CN113800866B - 一种多功能轻质混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多功能轻质混凝土及其制备方法，涉及建筑材料技术领域。本发明包括92%～97%组分A和3%～8%组分B；其中组分A包括2500～3000份水泥、2000～2500份生石灰、100～300份石膏、4700～4900份粉煤灰、5～15份铝粉膏和4500～5500份水；所述组分B包括300～700份未经烧制的天然菱镁矿粉，50～150份可膨胀石墨，5～10份氢氧化钠或氢氧化钾。本发明的轻质混凝土，在前期养护中可防止坍缩，能在发生火灾时吸热，降低温度，受热后生成致密结果增加混凝土强度，释放阻燃气体降低氧气浓度，阻止火势蔓延，还可以吸附颗粒物降低浓烟浓度，增加逃生机会。

Description

一种多功能轻质混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，尤其是涉及一种多功能轻质混凝土及其制备方法。
背景技术
随着社会的发展，人民对建筑工程的安全和性能要求越来越高，轻质混凝土作为建筑工程中经常使用的保温阻热材料，其质量与性能对建筑物的安全性、功能性与耐久性起着决定性作用。轻质混凝土在养护以及服役过程中因湿度、温度和自身孔隙率高等因素作用，可能出现干缩，不仅影响轻质混凝土的使用功能而且还可能降低其耐久性。
2016年5月18日，公开了一件公开号为CN105585330A，名称为“一种节能保温加气混凝土砌块及其制备方法”的发明专利，其由以下重量份数的组分制成：普通硅酸盐水泥86～96份、季戊四醇硬脂酸酯2～3份、聚二甲基二烯丙基氯化铵3～4份、聚羧酸减水剂6～7份、水56～63份、偏高岭土12～15份、硼化锆8～10份、磁赤铁矿5～7份、油页岩废渣16～18份、水镁石纤维6～8份、短切碳纤维4～6份、氢化松香2～3份、氧化镁2～3份、烷基聚葡糖苷3～4份、羧甲基纤维素钠3～4份、双氧水1～1.2份。该发明节能保温加气混凝土砌块，采用特殊的配方和工艺制成，具有工艺简单、节能减排的特点，是目前建筑节能混凝土的换代产品。但是该专利中由于有大量油页岩废渣和有机基团的存在，在受热时会释放出大量有毒有害气体；另有由于双氧水的存在，受热产生氧气会加速火灾的蔓延。在作为建筑材料，在面临火灾时，存在一定的安全隐患。
2019年12月6日，公开了一件公开号为CN110540397A，名称为“一种抗裂节能保温加气混凝土砌块及其制备方法”的发明专利，包括如下重量份数的各组分：浮选钢渣尾泥16～25份、煅烧城市污泥22～34份、粉煤灰30～38份、水泥7～11份、石灰14～21份、石膏1～3份、木质素纤维5～8份、引气剂1.2～1.6份、稳泡剂0.1～0.4份、铝粉膏0.06～0.1份，后经混合搅拌、料浆注模、静停养护、脱模切割、蒸压养护制备得到。该发明以浮选钢渣尾泥和煅烧城市污泥为部分硅质原料和钙质原料，实现固废资源化再利用制备绿色节能加气混凝土建筑墙材，达到了节能减排、保护环境的目的。但是浮选钢渣尾泥中一般残留大量的浮选药剂，浮选药剂大多为有机物，慢慢挥发到空气中，长期处于这种环境中对人体有一定的损害；另外城市污泥中重金属和其他有害物质的存在，对人体也有一定的损害。
为了拓展轻质保温混凝土在高温条件下的应用，阻燃轻质混凝土已成为目前研究热点。其主要技术手段是在水泥基胶凝材料中掺入无机或有机阻燃材料。但这些技术手段功能单一，工艺苛刻，成本高昂，阻燃效果不佳。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提供了一种多功能轻质混凝土，本发明的发明目的在于解决上述现有技术中轻质保温混凝土成本高昂，阻燃效果不佳的问题。本发明提供的多功能轻质混凝土，在前期养护中可有效防止坍缩，能在发生火灾时有效吸热，降低温度，受热后生成致密结果增加混凝土强度，释放阻燃气体降低氧气浓度，阻止火势蔓延，还可以吸附颗粒物降低浓烟浓度，增加逃生机会。本发明提出的多功能轻质混凝土，增强了轻质混凝土在火灾发生时的功能及作用，且成本较现有轻质混凝土低，阻燃效果好。
为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明是通过下述技术方案实现的：
一种多功能轻质混凝土，按质量百分比计，包括92%～97%组分A和3%～8%组分B；其中组分A按质量计，包括2500份～3000份水泥、2000份～2500份生石灰、100份～300份石膏、4700份～4900份粉煤灰、5份～15份铝粉膏和4500份～5500份水；所述组分B按质量计，包括300份～700份未经烧制的天然菱镁矿粉，50份～150份可膨胀石墨，5份～10份氢氧化钠或氢氧化钾。
组分A中的水泥为普通PO42.5水泥，粒度在3～65μm。
组分A中的生石灰为普通生石灰，粒度在30～80μm。
组分A中的石膏，粒度在30～80μm。
组分A中的粉煤灰为二级粉煤灰，粒度在50～80μm。
组分A中的铝粉膏为加气铝粉膏。
所述组分B中的天然菱镁矿粉的粒度在3～32μm。
所述组分B中的可膨胀石墨的粒度在0.05mm～0.2mm。
所述组分B的制备方法包括：
可膨胀石墨的制备步骤：筛分经过提纯的鳞片石墨精矿，得到粒度在0.05～0.2mm的鳞片石墨精矿；在筛分得到的鳞片石墨精矿中加入石墨质量0.08-0.15倍的固体氧化剂和石墨质量2-5倍的液体氧化剂进行氧化插层；待氧化插层30min-90min后，将制得的可膨胀石墨水洗至中性；将水洗得到的可膨胀石墨烘干备用；
天然菱镁矿份粉碎步骤：先将一级块状天然菱镁矿敲碎至3～5cm的小块，然后放入颚式破碎机中进行初步粉碎，经颚式破碎机初步粉碎后的天然菱镁矿用粉碎机粉碎，全部筛分至3-32μm备用；
混合步骤：取出300份～700份未经烧制的天然菱镁矿粉和50份～150份可膨胀石墨，在再加入5份～10份氢氧化钠或氢氧化钾放入混料机混合均匀后得到组分B。
所述固体氧化剂为高猛酸钾和/或重铬酸钾。
所述液体氧化剂为浓硝酸、浓盐酸、浓硫酸、浓高氯酸、硼酸、磷酸和冰乙酸中一种或多种的组合。
本发明还提供了一种多功能轻质混凝土的制备方法，本方法工艺简单，易于操作，制备成本较低。
一种多功能轻质混凝土的制备方法，包括以下步骤：
组分A制备步骤：按质量计，取出2500份～3000份水泥、2000份～2500份生石灰、100份～300份石膏、4700份～4900份粉煤灰、5份～15份铝粉膏和4500份～5500份水，加入砂浆搅拌机混合均匀后得到组分A；
组分B制备步骤：按质量计，取出300份～700份未经烧制的天然菱镁矿粉和50份～150份可膨胀石墨，在再加入5份～10份氢氧化钠或氢氧化钾放入混料机混合均匀后得到组分B；
组分A和组分B混合浇注：按照质量百分比计，分别取92%～97%组分A和3%～8%组分B充分混合均匀后装入模具中；
养护步骤：装入模具后放入蒸汽养护箱，在40-70℃温度下蒸养40-80min后取出；用锯条割去面包头，将割去面包头的轻质混凝土继续放入蒸汽养护箱，在40-70℃温度下蒸养5-7h后取出进行常温养护；待轻质混凝土期龄达到1d后脱模，脱模后继续常温养护27d，得到所述多功能轻质混凝土。
与现有技术相比，本发明所带来的有益的技术效果表现在：
1、本发明中，包括92%-97%组分A和3%-8%组分B，强度和绝热能力来源于组分A，阻燃的功能来源于组分B，两组分能取长补短。
首先，组分A中的铝粉膏在碱性条件下反应产生微小气泡，水泥和粉煤灰在碱性条件下发生水化反应，将气泡锁在混凝土中，在混泥土中形成致密孔结构，可以有效阻挡热的传播；组分B中的菱镁矿在受热时会分解产生水和二氧化碳，水的蒸发能吸收大量热量，同时二氧化碳可以隔绝氧气起到阻燃效果，同时组分B中的可膨胀石墨在受热时会体积急剧增大，热解形成的膨胀碳层具有很好的耐高温性能，形成良好的绝热、绝氧层。
进一步的，组分B受热分解产生的主要产物MgO还是一种耐热材料，可在易燃材料表面形成致密的陶瓷保护层，从而起到减慢热量从表面传递到可燃物质的速度，并起到隔绝空气中氧气与可燃物质继续接触的作用。在阻止燃烧继续进行的同时还可有效抑制烟的产生。
最后，组分B中的可膨胀石墨受热膨胀生成的膨胀石墨还会吸附聚合物的热解产物，防止其二次燃烧，产生的难燃气体，可以隔绝氧气。同时可膨胀石墨还能堵住气孔，防止形成空气对流，隔绝热源。
2、现有技术中，存在有利用煅烧或轻烧菱镁矿粉制备混凝土的，但是其利用的煅烧或轻烧菱镁矿粉均是利用煅烧或轻烧后的氧化镁的阻燃性能，菱镁矿的主要成分是碳酸镁，而煅烧后是氧化镁，煅烧后就失去了受热分解的能力。而本申请直接采用未经烧制的天然菱镁矿，在养护成型后，部分天然菱镁矿粉未发生化学变化，存在于混凝土中，发生火灾时，受热会分解产生水和二氧化碳，水的蒸发能吸收大量热量，同时二氧化碳可以隔绝氧气起到阻燃效果。本申请主要利用经煅烧菱镁矿在受热时产生的分解反应。正是要利用菱镁矿在混凝土中遇高温产生受热分解产生致密氧化镁附着在孔隙中，防止高温后混凝土强度骤降。
3、本发明中，使用菱镁矿作为阻燃剂，菱镁矿中的碳酸镁与氢氧化钠或氢氧化钾的当量碱可发生碱-碳酸盐反应，反应过程中表现出微弱的体积膨胀，在一定程度上提高了混凝土的体积稳定性。避免混凝土早期坍缩。同时碱-碳酸盐反应是在混凝土孔溶液中进行的，反应产物氢氧化镁和碳酸钙均属于难溶物质而沉淀在空隙中，碳酸钠或碳酸钾随着水分逐渐减少而结晶，结晶被保留在沉淀物的孔隙中，可以有效提高混凝土强度和耐久性。在制备混凝土的过程中，有部分菱镁矿与所加氢氧化钠或氢氧化钾发生反应产生微膨，剩余的菱镁矿仍然以原状态存在于混凝土中，当遭遇火灾等高温条件时才会发生受热分解。
4、本发明特定的将天然菱镁矿的粒度控制在3-32μm，使其能够***膨胀石墨层间，当受热时能加速可膨胀石墨的膨胀，更快的阻断热的传播。
5、本发明中，选用可膨胀石墨作为另一种阻燃剂，可膨胀石墨在膨胀过程中也能吸收部分热量，也起到一定阻燃作用。
6、本发明中限制了菱镁矿和可膨胀石墨的粒径，菱镁矿粒径较小，可膨胀石墨粒径较大，粒径较小的菱镁矿可以进入可膨胀石墨的层间，在受热时产生的气体加速可膨胀石墨的膨胀，加快阻燃绝热能力的形成。
附图说明
图1为本发明中可膨胀石墨过火前的电镜图；
图2为本发明中可膨胀石墨过火后的电镜图；
图3为本发明中天然菱镁矿在不同温度过火前与过火后XRD对比分析图；
图4为本发明轻质混凝土过火前的电镜图；
图5为本发明轻质混凝土过火后的电镜图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明的技术方案作出进一步详细地阐述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
作为本实施例的一种实施方式，参照下表所示，给出了各实施例中配比。
表1为组分A的四种实施例配比方案
Figure DEST_PATH_IMAGE002
表2为组分B的四种实施例配比方案
可膨胀石墨 未经煅烧的天然菱镁矿粉 氢氧化钠 氢氧化钾
实施例1 150 300 5 -
实施例2 50 700 8 2
实施例3 100 450 - 6
实施例4 200 400 4 4
其中，组分B中各实施例中的可膨胀石墨制备配比见下表3所示。
表3为组分B中各实施例中可膨胀石墨配比表
石墨 KMnO<sub>4</sub> K<sub>2</sub>Cr<sub>2</sub>O<sub>7</sub> HNO<sub>3</sub> H<sub>3</sub>PO<sub>4</sub> HCL H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub> CH<sub>3</sub>COOH
实施例1 100 13 - 300 100 - - -
实施例2 100 - 15 200 50 100 50 -
实施例3 100 7 8 - - 300 200 100
实施例4 100 12 - 200 - - - 200
上述表1、表2和表3中各实施例的具体说明如下所示：
实施例1
由上表1可知，进行组分A的制备：按质量计，取出2500份粒度在3～65μm的水泥、2500份粒度在30～80μm的生石灰、100份粒度在30～80μm的石膏、4900份粒度在50～80μm的粉煤灰、5份铝粉膏和5500份水，加入砂浆搅拌机混合均匀后得到组分A；
由上表2可知，进行组分B的制备：按质量计，取出300份未经烧制的天然菱镁矿粉和150份可膨胀石墨，在再加入5份氢氧化钠放入混料机混合均匀后得到组分B；
组分A和组分B混合浇注：按照质量百分比计，分别取97%组分A和3%组分B充分混合均匀后装入模具中；
养护步骤：装入模具后放入蒸汽养护箱，在40-70℃温度下蒸养40-80min后取出；用锯条割去面包头，将割去面包头的轻质混凝土继续放入蒸汽养护箱，在40-70℃温度下蒸养5-7h后取出进行常温养护；待轻质混凝土期龄达到1d后脱模，脱模后继续常温养护27d，得到所述多功能轻质混凝土试件1。
由上表3可知，实施组分B中的可膨胀石墨由粒度在0.1mm-0.2mm石墨与比例为KMnO4：HNO3：H3PO4：石墨=13:300:100：100的酸氧化插层而制得，将制得的可膨胀石墨取出150份与细度为3-32μm的300份菱镁矿粉混合均匀后得到组分B。
实施例2
由上表1可知，进行组分A的制备：按质量计，取出3000份粒度在3～65μm的水泥、2000份粒度在30～80μm的生石灰、300份粒度在30～80μm的石膏、4700份粒度在50～80μm的粉煤灰、15份铝粉膏和4500份水，加入砂浆搅拌机混合均匀后得到组分A；
由上表2可知，进行组分B的制备：按质量计，取出700份未经烧制的天然菱镁矿粉和50份可膨胀石墨，在再加入8份氢氧化钠和2份氢氧化钾放入混料机混合均匀后得到组分B；
组分A和组分B混合浇注：按照质量百分比计，分别取92%组分A和8%组分B充分混合均匀后装入模具中；
养护步骤：装入模具后放入蒸汽养护箱，在40-70℃温度下蒸养40-80min后取出；用锯条割去面包头，将割去面包头的轻质混凝土继续放入蒸汽养护箱，在40-70℃温度下蒸养5-7h后取出进行常温养护；待轻质混凝土期龄达到1d后脱模，脱模后继续常温养护27d，得到所述多功能轻质混凝土试件2。
由上表3可知，实施组分B中的可膨胀石墨由粒度在0.05mm-0.2mm石墨与比例为K2Cr2O7：HNO3：H3PO4：HCl:H2SO4:石墨=15:200:50：100:50:100的酸氧化插层而制得，将制得的可膨胀石墨取出50份与细度为3-15μm的700份菱镁矿粉混合均匀后得到组分B。
实施例3
由上表1可知，进行组分A的制备：按质量计，取出2800份粒度在3～65μm的水泥、2200份粒度在30～80μm的生石灰、200份粒度在30～80μm的石膏、4800份粒度在50～80μm的粉煤灰、5份铝粉膏和5000份水，加入砂浆搅拌机混合均匀后得到组分A；
由上表2可知，进行组分B的制备：按质量计，取出450份未经烧制的天然菱镁矿粉和100份可膨胀石墨，在再加入6份氢氧化钾放入混料机混合均匀后得到组分B；
组分A和组分B混合浇注：按照质量百分比计，分别取95%组分A和5%组分B充分混合均匀后装入模具中；
养护步骤：装入模具后放入蒸汽养护箱，在40-70℃温度下蒸养40-80min后取出；用锯条割去面包头，将割去面包头的轻质混凝土继续放入蒸汽养护箱，在40-70℃温度下蒸养5-7h后取出进行常温养护；待轻质混凝土期龄达到1d后脱模，脱模后继续常温养护27d，得到所述多功能轻质混凝土试件3。
由上表3可知，实施组分B中的可膨胀石墨由粒度在0.1mm-0.2mm石墨与比例为KMnO4：K2Cr2O7: HCl:H2SO4:石墨=7:8:300:200：100的酸氧化插层而制得，将制得的可膨胀石墨取出100份与细度为3-15μm的450份菱镁矿粉混合均匀后得到组分B。
实施例4
由上表1可知，进行组分A的制备：按质量计，取出2900份粒度在3～65μm的水泥、2100份粒度在30～80μm的生石灰、150份粒度在30～80μm的石膏、4850份粒度在50～80μm的粉煤灰、8份铝粉膏和5400份水，加入砂浆搅拌机混合均匀后得到组分A；
由上表2可知，进行组分B的制备：按质量计，取出400份未经烧制的天然菱镁矿粉和200份可膨胀石墨，在再加入4份氢氧化钠和4份氢氧化钾放入混料机混合均匀后得到组分B；
组分A和组分B混合浇注：按照质量百分比计，分别取94%组分A和6%组分B充分混合均匀后装入模具中；
养护步骤：装入模具后放入蒸汽养护箱，在40-70℃温度下蒸养40-80min后取出；用锯条割去面包头，将割去面包头的轻质混凝土继续放入蒸汽养护箱，在40-70℃温度下蒸养5-7h后取出进行常温养护；待轻质混凝土期龄达到1d后脱模，脱模后继续常温养护27d，得到所述多功能轻质混凝土试件4。
由上表3可知，实施组分B中的可膨胀石墨由粒度在0.05mm-0.2mm石墨与比例为KMnO4：HNO3：CH3COOH：石墨=12:200:200：100的酸氧化插层而制得，将制得的可膨胀石墨取出150份与细度为3-15μm的300份菱镁矿粉混合均匀后得到组分B。
实施例5
将上述实施例1、实施例2、实施例3和实施例4制备得到的轻质混凝土试件1、轻质混凝土试件2、轻质混凝土试件3和轻质混凝土试件4进行试验：
（1）将轻质混凝土成型，试件成型与养护参照国家标准《轻质混凝土性能试验方法》GB/T 11971-1997进行；
（2）试件常温养护3d、7d和28d后，参照上述标准检测抗压强度；
（3）试件养护28d后，参照上述标准检测干密度；
（4）试件养护28d后，参照《轻质混凝土导热系数试验方法》JC 275-1980（1996）测试导热系数；测试结果如下表4所示。
表4为轻质混凝土试件1-4的性能表
Figure DEST_PATH_IMAGE004
由上述试验结果，并参照说明书附图1-5，图1示出了实施例2制备得到的可膨胀石墨过火前的电镜图，图2示出了实施例2制备得到的可膨胀石墨过火后的电镜图，由图1和图2可知，可膨胀石墨在受热时会体积急剧增大，热解形成的膨胀碳层具有很好的耐高温性能，形成良好的绝热、绝氧层。
图3为实施例2中天然菱镁矿在不同温度过火前与过火后的XRD对比分析图；由图1、图2、图3和上述试验结果可知，菱镁矿和可膨胀石墨的粒径，菱镁矿粒径较小，可膨胀石墨粒径较大，粒径较小的菱镁矿可以进入可膨胀石墨的层间，在受热时产生的气体加速可膨胀石墨的膨胀，加快阻燃绝热能力的形成。
图4为实施例2制得的试件2过火前的电镜图，图5为实施例2制得的试件2过火后的电镜图，由图4和图5可知，菱镁矿中的碳酸镁与氢氧化钠或氢氧化钾的当量碱可发生碱-碳酸盐反应，反应过程中表现出微弱的体积膨胀，在一定程度上提高了混凝土的体积稳定性。避免混凝土早期坍缩。同时碱-碳酸盐反应是在混凝土孔溶液中进行的，反应产物氢氧化镁和碳酸钙均属于难溶物质而沉淀在空隙中，碳酸钠或碳酸钾随着水分逐渐减少而结晶，结晶被保留在沉淀物的孔隙中，可以有效提高混凝土强度和耐久性。 图4和图5对比说明：可膨胀石墨在受热时会体积急剧增大，热解形成的膨胀碳层具有很好的耐高温性能，形成良好的绝热、绝氧层。

Claims (7)

1.一种多功能轻质混凝土，其特征在于：按质量百分比计，包括92%～97%组分A和3%～8%组分B；其中组分A按质量计，包括2500份～3000份水泥、2000份～2500份生石灰、100份～300份石膏、4700份～4900份粉煤灰、5份～15份铝粉膏和4500份～5500份水；所述组分B按质量计，包括300份～700份未经烧制的天然菱镁矿粉，50份～150份可膨胀石墨，5份～10份氢氧化钠或氢氧化钾；
所述组分B的制备方法包括：
可膨胀石墨的制备步骤：筛分经过提纯的鳞片石墨精矿，得到粒度在0.05～0.2mm的鳞片石墨精矿；在筛分得到的鳞片石墨精矿中加入石墨质量0.08-0.15倍的固体氧化剂和石墨质量2-5倍的液体氧化剂进行氧化插层；待氧化插层30min-90min后，将制得的可膨胀石墨水洗至中性；将水洗得到的可膨胀石墨烘干备用；
天然菱镁矿粉 粉碎步骤：先将一级块状天然菱镁矿敲碎至3～5cm的小块，然后放入颚式破碎机中进行初步粉碎，经颚式破碎机初步粉碎后的天然菱镁矿用粉碎机粉碎，全部筛分至3-32μm备用；
混合步骤：取出300份～700份未经烧制的天然菱镁矿粉和50份～150份可膨胀石墨，在再加入5份～10份氢氧化钠或氢氧化钾放入混料机混合均匀后得到组分B。
2.如权利要求1所述的一种多功能轻质混凝土，其特征在于：组分A中的水泥为普通PO42.5水泥，粒度在3～65μm。
3.如权利要求1所述的一种多功能轻质混凝土，其特征在于：组分A中的生石灰为普通生石灰，粒度在30～80μm。
4.如权利要求1所述的一种多功能轻质混凝土，其特征在于：组分A中的石膏，粒度在30～80μm。
5.如权利要求1所述的一种多功能轻质混凝土，其特征在于：组分A中的粉煤灰为二级粉煤灰，粒度在50～80μm。
6.如权利要求1所述的一种多功能轻质混凝土，其特征在于：组分A中的铝粉膏为加气铝粉膏。
7.一种多功能轻质混凝土的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
组分A制备步骤：按质量计，取出2500份～3000份水泥、2000份～2500份生石灰、100份～300份石膏、4700份～4900份粉煤灰、5份～15份铝粉膏和4500份～5500份水，加入砂浆搅拌机混合均匀后得到组分A；
组分B制备步骤：按质量计，取出300份～700份未经烧制的天然菱镁矿粉和50份～150份可膨胀石墨，在再加入5份～10份氢氧化钠或氢氧化钾放入混料机混合均匀后得到组分B；
组分A和组分B混合浇注：按照质量百分比计，分别取92%～97%组分A和3%～8%组分B充分混合均匀后装入模具中；
养护步骤：装入模具后放入蒸汽养护箱，在40-70℃温度下蒸养40-80min后取出；用锯条割去面包头，将割去面包头的轻质混凝土继续放入蒸汽养护箱，在40-70℃温度下蒸养5-7h后取出进行常温养护；待轻质混凝土期龄达到1d后脱模，脱模后继续常温养护27d，得到所述多功能轻质混凝土。
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