CN108863167B - 基于沥青材料的混凝土修复与防护方法和结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于沥青材料的混凝土修复与防护方法与结构。所述方法包括以下步骤：(1)打磨混凝土表面受损或粉化部位，直至未破坏混凝土；(2)将改性乳化沥青乳液按照0.2～0.6kg/m2的用量均匀喷洒或涂抹在混凝土表面，形成混凝土表面渗透固化防水层；(3)将初始扩展度达到260mm的乳化沥青砂浆均匀涂抹在所述混凝土表面渗透固化防水层表面，厚度控制在2～5mm，形成乳化沥青砂浆防护防水调平层；(4)在尚未固化的乳化沥青砂浆防护防水调平层表面形成厚度为2～6cm的沥青混凝土保温防护层；(5)将沥青胶结料按照0.2～0.6kg/m2的用量均匀撒布于所述沥青混凝土保温防护层表面，形成沥青胶结料防水抗老化层。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于沥青材料的混凝土修复与防护方法和结构，特别是高速铁路桥梁或路基保护层混凝土的修复与防护方法和结构，属于高速铁路工程材料领域。
背景技术
2016年9月10号，中国大陆郑州至徐州高速铁路开通营运，至此，中国高速铁路营运里程已超过2万公里，占世界高速铁路运营总里程的60％以上，稳居世界首位。在我国中长期铁路网规划的引导下，高速铁路建设正在稳步推进，到2020年规模将达到3万公里。
从2002年底秦皇岛至沈阳高速铁路通车，到2013年天津至秦皇岛高速铁路投入营运，我国高速铁路营运里程突破1万公里，历时11年，但从1万公里到2万公里，历时3年。中国高速铁路建设处于大规模、大跨步进行之中。由于中国幅员辽阔，环境条件差异较大，很多地区存在严寒、燥热等极端气候条件，部分高速铁路支座相关结构出现过早病害损伤，严重影响运营安全及寿命。
一些高速铁路线路在极端条件下，运营过程中桥面及路基保护层混凝土出现不同程度病害。现有桥面保护层设计为6cm现浇C30纤维混凝土，路基段保护层设计为10cm现浇C30纤维混凝土，由于抗冻融性能不足，在极寒天气和较大风雪的共同作用下，出现了大范围的不同程度的冻融病害，病害的表现形式主要有：粉化、开裂、剥离和强度下降等。
现有的保护层混凝土修复防护方案主要以在其表层涂覆聚合物涂层、聚合物砂浆、或相互结合方式的修复防护材料为主。高速铁路保护层混凝土防冻防护效果的优劣及寿命在很大程度上由修复防护材料决定。一般认为修复防护材料须具备以下特点：1)具备良好的防水性，可阻止外部水分渗透侵入保护层混凝土以避免冻融破坏进一步加剧；2)具备较强的温差变形能力，温差变形能力强的柔性材料经历冻融循环作用时能保持与混凝土保护层同步变形，从而不易因发生翘曲和脱粘；3)耐老化能力强，在日照、风吹及氧化等耦合老化环境下具备高耐老化能力的修复防护材料是提升防护寿命的关键。根据实际工程经验，上述聚合物体系防护方案由于存在造价高、抗老化能力和抗冻性能不足以及整体结构薄，经过短时间的使用后出现开裂、剥落、鼓包、渗水等病害的问题，不能满足严酷条件下的高速铁路保护层混凝土修复与防护。且高速铁路防护施工时间段一般只有1-3小时，聚合物体系防护方案基体打磨要求高，要求打磨平整，以利于聚合物涂刷，施工精细，费时费力。
石油沥青、沥青砂浆、沥青混合料属于柔性材料，具有防水、耐老化、粘结性好、低温性能优异、吸热保温等性能特点，且沥青混凝土造价低，施工速度快，在高速铁路保护层混凝土修复与防护上具有很好的应用前景。但上述每种材料功能单一、综合性能不佳，因此不适合单独用作高速铁路保护层混凝土的修复防护。如乳化沥青具有施工方便，破乳形成的沥青膜具有一定的变形能力和防水能力，但防老化性能一般；沥青砂浆容易涂抹，也具备一定的防水能力，但与基层混凝土的粘结力不足，且温差变形能力较弱；沥青混合料温差变形能力较好，但同样与基层混凝土的粘结力不足。
发明内容
发明目的
本发明的一个目的是提供一种基于沥青材料的混凝土修复与防护方法，具有造价低、防水、耐老化、粘结性好、低温性能优异、吸热保温、施工速度快等优势，既能修复混凝土表面病害层，又能混凝土进行全方位长久性的防护，大大延长高速铁路的运营寿命。
本发明的另一个目的是提供上述方法制得的基于沥青材料的混凝土修复与防护结构。
发明概述
在本发明的第一方面，提供了一种基于沥青材料的混凝土修复与防护方法，包括以下步骤：
(1)打磨混凝土表面受损或粉化部位，直至未破坏混凝土；
(2)将改性乳化沥青乳液按照0.2～0.6kg/m2的用量均匀喷洒或涂抹在混凝土表面，形成混凝土表面渗透固化防水层；
(3)将乳化沥青砂浆均匀涂抹在所述混凝土表面渗透固化防水层表面，厚度控制在2～5mm，形成乳化沥青砂浆防护防水调平层；
(4)在尚未固化的乳化沥青砂浆防护防水调平层表面形成厚度为2～6cm的沥青混凝土保温防护层；
(5)将沥青胶结料按照0.2～0.6kg/m2的用量均匀撒布于所述沥青混凝土保温防护层表面，形成沥青胶结料防水抗老化层；
其中，
所述改性乳化沥青乳液由渗透型乳化沥青和反应型改性乳液混合均匀而成，所述渗透型乳化沥青由高渗透性乳化剂、水和标号为70～110号的第一部分石油沥青加热研磨乳化而成，所述高渗透性乳化剂的质量为所述第一部分石油沥青的0.5％～3％，所述渗透性乳化沥青的固含量为50％～75％、平均粒径在1微米以下；所述反应型改性乳液为双组分的水性环氧树脂或水性聚氨酯乳液，质量为所述渗透性乳化沥青的5％～30％；
所述混凝土表面渗透固化防水层的粘接强度不小于5MPa、软化点为90℃以上；
所述乳化沥青砂浆的原材料质量百分比组成为：5％～30％的木质素类乳化沥青、0～10％的水、0～5％的水泥和55％～95％的砂子，所述木质素类乳化沥青的固含量为50％～75％；
所述沥青混凝土保温防护层由质量百分比组成为5％～10％的标号为70～90号的第二部分石油沥青或改性沥青、0.2％～2％的纤维和88％～94.8的集料混合得到，孔隙率小于1％，所述改性沥青为苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBR)改性沥青或丁苯橡胶(SBR)改性沥青，所述纤维为耐温达到200℃以上的聚合物纤维，所述集料在0.075～4.75mm粒径范围内形成合理级配；
所述沥青胶结料为添加了抗氧化剂的标号为70～110号的第三部分石油沥青，所述抗氧化剂的质量为第三部分石油沥青的0.1％～2％。
所述高渗透性乳化剂是指可以使渗透性乳化沥青充分乳化，平均粒径达到1微米以下的沥青乳化剂，优选为木质素胺类乳化剂，可商购，例如江苏苏博特新材料股份有限公司生产的EA501慢裂渗透型乳化剂。所述渗透性乳化沥青的制备方法为公知技术，一般的，先将高渗透性乳化剂和水混合，并调节pH＝2左右，得到皂液；再将皂液和加热的石油沥青(如140℃)研磨乳化而成。常用的研磨乳化设备为胶体磨。
所述反应性乳液可对渗透性乳化沥青进行改性，用于提高沥青膜的粘结强度和软化点，粘结强度可提高至5MPa(所述粘接强度是指参照ASTM C633-2013《热喷涂层粘附力或粘结强度的标准试验方法》，测得C30混凝土试件表面固化的改性沥青与C30混凝土试件间的3d粘结强度)，软化点可提高至90℃以上。粘结强度的提高有利于改善渗透固化防水层与乳化沥青砂浆防护防水调平层之间的粘结效果，提高渗透固化防水层沥青材料的软化点可以改善修补材料的高温性能，避免粘结层在夏季高温下流变。优选的，所述反应型改性乳液为双组分的水性环氧树脂乳液，例如上海汉中涂料有限公司生产的H225-A环氧树脂和H225-B固化剂和水组成的水性环氧树脂乳液。水性环氧树脂乳液的优选用量为所述渗透性乳化沥青的10％～15％(wt)。
打磨后的混凝土创面喷洒的改性乳化沥青乳液量较少，仅为0.2～0.6kg/m2，改性乳化沥青乳液中的水分容易挥发从而可以快速破乳、使分散的乳化沥青聚集成团，进而形成沥青膜。
优选的，所述乳化沥青砂浆中，砂子粒径不超过2.36mm，水泥为普通硅酸盐P.O32.5或P.O42.5水泥。基体混凝土的破损部位凿开后会形成大小深度不同的坑洞，而乳化沥青砂浆流动性好，初始扩展度可达260mm(参照JC/T 986-2005《水泥基灌浆材料》进行测试)，用于填补这些坑洞，施工十分方便。所述砂子采用本领域常用级配即可，例如可以是细砂25份、中砂35份、粗砂15份，其中细砂平均粒径为0.35～0.25mm、中砂平均粒径为0.5～0.35mm、粗砂平均粒径为0.5mm以上，粗砂粒径不超过2.36mm。
在尚未固化的乳化沥青砂浆防护防水调平层表面形成沥青混凝土保温防护层可提高乳化沥青砂浆防护防水调平层与沥青混凝土保温防护层间的粘结力。优选的，所述沥青混凝土保温防护层由长度为5～10m、厚度为2～6cm的预制沥青混凝土板块状结构体紧密拼装得到，所述板块状结构体之间的缝隙填充有所述沥青胶结料。
进一步优选的，所述预制沥青混凝土板块状结构体由第二部分石油沥青或改性沥青、纤维和集料拌和碾压形成，所述拌和温度为160～190℃，碾压温度为130～150℃。碾压可以以钢轮进行碾压，此为公知技术。
具体的，所述沥青混凝土保温防护层所合的纤维可以为聚四氟乙烯(PTFE)纤维。所述集料为普通玄武岩或石灰岩。具体的，集料级配范围如表1所示。
表1集料的级配区间
| 粒径/mm | 4.75 | 2.36 | 1.18 | 0.6 | 0.3 | 0.15 | 0.075 |
| 级配上限 | 100 | 90 | 65 | 40 | 25 | 15 | 10 |
| 级配下限 | 100 | 100 | 90 | 65 | 42 | 30 | 20 |
| 级配中值 | 100 | 95 | 77.5 | 52.5 | 33.5 | 22.5 | 15 |
优选的，所述沥青胶结料中，所述抗氧化剂为丁基羟基茴香醚(BHA)、二丁基羟基甲苯(BHT)、没食子酸丙酯(PG)、叔丁基对苯二酚(TBHQ)、α-生育酚(VE)、愈疮树脂等抗氧化剂中的至少一种。例如，可以选择常用的BHT。
进一步优选的，将所述抗氧化剂加入到温度为140～160℃的第三部分石油沥青中搅拌均匀(一般搅拌10～30min)，得到所述沥青胶结料。
在本发明的第二方面，还提供了根据上述方法所得的基于沥青材料的混凝土修复与防护结构，在表面处理后的混凝土上，由下至上包括以下四层：
第一层，混凝土表面渗透固化防水层；
第二层，乳化沥青砂浆防护防水调平层；
第三层，沥青混凝土保温防护层；
第四层，沥青胶结料防水抗老化层。
本发明与现有技术相比，主要有以下的优点：
本发明方案与现有聚合物体系方案相比，具有造价低、防水、耐老化、粘结性好、低温性能优异、吸热保温、施工速度快等优势。
具体表现为：
(1)相比于聚合物防护体系，本发明采用多层防护、低温抗裂、高温可愈合的设计，厚度大，颜色深，能够对高铁保护层混凝土起到修复、防水、保温防护、长寿命等全方位的保护；
(2)本发明对于基体强度、干燥程度和清洁程度要求低，本发明对基体混凝土打磨作业面的平整度没有特别要求，大大减少基体打磨时间及降低人工需求，加快施工速度；
(3)本发明所用沥青混凝土采用预制拼装结构时，可以利用高铁不开放的大量时间进行施工，大大加快施工速度，减少人工投入，且能够保证整体平整及美观效果；
(4)本发明可以整体采用机械喷涂及预制方式，施工速度快，施工成本低，且采用原材料相较于聚合物价格优势明显。
具体实施方式
下面通过实例详细地描述本发明，这些实例仅仅是说明性的，不代表限制本发明的适用范围。
以下实施例中，制备得到的乳化沥青的性能检测参照中华人民共和国行业标准《公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTG E20～2011)》；孔隙率测试方法参照T0705-2011《压实沥青混合料密度试验》执行。
以下实施例中，所涉及原材料如下所示：
石油沥青：韩国SK公司生产的70号石油沥青、90号石油沥青；
SBS改性沥青：韩国SK公司；
高渗透性乳化剂：江苏苏博特新材料股份有限公司生产的EA501慢裂渗透型乳化剂；
水性环氧树脂：上海汉中涂料有限公司生产的H225-A环氧树脂和H225-B固化剂；
木质素类乳化沥青为江苏苏博特新材料股份有限公司生产的EA502乳化沥青；
水泥为小野田水泥有限公司生产的普通硅酸盐P.O42.5水泥；
砂子产自骆马湖，其中细砂平均粒径为0.35～0.25mm、中砂平均粒径为0.5～0.35mm、粗砂平均粒径为0.5mm以上，粗砂粒径不超过2.36mm；
集料为江苏南京毛迪玄武岩碎石场生产的玄武岩集料；
PTFE纤维由江苏苏博特新材料股份有限公司生产；
抗氧化剂：上海凯茵化工有限公司生产的BHT。
实施例1：
(1)混凝土表面渗透固化防水层中的改性乳化沥青乳液的制备：
称取2份高渗透性乳化剂，加水至36份，加入pH调节助剂(盐酸)至pH＝2左右，最后加水至39份，得到皂液。将上述39份皂液加热到60℃，然后将皂液输送入胶体磨中循环，取50份70号石油沥青加热至140℃，再将此50份热的石油沥青输入到胶体磨中，经胶体磨均匀分散及研磨2min后得到渗透型乳化沥青(固含量60％)，将渗透型乳化沥青输出胶体磨，冷却至室温。参考GB/T19077.1-2008《粒度分析激光衍射法第1部分：通则》，采用激光粒度仪测定所述渗透性乳化沥青的粒径分布，测得峰值粒径为0.62微米，模数粒径1.49微米。
将H225-A环氧树脂2份、H225-B固化剂3份和水6份在一起搅拌1min左右得到反应型改性乳液。
将上述反应型改性乳液加入上述冷却至室温的渗透型乳化沥青中，搅拌均匀，即制得改性乳化沥青乳液。
高速铁路防护层混凝土强度等级一般为C30，将上述改性乳化沥青乳液涂刷于强度等级为C30的混凝土试件表面，进行如下测试：
A.待混凝土试件表面的改性乳化沥青乳液破乳后将混凝土试件劈裂，通过对断面观测测得渗入混凝土表层的沥青实际深度为0.6mm；
B.参照ASTM C633-2013《热喷涂层粘附力或粘结强度的标准试验方法》，测得混凝土试件表面固化的改性沥青与C30混凝土间的3d粘结强度为5.0MPa。
将上述改性乳化沥青乳液置于铝箔盒内，用电炉加热，乳液中的水分充分挥发后乳液发生破乳得到改性沥青，参考JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T0606-2001沥青软化点试验(环球法)测试该改性沥青的软化点，测得软化点为92℃。
(2)乳化沥青砂浆的制备：
取砂子75份(细砂25份、中砂35份、粗砂15份)、水泥3份搅拌均匀，加入7份水，搅拌均匀，再加入15份木质素类乳化沥青，拌合均匀，即得到乳化沥青砂浆。参考标准JC/T 986-2005《水泥基灌浆材料》测试其初始流动度为260mm。
(3)沥青混凝土保温防护层
预制沥青混凝土板块状结构体的制备：
所述的集料级配如表2所示。
表2集料的级配区间
| 粒径 | 4.75 | 2.36 | 1.18 | 0.6 | 0.3 | 0.15 | 0.075 |
| 集料级配 | 100 | 96 | 78 | 52 | 35 | 20 | 14 |
根据实际现场要求，制定固定模具(长10m、宽2.2m、高3cm)；取8份SBS改性沥青加热到180℃，91份集料加热到180℃，1份PTFE纤维，将SBS改性沥青和PTFE纤维加入到集料中进行拌合，拌合90s时间，搅拌完成后倒入磨具中，用小型钢轮进行碾压至成型(碾压温度约为150℃)，即得到孔隙率为0.8％的预制沥青混凝土板块状结构体。所述模具和钢轮为公知的预制设备，在此不再赘述。
参考JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T0715-2011沥青混合料弯曲试验的方法对所述预制沥青混凝土板块状结构体进行低温小梁弯曲试验，在-10℃条件下，沥青混合料的最大弯拉应变达3310με，抗拉强度达15MPa，弯曲劲度模量达4531MPa。表明该材料具有较强的低温抗裂能力。
参考JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T0739-2011沥青混合料四点弯曲疲劳寿命试验的方法对所述预制沥青混凝土板块状结构体进行疲劳试验，测试劲度模量。初始劲度模量为S0为3855MPa，疲劳试验后的试件置于50℃烘箱中4小时，进行第一次愈合后的疲劳试验，劲度模量S1为2983MPa，愈合率为S1/S0＝77.38％。表明该材料具有较强的高温可愈合能能力。
(4)沥青胶结料的制备：
取99.5份90号石油沥青加热到140℃加入0.5份抗氧化剂BHT搅拌15min，即得到沥青胶结料。
(5)修复与防护组合方案的具体施工方法，包括如下步骤：
①将高速铁路桥梁或路基保护层混凝土表面的受损或粉化部位用打磨机进行打磨，直至未破坏混凝土；
②将(1)中制备改性乳化沥青乳液通过手持式喷洒设备均匀喷洒在混凝土表面，所述改性乳化沥青乳液的用量控制在0.5kg/m2，形成混凝土表面渗透固化防水层；
③将(2)中制备的乳化沥青砂浆，通过钉耙刮涂在渗透固化防水层表面，厚度控制在3mm左右，尽量保持平整(不需要等到步骤②完全固化或硬化)，形成乳化沥青砂浆防护防水调平层；
④将(3)中预制好的沥青混凝土板块状结构体平整地紧密拼装固定在尚未固化的乳化沥青砂浆表面，结构体与结构体之间尽量密实平整，将(4)中制备的沥青胶结料灌注在相邻的沥青混凝土板块状结构体之间，形成厚度为3cm的沥青混凝土保温防护层；
⑤，通过手持喷洒设备将将(4)中制备的沥青胶结料均匀撒布在沥青混凝土保温防护层表面，撒布量控制在0.4kg/m2，形成沥青胶结料防水抗老化层。
实施例2
按照实施例1所述之材料和方法在C30混凝土表面进行防护修复试验，制备试件。
以所述之试件的顶面作为迎水面，施加0.3MPa的静水压，经历120min后撤去水压然后将试件劈裂，测得水未渗入混凝土表面，因此可以判定该修复防护层不透水，防水性能较优。
参考GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》对上述试件进行冻融循环试验，经过250次冻融循环后，C30混凝土的动弹性模量为初始的92％，质量损失不到1％。我国东北地区冬季气温长时间处于冰点以下，平均每个冬季发生冻融循环的次数不超过10次，因此可粗略推算本实施例修补的混凝土防护层在我国东北地区自然雨雪条件下可寿命可达20年。
Claims (9)
1.一种基于沥青材料的混凝土修复与防护方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)打磨混凝土表面受损或粉化部位，直至未破坏混凝土；
(2)将改性乳化沥青乳液按照0.2～0.6kg/m2的用量均匀喷洒或涂抹在混凝土表面，形成混凝土表面渗透固化防水层；
(3)将初始扩展度达到260mm的乳化沥青砂浆均匀涂抹在所述混凝土表面渗透固化防水层表面，厚度控制在2～5mm，形成乳化沥青砂浆防护防水调平层；
(4)在尚未固化的乳化沥青砂浆防护防水调平层表面形成厚度为2～6cm的沥青混凝土保温防护层；
(5)将沥青胶结料按照0.2～0.6kg/m2的用量均匀撒布于所述沥青混凝土保温防护层表面，形成沥青胶结料防水抗老化层；
其中，
所述改性乳化沥青乳液由渗透型乳化沥青和反应型改性乳液混合均匀而成，所述渗透型乳化沥青由高渗透性乳化剂、水和标号为70～110号的第一部分石油沥青加热研磨乳化而成，所述高渗透性乳化剂的质量为所述第一部分石油沥青的0.5％～3％，所述渗透性乳化沥青的固含量为50％～75％、平均粒径在1微米以下；所述反应型改性乳液为双组分的水性环氧或水性聚氨酯乳液，质量为所述渗透性乳化沥青的5％～30％；
所述混凝土表面渗透固化防水层的粘接强度不小于5MPa、软化点为90℃以上；
所述乳化沥青砂浆的原材料质量百分比组成为：5％～30％的木质素类乳化沥青、0～10％的水、0～5％的水泥和55％～95％的砂子，所述木质素类乳化沥青的固含量为50％～75％；
所述沥青混凝土保温防护层由质量百分比组成为5％～10％的标号为70～90号的第二部分石油沥青或改性沥青、0.2％～2％的纤维和88％～94.8的集料混合得到，孔隙率小于1％，所述改性沥青为苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物改性沥青或丁苯橡胶改性沥青，所述纤维为耐温达到200℃以上的聚合物纤维，所述集料在0.075～4.75mm粒径范围内形成合理级配；
所述沥青胶结料为添加了抗氧化剂的标号为70～110号的第三部分石油沥青，所述抗氧化剂的质量为第三部分石油沥青的0.1％～2％。
2.如权利要求1所述的基于沥青材料的混凝土修复与防护方法，其特征在于，所述高渗透性乳化剂为木质素胺类乳化剂。
3.如权利要求2所述的基于沥青材料的混凝土修复与防护方法，其特征在于，所述高渗透性乳化剂为江苏苏博特新材料股份有限公司生产的EA501慢裂渗透型乳化剂。
4.如权利要求1所述的基于沥青材料的混凝土修复与防护方法，其特征在于，所述乳化沥青砂浆中，砂子粒径不超过2.36mm，水泥为普通硅酸盐P.O32.5或P.O42.5水泥。
5.如权利要求1所述的基于沥青材料的混凝土修复与防护方法，其特征在于，所述沥青混凝土保温防护层由长度为5～10m、厚度为2～6cm的预制沥青混凝土板块状结构体紧密拼装得到，所述板块状结构体之间的缝隙填充有所述沥青胶结料。
6.如权利要求5所述的基于沥青材料的混凝土修复与防护方法，其特征在于，所述预制沥青混凝土板块状结构体由所述第二部分石油沥青或改性沥青、所述纤维和所述集料拌和碾压形成，所述拌和温度为160～190℃，碾压温度为130～150℃。
7.如权利要求1所述的基于沥青材料的混凝土修复与防护方法，其特征在于，所述沥青胶结料中，所述抗氧化剂为丁基羟基茴香醚、二丁基羟基甲苯、没食子酸丙酯、叔丁基对苯二酚、α-生育酚、愈疮树脂抗氧化剂中的至少一种。
8.如权利要求1所述的基于沥青材料的混凝土修复与防护方法，其特征在于，将所述抗氧化剂加入到温度为140～160℃的第三部分石油沥青中搅拌均匀，得到所述沥青胶结料。
9.权利要求1～8中任一项方法所得的基于沥青材料的混凝土修复与防护结构，其特征在于，在表面处理后的混凝土上，由下至上包括以下四层：
第一层，混凝土表面渗透固化防水层；
第二层，乳化沥青砂浆防护防水调平层；
第三层，沥青混凝土保温防护层；
第四层，沥青胶结料防水抗老化层。
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