DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X.2021.08.004公路隧道钢筋混凝土衬砌碳化耐久性区划韩兴博，叶飞，梁晓明，冯浩岚，王蕾，夏永旭(长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)摘 要：为了构建公路隧道衬砌碳化耐久性的定量设计方法，对比各碳化深度计算模型与实测数据，选定衬砌碳化的最优模型；根据实测数据分析隧道环境温湿度与洞外大气关系，基于全国气象监测站的温湿度数据，建立公路隧道运营环境温湿度区划；考虑公路隧道CO 2的释放源项并参照实测数据，构建隧道运营环境CO 2体积分数的计算方法；以碳化劣化速率梯度相等为原则，对我国隧道碳化环境进行分区，结合分区推荐我国公路隧道衬砌碳化耐久性定量设计的具体方法. 研究发现：隧道环境湿度与大气湿度相当，隧道环境温度变化趋势与大气环境一致，两者均值接近. 公路隧道内部CO 2体积分数与CO 体积分数呈线性关系. 云南、贵州区修建的隧道工程衬砌受环境影响较大，西藏、青海、内蒙古、黑龙江、吉林等地区的待建隧道在进行衬砌耐久性设计时可以忽略碳化影响，其余全国大面积区域隧道衬砌的碳化耐久性设计可以对应《混凝土结构耐久性设计标准》中环境作用等级中的“轻度”进行设计.关键词： 公路隧道；钢筋混凝土衬砌；碳化；运营环境；耐久性；区划中图分类号： U 451.4 文献标志码： A 文章编号： 1008−973X （2021）08−1436−08Carbonation resistance zonation of reinforcedconcrete lining of road tunnelsHAN Xing-bo, YE Fei, LIANG Xiao-ming, FENG Hao-lan, WANG Lei, XIA Yong-xu(Chang’an University , School of Highway , Xi’an 710064, China )Abstract: The optimistic model was decided by comparing results from carbonation depth calculation models andtested data, in order to establish a quantitative method for the carbonization durability design of highway tunnel lining. The relationship of temperature and humidity between the tunnel operation environment and the atmosphere was analyzed based on the field test data. The temperature and humidity zonation of road tunnels in China was established based on the temperature and humidity data from meteorological stations. The calculation method of CO 2volume fraction in the tunnel operation environment was recommended by referring to the emission source of CO 2 as well as the field test data. The carbonation durability of road tunnels in China was divided based on the principle of equalized carbonation degradation rate gradient. Also, the specific method of quantitative design of carbonation durability of road tunnel lining in China was recommended based on the results of the zonation. Results show that the environmental humidity of the tunnel is equivalent to the atmospheric humidity. The temperature trend of the tunnel environment is consistent with that of the atmospheric environment, and the average values of the two are close. The CO 2 volume fraction in the road tunnel is linearly related to the CO volume fraction. The lining of tunnels built in the Yunnan and Guizhou are greatly affected by the environment. The impact of carbonation can be ignored for tunnels in Tibet, Qinghai, Inner Mongolia, Heilongjiang and Jilin. The carbonation durability design of the tunnel lining in other areas of the country can refer to the design of the classification “lightness” in “Standard for design of concrete structure durability”.收稿日期：2020−07−27. 网址：/eng/article/2021/1008-973X/202108004.shtml基金项目：国家自然科学基金资助项目（51878060）；中国博士后科学基金面上资助项目（2020M683398）；长安大学中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（300102210124）.作者简介：韩兴博（1991—），男，讲师，从事隧道长期性能研究. /0000-0002-9919-6749. E-mail: ******************.cn通信联系人：叶飞，男，教授. /0000-0002-8375-3010. E-mail: *****************第 55 卷第 8 期 2021 年 8 月浙 江 大 学 学 报(工学版)Journal of Zhejiang University (Engineering Science)Vol.55 No.8Aug. 2021Key words: road tunnel; reinforced concrete lining; carbonation; operating environment; durability; zonation钢筋混凝土结构是目前隧道衬砌最广泛的采用形式. 混凝土碳化是导致钢筋混凝土隧道衬砌耐久性劣化的重要原因之一，也是钢筋混凝土衬砌耐久性设计的重要研究内容[1-2]. 目前关于隧道衬砌混凝土碳化耐久性设计还没有专门的规定，国内的隧道衬砌在实际设计中仍然以参考普通建筑混凝土耐久性设计规定为主，设计的基本思路如下：首先定性确定混凝土结构的碳化环境作用等级，然后通过限制最大水胶比、最低混凝土强度以及最小保护层厚度等参数来保证混凝土结构的耐久性[3]. 上述耐久性设计方法主要基于工程经验和定性分析，往往难以保证混凝土结构满足预定的服役寿命要求[4-5]. 美国[6]、欧盟[7-9]、澳大利亚[10]、加拿大[11]、德国[12]、挪威[13]、瑞典[14]等的相关混凝土耐久性设计规范均针对碳化耐久性设计作出了说明，但是均为定性描述，不能直接指导设计人员确定衬砌保护层厚度、钢筋参数、混凝土参数等的定量取值. 此外，我国地域宽广，不同地区的环境温湿度差异巨大，不同地区的隧道衬砌结构对碳化耐久性的要求存在差异. 因此，进行衬砌碳化耐久性区划对我国隧道衬砌的碳化耐久性定量设计具有切实意义. 区别于普通建筑混凝土，隧道衬砌混凝土碳化模型的选取、隧道内部碳化环境（温度、湿度、CO2体积分数）特征的确定、适用性强的区划方法的实现仍然是隧道钢筋混凝土衬砌碳化耐久性区划研究中须解决的问题.在碳化模型方面，在钢筋混凝土结构领域已经开展了广泛深入的研究. 最早，Papadakis等[15]根据水化和碳化反应过程和质量守恒方程在Fick 第一定律下建立了混凝土碳化预测模型的理论框架. 之后大量学者基于自然暴露及加速碳化试验侧重于混凝土材料[16-21]、碳化环境因素[22-28]、受荷特征[18, 29-30]等提出了多种修正模型. 我国《混凝土结构耐久性设计标准》[3]也详细推荐了混凝土结构的碳化深度计算公式，该模型与牛荻涛[31]提出的模型有密切联系. 万小梅[32]、武海荣等[33]也就环境特征和受荷特征提出了相应的修正模型，具有较高的实用性. 隧道钢筋混凝土衬砌与普通混凝土衬砌的材料组成一致，因此隧道衬砌的碳化模型可以借鉴上述普通混凝土结构的碳化模型.由现有的混凝土碳化模型不难看出，环境温度、湿度以及CO2体积分数对结构碳化有重要影响. 我国设有大量的气象工作站，能够准确获取大量大气环境的温湿度数据. 就隧道环境温湿度而言，陈建勋等[34]对某隧道洞内外环境进行了常年的观测，根据其观测数据可以发现隧道洞内温度和洞外温度的变化趋势基本一致. 丁浩等[35]在研究姜路岭隧道通风时，通过现场测试发现隧道内部温度与洞外大气温度密切相关. Zhao等[36]对Zuomutai隧道环境温度进行了近1 a的高频率监测，获取了隧道的环境温度数据. 此外，大量隧道温度场的测试数据均显示隧道内温度与大气温度相关程度高，因此可以考虑通过大气温度来测算隧道环境温度. 这种做法在解决待建隧道温度场估算的同时，能够通过我国大量的气象站数据推算出全国不同地区的隧道环境温湿度数据. 不过，须深入分析隧道环境温湿度与大气环境温湿度的关系，建立全国不同地域隧道的温湿度特征.在CO2体积分数方面，《公路隧道通风设计细则》[37]给出了明确的CO体积分数的计算方法与允许最大浓度取值，但是对于隧道内CO2体积分数的计算目前尚无明确方法.在区划方法方面，Jin等[38]针对普通混凝土提出其耐久性区划的框架，并应用到浙江省混凝土桥梁结构耐久性环境区划中. 王艳[39]参考全国气候规划，突出主导因素对全国混凝土耐久性环境进行区划. Huang等[40]通过预测模型将环境作用指标量化，得到其耐久性分区. 武海荣等[33]在此框架下进一步对全国的混凝土耐久性环境进行区划.本研究以钢筋混凝土衬砌碳化耐久性区划为目标，借鉴混凝土碳化领域成果，对比实测数据选定衬砌碳化深度计算最优模型；考虑隧道环境特征，基于大量现场测试数据建立大气环境与隧道环境温湿度关系以及CO体积分数与CO2体积分数函数关系，得到隧道环境参数（温度、湿度、CO2体积分数）的计算方法，依托大气环境测量数据，建立隧道环境温湿度区划；考虑劣化梯度相等，建立隧道衬砌混凝土碳化耐久性区划，构建定量的钢筋混凝土衬砌碳化耐久性设计方法. 以期为我国的隧道衬砌耐久性设计提供支持.1 碳化深度计算模型及影响因素分析目前关于混凝土结构碳化深度的计算模型较第 8 期韩兴博, 等：公路隧道钢筋混凝土衬砌碳化耐久性区划[J]. 浙江大学学报：工学版,2021, 55(8): 1436–1443.1437时长可以估算结构的碳化深度，其混凝土碳化系数的表达式如下：k CO 2k CO 2=√φ(CO 2)/0.03φ(CO 2)k KL k KT k KS k F R H f cu 式中：k 为碳化系数；为CO 2体积分数影响系数，，为CO 2的体积分数；为位置影响系数，对于构件角区取1.4，对于非角区取1.0；为养护浇筑影响系数，取1.2；为工作应力影响系数；为粉煤灰取代系数；θ为环境温度；为环境湿度；为混凝土抗压强度标准值.万小梅[32]考虑构件受力对碳化速率的影响，提出的碳化深度的计算模型如下：k T =4√θ/θ0式中：x 为碳化深度；k RH 为环境湿度温度影响系数，k RH =（1−R H ）1.1/（1−R H0）1.1，R H0为标准环境相对湿度，取值为70%；k T 为环境温度影响系数，，θ0为标准环境温度，取20 ℃；k c 为自然碳化1 a 与快速碳化28 d 的CO 2扩散系数比值，可以取20；c 0为混凝土表面的CO 2浓度，自然碳化下c 0=0.032 5 mol/m 3[8-9]；D 0为快速碳化28 d 得到的CO 2扩散系数；t 为碳化时间；t 0为碳化标准时间，可以取28 d ；n 为与实践有关的影响系数，C40以下的混凝土可以取0.3，C45以上混凝土可以取0.1；k ce 为与水泥品种有关的系数，硅酸盐水泥取8.03，普通硅酸盐水泥取6.83；C 为水泥混凝土中的水泥用量；k σ为与荷载有关的系数.武海荣等[33]也提出了碳化深度的计算模型：式中：k RH =−4.24R H 2+4.24R H +0.2；k T =exp （8.748−2 563/为了选取更加准确的模型，将上述3个模型与文献[31]的实测数据对比，碳化深度计算值与实测值的相关性如图1所示. 图中，x c 为计算碳化深度，x t 为实测碳深度，黑色实线为计算碳化深度与实测碳化深度相等的曲线，万小梅模型[32]（红色点线）与武海荣模型[33]（黑色虚线）计算结果的拟合值均与黑色实线较接近，但是万小梅模型计算结果的分布范围明显大于武海荣模型，说明在计算结果的离散性上武海荣模型优于万小梅模型. 《混凝土结构耐久性设计标准》[3]给出的模型计算结果的离散程度较小，但是拟合曲线与黑色实线偏差较大，因此推荐武海荣模型为本研究碳化深度的计算模型.由碳化深度计算模型可知，环境温度、湿度以及CO 2体积分数是隧道运营环境影响衬砌碳化的重要方面. 在选定碳化计算模型的基础上，计算不同温度、湿度以及CO 2体积分数影响下碳化深度的时变规律如图2所示. 图中，t m 为监测时间. 根据武海荣模型[33]的计算结果中曲面在时间-碳化深度坐标轴所在平面上的投影可知，在3种图 1 理论模型碳化深度与实测碳化深度相关性对比Fig.1 Comparison of carbonation depth of theoretical model andfieldtest data图 2 环境因素对碳化深度的影响规律Fig.2 Regulations of environmental factors on carbonation depth因素影响下，碳化深度的增加均随时间发展而减缓. 由曲面在各因素与碳化深度坐标轴所在平面投影可知，碳化深度随温度和CO 2体积分数的增加而增加，但是随着温度的增加，碳化深度的增加速率有加快趋势，随着CO 2体积分数的增加，碳化深度的增加速率有减缓趋势. 碳化深度在湿度为50%时达到极值，干燥或高湿的环境均有利于降低碳化速率.2 公路隧道运营环境温度确定大量现场测试表明公路隧道洞内温度与洞外温度存在差异. 以瓦房店隧道的温度监测数据[41]为例（见图3），在隧道外部环境温度较低时（12月27日—2月7日），洞内温度高于洞外大气温度. 当隧道外部温度升高时（2月7日—2月11日），洞内温度随之升高. 整体来看，虽然洞内温度不同于洞外温度，但是洞内温度受洞外大气温度影响显著，两者变化趋势一致，洞内较洞外变化幅度小，且滞后.文献[42]对胶州湾公路隧道的温度进行了连续4 d 的不间断监测（见图4）. 结果显示，隧道洞内温度显著相关于隧道外大气温度，隧道中部温度最高，但平均温度与洞外大气相差较小（2.4 ℃）.文献[36]对柞木台隧道的温度进行了连续、近乎整年的测试（见图5）. 测试结果显示，隧道洞内温度与外部大气温度联系密切且表现出“冬暖夏凉”的环境温度特性. 两者温度的均值差仅为0.7 ℃（洞外温度均值为5.3 ℃，洞内温度均值为6.0 ℃）.隧道的碳化过程是逐步累积的缓慢过程，采用“年均”尺度来确定环境对结构耐久性的作用较合理[43]. 由实测结果可知隧道洞内温度与洞外温度均值相差较小，因此在计算隧道碳化深度但无洞内实测温度数据时可以考虑用大气环境平均温度代替隧道环境平均温度.为了便于隧道前期设计时隧道环境参数的预估，通过全国2 132个气象监测站的1981年到2010年的累年年平均气温可以得到全国不同地区的隧道环境温度分布. 最高温度分布在我国南部的广东、广西、海南、台湾等省份，大于19 ℃；最低平均气温可至零下，分布在我国黑龙江和内蒙古的北部、青海南部以及新疆中部少数地区.其余全国大多数地区的温度为−1~19 ℃. 在计算阶段可以根据隧道所在地区的温度选择对应隧道环境温度.3 公路隧道运营环境湿度确定通过文献[44]的研究，运营期间隧道内湿气主要源于排水沟中水的自然蒸发以及车内人员的散湿，在正常运营情况下隧道内散湿可以通过隧道内的自然通风或者机械通风排出，不会引起隧道内湿度的积累，因此可以认为隧道内的湿度环境与隧道外部环境相同. 文献[42]的现场监测数据（见图6）也证实隧道内部环境湿度均值与外部大气相当. 图中，H LO 、H LI 、H RO 、H RI 分别为左洞外部、左洞内部、右洞外部、右洞内部湿度. 与温度分布类似，可以得到全国隧道运营环境湿度分布，其规律与温度分布基本一致.图3 瓦房店隧道内、外环境温度Fig.3 Inner and outer temperature of Wafangdian tunnel图 4 青岛胶州湾海底公路隧道内、外环境温度Fig.4 Inner and outer temperature of Jiaozhou bay road tunnel图 5 柞木台隧道内、外环境温度Fig.5 Inner and outer temperature of Zuomutai tunnel第 8 期韩兴博, 等：公路隧道钢筋混凝土衬砌碳化耐久性区划[J]. 浙江大学学报：工学版,2021, 55(8): 1436–1443.14394 运营隧道CO 2体积分数计算和CO 体积分数类似，隧道内CO 2的体积分数与隧道的交通量、车型比例以及通风条件等相关. 因此，可以通过相关计算确定隧道环境的CO 2体积分数.类比《公路隧道通风设计细则》[37]中CO 体积分数的计算方法，隧道内的CO 2体积分数可以由下式计算：Q CO 2Q req 式中：为隧道内的CO 2排放量；为隧道新风量.Q CO 2可以由下式计算：q CO 2式中：为单车CO 2排放量，L 为隧道长度，N 为隧道交通量.考虑不同车型的CO 2排放量不同，式（5）可以扩展为式中：m 表示第m 种车型.文献[45]给出了各类型车量的CO 2排放因子，以g/km 为单位，除以CO 2的密度，得到单车的CO 2排放量如图7所示.除了大气中固有的CO 2外，公路隧道内部环境中的CO 2主要源于车辆的排放[46]. 车辆的燃料充分燃烧产生CO 2，不充分燃烧产生CO. 因此，隧道内部车辆排放的CO 和CO 2来源相同. 同时，考虑到目前机动车的发动机制造工艺成熟，因此，燃料不完全燃烧情况的占比相对稳定[47]. 可以认为，单位燃料燃烧后尾气中排放的CO 和CO 2比例恒定. 公路隧道通风设计细则给出了详细的CO 体积分数计算方法，因此，可以通过现场测试数据分析隧道环境中的CO 和CO 2体积分数关系，建立两者的函数联系，从而可以类比《公路隧道通风设计细则》[37]计算隧道环境的CO 2体积分数.4处公路隧道[48]监测得到的环境C O 和CO 2体积分数关系如图8所示. 共62处监测点的数据拟合得到的关系函数为式（7）的拟合残差R 2=0.904，拟合程度高. 由图8可以发现4处隧道的监测数据均能较好地被拟合曲线描述，说明隧道环境中CO 和CO 2体积分数的函数关系具有普遍性. 此外，拟合函数为一次函数，斜率44.83表示车辆产生的CO 和CO 2的比例关系，截距402.67×10−6表示大气中固有的CO 2体积分数，与实际大气中的CO 2体积分数（0.03%~0.04%）相符，可见，拟合函数具有合理性.细则规定，当公路隧道长度小于1 000 m 时，CO 允许体积分数极值为0.015%，当长度大于3 000 m 时，CO 允许体积分数极值为0.01%[37]. 实际情况下公路隧道内部CO 体积分数值为0.001%~0.007%[29].考虑不利工况以及实际情况，按CO 体积分数为0.007%计算得到隧道环境CO 2体积分数极值为0.354%.图 8 CO 和CO2现场测试结果相关性分析Fig.8 Correlation analysis of density field test data of CO and CO 25 山岭隧道衬砌碳化环境区划隧道衬砌配筋设计中常见的保护层厚度为图 6 青岛胶州湾海底公路隧道内、外环境湿度Fig.6 Inner and outer humidity of Jiaozhou bay road tunnel图 7 各类型车辆CO 2排放因子Fig.7 CO 2 emission factors for each type of vehicle1440浙 江 大 学 学 报（工学版）第 55 卷35~60 mm，以衬砌混凝土碳化深度达到60 mm作为结构碳化寿命的终点，计算全国各地2 132个地区的隧道碳化寿命. 但是简单按照碳化寿命为20、50、100 a等来进行环境区划并不可取[33]. 因此参考文献[33]，将碳化寿命在120 a以上的区域划归为环境影响可忽略区，其余区域考虑劣化梯度相等，将碳化寿命在120 a以内的地区划为5个等级. 绘制2 132个地区100 a的碳化深度以及碳化寿命的相关性曲线如图9所示，按照等劣化梯度划分可以得到各等级的分界值. 图中，l t为碳化寿命. 由计算结果可知衬砌的碳化寿命为23.8~198.7 a.因此，首先按照碳化寿命将分区划分为6个部分（20~40、40~60、60~80、80~100、100~120、120~max）；再按照100 a碳化深度与碳化寿命的对应关系，计算各分区值（40、60、80、100、120 a）对应的100 a碳化深度（95、77、67、60、55 mm），最后按照该深度进行区划. 按照此方式划分，即便衬砌保护层厚度选择其他值，划分出的区域也与60 mm相同. 如此，可以保证区划的唯一性. 按照如图9所示的分界值，将全国地区划分为0~5共6个等级，环境影响程度依次增加.《混凝土结构耐久性设计标准》[3]将环境对结构耐久性的影响分成了6个作用等级，如表1所示. 对照耐久性设计规范的分类，分析各个分区的气候特征，将各分区与环境作用等级进行对应. 并将各个分区对应的行政区域进行划分，汇总如表2所示，以便工程设计人员查询.图 9 衬砌碳化寿命与碳化深度关系曲线Fig.9 Relationship between carbonation life span and carbonation depth表 1 环境作用等级Tab.1 Grade of environmental action级别作用程度级别作用程度A可忽略D严重B轻度E非常严重C中度F极端严重6 案例应用以待建的天山隧道与折多山隧道衬砌设计为例，介绍本研究碳化环境区划的使用方法.实例1：天山隧道衬砌设计可以按照以下4步进行：1）天山隧道地处新疆，待建隧道区域的碳化环境作用等级为“0”. 2）对应表2，此区域的对应混凝土耐久性设计规范的环境作用等级为“A”，查表1得知，此区域的碳化作用可以忽略. 3）对应《混凝土结构耐久性设计标准》[3]选取衬砌混凝土的相关设计参数，例如：混凝土强度等级最低为C30；表面开裂允许的最大值为0.4 mm；C30混凝土水灰比最大值为0.55，C35为0.50；C30混凝土最小保护层厚度为25 mm，C35为20 mm. 4）计算衬砌混凝土耐久性寿命，如果不足设计使用年限，对设计值进行调整.实例2：折多山隧道衬砌设计可以按照以下4步进行：1）折多山高速公路隧道地处四川，待建隧道区域的碳化耐久性分区为“2”. 2）对应表2，此区域的对应混凝土耐久性设计规范的环境作用等级为“B”，查表1得知，此区域的碳化作用为轻度. 3）对应《混凝土结构耐久性设计标表 2 各级耐久性区域环境特征与作用程度Tab.2 Environmental characteristics and extent of action of each durability grade碳化环境作用等级隧道内部环境特征与作用程度主要分布行政区域0碳化寿命为120 a以上，100 a碳化深度为55 mm以下，可与级别A对应内蒙古东北部、黑龙江北部、新疆吐鲁番、青海格尔木小部区域1碳化寿命为100~120 a，100 a碳化深度为55~60 mm，可与级别A对应内蒙古北部、黑龙江、吉林、辽宁东部、西藏、青海、四川北部2碳化寿命为80~100 a，100 a碳化深度为60~67 mm，可与级别B对应内蒙古西部、甘肃、宁夏、陕西、山西、辽宁西部、新疆、湖南、安徽、江苏、浙江、重庆、江西、福建、西藏南部3碳化寿命为60~80 a，100 a碳化深度为67~77 mm，可与级别B对应新疆西部及中部、河南北部、河北南部、北京、山东中西部、四川、广西、广东、台湾、海南4碳化寿命为40~60 a，100 a碳化深度为77~95 mm，可与级别C对应贵州南部、云南5碳化寿命为40 a以下，100 a碳化深度为95 mm以上，可与级别C对应云南、贵州、四川交界部位第 8 期韩兴博, 等：公路隧道钢筋混凝土衬砌碳化耐久性区划[J]. 浙江大学学报：工学版,2021, 55(8): 1436–1443.1441准》选取衬砌混凝土的相关设计参数，例如：混凝土强度等级最低为C35；表面开裂允许的最大值为0.3 mm；C30混凝土水灰比最大值为0.50，C35为0.45；C30混凝土最小保护层厚度为35 mm，C35为30 mm. 4）计算衬砌混凝土耐久性寿命，如果不足设计使用年限，对设计值进行调整.7 结 论（1）隧道环境湿度与大气湿度相当，隧道环境温度变化趋势与大气环境温度变化一致，且略微滞后，表现出“冬暖夏凉”的特征，并且两者平均温度较接近.（2）公路隧道内部CO2体积分数与CO体积分数呈线性关系.（3）按照等劣化梯度对全国隧道碳化耐久性进行分区，云南、贵州所处区域碳化环境作用等级为4或5级，对应混凝土耐久性设计规范的环境作用等级为中度. 西藏、青海、内蒙古、黑龙江、吉林等地区碳化环境作用等级为0级或1级，对应混凝土耐久性设计规范的环境作用等级为可忽略. 其余全国大面积区域属于碳化环境作用等级2级与3级，对应混凝土耐久性设计规范的环境作用等级为轻度.（4）本研究使用环境特征的平均值来表征环境的作用，忽略了隧道温度、湿度随时间及隧道不同位置的波动性，对于这一特性将在后续研究中进一步讨论.参考文献(References):董飞, 房倩, 张顶立, 等. 北京地铁运营隧道病害状态分析[J].土木工程学报, 2017, 50(6): 104–113.DONG Fei, FANG Qian, ZHANG Ding-li, et al. 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