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沥青和沥青混凝土现状
摘 要：介绍了美国Superpave沥青的分等和混合料设计方法的特点、当前不同国家采用粗集料断级配沥青混凝土及各自的特点、以及中国使用SAC和SMA的状况。
关键词：沥青；混凝土；研究现状
　　近10多年来，交通量迅速增大、车辆载重量增加、超常单轮胎的应用以及普遍的车辆超载等现象，对沥青路面所用的原材料（沥青和矿料）以及沥青混合料的性能提出了更高的要求。另一方面，投资和养护费用对公路部门的压力日益增加。同时，考虑到公路的投资效益分析，不少国家致力于研究开发沥青的新技术指标，研究提高沥青和沥青混合料的使用性能，还研究开发薄热拌沥青混凝土面层。
　　1987年，美国设立战略公路研究项目（SHRP）。其主要项目之一是研究开发以使用性能为依据的沥青新指标和沥青分等方法，同时进一步研究沥青混凝土的体积比设计方法。此项目已于1993年正式结束，SHRP的另一主要项目是路面长期使用性能的研究（I TPP）。该项目的主要目的是改善路面结构设计方法，总结不同养护措施的实际效益。该项目预计进行20年，现已进行了3年并正在执行中。
　　10年前，法国首先用薄沥青混凝土面层。开始将其用做养护磨耗层，很快就扩大用做新路面。然后，发展为很薄沥青混凝土面层，近几年又发展为超薄沥青混凝土面层。欧洲其他国家也发生了类似的变化，例如，起源于德国的碎石沥青砂胶混凝土（SMA）的推广使用。
　　1988年，为提高沥青混凝土表面层的抗滑性能，特别是表面宏观粗糙度，中国研究开发了多碎石沥青混凝土，并已在多条高速公路上应用。
1 Superpave沥青结合料规范
　　美国战略公路研究项目（SHRP）已于1993年3月完成，并受到各国道路工作者的普遍关注。其中关于高性能沥青路面（Superpave）的研究成果，由沥青结合料规范、混合料设计与分析系统和计算机软件系统三个部分组成，其特点是提出了一套新观点。它包括：① 以使用性能为基础的沥青分等方法，用新指标、新试验设备和试验方法来检验沥青；② 以体积配合比法进行混合料组成设计。
　　沥青结合料规范的特色是规定的技术标准不变，但必须达到标准的温度对不同等级的沥青都不相同。某一具体道路所应采用的沥青等级随所在地区的最高和最低气温而定。对于高温，同时还考虑车速和累计标准轴次的影响，可能将高温提高2～3个等级。一个等级与上一个等级的温度差，高温和低温均为6C。此规范适用纯沥青和改性沥青。规范确定沥青结合料的力学性能时，以线粘弹性理论为基础。
1．2 试验和性能指标
　　沥青结合料的试验在所定沥青等级的温度下进行。沥青结合料在其三个寿命阶段进行试验。对初始沥青的试验代表运输、储存和装卸的第一阶段。第二阶段代表混合料生产和铺筑中的沥青，规范用经旋转薄膜烘箱试验后结合料的老化来模拟，它接近于拌和铺筑过程中沥青的老化。第三阶段代表热拌沥青混合料在使用过程中的长时期老化，它由压力老化箱来模拟。不同条件下结合料的试验内容和需要得到的指标列在表1中。
1．3 每一种规定性能及其标准值
　　规范通过限制沥青结合料在沥青路面中容易形成永久形变、低温裂缝和疲劳裂缝的潜能，来达到改善路面性能的目的。
　　（1）安全性。初始沥青结合料的闪点最小230 C。
　　（2）泵送和操作。初始沥青结合料135lC的粘度最大为3 Pa?S（30P0）（PV）。
　　（3）永久形变。为减小辙槽，初始沥青结合料的G．／sinδ最小为1．00 kPa（DSR）。经旋转薄膜烘箱（或薄膜烘箱）试验老化的沥青结合料的G．／sinδ为最小2．2 kPa（DSR）。
　　（4）过度老化。旋转薄膜烘箱（或薄膜烘箱）试验后，沥青结合料的质量损失最大为1%。
　　（5）疲劳裂缝。已经过RTFO和PAV老化过的沥青结合料的G．／sinδ最大为5 000 kPa（DSR）。
　　（6）低温裂缝。为减轻裂缝，沥青结合料60 S的蠕变劲度最大为300 MPa，m值最小为0．300（BBR）；速度1．00 mm／min；直接拉试验的破坏应变最小为1% （DDT）。
　　（7）储存引起的物理硬化。对经RTFO和PAV老化结合料进行弯曲试验，至今尚未提出必须达到的标准值。
　　SHRP规定对于某一具体道路所应采用的路面高温除连续7 d最高气温的平均值外，尚需要考虑交通量大小和车速快慢，可能将原定高温等级再加2～3个等级。例如，交通量为107～3×107，需增加一级；交通量&3×107，需增加两级；慢速交通，需增加一级。因此，根据气温确定路面高温为64 C时，某一具体道路的计算高温可能是70C到82C。SHRP规定所用公式根据1 d最低气温计算路表面低温。上述不同性能都是在所定路面高温和低温下确定。作者认为：
　　（1）SHRP这套新指标还需要经过不同地区实际工程的实验。
　　（2）按Superpave规定所用公式计算的路面低温常高于最低气温，而中国的实际观测表明，在大风降温过程中路表的最低温度常低于气象台的最低气温3C～7C。因此，所建议公式式值得研究。
　　纯沥青的PG等级，高温可能是64C左右，低温可能是一20C左右。因此，有人认为如所需的PG等级超出此范围，可能需要用改性沥青。或者说，在纯沥青所能满足的高温和低温范围以外，才是改性沥青的可用场合。沥青的PG等级问世多年来，国际上并未引起较多正面反映，南非声明PG等级不适用于南非。欧洲议论纷纷，有的认为高温还可以，低温指标需要研究，中温指标不行；有的认为如低温达不到一22C或一28C时，不一定要用改性沥青，可以用较稀的沥青，至今欧洲仍持观望态度。既使在美国国内，对PG等级也有不同意见。
　　Superpave的混合料设计主要有三点。一是体积设计法，如规定混合料的空气率为4 %，矿料间隙率（西部环道Superpave路面产生早期破坏后，提出VMA≯ l6 ），饱和度随交通量而定为65% ～75 %。二是规定矿料级配的控制点和限制区。所用矿料级配为粗集料断级配。就粗集料断级配而言，它与法国的薄沥青混凝土BBM，德国的SMA和中国的多碎石沥青混凝土SAC没有什么差别。三是用旋转击实仪做混合料设计，但在美国并不排除可用马歇尔试验做混合料设计。这两种不同方法的共同前提是，室内试验所得混合料的密度与路上的最终密度相等。
2 多种高性能沥青混凝土
　　至今世界各国采用的沥青混凝土可分为两大类四种。一类是密实式沥青混凝土；另一类是多孔隙沥青混凝土（粗集料断级配）。密实式沥青混凝土又分为三种：第一种是传统连续级配沥青混凝土；第二种是粗集料断级配沥青混凝土（如SMA、BBM 、SAC等）j第三种是细集料断级配沥青混凝土（如英国的热压式沥青混凝土HRA）。当前国际上的总趋向是采用粗集料断级配沥青混凝土。
　　SMA的主要组成部分是粗集料（&2 mm颗粒常占70% ～80%）和沥青、填料与纤维（一般常用木质素纤维）组成的胶泥（三者含量常分别是6% ～7 %，8 ～12 %和0．3% ）。马歇尔试验混合料的空气率为2% ～4% 或3% ～4% ，有的国家用3% ～5% ，通常使用纯沥青，在少数特殊情况下也使用改性沥青。在德国和美国SMA同时使用纤维和改性沥青的情况下很少。
&　　20世纪60年代初，德国开发了SMA。由于其耐久性好，在1984年德国正式制订SMA规范，在国内推广应用。然后欧洲一些国家也先后开始应用SMA。到1995年底，德国约有10 %道路路面养护采用了SMA。1996年不同国家SMA的用量见表2。
　　德国认为用纤维的SMA 比普通沥青混凝土HMA增加投资20% 费用，但其优良路用性质较普通的HMA增长20% ～40% 。美国于1991年开始铺筑试验路，到1996年底已在多数州铺筑了试验路，其长度一般为1．6～3．2 km。已完成的较大工程是通向亚特兰大的两条公路，共长约70 km（迎接奥运会）。美国同时还进行了较广泛深入的室内试验研究。但是，乔治亚州原先铺筑的SMA面层，几乎已全部用开级配磨耗层0GFC覆盖。近几年来，乔治亚州使用的典型结构是0GFC下为SMA，再下为Superpave。
　　由上述看到，即使在德国也不是普遍使用SMA，而是在某些较特殊的路段（高速公路的局部路段、一般道路的急拐弯处）使用SMA。
　　SMA仅规定一个矿料级配范围和沥青标号，要求矿料组成非常接近规定的级配范围。根据空气率用两面各击50次马歇尔试验确定沥青用量，而不需要知道沥青混凝土的使用性能，是一种根据“处方”的设计方法。显然，两面各击实50次确定的沥青用量仅适用于德国等夏季气温不高的特殊气候条件。
　　欧洲一些发达国家部分采用SMA，而且都认为它能成功地被用于重交通道路，有两个重要条件：一是这些国家的公路网早已完成，SMA主要用于老路面性能改善，老路面的特点是路基路面都已稳定，只是使用性能（如平整度、抗滑性能或噪音水平等）达不到要求，加铺一层SMA恢复面层的使用性能，虽然多增加投资，但无其他风险；二是欧洲特殊温和的气候条件，通常夏季不热，气温达32℃以上的高温天气极少，例如，1998年夏季仅有一天的最高气温达32℃，其余时间，大部分Et最高气温在23℃～28℃，少部分在30℃左右和20℃以下。在这样气候温和的夏季，SMA一般不会产生明显高温稳定性不足和泛油问题。除北欧外，欧洲一般地区冬季的最低气温不到一10℃，接近中国华北南部地区。因此，在欧洲沥青路面的使用性能较容易保持，路面损坏现象较中国的路面少和轻。
　　已建SMA工程产生的问题说明，在中国不同地区的气候、材料、技术力量、工艺水平和熟练程度等具体条件下，如何铺成符合要求SMA，都还需要进行认真研究。
　　由于SMA的单价比普通沥青混凝土增加32%或52 %，由此产生的第二个需要研究解决的问题是，如何或能否使用SMA的优良性能的耐久性较普通沥青混凝土（含SAC）延长30% 或50% 以上?
　　前面已经介绍，即使在经济发达的德国，也仅是少数高速公路和国道的部分路段（约10% ）使用SMA。对于中国的新建高速公路和一级公路显然也不需要都采用SMA。到底在什么情况的高速公路上或某一高等级公路的什么路段上需要使用SMA，以改善并延长路面优良使用性能的寿命?这是第三个需要认真研究解决的很有实际意义的问题。
2．2 法国的薄沥青混凝土（BBM）
2．2．1 BBM
　　法国和西班牙采用BBM 做新路的表面层和老路面的养护。与SMA比较，BBM 是明显的断级配，BBM 中胶砂的含量较少，0．075 mm 以下粉料的含量少3% ～5 %，沥青结合料含量少0．5% ～1．3% 。
　　因此，BBM 不需要沥青流出抑止剂（纤维）。结合料常用纯沥青，也用改性沥青。BBM 路上的空气率Va约6 %～12% 。在Va大的情况下，BBM 是透水的。为了防止该层透水，常用改性沥青在其下面做一厚粘层。由于BBM 很粗糙，不需要专门措施来保证所需的高抗滑性能。有两种BBM：BBM 0／6和BBM0／10，其矿料级配组成见表3。
　　与SMA 比，BBM 的另一个特点是，表3中的级配组成不是“处方”，仅具指导性，一旦矿料级配组成确定后，要按照要求的力学指标（见表4）做混合料试验。规定的各个指标达到要求后，才能使用该混合料。因此，BBM 采用了以使用性能为依据的混合料设计方法。
2．2．2 很薄热拌沥青混凝土面层
　　20世纪80年代中，在法国设计和施工质量都好的不需要结构改善的路面上，仅需要一种热拌沥青混合料薄层用于养护重交通道路的面层，以改善抗滑性能和养护某些小的表面缺陷。因此，开发了厚2．5 cm的热拌沥青混合料面层，以改善表面层粗糙度。它仍然是砂含量相当少的断级配沥青混凝土，使用的沥青量较多，采用聚合物改性沥青或加纤维，以改善表面粗糙度的耐久性。这种混合料称“很薄沥青混凝土”。它与SMA相似，但砂含量较SMA多，沥青用量较少，以达到稳定性较好。到1992年，在经过106～5×106重车作用的用聚合物改性沥青或纤维的很薄沥青混凝土面层上共进行了144次刹车力系数测量。结果证明，在高速行车情况下，很薄沥青混凝土的抗滑性能优于传统沥青混凝土。早在1990年，法国国道上20% 的重铺路面工程使用了很薄沥青混凝土。在法国的新建路面上，因为很薄沥青混凝土的表面粗糙度要好得多。20世纪60年代，法国多数重交通道路的表面粗糙度（表面构造深度）TD在0．4～0．6 mm。使用很薄沥青混凝土后的TD在0．8～ 1．2 mm，从而改善了行车安全。
2．2．3 超薄沥青混凝土
　　1988年法国两个承包商开发了厚1．5 cm 的热拌沥青混合料面层，被称之为“超薄沥青混凝土”，也可把它看作是一种“摊铺机铺的碎石封层”。沥青混合料铺在用沥青乳液的厚粘层上，结合料用量介于传统粘层和表面处治结合料层之间。喷酒沥青管安置在摊铺机后部，使摊铺机不行走在新洒的粘层上。法国1992年铺筑了5．5×106 m2这种新面层。
　　由于BBM 能铺成薄层（2～5 cm）和有高质量的使用性能（平整度好、粗糙度大、耐久性好等），从1986年开始它在公路上用得很普遍。BBM 很适合于重交通道路上的面层养护。法国国道网约有30%使用BBM 养护。同时，BBM 还广泛用于西班牙。仅1996年，法国和西班牙使用的BBM 分别为4．0×106 m2和4．5×10 6m2。
2．2．4 Ruflex的力学性质
　　Ruflex是BBM 的一种。它使用弹性聚合物改性沥青，用作磨耗层。Ruflex有0／6、0／10和0／14三种。根据使用要求和级配，Ruflex的摊铺厚度列于表5。
&　　（1）朱丽叶试验。法国标准要求薄沥青混凝土的朱丽叶试验结果（确定有水时沥青混凝土的剥落敏感性）空气中抗压强度与浸水抗压强度之比为0．8，而Ruflex的比值大于0．9。
　　（2）辙槽试验。其标准见表4。对于Ruflex，荷载轮作用1×105 次，产生的永久形变小于10% ，较标准要求小了很多。
　　对于颗粒组成如表7所列的0／11 SMA也做了辙槽试验。
　　结合料含量6．9% 。试验结果如下：
　　荷载轮作用3 000次 &&永久形变12．5%
　　荷载轮作用10 000次 &永久形变16% 。
　　根据法国对重交通道路的标准，建议的SMA虽然符合“处方”，但不完全符合规定的技术要求。
　　（3）复合模量试验。法国薄沥青混凝土标准要求15℃和10 Hz下的劲度模量要等于或大于5 400MPa。在同样条件下，Ruflex的劲度模量大于8 000MPa。
　　（4）粗糙度。符合标准的高度断级配的BBM，在摊铺后必须有表面构造深度（砂补试验）大于0．6mm。对于Ruflex，此值大于1 mm。
2．3 中国的多碎石沥青混凝土（SAC）
2．3．1 SAC一16的发展和特点
　　为提高中国高速公路沥青路面的表面粗糙度，使高速行车更安全，1988年中国研究开发了多种碎石沥青混凝土（SAC一16）。它也是一种密实式粗集料断级配沥青混凝土。1988年的试验路段既使用了纯沥青，也使用了丁苯胶（SBR）改性沥青和苯乙烯丁二烯嵌段的共聚物（SBS）改性沥青。经过扩大试用和改进，近几年已在多条高速公路上应用，并于1997年被纳入中国沥青路面设计规范，被作为抗滑表面层沥青混凝土之一，并命名为AK一16A。需要说明的是，规范中的AK一16A取自沪宁高速公路的文件。但沪宁高速公路在开始铺筑表面层时，作了两条补充规定：一是4．75 mm筛孔的通过量改为30%～ 40% ，即保证4．75 mm 以上碎石的含量不少于60 %；二是0．075 mm 的通过量改为6 %～9% ，即保证粉料含量不少于6 %。这两条补充规定对保证SAC一16的良好使用性能十分重要。根据沪宁、石安等高速公路使用的经验，最后建议的SAC系列级配范围列在表8。
　　SAC一16的沥青用量较少，用视密度和毛体积密度大（如视密度≥2．900）、吸水率小的玄武岩时，两面各击75%次马歇尔试验的最佳沥青用量（油石比）在4．5 %～4．8% 。用改性沥青时，沥青用量约可增加0．4% 。除初始的试验路外，SAC一16、SAC一13都使用了纯沥青，以节省投资。SAC有三个特点：一是马歇尔试验的空气率 为3．5 %～4．2% ，在保证压实度的前提下，其透水性小；二是抗永久形变能力（即高温稳定性）强，其动稳定度高于传统沥青混凝土AC一25一Ⅱ型；三是表面粗糙度好，TD&0．8mm。SAC一16、SAC一13和SAC一9．5已在中国1 000km多高速公路上应用。
2．3．2 SAC一16使用中出现的问题及其原因
　　中国几条高速公路仅用纯沥青的SAC使用经验表明，在6月中旬以后连续高温条件下，在交通量较大行驶载重汽车多的行车道上开始产生轻重程度不一的泛油现象，外观表面局部间隙式发亮，严重路段连续发亮，如：沪宁、石安、安新等高速公路。同时，交通量较小且主要行驶小汽车的超车道，仍然保持原有的宏观粗糙度。在同一小地区的另一条高速公路，表面层采用相同的SAC。由于该路上交通量不大，夏季过后，无论在超车道还是行车道都保持原有的宏观粗糙度，如：南京机场高速公路和宁通高速公路。在同一条高速公路上，也不是所有的标段都产生泛油现象；有的标段基本没有泛油现象或现象轻微，有的标段无泛油现象。济青高速公路青岛段使用的SAC一16，1993年底通车至今已7年，基本无泛油现象。沪宁高速公路丹阳段经过两个夏季，仍无明显泛油现象。安阳～新乡高速公路三标段和四标段也无明显泛油现象。石安高速公路H2标段和I2标段仅少数局部轻度泛油。
　　沥青面层表面层产生轻重不一泛油现象的根本原因：一是某些标段的沥青用量偏大；二是各个粒级矿料的变异性太大。而沥青用量偏大的原因，则是马歇尔试验法双面各击75次的混合料的密度小于重交通道路上沥青混凝土的最终密度，换句话说，对于重交通道路，75次的击实功偏小。实际上，沥青路面局部泛油发亮现象，在使用传统沥青混凝土的高速公路上和一般公路上都较普遍。这种通病与中国碎石规格变异性大密切有关。
　　某些使用SAC一16做表面层（抗滑磨耗层）的高速公路产生一些水破坏现象的主要原因是混合料的压实度不够，使现场孔隙率过大，以及没有采用抗剥落措施。另一原因是混合料的不均匀性大。采用I型级配的表面层同样产生过不少水破坏。1997年12月通车的石安高速公路，水破坏的修补面积，仅占总面积的1／（2*105）（0．000 05% ），2000年仅占1／（4×104 ）（0．000 25 %）。1999年11月通车的广珠高速公路17 km 以及1999年6月通车的潍莱高速公路142 km，SAC一16表面层至今未产生一个坑洞，1999年末通车的成雅高速公路100 km，SAC一13表面层至今尚未产生一个坑洞。2000年5月在济青高速公路上完成的2．4 km 超薄沥青面层（SAC一9．5，2．5cm厚）至今状况良好。这三种抗滑表层的表面构造深度都大于0．8 mm。
2．4 多孔隙沥青混凝土（PA）
　　多孔隙沥青混凝土（PA）常被用做表面层或磨耗层（PAWC），一些国家又常称其为开级配磨耗层（OGFC）或排水磨耗层。在压实后，PA约有20% 以上的的孔隙（或空气率Va ），从而在面层内形成一个水道网。降雨时，落到PA表面的雨水，可通过PA层内部的孔隙流动并排出路面外，而不在表面形成水膜和泾流。大雨来不及排水时，虽表面有泾流和溅水，但要轻得多，一旦雨停，表面泾流立即消失。因此，它能避免降雨过程中在常规路面上高速行车产生的水漂现象，消除车后的溅水和喷雾现象，消除路面表面的反光现象，从而使道路标志更容易看清。PA表面层的这些优点使高速行车更安全。
　　PA表面层的另一个重要特性是，它能明显减少车辆内外的滚动噪声。
　　PA容易堵塞是其缺点。一旦孔隙堵塞，PA就不再起排水作用，其降低噪声的能力也大幅度减小。为保持PA 良好的透水性和降低噪声能力，必须有消孔设备。
2．5 法国的高模量沥青混凝土（常用做底面层）
　　从20世纪70年代初开始，法国传统的底面层采用最大粒径14 mm 或20 mm 的良好级配的碎石集料，用4．5 %针入度50／70或35／50的沥青。1980年某承包商设计了一种用很硬沥青（针入度10／20）的底面层混合料，采用用作磨耗层的结合料含量5．7 %～6．0 %。此很硬沥青产生了一种抗永久形变能力很强且劲度模量很高的沥青混凝土，使得底面层底面的拉应变较小。此外，高沥青含量产生了较大的容许疲劳应变，对于一给定疲劳寿命的底面层厚度减薄了25% 。此承包商设计的新材料由LCPC（法国桥梁道路中央研究院）进行疲劳和复合模量试验，并用法国的理论方法完成了结构设计。
　　用这种新材料铺筑了试验路段。这种新材料被接受作为需要高抗辙槽能力和较小厚度处的备择材料。随后其他承包商和沥青混凝土生产厂家开发了类似的材料。研究提出此新思想12年并在道路上扩大应用5年后，到1992年在已取得足够经验的情况下，制定了标准（NF P98 140）。目前在需要很高抗辙槽能力的位置，高模量沥青混凝土被用作高速公路路面的上覆层，以及在市区需要减小厚度的路段高模量沥青混凝土上被用于路面重建。到1995年在法国已铺筑了5．0*106这种新混合料。为了检验这种高模量沥青混凝土抗辙槽的优点和改善其结构设计，1990年和1992年在南得市LCPC的加速试验环道上做了两种试验。
　　试验表明，不同性质沥青的四种混合料的辙槽深度（仅是沥青混合料的永久形变）表现出显著差别。高模量沥青混凝土10／20的辙槽深度不到用50／70沥青的混凝土辙槽深度的1／4，同时也明显小于多级沥青混凝土（MG）和SBS改性沥青混凝土的辙槽深度。
　　本文介绍了当前不同国家采用的多种粗集料断级配沥青混凝土，它们各有特点。SMA通常要加纤维，BBM、SAC常用纯沥青，BBM 中的很薄和超薄沥青混凝土也常用改性沥青。当然，BBM、SAC也都可以用改性沥青或也都可以在沥青中加纤维。但为了节约资金和考虑客观的必要性，又往往不用改性沥青或不加纤维。不同国家的经验都值得我们学习。采用改性沥青时，其投资虽与SMA（仅用纤维）差不多，但前者的使用性能将优于后者。
原作者： 沙庆林&&&（中国混凝土与水泥制品网
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多孔隙沥青混凝土试验研究
【摘要】：主要结合河北省京沪高速公路减噪试验路的材料配合比设计 ,对多孔隙沥青混凝土 (PAC2 0 )进行试验分析 ,文中对 4种PAC2 0型混合料的级配进行分析研究 ,并从中选择试验路所需级配范围。同时 ,为了改善PAC2 0的水稳定性 ,试验分析水泥取代矿粉或掺加消石灰对混合料的影响 ,考虑施工条件 ,实际施工中选择了水泥代替矿粉的措施。
【作者单位】：
【关键词】：
【分类号】：U414.75【正文快照】：
0　引言多孔隙沥青混凝土是一种大孔隙沥青混合料 ,其使用条件和力学性能与一般的密级配沥青混合料有较大的不同。它主要有两个用途 :一是作为路面抗滑表层的材料 ,以改善路面的抗滑性能 ,特别是雨天的路面抗滑 ,此时一般称为ＯＧＦＣ (开级配磨耗层 ) ;二是作为沥青混凝土结
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