CN108333334B - 一种测定混凝土泵送压力与流量关系的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测定混凝土泵送压力与流量关系的装置及方法，属于建筑工程施工技术领域。所述装置包括容器、基座、透明盖板、电机、支撑架、扭矩传感器和扇叶型转子，结构简单、操作方便，且能较好模拟混凝土泵送工况中的润滑层、栓塞流，并测量需要的扭矩、栓塞流半径等参数，装置设计科学合理。所述方法，通过测量容器旋转时混凝土流场参数，然后等价为混凝土泵送中的润滑层、栓塞流的混凝土流场参数，并计算混凝土的泵送流量和压力损失，从而将扭矩、转数关系转化为泵送流量、压力损失关系，并通过泵送压力损失‑泵送流量曲线为混凝土泵送施工提供科学依据，该方法操作方便、计算简单，且结果更贴近工程实际。

Description

一种测定混凝土泵送压力与流量关系的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种测定混凝土泵送压力与流量关系的装置及方法，属于建筑工程施工技术领域。

背景技术

在工程建筑领域，新拌混凝土输送是结构施工中的重要环节。现代化泵送装备与技术显著提高了混凝土输送效率，因此在大型工程中得到广泛应用。在混凝土泵送施工方案制定过程中，“可泵性”(通常以泵送流量-压力关系表征)是一项重要内容。

当前行业标准中，压力损失计算公式源于1973年Morinaga提出的基于坍落度指标的经验公式，随着混凝土配方及性能的发展变化，其适用性受到质疑。最近的研究显示，混凝土拌合物与泵管内壁之间的润滑-摩阻效应是影响可泵性的主要因素。在低流动性混凝土中，混凝土主体部分以“栓塞流(plug flow)”的形式运动，栓塞流中剪切速率为零，剪切流动集中在靠近管壁处形成的“润滑层(lubrication layer)”中。

国外研究者开发了若干种装置研究润滑层的性质。这些装置大多属于同轴旋转式混凝土流变仪，其主要特征在于使用具有光滑表面的转子，在旋转时在表面附近生成润滑层。这些装置的测量结果需要先根据流变理论推导出润滑层的流变参数(屈服应力与塑性粘度)，之后代入与泵送情形有关的公式估算压力损失，然而这种间接测定的方法容易产生误差。除了旋转式的装置，另有德国Putzmeister公司研发的滑管式摩阻仪，可以模拟混凝土在泵管中的推动，从而直接获得压力-流量关系，然而在测定中，推动速度不受控制，影响测量的结果和效率。

发明内容

针对现有混凝土流变仪模拟润滑层时容易产生误差、滑管式摩阻仪推动速度不受控制从而影响测量的结果和效率等问题，本发明提供了一种测定混凝土泵送压力与流量关系的装置，结构简单、操作方便，且能较好模拟混凝土泵送工况中的润滑层、栓塞流，并测量需要的扭矩、栓塞流半径等参数，装置设计科学合理。另外，本发明还提供了一种测定混凝土泵送压力与流量关系的方法，通过测量容器旋转时混凝土流场参数，然后等价为混凝土泵送中的润滑层、栓塞流的混凝土流场参数，并计算混凝土的泵送流量和压力损失，从而将扭矩、转数关系转化为泵送流量、压力损失关系，并通过泵送压力损失-泵送流量曲线为混凝土泵送施工提供科学依据，该方法操作方便、计算简单，且结果更贴近工程实际。

为解决以上技术问题，本发明包括如下技术方案：

一种测定混凝土泵送压力与流量关系的装置，包括：

容器，盛放待测混凝土，采用泵管内层样品制成，底部设置有外螺纹；

基座，中部设置有U型凹槽，所述凹槽中设置有与所述外螺纹相匹配的内螺纹，所述容器内嵌于所述凹槽中并与所述基座螺纹连接；

透明盖板，与所述容器顶部可拆卸连接，轴心处设置有轴孔；

电机，与所述基座连接，并可驱动所述基座和容器旋转；

支撑架，设置于所述容器外侧且横跨所述容器顶部；

扭矩传感器，固定于所述支撑架上，并位于所述容器的正上方；以及，

扇叶型转子，包括转轴和若干固结在所述转轴上的叶片，所述叶片位于所述容器内，所述转轴穿过所述透明盖板的轴孔与所述扭矩传感器连接，所述扇叶型转子与所述容器同轴心。

优选为，所述装置还包括底座，底座位于所述基座的下方，且所述电机位于所述底座内。

优选为，所述支撑架包括若干竖杆，以及与所述竖杆固定连接的连接杆，以及位于所述透明盖板轴孔的正上方且与所述连接杆另一端固结的托盘；

所述托盘上设置有供所述转轴穿过的通孔，所述扭矩传感器固定在所述托盘上。

优选为，所述连接杆与所述竖杆的固定方式可采用如下其一：

a.所述连接杆通过管箍固定在所述竖杆上。

b.所述竖杆上设置有若干螺栓孔，所述连接杆的一端设置有内螺纹，所述连接杆通过穿过所述螺栓孔的螺栓固定在所述竖杆上。

优选为，所述容器顶部设置有外螺纹，所述透明盖板设置有内螺纹，所述透明盖板与所述容器顶部螺纹连接。

优选为，所述透明盖板的上表面由圆心沿半径方向设置有刻度尺。

优选为，所述容器与所述基座之间设置有用于防止混凝土渗出的橡胶圈。

优选为，所述基座采用金属材质，且所述凹槽内做抛光处理。

相应地，本发明还提供了一种利用所述装置测定混凝土泵送压力与流量关系的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.将新拌混凝土灌注至高度为h、内径为r₀的容器内，盖上透明盖板；

S2.启动电机，以一定转速N驱动基座及容器旋转，容器的角速度为ω＝2πN，线速度为v₀＝ωr_o＝2πNr_o；

S3.至混凝土旋转稳定后，靠近容器内壁的混凝土旋转，靠近容器中心区域的混凝土不旋转，转速v_p＝0；测量不旋转区域的半径r_p，并由扭矩传感器读取扇叶型转子所承受反作用扭矩T；

S4.将容器旋转而扇叶型转子不旋转，等价为容器不旋转而扇叶型转子旋转，从而模拟混凝土泵送工况，则容器中旋转区域的混凝土等价为混凝土泵送中的润滑层，不旋转区域的混凝土等价为混凝土泵送中的栓塞流；容器中，混凝土栓塞流半径为r_p，作用于栓塞流的扭矩为T；等价后，栓塞流区域的流速v'_p＝v₀＝2πNr_o；润滑层区域的内径为r_p、外径为r₀，且r_p处流速为v'_p、r₀处流速为v'₀＝v_p＝0，并近似假设润滑层的流速与半径之间为线性关系；由栓塞流区域混凝土流量Q₁及润滑层区域混凝土流量Q₂可得出混凝土泵送流量Q，具体参见公式一；其中，

S5.假设容器等价泵管微元底部压强为P+dp、顶部压强为P，由平衡关系可得出公式二，根据混凝土泵送中泵管实际长度L，并结合公式二可得出混凝土克服摩擦所致泵送压力损失P_s的计算公式三，其中，

其中，dp为压力损失的微分，τ_o为容器内壁受到的剪切应力，dL为容器长度的微分；

S6.重复步骤S2至步骤S5，通过改变扭矩T、转数N，得出相应多组混凝土泵送压力损失P_S、泵送流量Q的关系，绘制P_S-Q曲线，并制定泵送施工方案。

优选为，公式一简化为：

Q≈Q₁＝πr_p ²v₀＝πr_p ²·2πNr_o。

本发明提供的测定混凝土泵送压力与流量关系的装置，用容器盛放待测混凝土拌合物，通过电机带动基座和容器旋转，在容器内壁摩擦力作用下，紧贴容器内壁的混凝土将与之同步旋转，在混凝土粘滞力的带动下，靠近容器内壁的一定厚度的混凝土也将旋转，由于混凝土的粘滞力较小且扇叶型转子对混凝土的转动形成阻碍，仅有薄薄的一层混凝土转动，旋转的混凝土层相当于混凝土泵送中的润滑层，容器靠近中心不旋转的混凝土层相当于混凝土泵送中的栓塞流，因此该装置可以模拟混凝土泵送中的栓塞流和润滑层。本发明中，直接将泵管内层样品制成容器，可以使测量结果更加精确。扭矩传感器与扇叶型转子连接，扇叶型转子置于容器轴心处，可以用于测量容器中不旋转区域混凝土受到的扭矩。因此，本发明提供的测定混凝土泵送压力与流量关系的装置结构简单、操作方便，且能较好模拟混凝土泵送工况中的润滑层、栓塞流，并测量需要的扭矩、栓塞流半径等参数，装置设计科学合理。

本发明提供的测定混凝土泵送压力与流量关系的方法，将新拌混凝土灌注至实施例一中的装置的容器中，并启动电机以转数N旋转，然后测量容器中混凝土分界面的半径和扭矩传感器的扭矩值，并将容器旋转时混凝土流场参数等价为容器不旋转时的情形，然后计算混凝土的泵送流量和压力损失，从而将扭矩、转数关系转化为泵送流量、压力损失关系，并通过泵送压力损失-泵送流量曲线为混凝土泵送施工提供科学依据，该方法操作方便、计算简单，且结果更贴近工程实际。

附图说明

图1为本发明一实施例中的测定混凝土泵送压力与流量关系的装置的结构示意图；

图2为本发明另一实施例中的容器旋转示意图；

图3为本发明另一实施例中的混凝土的流场参数示意图；

图4为本发明另一实施例中的等价后的混凝土的流场参数示意图；

图5为本发明另一实施例中的等价后的混凝土的压强平衡关系示意图。

图中标号如下：

1-容器；2-基座；3-透明盖板；4-电机；5-支撑架；51-竖杆；52-连接杆；53-托盘；6-扭矩传感器；7-扇叶型转子；71-转轴；72-叶片；8-底座；9-混凝土。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提供的一种测定混凝土泵送压力与流量关系的装置及方法作进一步详细说明。结合下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例一

请参阅图1所示，本实施例提供的一种测定混凝土泵送压力与流量关系的装置，包括容器1、基座2、透明盖板3、电机4、支撑架5、扭矩传感器6和扇叶型转子7。

其中，容器1用于盛放待测混凝土9，采用泵管内层样品制成，直接将泵管内层样品制成容器1，可以使测量结果更加精确。基座2中部设置有U型凹槽，容器1底端嵌入凹槽中。为了使基座2与容器1紧密连接，并防止混凝土浆液外溢，容器1底端设置有外螺纹，凹槽中设置有与外螺纹相匹配的内螺纹，基座2与容器1螺纹连接。为防止混凝土从基座2与容器1之间的连接处溢出，优选为，容器1与基座2之间设置有用于防止混凝土渗出的橡胶圈。

透明盖板3设置于容器1顶部，并与容器1可拆卸连接，防止混凝土旋转过程中外溢，且便于观察混凝土9的旋转情况。容器1旋转时，靠近容器1内壁的一层混凝土旋转，容器1中心区域的混凝土9不旋转，为了方便读取二者之间的分界面，优选为，透明盖板3的上表面由圆心沿半径方向设置有刻度尺，圆心处读数为零，读数沿半径方向逐渐增大。进一步，为了方便透明盖板3与容器1之间固定、拆卸，优选为，容器1的上端设置有外螺纹，透明盖板3设置有与之匹配的内螺纹，二者螺纹连接。当然，容器1上端口亦可采用L型槽口，透明盖板3内嵌于L型槽口中，并通过设置于容器1上端外壁上的扣件卡扣固定。透明盖板3的轴心处设置有轴孔，用于安装扇叶型转子7。

为了避免基座2凹槽底部、透明盖板3的下表面与混凝土之间的摩擦力阻碍混凝土旋转从而影响测量结果，优选为，基座2凹槽底部、透明盖板3的上表面具有光洁的表面，比如基座2采用金属材质且凹槽内做抛光处理，透明盖板3采用PVC塑料且材质透明、表面光洁，当然也可以在基座2凹槽内、透明盖板3下表面涂抹润滑剂或脱模剂，从而减少与混凝土之间的摩擦力，降低对测量结果的影响。

电机4与基座2连接，并可驱动基座2和容器1旋转。电机4与基座2的连接方式可以有多种，比如通过齿轮传动、带传动或链条传动等，此处不做限定。

支撑架5设置于容器1外侧且横跨容器1顶部，主要用于将扭矩传感器6固定在容器1的正上方。支撑架5可以有多种结构，比如由杆件组成，扭矩传感器6固定在杆件上，或者支撑架5为倒扣的透明罩，扭矩传感器6固定在透明罩的顶部。优选的实施方式为，支撑架5包括若干竖杆51、与竖杆51固定连接的连接杆52，以及位于透明盖板3的轴孔正上方且与连接杆52另一端固结的托盘53，托盘53的轴心处设置有通孔，扭矩传感器6固定在托盘53上。进一步，可以调整连接杆52在竖杆51上的固定高度，优选为，连接杆52与竖杆51的固定方式可采用如下其一：a.连接杆52通过管箍固定在竖杆51上；b.竖杆51上设置有若干螺栓孔，连接杆52的一端设置有内螺纹，连接杆52通过穿过螺栓孔的螺栓固定在竖杆51上。

优选的实施方式为，如图1所示，装置还包括底座8，电机4位于底座8内。进一步优选为，支撑架5固定在底座8上。如此设计，装置具有更好的整体性，结构更加稳固。

扇叶型转子7包括转轴71和若干固结在转轴71上的叶片72，叶片72位于容器1内，转轴71穿过透明盖板3的轴孔、托盘53的通孔与扭矩传感器6连接，扇叶型转子7与容器1同轴心。

本发明提供的测定混凝土泵送压力与流量关系的装置，用容器1盛放待测混凝土9拌合物，通过电机4带动基座2和容器1旋转，在容器1内壁摩擦力作用下，紧贴容器1内壁的混凝土将与之同步旋转，在混凝土粘滞力的带动下，靠近容器1内壁的一定厚度的混凝土也将旋转，由于混凝土的粘滞力较小且扇叶型转子7对混凝土的转动形成阻碍，仅有薄薄的一层混凝土转动，旋转的混凝土层相当于混凝土泵送中的润滑层，靠近容器1中心不旋转的混凝土层相当于混凝土泵送中的栓塞流，因此该装置可以模拟混凝土泵送中的栓塞流和润滑层。本发明中，直接将泵管内层样品制成容器1，可以使测量结果更加精确。扭矩传感器6与扇叶型转子7连接，扇叶型转子7置于容器1轴心处，可以用于测量容器1中不旋转区域混凝土受到的扭矩。因此，本发明提供的测定混凝土泵送压力与流量关系的装置结构简单、操作方便，且能较好模拟混凝土泵送工况中的润滑层、栓塞流，并测量需要的扭矩、栓塞流半径等参数，装置设计科学合理。

实施例二

本实施例提供了一种实施例一中的装置测定混凝土泵送压力与流量关系的方法，下面结合图1至图5对该方法作进一步说明。该方法具体包括如下步骤：

S1.将新拌混凝土9灌注至高度为h、内径为r₀的容器1内，盖上透明盖板3；

S2.结合图2和图3所示，启动电机4，以一定转速N驱动基座2及容器1旋转，容器1的角速度为ω＝2πN，线速度为v₀＝ωr_o＝2πNr_o。

S3.如图3所示，至混凝土旋转稳定后，靠近容器1内壁的混凝土旋转，靠近容器1中心区域的混凝土不旋转，转速v_p＝0；测量不旋转区域的半径r_p，并由扭矩传感器6读取扇叶型转子7所承受反作用扭矩T。

如图3所示，在容器1内壁摩擦力作用下，紧贴容器1内壁的混凝土将随之同步旋转，线速度v₀＝ωr_o＝2πNr_o，在混凝土粘滞力的带动下，靠近容器1内壁的一定厚度的混凝土也将旋转，由于混凝土的粘滞力较小且扇叶型转子7对混凝土的转动形成阻碍，仅有薄薄的一层混凝土转动，靠近容器1中心区域的混凝土不旋转，即转速v_p＝0。旋转区域的混凝土的线速度由容器1内壁处(半径r₀处)的v₀＝ωr_o＝2πNr_o逐渐减小至v_p＝0(半径r_p处)。

S4.结合图3和图4所示，将容器1旋转而扇叶型转子7不旋转，等价为容器1不旋转而扇叶型转子7旋转，从而模拟混凝土泵送工况；容器1中旋转区域的混凝土等价为混凝土泵送中的润滑层，不旋转区域的混凝土等价为混凝土泵送中的栓塞流；容器中，混凝土栓塞流半径为r_p，作用于栓塞流的扭矩为T；等价后，栓塞流区域的流速v'_p＝v₀＝2πNr_o；润滑层区域的内径为r_p、外径为r₀，且r_p处流速为v'_p、r₀处流速为v'₀＝v_p＝0，并近似假设润滑层的流速与半径之间为线性关系；由栓塞流区域混凝土流量Q₁及润滑层区域混凝土流量Q₂可得出混凝土泵送流量Q，具体参见公式一；其中，

图3中为等价前的混凝土流场参数示意图，图4为等价后的的混凝土流场参数示意图。如图4中所示，等价后的栓塞流(图4中灰色区域)区域的混凝土流速v'_p＝v₀＝2πNr_o；润滑层区域(r_p至r₀之间的圆环区域)的流速由v'_p逐渐减小至v'₀＝v_p＝0。假设润滑层的流速与半径之间为线性关系，则可推导出

由流速和面积可推导出栓塞流区域混凝土流量Q₁＝πr_p ²v₀，并可推导出润滑层区域混凝土流量

从而推导出泵送流量Q＝Q₁+Q₂。需要说明的是，润滑层的流速随半径变化曲线为抛物线，为计算方便简化为直线，该简化对结果影响很小。

由于润滑层区域很薄，对泵管中混凝土流量影响较小，同时基于工程中的保守原则，可忽略润滑层区域混凝土流量Q₂，从而可将公式一简化为Q≈Q₁＝πr_p ²v₀＝πr_p ²·2πNr_o。

S5.如图5所示，假设容器1等价泵管微元底部压强为P+dp、顶部压强为P，由平衡关系可得出公式二，根据混凝土泵送中泵管实际长度L，并结合公式二可得出混凝土克服摩擦所致泵送压力损失P_s的计算公式三，其中，

其中，dp为压力损失的微分，τ_o为容器1内壁受到的剪切应力，dL为容器1长度的微分。

容器1内壁处的扭矩为T，可以导出等价后泵管内壁的应力为

长度为dL的内壁上受到的剪切力F＝2πr_o·τ_o·dL，从而得出压力损失

S6.重复步骤S2至步骤S5，通过改变扭矩T、转数N，得出相应多组混凝土泵送压力损失P_S、泵送流量Q的关系，绘制P_S-Q泵送流量曲线，并制定泵送施工方案。

综上所述，本发明提供的测定混凝土泵送压力与流量关系的方法，将新拌混凝土9灌注至实施例一中的装置的容器1中，并启动电机4以转数N旋转，然后测量容器1中混凝土分界面的半径和扭矩传感器6的扭矩值，并将容器1旋转时混凝土流场参数等价为容器1不旋转时的情形，然后计算混凝土的泵送流量和压力损失，从而将扭矩、转数关系转化为泵送流量、压力损失关系，并通过泵送压力损失-泵送流量曲线为混凝土泵送施工提供科学依据，该方法操作方便、计算简单，且结果更贴近工程实际。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种测定混凝土泵送压力与流量关系的方法，其特征在于，

所述方法利用测定混凝土泵送压力与流量关系的装置进行，所述装置包括：

容器，盛放待测混凝土，采用泵管内层样品制成，底部设置有外螺纹；

基座，中部设置有U型凹槽，所述凹槽中设置有与所述外螺纹相匹配的内螺纹，所述容器内嵌于所述凹槽中并与所述基座螺纹连接；

透明盖板，与所述容器顶部可拆卸连接，轴心处设置有轴孔；所述透明盖板的上表面由圆心沿半径方向设置有刻度尺；

电机，与所述基座连接，并可驱动所述基座和容器旋转；

支撑架，设置于所述容器外侧且横跨所述容器顶部；

扭矩传感器，固定于所述支撑架上，并位于所述容器的正上方；以及，

扇叶型转子，包括转轴和若干固结在所述转轴上的叶片，所述叶片位于所述容器内，所述转轴穿过所述透明盖板的轴孔与所述扭矩传感器连接，所述扇叶型转子与所述容器同轴心且高度相同；

所述方法包括如下步骤：

S1.将新拌混凝土灌注至高度为h、内径为r₀的容器内，盖上透明盖板；

S2.启动电机，以一定转速N驱动基座及容器旋转，容器的角速度为ω＝2πN，线速度为v₀＝ωr_o＝2πNr_o；

S3.至混凝土旋转稳定后，靠近容器内壁的混凝土旋转，靠近容器中心区域的混凝土不旋转，转速v_p＝0；测量不旋转区域的半径r_p，并由扭矩传感器读取扇叶型转子所承受反作用扭矩T；

S4.将容器旋转而扇叶型转子不旋转，等价为容器不旋转而扇叶型转子旋转，从而模拟混凝土泵送工况，则容器中旋转区域的混凝土等价为混凝土泵送中的润滑层，不旋转区域的混凝土等价为混凝土泵送中的栓塞流；容器中，混凝土栓塞流半径为r_p，作用于栓塞流的扭矩为T；等价后，栓塞流区域的流速v'_p＝v₀＝2πNr_o；润滑层区域的内径为r_p、外径为r₀，且r_p处流速为v'_p、r₀处流速为v'₀＝v_p＝0，并近似假设润滑层的流速与半径之间为线性关系；由栓塞流区域混凝土流量Q₁及润滑层区域混凝土流量Q₂可得出混凝土泵送流量Q，具体参见公式一；其中，

S5.假设容器等价泵管微元底部压强为P+dp、顶部压强为P，由平衡关系可得出公式二，根据混凝土泵送中泵管实际长度L，并结合公式二可得出混凝土克服摩擦所致泵送压力损失P_s的计算公式三，其中，

其中，dp为压力损失的微分，τ_o为容器内壁受到的剪切应力，dL为容器长度的微分；

S6.重复步骤S2至步骤S5，通过改变扭矩T、转数N，得出相应多组混凝土泵送压力损失P_S、泵送流量Q的关系，绘制P_S-Q曲线，并制定泵送施工方案。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，公式一简化为：

Q≈Q₁＝πr_p ²v₀＝πr_p ²·2πNr_o。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述装置还包括底座，底座位于所述基座的下方，且所述电机位于所述底座内。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述支撑架包括若干竖杆，以及与所述竖杆固定连接的连接杆，以及位于所述透明盖板轴孔的正上方且与所述连接杆另一端固结的托盘；

所述托盘上设置有供所述转轴穿过的通孔，所述扭矩传感器固定在所述托盘上。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述连接杆与所述竖杆的固定方式可采用如下其一：

a.所述连接杆通过管箍固定在所述竖杆上；

b.所述竖杆上设置有若干螺栓孔，所述连接杆的一端设置有内螺纹，所述连接杆通过穿过所述螺栓孔的螺栓固定在所述竖杆上。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述容器顶部设置有外螺纹，所述透明盖板设置有内螺纹，所述透明盖板与所述容器顶部螺纹连接。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述容器与所述基座之间设置有用于防止混凝土渗出的橡胶圈。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基座采用金属材质，且所述凹槽内做抛光处理。

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