提高南方濕熱地區(qū)低噪聲透水瀝青路面的水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性是該技術(shù)成敗的關(guān)鍵。
下文以深圳市的低噪聲透水瀝青路面典型應(yīng)用工程為依托,從原材料技術(shù)特點(diǎn)與選擇、混合料配合比設(shè)計(jì)、施工控制與注意事項(xiàng)等方面談?wù)劰P者對(duì)低噪聲透水瀝青路面的相關(guān)認(rèn)識(shí)。
排水瀝青混合料由于具有較大的空隙率,因此要求膠結(jié)料具有較好的抗水損害和耐老化能力。排水瀝青混合料所用瀝青必須具有較高的粘度、粘稠性和軟化點(diǎn),一般采用60~70號(hào)基質(zhì)瀝青,通過改性制得高粘度改性瀝青。因混合料粗集料多,因此瀝青用量較少,集料顆粒表面瀝青膜較薄,如果瀝青質(zhì)量不佳,路面在行車荷載作用下容易出現(xiàn)集料飛散,應(yīng)選用初始勁度高的瀝青。結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究,給出高粘度改性瀝青的性能指標(biāo)如表1所示。
表1 高粘度瀝青性能指標(biāo)要求[6-8]
與普通的道路石油瀝青和改性瀝青相比,低噪聲透水瀝青路面用的高粘度改性瀝青具有高的軟化點(diǎn)和延度;同時(shí)其粘韌性、韌性及60℃粘度指標(biāo)較高,這與該種瀝青混合料具有大空隙率,長(zhǎng)期與水接觸有關(guān)。高粘度改性瀝青的使用及其技術(shù)指標(biāo)的確定是保證長(zhǎng)時(shí)間與水接觸作用下混合料具有較好的抗剝落性的關(guān)鍵。
對(duì)于低噪聲透水瀝青路面用的高粘度改性瀝青應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注其老化前后粘度、針入度、延度、軟化點(diǎn),及與集料粘附性等指標(biāo)。高粘度改性瀝青是解決低噪聲透水瀝青路面在南方濕熱地區(qū)水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性問題的關(guān)鍵。
低噪聲透水瀝青混合料形成的是石—石點(diǎn)接觸式的嵌擠骨架結(jié)構(gòu)(見圖2)。與普通密級(jí)配瀝青混凝土相比,混合料集料間接觸面積減少了約25%,接觸點(diǎn)間的應(yīng)力提高,因此骨料的性質(zhì)、形狀以及粒度、級(jí)配等都會(huì)對(duì)混合料的性能有很大影響。
低噪聲透水瀝青混合料所用粗集料宜選用潔凈、均勻、干燥的耐磨耗、針片狀顆粒含量少、抗破碎和粘附性高的碎石、破碎礫石等骨料。參照國(guó)內(nèi)外已有的研究經(jīng)驗(yàn),低噪聲透水瀝青混合料粗集料的具體技術(shù)指標(biāo)應(yīng)滿足表2給出的要求。
表2 低噪聲透水瀝青混合料粗集料技術(shù)指標(biāo)要求[6-8]
從表2可以看出,低噪聲透水瀝青混合料對(duì)粗集料的壓碎值、洛杉磯磨耗損失值、表面磨光值、針片狀顆粒含量限制較高;同時(shí)為保證混合料有良好的抗剝落性,對(duì)瀝青的粘附性等級(jí)要求也較高。
低噪聲透水瀝青混合料所用細(xì)集料一般是指0.075~2.36 mm部分的集料,包括機(jī)制砂、石屑、天然砂等。應(yīng)潔凈、干燥、無風(fēng)化、無雜質(zhì),與瀝青有良好的粘附性,并有適當(dāng)?shù)念w粒級(jí)配,宜符合中砂的級(jí)配和細(xì)度模數(shù),粒徑范圍要求見表3。細(xì)集料最好使用人工破碎的機(jī)制砂,因?yàn)闄C(jī)制砂潔凈、棱角性好,有相當(dāng)好的粗糙度,混合料抗車轍能力強(qiáng)。與瀝青粘結(jié)性能較差的砂子及用花崗巖、石英巖等酸性石料破碎的機(jī)制砂或石屑不宜使用。細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)要求詳見表4所列。
表3 細(xì)集料的粒徑范圍
表4 細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)要求及試驗(yàn)方法[6-8]
礦粉在低噪聲透水瀝青混合料中含量雖少但至關(guān)重要。由于混合料中粗集料較多,若缺少礦粉,必然會(huì)產(chǎn)生瀝青流淌現(xiàn)象。礦粉的作用是吸附瀝青,瀝青只有吸附在礦粉表面形成薄膜,才能對(duì)其他粗細(xì)集料產(chǎn)生粘附作用。低噪聲透水瀝青混合料由于空隙較大,在提高其排水、抗滑性能的同時(shí)也降低了混合料的耐久性。要提高其耐久性,膠結(jié)料的作用就非常重要,所以對(duì)礦粉的質(zhì)量應(yīng)該嚴(yán)格要求。低噪聲透水瀝青混合料所用填料要求采用石灰?guī)r或巖漿巖中的強(qiáng)基性巖石等憎水性石料經(jīng)磨細(xì)得到的礦粉。具體技術(shù)指標(biāo)要求見表5所示。
表5 礦粉技術(shù)指標(biāo)要求及試驗(yàn)方法[6-8]
由于低噪聲透水瀝青路面礦料級(jí)配較粗且多為開口空隙,空隙率高,難以用通常的馬歇爾試驗(yàn)方法確定瀝青含量,應(yīng)根據(jù)混合料生產(chǎn)、運(yùn)輸、抗磨耗、飛散、析漏要求及目標(biāo)空隙率確定配合比。
在進(jìn)行低噪聲透水瀝青路面配合比設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)亟涤昵闆r合理選擇目標(biāo)空隙率。同時(shí),路面排水、降噪、抗車轍、耐久等要求的集料最大公稱粒徑往往存在相互矛盾,應(yīng)根據(jù)路面具體的功能要求選擇集料粒徑。通常同類型的瀝青混合料,公稱粒徑越小,降噪性能越好[9]。
本文參考國(guó)外配合比設(shè)計(jì)方法,主要以各項(xiàng)功能性檢驗(yàn)為主,選擇期望空隙率而又具有較高耐久性的最大容許瀝青膜厚度來確定瀝青含量。圖5給出了低噪聲透水瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)流程。
圖5 低噪聲透水瀝青路面配合比設(shè)計(jì)流程
通過上述配合比設(shè)計(jì)得到的瀝青混合料應(yīng)達(dá)到表6所示的技術(shù)要求。
表6 排水性混合料設(shè)計(jì)技術(shù)要求[6-8]
低噪聲透水瀝青路面施工流程如圖6所示,施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制混合料溫度,保證路面所需要的瀝青的初始勁度。
圖6 透水瀝青混合料施工流程
低噪聲透水瀝青混合料生產(chǎn)工藝可分為直投式施工和預(yù)拌式施工兩大類。
直投式施工,也稱高黏度添加劑(HVA)“干法”工藝,是指使用普通基質(zhì)瀝青,在混合料拌和過程中單獨(dú)添加外加改性劑生產(chǎn)改性瀝青混合料的工藝。HVA通常為毫米級(jí)的固體顆粒,在“干法”工藝中,HVA投放于通常的拌和樓后能夠迅速熔融分散,起到對(duì)瀝青混合料良好的改性效果[1]。
預(yù)拌式施工,也稱成品“濕法”工藝,是通過溶脹、高速剪切、膠體磨等加工工藝,將一定比例的聚合物改性劑(或復(fù)合體)與瀝青混溶,制備得到高黏的改性瀝青,在施工現(xiàn)場(chǎng)直接使用成品高黏瀝青生產(chǎn)混合料[1]。
直投式施工工藝由于瀝青結(jié)合料質(zhì)量均勻性和穩(wěn)定性較差,易出現(xiàn)飛散等早期病害。近年來深圳、上海等地先后引進(jìn)了日本高黏度瀝青生產(chǎn)線,采用預(yù)拌式工藝,明顯改善了排水瀝青路面質(zhì)量。
無論是直投式還是預(yù)拌式施工工藝,低噪聲透水瀝青混合料正式試拌前,應(yīng)對(duì)確定的配合比進(jìn)行室內(nèi)試拌與拌和機(jī)試拌,驗(yàn)證最佳瀝青用量與混合料質(zhì)量指標(biāo),如不符合要求應(yīng)進(jìn)行調(diào)整,重新試拌。試拌確定最終配比后,生產(chǎn)拌制時(shí)應(yīng)嚴(yán)格稱取瀝青用量,瀝青用量在拌和過程中允許偏差為±0.3%。低噪聲透水瀝青混合料拌制時(shí)的溫度宜控制在170℃~185℃之間,拌制時(shí)間應(yīng)通過試拌確定。排水瀝青的生產(chǎn)應(yīng)隨拌隨用。在生產(chǎn)過程中,應(yīng)對(duì)每個(gè)臺(tái)班的產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量取樣檢驗(yàn),并檢測(cè)混合料的礦料級(jí)配和瀝青用量等,應(yīng)經(jīng)常檢查成品的溫度、混合料的外觀質(zhì)量、均勻性等。
低噪聲透水瀝青混合料拌制過程中溫度控制是一個(gè)關(guān)鍵問題?;旌狭蠝囟冗^低,施工作業(yè)困難;溫度過高,混合料容易發(fā)生流淌。因此,在混合料生產(chǎn)拌制過程中應(yīng)嚴(yán)格控制溫度。
(1)低噪聲透水瀝青混合料出廠時(shí)應(yīng)逐車檢測(cè)瀝青混合料的重量和溫度,記錄出廠時(shí)間,簽發(fā)運(yùn)料單。
(2)瀝青混合料的運(yùn)輸應(yīng)采用清掃得很干凈的運(yùn)料車,在保證不影響產(chǎn)品質(zhì)量的前提下實(shí)施運(yùn)輸作業(yè),應(yīng)盡可能縮短運(yùn)輸時(shí)間。
(3)運(yùn)輸過程中,應(yīng)采取保溫措施,確?;旌狭蠑備仠囟炔坏陀?65℃,當(dāng)溫度低于160℃時(shí),混合料應(yīng)廢棄。
(1)攤鋪前,應(yīng)對(duì)基層或下臥瀝青層進(jìn)行工程質(zhì)量檢查和驗(yàn)收,質(zhì)量應(yīng)符合規(guī)范相關(guān)要求。下臥層如果已被污染,必須清洗或銑刨后方可鋪筑。
(2)為使低噪聲透水瀝青混合料面層與下臥瀝青層有良好的黏結(jié),應(yīng)采用陽離子噴灑型改性乳化瀝青PCR作為黏結(jié)層兼作防水封層,撒鋪量宜不少于1.0 L/m2。防水黏結(jié)封層的施工可按規(guī)范相關(guān)要求進(jìn)行。
(3)為避免施工接縫處出現(xiàn)明顯縫跡,施工時(shí)應(yīng)盡量全幅攤鋪。當(dāng)攤鋪機(jī)寬度不足時(shí),宜采用兩臺(tái)攤鋪機(jī)平行作業(yè)。調(diào)整拌和機(jī)生產(chǎn)率及攤鋪機(jī)行走速度,配足運(yùn)料車,確保攤鋪機(jī)的連續(xù)喂料、連續(xù)作業(yè),減少施工接縫數(shù)量。
(4)攤鋪速度宜控制在3 m/min左右,攤鋪溫度宜控制在165℃~175℃左右。
(1)碾壓前應(yīng)配備足量的壓路機(jī),初碾、二次碾壓宜選用10~12 t的滾筒式壓路機(jī),終碾宜選用6~10 t多輪式壓路機(jī)或8~15 t膠輪式壓路機(jī)。
(2)碾壓應(yīng)采用靜壓方式,不得采用振動(dòng)。壓路機(jī)距離攤鋪機(jī)不宜過長(zhǎng),一般不超過20 m。終碾次數(shù)以2次(1個(gè)往返)為宜。為防止膠輪式壓路機(jī)輪胎黏附,宜使用少量的水或者切削用乳化油劑稀釋液等涂覆輪胎表面。
(3)初壓速度宜控制在2 km/h,溫度應(yīng)控制在160℃~140℃;復(fù)壓速度宜控制在3 km/h;終壓速度宜控制在2 km/h,溫度應(yīng)控制在90℃~70℃,碾壓時(shí),應(yīng)記錄測(cè)試溫度。
(4)為消除鋼輪壓路機(jī)碾壓帶來的細(xì)小裂紋和提高路面抗飛散能力,可在70℃~90℃的低溫下用膠輪壓路機(jī)進(jìn)行二次輕輕碾壓表面集料。
(1)低噪聲透水瀝青路面接縫處不允許重疊,縱向接縫宜鋪筑成梯形,便于鄰接的面層黏結(jié)牢固,確保接縫兩側(cè)密度相同。若交通條件不允許鋪成梯形,為防止縱向接縫過冷,在鋪筑相鄰面層時(shí),須將接縫處再加熱,加熱時(shí)應(yīng)避免將面層直接暴露在火焰下。
(2)低噪聲透水瀝青面層縱、橫向接縫以及與附屬構(gòu)筑物的銜接部分須充分壓實(shí)、粘接緊密。
(3)在鋪筑面層時(shí),須對(duì)透水管進(jìn)行保護(hù),避免瀝青混合料堵塞透水管孔眼,確保透水性路面結(jié)構(gòu)中的雨水能順暢地排入透水管。
低噪聲透水瀝青面層碾壓成型后,應(yīng)避免車輛立即進(jìn)入,應(yīng)在終碾4 h后或表面溫度低于50℃,且路面足夠堅(jiān)硬后方可開放交通。
低噪聲透水瀝青路面除了4~5 cm的排水表層外,路面排水構(gòu)造物的設(shè)計(jì)也至關(guān)重要。應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)亟涤陱?qiáng)度和路面允許水膜厚度合理設(shè)計(jì)路拱坡度和縱向排水構(gòu)造。圖7給出的是深圳龍崗區(qū)新東路低噪聲透水瀝青路面排水構(gòu)造形式。
圖7 新東路縱向排水構(gòu)造
低噪聲透水瀝青路面空隙率會(huì)隨著開放交通后二次壓密和泥沙雜物堵塞使空隙逐漸減小,造成排水、降噪、抗滑、降溫等功能下降。目前常用的功能恢復(fù)方法有物理方法和化學(xué)方法兩大類,因化學(xué)養(yǎng)護(hù)容易造成污染,所以前者應(yīng)用較多。
低噪聲透水瀝青路面由于具有大幅度提高道路行車安全、降低交通噪聲、降低城市熱導(dǎo)效應(yīng)的優(yōu)點(diǎn),因此,在南方濕熱地區(qū)具有很大的應(yīng)用空間和前景。為了充分發(fā)揮該種路面結(jié)構(gòu)的功能和保證較好的耐久性,應(yīng)重點(diǎn)解決以下幾方面技術(shù)問題。
(1)在進(jìn)行低噪聲透水瀝青路面結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)注重不同結(jié)構(gòu)層分工設(shè)計(jì)理念,如排水降噪功能層、防水黏結(jié)層、中面層抗車轍、下面層抗疲勞,同時(shí)應(yīng)做好排水構(gòu)造物的設(shè)計(jì)。
(2)高黏度改性瀝青的使用及其技術(shù)指標(biāo)的確定是解決低噪聲透水瀝青路面在南方濕熱地區(qū)水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性的關(guān)鍵,應(yīng)嚴(yán)格控制高黏度改性瀝青質(zhì)量,關(guān)注老化前后黏度、針入度、延度、軟化點(diǎn)及與集料黏附性等指標(biāo)。
(3)混合料正式制備前應(yīng)試拌,應(yīng)通過飛散試驗(yàn)、析漏試驗(yàn)確定瀝青最佳用量。
(4)由于結(jié)合料黏度高,可施工的溫度窗窄,施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制混合料溫度,防止溫度過低,碾壓不密實(shí)。
(5)應(yīng)重點(diǎn)解決低噪聲透水瀝青路面結(jié)構(gòu)性與功能性、結(jié)構(gòu)耐久性與功能耐久性、短期性能和長(zhǎng)期性能、不同路面功能對(duì)材料指標(biāo)的要求、高性能材料要求與施工工藝和經(jīng)濟(jì)性之間矛盾的協(xié)調(diào)平衡與解決。
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