高韧性低收缩纤维增强水泥基复合材料特性及应用

2011年12月文章编号：0559-9350（2011）12-1452-10

利

SHUILI学

XUEBAO报

第42卷第12期高韧性低收缩纤维增强水泥基复合材料特性及应用

张君，公成旭，居贤春（清华大学土木水利学院结构工程与振动教育部重点实验室，北京

100084）

摘要：基于细观力学设计的高韧性纤维增强水泥基复合材料（EngineeredCementitiousComposite-ECC）是当前比较

成功的具有应变硬化特性的水泥基材料。本文介绍了近期通过改进传统ECC基材，研制的低收缩ECC材料的主要力学特性，包括干燥性能，单轴拉伸与压缩性能，弹性模量及极限拉压应变等主要力学参数。试验结果显示，采用低收缩基材的ECC的28d干燥收缩值分别为传统ECC干燥收缩值的0.12~0.20。单轴拉伸结果表明，采用低收缩基材的ECC的极限应变、裂纹宽度等参数与传统ECC相比，也有了明显的改进。在0.55~0.25范围内调整水胶比可以制备出抗压强度为20~60MPa，并保持应变硬化和多点开裂特性不变的水泥基复合材料。除拉伸时表现出显著的塑性变形外，在抗压试验中，该材料在压应力峰值过后也同样表现出明显的类似于金属材料屈服的塑性变形特性。最后对该材料近期应用研究作了介绍。

关键词：纤维增强水泥基复合材料；收缩；延性；力学性能中图分类号：TU528

文献标识码：A

1

研究背景

传统混凝土材料是脆性材料，抗压不抗拉，其抗拉强度不到抗压强度的十分之一，拉伸极限延

伸率很小，不到千分之一。因而，当传统的水泥基材料在温度与收缩等作用下的变形受到约束时，很容易产生裂纹。由于混凝土材料本身的应变软化特性，这些裂纹很快发展为毫米级的宏观裂缝。因此，许多建筑与土木工程结构性能的衰退直到最终退出工作均与混凝土材料的开裂及其脆性特征有关。为克服混凝土材料的脆性与应变软化特点，人们开始借助微观、细观力学手段研究具有应变硬化特性的水泥基材料，其中，基于细观力学设计的高韧性纤维增强水泥基复合材料（EngineeredCe⁃

［1-6］

mentitiousComposite，ECC）是当前比较成功的具有应变硬化特性的水泥基材料之一

谓应变硬化指材料在单轴拉伸时、在极限抗拉应变到达之前，应力随应变增加而增大。其形成机理为在材料受拉过程中形成许多微细裂纹而承载力不降低，多条微细裂纹的形成将有望使材料的宏观拉应变增大近百倍。由于裂纹间纤维的桥接作用，材料整体的传力性能并没有因微细裂纹的形成而被显著削弱。在基材设计中，要获得应变硬化和多点开裂性能，与普通混凝土或砂浆相比，需要减

ECC与传统纤维增强水泥基材料的主要区别之一，是材料各组分构成是基于细观力学设计。所

。

少砂的用量，并且不能用粗骨料，这就导致材料在凝结硬化过程中的干燥收缩增大。在温度20℃、湿度60%的养护条件下，普通混凝土的最终干燥收缩值通常在（400~600）×10左右；同样条件下，传统ECC材料的收缩在（1200~1800）×10左右。实际应用中，如此大的收缩将导致更多的开裂，虽然ECC材料具有多点开裂和裂纹宽度小的特点，但与没有开裂的情况相比，这些裂纹对结构的长期耐久性仍然有一定的影响。本文介绍通过对水泥石基材的改良

［9-10］

-6

［7］

-6

［8］

，所研制高韧性低收缩纤维增强水

泥基复合材料的收缩及相关力学性能，包括抗拉、抗压和弹性模量等，并与传统的ECC材料作对

收稿日期：2010-04-06

基金项目：国家自然科学基金资助项目（50878119）

作者简介：张君（1962-），男，内蒙古人，教授，博士生导师，主要从事水工混凝土研究。E-mail：junz@tsinghua.edu.cn

—1452—

比，并对该材料近期应用研究作简略介绍。

2

试件成型养护

采用的低收缩ECC配比参数如表1所示。其中，胶凝材料包含低缩复合水泥、粉煤灰和硅粉等；

3

砂为100~200目的普通石英砂，表观密度2.65g/cm；聚乙烯醇纤维性能见表2；减水剂为NF-2高效减水剂。作为对比，普通基材的ECC配合比见表3，其中水泥为京都P.O.32.5水泥，密度3.1g/cm。

表1

试件编号胶凝材料水2

低收缩基材的ECC配合比

砂减水剂纤维（体积含量，%）12341.01.01.01.00.550.450.350.25表2

0.80.80.30.30.0100.0120.0120.0221.71.71.71.7聚乙烯醇（PVA）纤维的材料性能

弹性模量/GPa直径/mm长度/mm密度（/g/cm3）抗拉强度/MPa1.2162042.80.03912表3

试件编号水泥粉煤灰传统基材的ECC配合比

水砂纤维（体积含量，%）51.00.250.50.81.7单轴拉伸试验采用150mm×40mm×15mm的长方体试块，抗压试验采用70mm×70mm×70mm的立方体试块，收缩试验采用40mm×40mm×160mm的长方体试块。试件成型过程为：（1）先将胶凝材料和石英砂混合干拌30s，然后加水低速搅拌2min，之后再缓缓加入高效减水剂和其他外加剂，并持续搅拌2min以获得均匀流动的基材；（2）低速搅拌的同时手工缓慢加入纤维以确保纤维能够均匀分布而不出现结团现象；（3）所有试件分两层浇注，首先浇入一半，然后振动1~2min以确保材料振动密实，然后以同样的方式浇入剩余一半，最后将表面抹平并覆盖一张聚乙烯膜以防止水分蒸发。对抗拉、抗压性能检测用试块，在室温下养护24h，然后拆模放入标准养护室进行水养护（温度20±2℃），分别至3、7和28d。干燥收缩试件养护在湿度为60±1.5%、温度为25℃的恒温恒湿养护室内进行，并在该环境下进行收缩测定。

3

试验设备与方法

抗拉试验采用美国MTS810材料实验机，加载采用位移控制模式，速度为0.0025mm/s。采集数

据包括时间、位移、承载力和应变。其中应变采用标距为50mm引伸计测定。引伸计分别加在试件的两面。所有数据采集频率为2次/s。对抗压试验，应变也采用标距为50mm引伸计测定。收缩采用水泥胶砂膨胀测量仪测定，测量精度为0.001mm。此外，为了评价干燥收缩对低缩和传统ECC材料早期抗裂性能的影响，研究还采用双向约束平板快速干燥试验，检验了低缩ECC材料早期抗裂性能，并与普通ECC材料进行了对比。试验采用尺寸为600mm×600mm×63mm平板，边框采用100mm×件，模具照片如图1所示。模具底板的表面铺有低摩阻的聚四氟乙烯片，试件浇筑、振捣和抹平后立即用塑料薄膜覆盖，2h后取下薄膜，用风扇平行吹试件表面至5d龄期，风速约6m/s，保持环境温度为20±2°C，相对湿度为50±5%。同时观察开裂情况。

63mm×8mm角钢并加肋以加强边框刚度，钢边框四周采用上下两排M10×100的螺杆约束混凝土试

—1453—

图1双向约束平板试验装置图2不同配合比ECC的干燥收缩曲线

4

4.1

试验结果及分析

干燥收缩性能

传统基材与低收缩基材的ECC的28d龄期内的干燥收缩试验结果如图2所示。

其中，1，2，3，4号配比为采用低收缩基材的ECC，5号配比为采用传统基材的ECC。由图2可见，采用低收缩基材的ECC的28d干燥收缩在144~242μm/m之间，是传统ECC干燥收缩量的0.12~0.20倍，且低于普通混凝土的干燥收缩值（400-800μm/m）。

4.2抗拉应力-应变曲线及特征参数典型ECC材料的抗拉应力-应变曲线测试结果如图3所示。图

中应力-应变曲线可以分为3个阶段：（1）弹性上升阶段。应力与应变成比例发展，模量为材料的弹性模量。线性段的末端对应的应力为开裂强度，用σfc表示，对应的应变为开裂应变，用εfc表示。此阶段主要是基材承受外部荷载；（2）应变硬化与多点开裂阶段。应变逐渐加大（通常可达到1%~抗拉应变，用εt表示。此阶段是裂纹稳定形成阶段，当第一条裂纹出现后，该处的增强纤维随即发

2%），应力略有上升，表现出应变硬化特性。最大的应力为抗拉强度，用σt表示，对应的应变为极限

挥作用，由于裂纹间纤维的桥接最大应力高于基材的开裂强度，裂纹进入稳态扩展阶段，受拉区出现垂直于加载方向的多条裂纹；（3）应变软化阶段。在此阶段，试块中的最薄弱处的裂纹开始张开，宽度明显增大，应力逐渐减小，出现应变集中与软化现象，最终导致试件断裂。基于试验结果，各配比的抗拉性能参数按龄期分别列在表4和表5。

σt应力应力εt

σfc

应变

（a）图3

εfc

应变（b）

典型PVA-ECC的抗拉应力-应变曲线及其参数定义

图4为低收缩配比在养护7d和28d时的抗拉应力-应变曲线。分析图表所示结果，首先可以看出材料被明显地分成4组，其28d龄期的抗拉强度平均值分别为4.30、4.84、5.80和6.70MPa。传统ECC配比（5号）抗拉强度为4.78MPa，与2号配比相当。所有配比均表现出应变硬化与多点开裂特征，各配比28d龄期抗拉应变平均值在1.49%~2.61%之间，5号配比抗拉应变为0.84%，较低收缩配比低些。

—14—

表4

编号εfc/%不同ECC配合比7d时的抗拉性能

σfc/MPaEt/GPaεt/%σt/MPa123450.0210.0180.0250.0190.0181.9132.4624.2993.6062.63013.6817.6018.9814.619.111.9871.4172.1271.3011.3633.874.815.656.2.39表5

编号不同ECC配合比28d时的抗拉性能

σfc/MPa123450.0280.0210.0230.0190.014εfc/%2.6052.9134.3504.4962.931Et/GPa13.8718.9123.6620.939.302.6081.4931.8280.8371.523εt/%σt/MPa4.304.845.806.704.78应变×10-2

图4

低收缩ECC抗拉应力-应变曲线

应变×10-2

为比较普通ECC和低收缩ECC在抗拉性能上的差异，图5为两组ECC材料单轴拉伸应力-应变曲线对比图，其中5号配比为采用传统基材的ECC，1号配比为采用低收缩基材的ECC，图中编号标题为“配合比编号-龄期”。由图5可以看出：（1）采用低收缩基材后，仍然可以获得应变硬化和多点开裂的性能，且极限应变有大幅度的提升，1号配比的最高极限应变达2.6%，是5号配比的3倍左右；（2）在应变硬化阶段，采用低收缩基材的ECC的抗拉应力-应变曲线要比采用传统基材的ECC的抗拉应力-应变曲线的波动幅度小很多，且试件之间性能差异也小很多。这说明裂纹开裂瞬间的应力变化很小，基材开裂时释放的应力可以平缓地传递给裂纹间的纤维；（3）在应变硬化阶段，采用低收缩基材的ECC形成的裂纹宽度比采用传统基材的ECC的裂纹宽度要小很多。

图6为两组ECC材料在不同应变水平下试件受拉面的照片。由图6清晰可见，当抗拉应变分别为

1.0%和1.7%时，在采用传统基材的ECC试件上可以看到明显的多条裂纹，而在采用低收缩基材的

显著的差异。

ECC试件上却看不见明显的裂纹。表明两种ECC材料在相同抗拉应变时的裂纹宽度、数量和间距有

水灰比对抗拉力学参数的影响如图7所示。由图7可见，水灰比对抗拉强度的影响规律与传统水泥基材料类似，水灰比越小，强度越高。水灰比从0.55减少到0.25，其7d和28d养护龄期的抗拉强度分别从3.9MPa增加到4.4MPa和从4.3MPa增加到4.8MPa。水灰比对极限拉应变的影响与对强度影响规律相反，水灰比降低，极限拉应变减小。这主要是因为基材强度提高，断裂韧性增大致使材料在应变硬化阶段出现多条裂纹的数量减少，相应的抗拉应变降低。

4.3单轴抗压行为与抗拉分析一样，首先定义几个基于抗压应力-应变曲线的力学参数。图8是试

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应变×10-2应变×10-2

应变×10-2

应变×10-2

图5不同龄期两个配比（1号和5号）抗拉应力-应变曲线对比

验测得的典型的抗压应力-应变曲线，可以把它分为四段。

（1）弹性段。初裂点与应力应变曲线线性段的结束点相对应，该点的压应力为初裂强度σcc，相应的压应变为开裂应变εcc；（2）开裂段。随着应变的增加，承压能力继续非线性增长，形成抗压荷载下的应变硬化特征，最大压应力为抗压强度σc，相应的应变为极限压应变εc；（3）屈服及纤维拔出段。到达应力峰值后，承载力不像素混凝土那样突然下降，而是在一段时间内保持与抗压强度大小近似（例如σ/σc≥0.95）的承载能力，直至压应变发展到展，随着变形的增加，承载力明显下降。一定数值εu；（4）应变软化段。裂缝继续扩

No/1ε=1.0%

No/5ε=1.0%

7d和28d时的抗压参数值。低收缩ECC在7d

和28d时的抗压应力-应变曲线如图9所示。由图9结果首先可以看出，随着抗压强度的增加，ECC上升段的线性部分加长，应力峰值之后类似于金属屈服的塑性段延长。这种特性与

图6

传统ECC和低收缩ECC在抗拉荷载下的开裂形态对比

表6和表7列出了不同ECC配合比在标养

No/1ε=1.7%No/5ε=1.7%

普通混凝土应力峰值后显著的应变软化特征明显不同。其次材料的抗压强度明显分成4组，7d和28d强度分别为15.99、21.03、33.12和47.82MPa及19.38、28.99、39.58和61.67MPa。

水灰比对抗压强度和极限压应变的影响如图10所示。显然，水灰比对抗压强度的影响与已知规

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图7水灰比对低收缩ECC材料抗拉强度和抗拉应变的影响

律吻合，水灰比越小，强度越高。水灰比对极限压应变的影响与抗拉时相反。水灰比降低，极限压应变增大，也就是说极限压应变随材料强度的提高而增大。

极限拉应变与极限压应变随水灰比变化规律相反可解释如下：受压时ECC的压应变主要由弹性变形引起，而受拉时材料的拉应变主要来自材料多重开裂形成的裂纹扩展。因此强度提高，其极限压应变增大；同时断裂韧性的提高降低了ECC材料多点开裂的饱和度，其极限拉应变减小。此外，除了ECC材料的极限拉应变比素混凝土有很大提高外，其压应变也有明显提高。抗压强度20~60MPa的素混凝土，其极限压应变一般为变为0.35%~0.43%。这说明，ECC材料的延性不只在抗拉条件下得到了增强，在抗压时也有明显提高。

表6

编号εcc/%0.15%~0.25%，而相应的ECC在应力峰值处的极限压应

图8典型PVA-ECC的抗压应力-应变曲线

及抗压参数的定义

不同ECC配合比7d龄期的抗压性能参数

Ec/GPaεc/%σc/MPaεu/%123450.1200.1020.2050.1930.082σcc/MPa11.55612.98827.14737.34010.62812.7713.2619.3813.029.610.230.360.370.380.3515.9921.0333.1247.8218.900.350.0.550.570.53表7

编号εcc/%不同ECC配合比28d龄期的抗压性能参数

Ec/GPaεc/%σc/MPaεu/%123450.1230.1140.10.2040.093σcc/MPa11.817.49030.07945.76917.99215.3915.9422.4619.359.660.350.360.400.430.3219.3828.9939.5861.6732.320.490.550.570.6011所示。可见，抗拉和抗压弹性模量的差值很小，在实际应用中可认为抗拉和抗压弹性模量相等。0.25，其7d和28d养护龄期的弹性模量分别为9.61~19.38GPa和9.66~22.48GPa。因为ECC去除了粗骨

—1457—

另外，由表4—7结果显示，水灰比降低，弹性模量提高。在本文研究中，水灰比从0.55降低到

ECC材料的拉压弹性模量Et、Ec可分别由σtc/εtc和σcc/εcc计算。各配比的拉压弹性模量对比如图

图9各配比抗压应力-应变曲线

拟合曲线

拟合曲线

w/c

图10

水灰比对抗压强度和抗压应变的影响

w/c

料，所以这些值比常规混凝土略低。

4.4.抗裂性能采用1号低缩ECC配比和5号普通ECC

配比进行了平板双向约束试验，图12为试件经过4d的快速干燥试验后试件的开裂情况，右侧图片为左侧图片局部放大图。通过观察上述图片，可以发现在5号配比板表面形成了多条间距为3~5cm，取向与边框成45度角的微细裂纹，这一取向主要是由于双向约束的结果。而与之相对比，在1号低收缩配比板的表面没有发现肉眼可见裂纹，表明干燥收缩的减小有效地降低了收缩开裂的风险。在保证极限状态下应变硬化与多点开裂特性的同

图11

低缩ECC拉压弹性模量对比

时，低收缩基材ECC材料的抗裂性能获得了明显提高。在上述约束及快速干燥条件下，普通混凝土材料形成收缩裂缝是必然的，而本文的低缩ECC材料却可以做到试件表面无可见裂纹。这一结果预示着普通混凝土结构没有开裂时，采用低收缩ECC材料也不会因为粗骨料的去除而引发收缩开裂，传统的ECC材料不能保证这一点，因为其干燥收缩比普通混凝土大很多（见图2）；而当普通混凝土开裂时，采用低收缩的ECC材料也可能不开裂，即使开裂也是形成微细裂纹而且承载力不降低。

5

最新应用研究

作为解决混凝土脆性开裂最有效的材料手段之一，高延性材料在日本、美国已开始工程应用试

点，主要应用于混凝土结构（含水工结构面层）的补强修复、高层建筑抗震吸能构件、大跨度桥梁面板

［11］

以及桥梁伸缩功能连接板

［12］

。制作施工工艺可采用预制、现场浇筑和喷射等工艺，也可以采用

—1458—

（a）MixNo.5

（b）MixNo.1

图12

快速干燥后的平板约束试件表面开裂形态

挤压工艺获得更密实的、表面更光滑的延性材料。下面介绍低收缩基材及其韧性复合材料近期的应用研究。

5.1低收缩自流平水泥地面地面作为建筑的一个重要组成部分，其质量已引起了人们极大的关

注。随着科技的进步，施工工艺的发展，建筑砂浆的种类越来越丰富，使用范围越来越广泛。简便快捷的坪施工方案——自流平砂浆及配套施工技术正逐渐取替传统复杂的地坪施工技术。作为一种特殊的建筑砂浆，自流平砂浆在地面施工上具有普通砂浆无可比拟的优势，它可广泛用于工业与应用建筑地面施工，可有效地取代传统地面做法，有利于降低工程成本，缩短工期。针对国内研发的已有水泥基自流平砂浆存在的问题，即收缩大，施工后空鼓、开裂现象严重，采用本文的低收缩复合水泥为基材，成功应用于水泥基自流平地坪施工，在保证自动流平特性的基础上，大大降低了材料的收缩，提高了早期强度。

5.2加气混凝土自保温墙体面层抗裂砂浆随着我国经济的快速发展，建筑能耗已经成为我国的能

耗大户，在我国能源总消费量中所占比例逐年上升，实现建筑节能的一个主要措施就是对围护结构进行保温。而加气混凝土砌体具有优良的自保温效果，是未来节能墙体重要发展方向之一，然而由于加气混凝土较强的隔热效果，墙体外表面砂浆防护层承受较大的昼夜温差，因此墙体面层开裂剥离多年来一直是加气混凝土砌体应用的瓶颈，采用本文介绍的高延性低收缩材料，做加气混凝土墙体外饰面防护层，是充分发挥该材料的延性特点，克服加气混凝土面层砂浆开裂剥离的有效手段。为此，本文就该应用开展了前期试验研究，在室外自然暴露的0.6X6.9m的刚性基层上砌筑普通加气混凝土基层，然后在其表面涂抹8mm厚高延性砂浆层，对砂浆层进行3d喷水湿养护后暴露于自然环境，试验至两个月龄期，表面无可见裂纹。

5.3高韧抗裂永久性模板针对混凝土结构受环境侵蚀主要由面层混凝土开裂开始，并逐渐向内部

渗透而引发钢筋锈蚀等问题，开展了采用延性抗裂材料作混凝土结构永久性模板的应用研究。面板材料采用本文介绍的高延性低收缩材料，并采用挤压脱水工艺进行板材成型，以保证面板密实装饰（消除表面细微孔隙）效果。试验用面板断面及在上面浇注混凝土形成组合梁抗弯荷载下极限状态时三点弯曲梁的开裂形态如图13所示，从照片中可以看到，组合梁的混凝土部分的裂纹宽度已经达到

—1459—

1mm左右，而抗裂面板仅见一些微细裂纹。为了更好地观察组合梁的开裂情况，将卸载后的组合梁

沿纵、横两个方向切开，如图14所示。由组合梁的横剖面图可以清晰地看出混凝土与面板的分界线，接缝处连接紧密，无脱粘或剥离现象，纵剖面1处的ECC层厚度为10mm，纵剖面2处的ECC层厚度为20mm，从这两个纵剖面图可以看出，上部混凝土形成单一裂纹，裂纹宽度达到1mm，而下部的ECC材料形成多条细微裂纹。

挤压纤维水泥板

混凝土

图13

纵剖面1

高韧抗裂挤压纤维板-混凝土组合梁结构及抗弯开裂形态纵剖面2

（a）纵剖面

图14

（b）纵剖面1（c）纵剖面2

冷接ECC-混凝土组合梁极限状态下对核心混凝土保护效果

6

结论

采用低收缩基材的ECC材料的干燥收缩与传统ECC材料相比有大幅度下降，试验结果表明可降

至传统ECC收缩值的0.12~0.20；同时材料干燥收缩值的降低对单轴拉伸性能的改善也比较明显，极限抗拉应变提高，裂纹变细。在0.55~0.25范围内通过调整水胶比可制备出抗压强度在20~60MPa的水泥基复合材料，并保持ECC材料应变硬化和多重开裂特性不变。当水胶比=0.55、0.45、0.35和0.25时，28d养护龄期的平均拉应变可分别达到2.61%、1.49%、1.83%和1.52%，平均抗拉强度分别达到也同样表现出明显的类似于金属材料屈服的变形特性。水胶比为0.55、0.45、0.35和0.25的低缩通混凝土与应力峰值对应的压应变（通常为0.15%~0.25%），各水胶比28d龄期的抗压强度分别为

4.30、4.84、5.80和6.70MPa。除拉伸时表现出显著的塑性变形外，低缩ECC材料在压应力峰值过后

ECC，28d龄期时与应力峰值对应的平均压应变分别为0.35%、0.36%、0.40%和0.43%，明显高于普19.38、28.99、39.58和61.67MPa。

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cementitiouscompositeanditsapplicationsZHANGJun，GONGCheng-xu，JUXian-chun

（TsinghuaUniversity，Beijing

100084，China）

Abstract：Micro-mechanicallydesignedengineeredcementitiouscomposite（ECC）isoneofthesuccessfulmaterialsforductilityimprovementofthecementbasedmaterials.Thispaperreportsthemechanicalproper⁃tiesofanewclassofengineeredcementitiouscompositerecentlydevelopedwithcharacteristicoflowdryingshrinkage.Experimentalresultsshowthatdryingshrinkageofthecompositeisgreatlyreducedasusingthelowshrinkagecementitiousmaterialinmatrix，whilethecompositeremainsstrain-hardeningandmultiplecrackingcharacteristics.Themeasureddryingshrinkagestrainin28daysisonly0.12to0.20ofshrinkageofthetraditionalECC.Theaveragetensilestraincapacityafter28dayscuringcanachieve2.5%ofthelowshrinkageECCwithtensilestrengthof4~5MPa.Theexperimentalresultsalsoshowthatthecompositewithcompressivestrengthrangingfrom20to60MPacanbeobtainedbyvaryingw/cfrom0.55to0.25，whileremainingthetensilestrainhardeningandmultiplecrackingperformances.Asignificantplasticity，likeyieldingofmetal，isfoundundercompressiveloadafterpeakstress.Finally，recentapplicationstudiesareintroduced.

Keywords：fiberreinforcedcementitiouscomposite；shrinkage；ductility；mechanicalproperties

（责任编辑：王冰伟）

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