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                                    高黏改性劑與基質瀝青配伍性研究
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                                    高黏改性劑與基質瀝青配伍性研究
                                    2022年04月14日    閱讀量:23364    新聞來源:瀝青網 sinoasphalt.com  |  投稿

                                    摘 要

                                    為了在有限樣本條件下得到高黏改性劑優選基質瀝青的控制指標,對境內外2種高黏改性劑與4種常用基質瀝青進行配伍性試驗,并以針入度、軟化點、低溫延度、60℃動力黏度及170℃布氏黏度為控制指標,從而得出配伍性最佳的基質瀝青,然后分別對每種基質瀝青進行針入度、軟化點、延度等全套常規性能試驗和不同老化程度的溫度掃描、頻率掃描等流變性能試驗,運用灰色關聯度分析方法定量給出基質瀝青性能指標對高黏改性瀝青控制指標的影響。試驗結果表明,不同來源基質瀝青的常規性能、流變性能及其與高黏改性劑的配伍性各不相同。G2和TPS高黏改性劑與殼牌(泰國)基質瀝青的配伍性最好,并且G2高黏改性劑的適配性比TPS高黏改性劑好瀝青網sinoasphalt.com。不同來源的基質瀝青常規性能和流變性能各不相同,其中部分性能指標存在較大差異。同時,高黏改性瀝青控制指標與基質瀝青的常規性能指標和流變性能指標之間存在較好的相關性,通過控制基質瀝青的常規性能指標和流變性能指標,可以優選出與高黏改性劑適配的基質瀝青。其中,高黏改性瀝青控制指標與基質瀝青的流變性能指標灰色關聯程度更高。


                                    關鍵詞 瀝青結合料 | 高黏改性劑 | 配伍性 | 常規性能 | 流變性能 | 灰色關聯度


                                    已有研究表明,不同種類的聚合物改性劑對同一種基質瀝青的改性效果不同,即使是同一種改性劑,對不同基質瀝青的改性效果也不盡相同,有些時候改性效果可能還會相差甚遠[1]。所以只有合理地選擇最佳的基質瀝青與改性劑搭配才能取得滿意的改性效果,這就是聚合物改性劑與基質瀝青的配伍性。高黏改性劑是一種以熱塑性橡膠為主要成分,輔以樹脂、黏結劑等成分的聚合物改性劑,通過添加在基質瀝青中,可以將普通瀝青改良成具有高黏結力、高彈性、耐高溫等優良性能的瀝青結合料[2]。但高黏改性劑與其他聚合物改性劑一樣,不易分散于瀝青中,與不同種類的基質瀝青改性效果各不相同,故合理地選擇與高黏改性劑相配伍的基質瀝青,對制備性能優異、質量穩定的高黏改性瀝青有重要意義。


                                    當前,境外對透水性瀝青路面的技術已經掌握非常成熟,并且形成了完整的產業鏈,開發出了性能優異的高黏改性劑[3]。而我國高黏改性瀝青的研究與境外仍存在一定的差距,雖然取得了一定的進展,開發出了國產高黏改性劑,但是改性效果時好時壞,性質不夠穩定。而導致這種情況出現的重要原因之一,就是我國高黏改性瀝青的配伍性仍未得到有效解決,這極大地限制了我國透水瀝青路面的發展。目前我國對高黏改性瀝青的研究,大多數集中在性能研究和產品研發上[4-6]。如:焦曉龍等在基質瀝青中加入TPS、阻燃劑、環保添加劑Sasobit制成安全環保型高黏改性瀝青,研究表明摻加適量的Sasobit,可以提高瀝青的高溫性能,降低瀝青的高溫黏度,從而降低施工溫度,達到節能環保的目的;徐世國等對深圳海川工程科技有限公司開發的SINOTPS高黏改性瀝青進行室內試驗和混合料試驗,研究了高黏改性劑的特性,并且通過實體工程,驗證了高黏改性瀝青具有優良的高溫穩定性、低溫抗裂性和耐久性等等。但境內外對高黏改性瀝青配伍性的研究還鮮有報導。


                                    因此,本文基于規范要求和高黏改性瀝青的關鍵指標,優選了境內外2種高黏改性劑和4種常用基質瀝青進行配伍性試驗,從而得出配伍性最佳的基質瀝青,然后分別對每種基質瀝青進行全套常規性能試驗和流變性能試驗,以期在有限樣本條件下得到高黏改性劑優選基質瀝青的控制指標,為高黏改性劑的配伍瀝青優選提供依據。


                                    試驗設計


                                    試驗原材料

                                    高黏改性劑與基質瀝青配伍性研究 瀝青網,sinoasphalt.com

                                    通過實驗室優選,本文選用2種高黏改性劑進行試驗,分別為日本TPS高黏改性劑、國產G2型高黏改性劑,如圖1所示?;|瀝青分別采用進口殼牌基質瀝青(新加坡產地)、進口殼牌基質瀝青(泰國產地)、泰普克基質瀝青及國創基質瀝青。


                                    為了方便表達,下面對制備的8種高黏改性瀝青進行標記。即:TPS高黏改性劑+進口殼牌基質瀝青(新加坡產地)記為TPS-Q-S,TPS高黏改性劑+進口殼牌基質瀝青(泰國產地)記為TPS-Q-T,TPS高黏改性劑+泰普克基質瀝青記為TPS-T,TPS高黏改性劑+國創基質瀝青記為TPS-G,G2型高黏改性劑+進口殼牌基質瀝青(新加坡產地)記為G2-Q-S,G2高黏改性劑+進口殼牌基質瀝青(泰國產地)記為G2-Q-T,G2高黏改性劑+泰普克基質瀝青記為G2-T,G2高黏改性劑+國創基質瀝青記為G2-G。


                                    改性瀝青制備


                                    將不同種類的基質瀝青在135℃的烘箱中加熱1h,使其完全融化,然后加入相對于基質瀝青質量分數的高黏改性劑攪拌均勻,在170℃的溫度下用高速剪切儀以4000r/min的轉速剪切50min,直至高黏改性劑全部溶解,最后放入185℃的烘箱中恒溫發育2h,即可制得8種14%摻量的高黏改性瀝青。


                                    高黏改性瀝青試驗結果分析


                                    為了探索不同種類高黏改性劑與不同基質瀝青的配伍性,在參照規范和已有研究的基礎上,分別對制備好的8種高黏改性瀝青進行針入度試驗、軟化點試驗、5℃延度試驗、60℃動力黏度試驗及170℃布氏黏度試驗。試驗結果見表1和表2。

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                                    針入度試驗


                                    針入度反映了瀝青材料的軟硬及黏稠程度,針入度越小,代表瀝青質地越硬;針入度值越大,則代表瀝青質地越軟[7]。通過分析表1和表2可知,當采用殼牌(新加坡)基質瀝青制備2種高黏改性瀝青時,其針入度值都偏大,其中TPS-Q-S高黏改性瀝青甚至達到了60(0.1mm),而其他基質瀝青制備的高黏改性瀝青針入度值則一般都在40~50之間。這說明殼牌(新加坡)基質瀝青的質地較軟,并且采用相同加工工藝的同一品牌基質瀝青,性質也會因為產地的不同而發生變化。


                                    軟化點試驗


                                    軟化點是表征瀝青高溫性能的重要指標,它表示瀝青從黏塑性狀態轉變為黏流體狀態的臨界溫度,瀝青軟化點越高,則代表瀝青的高溫性能越好[8]。通過分析表1和表2可知,不同基質瀝青制備的G2高黏改性瀝青軟化點均比TPS高黏改性瀝青高,而且均可達到100℃以上,這說明G2國產高黏改性瀝青的高溫性能優異。在透水瀝青路面設計時,若想最大程度地提高瀝青高溫性能,可優先考慮國產G2高黏改性劑。由表1、表2還可得,2種高黏改性瀝青高溫性能的最佳配伍性瀝青均為殼牌(泰國)。


                                    5℃延度試驗


                                    瀝青低溫延度代表瀝青在低溫條件下抵抗外力作用時的能力。瀝青低溫延度越大,則代表瀝青的低溫抗裂性越好;反之則越差[9]。


                                    由圖2可得,同種基質瀝青制備的G2高黏改性瀝青5°C延度均比TPS高黏改性瀝青的高,這表明G2高黏改性劑的適配性比TPS高黏改性劑好。從圖2中還可得,TPS高黏改性劑與不同基質瀝青制備的高黏改性瀝青5℃延度差異較大,而G2高黏改性劑與不同基質瀝青制備的高黏改性瀝青5℃延度差異較小。其中,TPS高黏改性瀝青中TPS-Q-T的性能最好,G2高黏改性瀝青中G2-G的性能最好。

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                                    60℃動力黏度試驗


                                    60℃動力黏度是評價高黏改性瀝青的關鍵性指標之一,它與高黏改性瀝青的抗飛散能力密切相關,可以表征高黏改性瀝青在夏季抵抗永久變形的能力[10]。通過分析表1和表2可得,G2高黏改性瀝青的60℃動力黏度均遠比TPS高黏改性瀝青高。其中殼牌(泰國)和殼牌(新加坡)基質瀝青與G2高黏改性劑的配伍性最好,殼牌(泰國)和泰普克基質瀝青與TPS高黏改性劑的配伍性最好。


                                    布氏黏度


                                    黏度代表瀝青的黏滯性,直接反映瀝青路面集料間黏結能力的強弱,反映瀝青的高溫性能[11]。一般而言,瀝青的黏度性能對其施工、泵送、拌和等特性具有重要的影響,為了保證瀝青在施工和拌和時具有足夠的流動性,一般要求高黏改性瀝青的170℃布氏黏度不大于3Pa.s[12]。


                                    從圖3可得,G2高黏改性瀝青的170℃布氏黏度均比TPS高黏改性瀝青高,但8種高黏改性瀝青的170℃黏度均不大于3Pa.s,滿足要求。這表明在滿足要求的提前下,G2高黏改性瀝青的黏結能力均比TPS高黏改性瀝青強,高溫抗剪切變形能力更好。


                                    綜合考慮配伍后的各項性能可知:(1)不同來源基質瀝青與高黏改性劑配伍效果相差較大,即使同一品牌的基質瀝青,配伍性也會存在差異,應根據實際試驗結果確定瀝青的配伍性;(2)G2和TPS高黏改性劑的最佳配伍基質瀝青均為殼牌(泰國),并且G2高黏改性劑的適配性比TPS高黏改性劑好。

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                                    基質瀝青試驗結果分析


                                    為了在有限樣本條件下得到高黏改性劑優選基質瀝青的關鍵控制指標及關鍵控制指標與高黏改性瀝青性能之間的關系,分別對4種基質瀝青進行全套常規性能試驗和流變性能試驗。


                                    常規性能試驗


                                    在常規性能試驗中,分別對4種基質瀝青進行15℃、25℃及30℃針入度試驗,10℃和15℃延度試驗,軟化點試驗,60℃動力黏度試驗,旋轉薄膜烘箱老化試驗,試驗結果見表3。

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                                    通過分析表3可得,4種基質瀝青均滿足規范要求,其中各溫度下針入度、軟化點、當量軟化點、25℃殘留針入度、10℃殘留延度及塑性溫度基本相同,并無明顯區別,故不進行深入分析。


                                    通過對表3的常規性能試驗結果分析還可得,4種基質瀝青短期老化后的質量損失、15℃殘留延度、10℃延度、60℃動力黏度、針入度指數及當量脆點均存在較大的差異。下面分別對以上各個指標進行詳細分析。質量損失:4種基質瀝青中,殼牌(泰國)和泰普克基質瀝青短期老化后的質量損失均小于0.1%,而殼牌(新加坡)和國創基質瀝青短期老化后的質量損失較大。這表明殼牌(泰國)和泰普克基質瀝青的抗老化能力較強。


                                    15℃殘留延度:在4種基質瀝青中,殼牌(新加坡)的15℃殘留延度最大,達到55cm,而其他3種基質瀝青則均在24cm左右。


                                    10℃延度:在4種基質瀝青中,國創基質瀝青的10℃延度較低,而其他3種基質瀝青均在25cm左右。60℃動力黏度:在4種基質瀝青中,國創基質瀝青的60℃動力黏度較大,而其他3種均維持在200Pa.s左右。這表明國創基質瀝青較其他3種瀝青的黏稠度大。


                                    針入度指數PI:殼牌(泰國)和國創基質瀝青的針入度指數均比其他兩種基質瀝青小,溫度敏感性較低;而殼牌(新加坡)基質瀝青的針入度指數最大,溫度敏感性最好。


                                    當量脆點:在4種基質瀝青中,殼牌(泰國)和泰普克基質瀝青的當量脆點均為-11℃,處于國創和殼牌(新加坡)基質瀝青的當量脆點之間,國創基質瀝青當量脆點最高,殼牌(新加坡)基質瀝青當量脆點最低。


                                    流變性能試驗


                                    瀝青是一種具有黏彈特性的材料,服從流變學的行為特征,在特定的情況下會產生剪切變稀、剪切攀附等流變現象,而不同的基質瀝青,成分組成不同,從而會導致瀝青的一系列流變特性發生改變[13]。故為了探索高黏改性劑適配瀝青的流變規律,以期提出高黏改性劑適配瀝青的流變控制指標,故采用英國malvern公司產型號為BolinADSCVO-100的動態剪切流變儀分別對4種基質瀝青進行不同老化程度的溫度掃描試驗和頻率掃描試驗。


                                    (1)溫度掃描試驗將4種不同種類的基質瀝青分別進行RTFO短期老化試驗,將得到的老化殘留物及原樣瀝青分別進行溫度掃描試驗。原樣瀝青和RTFO短期老化瀝青溫度掃描范圍為46℃~82℃,試驗結果如圖4~圖7所示。

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                                    由圖4可得,殼牌2種基質瀝青的圖形基本重合。這表明雖然瀝青產地不同,但采用同種工藝加工生產的基質瀝青在原樣時基本可以保持較好的溫度穩定性。


                                    對比圖4和圖5可得,4種基質瀝青經過RTFO短期老化后,相位角的升溫起點值均下降;泰普克和國創瀝青的上限值略微下降,而殼牌2種瀝青的上限值則基本不變。這是由于4種基質瀝青經過RTFO短期老化后,輕質組分揮發,導致瀝青中的黏性成分下降,彈性成分上升,相位角的升溫起點值均下降。其中國創基質瀝青的相位角升溫起點值下降最多,這說明國創基質瀝青老化較為嚴重,抗老化能力較弱。


                                    由圖4和圖5可得,RTFO短期老化前后4種基質瀝青的復數模量均隨著相位角的增加而不斷降低,并且降低的速率不斷增加,其中殼牌的2種基質瀝青降速最大。這表明隨著溫度升高,瀝青中黏性成分不斷增加,彈性成分不斷減小,抵抗流動變形的能力不斷下降;殼牌2種基質瀝青相位角對溫度較為敏感。


                                    分析圖6可得,4種基質瀝青的耗損因子tanδ均隨著溫度的升高而增加,其中殼牌(泰國)>殼牌(新加坡)>泰普克>國創。這表明4種基質瀝青的黏性成分均隨著溫度的升高而增加,其中殼牌(泰國)基質瀝青的黏性成分最多并且增加最快。這可能是[14]因為殼牌(泰國)基質瀝青中的輕質組分較多,隨著溫度的升高,瀝青中的黏性成分快速增加,并在82℃時達到峰值。在實際工程中,高黏改性劑選擇適配瀝青時,可以考慮采用82℃的耗損因子tanδ進行優選。


                                    對比圖6和圖7可得,RTFO短期老化后,2種殼牌基質瀝青的耗損因子tanδ變化趨向一致,泰普克和國創基質瀝青的耗損因子tanδ變化趨向基本不變,其中殼牌(新加坡)>殼牌(泰國)>泰普克>國創。這表明經過RTFO短期老化后,殼牌2種基質瀝青的黏彈成分比趨向一致,泰普克和國創基質瀝青黏彈成分比基本保持不變。

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                                    (2)頻率掃描試驗


                                    彈性模量對數~存儲模量對數關系圖是1982年由Han提出,其目的是為了研究高分子材料的黏彈特性及相態結構[15]。根據不同瀝青的60℃頻率掃描結果,可得圖8和圖9。


                                    通過分析圖8可得,4種基質瀝青的Han曲線均未出現明顯的平臺區,而且斜率基本一致。這表明4種基質瀝青的均勻程度都較好,無明顯的相分離現象出現。


                                    由圖9可得,4種基質瀝青的復合黏度均隨著頻率的增加而減小,并且逐漸趨于穩定,其中泰普克>國創>殼牌(新加坡)>殼牌(泰國)。這表明同一頻率下,4種基質瀝青中泰普克瀝青復合黏度最大,瀝青黏性流動最弱;殼牌(泰國)瀝青復合黏度最小,瀝青黏性流動最強。這是因為殼牌(泰國)瀝青中輕質組分較多,從側面驗證了第3.2.1節中的結論。


                                    (3)零剪切黏度試驗


                                    零剪切黏度(Zeroshear-rateviscosity,ZSV)是指在剪切速率接近于0時,瀝青處于偽塑性流體在第一牛頓區域中所對應的黏度值,此時黏度趨于常數,并且達到最大[16]。


                                    零剪切黏度試驗溫度采用60℃,對4種不同來源的基質瀝青分別進行頻率掃描,掃描范圍為10-1~102rad/s,采用程序OriGin8.0分別對掃描結果進行Cross模型和Carreau模型擬合。其中Cross模型和Carreau模型見公式(1)和公式(3),擬合結果見圖10、圖11及表4。

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                                    由圖10、圖11及表4可得,通過Cross模型和Carreau模型對試驗結果進行擬合均可得到合理的ZSV值,并且回歸決定系數R^2均可達到0.96以上,其中Cross模型的擬合結果均比Carreau模型的大,但均在同一個數量級內,擬合值較為合理。由表4還可得,通過Cross模型擬合ZSV值的相關性系數R^2一般都比Carreau模型擬合ZSV值的相關性系數高,這表明Cross模型更適用于基質瀝青的ZSV值擬合。


                                    通過對比表4不同來源基質瀝青的ZSV值可知,無論采用Cross模型還是Carreau模型對不同來源基質瀝青的ZSV值進行擬合,均可得殼牌(泰國)基質瀝青的ZSV值最小、泰普克基質瀝青的ZSV值最大。這表明殼牌(泰國)基質瀝青抵抗剪切變形的能力最弱,黏性流動最強。這與第3.2.2節的結論一致。


                                    基質瀝青與高黏改性瀝青相關性分析


                                    灰色關聯度分析是一種根據因素之間發展態勢的相似或相異程度來衡量因素之間關聯程度的方法。它可從眾多因素中提煉出影響系統的主要因素、主要特征及因素間系統影響的差異,對于一個系統發展變化態勢提供了量化的度量,非常適合動態歷程分析[17]。故本文將不同來源的基質瀝青性能看做分析配伍高黏改性瀝青性能變化的灰色量,然后通過比較計算目標值(參考數列:本文指高黏改性瀝青控制指標)與影響因素(比較數列:本文指基質瀝青性能指標)的關聯度,對關聯度進行排序,以尋求影響目標值的主要因素,得出透水瀝青路面優選基質瀝青的控制指標,為提高透水瀝青路面的性能及社會認可度起到一定的推動作用?;疑P聯度分析方法的主要步驟如下所示。


                                    (1)確定參考數列和比較數列。參考數列為:

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                                    (1)常規性能指標灰關聯度分析。

                                    采用灰色關聯度法對基質瀝青常規性能指標與高黏改性瀝青控制指標進行分析,其中:x1為質量損失;x2為15℃殘留延度;x3為10℃延度;x4為60℃動力黏度;x5為針入度指數;x6為當量脆點;為灰關聯度平均值。分析結果見表5和表6。

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                                    由表5和表6可得,基質瀝青常規性能指標與高黏改性瀝青的控制指標之間存在較好的相關性,通過觀察基質瀝青x2(15℃殘留延度)和x3(10℃延度)與2種高黏改性瀝青的3大指標可知,它們之間的相關性最好且較為一致,這表明可以通過控制基質瀝青的x2(15℃殘留延度)和x3(10℃延度),提升制備改性瀝青的3大指標。通過分析還可知,TPS高黏改性瀝青的60℃動力黏度與基質瀝青x4(60℃動力黏度)相關性最好,達到0.96;而G2高黏改性瀝青的60℃動力黏度與基質瀝青x2(15℃殘留延度)相關性最好。這表明不同種類高黏改性瀝青60℃動力黏度與基質瀝青的適配指標并不完全一致,應根據實際情況進行選擇。同時通過觀察x質量損失)還可得,基質瀝青x1(質量損失)與2種高黏改性瀝青的170℃布氏黏度相關性最高,可以通過控制基質瀝青的x1(質量損失)來調節高黏改性瀝青170℃布氏黏度。


                                    (2)流變性能指標灰關聯度分析。

                                    采用灰色關聯度法對基質瀝青流變性能指標與高黏改性瀝青控制指標進行分析,其中:x1為82℃耗損因子tanδ;x2為相位角δ值,范圍為(46℃~82℃);x3為60℃復合黏度;x4為Cross模型擬合ZSV;x為灰關聯度平均值。分析結果見表7和表8。

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                                    由表7和表8可得,2種高黏改性瀝青的針入度與基質瀝青的x(60℃復合黏度)和x(ZSV)相關性最好,軟化點和5℃延度與基質瀝青的x2(δ值范圍)相關性最好,這表明可以通過控制基質瀝青的x2(δ值范圍)、x3(60℃復合黏度)及x4(ZSV),改善配伍高黏改性瀝青的性能。從表7和表8還可得,對于60℃動力黏度,TPS高黏改性瀝青與基質瀝青的x4(ZSV)相關性最好,而G2高黏改性瀝青則與基質瀝青的x1(82℃耗損因子tanδ)相關性更好;對于170℃布氏黏度,2種高黏改性瀝青與基質瀝青的x4(ZSV)相關性均最好。


                                    通過對比表5和表7、表6和表8的平均相關系數可得,配伍高黏改性瀝青的性能指標與基質瀝青流變性能指標相關性更好。這表明通過控制瀝青的流變指標,可以更好地優選高黏改性劑的適配瀝青。


                                    綜合上述可得,通過控制瀝青的常規性能指標(質量損失、15℃殘留延度、10℃延度及60℃動力黏度)和流變性能指標(82℃耗損因子tanδ、δ值范圍、60℃復合黏度及ZSV),可以優選出與高黏改性劑配伍性最佳的基質瀝青。其中,瀝青的流變性能指標關聯程度更高。


                                    結語


                                    (1)不同來源基質瀝青與高黏改性劑配伍效果相差較大,即使同一品牌的基質瀝青,配伍性也會存在差異,應根據實際試驗結果確定瀝青的配伍性。G2和TPS高黏改性劑的最佳配伍瀝青均為殼牌(泰國),并且G2高黏改性劑的適配性比TPS高黏改性劑好。


                                    (2)不同來源的基質瀝青常規性能與流變性能均不相同,其中瀝青常規性能指標中的質量損失、15℃殘留延度、10℃延度、60℃動力黏度、針入度指數和當量脆點,以及流變性能指標中的82℃耗損因子tanδ、δ值范圍、60℃復合黏度和ZSV,均存在較大的差異。


                                    (3)高黏改性瀝青的控制指標與基質瀝青的常規性能指標和流變性能指標之間存在較好的相關性。通過控制瀝青的常規性能指標(質量損失、15℃殘留延度、10℃延度及60℃動力黏度)和流變性能指標(82℃耗損因子tanδ、δ值范圍、60℃復合黏度及ZSV),可以優選出與高黏改性劑配伍性最佳的基質瀝青。其中,高黏改性瀝青控制指標與基質瀝青的流變性能指標灰色關聯程度更高。

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