铜汤路面中面层目标配合比设计.doc

铜汤路面中面层目标配合比设计

铜黄高速公路（铜汤三标）
中面层沥青混合料（AC-20C）
目标配合比设计与路用性能研究

东南大学交通学院
二OO七年三月

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目 录

1 研究背景 1
2 原材料性能测试 1
2.1 沥青 1
2.2 集料 2
2.3 矿粉 3
3 级配的选择 3
4 沥青混合料试验研究 4
4.1 马歇尔试验 4
4.2 SGC旋转压实验证试验 9
4.3 水稳定性试验 10
4.3.1 浸水马歇尔试验 10
4.3.2 真空饱水冻融循环劈裂强度试验 11
4.4 劈裂强度试验 12
4.5 车辙试验 12
4.6 试验小结 13
参考文献 14

沥青混凝土配合比设计与路用性能研究
1 研究背景
最近几年，我国高速公路飞速发展，高速公路总里程已仅次于美国居世界第二位。在高速公路中，沥青路面以其良好的行车舒适性、优异的使用性能、建设速度快和维修方便等特点受到世界众多国家的青睐，在我国也得到了广泛的应用，占已建成高等级路面中的绝大部分。有资料表明，国内近期在建、重建的高速公路有90%以上采用沥青路面。鉴于高等级公路在国民经济中的重要地位，沥青路面的路用性能具有举足轻重的意义，随着新型面层材料、级配的问世和工程实践的进一步深化，道路工程界开展了有关材料组成设计、材料性能等方面的研究。经过近二十年的努力，我国在沥青路面的结构设计、材料、施工和检测方面积累了大量的经验，取得了许多理论上的重大进展，并形成了一套完整的技术体系。
虽然如此，国民经济的高速发展带来的交通量迅速增长、车辆大型化、严重超载等现象使沥青路面面临着严峻的考验，许多沥青路面高速公路建成后不久就不能适应交通的需要，早期破坏的情况时有发生。沥青路面早期破坏现象主要有两种，其一为雨季出现的水损害，其二为高温季节出现的车辙，前者更为常见。沥青路面发生早期破坏，除了施工工艺与质量控制方面的原因之外，沥青混合料设计不当，或者缺乏一个比较规范的混合料设计方法也是主要原因之一。
影响沥青混合料路用性能的因素主要有沥青的性质、集料性能、集料级配、集料与沥青间的粘附性以与沥青用量等，在沥青和集料等原材料确定的情况下，要设计路用性能优越的沥青混合料就必须根据所设沥青混合料面层的受力特性和功能要求通过设计合理的级配和选择合适的沥青用量以满足设计要求。本研究就是在这一指导思想下，在选择优质的材料使其技术指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）的基础上，对铜黄高速公路中面层沥青混凝土进行配合比优化设计，从而使设计的沥青路面具有良好的路用性能。
2 原材料性能测试
近年来，我国公路沥青路面的建设规模逐步扩大，质量也有很大的提高，原材料质量是影响路面质量、使用寿命的重要因素。优质的原材料是保证沥青混合料具有优良路用性能的先决条件，为了满足气候环境与交通对路用性能的要求，必须做好原材料的选择。本研究通过测试沥青、粗集料、细集料和矿粉等材料的性能和技术指标来检测材料是否满足规范要求，从而完成原材料的选择。
2.1 沥青
拌制沥青混合料所用的沥青材料其技术要求随气候条件、交通情况、沥青混合料的类型和施工条件等因素而异，铜黄高速公路（铜汤三标）中面层沥青混凝土使用SBS改性沥青，其技术指标基本满足JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》，也满足铜黄高速的招标文件，实测技术指标见表1：
表1 改性沥青的试验指标与技术要求
检验项目
试验指标
技术要求
检测方法
针入度（25℃，100g，5S）(0.1mm)
51
50－70
T0604
针入度指数PI
+0.29
≥-0.2
延度（5cm/min,5℃）(cm)
35
≥30
T0605
软化点（环球法）（℃）
89
≥70
T0606
运动粘度135℃ (Pa.s)
2.4
≤3
T0625
闪点 (℃)
320
≥230
T0611
溶解度（三氯乙烯）（％）
99.84
≥99
T0607
弹性恢复(25℃)
97
≥75
T0662
贮存稳定性离析,48h软化点差
1.0
≤2.0
T0661
旋转薄膜加热试验163℃，5h
质量损失（％）
+0.01
≤0.8
T0609
针入度比25℃（％）
86
≥65
T0604
延度（5℃）（cm）
23
1.030≥15
T0605
密度（15℃）（g/cm3）

≥1.0
T0603
动力粘度60℃(Pa.s)
17727
≥5000
T0620
沥青AASHTO M320-03检测结果
技 术 性 质
试 验 结 果
试验方法
原样胶结料
闪点 (克利夫兰开口杯法) (℃)
320
T 4 8
粘度（布氏旋转粘度，135℃） （Pa.S）
2.3
T316
动态剪切G* /sinδ@10rad/s, (76℃)
2.2
T315
旋转薄膜烘箱 RTFOT （163℃，85min）
质量变化 （％）
+0.01
T240
动态剪切G* /sinδ @10rad/s,(76℃)
2.2
T315
压力老化容器残留物(R28), PAV老化温度100℃
动态剪切G* /sinδ @10rad/s,(31℃)
1026
T315
蠕变劲度,试验温度@60S(-12℃)
S=136MPa
M=0.345
T313
试验结论
PG76-22

2.2 集料
集料是沥青混合料的关键材料之一，其力学性能是决定混合料强度特性的最重要因素，它的颗粒形状不仅影响混合料的构架，也直接关系到混合料的抗车辙能力与抗疲劳性能等材料特性，此外，集料与沥青的粘附等级对混合料强度的形成也起关键作用，因此选择优质的集料是沥青混合料具有优良路用性能的重要保证。
粗、细集料的试验指标分别见表2、表3：
表2 石灰岩粗集料的试验指标与技术要求
试验项目
试验指标
技术要求
试验方法
压碎值(%)
25.1
≤26
T0316-2000
洛杉矶磨耗损失(％)
19.9
≤26
T0317-2000
视密度(g/cm3)
2.726
≥2.60
T0308-2000
吸水率(％)
0.13
≤2.0
与沥青的粘附性(级)
4
≥4
T0616-1993
针片状含量(％)
9.6
≤15
T0312-2000
坚固性
1.7
≤12
T0314-2000
软石含量
2.9
≤3
T0320-2000
水洗法<0.075mm（％）
0.90
≤1.0
T0302-2000

表3 石灰岩细集料的试验指标与技术要求
试验项目
试验指标
技术要求
试验方法
视密度（g/cm3）
2.711
≥2.60
T0330-2000
坚固性
3.7
≤12
T0334-1994
砂当量（％）
77.0
≥75
T0340-1994

2.3 矿粉
沥青混合料的填料宜采用石灰岩或岩浆岩中的强基性岩石等石料经磨细得到的矿粉，铜黄高速公路所采用的石灰石矿粉技术指标均满足规范的技术要求，实测试验指标见表4：
表4 矿粉的试验指标与技术要求
试验项目
试验指标
技术要求
试验方法
视密度（g/cm3）
2.668
≥2.50
T0352-2000
含水量(%)
0.2
≤1.0
T0332-1994
粒度范围
<0.6mm(%)
100
100
T0351-2000
<0.15mm(%)
95.1
90～100
<0.075mm(%)
78.2
75～100
外观
无团粒结块
无团粒结块
—
亲水系数
0.7
＜1
T0358-2000
塑性指数
3.0
＜4
T0118-1993
加热安定性
良好
实测记录
T0355-2000

3 级配的选择
在组成沥青混合料的原材料选定后，沥青混合料的技术性质在很大程度上取决于集料间的级配组成，沥青混合料由于集料的级配不同，可以形成不同的组成结构。总结多年的工程经验，我国2004年新推出的《公路沥青路面施工技术规范》中推荐了密级配沥青混凝土混合料矿料级配范围，并参考Superpave的集料级配设计方法，引入禁区的概念。铜黄高速公路中面层沥青混合料，采用AC-20C的级配形式，试选两种级配进行比较。
1) 级配范围
表5 密级配沥青混凝土矿料级配通过率范围（％）
石料编号
级配编号
1＃料
2＃料
3＃料
4＃料
5＃料
矿粉
合成级配
级配1
25
18
17
12
24
4
级配2
27
18
17
12
22
4
筛孔（mm）
筛分结果（%）
AC-20C1
AC-20C2
26.5mm
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
19.0mm
96.0
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
99.0
98.9
16.0 mm
51.9
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
88.0
87.0
13.2mm
5.5
86.6
100.0
100.0
100.0
100.0
74.0
72.1
9.5mm
0.1
7.9
95.6
100.0
100.0
100.0
57.7
55.7
4.75mm

0.2
1.0
82.3
100
100.0
38.1
36.1
2.36mm

0.1
0.3
2.5
92.0
100.0
26.4
24.6
1.18mm

0.3
0.7
67.7
100.0
20.4
19.0
0.6mm

0.4
37.7
100.0
13.1
12.3
0.3mm

14.0
100.0
7.4
7.1
0.15mm

7.9
95.0
5.7
5.6
0.075mm

2.9
82.3
3.9
3.8
2) 矿质混合料级配曲线图如下：

图1 AC-20C级配曲线图
注：AC-20C1为中值级配， AC-20C2为粗级配。
4 沥青混合料试验研究
根据现场各类集料的级配组成与上述确定的沥青混合料级配，确定各矿料的组成比例，以0.5%间隔变化沥青用量，确定最佳配合比，进一步对铜黄高速公路（铜汤三标）沥青混凝土生产配合比试验结果进行指导，从而为路面中面层施工的顺利进行提供依据。
4.1 马歇尔试验
马歇尔试验是一种常用的试验方法，通过它可以确定出沥青混合料的最佳油石比，同时也可以反映出沥青混合料的高温性能，并通过其它试验验证其合理性，以用于指导工程的实施。
沥青混合料按照《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》（JTJ 052－2000）的要求，以估计沥青用量为中值，以0.5％间隔变化沥青用量，配置5种不同的油石比成型试件，分别在规定的试验温度与试验时间内用马歇尔仪测定稳定度和流值，同时计算空隙率、饱和度与矿料间隙率，然后按照《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）规定的方法确定了最佳油石比。
表6 AC-20C1马歇尔试验结果
油石比（%）
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
密度（g/cm3）
2.367
2.372
2.411
2.442
2.426
空隙率（%）
6.6
5.9
4.2
2.7
3.0
饱和度（%）
54.5
59.8
69.5
79.4
78.8
矿料间隙率（%）
14.5
14.8
13.7
13.1
14.0
稳定度（kN）
13.82
14.55
14.34
13.35
12.22
流值（0.1mm）
20.2
24.1
25.3
28.6
30.4
实测最大理论密度（g/cm3）
2.534
2.521
2.517
2.510
2.00
计算最大理论密度（g/cm3）
2.572
2.554
2.536
2.519
2.501
1. 油石比与各项指标的关系曲线图

图2 油石比与毛体积密度关系曲线

图3 油石比与空隙率关系曲线

图4 油石比与饱和度VFA关系曲线

图5 油石比与稳定度关系曲线

图6 油石比与流值关系曲线

图7 油石比与矿料间隙率关系曲线

2．最佳油石比的确定
①由上图中曲线与沥青混合料技术标准可知，密度最大值的油石比a1=5.0%，稳定度最大值的油石比a2=4.0%，相应于规定空隙率范围（3%－6%）的中值的油石比a3＝4.35％，相对于饱和度范围（65%－75%）中值的油石比a4＝4.5％，则最佳沥青用量的初始值OAC1=( a1+ a2+ a3+ a4)=(5.0+4.0+4.35+4.5)％/4=4.46%。
②由图中曲线可知，各项指标均符合沥青混合料技术标准的油石比范围为：4.2％～4.8％，即OACmin＝4.2％，OACmax＝4.8％则中值OAC2=（OACmin＋OACmax）/2＝（4.2％＋4.8％）/2＝4.5％。
③考虑到中面层承受最大的剪应力，其抗车辙能力的要求较高，而OAC1 和OAC2对应的空隙率较小，最终决定最佳油石比4.35%。
表7 AC-20C2马歇尔试验结果
油石比（%）
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
密度（g/cm3）
2.364
2.387
2.421
2.417
2.415
空隙率（%）
6.7
5.3
3.9
3.8
3.4
饱和度（%）
54.4
63
71.4
73
76.5
矿料间隙率（%）
14.6
14.2
13.4
14
14.4
稳定度（kN）
12.51
13.24
14.22
12.83
10.25
流值（0.1mm）
22
27.4
27.8
29.1
30.2
实测最大理论密度（g/cm3）
2.534
2.520
2.518
2.512
2.500
计算最大理论密度（g/cm3）
2.572
2.554
2.536
2.519
2.501
1．油石比与各项指标的关系曲线图

图8 油石比与毛体积密度关系曲线

图9 油石比与空隙率关系曲线

图10 油石比与饱和度VFA关系曲线

图11 油石比与稳定度关系曲线

图12 油石比与流值关系曲线

图13 油石比与矿料间隙率关系曲线
2．最佳油石比的确定
①由上图中曲线与沥青混合料技术标准可知，密度最大值的油石比a1=4.5%，稳定度最大值的油石比a2=4.5%，相应于规定空隙率范围（3％－6％）的中值的油石比a3＝4.3％，相对于饱和度范围（65％－75％）中值的油石比a4＝4.7％，则最佳沥青用量的初始值OAC1=( a1+ a2+ a3+ a4)=(4.5+4.5+4.3+4.7)％/4=4.5%。
②由图中曲线可知，各项指标均符合沥青混合料技术标准的油石比范围为：4.2％～5.2％，即OACmin＝4.2％，OACmax＝5.2％则中值OAC2=（OACmin＋OACmax）/2＝（4.2％＋5.2％）/2＝4.5％。
③考虑到中面层承受最大的剪应力，其抗车辙能力的要求较高，而OAC1 和OAC2对应的空隙率较小，最终决定最佳油石比4.3%。
4.2 SGC旋转压实验证试验
马歇尔试验方法是一种传统的确定最佳油石比方法，不能体现混合料现场的压实效果，Superpave旋转压实仪能较好的模拟路面现场的压实，并提出了相应的指标来控制混合料的压实效果。本研究采用旋转压实仪成型试件对铜黄高速（铜汤三标）的沥青混合料的压实效果进行评价。
Superpave旋转压实仪垂直压力设定为600kPa（87psi），旋转角度为1.25°，旋转频率为每分钟30转。可以通过改变旋转次数来模拟交通水平。Superpave旋转压实仪可以用来压实直径为150mm（6in）或100mm（4in）的试件。目前，设计方法以150mm（6in）的直径为标准，为了对马歇尔试验结果进行验证，本次试验采用直径150mm（6in）的试模。
根据沥青混合料马歇尔试验方法确定的最佳油石比，采用旋转压实仪成型试件，设定旋转压实仪的单位压力为0.6MPa。根据交通量数据，选择压实次数N初始＝8次，N设计＝100次，N最大＝160次。下表中列出了沥青混合料的旋转压实结果。
表8 AC-20C1沥青混合料旋转压实试验结果
试件编号
检测项目
AC-20C1
1
2
3
油石比（％）
4.35
N初始高度（mm）
124.8
125.2
124.6
N设计高度（mm）
111.1
111.6
111.2
空气中重（g）
4677.0
4686.0
4682.3
水中重（g）
2799.6
2794.6
2802.4
表干重（g）
4704.6
4700.8
4699.3
毛体积密度（g/cm3）
2.455
2.458
2.468
最初压实度（％）
86.2
85.9
84.9
设计次数压实度（％）
97.5
97.6
97.8
最大压实度（％）
97.8
97.8
97.9
实测最大理论密度（g/cm3）
2.521
表9 AC-20C2沥青混合料旋转压实试验结果
试件编号
检测项目
AC-20C2
1
2
3
油石比（％）
4.3
N初始高度（mm）
124.7
125.1
125.0
N设计高度（mm）
110.6
111.8
111.5
空气中重（g）
4694.3
4723.7
4669.4
水中重（g）
2811.5
2825.2
2797.3
表干重（g）
4712.3
4739.9
4689.4
毛体积密度（g/cm3）
2.470
2.467
2.468
最初压实度（％）
86.8
86.9
84.2
设计次数压实度（％）
97.7
97.8
97.7
最大压实度（％）
97.8
97.9
97.9
实测最大理论密度（g/cm3）
2.521
试验结果表明：在初始压实次数下混合料的压实度小于89％，满足Superpave规范要求，说明本次研究设计的沥青混合料均不会因混合料过于软弱而导致路面在交通荷载作用下不稳定；而在最大压实次数下混合料的压实度小于98％，同样满足规范要求，说明不会产生“过压”现象；相同油石比情况下, 旋转压实方法的混合料空隙率较小，因此施工中的压实度很可能出现超百现象，但空隙率不小于2.5％均属正常。
4.3 水稳定性试验
沥青混合料的水稳定性是指抵抗受水侵蚀后逐渐产生的沥青膜剥落、掉粒和坑槽等破坏的能力。评价水稳定性试验的方法是测定沥青混合料在浸水前后力学性能的变化，以浸水后的力学性质和原性质的对比作为对剥落的间接量度，沥青混合料在饱水的情况下强度降低越小，说明水稳定性越好。
本研究中采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验评价沥青混合料的水稳定性能。
4.3.1 浸水马歇尔试验
沥青混合料分别采用最佳油石比成型的试件在60℃恒温水槽中的保温时间为48h，其余试验方法均与标准马歇尔试验相同。试件的浸水残留稳定度根据下式计算：
……… …..（1）
式中：MS0—试件的浸水残留稳定度，%；
MS1—试件浸水48h后的稳定度， kN；
MS—试件的稳定度，kN。
表9 沥青混合料浸水马歇尔试验结果
沥青混合料类型
正常稳定度（kN）
浸水稳定度（kN）
残余稳定度
（%）
技术要求
（%）
AC-20C1
14.4
12.8
89.2
≥85
AC-20C2
15.6
13.5
86.7
≥85
如上表所示，本次设计的沥青混凝土级配类型混合料的残余稳定度满足规范要求。
4.3.2 真空饱水冻融循环劈裂强度试验
该试验采用马歇尔击实法成型圆柱体试件，击实次数为正反两面各50次。试验时，将试件随机分为两组，每组4个，将第二组试件以标准的饱水试验方法真空饱水，再放入塑料袋中加入约10ml水，扎紧袋口，将试件放入-18℃的冰箱保持16h，取出试件立即放入已保持为60℃的恒温水槽中，撤去塑料袋，保持24h。然后，将两组试件全部浸入温度25℃的恒温水槽中2h。
取出试件立即进行劈裂试验，求得最大荷载，冻融劈裂抗拉强度比按下式计算：
…………. （2）
式中：TSR——冻融劈裂强度比，％；
RT2——冻融循环后第二组试件的劈裂抗拉强度，MPa；
RT1——未冻融循环的第一组试件的劈裂抗拉强度，MPa。
沥青混合料分别采用最佳油石比成型试件，冻融劈裂强度试验结果见下表：
表10 沥青混合料冻融劈裂强度试验结果
沥青混合料类型
RT1
(MPa)
RT2
(MPa)
TSR
（%）
技术要求
（%）
AC-20C1
1.07
0.92
85.6
≥80
AC-20C2
0.98
0.87
88.7
≥80
试验结果分析：
(1)沥青混合料的浸水残留稳定度大于规范要求(>85%)；
(2)沥青混合料的冻融劈裂强度大于规范要求(>80%)；
(3)沥青混合料的水稳定性较好，试验指标均满足规范的要求。
4.4 劈裂强度试验
劈裂试验是对规定尺寸的圆柱体试件通过一定宽度的圆弧形压条施加荷载，将试件劈裂直至破坏，测定其劈裂抗拉强度和破坏劲度模量。
1)沥青混合料采用最佳油石比成型标准马歇尔试件，试验条件符合《沥青与沥青混合料试验规程》（JTJ052－2000）的要求，劈裂强度试验结果见下表：
表11 沥青混合料劈裂强度试验结果（15℃）
沥青混合料类型
破坏荷载
（kN）
劈裂强度（MPa）
破坏拉伸应变（ε）
劲度模量
（MPa）
AC-20C1
19.0
2.27
6359
498
AC-20C2
19.4
2.48
6277
502
2)试验结果分析：
本次研究中沥青混合料的水平变形在1mm以下，劈裂强度、劲度模量均比较高。
4.5 车辙试验
为了模拟沥青路面在车轮的反复作用下产生车辙的情况，在试验室采用一个小型车轮在沥青混合料板块试件上进行往返行走试验，从而使板块试件形成象实际沥青路面那样的辙槽，这种试验方法称为车辙试验。车辙试验是评价沥青混合料抗车辙能力的较简单和有效的试验方法。该试验依据《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》（JTJ052-2000）的要求并考虑到混合料均为粗粒式沥青混合料将沥青混合料成型为300mm×300mm×60mm的板式试件，在同一轨道上60℃温度下，以轮压为0.7MPa的实心橡胶轮作一定时间的反复碾压，形成车槽，以辙槽深度（总变形量）RD和动稳定度DS（每产生1mm辙槽所需的碾压次数）作为沥青混合料的抗车辙能力的评价指标。
沥青混合料试件的动稳定度按下式计算：
……………… .（3）
式中：DS—沥青混合料的动稳定度，次/mm；
d1—对应时间t1的变形量，mm；
d2—对应时间t2的变形量，mm；
C1—试验机类型修正系数；
C2—试件系数；
N—试验轮往返碾压速度，通常为42次/min。
1）沥青混合料采用试验室确定的最佳油石比成型试件，在60℃温度下进行车辙试验，其试验结果见下表：
表12 车辙试验结果
沥青混合料类型
动稳定度（次/mm）
AC-20C1
>6000
AC-20C2
>6000
2）试验结果分析：
根据现行的JTG F40－2004《公路沥青路面施工技术规范》的要求不小于2800次/mm，本次设计满足这一要求。
4.6 试验小结
现将沥青混合料性能的试验结果和技术要求整理于下表：

表13 沥青混合料实测试验结果和技术要求
沥青混合料类型
指标和试验结果
AC-20C1
AC-20C2
技术要求
试验方法
最佳油石比（%）
4.35
4.3
—
—
空隙率（%）
4.5
4.4
3－6
T0705
矿料间隙率（%）
13.92
13.72
≥13
—
饱和度（%）
67.56
68.04
65－75
—
稳定度（kN）
14.38
13.83
≥8
T0709
流值（0.1mm）
25
28
15－40
T0709
残留稳定度（%）
89.2
86.7
≥85
T0709
冻融劈裂试验强度比（%）
85.6
88.7
≥80
T0729
车辙试验
动稳定度（次/mm）
>6000
>6000
≥2800
T0719
旋转压实
最初压实度（％）
85.7
86.0
≤89
—
设计次数压实度（％）
97.6
97.8
96
—
最大压实度（％）
97.8
97.9
≤98
—
劈裂
强度
试验
破坏拉伸应变（ε）
6359
6277
实测
T0716
劈裂强度（MPa）
2.27
2.48
实测
T0716
劲度模量（MPa）
498
502
实测
T0716
试验结果分析：
（1）铜黄高速公路(铜汤三标) 中面层AC-20C1沥青混凝土目标配合比确定的最佳油石比为4.35％，AC-20C2沥青混凝土目标配合比确定的最佳油石比为4.3％。研究过程中采用的性能试验的试验结果表明，在最佳油石比条件下成型的沥青混合料各项路用性能指标都能很好的满足JTG F40－2004《公路沥青路面施工技术规范》的技术要求；
（2）采用旋转压实仪对设计的混合料进行了验证，结果表明：初始压实次数下的压实度都小于89％，混合料不会因过于软弱而导致路面在交通荷载作用下不稳定；而在最大压实次数下压实度小于98％，说明不会产生“过压”现象；相同油石比情况下，旋转压实方法的混合料空隙率较小，因此施工中的压实度很可能出现超百现象，但空隙率不小于2.5％均属正常；
（3）本报告供施工单位施工时参照使用，沥青混合料的透水性与施工和易性应通过铺筑试验路做进一步评价。

参考文献
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